DE2536940A1

DE2536940A1 - Verfahren zur trennung von isotopengemischen

Info

Publication number: DE2536940A1
Application number: DE19752536940
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Gregorius; Karl Dipl Phys Janner; Eberhard Dipl Chem Dr Schuster
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1974-10-07
Filing date: 1975-08-19
Publication date: 1977-02-24
Also published as: FR2321317A2; DE2536940B2; GB1553873A; FR2321317B2; DE2536940C3

Description

KRAi¹TWERKUIiIOIiAKTIENGESELLSCHAi¹T Erlangen,

Hammerbacher Str. 12 u.

Unsere Zeichen; VPA 75 P 9335 BRD Mti 21 Ant

Verfahren zur Trennung von Isotopengemischen (Zusatz zu VPA 74/9445)

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen, insbesondere von Isotopen bzw. Isotopenverbindungen nach dem Grundprinzip der selektiven Anregung, Dissoziation bzw. Ionisation des einen Stoffes, vorzugsweise zur Ermöglichung einer chemischen Reaktion mit einem gesondert zugeführten anderen Reaktionspartner nach dem Hauptpatent P 24 477 62.1. Nach diesem werden die zunächst dampfförmigen Stoffe adiabatisch auf Temperaturen unter 100 K entspannt und noch vor ihrer Kondensation mit einer elektromagnetischen Welle, vorzugsweise einem in einem Resonator geführten Laserstrahl entsprechender Frequenz durchstrahlt. Die Entspannung erfolgt dabei meist in eine Vakuumkammer hinein, die an entsprechende Vakuumpumpen angeschlossen und/oder mit Kondensationseinrichtungen versehen ist. Die bei diesem Verfahren benötigte Druckminderung liegt z.B. bei einem Adiabatenkoeffizienten K = 1,33 entsprechend UFg mit Zusatzgas bei 4-5 Größenordnungen, so daß zur Haltung des Vakuums ein erheblicher Pump- bzw. Kühlaufwand erforderlich ist.

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Da dieser Aufwand bei Großanlagen absolut gesehen große Kosten verursacht, und bei niedrigem Niveau der übrigen Trennkosten auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesentlich beeinflußt, stellte sich die Aufgabe, ohne Störung des eigentlichen Isotopentrennverfahrens, also der selektiven Anregung und der dadurch ermöglichten Reaktion, zur Trennung der Isotopen zusätzlich eine Verfahrensführung zu finden, die mit einem wesentlich geringeren diesbezüglichen Aufwand auskommt. Als Lösung dieser Aufgabe werden erfindungsgemäß zur Verringerung des Pump- bzw. Kühlaufwandes für den Entspannungsraum an sich bekannte Mittel zur Druckrückgewinnung vorgesehen.

Zur näheren Erläuterung sei auf die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens verwiesen. Pig. 1 zeigt dabei die nach dem Hauptpatent vorgesehene Einrichtung, die durch die in den Fig. 2,3,4 und 5 dargestellten Einrichtungen zur Durchführung des Verfahrensschrittes der Druckrückgewinnung verbessert wird. Die Funktionsweise der Einrichtung gemäß Fig. 1 ist im Hauptpatent ausführlich beschrieben, so daß sich eine nochmalige eingehende Erläuterung erübrigt. Als Beispiel für die Isotopentrennung mit Hilfe dieses Verfahrens wurde die Trennung der Uranisotope 235 und 238, ausgehend vom Uranhexafluorid, gewählt. Der Dampf dieser Verbindung wird zur Durchführung dieses Verfahrens kurz vor der Entspannungsdüse 24 in der Mischkammer 23 mit einem Reaktionspartner aus dem Vorratsbehälter 3 gemischt, beim Durchgang durch die genannte Düse 24 adiabatisch entspannt, damit sehr stark abgekühlt und selektiv durch den laserstrahl 4 angeregt. Durch die selektive Anregung der einen Isotopenverbindung wird diese in die Lage versetzt, mit dem gleichzeitig zugeführten Reaktionspartner eine chemische Reaktion einzugehen, so daß durch physikalische oder chemische Mittel eine Trennung dieser neuen Verbindung, die im Idealfall nur das eine Uranisotop enthält, vom übrigen Stoffgemisch möglich ist.

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Mögliche Ausführungsformen der Einrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Fig. 2,3,4 und 5 ersetzen jene Teile zur Durchführung des ursprünglichen Verfahrens, die nach der Entspannungsdüse "bzw. dem Laserstrahl 4 gemäß Fig* 1 vorgesehen waren.

Die in Fig. 2 schematisch dargestellte Einrichtung schließt sich praktisch an die Düse 24 aus Fig. 1 an. Vor der Düse 24 liegt die Mischkammer 23, in welcher der UFg Dampf über die Leitung 25 und der Reaktionspartner über die Leitung 33 zugeführt wird. An die Düse 24, die im allgemeinen eine schlitzförmige Gestalt haben wird, schließt sich der Entspannungsraum 79, der Diffusor und der Strömungskai al 73 an. Letztere haben ebenfalls eine langgestreckte Form. Nach der Düse ist der Laserstrahl 4 schematisch dargestellt, das ihn durchsetzende adiabatisch entspannte Stoffgemisch gelangt zu den im Inneren des Strömungskanals 73 angeordneten Stegen 74, die zur Minderung thermisch aktivierter Reaktionen und/oder zur wenigstens teilweisen Kondensation von Komponenten des Stoffgemisches auf einer entsprechend konstanten Temperatur gehalten werden. Unterhalb der Kühlstrecke 74 wird der Strömungskanal 73 durch Zwischenwände 77 unterteilt, die zu einem Sammelraum 8 führen. Auf diese Weise gelangen nur jene Anteile des Reaktionsgemisches in den Sammelraum 8, welche den Laserstrahl passiert haben. Jene Teile des Stoffgemisches, die seitlich am Laserstrahl vorbeiströmen, also nicht angeregt wurden und bei denen somit auch keinerlei Stofftrennung stattfindet, sammeln sich im unteren Teil des Strömungskanals 73 im Bereich 76, die gasförmigen Anteile werden dabei über die Leitungen 75 abgezogen. Im unteren Teil der Sammelkammer 8 scheiden sich die Reaktionsprodukte z. B. 235 UFc und 238 UFg ab, beide können z.B. durch fraktionierte Destillation aufgrund ihres unterschiedlichen Dampfdruckes ohne Schwierigkeiten voneinander getrennt werden. Gas-

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förmige Bestandteile in dieser Kammer werden über Leitungen 82 abgesaugt, an die auch in nichtdargesteilter Weise die Pumpen zur Evakuierung den genannten Räumen angeschlossen sind.

Zur Verringerung des Pump- und Kühlaufwandes wird am Diffusorende ein wesentlich geringeres Vakuum als bisher in der Vakuumkammer 1 (Pig. 1) erzeugt, so daß innerhalb des Strömungskanals 73 ein höherer Druck als im Entspannungsraum 79 (Fig. 2) herrscht. Dieser wird so eingestellt, daß am Eintritt des Strahles in den Diffusor 72 innerhalb des Stoffgemischstrahles ein Verdichtungsstoß 71 auftritt. Die Überschallströmung des entspannten Gemischstrahles geht an dieser Stelle schlagartig in den Unterschallbereich über, bei gleichzeitiger Erhöhung von Druck und Temperatur. Es findet also ein sogenannter Druckrückgewinn statt. Zur näheren Verdeutlichung dieser Erscheinung wird darauf hingewiesen, daß die Überschallgeschwindigkeit zunächst bei der Machzahl von etwa 9 liegt und schlagartig auf knapp Unterschallgeschwindigkeit verlangsamt wird. Der Druck im Gemischstrahl steigt dabei auf etwa das 10Ofache, die Temperatur auf etwa das 18-fache und die Dichte auf etwa das 5,7-fache, wenn der Abdiabatenkoeffizient des Stoffgemisches 1,4 beträgt. In der Unterschallströmung wird dann nach dem Verdichtungsstoß im sich erweiternden Diffusor der Druck weiter erhöht. Diese Daten zeigen, daß die erforderlichen Pumpleistungen gegenüber jenen aus der Einrichtung nach Fig. 1 erheblich vermindert werden können.

Wie bereits erwähnt, durchsetzt der Gasstrahl oder Dampfstrahl die Kühlstege 74, an denen sich leicht kondensierbare Komponente], wie z.B. UFc und UFg abscheiden lassen. Diese Abscheidungen können durch nichtdargestellte mechanische Mittel oder auch z.B. durch Einbringen von Ultraschallschwingungen gelöst werden und

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fallen dann in die Sammelräume 76 bzw. 81. Die über die Leitung abgesaugten Anteile können unter Umständen direkt wieder der Mischkammer 23 zugeführt werden. Das Mitreißen von kondensierten Gemisehanteilen in staubförmiger Form kann mit Hilfe normaler Entstaubungstechnik, wie z.B. Elektrofilter, zurückgehalten werden, Eine Variante der in Pig. 2 dargestellten Einrichtung ist aus Fig. 3 zu ersehen. Das Punktionsprinzip ist das gleiche, lediglich die Kühlstege-74 sind durch rotierende Walzen 74a ersetzt, die von einem Kühlmittel 74b durchströmt werden. Die auf den Walzen kondensierenden Stoffe werden durch Schaber 74c automatisch und kontinuierlich abgekratzt und fallen in die Sammelräume 76 und 81. Die Leitwände 77 können dabei auf etwas höheren Temperaturen gehalten werden, damit auf ihnen keine Kondensation stattfindet .

Die Pig. 4 zeigt eine Weiterentwicklung der in den Pig. 2 und dargestellten Einrichtungen hinsichtlich effektivem Durchsatz und Druck bzw. Temperatur. Durch die spezielle Porm des Düsenaustrittes wird bei der Entspannung zunächst ein Parallelstrahl des Reaktionspartners erzeugt, der nahezu vollständig die wirksamen Bereiche des Laserstrahles 4 durchsetzt. Die dargestellte Erweiterung des Strömungskanals schafft Raum für den Laserstrahl und verhindert eine Schwächung desselben durch die Wand. Der in diesem Bereich freie Strahl des Dampfgemisches wird in dem sich verengenden Kanal 9 gefangen. Dieser Kanal erweitert sich dann wieder, wobei an der engsten Stelle ein Keil 91 mit in der dargestellten Weise geknickter Oberfläche angeordnet ist. Die Porm des Strömungskanals ist so gewählt, daß die sich an Kanten und Knicken ausbildenden, - mit Ausnahme der letzten schrägen - Verdichtungsstöße 71, hinsichtlich des gesamten Druckgewinnes bei minimalem Temperaturanstieg in bekannter Weise optimiert sind. Der letzte Stoß führt die Strömung in den Unterschallbereich.

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über. Die daran anschließende Erveiterung des Strömungskanals 9 führt dann zu einem weiteren Druckanstieg. Die weitere Ausbildung des Strömungskanals ist nicht dargestellt, sie entspricht jener aus den Pig, 2 und 3.

Die Pig. 5 zeigt eine Einrichtung, die aus mehreren Strömungskanälen entsprechend Pig. 4, zusammengesetzt ist. Die hier dargestellten 5 Strömungskanäle 9 sind radial - dem Strömungsverlauf angepaßt - an die Entspannungsdüse 24 angeschlossen. Pur den hier größeren Stoffgemischdurohsatz kann die Düse 24 etwas erweitert werden, sie ist daher auch leichter herstellbar. Der Strömungsverlauf in den einzelnen Kanälen 9 ist dabei praktisch der
gleiche, wie in Pig. 4» an jedem derselben sind dann auch die aus den Pig. 2 und 3 her beschriebenen Auffangeinrichtungen angeschlossen.

Abschließend zur PigurenbeSchreibung sei darauf hingewiesen, daß selbstverständlich auch die Wandungen der Strömungskanäle, durch an sich bekannte jedoch nicht dargestellte Mitte!,gekühlt bzw. auf entsprechend konstanten Temperaturen gehalten werden. Außerdem sei noch erwähnt, daß die Kondensation nicht nur an den Kühlrippen 74 direkt, sondern auch an einer an diesen entlang
fließenden Flüssigkeit, die nicht mit dem Stoffgemisch reagiert, stattfinden kann. Im Falle von Fluorverbindungen, z.B. Uranfluoriden ist dazu vorzugsweise eine Fluorverbindung, wie z.B. ein Prigen geeignet. Außerdem können zur besseren Trennung der Teilgasströme, die den Laserstrahl durchsetzt bzw. nicht durchsetzt haben, den Stegen 74 Abschäler vorgelagert sein, die sich zur Verhinderung einer Kondensation auf etwas höhere Temperatur befinden.

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Die Auswahl der "bereits aus dem Hauptpatent bekannten Gas zusätze erfolgt so, daß der Adiabatenkoeffizient IC im interessierenden Temperaturbereich möglichst hoch ist und die Relaxationszeit für die Vibration so kurz ist, daß eine rasche Annäherung der ■Vibrationstemperatur an die Translationstemperatur erreicht wird. Wegen der raschen Rotationsrelaxation und der relativ schnellen Energieübertragung in Nähe der Energieresonanz ist es auch zweckmäßig, ein Zusatzgas zu verwenden, bei dem der Unterschied zwischen Vibrationsenergie der Uranverbindung und Rotationsenergie des Zusatzgases nicht groß ist.

Ein anderer Gesichtspunkt für die Auswahl des Zusatzgases ist das Abfangen der bei der Reaktion auftretenden Radikale, so kann z.B. Xenon gleichzeitig zum Abfangen des Pluorradikals dienen.

Im Hauptpatent wurde als Anwendungsbeispiel die Reaktion von UPg mit HBr näher beschrieben. Ergänzend sei erwähnt, daß auch andere Reaktionspartner infrage kommen. Dazu einige Beispiele einschließlich der damit möglichen Reaktionen zur Trennung der Uranisotopen.

+ 1 H₂ + n.h.f<j -^UP*₆+ 1 H₂ -^ UP₅ + HP +

Das UPg wird also selektiv angeregt, nur die selektiv angeregten Moleküle reagieren mit molekularem Wasserstoff, es bildet sich UPc und Plußsäure, die abgesaugt wird. Diese Reaktion läuft normalerweise erst bei höherer Temperatur ab, allerdings un-' selektiv, und läßt sich nach dem hier beschriebenen Verfahren selektiv ausführen, also zur Isotopentrennung verwenden.

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Auch. Reaktionen von UFg mit Halogenwasserstoffen lassen sich nach dieser Erfindung zur Isotopentrennung einsetzen, so z.B.

+ HJ + n.h. T^ -* UF*₆ + HJ _* Uf ₅ + HP + J + Q_fe

Das Gemisch aus TJPg und Wasserstoffjodiddampf durchsetzt den Laserstrahl, dadurch wird UPg selektiv angeregt und reagiert selektiv mit dem Jodwasserstoff, so daß sich XJPc bildet, das nur das angeregte Uranisotop enthällt. Diese Reaktion benötigt nur eine kleine Aktivierungsenergie, so daß sie bei Raumtemperatur bereits unselektiv und zu rasch ablaufen würde. Es ist daher zweckmäßig, die Reaktionspartner erst nach Erreichen einer genügend niedrigen Temperatur zu mischen, bei der noch keine selbsttätige Reaktion eintritt. Erst die selektive Anregung bei diesen Temperaturen ermöglicht die gewünschte selektive chemische Reaktion. Die für die zu mischenden Reaktionspartner benö tigte niedrige Temperatur kann z.B. durch eine Teilentspannung der einzelnen Partner erzeugt werden oder durch die Anordnung zweier paralleler Entspannungsdüsen, deren Dampfstrahl sich im Bereich der Laserstrahlung 4 treffen und mischen, hervorgerufen werden.

Ähnliche Redox-Reaktionen sind auch mit anderen einfachen Molekülen, wie NH₅, H₃S, SOCIi₂ möglich, so z.B.

UP₆ + SOCl₂ + n.h. r_k -»U^g + SOCl₂ -»UP + SOClP + ^

Pur das erfindungsgemäße Verfahren, speziell für UPg lassen sich auch Komplexbildungsreaktionen verwenden, wie z.B.

UPg + HOP + n.h. ^_k -> UP*g + NOP -* NO £uF_? J

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UP,

+ NO + n.h. r_k -> UP*₆ +NO -> NO f UFgJ

Ein weiteres Beispiel zeigt, daß auch organische Verbindungen als Reaktionspartner brauchbar sind:

UP₆ + OHCIrCCi₂ + n.h. y_k -ύ up*₆ + ohQi— c Ci₂ -ψ

—· UPr- + Pluorkohlenwasserstoffe

Schließlich können auch noch Halogenaustauschreaktionen mit Reaktionspartnern, die andere Halogene als Pluor enthalten, für die Abtrennung herangezogen werden. Da der Halogenaustausch stufenweise abläuft, kann unter den Bedingungen der Abtrennung bei tieferen Temperaturen erwartet werden, daß gaa äß nachstehendem PunktionsZusammenhang Zwischenstufen abgefangen werden können:

UP₆ + BBr₅ + n.h. J~. -*· UP*_g + BBr₅ __^

—y UP₅ Br + BBr₂ P

Die Dampfdruckunterschiede zwischen UPcBr und BBr₂P gestatten im Temperaturgradienten des entspannenden Gasstrahles eine fraktionierte Kondensation. Nach Temperaturerhöhung kann das abgetrennte Produkt UPcBr, das an dem einen Uranisotop angereichert ist, folgendermaßen weiter reagieren:

2 UP₅Br -* UP₄ + UP₆ + Br₂

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Die Reaktionsprodukte lassen sich leicht voneinander trennen, UF. ist fest, UPg und Br₂ lassen sich durch fraktionierte Kondensation trennen.

Diese Beispiele zur Erläuterung des Verfahrens erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit, genauso wie auch die Trennung anderer Isotopenverbindungen nach diesem Verfahren möglich ist, Auch wäre es möglich, zunächst eine normale unselektive chemische Reaktion ablaufen zu lassen und erst das dabei entstehende Reaktionsprodukt nach diesem Verfahren selektiv anzuregen und damit die eigentliche Isotopentrennung durchführbar zu machen.

4 Patentansprüche

5 Figuren

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Claims

- 11 - VPA 75 P 9355 BRD Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung von Stoffgemischen, insbesondere

von Isotopen bzw. Isotopenverbindungen nach dem Grundprinzip der selektiven Anregung, Dissoziation bzw. Ionisation des einen Stoffes, vorzugsweise zur Ermöglichung einer chemischen Reaktion mit einem gesondert zugeführten anderen Reaktionspartner nach dem Hauptpatent P 24 477 62.1 (VPA 74/9445), wobei die zunächst dampfförmigen Stoffe adiabatisch auf Temperaturen unter 100 K entspannt und noch vor ihrer Kondensation mit einer elektromagnetischen Welle, vorzugsweise einem in einem Resonator geführten laserstrahl entsprechenden Frequenz, durchstrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung des Pump- bzw. Kühlaufwandes für den Entspannungsraum an sich bekannte Mittel zur Druckrtickgewinnung vorgesehen werden.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Entspannungsdüse (24) und dem Laserstrahl (4) für die selektive Anregung des Reaktionsgemisches ein trichterförmig erweiterter Diffusor (7) vorgesehen ist, in dem sich ein Verdichtungsstoß (71) ausbildet und anschließend in Strömungsrichtung verlaufende parallele, vorzugsweise gekühlte Stege vorgesehen sind, an die sich Räume zum getrennten Auffangen der unbeeinflußten sowie der durch den Laserstrahl veränderten Teile des Stoffbzw. Reaktionsgemisches anschließen.

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3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Entspannungsdüse (24) und dem Laserstrahl (4) für die selektive Anregung des Reaktionsgemisches ein zunächst sich leicht verengender Strömungskanal vorgesehen ist, der sich anschließend wieder erweitert und in dieser Übergangszone einen mittig gelagerten, in axialer Richtung "beidseitig zugespitzten Strömungskeil enthält und daß hernach Kondensationsflächen sowie Räume zum getrennten Auffangen der unbeeinflußten sowie der durch den Laserstrahl veränderten Teile des Stoff- bzw. Reaktionsgemisches angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Entspannungsdüse (24) in radialer Zuordnung mehrere Laserstrahlen (4) mit jeweils zugehörigen Strömungskanälen (9) und Auffangorganen angeordnet sind.

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