DE2528953A1 - Verfahren zur trennung von isotopen - Google Patents
Verfahren zur trennung von isotopenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Isotopen, mit denen Moleküle gebildet sind, die sich an den Schwingungen
der Moleküle beteiligen, und die mittels Strahlung angeregt und getrennt werden können.
Es ist ein derartiges Verfahren bekannt (OS 19 59 767), jedoch beschränkt sich dieses auf die Trennung der Isotope U 235 und
U 238, wobei mit der betreffenden Atomsorte Moleküle hergestellt
werden, die eine Absorptionslinie (Rotations-Schwingungs-Linie) besitzen, die einer Emissionslinie eines Lasers vorzugsweise
C02-Lasers, entspricht, sich das Uranatom an der Schwingung des
Moleküls beteiligt, durch Zuführung einer oder mehrerer Reaktionspartner ein Reaktionsgeraisch hergestellt wird, das durch einen
Laser bestrahlt wird, und nach chemischer Umsetzung der bestrahlten Teile des Reaktionsgemisches die verschiedenen Moleküle auf be- %
kannte Weise, z.B. durch fraktionierte Kondensation, getrennt, werden.
Es muß demnach monochromatisches Licht eingestrahlt werden,
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so daß nur Moleküle mit der betreffenden Isotopensorte, nicht jedoch die anderen Moleküle, angeregt werden, d.h. der COo~Laser
wird selektiv auf eine Linie abgestimmt. Da Molekülspektren eine Vielzahl von Absorptionslinien aufweisen, kann durch die Einstrahlung nur einer bestimmten Resonanzlinie aber höchstens ein ganz
geringer Bruchteil aller Isotope selektiv angeregt werden. Es ist daher nicht möglich, nennenswerte Gasraengen selektiv angeregter
Moleküle wirtschaftlich zu erzeugen. Auch ist bei Zimmertemperatur u.a. bei UF6, die mittlere Liniendichte so groß, daß
aufgrund der natürlichen Linienbreite, der Doppler- und der Druckverbreiterung eine Überlappung der Linien auftritt. Die bisher
bekannten Spektren von z.B. UFg zeigen, daß die Rotations-Schwingungs-Bande
der UFg-Moleküle ein Quasikontinuum darstellt.
Wird daher eine Laserlinie eingestrahlt, die mit einer Absorptionslinie des selektiv anzuregenden Moleküls zusammenfällt, so ist
die Anregung nur dann selektiv, wenn im Quasikontinuum des
anderen Isotops zufällig eine Lücke, d.h. keine Absorptionslinie, auftritt. Solche Lücken konnten bisher nicht gefunden werden.
Diese Nachteile können zwar in begrenztem Maße dadurch verringert werden, daß die Temperatur des Gases stark erniedrigt wird,wobei
die Zahl der verschiedenen Molekülzustände, die Liniendichte, die Doppler- und die Druckverbreiterung abnimmt. Eine Temperaturerniedrigung
hat jedoch gleichzeitig zur Folge, daß der Dampfdruck, d.h. die Moleküldichte des UF,, stark reduziert wird. Die
nach erfolgter selektiver Anregung durchzuführenden chemischen Reaktionen können daher nicht mehr mit dem für die Wirtschaftlichkeit
des Verfahrens erforderlichen hohen Gasmengen ablaufen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu bieten, bei dem es möglich ist,
den Trennungseffekt dadurch zu steigern, daß ein breitbandiges und intensives Strahlungsspektrum voll ausgenutzt und eine
hohe Moleküldichte verwendet werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß Isotope ausgewählt werden, bei denen die Verschiebung von Bandkanten
in ihren Absorptionsspektren aufgrund des Isotopieeffektes vorhanden ist, und daß die Strahlung innerhalb desjenigen
Frequenzintervalls liegt, in dem der Absorptionskoeffizient des einen Isotopes oder eines Teils der Isotopen
größer ist als der des anderen bzw. restlichen Teils der Isotopen.
Zwar ist die Verschiebung von Bandkanten durch den Isotopieeffekt
in den Rotations-Schwingungs-Spektren bei Molekülen bekannt. Jedoch wurde von der Fachwelt (Farrar, Smith K~L-3o54,
Rev. 1, March 15, 1972) der Vorteil und die Anwendbarkeit dieses Effektes zur Lösung der o.g. Aufgabe nicht erkannt.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht sogar vor, daß ein Frequenzbereich für die anregende Strahlung benutzt wird, der Frequenzen aufweist, die ausschließlich
das eine Isotop oder einen Teil von Isotopen vollselektiv anregen.
Die besonderen und z.T. als erfinderische Ausgestaltungsformen der o.g. Verfahren zu betrachtenden Vorteile sind darin zu sehen,
daß eine gleichzeitige Anregung sehr vieler (bei UF,- z.B. von
5
etwa 10 ) Absorptionslinien, d.h. eines großen Teils aller Moleküle des einen Isotops möglich ist und die Lichteinstrahlung, z.B. bei UF,-, einem ausgewählten der denkbaren Moleküle, z.B. für
etwa 10 ) Absorptionslinien, d.h. eines großen Teils aller Moleküle des einen Isotops möglich ist und die Lichteinstrahlung, z.B. bei UF,-, einem ausgewählten der denkbaren Moleküle, z.B. für
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den Fall der vollen Selektivität innerhalb eines etwa 0,6 5 cm breiten Frequenzbereiches erfolgen kann, der zwischen den Bandkanten
der beiden Isotopen liegt, so daß Doppler- und Stoßverbreiterung (etwa 5 χ 1O~ cm" ) nicht stören. Es kann daher bei hohen UF,-
Moleküldichten, d.h. bei Temperaturen von etwa 300 K, eingestrahlt
werden, so daß die anschließend mit herkömmlichen Mitteln durchzuführenden chemischen Reaktionen mit genügend hohen Reaktionsraten
ablaufen.
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Durch die geeignete Auswahl der Temperatur kann zudem das Maximum der Besetzungsdichte in den Bereich der Bandkanten verlagert
werden, wodurch die Ausbeute bei den o.g. Verfahren zusätzlich verbessert wird. Weiterhin ist es möglich, diese Verfahren
zur Messung der Konzentration bzw. Konzentrationsverhältnisse von Isotopen anzuwenden.
Ein weiterer Vorteil wird dadurch gewonnen, daß der Abstand der Bandkanten bei isotopen Molekülen (z.B. mit Of6 5 cm" bei UFJ
relativ groß ist und die Lichtquelle nicht unbedingt ein Laser zu sein braucht. Es kommt vielmehr jede Lichtquelle in Frage ,
deren Spektrum z.B. auf das o.g. Frequenzintervall eingeengt wird. Dies gilt auch für andere Isotopensorten, wie z.B. die
des Schwefels in der Verbindung SFg mit einer IsotopieverSchiebung
<4 V = 6,64 cm"1 der V_-Bande sowie bei HD und H3 ein ^ ^-von 12%.
Die Erfindung wird mittels eines ausgewählten, das erfindungsgemäße
Verfahren nicht begrenzenden Ausführungsbeispiels anhand von drei Figuren näher erläutert.
Die Isotopieeffekte bei Molekülspektren sind um Größenordnungen
größer als die bei Atomspektren. Dementsprechend eignet sich das Verfahren besonders auch für Isotope mit kleinen relativen Massenunterschieden,
d.h. für Isotope der schweren Elemente. Eine vollselektive Anregung von Isotopen-Molekülverbindungen wird möglich ,
wenn in einen Frequenzbereich eingestrahlt wird, der zwischen Bandkanten z.B. der beiden Isotope U 238 und U 235 der Molekülverbindung
UFfi liegt. Das Spektrum des leichten Isotops U 235 ergibt sich aus dem des schweren Isotops U 238, in dem alle
Frequenzen des schweren Isotops um einen konstanten Wert der Schwingungsisotopieverschiebung erhöht werden. Ein zusätzlicher
Isotopieeffekt ergibt sich im allgemeinen infolge der Molekülrotation. Diese bewirkt beim übergang vom schweren auf das leichte
Isotop eine Änderung derart, daß die Absorptionslinien des leichten Isotops U 235 zusätzlich zu höheren Frequenzen ver-
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schoben werden. Der Rotationsisotopieeffekt ist im allgemeinen
jedoch klein im Vergleich zum Schwingungsisotopieeffekt. Bei
symmetrischen Molekülen wie z.B. beim UF verschwindet er sogar .
völlig.
Die Figur 1 zeigt für UF g als Gas schematisch die Absorption A
als Funktion der Frequenz V im Bereich der Bandkanten 1 und 2 beider Isotope U 238 und 235. Obwohl das Spektrum 3 und 4 eines
jeden Isotops ein Quasikontinuum darstellt, ist eine selektive . Anregung des leichten UFg-Isotops möglich. Im punktiert gezeich-',
neten Bereich 5 kann vollständig selektiv angeregt werden. Im übrigen Bereich 6 zwischen den Bandkanten 1 und 2 kann eine teilweise
selektive Anregung erzielt werden, d.h. die leichten Isotope ü 235 werden im Vergleich zum schweren Isotop U 238 bevorzugt
angeregt. Experimente haben eine Schwingungsisotopieverschiebung von 0,65 + oder - 0,09 cm geliefert.
Die Figur 2 zeigt gemessene Absorptionsspektren 7 und 8 beider UFg-Isotope U 238 und U 235. Es ist die Absorption A gegenüber
der Wellenlänge 7\ in /u aufgetragen. Nach Normierung der beiden
Kurven 7 und 8 auf gleiche Amplitude ist unter Berücksichtigung der in der Detailzeichnung nach Figur 3 angegebenen Öffnungsfunktion 9 des verwendeten (eines nicht näher dargestellten)
Spektrometers und der vorhandenen Nullinie 10 (Untergrund) zu erkennen, daß in dem Bereich zwischen den Bandkanten eine voll'- .
ständige bzw. teilweise selektive Anregung des leichten Isotops U 235 gelingt (siehe Fig. 2 rechts). Der Abstand 11 der Bandkanten
beträgt AvizO,65 cm"1.
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Claims (5)
1. Verfahren zur Trennung von Isotopen, mit denen Moleküle gebildet
sind, die sich an den Schwingungen der Moleküle beteiligen, und die mittels Strahlung angeregt und getrennt werden
können, dadurch gekennzeichnet, daß Isotope ausgewählt werden, bei denen die Verschiebung von Bandkanten in ihren Absorptionsspektren
aufgrund des Isotopieeffektes vorhanden ist, und daß die Strahlung innerhalb desjenigen Freqzenzintervalls liegt, in
dem der Absorptionskoeffizient des einen Isotopes oder eines Teils der Isotopen größer ist als der des anderen bzw. des
restlichen Teils der Isotopen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzbereich für die anregende Strahlung benutzt wird, der
Frequenzen aufweist, die ausschließlich das eine Isotop oder einen Teil von Isotopen vollselektiv anregen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine natürliche Lichtquelle oder ein Laser verwendet werden,
deren Strahlungsfrequenzen dem Frequenzbereich entsprechen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Temperatur das Verfahren
optimiert wird.
5. Anwendung des Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
gekennzeichnet durch die Bestimmung der Konzentration bzw. deir Konzentrationsverhältnisse der Isotopen.
·■ 6 ~*
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Leerseite
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