DE2559065A1

DE2559065A1 - Verdampfungs-vorrichtung

Info

Publication number: DE2559065A1
Application number: DE19752559065
Authority: DE
Inventors: George Sargent Janes
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1975-01-06
Filing date: 1975-12-30
Publication date: 1976-07-08
Also published as: FR2296457A1; GB1534140A; ES444100A1; AU8788475A; CA1043874A; CH603225A5; SE7514744L; IL48720A; IT1052892B; NL7515181A; US3996469A; JPS5193781A; IL48720A0; FR2296457B1; AU508034B2; BE837327A

Description

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

Verdampfungs-Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdampfung schwer zu verdampfenden Verdampfungsguts und insbesondere eine Elektronen-Strahl-Verdampfungs-Vorrichtung mit einer in der Schmelze des Verdampfungsguts schwebenden oder schwimmenden Matrix.

Herkömmlich verwendet eine Laser-Anreicherung einen strömenden Uran-Dampf, der mittels Elektronen-Strahl-Technik erzeugt ist (vgl. US-PS 3 772 519), wobei der Umgebung eine isotopenselektive Laser-Strahlung zugeführt wird, zur Anregung einer gewünschten Isotopenart. Dadurch wird schließlich die Ionisierung der Isotopenart und deren getrennte Sammlung aufgrund der ionisierten Ladung erreicht.

Die Elektronen-Strahl-Verdampfungs-Vorrichtung begrenzt vorteilhaft die Verdampfung auf eine Stelle oder eine Linie entlang der Oberfläche einer üblicherweise in einem Schmelz-

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ORIGINAL INSPECTED

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tiegel enthaltenen Uran-Schmelze. Da einerseits hoher Wirkungsgrad bei geringem Leistungsbedarf und andererseits hohe Dampf-Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden sollen, wird bei der herkömmlichen Elektronen-Strahl-Methode ein Werkstoff der Uran-Schmelze zugefügt, um das Fließen von Konvektionsströmen zu verhindern, die üblicherweise In der Schmelze entstehen. Eine derartige Impedanz-Sperre verringert vorteilhaft den Wärmeverlust durch Konvektion.

Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer Verdampfungsvorrichtung^ der eingangs genannten Art eine einfach ausführbare derartige Impedanz-Sperre vorzusehen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine Schmelze einer Elektronen-Strahl-Verdampfungs-Vorrichtung eine der Schmelze zugefügte Matrix auf zum Unterdrücken der Strömung verflüssigten Verdampfungsgutes, die aus einem Werkstoff besteht, der geringere Dichte als das Verdampfungsgut besitzt, um an der Oberfläche des Verdampfungsguts zu schwimmen oder zu schweben, und die sich einen vorgegebenen Abstand unter die Oberfläche erstreckt, der im wesentlichen kleiner als die Tiefe der Schmelze ist. Dadurch wird nicht nur das Fließen von Konvektionsströmen verhindert und der Verdampfungs-Wirkungsgrad und die Dampf-Strömungsgeschwindigkeit verbessert, sondern auch ein längerer Betrieb über einen Schmelzenpegel-Bereich ermöglicht, bevor die Matrix abtrocknet, was auftritt, wenn sie im Schmelztiegel an dessen Boden aufsitzt.

Bei einer besonderen Anwendung auf die Uran-Anreicherung sieht eine Schmelze, die aus einem Uran-Verdampfungsgut besteht und eine besonders bemessene Tantal-Matrix vorteilhaft eine Konvektions-Wärmeströmungs-Sperre vor, während gleichzeitig eine wesentliche Entleerung des Uran-Ver-

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dampfungsgutes durch hohe Verdampfungsgeschwindigkeit möglich ist, bevor ein Nachfüllen des Urans notwendig wird.

Die Erfindung sieht also eine schwimmende oder schwebende Masse oder Matrix zur Verwendung in einer Schmelze einer Elektronen-Strahl-Verdampfungs-Vorrichtung vor, um einen großen Verdampfungsgut-Pegelbereich ohne notwendiges Nachfüllen zu erreichen, während gleichzeitig Konvektionsströme in der Schmelze herabgesetzt werden.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Uran-Anreicherungs-Einrichtung, die die Erfindung verwendet,

Fig. 2 perspektivisch im Teilschnitt eine erfindungsgemäße Verdampfungs-Vorrichtung mit Elektronen-Strahl,

Fig. J5A, 3B Aufsicht und Querschnitt einer Verdampfungsgut-Schmelze gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Erfindung erzeugt eine Schmelze für eine Verdampfungs-Vorrichtung mit Elektronen-Strahl, die eine Matrix besonderer Eigenschaften besitzt, die nicht nur das Fließen von Konvektionss trömen in der Schmelze unterdrückt, sondern auch durch Schwimmen oder Schweben an der Oberfläche einen sehr großen Schmelzenpegel-Bereich vorsieht, über dem Uran erfolgreich aus der Schmelze durch den Elektronen-Strahl verdampft werden kann, bevor die Matrix trocken wird oder trocken fällt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Matrix in einem geometri-

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sehen Muster aufgebaut und aus einem Werkstoff hergestellt, der geringere Dichte als das Verdampfungsgut besitzt, derart, daß die Matrix-Anordnung an der Oberfläche der Schmelze schwimmt oder schwebt, ohne daß sie allzu weit über die Oberfläche hinausragt. Pur die Matrix ist eine Anordnung gewählt, um ganz allgemein an der Oberfläche eine wirksame Konvektlons-Sperre vorzusehen, während gleichzeitig wesentlich langsamer fortschreitende Einlaßströme zum Nachfüllen des Verdampfungsguts an der Oberfläche möglich sind. Dabei kann auch eine nachgiebige oder nicht starre Anordnung für die Matrix verwendet werden. Der besondere Aufbau gemäß der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.

In Fig. 1 ist schematisch und im Schnitt eine einzelne Kammer 12 einer Laser-Anreicherungseinrichtung dargestellt, wie sie herkömmlich ist (vgl. US-PS j5 772 519). Die Kammer 12 wird mittels einer Vakuumeinrichtung 14 evakuiert, um einen Niederdruck von üblicherweise 10 Torr im Bereich über einer Urandampf-Quelle oder -Vorrichtung l6 aufrecht zu erhalten. Die Dampf- oder Verdampfungs-Vorrichtung 16 enthält wie dargestellt einen Schmelztiegel mit mehreren, wasserführenden Kühlöffnungen 20, der eine Schmelze 22 aufweist, die das Uran-Verdampfungsgut enthält. Ein Elektronen-Strahl 25 wird von einem Heizdraht um eine Anode 26 auf die Oberfläche der Schmelze 22 gerichtet, um eine lokale oder örtliche Erwärmung entlang einer Linie an der Oberfläche zu erzeugen. Das verdampfte Uran expandiert oder dehnt sich radial über der Schmelze 22 aus in einen Ionen-Trenner 28, der von herkömmlichem Aufbau sein kann (vgl. US-PS 3 772 519) und der fein abgestimmte Laser-Strahlung empfängt, um isotopenselektive

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Anregung üblicherweise des U-235-Isotops im Urandampf zu erzeugen, wobei ein magnetisches und ein elektrisches Feld sich kreuzen, die von einer Spule bzw. Schleife 30 und einer Spannungsquelle 32 stammen, um die aufeinanderfolgend ionisierten Teilchen zu beschleunigen, zu deren getrennten Sammlung auf einer Fläche. Die Schleife 30 erzeugt auch das Magnetfeld mit einer Feldstärke von etwa einem Gau ¹^ bis zu einigen hundert Gauß im Bereich des Elektronen-Strahls vom Heizdraht 24, um eine Strahlfokussierung auf die Oberfläche der Schmelze 22 zu erreichen. Eine Schleifenstromquelle 36 sorgt für die elektrische Erregung der Schleife bzw. Spule 30.

Der Heizdraht 24 wird durch eine Heizdraht-Stromquelle versorgt mit üblicherweise 1000 W Leistung und der Strom für den Elektronen-Strahl 25 wird von einer Stromquelle 42 erzeugt, die ein Potential von etwa 30 kV zwischen dem Heizdraht 24 und dem Schmelztiegel l8 aufrechterhält.

Die Verdampfungs-Vorrichtung mit Elektronen-Strahl ist perspektivisch und im Teilschnitt ausführlich in Fig. 2 dargestellt. Wie dort dargestellt, ist der Schmelztiegel l8 in der Richtung des Heizdrahts 24 länglich ausgeführt. Der Heizdraht 24 wird an einem Ende durch ein erstes Stützglied 44 und die Anode 26 durch ein zweites Stützglied 46 abgestützt oder gehaltert. Ähnliche Stützglieder sind an den anderen Enden des Heizdrahts 24 und der Anode 26 zum Haltern und Spannen vorgesehen.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, besteht die Schmelze 22 aus einem Uran-Vorrat 48 und einer Massen-

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oder Matrixanordnung, kurz Matrix 50, die an der Oberfläche der Schmelze 22 schwimmt oder schwebt, wobei das Oberende der Matrix 50 nur geringfügig über die Schmelze 22 hinausragt. Wie sich aus den Fig. 1 und 2 ergibt, ist unter der Matrix 50 ein beträchtliches Uranmetall-Volumen in der Schmelze 22 vorgesehen, um eine Verdampfung einer großen Uranmenge zu erreichen, bevor die Matrix 50 am Boden des Schmelztiegels l8 aufsitzt und der Uran-Vorrat 48 nicht mehr nahezu das Oberende der Matrix 50 erreicht. Zwischen den Grenzen eines gefüllten Schmelztiegels 18 und eines derart Uran-leeren Schmelztiegels 18 kann die Verdampfungs-Vorrichtung geeignet oder bequem betrieben werden. Es kann auch eine automatische Uran-Versorgungsleitung vorgesehen werden, um den Schmelztiegel l8 wieder mit Uran aufzufüllen, nachdem eine vorgegebene Menge des Vorrats 48 verbraucht, d.h. verdampft, worden ist. Eine Wägung oder eine andere Erfassung kann zum automatischen Erfassen oder Aufzeichnen dieser Bedingung und zum Auslösen der Uran-Versorgung verwendet v/erden.

Bei einem besonderen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Werkstoff für die Matrix 50 Tantal, das vorteilhaft geringfügig geringere Dichte als das geschmolzene Uran besitzt ebenso wie wesentlich geringeren Dampfdruck, so daß vernachlässigbare Prozentsätze oder Anteile an Tantal im Urandampf auftreten. Der Dichteunterschied zwischen Uran und Tantal ermöglicht eine Verarbeitung des Urans sehr nahe an der Oberfläche der Matrix 50. In diesem Fall kann etwas Tantal in der Matrix 50 im Aufschlagoder Auftreffbereich des Elektronenstrahls 25 geschmolzen sein, um eine geringe Vertiefung in der Matrix 50 in diesem Bereich vorzusehen, um die relativ reine Uranflüssigkeit der Verdampfung auszusetzen.

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Die Konvektionsströme bei der beschriebenen Verdampfungs-Vorrichtung fließen üblicherweise an der Oberfläche nach außen und unter der Oberfläche nach innen. Durch das Vorsehen einer Strömungs-Sperre an der Oberfläche wird dadurch an der Stelle größter Konvektionswärmeübertragung der Wärmeverlust wirksam verhindert oder blockiert.

Die Ausgangs-Schmelze 22 kann durch Anordnen einer ausreichenden Menge von Uranstäben oder -etücken oder -blocken auf der Tantal-Matrix 50 auf dem Boden des Schmelztiegels 18 und durch Schmelzen des Urans durch die Matrix 50 erreicht werden zur Bildung eines Bads aus geschmolzenem Uran innerhalb des größten ■Volumenanteils der Schmelze 22, wobei die Matrix 20 an der Oberfläche schwimmt oder schwebt. Das Vorhandensein der Matrix 50 an der Stelle oder im Bereich der Erwärmung vom Elektronen-Strahl 25 zum Unterdrücken des Fließens von Konvektionsströmen zu den Wänden des Schmelztiegels l8 sieht eine wesentliche Erhöhung des Verdampfungs-Wirkungsgrades und der Dampfströmungsgeschwindigkeit vor. Die Begrenzung der Konvektionsströme induziert auch die Verfestigung eines Teils des Urans in der Schmelze 22 nahe den Wänden des Schmelztiegels 18, um die Korrosion des Schmelztiegels l8 zu begrenzen.

Die Matrix 50 kann eine beliebige feste oder sonstige Form aufweisen, die eine ausreichende Impedanz gegenüber dem Konvektionsstrom vorsieht und gleichzeitig die relativ langsameren Einlaß- oder Nachfüllströme des Urans in dem Bereich der Matrix 50 aufrechterhält oder ermöglicht, um eine Verdampfung von der Oberfläche zu erlauben.

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Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der Fig. ;5A und der Fig. j?B besteht die Matrix aus einem perforierten, spiral- oder wendelförmig aufgewickelten Band 52 aus Tantal mit etwa 2,5 cm Breite bzw. Tiefe (Fig. JA) und etwa 0,5 mm Dicke. Die Tantal-Matrix 52 wird in einem kreisförmigen Schmelztiegel 54 angeordnet mit darauf liegenden Uran-Stäben,und ein einziger Elektronen-Strahl 56 wird in die Mitte des Schmelztiegels 54 zum Schmelzen des Urans durch die Matrix 52 in den Bodenbereich des Schmelztiegels 54 fokussiert. Während des Betriebs schmilzt der Elektronen-Strahl 56 die lose liegenden Teile der Tantal-Matrix 52 im Bereich bzw. der Stelle des Auftreffens, um eine Vertiefung zu erzeugen, wie das im Bereich 58 der Fig. 3B dargestellt ist, wodurch Uran in diesem Bereich zur wirksamen Verdampfung an der Oberfläche ausgesetzt ist. Das geschmolzene Tantal bildet keine Haut über dem Uran, was eine Uran-Verdampfung verhindern x\rürde, sondern fließt oder strömt zu den Rändern der Matrix 52. Die sich so ergebende, in Fig. J5B dargestellte Form mit einer Vertiefung 52 nahe der Mitte der Matrix 52 erzeugt eine wesentlich höhere Uranverdampfung gegenüber einer ähnlichen, unvertieften Matrix 52.

Da der Dampfdruck von Tantal etwa um drei Größenordnungen geringer als der von Uran ist, wird dadurch die Verdampfung des Tantalmetalls im wesentlichen verhindert, was eine spektrometrische Analyse des sich ergebenden Dampfes bestätigt.

Wenn sich auch die in Fig. ^B dargestellte Matrix bis zum Boden des Schmelztiegels 54 erstreckt, so ist das vorzugsweise bei der Endanwendung nicht so. Bei einer Weiterbildung, ist, wie sich das aus der Zeichnung ergibt,

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ein wesentliches Volumen des Urans von dem Schmelztiegel 54 verdampft, bevor die Matrix 52 den Boden des Schmelztiegels 54 erreicht und nicht mehr an der Oberfläche schwimmt oder schwebt. Wegen des relativ schmalen Konvergenzwinkels des Elektronen-Strahls 56 kann eine relativ gute Fokussierung des Elektronen-Strahls 56 über einen wesentlichen Abstand erreicht werden, was bewirkt, daß Verluste der tatsächlichen Verdampfung durch den Elektronen-Strahl 56 über diesen Bereich unwesentlich sind.

Claims

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Ansprüche

Ij/Vorrichtung zum Verdampfen schwer zu verdampfenden Verdampfungsguts,

mit einem Schmelztiegel,
mit einer Schmelze im Schmelztiegel, mit einem Vorrat an Verdampfungsgut, und mit einer Heizeinrichtung,

gekennzeichnet durch

Werkstoff mit

eine Matrix (50, 52) aus einem/gegenüber dem Verdampfungsgut (22) geringerer Dichte, wobei dieses durch die Matrix-Zwischenräume aufgenommen ist, und wobei die Heizeinrichtung (24, 25, 26, 40, 42, 44, 46, 56) die Oberfläche der Schmelze (22) so aufheizt, daß ein Teil des Verdampfungsguts (22) verflüssigt und verdampft ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Matrix-Werkstoff einen wesentlich niedrigeren Dampfdruck als der Dampfdruck des Verdampfungsguts (22) bei dessen Verdampfungstemperatur besitzt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfungsgut (22) elementares Uran und der Matrix-Werkstoff Tantal enthalten,

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (52) ein gewendeltes und perforiertes Band aus dem Matrix-Werkstoff enthält (Fig.3A,

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5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, gekennzeichnet durch einen Strahler zum Richten eines Elektronen-Strahls (25, 56) auf die Oberfläche der Schmelze (22) mit einer zur Verdampfung des Verdampfungsguts ausreichende Strahl-Stärke.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix (50, 52) im Elektronen-Strahl-Auftreffbereich (58) .eine Vertiefung aufweist (Fig.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (l8) einen länglichen Querschnitt aufweist (Fig. 2).

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch eine Isotopen-Trenner (28) zum Trennen von Isotopen im verdampften Verdampfungsgut.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,

daß das Verdampfungsgut Uran enthält, und
daß der Isotopen-Trenner (28) aufweist:

einen Ionisator zum isotopenselektiven Ionisieren von Uran-Teilchen einer Isotopenart in Dampf, und

einen Beschleuniger zum Beschleunigen der ionisierten Teilchen im Dampf (Fig. 1),

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator eine Laser-Einrichtung zur isotopenselektiven Licht-Anregung enthält.

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11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Beschleuniger eine magnetohydrodynamische Kraft auf die ionisierten Teilchen ausübt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Matrix (50, 52) nur wenig über die Oberfläche der Schmelze (22) hinaus erstreckt zum Unterdrücken von nach außen fließenden Oberflächen-Konvektionsströmen in der Schmelze (22).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 - 12, zur Erzeugung eines sich ausdehnenden Urandampf-Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (l8, 54) wassergekühlt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß ggf. ein Sammler vorgesehen ist zum getrennten Sammeln von ionisierten Uran-Teilchen im sich ausdehnenden Urandampf.

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