DE2543881A1 - Verdampfer - Google Patents

Description

052-24.806P

Jersey Nuclear-Avco Isotopes Inc., Bellevue (Washington)

V.St.A.

Verdampfer

Die Erfindung bezieht sich auf die Materialverdampfung, insbesondere auf eine Vorrichtung zur Verdampfung von Material mit verringerten Wärmekonvektionsverlusten.

Bei der Verdampfung von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie z. B. Uran zur Urananreicherung (vgl. US-PS 5 772 519)* wird das verdampfte Material insbesondere in einem Tiegel mit Ofen- oder Elektronenstrahl-Technologien erwärmt bzw. erhitzt, und das zu verdampfende Material (kurz "Verdampfungsmaterial" genannt) wird dann von warmen oder heißen Oberflächenbereichen des geschmol-

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zenen Metalles abgegeben oder emittiert. Bei einer derartigen Erwärmung ist es wahrscheinlich, daß das gesamte oder nahezu das gesamte in der Schmelzkammer oder dem Tiegel enthaltene Verdampfungsmaterial aufgrund der schnellen Wärmeübertragung durch das Material infolge bestimmter Phänomene flüssig wird, zu denen die Konvektionsströme im geschmolzenen Material bedeutend beitragen. Die schnelle Wärmekonvektion von der Oberfläche des geschmolzenen Verdampfungsmaterials weg verringert den Verdampfungswirkungsgrad beträchtlich und treibt bei Uran ein heißes, reaktionsfreudiges bzw. reaktives Metall gegen die Tiegelwände, wo Korrosion zu deren schnelleren Abtragung oder Alterung führen kann.

Es sind bereits Tiegel mit einem relativ inaktiven Putter angeregt worden, um die Wirkung der korrodierenden geschmolzenen Flüssigkeit auf die Tiegelkanten zu verringern (vgl. US-PS 3 437 328). Derartige Putter überwinden jedoch nicht das Problem der Wärmeübertragung vom Verdampfungspunkt bzw. von der Verdampfungsstelle weg und des sich ergebenden Verlustes in der Leistungsfähigkeit bzw. im Wirkungsgrad.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Verdampfer anzugeben, der diese Nachteile überwindet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht eine Verringerung der Konvektionsströme in einem erwärmten Flüssigkeitsvorrat des verdampfenden

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Metalles. Bei der bevorzugten Anwendung zur Verdampfung elementaren Urans für die Isotopentrennung bildet ein Tiegel aus wassergekühltem Kupfer eine Mulde oder Rinne, in der eine Schmelze vorgesehen ist, die in verfestigter Form im wesentlichen einem Cermet (Cermet = Metallkeramik oder Hartstoffe bzw. Hartmetalle) gleicht. Die Schmelze umfaßt gesättigtes Uran als poröse Masse. Die poröse Masse wird vorzugsweise durch ein körniges bzw. fein geteiltes oder pulverisiertes Material mit einem viel niedrigeren Dampfdruck als das zu verdampfende Uran gebildet. Das Uran ist in der porösen Masse gesättigt und wird durch Einwirkung eines Elektronenstrahles in einer Linie oder Folgen von Punkten oder Stellen bzw. Flecken entlang der Oberfläche der Schmelze geschmolzen. Das geschmolzene Uran wird sofort durch Energie vom Elektronenstrahl verdampft, während das Vorhandensein des körnigen Materials Konvektionsströme im geschmolzenen Uran behindert, um so den Wärmeverlust vom Einwirkungsbereich des Elektronenstrahles zu verringern. Zusätzlich kann das Uran infolge des verringerten Wärmeflusses in der Nähe der Tiegelwände in fester Form bleiben und so weniger korrosiv sein.

Die Erfindung sieht also eine Vorrichtung zur Verringerung des Wärmekonvektionsverlustes in einem Elektronenstrahl-Verdampfer vor. Ein zu verdampfendes Material (Verdampfungsmaterial) befindet sich im Tiegel einer Elektronenstrahl-Verdampfungsquelle zusammen mit einer porösen Masse aus einem körnigen bzw. pulverisierten oder fein unterteilten Festkörper, um als Widerstand (Impedanz) für die Konvektionsströme zu wirken. Ein Versorgungssystem dient zum Auffüllen oder Ergänzen des Vorrates an Verdampfungsmaterial, wenn dieses verdampft wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Verdampfer für ein Material mit hohem Dampfpunkt, und

Fig. 2 den Verdampfer der Fig. 1 mit einer zusätzlichen Einrichtung zur Urananreicherung.

An einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Verdampfer erläutert, der vorzugsweise zur Verdampfung eines Materials hoher Dampftemperatur (in bezug auf die Umgebung) mit verringertem Wärmeverlust und verbessertem Wirkungsgrad geeignet ist. Diese Verbesserung wird erreicht, indem die Schmelze zur Verdampfung als Kombination des Verdampfungsmaterials in einer porösen Masse eines körnigen Materials zugeführt wird, das KonvektionsstrÖme des geschmolzenen Verdampfungsmaterials verringert, aber geringere Docht- bzw. Saugströme unterhalt, um den Vorrat an Verdampfungsmaterial zu ergänzen oder aufzufüllen. Während körniges Material für die poröse Masse vorteilhaft ist, können auch andere Formen zur Erzielung der Wirkung eines porösen Konvektionswiderstandes vorgesehen sein. Bei der besonderen Anwendung auf ein Lasergerät zur Isotopenanreicherung wird das Verdampfungsmaterial nacheinander durch isotopenselektive Strahlung photoangeregt. Es ist hier wichtig, daß das körnige Material - da ein kleiner Teil verdampft wird - keine Absorptionslinie bei irgendeiner Anregungs- bzw. Photoenergie besitzt, die zur Photoanregung verwendet wird, falls das angeregte Material das gewünschte Isotop ist.

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Ein AusfUhrungsbeispiel zur Erzielung dieses Vorteiles ist in der Zeichnung dargestellt. Die Fig. 1 zeigt einen derartigen Verdampfer. Eine Grundplatte 12 hat einen länglichen Tiegel 16 mit einem Trog oder einer Wanne 18, die auf der Platte durch ein im allgemeinen Doppel-T-Lager 14 (I-förmiges Lager) gelagert ist. Der Tiegel l6 für Uranverdampfung besteht vorzugsweise aus Kupfer und ist mit mehreren Kühlschlitzen oder Kühlkanälen 20 für eine Kühlflüssigkeit bzw. ein KUhI-fluid, wie z. B. Wasser, ausgestattet, das durch eine nicht dargestellte Anlage umgewälzt wird. Die Kanäle liegen im allgemeinen nahe bei den Teilen des Tiegels 16, die den Trog 18 bilden. Eine Schmelze 22 ist im Trog xles Tiegels 16 vorgesehen und wird durch einen Elektronenstrahl 24 von einem länglichen Draht 26 in einer Elektronenstrahlquelle 28 erhitzt. Die Quelle 28 ist weiterhin so dargestellt, daß sie eine Abschirmung JO, eine Anodenstange 32 und eine Platte 34 mit Isolatoren 35 aufweist, die die Platte 3^ von der Grundplatte 12 lagern. Der Draht 26 ist an den Enden auf einer leitenden Lagereinheit 36 gelagert, während die Stange in ähnlicher Weise durch einen Stab 38 an jedem Ende gelagert ist.

Ein im allgemeinen zur Längsabmessung der Oberfläche der Schmelze 22 und des Troges l8 paralleles Magnetfeld wird in geeigneter Stärke in dem Bereich des Verdampfers der Fig. 1 durch eine Einrichtung aufrechterhalten, die in der Fig. 2 gezeigt ist. Vom erwärmten Draht 26 beschleunigte Elektronen werden auf einem Bogen um magnetische Induktionslinien zu einer Brennstelle (Brennpunkt

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engl. focus) auf einer Linie auf der Oberfläche der Schmelze 22 abgelenkt. Der Draht 26 wird auf einer Spannung bezüglich des Tiegels 16 gehalten; weitere Einrichtungen zur Erzeugung eines beschleunigenden elektrischen Feldes für die Elektronen werden weiter unten erläutert.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient zur Verdampfung von Uranmetall, um einen im allgemeinen sich radial ausdehenden Dampfstrom oberhalb der Berührungslinie des Elektronenstrahles 25 mit der Oberfläche der Schmelze zu erzeugen. Zu diesem Zweck ist die Schmelze 22 aus körnigen bzw. fein unterteilten oder pulversierten Wolframteilchen 42 zusammengesetzt, die mit Uran gesättigt sind. Eine derartige Mischung kann ursprünglich hergestellt werden, indem ungefähr gleiche Gewichte und gleiche Prozentsätze an pulverisiertem Wolfram und an Uranstäbchen gemischt wird, wobei den Oberteil dieser Mischung feste Uranstäbe bilden. Der Tiegel wird anfänglich geschmolzen, indem er mit einem relativ niederenergetischen Elektronenstrahl (Elektronenstrahl geringer Leistung) "hin und her" abgetastet wird, wobei das Magnetfeld verändert wird. Dadurch kann Uran vollständig Wolfram sättigen. Wenn der vorhandene Urananteil nicht ausreicht, damit flüssiges Uran auf der Oberfläche vorliegt, kann zusätzliches Uran beigefügt werden, um diese Bedingung zu erfüllen. Die verfestigte Schmelze kann einem Cermet gleichen. Die Löslichkeit von Wolfram in Uran bei der Verdampfungstemperatur ist so, daß in Strahlauftreffpunkten kein Festkörper vorzuliegen scheint. Wolfram geht in diesem Bereich in Lösung, aber in einer relativ kurzen Entfernung liegt eine Mischphase bis zu einem Punkt in der Nähe der Tiegelwand vor, wo die

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Temperatur unter den Schmelzpunkt von Uran abfällt.

Im Betrieb verdampft der Elektronenstrahl 24 schrittweise das Uran aus dem vollständig geschmolzenen Bereich in der Strahlauftreffstelle. Da das Uran in unmittelbarer Nähe der Einfallinie des Elektronenstrahles verdampft wird, ergänzt die Docht- oder Saugwirkung des Mischphasenbereiches diesen Vorrat, bis der überall gesättigte Zustand von Wolfram im wesentlichen verringert ist.

Bei der Anwendung auf die Uranverdampfung bildet pulverförmiges Wolfram eine geeignete poröse Masse mit einer Docht- bzw. Saugwirkung infolge seines höheren Verdampfungspunktes als Uran und seines im allgemeinen höheren Schmelzpunktes. Dies gewährleistet, daß Wolframteilchen weiter in einer im allgemeinen festen Form mit Ausnahme für das erwähnte Schmelzen in der Nahe der Strahlauftrefflinie vorliegt, während der größte Teil der Schmelze 22 aus geschmolzenem Uran besteht. Der höhere Verdampfungspunkt von Wolfram verringert dessen Verdampfung, aber es liegt eine bestimmte Wolframverdampfung vor; es kann angenommen werden, daß der Dampfstrom eine kleine Menge Wolfram sowie den Urandampf enthält. Wenn eine isotopenselektive Photoanregung des sich ausdehenden Dampfes erreicht ist, ist es unter diesen Bedingungen vorzuziehen, Absorptionslinien für die Urananregung auszuwählen, die das gewünschte Uranisotop anregen, ohne eine Absorptionslinie für Wolfram zu enthalten.

Wenn das Uran verdampft wird, unterhält die Saugoder Dochtwirkung der Wolframteilchen einen im wesentlichen

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gleichmäßigen "Wasserflächepegel" für das geschmolzene Uran in der Schmelze 22. Wenn dieser durch Verdampfung verringert wird, kann die Uran-"Wasserfläche" ersetzt werden, indem Uran zur Schmelze 22 aus einem Vorratsoder Zufuhrstab 40 erneuert oder ergänzt wird. Der Vorrats- oder Zufuhrstab 40 kann oberhalb der Schmelze 22 durch deren Wärme geschmolzen werden. Ein in der Fig. 2 dargestellter Antrieb dient zur manuellen oder automatischen Ausrichtung des Stabes 4o über der Schmelze 22. Dieser kann auch gegen den Strahl 24 vorragen.

Die poröse Masse des körnigen Materials, wie dieses durch die Teilchen 42 in der Pig. I gezeigt ist, behindert in der Schmelze 22 das Umwälzen der Konvektionsströme ins geschmolzene Uran. Diese Verringerung der Konvektionsströme erniedrigt wesentlich den Wärmeverlust von der Einfallinie des Elektronenstrahles 24 auf die Obeffläche der Schmelze 22 und verbessert so stark den Wirkungsgrad des Verdampfers. Zusätzlich hält der verringerte Wärmefluß vom Einfallpunkt des Elektronenstrahles 24 auf den Tiegel 16 den Teil des Urans in der Schmelze an den Grenzen zum Tiegel 16 in starrer oder fester Form. Das feste oder starre Uran ist weniger korrosiv an den Wänden im Trog des Tiegels 16, wodurch dessen Gebrauchsdauer verlängert wird.

Es wurde beobachtet, daß durch Verwenden einer körnigen Wolframmasse in einer Uranschmelze ein wesentlich höherer Verdampfungswirkungsgrad zusammen mit einer Konzentration des Dampfstromes direkt über der Schmelze gegenüber einer mehr typischen Kosinusverteilung erhal-

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ten werden kann. Eine beinahe um zwei Größenordnungen höhere Dampfstromgeschwindigkeit wird beobachtet, wenn körniges Wolfram verwendet wird, um Uran mit einem 72 kW-Strahl mit 1 cm χ l8 cm beim Auftreffen verwendet wird.

Die Erfindung wurde oben an einem bestimmten Ausführungsbeispiel für Uranmetall als Verdampfungsmaterial erläutert. Es ist selbstverständlich, daß auch andere Metalle als Verdampfungsmaterial verwendbar sind. Ein besonders günstiges Ausführungsbeispiel liegt in der Verdampfung von Aluminium, wobei die Schmelze 22 aus körnigem Tantalcarbid besteht, das mit Aluminiummetall gesättigt ist. Tantalcarbid hat einen höheren Dampfpunkt als Aluminium und bleibt demgemäß in einer festen Teilchenform, obwohl ein Teil schmelzen und am Strahlauftreffpunkt verdampfen kann.

Die Eigenschaften für bevorzugte pulverförmige bzw. körnige Materialien sind, daß sie höhere Schmelz- und Verdampfungstemperaturen als das zu verdampfende Metall haben, und daß sie nicht mit dem Metall bei den bei der Verdampfung auftretenden Temperaturen oder mit dem Tiegel, unabhängig von dem Material, aus dem dieser hergestellt ist, chemisch reagieren. Abhängig vom Verdampfungsmaterial kann Wolfram, Tantal und Niob für diese Zwecke als vorteilhaft angesehen werden. Die Korngrößen können im allgemeinen zwischen 10 ax - 1 mm liegen, um eine relative Unabhängigkeit vom "Wasserflächenstrom" zu gewährleisten, um eine gleichmäßige Höhe lange Zeit bei verdampfungsbedingter Erschöpfung aber noch ein wesentliches Konvektionsstromhindernis beizubehalten. Wie in der Fig. 2 gezeigt ist,

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kann dieser Tiegel 16 vorzugsweise 1 m lang und 10 cm breit sein, obwohl diese Abmessungen keiner wesentlichen Einschränkung unterliegen.

In der Fig. 2, die ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch zeigt, ist eine Einrichtung zur isotopenselektiven Ionisation für eine Urananreicherung dargestellt. Der in der Fig. 1 gezeigte Verdampfer ist in der Fig. 2 durch Wände 50 eingeschlossen, um eine Kammer 52 festzulegen, die durch eine Pumpenanlage 54 auf einen relativ niedrigen Druck evakuiert wird, der insbesondere unterhalb 10 Torr, vorzugsweise unterhalb 10~ Torr, liegt. Der Draht 26 wird auf einen elektronenemittierenden Zustand durch eine Stromquelle 56 erhitzt, die vorzugsweise 100 W/cm L "nge des Drahtes 26 erzeugt. Die Elektronenquelle für den Strahl 24 ist mit einer Elektronenstrahl-Stromquelle 58 versehen, die ein Potential von 30 kV zwischen dem Draht 26 und dem Tiegel 16 bei einem Strom von ungefähr 0,13 A/cm Länge des Drahtes 26 aufrechterhält. Die Stromquelle 58 hält eine positive Ladung im Tiegel l6 bezüglich des Drahtes 26 aufrecht. Die Wände 50 der Kammer 52 sind durch mehrere axial getrennte Spulen einschließlich einer Spule 60 umgeben, die ein Magnetfeld 62 im Bereich des Tiegels l6 und insbesondere des Elektronenstrahles 24 aufrechterhält, um den Strahl auf eine Linie auf der Oberfläche der Uranschmelze 22 abzulenken und zu fokussieren. Ein Feld von ungefähr 150 Gauss kann für diesen Zweck verwendet werden. Die Spule 60 wird durch eine Stromquelle 68 versorgt.

Der Uran-Vorratsstab 40 wird durch einen Vorschub-Antrieb 62 abhängig von einem Signal von einem Fühler

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gesteuert, der von Bodenfühlern 66 Änderungen des Gewichtes der Schmelze 22 erfaßt. Die Fühler 66 können an jedem geeigneten Platz vorgesehen sein.

Direkt oberhalb der Schmelze 22, insbesondere 10 cm von dieser entfernt, ist eine Ionisations- und Trenneinheit 70 vorgesehen, auf die die isotopenselektive Laserstrahlung einwirkt und in der magnetohydrodynamischen Kreuzfeldkräfte zur Trennung der ionisierten Teilchen verwendet werden.

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Claims (24)

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Verdampfen von Material, um aus diesem einen Dampfstrom zu erzeugen; mit einem Behälter für das zu verdampfende Material (Verdampfungsmaterial) und einer Schmelze im Behälter,

gekennzeichnet durch

eine Mischung aus dem Verdampfungsmaterial und einer porösen Masse (42), und

eine Heizeinrichtung (24) zum bereichsweisen Erhitzen der Schmelze (22), um das Verdampfungsmaterial in einer den Bereich umgebenden Zone zu verflüssigen und aus einem Teil des verflüssigten Bereiches zu verdampfen, wobei die poröse Masse (42) einen Konvektionsstrom-Widerstand für das verflüssigte Material bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Masse (42) einen niedrigen Dampfdruck im Vergleich zum Verdampfungsmaterial bei dessen Verdampfungstemperatur hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material Uran ist, und daß die poröse Masse (42) Wolfram ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Masse (42) im Bereich des verflüssigten Materials verflüssigt ist.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (22) einen Mischphasenbereich enthält, in dem das Material verflüssigt und die poröse Masse (42) erstarrt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß das Material und die poröse Masse (42) der Schmelze (22) in einem Bereich neben dem Behälter (16) erstarrt sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (l6) Kupfer enthält, und daß das Material Uran aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Nachfülleinrichtung (64, 62) für den Vorrat an Verdampfungsmaterial in dessen geschmolzener Zone.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch einen Fühler (66), der eine Verarmung des Verdampfungsmaterials erfaßt und entsprechend die Nachfülleinrichtung (64, 62) betätigt. -

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachfülleinrichtung (64, 62) zum Ergänzen des Materialvorrates ein Glied zur Zufuhr eines festen Stabes (40) des Materials oberhalb der Schmelze (22) aufweist, um ein Schmelzen eines Teiles des Stabes (4θ) zu bewirken.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsmaterial Aluminium enthält, und daß die poröse Masse (42) körniges Tantalcarbid aufweist.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Masse (42) körniges Material mit einem niedrigen Dampfdruck beim Verdampfungspunkt des Verdampfungsmaterials aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (l6) einen trogförmigen Tiegel mit mehreren Kühlkanälen (20) aufweist, durch die ein Kühlmittel strömt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (70) zur isotopenselektiven Ionisierung des aus der Schmelze (22) verdampften Materials.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinrichtung (24) ein Glied (26) zum Einwirken eines Elektronenstrahles auf die Oberfläche der Schmelze (22) hat.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektronenstrahl auf einer Linie auf der Oberfläche der Schmelze (22) einwirkt.

17. Vorrichtung nach Anspruch l6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichte des Elektronenstrahles mindestens ca. 4 kW/cm Strahllänge beträgt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17* dadurch gekennzeichnet, daß das Material elementares Uran ist, und daß die poröse Masse (42) körniges Wolfram ist.

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19* Vorrichtung zum Verdampfen elementaren Urans, um aus diesem einen Dampfstrom zu erzeugen, gekennzeichnet durch

einen gekühlten Tiegel (16),

eine Schmelze (22) im Tiegel (16) mit einer Mischung aus elementarem Uran und körnigem Wolfram,

wobei ausreichend elementares Uran in der Schmelze (22) enthalten ist, um das Uran an die Oberfläche der Schmelze (22) zu bringen, und

eine Einrichtung (26, 62) zum Einwirken eines Elektronenstrahles (24) auf die Schmelze (22) im Tiegel (l6), um die Schmelze (22) in einen Zustand geschmolzenen Urans und Wolframs im Bereich der Elektronenstrahl-Auftreffstelle zu erwärmen, wobei festes Uran und Wolfram im Bereich neben dem Tiegel (l6) und ein Mischphasenbereich des geschmolzenen Urans und festen Wolframs an den übrigen Stellen vorliegen,

wobei der Mischphasenbereich einen wesentlichen Teil der Schmelze (22) umfaßt, um einen Konvektionswiderstand für die Konvektionsströme des geschmolzenen Urans zu bilden.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (66), die im allgemeinen einen Uranpegel im Mischphasenbereich aufrechterhält, so daß Uran an der Oberfläche der Schmelze (22) vorliegt.

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21. Schmelze für Verdampfer eines Materials durch lokale Oberflächenerwärmung der Schmelze, gekennzeichnet durch ein zu verdampfendes Material und eine poröse Masse (42), die das zu verdampfende Material im wesentlichen überall in der porösen Masse (42) enthält.

22. Schmelze nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das zu verdampfende Material Uran ist, und daß die poröse Masse (42) körniges Wolfram ist.

2^. Vorrichtung zum Verdampfen von Uran aus der Schmelze nach Anspruch 22, g_;a kennzeichnet durch eine Einrichtung (26) zum Einwirken eines Elektronenstrahles (24) auf eine Oberfläche der Schmelze (22), um deren örtliche Erwärmung auf die Verdampfungstemperatur von Uran zu bewirken.

24. Schmelze nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch die allgemeinen Eigenschaften von Cermet.

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