DE2612722A1 - Verfahren und vorrichtung zur isotopentrennung - Google Patents

Description

One Space Park

Redondo Beach, Kalifornien

Y. St. v. A.

"Verfahren und Vorrichtung zur Isotopentrennung"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Isotopen und insbesondere auf ein kostensparendes Verfahren zur Trennung von Isotopen in einem dichten, neutralen Plasma.

Der Gasdiffusionsprozeß ist zur Zeit das hauptsächliche Verfahren zur großtechnischen Trennung von Uran-Isotopen. Um die Arbeitsleistung derartiger Trennanlagen zu erhöhen, müssen beträchtliche Kapitalien investiert werden, die sich bis auf mehrere Hundert Millionen Mark pro Jahr belaufen können. ■ ■

Andrerseits haben in den vergangenen Jahren in vielen

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Ländern und von verschiedenen Leuten durchgeführte Forschungsarbeiten zu umfassenden Kenntnissen der wesentlichen. Eigenschaften von Plasmen geführt. Insbesondere wurden unsere Kenntnisse des Verhaltens eines dichten Plasmas stark erweitert. Isotopentrennung in einem dichten Plasma muß die Trennung größerer Mengen gewünschter Isotope bei verringerten Kosten und einem geringeren Energieverbrauch ermöglichen. Isotopentrennung in einem dichten Plasma wird ferner dadurch erleichtert, daß für derartige Prozesse geeignete Plasma-Apparaturen bereits existieren. Zu diesen Apparaturen gehören die sogenannten Q-Maschinen.

Es ist eine bekannte Tatsache, daß ein Strahl geladener Teilchen nicht eine einen bestimmten Wert überschreitende Dichte haben kann, da sich die geladenen Teilchen voneinander abstoßen. Andrerseits werden die einzelnen geladenen Teilchen durch andere Teilchen der entgegengesetzten Ladung in einem neutralen Plasma neutralisiert, ganz unabhängig von der Dichte dieses Plasmas. Ein Plasma kann deshalb eine höhere Dichte als ein Strahl geladener Teilchen haben.

Ein wenig kostspieligeres Isotopentrennverfahren sollte es ermöglichen, Isotope für Zwecke zu verwenden, für die sie in der Vergangenheit einfach zu teuer waren. Beispielsweise können die Isotope in der Medizin verwendet werden. Außerdem können sie sehr zweckmäßig sein für Lichtquellen zur Erzeugung von monochromatischem Licht, d,h; von Licht, das von einem einzigen Isotop eines geeigneten Elements erzeugt wird.

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Von Interesse ist ferner die Herstellung von Laseranordnungen, die als Laser-aktives Material ein einziges Isotop eines geeigneten Elements enthalten. Einzelne Isotope können auch für Kernreaktoren verwendet werden. In diesem Pail kann es zweckmäßig sein, ein besonderes Isotop zu verwenden, das die für den Reaktor günstigsten Eigenschaften gegenüber Neutronen aufweist, so z.B. einen besonders großen oder einen besonders kleinen Absorptionsquerschnitt für Neutronen.

Außer dem Gasdiffusionsprozeß sind in der Vergangenheit verschiedene Verfahren zur Isotopentrennung vorgeschlagen worden. Eines dieser Verfahren sieht die -Verwendung eines Lasers zur Erzeugung eines bestimmten Energieniveaus eines Isotops vor, ohne daß hierbei die anderen Isotope miterregt v/erden. Benötigt wird hierzu ein abstimmbar er Laser, der vorzugsweise eine optische Erregung des Uran-Isotops 235, jedoch nicht des Uran-Isotops 238, ermöglicht. Die angeregten Uran-Atome lassen sich dann leichter ionisieren als die nichterregten Ionen, sodaß eine Trennung der geladenen und neutralen Isotope leicht durchgeführt werden kann. Ein derartiges Trennverfahren wurde beispielsweise in dem Pressman erteilten US-Patent 3,558,877 beschrieben. Ein ähnliches Zwei-Photonen-Schema zur Erregung und folgenden Ionisierung eines ausgewählten Isotops wurde in dem Levy et al., erteilten US-Patent 3,772,519 beschrieben. Das Brubaker et al. erteilte US-Patent 3,478,204 beschreibt die Verwendung eines Lasers zur Ionisation eines Gases mit Hilfe des elektrischen

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Feldes, das vom gebündelten Laserstrahl erzeugt wird.

Die Verwendung von Laserstrahlen zur Erzeugung eines Plasmas oder zum Bombardieren von Mikroteilchen wurde in dem VaIi et al. erteilten US-Patent 3,360,733 und in dem Hansen et al. erteilten US-Patent 3,679,897 beschrieben.

Apparaturen zum Einschluß eines Plasmas mit Hilfe von magnetischen Spiegeln sind an sich bekannt« Ein Beispiel hierfür findet sich in dem Delcroix et al. erteilten US-Patent 31257,579. Divergierende Magnetfelder, die manchmal auch magnetische Düsen genannt werden, wurden zur Trennung von mindestens zwei Isotopen in dem Roehling erteilten US-Patent 3,845j300 vorgeschlagen.

Ferner wird die Veröffentlichung von Hidekuma et al. zitiert, die in der Zeitschrift Physical Review Letters, vom 23. Dezember 1974, Band 33, No. 26, pp. 1537-1540, erschien. In dem Artikel wird vorgeschlagen, eine erwünschte Ionenart einzufangen und festzuhalten und gleichzeitig .andere Ionenarten aus einem Behälter austreten zu lassen. Erreicht wird dies mit Hilfe eines magnetischen Horns, das durch geeignete Magnetfelder erzeugt wird. Diese Versuche hatten zum Ziel, in einem Reaktor auftretende Verunreinigungen entweichen zu lassen, dabei aber gleichzeitig die erwünschten Teilchen zurückzuhalten. ·

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es dehalb, ein neuartiges Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung verschiedener Elemente zu schaffen, wobei sich dann die

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Isotopentrennung zu bedeutend niedrigeren Kosten als mit bekannten Vorrichtungen und Verfahren durchführen läßt.

Die Erfindung hat ferner zum Ziel, ein neuartiges Verfahren zur Isotopentrennung zu schaffen, das mit einem Plasma verhältnismäßig hoher Dichte arbeitet, wodurch die Ausbeute des Verfahrens bedeutend gesteigert wird.

iiin weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Isotopentrennung zu schaffen, die für viele Elemente mit mehr als einem Isotop geeignet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt im wesentlichen drei Stufen. Zunächst wird ein praktisch neutrales, dichtes Plasma mit den zu trennenden Isotopen erzeugt· Beispielsweise kann das Plasma aus positiven Ionen bestehen, die mit Elektronen neutralisiert werden. Es kann andererseits aber auch notwendig sein, negative Ionen der zu trennenden Isotopen zu erzeugen. In diesem Fall muß das Plasma durch geeignete positive Ionen neutralisiert werden. Schließlich kann eine neutrale Mischung aus positiven und negativen Ionen und Elektronen verwendet werden.

Der nächste Verfahrensschritt ist es dann, dieses neutrale, dichte Plasma in ein Magnetfeld zu injizieren, in dem eines der Isotope eine höhere Energie als die anderen erhält. Doch ist zu beachten, daß das Plasma auch im Magnetfeld selbst erzeugt werden kann, sodaß es nicht injiziert werden braucht. Eine differentielle Energie kann den Isotopen beispielsweise

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dadurch, erteilt werden, daß man das gewünschte Isotop mit seiner Resonanzfrequenz erregt, die in der Nähe der Zyklotronfrequenz des Isotops liegt, jedoch, von ihr verschieden ist. Die entsprechende kollektive Resonanzfrequenz der hauptsächlichen Isotopenart kann sich beträchtlich von deren zieller, eigener Zyklotronfrequenz unterscheiden. Die kollektiven Resonanzfrequenzen hängen im allgemeinen von der Plasmadichte, der relativen Elektronenkonzentration eines Elektronen enthaltenden Plasmas, der magnetischen Feldstärke, dem Ladungs-Massen-Verhältnis des speziellen Isotops, und möglicherweise den physikalischen Parametern der Plasma-Apparatur ab, so beispielsweise vom Verhältnis der Länge der Plasmasäule zu deren Radius. Schließlich wird das ausgewählte Isotop noch von den anderen auf der Basis der differentiellen Energien oder Energiedifferenzen getrennt. Es kann sich dabei z.B. um die differentielle Diffusion von Ionen quer zu einem Magnetfeld handeln, oder magnetische Spiegel können zur Eingrenzung der Isotopenart mit höherer Energie verwendet werden. Zahlreiche andere Verfahren werden im folgenden noch in Bezug auf ihre Eignung zur Isotopentrennung auf der Basis von differentiellen Energien diskutiert; zu diesen Verfahren gehören auch energieabhängige chemische Reaktionen. Außerdem werden im folgenden noch zahlreiche Verfahren diskutiert, mit denen das benötigte Plasma erzeugt werden kann, und die den verschiedenen Isotopen differentielle Energien erteilen können. . .

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Die neuartigen, als charakteristisch, zu bewertenden Kennzeichen der vorliegenden Erfindung sind im einzelnen in den Patentansprüchen angeführt. Die Durchführung, die Ziele und die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind in der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.

Figur 1a ist ein schematischer Querschnitt durch eine an sich bekannte Q-Maschine, die zur Trennung von Kalium-Isotopen ausgebildet wurde und in der ein oszillierendes Magnetfeld zur induktiven Erzeugung eines oszillierenden elektrischen Feldes verwendet wird.

Figur 1b ist ein vergrößerter Querschnitt durch die in der in Figur 1a dargestellten Apparatur verwendete Sonde und zeigt außerdem die Bahn eines Ions und eines Elektrons.

Figur 2 ist ein schematischer Querschnitt einer abgewandelten Q-Maschine mit einem oszillierenden elektrischen Feld zur Trennung der Isotopen eines gewünschten Elements.

Figur 5 ist ein schematischer Querschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Magnetspulen zur Erzeugung eines sich verändernden oder welligen Magnetfelds, mit dem den sich längs der Längsachse der Röhre bewegenden Ionen differentielle Energien erteilt werden.

Figur 4 zeigt das in der in Figur 5 dargestellten Vorrichtung auftretende Magnetfeld als Funktion des Abstandes vom Rohrende und verdeutlicht damit die Welligkeit des Feldes, der ein sich bewegendes Ion ausgesetzt ist.

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Figur 5 ist ein Querschnitt durch eine der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung ähnelnde Vorrichtung zur Erzeugung eines schraubenförmigen magnetischen Störfeldes zur Isotopentrennung.

Figur 6 ist ein schematiacher Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Erzeugung benachbarter Magnetfelder mit feldfreien Zwischenräumen, mit denen die differentielle Diffusion gewünschter Isotopen und damit die Isotopentrennung erreicht werden.

Figur 7 ist ein schematischer Querschnitt zur Erläuterung des Verhaltens von Teilchen in der in Figur 6 dargestellten Vorrichtung, wobei es zur differentiellen Diffusion kommt.

Figur 8 ist ein schematischer Querschnitt durch ein Rohr mit magnetischen Spiegeln an beiden Enden, um weniger energiereiche Isotope durchdiffundieren zu lassen und um dabei gleichzeitig die energiereicheren Isotope zurückzuhalten.

Figur 9 ist ein schematischer Querschnitt einer anderen Maschine mit magnetischen Mehrfachspiegeln und dient zur Erläuterung der differentiellen Diffusion von Isotopen durch die Anlage, wobei eine Isotopentrennung stattfindet.

Figur 10 ist ein Querschnitt durch eine Vorrichtung, die eine magnetische Düse zur Erzeugung eines divergierenden Magnetfelds ergibt, mit dem dann Isotope entsprechend ihrer Energien getrennt werden. .

Figur 11 ist ein schematischer Querschnitt durch eine andere Vorrichtung zur Isotopentrennung aufgrund der

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differentiellen Geschwindigkeiten, die von einem elektrischen PeId erzeugt werden und differentielle Flugzeiten ergeben.

Figur 12 stellt eine Impulsfolge zur Beschleunigung der Plasma-Ionen und eine weitere Impulsfolge zur Trennung der Ionen entsprechend ihren differentiellen Flugzeiten dar.

Figur 13 ist eine achematieche Querschnittsdarstellung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung zu Isotopentrennung mit Hilfe einer synchronen Druckwelle, die von einem konstanten Magnetfeld und einem oszillierenden, schraubenförmigen Magnetfeld erzeugt wird.

. Figur 14 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Vorrichtung zur Isotopentrennung mit Hilfe des akustischen Einfalls von Ionenwellen.

Figur 15 ist schließlich eine schematische Querschnittsansicht einer Vorrichtung zur Streuung von Ionen aufgrund ihrer Massen und mit Hilfe von Schockvorgängen ohne Zusammenstöße.

Wie oben erwähnt, umfaßt die Trennung oder Anreicherung eines ausgewählten Isotops im wesentlichen drei verschiedene, aufeinanderfolgende Schritte. Zuerst muß ein praktisch neutrales, verhältnismäßig dichtes Plasma erzeugt werden. Die Plasmadichte muß etwa 10 bis 10 Teilchen pro Kubikzentimeter betragen. Das Plasma kann entweder aus mit Elektronen neutralisierten positiven Ionen oder mit geeigneten positiven Ionen neutralisierten negativen Ionen bestehen. Als Alternative kann das Plasma auch aus einem Gemisch von Elektronen und

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negativen Ionen bestehen, das mit positiven Ionen neutralisiert wird. Bei den Ionen kann es sich entweder um Ionen des abzutrennenden Elements oder einer chemischen Verbindung mit dem abzutrennenden Element handeln.

Als nächster Verfahrensschritt muß den abzutrennenden Isotopen eine differentielle Energie erteilt werden. Dies läßt sich in verschiedener Weise erreichen, wie im folgenden noch dargelegt wird. Das Minoritätsisotop, d.h. das seltenere Isotop, kann beispielsweise mehr Energie als das Majoritätsisotop erhalten. Wie im folgenden noch erläutert, kann dies auf vielerlei Weise erreicht werden.

Im letzten Verfahrensschritt werden die zwei Isotope, die vorher eine differentielle Energie angenommen hatten, auf der Basis dieser differentiellen Energie getrennt. Dies läßt sich wieder in sehr verschiedener Weise erreichen, wie im folgenden noch erläutert.

Ehe die erfindungsgemäße Vorrichtung und das. zugehörige Verfahren zur Erteilung differentieller Energien an die Isotopen erläutert werden, wird die Erzeugung des Plasmas beschrieben.

Erzeugung eines dichten_T neutralen Plasmas. Ein besonders einfacher Fall ist die Erzeugung eines Plasmas aus einem Alkalimetall. Ein Kalium-Plasma kann leicht in der folgenden Weise erzeugt werden. Kalium wird in einem geeigneten, in einem evakuierten Gefäß untergebrachten Ofen erhitzt. Die Kaliumatome oder der Kaliumstrahl werden dann auf eine heiße

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Elektrode gerichtet, die beispielsweise aus Wolfram, Tantal oder Rhenium beetehen kann. Beim Auftreffen eines Kaliumatoms auf die heiße Elektrode wird es ionisiert und ergibt ein poaitivea Kaliumion. Gleichzeitig werden ständig Elektronen von der heißen Elektrode emittiert. Diese Elektronen neutralisieren die eben gebildeten Ionen. Die Anzahl der Elektronen hängt von dem von den Ionen erzeugten elektrischen Feld ab, das seinerseits eine Punktion der Temperatur iBt.

Statt Kalium zu verdampfen, kann man auch von Kaliumchlorid ausgehen, das soweit erhitzt-wird, daß die molekulare Bindung zerbricht, wodurch neutrale Kaliumatome und Chlor« atome sowie Kaliumionen und Ghlorionen entstehen. Das Verfahren kann dann in der oben beschriebenen Weise fortgesetzt werden.

Zahlreiche andere Verfahren eignen sich zur Erzeugung eines andere Alkalimetalle enthaltenden Plasmas. Ein derartiges Plasma kann entweder in einem konstanten longitudinalen Magnetfeld in der Art einer Q-Maschine erzeugt werden, oder das Plasma kann auch in das Magnetfeld eingebracht werden. Letzteres Verfahren kann notwendig werden, wenn z.B. das heiße Element von Heizfäden erzeugt wird. Diese Heizfäden können außerhalb des Magnetfelds angebracht werden, um einen ausreichenden Abstand zwischen benachbarten Heizfäden zu gewährleisten.

Das Isotop ^¹K kann beispielsweise mit einem chemischen Verfahren abgetrennt werden. K⁺-Ionen werden in einem Plasma

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in der oben beschriebenen Weise erzeugt. Die folgende Reaktion ist endotherm und geht mit dem energiereicheren Isotop vor sich;

⁴¹K⁺ + OP₄ ► ⁴¹KP + CP₅ (1)

Das Kaliumfluorid kann dann in einfacher Weise mit einem chemischen Verfahren abgetrennt werden.

37 In ähnlicher Weise kann das Chlor-Isotop 'Gl von einem

neutralen, K -Ionen enthaltenden Plasma erhalten werden. So kann beispielsweise Kohlenstofftetrachlorid dem Plasma zugefügt werden, worauf die folgende Reaktion stattfindet:

e" + CCl₄ * CCl₃ + Cl" (2)

Anschließend wird CH₅Br zugegeben, das seinerseits zur Bildung von CH₅Cl führt. Die folgende Reaktion findet statt:

Cl" + CH₅Br CH₅Cl + Br" (3)

Reaktion (3) ist exotherm und kann zur Trennung von Ionen benutzt werden, wobei von den verschiedenen Energien der Ionen Gebrauch gemacht wird. Wenn nämlich die Chlorisotope der Massenzahlen 35 und 37 differentiell erhitzt werden, sodaß das Chlor 37 eine geringere Energie hat, findet die

37 —
Reaktion nur mit Cl statt. Eine ähnliche Reaktion findet mit CH₅P statt.

Ein Uran enthaltendes Plasma muß gewöhnlich in ähnlicher Weise erzeugt werden. Beispielsweise kann das Uran in der folgenden Weise getrennt werden: .

U⁺ +' AB * UA + B⁺ (4)

In der obigen Reaktion kann A Pluor, Chlor, Stickstoff,

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Sauerstoff, Kohlenstoff und dergleichen bedeuten.

Im Falle einer endothermen Reaktion kann die Trennung durch selektive Heizung der Ionen des gewünschten Iaotops erreicht werden. Umgekehrt kann im Falle einer exothermen Reaktion das gewünschte Isotop erhalten warden durch selektive Erhitzung der verbleibenden Isotopenarten.

Außerdem kann man selektive Reaktionen verwenden, wobei die entsprechenden energieabhängigen Reaktionswahracheinlichkeiten von Bedeutung sind. Dies ist sogar der Pail, wenn die Energieschwellwerte für die Reaktion nicht wichtig sind.

Ein anderes, aussichtsreicheres Verfahren ist es, selektive Reaktionen durchzuführen mit aus UiV (Uranhexafluorid) erzeugten, negativen Ionen. Uranhexafluorid ist eine flüchtige Uranverbindung und hat einen verhältnismäßig hohen Dampfdruck, der sich bei Zimmertemperatur auf 100 Torr beläuft. Uranhexafluorid hat ferner eine hohe Anlagerungsenergie für Elektronen und bildet deshalb leicht negative Ionen.

Beispielsweise findet die folgende Reaktion statt:

UF₆ + e r UF^ +P (5)

wobei UFc Uranpentafluorid bedeutet.

In diesem Fall wird anstelle eines positiven Ions ein negatives Ion erzeugt, das dann durch ein geeignetes positives Ion, beispielsweise K⁺, neutralisiert werden muß.

Das Uranpentafluorid-Ion kann mit dem Uranhexafluorid die folgende exotherme Elektronenübertragungsreaktion zustande bringen:

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UF ~ + UJ? ₆ ► UFg + UP₅ (6)

Das Ion des Uranisotops kann dann beispielsweise durch Dissoziation abgetrennt v/erden» Zur Dissoziation kommt es durch einen passenden Zusammenstoß des energiereichen Moleküls,, das das gewünschte Isotop enthält«

UFg + Xe ► ^UF6-n ^{+ 1}^ ^{+ Χθ} (⁷^

wobei η eine ganze Zahl kleiner als 6 bedeutete Wieder muß eine chemische Trennung durchgeführt werdsn. Statt das Uranhexafluorid mit Xenon zusammenstoßen zu lassen, kann auch Argon oder ein anderes Edelgas für die Stöße verwendet werden; ss können sogar inerte Teilchen hierfür verwendet werden*

Auch kann das Uranpentafluorid-Ion mit BF- in der folgenden Weise zur Reaktion gebracht werden?

UF" +-BF₃--* US₄""+ BF" (8)

In einer anderen möglichen Reaktion wird USVCN" in der folgenden Weise erzeugt?

■ UFg +' HCN —* UF₅GN" +■' HF (9)

Andere'chemische Veränderungen unter Teilnahme von Uran, die eine chemische Trennung der Isotopen ermöglichen, werden unter Verwendung von Ura.nverbindung©» mit einem anderen Halogenz.B. Chlor, Jod od©r Bronij, durchgeführte Beispielsweise kann die folgende Reaktion stattfinden:

UGl₄ + Xe , V UGl₅ + Ol (10)

Es können wieder andere Edelgase oder inerte Teilchen für den Dissoziationsprozeß verwendet"werctenj auch können andere Verbindungen aus Uran und Chlor, beispielsweise

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Uranhexachlorid, verwendet werden.

Ein selektiver Ladungaaustauoch kann auch mit anderen Atomen oder Molekülen durchgeführt werden. In diesem Fall sind die Energieverhältnisse für die Reaktionen maßgebend.

Eine Elektronenaustauschreaktion kann zwischen den beiden Isotopen 235 und 238 des Uranhexafluorids stattfinden. Durch Wahl der richtigen Energie kann die Reaktion in einer gewünschten Richtung zum Ablauf gebracht werden.

Ein neutrales Plasma mit negativen Uranionen und positiven Ionen kann aufgrund der folgenden Reaktion geschaffen werden:

03 + UF₆ ► Cs-⁺ + UFg (11)

Diese Reaktion ergibt direkt das gewünschte Plasma, das neutral ist. Die Reaktion kann durch direkte Berührung der beiden Dämpfe erfolgen. Die zur Anlagerung eines Elektrons an Uranhexafluorid benötigte Energie beträgt 4 eV (Elektronvolt) . Andrerseits werden 3,8 eV zur Entfernung eines Elektrons vom Cäsium benötigt. Die obige Reaktion mit Cäsium bedeutet eine Ladungsübertragung. Derartige Reaktionen haben typischerweise große Reaktionsquerschnitte, da sie bei gro3sen Abständen stattfinden können. Derartige Reaktionen unterscheiden sich günstig von anderen Reaktionen wie z.B. der folgenden:

. Cs + UF₆ ► CsF + UF₅ (12)

Letztere Reaktion findet nur beim Kontakt der Moleküle statt. Andere Reaktionen mit Cäsium können auch verwendet werden.

Erteilune differentieller Energie an die Isotope. Wie oben

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erwähnt, besteht der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß den Isotopen eines bestimmten Elements eine differentielle Energie erteilt wird. Dies wird erreicht über die kollektive Resonanz in der Nähe der Zyklotronfrequenz des in tfrage kommenden Isotops. Da der Vorgang in einem verhältnismäßig dichten Plasma stattfindet, wird die Zyklotronfrequenz modifiziert durch Effekte, die von der Zahl der Teilchen im Plasma abhängen, durch.die Stärke des Magnetfelds, das Ladungs-Massen-Verhältnis des Isotops und andere Faktoren wie beispielsweise die Abmessungen des Plasmas. Die elektrische Ladungstrennung der Plasmakomponenten kann zur Folge haben, daß die kollektive Resonanzfrequenz des Hauptisotops beträchtlich von der Zyklotronfrequenz abweicht. Gleichzeitig findet auch eine starke Abweichung von der kollektiven Resonanzfrequenz des Minoritätsisotops statt, die nun etwas näher an dessen eigener Zyklotronfrequenz liegt. Das Gesamtergebnis dieser Trennung der kollektiven Resonanzfrequenzen oder der Ladungstrennung kann darin bestehen, daß der Teil der Resonanzfrequenztrennung, der von Differenzen in der Zyklotronfrequenz der Ionen allein abhängt, weiter erhöht wird. Außerdem kann die Wirkung der Resonanz der Hauptart äußerst gering werden, da Änderungen dieser frequenz in verschiedenen Teilen des Plasmas stattfinden. Letzterer Effekt ist einer von mehreren Effekten, die die manchmal als Resonanzverbreiterung bezeichnete Erscheinung hervorrufen.

Die differentielle Erregung eines einzelnen Isotops wird

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im folgenden für den l<^lall des Kaliums unter Bezugnahme auf Figuren 1a und 1b erläutert.

Figur 1b zeigt als Beispiel eine bestimmte Sonde und wird weiter unten noch erläutert.

Figur 1a zeigt eine an sich bekannte, doch modifizierte Q-Maschine, die beispielsweise aus einer beidseitig mit
Endplatten 11 geschlossenen zylindrischen Hülle 10 bestehen kann. Über einen seitlichen Ansatz 12 ist das Rohr 10 an eine Vakuumpumpe oder andere Hilfseinrichtungen angeschlossen.

lim Rohr 10 sind Spulen H gewickelt, die ringförmig
sind und das Rohr umgeben. Bei ihrer Erregung erzeugen die Spulen 14 ein gleichförmiges, longitudinales Magnetfeld. Wie bei 15 angedeutet, sind die Spulen an beiden Enden näher beisammen, um dort ein dichteres Magnetfeld zu erzeugen, das gewöhnlich als magnetischer Spiegel bezeichnet wird.

Das Kalium kann aus dem schematisch.dargestellten Ofen 16 verdampft werden, der auf einer Temperatur von etwa 250 C gehalten wird. Das verdampfte Kalium trifft dann auf eine Heizplatte 17, die auf einer Temperatur von etwa 2000° G gehalten wird. Heizplatte 17 kann mit einem Heizfaden 18 erhitzt werden, dessen Stromversorgung zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen wurde.

Die Temperaturen des Ofens 16 und der Heizplatte 17
bestimmen das Verhältnis von Elektronenemission zu Kaliumionen-Erzeugung. Ein auf die Heizplatte 17 auftreffendes Kaliumatom verliert ein Elektron, wobei ein positives Kalium-

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ion erzeugt wird. Elektronen werden ständig durch G-lühemission von der Heizplatte emittiert. Die Heizplatte kann z.B. au3 Wolfram, Tantal oder Rhenium hergestellt sein. Die ein dichtes, neutrales Plamsa bildenden Ionen und Elektronen bewegen sich in der in Figur 1a gewählten Darstellung mit thermischer Geschwindigkeit nach links und gehen durch die kreisförmige Öffnung 21 in Blende 20 durch. Das Plasma kann eine Dichte von 10 bis 10 Teilchen pro Kubikzentimeter habenj der Druck kann 10" bis 10 atm betragen, die Temperatur zwischen 1000° und 20 000° C.

Das Plasma bewegt sich nach links und wird an einer Sammelelektrode 22 gesammelt. Das Plasma hat gegenüber Sammelelektrode 22 eine Spannung zwischen 0 und +3 Volt, je nach der Temperatur des Ofens 16 und der Heizplatte 17. Die Spannung zwischen Blende 20 und Sammelelektrode 22 beträgt etwa +0,1 bis +0,5 Volt. Da die Ionen Elektronen von der Heizplatte 17 herausholen müssen, kann das Plasma in Bezug auf Heizplatte 17 auf positivem Potential liegen; $s kann angenommen werden, daß sich Heizplatte 17 auf Erdpotential befindet. Ferner ist eine Sonde 25 in dem Plasmaraum zwischen Blende 20 und Sammelelektrode 22 eingesetzt, um das Isotop zu sammeln, das die höhere Energie erlangt hat, im vorliegenden Pail also das Kalium-4-1-Isotop, Ein Intervall von Schwingungsfrequenzen eignet sich für diese Anordnung. Das Intervall umfaßt die kollektive Resonanzfrequenz der beiden Ionenarten. Während ein Isotop durch Resonanz angeregt oder "aufgeheizt"

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wird, werden einzelne Ionen des anderen Isotops periodisch vom PeId erregt und entregt. Das Gesamtergebnis ist dann eine bedeutende Energiedifferena zwischen den ionisierten Isotopen, die zur Resonanz kommen, und denen, die nicht zur Resonanz kommen.

In dem Zwischenraum zwischen Blende 20 und Sammelelektrode 22 ist eine Spule 26 zur Erzeugung eines weiteren Magnetfelds vorgesehen, durch das das Plasma fließt. Es handelt sich hierbei um ein oszillierendes Magnetfeld, das durch Anschluß der Spule 26 an einen Schwingungsgenerator 27 erzeugt wird. Ein Kondensator 28 wird in eine der Leitungen geschaltet, mit denen Generator 27 an Spule 26 angeschlossen ist, sodaß ein Serienresonanzkreis hergestellt wird, der auf der Frequenz des Generators 27 schwingt. Es entwickelt sich ein schwingendes induktives Feld quer zur Bewegungsrichtung des Plasmas.

Dieser Punkt wird weiter unten noch im einzelnen erläutert,

Blende 20 bildet eine Wärmeabschirmung für die Wände des Rohres 10, die dadurch von der hohen Temperatur der Heizplatte 17 geschützt werden. Durch Abkühlen der Wände des Rohres 10 kann ein niedriger Dampfdruck aufrechterhalten werden, was seinerseits ein im wesentlichen neutrales Plasma zur Folge hat.

Zusätzlich kann eine Kühlschlange 30 im Rohr 10 vorgesehen werden und sich über die gesamte Rohrlänge erstrecken. Kühlschlange 30 kann auf oder unterhalb Zimmertemperatur mit kaltem Wasser gehalten werden oder sogar .gekühlt werden.

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Das oszillierende elektrische Feld bewirkt zusammen mit dem longitudinalen Magnetfeld und der thermischen Geschwindigkeit der ionen, daß diese der in .Figur 1 dargestellten, von reuhta nach links verlaufenden schraubenförmigen Bahn folgen.

Die in ihren Einzelheiten in Figur 1b dargestellte Sonde 22 umfaßt eine zylindrische Blende 31, die beispielsweise aus Tantal hergestellt sein kann. Die Blende ist mit Hilfe zweier isolierender Zylinder 32, 33.isoliert, die zum Beispiel aus Aluminiumoxyd bestehen können. Eine kreisförmige Sammelelektrode 35 in Plattenform ist zwischen Blende 31 und deren Außenkante 36 eingesetzt.

Kurve 37 stellt die Bahn eines Elektrons mit einer sehr geringen transversalen Bewegungskomponente dar, das deshalb nicht zur Sammelelektrode 35 durchdringen kann. Kurve 38 stellt die Bahn eines Ions mit einer viel größeren transversalen Bewegungskomponente dar; dieses Ion kann deshalb auf Sammelelektrode 35 über die Kante 36 der Blende 31 gelangen. Sammelelektrode 35 wird von einem Heizdraht 40 gehalten, der zum Entgasen der Elektrode dient und mit einem Isolierstab 41 isoliert ist. Bei der. Isotopentrennung muß die Sammelelektrode gekühlt gehalten werden, sodaß die eingefangenen Ionen nicht wieder abdampfen. Sammelelektrode 35 kann in an sich bekannter Weise gekühlt werden..

Im folgenden werden nun die Bewegungen der Ionen und Elektronen in einem Plasma der Art, wie es mit der in Figur

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1a dargestellten Apparatur erzeugt werden kann, erläutert. Zweckmäßigerweise wird zunächst die Zyklotronbewegung erläutert, die ein geladenes Teilchen unter dem Einfluß eines Magnetfeldes ausführt. Die vom Magnetfeld hervorgerufene Kraft wirkt senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor des geladenen Teilchens. Der Kraftvektor und der Geschwindigkeitsvektor bilden einen Winkel von 90°,

Die Zyklotronfrequenz ist gegeben durch das Ladungs-Massen-Verhältnis des Teilchens mal der magnetischen Feldstärke und dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit. Der Larmor-Radius ist proportional der Quadratwurzel der Teilchenenergie dividiert durch die Zyklotronfrequenz.

Ein geladenes Teilchen kann mit Hilfe eines oszillierenden elektrischen Feldes erregt werden, dessen Frequenz nahe, jedoch verschieden von der Zyklotronreeonanzfrequenz ist.

Ein zu einem elektrischen Feld senkrechtes Magnetfeld muß in diesem Fall vorhanden sein; das elektrische Feld muß eine zur Teilchenbewegung parallele Komponente haben. Die Frequenz des elektrischen Feldes ist so zu wählen, daß die Teilchenenergie oder Teilchengeschwindigkeit ansteigt. Das Teilchen wird dann längs einer Spiralbahn oder Zykloidenbahn beschleunigt. Das Teilchen erlangt eine zum elektrischen Feld senkrechte Translationsgeschwindigkeit.

Wenn das Teilchen mit seiner Resonanzfrequenz angetrieben wird, nimmt es weiter Energie auf. Ein Teilchen oder Ion, das nicht mit der Resonanzfrequenz angetrieben wird, verändert

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seine Energie entsprechend dem Quadrat einer Sinusfunktion. Die Energie eines phasenriohtigen Ions steigt andrerseits mit dem Quadrat der Zeit an. Ein Teilchen, das mit dem schwingenden elektrischen Feld in Resonanz ist, gewinnt Energie und wird deshalb "aufgeheizt". Das Zeitintervall kann so gewählt werden, daß sich im Mittel die maximale Energiedifferenz eines Teilchens in Resonanz und anderer Teilchen, die nicht in Resonanz sind, ergibt.

Es ist damit möglich, ein Isotop zu erregen, das nur einen geringen Prozentsatz aller ionisierten Isotope bildet; die Erregung findet mit der kollektiven Resonanzfrequenz statt, die in der Nähe der Zyklotronresonanzfrequenz liegt. Doch kann auch in diesem Fall die von der Zyklotronfrequenz verschiedene kollektive Resonanzfrequenz nahe bei der Zyklotronfrequenz liegen. Das andere Isotop wird nur durch seine eigene kollektive Resonanzfrequenz aufgeheizt. Die beiden Ionenarten verhalten sich verschieden, da die kollektive Bewegung des in größerer Menge vorhandenen Isotops elektrische Kräfte aufgrund von Ladungstrennung im Plasma erzeugt. Dadurch wird die vom konstanten Magnetfeld erzeugte Kreisbewegung der Ionen modifiziert. Die Bewegung des in geringerer Menge vorhandenen Isotops bewirkt eine geringere Ladungstrennung und damit geringere elektrische Felder und geringere Verschiebung der Resonanzfrequenz. Die durch die Bewegung des Minoritätsisotops bewirkte Ladungstrennung wird von der fast gleich großen doch entgegengesetzten Ladungs-

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trennung des Majoritätsisotops kompensiert« Jedoch wird nur wenig Energie i'ür die Bewegung des Majoritätsisotops benötigt, da nur eine geringe Bewegung der Majoritätsisotopenart zur Kompensation der Bewegung der Mxnoritatsisotopenart benötigt wird.

Die genaue Berechnung des Vorgangs hängt auch von den Kenndaten der Plasma-Apparatur ab. Der folgende quantitative Ausdruck gilt für eine Plasmasäule, die von zwei unendlich ausgedehnten ebenen Oberflächen begrenzt ist. Der AuBdruck läßt die wichtigsten Einzelheiten der Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von der Kollektivbewegung der -Ionen erkennen:

wobei 1 die Art der geladenen Teilchen bezeichnet; W₁ bezeichnet die Plasmafreijuenz des 1-ten Teilchens oder der entsprechenden Ionenart. Die Plasmafrequenz ist in der folgenden Weise definiert:

ρ
P 4ire H₁

u)² = i (12)

Pi In₁

In Gleichungen (11) und (12) bedeuten E_xdas elektrische Feld in der Plasmasäule senkrecht zu den ebenen Begrenzungsflächen; e die Ladung des Elektrons; n-j_ die numerische Dichte der Teilchen für das 1-te Isotop oder die 1-te Teilchenart; In₁ die Masse des 1-ten Isotops; w_cl die Zylclotronfrequenz der

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l-ten Teilchenart; uj_q die Err egungs frequenz j ν-, die effektive Stoßfrequenz für die 1-te Teilchenart; und i = f^T .

Die Resonanzbedingung erhält man duroh Nullsetzen dee Zählers der Gleichung (11). Die Formel kann vereinfacht werden, wenn man annimmt, daß ein aus Elektronen und U235- und U238-Ionen bestehendes Plasma gepumpt wird. Ferner wird angenommen, daß das Pumpen bei der Resonanzfrequenz für U235 stattfindet und daß die Stoßfrequenz bedeutend geringer als die Differenz der Zyklotronfrequenzen der beiden Uranisotope ist. Man erhält dann die folgende Gleichung für den Resonanzfallj

_(13a)

m.
J

In der obigen Formel bedeutet n. die gewünschte Anzahl

der Art j, während m. die Masse der Art j bedeutet.

In der obigen Formel bedeutet ω wieder die Plasmafrequenz j der Index e bezieht sich auf Elektronen, während die Indices 235 und 238 die entsprechenden Uranisotope kennzeichnen. Zur Vereinfachung wurde in der obigen Formel der Einfluß der Molekülmassen statt der einfachen Ionen auf die Zyklotronfrequenz vernachlässigt. Bei einer Ionendichte η = 10 und einer magnetischen Feldstärke B von 1Cr Gauss erhält man:

.2 2 2

BÜ98A 1/0770

Deshalb W₀₂₅₅ = 4OB = 4·1Ο⁵.

Ein gleichförmiges, in Längsrichtung wirkendes Magnetfeld bindet die Elektronen aber nicht die Ionen. Sine beträchtliche Transversalbewegung der Ionen ist deshalb möglich. Falls das Plasma aus Ionen und Elektronen besteht, bleiben die Elektronen in einem dünnen, längs der Achse des Rohres verlaufenden Zylinder, sodaß eine Neutralisierung der elektrischen Ladungen möglich ist. Die Ionen können jedoch in Transversalrichtung
aus diesem Zylinder austreten, besonders wenn sie erhitzt
werden, d.h. auch wenn sie energiereicher geworden sind.

Die von den Elektronen auf die positiven Ionen ausgeübte Anziehungskraft sucht die Ionen auf die Achse des Rohres zurückzubringen. Die Transversalbewegung des Majoritätsisotops ergibt eine verstärkte Ladung3trennung. Das erklärt zum Teil die Unterschiede der kollektiven Resonanzfrequenzen verschiedener Isotope. Das Plasma sollte sich in diesem Fall über
größere Gebiete erstrecken, sodaß die Elektronen nicht in
Achsrichtung aus dem Plasma herausgelangen und längs anderer Feldlinien zurückkehren können.

Falls andrerseits das Plasma aus positiven und negativen Ionen besteht, muß es nicht so ausgedehnt sein. Das mit der
angelegten Sehwingungsfrequenz in Resonanz stehende Isotop
erlangt eine größere Translationsgesohwindigkeit und bewegt
sich deshalb weiter von der Achse weg. Wenn die Minoritätsisotopenart erregt wird, findet die Bewegung des Majoritätsisotops in entgegengesetzter Richtung statt, was zu einer

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Kompensation der iß&mgstrennung führt« Dieser Effekt kann erfindungsgemäß zur Isotopentrennung verwendet werden. In der in Figur 1b dargestellten Sonde wird vom Unterschied der Translationsgeschwindigkeiten Gebrauch gemacht« Das an Sammelelektrode 35 angelegte Potential wird so gewählt, daß nur das energiereichere Isotop an den Kollektor gelangt.

Die in Figuren 1a und 1b dargestalltan Apparaturen wurden erfolgreich aur Anreicherung von Kalium- und Chlor-Isotopen verwendet. Das Plasma in der in ¥±gws 1a dargestellten Apparatur bestand aus einer 1 m langen Säule mit einem Durchmesser von 5 cm« Die Teilchenzahl betrug zwischen 10 und Teilchen pro Kubikzentimeter_Q Die !Temperatur dar Ionen und Elektronen entsprach einer Energie von O₅2 sV₀ Die Ionengeschwindigkeit betrug 7°10 Zentimeter pro Sekunde. Das gleichförmige Magnetfeld hatte eine Stärke von 2=3_s5 Kilogauss (KG)* Das oszillierende Magnetfeld hatte sine Stärke von 15G oder 3OG zwischen den Spitzenwerten^ Der Larmor-Radius betrug 1,5 Millimeter und die kollektive-Resonanzfrequenz des Minoritätsisotops betrug zwischen 70 und 73_sβ kHz.

Ionen wurden beobachtet_ff die eine Energie von bis zu 3 eV hatten, wenn das Plasma mit dar kollektiven Resonanzfrequenz von K erregt wurde. Der bei Verwendung der in Figur 1b dargestellten Sonde erhaltene Strom wurde als Funktion der Frequenz des oszillierenden Magnetfelds für verschiedene Sondenpotentiale aufgezeichnet ι dabei kann die Sonde als Analysator für die Ionenenergie aufgefaßt werden. Die Verschie-

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bung der kollektiven Resonanzfrequenzen der beiden lonenarten nimmt mit zunehmender Plasmadichte zu. Die Resonanzspitze hat eine Breite von 2$; dieser Wert kann sich aus der von der Ionendurchgangszeit ergebenden Verbreiterung ableiten. Mit zunehmendem Plasmarauschen nimmt die Breite der Resonanzspitze ebenfalls zu.

Die Anreicherungsfaktoren können berechnet werden durch

•zn

symmetrische Extrapolation der von K erhaltenen Resonanz auf die K-Resonanz hin. Daraus wurden Anreicherungsfaktoren zwischen 20$ und 83$ festgestellt, je nach dem Verzögerungspotential, das an die in Figur 1b dargestellte Sonde angelegt wurde· Der Anreicherungsfaktor steigt mit abnehmendem Sondenpotential.

Wenn das oszillierende Magnetfeld plötzlich abgeschaltet wird, dauert es etwa eine Millisekunde, bis die energiereichen Ionen verschwunden sind. Die beobachteten Resonanzen sind deshalb Resonanzen des Gesamtplasmas und nicht lokale Resonanzen in der Nähe der Sonde. Durch Erhöhung der Pumpleistung läßt sich die Ionensammelgeschwindigkeit steigern. Eine bessere Auflösung ist mit stärkeren Magnetfeldern erreichbar, da die Differenzfrequenz zwischen den beiden Resonanzfrequenzen linear mit der Stärke des Magnetfelds zunimmt.

Ähnliche Ergebnisse wurden erreicht mit einem Gemisch aus K⁺, Cl" und Elektronen. Eine Trennung von 35Gl und 37Cl wurde in der oben beschriebenen Weise beobachtet.

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Die Ionen eines neutralen Plasmas können auch erregt oder erhitzt v/erden mit einer von der in figuren 1a und 1b verschiedenen Vorrichtung« Die Vorrichtung ist in Figur 2 dargestellt und ist eine abgewandelte Q-Maschine. Zur Apparatur gehört ein geschlossener Behälter 45 mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt und Endplatten 46« Die Ionen können in der schematisch als Quelle dargestellten Dose 47 erzeugt werden, die mit dem Ofen 16 und der Heizplatte 17 der Figur 1a identisch oein kann· Positive Kaliumionen oder andere geeignete Ionen verlassen die Dose 47. Die Ionen werden dann von einem Beschleunigungsgitter 48, an daa eine geeignete negative Spannung angelegt ist, beschleunigt. Ferner muß eine Elektronenquelle vorgesehen werden, um ein neutrales Plasma zu erzeugen. G-eeignete Elektronenquellen sind an sioh bekannt und wurden deshalb nicht dargestellt.

Ein gleichförmiges, in Längsrichtung verlaufendes Magnetfeld wird in Behälter 45 erzeugt, beispielsweise mit den den Behälter umgebenden Spulen 50. Zwei parallele, leitende Platten sind an gegenüberliegenden Seiten des Behälters 45 angebracht. Ein Schwingungsgenerator 53 ist an die Platten 51, 52 angeschlossen, um ein oszillierendes elektrisches Feld mit der gewünschten Resonanzfrequenz zu erzeugen. Das oszillierende elektrische Feld in der in Figur 2 dargestellten Anordnung hat den gleichen Zweck wie das oszillierende Magnetfeld, in der in Figur Ta dargestellten Aueführungsform.

Aufgrund der thermischen Bewegung wandern die Ionen in

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der in .Figur 'd gewählten Darstellung von links nach reehta und können mit der Sonde 54» die die Porra dex in Figur 1b dargestellten Sonde hat, gesammelt werden. Tie Dichtung dea Strahls ist durch die Pfeile 55 gekennzeichnet. Die in Figur 2 dargestellte Ausführungeform arbeitet in der gleichen Weise wie das in Figur 1 dargestellte Beispiel.

Erfindungsgemäü kann einem ausgewählten Isotop auch in anderer Weise eine Energie erteilt werden* Dies laut sich unter Bezugnahme auf Figuren 3 und 4 erklären. In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsforsi wird angenommen, daü Uran-Ionen auf der linken Seite in das Rohr 57 in der durch Pfeil 58 bezeichneten Richtung eingebracht werden. £s können entweder positive oder negative Ionen verwendet werden. Uegative Uran-Ionen können in der oben beschriebenen Wei^e erzeugt werden« Die Ionen werden mit einem Paar von Beechleunigungsgittern 60 beschleunigt, an die eine negative Spannung für positive Ionen oder eine positive.Spannung für negative Ionen angelegt wird, sodaß sich die beschleunigten Ionen nach rechts bewegen. Das Plasma wird, wie oben beschrieben, wieder durch geeignete geladene Ionen oder Elektronen neutralisiert*

Ein welliges Magnetfeld wird mit mehreren, in Abständen voneinander angebrachten Spulen 61, 62» ... erzeugt. Am Ende des Kohres erzeugt eine Spule 63 einen magnetischen Spiegel. Die magnetische JPeldverteilung ist in Figur 4 dargestellt, in der B die magnetische Feldstärke lind d den Abstand

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bezeichnet,, Aus Kurve 64 folgt_s daß das Magnetfeld eine vjelianartige Struktur hat,,

Bin sich in Sichtung des Pfeils 58 bewegendes Ion "fühlt¹⁰ wellige oder oszillierende magnetische Feldlinien_s die den gleichen Effekt wie die in Figuren la und 2 dargestellten Apparaturen schaffen_o Ein welliges Magnetfeld wirkt deshalb auf das sich bewegende Ion₀ Falls di© lonengeschwinöigkeit in der· richtigen Beziehung zur Wslligkgit des Magnetfelds steht j sind die Ionen einer Rssonanzfreciuenz- ausgesetzt _s die die susaramgngesetste Resonanzfrequenz ä®a gewünschten Isotops sein kana_e Ein gleichförmiges _ΰ longituäinales Magnetfeld wird zusätzlich noch durch Spul© 63 @rs©ugt₅ soöaß das Plasma auf die Achse des Rohres 57 iiingeärüokt i-siTäc

ligur 5 zsigt sine Abwandlung der in figur 5 dargestellten Anordnung_s i-jobsi gleichartig® feil© mit οθκ gleichen Bezugs= nummern gelnsmxzeichnet sinä_o Die in Itgws- 5 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von dar^j äar ITigur 3 durch einen Satg scaESubenfoSHiiger Spulen 67 _v ii@ schraubünförmig© magnetische fslälinien erzeugen_s ms. äi® Bewegung der Uran-Ionen in Richtung des Pfeils 58 zu föräern₀ Dies® Spulen führen ferner zu-eimer feansYersalbei-jegung ä@r Ioa@n_B di© für die '/erschiedenen Isotopen versclaieden ist_s wi© oben erwähnt. Dadurch wird die schließlich stattfindende Trennung der Isotopen begünstigt«

Die Isotopentrennung_o Im vorhergehenden Abschnitt wurde erläutert, wie die Isotopen ©in@s Elements verschieden stark

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erhitzt werden können, d.h. wie man ihnen verschiedene Energien erteilen kann. Im folgenden Abschnitt der Beschreibung wird erläutert, wie Isotope mit verschiedenen Energien physisch voneinander getrennt werden können, um eine Isotopenanreicherung oder Isotopentrennung zu erzielen.

Dies läßt sich beispielsweise mit der in Figur 1a oder Figur 1b dargestellten Sonde erreichen. Daneben gibt ea aber noch verschiedene andere Verfahren zur Trennung von Isotopen aufgrund ihrer verschiedenen Energien, Die Isotopentrennung läßt sich beispielsweise erzielen mit magnetischen Sperren, die durch feldfreie Zwischenräume voneinander getrennt sind, sodaß die energiereicheren Ionen rascher durch den feldfreien Raum zwischen aufeinanderfolgenden Magnetfeldern diffundieren können. Figuren 6 und 7, auf die im folgenden Bezug genommen wird, zeigen diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 6 zeigt schematisch einen geschlossenen Behälter 70, der zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnete Spulen umschließt. Die Spulen erzeugen ein Magnetfeld B in der. nach unten weisenden, von Pfeil 71 bezeichneten Richtung, sowie ein weiteres, nach oben weisendes, von Pfeil 72 gekennzeichnetes Magnetfeld. Die beiden magnetischen Gebiete sind mit einem feldfreien Raum 73 voneinander getrennt. Die Zeichen 74 bedeuten, daß der Strom.nach unten durch die Spulen fließt, während Zeichen 75 bedeuten, daß

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der Strom durch die Spulen nach oben, d.h. von der Zeichenebene weg, fließt.

1'¹IgUr 7 zeigt als Beispiel die Bahn eines Ions 76 bei seinem Eintritt in das Raumgebiet 77 mit dem nach unten gerichteten Magnetfeld 71. Das Teilchen stößt am Punkt 78 mit einem anderen Teilchen zusammen und ändert seine Bahnrichtung, wobei die nach unten verlaufende Spiralbahn 80 entsteht. Folgende Zusammenstöße, beispielsweise am Punkt 81, bringen das Teilchen schließlich in den feldfreien Raum 73 und dann in das Gebiet 82 des zweiten Magnetfelds; schließlich tritt das Teilchen am Punkt Q'5 aus. Die Diffusionszeit des Teilchens 76 hängt vom Larmor-Radius ab, der gleich ist dem Radius der Spirale 80. Jeder Zusammenstoß des Teilchens bringt die Ionenbahn um den Durchmesser der Schraubenlinie 80 nach oben.

Die Zusammenstöße bedeuten, daß die Wahrscheinlichkeiten für eine Teilchenbewegung nach links und rechts gleich sind. Zur Verdeutlichung der Darstellung wurden jedoch nur Zusammenstöße, die in diesem Zusammenhang von Interesse sind, eingezeichnet. Eine ähnliche Bahn eines zweiten, energiereicheren Teilchens 84 ist auch dargestellt.

Jails die Zusammenstöße mit neutralen Teilchen überwiegen, sodaß der Streuquerschnitt nur leicht von der Energie abhängt, diffundiert die energiereichere Ionenart rascher durch die magnetischen Raumgebiete 77 und 82 als die weniger energiereichen Ionen.

Es können auch magnetische Spiegel zur Zusammendrängung

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der energiereicheren Ionenart verwendet werden, während die kälteren oder weniger energiereichen Ionen aus dem Raumgebiet des magnetischen Spiegels herausfließen. I'igur β, auf die im folgenden Bezug genommen wird, zeigt diese Ausführungsform der vorliegenden .Erfindung.

Die in Figur β dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Behälter 90 mit kreisförmigen Querschnitt, der an den beiden nicht dargestellten Enden geschlossen ist. In Behälter yO wird ein geeignetes dichtes, neutrales Plasma eingebracht, das beispielsweise Uran-Isotope enthält. Ein longitudinales Magnetfeld wird mit den den Behälter 90 umgebenden Spulen 91 erzeugt. Zusätzliche Magnetspulen 92 sind an den Enden vorgesehen, um an beiden Enden des Behälters 90 einen magnetischen Spiegel zu schaffen. Das Plasma muß in der oben beschriebenen Weise in das magnetische Gebiet eingebracht werden und die Ionen müssen verschieden stark erhitzt werden.

Magnetische Kraftlinien 93 sind schematisch eingezeichnet, Ein energiereiches Ion 94- und seine schraubenförmige Bahn sind angegeben.

Wenn sich ein Ion in das Gebiet des magnetischen Spiegels bewegt» verstärkt sich seine Transversalbewegung auf Kosten der Longitudinalbewegung. Dieser Effekt wird umso ausgeprägter, je länger die anfängliche Transversalbewegung ist. Ein Ion, das in Transversalrichtung Energie aufgenommen hat, wird beim Erreichen des rechtsseitigen Endes nach links auf seine Rückkehrbahn 95 zurückgebogen, da seine longitudinale

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26Ί2722

Bewegungsenergie nicht für den Durchgang dea Ions durch den magnetischen Spiegel ausreicht.

Ein weniger energiereiches Ion hat die Bahn 96. Da dieses Ion weniger Energie hat, ist seine Transversalbewegung geringer und damit seine Longitudinal bewegung verhältnismäßig größer₀ V/egen der höheren Energie in Longitudinalrichtung kann dieses Ion auf der Bahn 97 aus dem Gebiet des magnetischen Spiegels entweichen. Die weniger energiereichen Ionen gelangen deshalb aus dem Gebiet des magnetischen Spiegels, während die energiereicheren Ionen von den beiden Spiegeln eingeschlossen bleiben. Damit lassen sich die energiereicheren von den energieärmeren Ionen abtrennen.

Statt das Plasma zwischen den beiden Spiegeln einzuschließen, ist es auch möglich das Plasma zur Diffusion durch mehrere Spiegel zu veranlassen. Die entsprechende Anordnung ist in Figur 9 dargestellt. Das Plasma befindet sich wieder in einem zylindrischen Rohr 90, das an seinen äußeren Enden geschlossen ist. Ein longitudinales Magnetfeld wird von einer Spule 91 erzeugt, die ein gleichförmiges I'eld liefert. Die magnetischen Spiegel werden von mehreren, in Abständen voneinander angebrachten Spulen 100 gebildet. Die sich ergebenden magnetischen Feldlinien 101 konvergieren an jeder der Spulen 100 für die magnetischen Spiegel. Diese Anordnung ergibt damit differentielle Diffusion der weniger energiereichen Ionen durch den Satz von Spulen 100. Andrerseits werden die energiereicheren Ionen von·jedem der

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magnetischen Spiegel in der oben beschriebenen Weise zurückgehalten.

Ein anderes Verfahren zur Isotopentrennung auf der Basiß von Energiedifferenzen der Isotopen läßt Bich mit einer sogenannten magnetischen Düse durchführen. Wie aus Figur 10 ersichtlich, wird das Plasma in ein nach außen aufgebogeneu Rohr 105, das die Form einer Trompete oder Glocke hat, eingeleitet. Das glockenförmig aufgebogene Rohr 105 kann wieder zylindrischen Querschnitt haben und ist in der dargestellten Weise mit Magnetspulen 106 versehen. Spule 107 hat einen größeren Durchmesser, um das aufgebogene Rohr 105 aufnehmen zu können. Die magnetischen Feldlinien 108 sind deshalb nach außen gebogen und ergeben eine magnetische Düse. Die Bahn 110 eines energiereichen Teilchens ist gekennzeichnet durch eine verhältnismäßig große transversale Geschwindigkeitskomponente. Am linksseitigen Ende des Rohres 105 ist das Magnetfeld verhältnismäßig stark und entsprechend schwächer an der rechten Seite. Die senkrechte Geschwindigkeitskomponente des energiereicheren Ions auf der linken Seite wird deshalb in eine eher parallele Geschwindigkeitskomponente der rechtsseitigen Bahn 111 umgebogen. Die energiereicheren Teilchen treten deshalb unter einem Winkel zur longitudinalen Symmetrieachse aus.

Ein Isotop ohne Resonanz, d.h. ein Isotop mit geringerer Energie, hat die Bahn 112. Diese Isotop hat eine geringere Transversalgeschwindigkeit, wie oben erwähnt. Die achsiale

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Energie der Ionen mit niedriger Energie steigt zur rechten Seite der Figur 10 hin an, aber in einem geringeren Ausmaß, da die Gesamtenergie, d.h. die achsiale Energie und die transversale Energie, erhalten bleiben muß. Zum Beispiel kann die achsiale Energie der verschiedenen Isotope zu ihrer Trennung verwendet werden. Hierbei werden auf Energieunterschiede ansprechende Anordnungen verwendet, die denen zur direkten Energieumwandlung in Pusionsapparatüren mit magnetischen Spiegeln ähneln. Außerdem können die Isotope in einfacher Weise dadurch getrennt werden, daß sie durch Gitter mit geeigneten Vorspannungen geschickt werden. Eine räumliche Trennung ist ebenfalls möglich. Natürlich wird vorausgesetzt, daß die Ionen vorher erhitzt wurden oder daß ihnen verschiedene Energien erteilt wurden.

Im allgemeinen verwandelt die in Figur 10 dargestellte magnetische Düse senkrecht zu den magnetischen Feldlinien auftretende Energie der energiereichen Isotope in den magne-. tischen Feldlinien parallele Energie, die dann zur Isotopentrennung verwendet werden kann.

Als Alternativlösung können die energiereicheren Ionen von.den energieärmeren mit Hilfe verschiedener Flugzeiten getrennt werden. Dies läßt sich mit der in Figur 11 dargestellten Apparatur durchführen. Das Plasma ist wieder in einem Rohr 115 eingefangen und die Ionen erhalten durch Erhitzung verschiedene Energien, sodaß die energiereicheren Ionen sich schneller bewegen oder eine höhere Geschwindigkeit

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als die energiearmeren Ionen haben. Die Ionen lasuen sich anfänglich einfach mit zwei Gittern 116 beschleunigen, die an der linken Seite des Rohres 115 angebracht sind. Geeignete, von einem Impulsgenerator 117 stammende Impulse werden an die Gitter 116 angelegt, wobei Impulse 118 der in Figur 12 dargestellten Form verwendet werden. Die Dauer jedes Impulses 118 und die Abschaltzeit hängen von der Geschwindigkeit ab, die die beschleunigten Ionen annehmen sollen.

Die Geschwindigkeit der leichteren Ionen ist etwas größer als die der schwereren Ionen, sodaß die leichteren Ionen zuerst am zweiten Paar von Gittern 120 eintreffen. Eine passende Bremsspannung wird nun von Impulsgenerator 117 an die Bremsgitter 120 geliefert. Die entsprechenden Impulse 121 sind in Figur 12 dargestellt und haben die entgegengesetzte Polarität der beschleunigenden Impulse 118. Die Impulse erscheinen zeitlich so abgestimmt auf die beschleunigenden Impulse 118, daß schnellere Ionen durchgelesen werden, während langsamere abgestoßen werden. Nur wenn die Dauer jedes beschleunigenden Impulses 118 verhältnismäßig kurz ist und die Beschleunigungsspannung verhältnismäßig niedrig ist, kann die notwendige Länge des Rohres 115 relativ groß sein.

Die Isotopen lassen sich auch trennen durch Verwendung des von der Zyklotronwelle auf das in Resonanz befindliche Isotop ausgeübten Drucks. Dabei ist es zweckmäßig, neben Uran ein weiteres Gas zu verwenden, um die Portpflanzung der Zyklotronwellen zu verbessern. Dazu dient die in Figur 13

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dargestellte Apparatur. Das Plasma ist wieder in einem zylindrischen Behälter 90 eingeschlossen. Zur Erzeugung eines in Längsrichtung wirkenden Magnetfelds ist Behälter 90 wieder mit einem Satz Spulen 125 umgeben. Eine schraubenförmige Spule umgibt ebenfalls Behälter 90 und erzeugt ein schraubenförmiges Feld, das durch Anschluß der Spulen 126 an einen geeigneten Schwingungsgenerator (siehe Figuren 1a und 2) in Schwingungen versetzt wird.

Das gleichförmige Magnetfeld ist durch die parallelen Pfeile 127 gekennzeichnet. Das oszillierende Magnetfeld ist durch Pfeil 128 angedeutet. Das resultierende elektrische Feld 130 oszilliert. Der Vektor 131 der parallelen Kraft ist neben dem Geschwindigkeitsvektor 132 eines Teilchens von Bedeutung. Eine longitudinale Kraft wird von der Zyklotronwelle auf die Ionen ausgeübt. Die in Resonanz befindlichen Ionen erfahren eine proportionalestärkere Kraft, die ausreicht, die elektrostatische, schematisch von den Gittern 133 dargestellte Barriere zu überwinden. Von Spannungsquelle 134 wird an die Gitter 133 eine Spannung angelegt. Dadurch wird es möglich, die energiereicheren von den energieärmeren Ionen mit Hilfe der elektrischen Abstoßung zu trennen, die eine elektrische Schranke bildet. Die sogenannten "heißeren" Ionen entweichen nach rechts, während die anderen Ionen zurückgehalten werden.

Man kann ferner akustische Wellen zum Einfangen des schnelleren oder leichteren Isotops verwenden· Dies ist in

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Figur H dargestellt, in der wieder ein zylindrisches Rohr 90 zum Einschluß des Plasmas verwendet wird. Die akustische Welle geht von Gittern HO aus, an die eine vom Generator Hl erzeugte üchwingspannung angelegt wird. Dies erzeugt akustische Wellen großer Amplitude der Ionen. Die akustische Welle ist schematisch durch die Welle 142 dargestellt. Die Ionen des leichteren Isotops bewegen sich rascher und sind damit näher an der Wellengeschwindigkeit; sie können deshalb in dem Gebiet 144 des Wellentals 143 eingefangen werden. Das Plasma enthält relativ heiße Elektronen und relativ kalte Ionen. Die akustische Welle bewegt sich schneller als die mittlere thermische Geschwindigkeit der Ionen. Die leichteren Ionen haben jedoch eine etwas höhere thermische Geschwindigkeit und bewegen sich fast mit der !Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle. Die sich mit der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der akustischen Welle bewegenden Ionen werden von der sich nach rechts bewegenden Welle eingefangen. Deshalb werden mehr leichtere Ionen eingefangen. Andrerseits werden die weniger energiereichen Ionen zurückgelassen.

Wie schließlich noch in Figur 15 dargestellt, können Stoßvorgänge ohne Zusammenstöße zur Streuung des leichteren Ions bei gleichzeitigem Durchlaß des schwereren Ions benutzt werden. Das Plasma ist wieder in einem Behälter 90 eingeschlossen, der durch geeignete geschlossene Gitter oder Käfige 145a, I46a in zwei Gebiete 145 bzw. 146 unterteilt ist. Das Uranisotope oder andere. Isotope enthaltende Plasma

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ist im wesentlichen im Käfig 145a enthalten. Die beiden Käfige 145a, H6a, die z.B. aus Drahtgittern aufgebaut sein können, erhalten von einem Impulsgenerator 147 Impulse 148 zugeführt. Da die beiden Käfige auf verschiedenen Potentialen liegen, wird eine Stoßfront 150 in einem der Abschnitte emittiert. Die Stoßfront bewegt sich nach links in Richtung des Pfeils I5I. Die Stoßfront 150 streut vorzugsweise die leichteren Ionen, von denen eine Bahn 152 dargestellt ist. Das von Pfeil 153 gekennzeichnete schwerere Ion unterliegt zu einem geringeren Maß den Kräften und bleibt zurück. Die leichteren Ionen werden deshalb vorzugsweise am linksseitigen Ende des Rohres 90 konzentriert und abgenommen. Die Potentiale der beiden Käfige 145 und 146 bestimmen ihrerseits das Plasmapotential.

Die obige Beschreibung offenbarte ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung von Isotopen oder zur Anreicherung eines gewünschten Isotops. Dies geschieht in einem dichten, neutralen Plasma. Verschiedene Verfahren wurden beschrieben, mit denen ein derartiges Plasma erzeugt werden kann, das beispielsweise aus Alkalimetallen oder Uran besteht. Verschiedene, differentielle Energien können den Isotopen erteilt werden, beispielsweise indem man sie in einem elektrischen Feld beschleunigt, sodaß ihre Geschwindigkeiten von ihren Massen abhängen. Auch/ist es möglich, den Isotopen verschiedene Energien dadurch zu erteilen, daß man sie einer Resonanzfrequenz, die für jedes Isotop einen anderen Wert hat,

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aussetzt. Schließlich wurden verschiedene Vorrichtungen zur Trennung oder Anreicherung eines gewünschten Isotops auf der Basis von Energiedifferenzen beschrieben. Dazu werden differentielle Diffusion durch ein Magnetfeld oder magnetische Spiegel oder eine magnetische Düse verwendet. Auch ist es möglich ein ausgewähltes Isotop in einer akustischen Welle einzufangen; die Isotope können auch differentiell in Abhängigkeit von ihrer Masse in Stqßvorgängen ohne Zusammenstößen gestreut werden« Schließlich kann der Druck einer Welle zur Isotopentrennung verwendet werden. Energiereiche •Isotope können von energiearmeren Isotopen durch energieabhängige chemische Reaktionen der oben beschriebenen Art getrennt werden.

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Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   \1./Verfahren zur Trennung eines Isotopa eines Elements von dessen anderen Isotopen, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen neutrales Plasma mit einem mindestens zwei ionisierte, zu trennende Isotope aufweisenden Element erzeugt wird; daß ein gleichförmiges, durch, das Plasma verlaufendes Magnetfeld erzeugt wird; daß dein ausgewählten Isotop eine größere Energie als den anderen Isotopen erteilt wird, während das Element sich in dem Magnetfeld befindet; und daß die Isotope voneinander aufgrund ihrer verschiedenen Energien getrennt werden.

   2. Verfahren nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem ausgewählten Isotop mehr Energie dadurch mitgeteilt wird, daß das Element seiner Resonanzfrequenz ausgesetzt wird, die von der Plasmadichte, der magnetischen Feldstärke und dem Ladungs-Massen-Verhältnis des ausgewählten Isotops abhängt.

   3.. Verfahren nach. Anspruch 2, dadurch, gekennzeichnet, daß ein elektrisches Feld an das Plasma angelegt und entsprechend der gewünschten Resonanzfrequenz variiert wird.

   4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Magnetfeld an das.Plasma angelegt wird, um den Ionen Veränderungen des Magnetfelds; entsprechend der gewünschten Resonanzfrequenz auszusetzen,

   5„ Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Magnetfeld mit der gewünschten Resonanzfrequenz

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   verändert wird.

   6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dab das zusätzliche Magnetfeld ein gleiohförmiges, an das Plasma angelegtes Magnetfeld iBt, dessen Stärke periodisch in einer bestimmten Richtung variiert, in der sich die Ionen des Elements längs einer bestimmten Bahn im Magnetfeld bewegen.

   7« Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daij das zusätzliche Magnetfeld ein gleiohförmiges, an das Plasma angelegtes Magnetfeld ist und eine schraubenförmige Störung aufweist, um schraubenförmige magnetische Feldlinien zu erzeugen, und daß das abzutrennende Element zur Bewegung durch die magnetischen Feldlinien veranlaßt wird.

   8, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites gleichförmiges Magnetfeld erzeugt wird, und daß die verschiedene Energien aufweisenden Isotope zur Diffusion quer zum zweiten Magnetfeld veranlaßt werden, wobei die verschiedene Energien aufweisenden Isotope mit verschiedenen Geschwindigkeiten diffundieren.

   9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere in Abständen voneinander angebrachte Spiegelfelder in dem Plasmagebiet zum Abtrennen der Isotopen mit den magnetischen Spiegeln erzeugt werden, wobei das energiereichere Isotop eingeschlossen wird, während die weniger energiereichen Isotope durch die von den magnetischen Spiegeln erzeugten Felder durchgehen.

   10« Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab

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   die Isotope einem beschleunigenden elektrischen Peld ausgesetzt werden und anschließend entsprechend ihren unterschiedlichen Flugzeiten, die von verschiedenen Geschwindigkeiten aufgrund verschiedener Massen herrühren, getrennt werden«

   11. Verfahren nach Anspruch 1 zur Trennung der Kaliumisotope, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Plasmaerzeugung a) Kalium verdampft wird, b) die verdampften Kaliumatome auf eine Platte zum Aufprallen gebracht werden, die aus einem Element der Gruppe Wolfram, Tantal und Ehenium besteht, und c) die Platte auf eine höhere Temperatur aufgeheizt wird, wobei die auftreffenden Kaliumatome in positive Ionen verwandelt werden, während Elektronen emittiert werden, sodaß ein neutrales, dichtes Plasma entsteht; daß ein gleiohförmiges, longitudinales Magnetfeld erzeugt wird; daß bei der Erteilung der Energie das neutrale Plasma in das Magnetfeld injiziert wird} daß ein oszillierendes elektrisches PeId mit der gewünschten Resonanzfrequenz, die von der Stärke des Magnet-felds, der Plasmadichte und dem Ladungs-Massen-Verhältnis des ausgewählten Kalium-Isotops abhängt, erzeugt wird, wodurch dem ausgewählten Kalium-Isotop eine größere differentielle Energie als den anderen Isotopen erteilt wird; und daß bei der Abtrennung das energiereichere Kalium-Isotop gesammelt wird.

   12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erzeugung des Magnetfelds ein gleichförmiges Magnetfeld längs der Längsachse erzeugt wird, daß Plasma in

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   das Magnetfeld injiziert wird, und daß die ionisierten Isotope zur Bewegung längs der Längsachse in einer bestimmten Richtung veranlaßt werden.

   13o Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sekundäre Magnetfelder in Abständen voneinander und praktisch senkrecht zur Längsachse erzeugt werden und feldfreie Räume dazwischen enthalten, wobei das ionisierte, energiereichere Isotop vorzugsweise in einer bestimmten Richtung längs der Längsachse wandert und dabei die sekundären Magnetfelder und die feldfreien Räume dazwischen passiert.

   14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftlinien des gleichförmigen Magnetfelds nach außen von der Längsachse wegdivergieren, wodurch die ionisierten Isotope von dem Gebiet mit dem divergierenden Kraftlinien nach außen weglaufen, sodaß sie getrennt werden.

   15· Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Magnetfeld und ein elektrisches Feld, die mit einer bestimmten Resonanzfrequenz oszillieren, erzeugt werden, und daß ein Phasenuntersohied zwischen dem zusätzliohen Magnetfeld und dem elektrischen Feld besteht, um eine longitudinale Kraft auf die ionisierten Isotope auszuüben und um eine elektrostatische Barriere praktisch rechtwinklig zur Längsachse zu schaffen, wodurch ss den energiereichen Ionen möglich wird, die elektrostatische Barriere zu passieren, während die weniger energiereichen Ionen von ihr abgestoßen werden. . . .

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   16. Verfahren nach. Anspruch. 12, dadurch, gekennzeichnet, daß eine akustische Welle parallel zur Längsachse mit einer hohen Amplitude ausgelöst wird, wodurch das ionisierte Isotop der geringeren Masse vorzugsweise in den Wellentälern der akustischen Welle eingeschlossen wird, während die schwereren Isotope durch die akustische Welle durchlaufen.

   17. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nebeneinander befindliche Räume vorgesehen und auf verschiedenen elektrischen Potentialen gehalten werden und daß eine Stoßwelle in einem der beiden Räume erzeugt wird, wodurch das ionisierte Isotop der geringeren Masse von der sich fortpflanzenden Wellenfront gestreut wird, während das ionisierte Isotop der höheren Masse durch die Wellenfront passiert, sodaß Isotopentrennung eintritt.

   18. Verfahren nach Ansprueh.1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Trennprozeß eine selektive chemische Reaktion der ionisierten Isotope stattfindet, wobei jedes Isotop eine andere chemische Verbindung bildet, um in dieser Weise eine chemische Trennung der Isotopen zu erzielen.

   19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Uranverbindung mit einem Teilchen zum Zusammenstoß gebracht wird, um ein ausgewähltes Uranisotop in eine andere Uranverbindung umzuwandeln.

   20. Verfahren, nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß Uranhexafluorid die Uranverbindung ist und daß die davon verschiedene Uranverbindung ein Uranfluorid mit weniger als

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   sechs i'luoratomen ist.

   21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotope zu einer endothermen Reaktion mit einem Energieschwellwert veranlaßt werden, der den Ablauf der Reaktion nur für das energiereichere Isotop erlaubt, sodaß eine chemische Abtrennung desselben möglich wird.

   22. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotope zu einer energieabhängigen chemischen Reaktion veranlaßt werden, in der das energierei.ohere Isotop, jedoch nicht das energieärmere Isotop reagiert.

   25. Verfahren nach Anspruch 19» dadurch gekennzeichnet, daß ein Edelgas die Rolle der inerten Teilchen spielt.

   24. Vorrichtung zur Trennung der Isotope eines Elements in einem dichten, neutralen Plasma, gekennzeichnet durch einen länglichen, evakuierten Behälter; Einrichtungen zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfelds im Behälter; Einrichtungen zur Erzeugung eines Plasmas im Behälter und zur Injizierung des sich ergebenden Plasmas in das Magnetfeld; zwei im Behälter angebrachte leitende Platten; einen an die Platten angeschlossenen Schwingungsgenerator zur Erzeugung eines veränderlichen elektrischen Feldes mit einer vorgegebenen Frequenz zur selektiven Erregung eines bestimmten Isotops; und eine im Behälter und im Magnetfeld angeordnete Sonde zum Sammeln des energiereicheren Isotops.

   25· Vorrichtung zum Trennen der Isotope eines Elements in einem dichten, im wesentlichen neutralen P.lasma, gekenn-

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   zeich.net durch, einen länglichen, evakuierten Behälter; Einrichtungen zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfelds im Behälter mit einer Längsachse; Einrichtungen zur Erzeugung gleichförmiger Magnetfelder in bestimmten Abständen im Behälter und längs dessen Längsachse; und Einrichtungen, mit denen die ionisierten Isotope zur Bewegung in einer bestimmten Richtung längs der Längsachse und mit einer bestimmten Geschwindigkeit veranlaßt werden, die mit dem Abstand der Magnetfelder in Beziehung steht, sodaß die sich bewegenden Ionen eine Veränderung des Magnetfelds erfahren und damit eine mit ihrer kollektiven Resonanzfrequenz in Beziehung stehende Energie erteilt bekommen.

   26. Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zur Erzeugung magnetischer Felder in Abständen im Behälter schraubenförmige Magnetfelder erzeugen, um eine zusätzliche Longitudinalbewegung der Ionen hervorzurufen.

   27. Vorrichtung zur Trennung von Isotopen eines Elements in einem dichten, neutralen Plasma, gekennzeichnet durch einen länglichen, evakuierten Behälter mit einer Längsachse; Einrichtungen zum Injizieren des Plasmas in den Behälter und zur Fortbewegung von Ionen in einer bestimmten Richtung längs der Längsachse; Einrichtungen, mit denen den ionisierten Isotopen differentielle Energien erteilt werden; und Einrichtungen zur Erzeugung von Magnetfeldern in Abständen im Behälter und praktisch im rechten Winkel zur Längsachse, mit

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   einem feldfreien Zwischenraum, wodurch das energiereichere ionisierte Isotop vorzugsweise zu einer Wanderung quer zum transversalen Magnetfeld und dem feldfreien Raum veranlaßt wird.

   28. Vorrichtung zur Trennung der Isotope eines Elements in einem dichten, im wesentlichen neutralen Plasma, gekennzeichnet durch einen länglichen, evakuierten Behälter; Einrichtungen zur Erzeugung eins ersten gleichförmigen Magnetfelds im Behälter längs dessen Längsachse; Einrichtungen zur Erzeugung eines zweiten Magnetfelds im Behälter, das sich mit einer ■bestimmten Resonanzfrequenz ändert; und im Behälter im rechten Winkel zu dessen Längsachse angebrachte Einrichtungen zur Erzeugung einer elektrostatischen Barriere, durch die die energiereicheren Isotope durchgehen, während sie von den energieärmeren Isotopen nicht überwunden werden kann,

   29. Vorrichtung zur Trennung der Isotope eines Elements in einem dichten, im wesentlichen neutrclen Plasma, gekenn- ^:zeichnet durch einen länglichen, evakuierten Behälter; zwei im Abstand voneinander im Behälter angebrachte leitende Gitter; eine, an die Gitter angeschlossene Wechselstromquelle zur Auslösung einer akustischen Ionenwelle bestimmter Amplitude und !Frequenz im Behälter; und Einrichtungen zur Injizierung des Plasmas in den Behälter, wodurch das ionisierte Isotop der geringeren. Masse vorzugsweise in den Wellentälern der akustischen Welle eingefangen wird,

   : .30. Vorrichtung zur Trennung der Isotope eines Elements

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   in einem dichten, im wesentlichen neutralen Plasma, gekennzeichnet durch einen länglichen, evakuierten Behälter; ein Paar in sich geschlossener, im Behälter angebrachter, elektrisch leitender Gitter, die im Abstand voneinander angeordnet sind und zwei benachbarte Räume definieren; und Einrichtungen zum periodischen Anlegen elektrischer Impulse an die Gitter, wodurch eine Stoßwellenfront in einem der Räume ausgelöst wird, die vorzugsweise die ionisierten Isotope geringerer Masse streut aber die ionisierten Isotope größerer Masse durchläßt, sodaß jedes der Isotope innerhalb des von einem der beiden Gitter definierten Raumes angereichert wird«

   31. Vorrichtung zur Trennung von Kalium-Isotopen, gekennzeichnet durch ein längliches, evakuiertes Rohr; eine im Rohr angebrachte Platte aus einem Metall der aus Wolfram, Rhenium und Tantal bestehenden Gruppe; Einrichtungen zur Beheizung der Platte auf eine erhöhte Temperatur; Einrichtungen zur. Erzeugung von Kalium-Atomen und zur Ausrichtung derselben auf die Platte; Einrichtungen zur Erzeugung eines gleichförmigen Magnetfelds im Rohr; Einrichtungen zur Erzeugung eines oszillierenden elektrischen Feldes in dem Rohr, wobei die Frequenz des elektrischen Feldes der Resonanzfrequenz des ausgewählten Isotops im Plasma entspricht; eine in dem Magnetfeld angebrachte Sonde; und Einrichtungen zum Anlegen eines elektrischen Potentials an die Sonde, wobei das Potential so gewählt wird, daß es das energieärmere Kalium-Isotop abstößt aber das energiereichste Kalium-Isotop

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   die Sonde erreichen läßt.

   32. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Kühlen der Rohrwände.

   33. Vorrichtung nach Anspruch 31» gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Kühlen der Sonde.

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