DE2651306A1 - Verfahren zur trennung gasfoermiger isotopenverbindungen - Google Patents

Description

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KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen:

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Verfahren zur Trennung gasförmiger Isotopenverbindungen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung gasförmiger Isotopenverbindungen durch selektive Anregung und nachfolgender chemischer Reaktion mit einem ebenfalls gasförmigen Reaktionspartner sowie Abscheidung der vorzugsweise festen Reaktionsprodukte aus dem restlichen Gasgemisch. Ein solches Verfahren ist z.B. teilweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 1 959 767 zu entnehmen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß neben den durch die selektive Laseranregung ermöglichten chemischen Reaktionen, die eine normale Abtrennung des nur das angeregte Isotop enthaltenden Reaktionsproduktes erlauben würden, auch andere Reaktionen stattfinden, die die Selektivität sehr verschlechtern. Dies wird verursacht zunächst· durch die Überlappung der Absorptionsbanden, so daß bereits eine selektive Anregung außerordentlich erschwert ist, außerdem durch Resonanzaustausch und thermisch aktivierte Reaktionen. Aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 447 762 ist weiterhin ein Verfahren bekannt geworden, mit dessen Hilfe es möglich ist, die genannten Erscheinungen zu unterdrücken und die gewünschte Selektivität hinsichtlich der Anregung nur der einen Isotopenverbindung zu erzielen. Dies wird erreicht durch eine adiabatische Entspannung und damit Abkühlung der Reaktionspartner unter 100 K, ein Verfahren, das allerhöchste Ansprüche an die Ausbildung der Entspannungsdüse stellt.

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Es stellte sich daher die Aufgabe, ein anderes technisches Verfahren zu finden, bei dem die Zahl der Schwingungszustände ebenfalls drastisch verringert werden kann, so daß die Unterschiede der Spektren der verschiedenen Isotope sichtbar werden und zur gezielten Anregung mit Hilfe von Laserlicht ausgenützt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß das Gemisch aus den zu trennenden gasförmigen Isotopenverbindungen und dem Reaktionspartner mit einem neutralen, mehratomigen und stark bis in die Nähe seiner Kondensationstemperatur unterkühlten Zusatzgas in einer für die Übernahme der Schwingungsenergie des Isotopengemisches ausreichenden Zeit gemischt wird, die Jedoch noch nicht die Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes dieses Gemisches erlaubt und von einem Trägergas, vorzugsweise einem Edelgas, mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit zum Strahlengang eines Lasers, der auf die Anregungsfrequenz der einen Isotopenverbindung abgestimmt ist, geführt wird, daß die Transportzeit der Zeit für die Übernahme der Schwingungsenergie entspricht und anschließend das damit ermöglichte chemische Reaktionsprodukt einer Abscheideeinrichtung zugeleitet wird.

Die Schwierigkeit der Isotopentrennung, speziell die Uranisotopentrennung der Verbindung UFg, mit sichtbarem und ultravioletten Licht besteht darin, daß die Elektronenspektren der infragekommenden Verbindungen sehr komplex sind.

Das Spektrum dieser Verbindung besteht nicht aus wenigen getrennten Schwingungsbanden, die eine selektive Anregung durch Einstrahlen, z.B. in der Bandkante erlauben würden, sondern aus einer großen Zahl sogenannter "hot bands", die durch ihre gegenseitige Überlappung ein quasikontinuierliches Spektrum bewirken. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Löschung dieser störenden "hot bands" und damit die Ausbildung von Spektren, die aufgrund des Isotopieeffektes gegeneinander verschoben und damit durch monochromatisches Laserlicht selektiv erfaßbar sind. Diese hot bands rühren daher, daß bei Raumtemperatur über tausend ver-

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schiedene Schwingungszustände besetzt sind. Jeder dieser Zustände hat sein eigenes, relativ einfaches Spektrum, das prinzipiell die Laserisotopentrennung ermöglichen würde. Die Zahl dieser hot bands hängt stark von der Temperatur ab, erst bei Vibrationstemperaturen unterhalb von 30 K existiert im wesentlichen nur noch ein einziger Schwingungszustand, der Grundzustand. Für die selektive Anregung im UV-Gebiet ist es jedoch nicht notwendig, unbedingt bei solch tiefen Temperaturen zu arbeiten, vielmehr genügen Temperaturen, die kleiner als etwa 150 K sind. Die hierbei vorhandenen etwa 50 Schwingungszustände des UFg und die daraus resultierenden hot bands verteilen sich aber über den großen Bereich des UV-Spektrums. Dieser Bereich hat eine Ausdehnung von ca. 15000 cm (4000 A - 2500 A), die Banden sind 20 - 30 cm breit, so daß ca. 500 Schwingungsbanden ohne Überlappung Platz haben. Hieraus ergibt sich, daß bei 150 K und niedrigeren Temperaturen die selektive Anregung einer einzigen Isotopenverbindung möglich ist.

Wie bereits erwähnt, sind solche niedrigen Temperaturen durch die adiabatische Abkühlung bei der Entspannung des gasförmigen UFg erreichbar. Dazu muß das Gas aber durch eine schwer herzustellende Schlitzdüse gepreßt werden, außerdem ist infolge der Entspannung die Teilchendichte so gering, daß nur ein relativ kleiner Anteil des Laserlichtes absorbiert werden kann.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird erfindungsgemäß die Schwingungstemperatur der Isotopenverbindung, also z.B. das UFg mit Hilfe eines Zusatzgases, das an der chemischen Reaktion nicht beteilig t zu sein braucht und daß eine Temperatur knapp oberhalb seines Kondensationspunktes besitzt, abgekühlt. Bei dieser niedrigen Temperatur sind nur wenige Vibrationsschwingungen dieses Zusatzgases besetzt. Vor der Mischung der Isotopenverbindung mit diesem Zusatzgas wird diese mit dem gasförmigen Reaktionspartner gemischt, wobei die Temperatur dieser Mischung etwa bei Raumtemperatur liegt, also wesentlich höher ist als jene des Zusatzgases. Durch die anschließende Mischung mit dem Zusatzgas findet

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ein rascher Ausgleich der Besetzung der Vibrationsschwingungsniveaus zwischen der Isotopenverbindung und dem Zusatzgas statt, Zeitbedarf etwa ca. 10 /us, so daß die Besetzung der höheren Vibrationsniveaus der Isotopenverbindung dezimiert wird, während die höheren Vibrationsniveaus des Zusatzgases nur wenig angeregt werden, da sich dieses mengenmäßig im Überschuß befindet. Dieses Zusatzgas wird daher so gewählt, daß es möglichst viel von der Schwingungsenergie der Isotopenverbindung aufnehmen kann, was neben seiner stofflichen Auswahl zusätzlich noch durch dessen Mengenüberschuß gesteuert werden kann. Dies bedeutet mit anderen Worten einen raschen Ausgleich der Besetzung der Schwingungszustände, d.h. eine rasche "Schwingungsabkühlung" der Isotopenverbindung und damit die bereits geschilderte selektive Anregbarkeit durch monochromatisches Laserlicht. Das Maximum der Schwingungsabkühlung wird nach 40 /us erreicht.

Für die Anregung ist es aber notwendig, daß diese kontinuierlich stets frisch abgekühlte Moleküle der Isotopenverbindung erfaßt und diese anschließend sofort mit dem Reaktionspartner reagieren können. Zu diesem Zweck wird ein Trägergasstrom - vorzugsweise ein Edelgas - zugeführt, der das abgekühlte Gasgemisch durch den Bereich der Laserstrahlung hindurchtransportiert. Die Anregung von Vibrationsschwingungen im abgekühlten Isotopengemisch durch die Bewegungsenergie des Trägergases benötigt 200 - 1000 /us, geht also viel langsamer vor sich als der Ausgleich der Vibrationsschwingungsniveaus zwischen dem Isotopengemisch und dem Zusatzgas.

Eine mögliche Apparatur für die Durchführung dieses Verfahrens ist in den Fig. 1 und 2 in einem vertikalen und horizontalen Querschnitt schematisch dargestellt. Aus der Erläuterung dieses Verfahrens anhand dieser Apparatur - als Isotopenverbindung wurde UFg gewählt - sind dann auch noch weitere Einzelheiten des Verfahrensablaufes zu entnehmen.

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Diese Einrichtung besteht zunächst aus einem Vorratsgefäß 1 für das Trägergas C, das über ein Ventil 2 in eine Verteilerkammer 3 geleitet wird. Beim Austritt aus dieser Kammer wird das Gas C auf bekannte Weise auf etwa 100 - 500 m/s beschleunigt. Eine Möglichkeit wäre beispielsweise,das Trägergas auf höhere Temperatur zu erhitzen und anschließend über eine einfache Düse auf die benötigte Strömungsgeschwindigkeit zu bringen. An diese Verteilerkammer 3 schließt sich über eine Düse 4 ein Mischrohr 5 an, in das über die Öffnungen 7 und 8 die Isotopenverbindung A und der Reaktionspartner D einerseits sowie das Zusatzgas B andererseits zugeführt wird. Diese Vielzahl von Öffnungen lassen die Gase in einen Winkel zur Achse der Einrichtung in das Mischrohr eintreten. Der Reaktionspartner D tritt dabei über das Rohr 71 in die Öffnung 7 ein, er vermischt sich also bereits vor dem Eintritt in das Mischrohr 5 mit dem Isotopengas A. Im Mischrohr 5 treffen sich nun das Trägergas C mit den gemischten Gasen A und D sowie den Zusatzgasen B. Das Trägergas hat dabei eine Geschwindigkeit von etwa 100 - 500 m/s. Die Öffnungen 7 und für die Zuführung der anderen Gase A und D bzw. B haben jeweils einen Durchmesser von etwa 0,1 mm. Die Temperatur der Gase A und D beträgt ebenfalls wie C etwa 300 K, ihr Druck jedoch 0,1 Torr. Die Temperatur des Zusatzgases B beträgt dagegen nur 100 K und sein Druck 1 Torr.

Die Mischungszeit für diese Gase liegt etwa bei 10 - 30 /us, das Gasgemisch legt also in dieser Zeit einen Weg von 1 - 3 cm zurück. Nach Beendigung des Mischvorganges erfolgt die Bestrahlung durch eine nichtdargestellte Laserlichtquelle. Der Bestrahlungsraum 52 schließt sich daher an diese Wegstrecke an. Er wird seitlich durch zwei Brewsterfenster 53 aus CaFp begrenzt, die die Laserstrahlung praktisch verlustlos hindurchtreten lassen. Es ist zweckmäßig, diesen Raum verschieblich anzuordnen, so daß er von einem Punkt etwa 1 cm hinter den Düsen 7 und 8 bis etwa 10 cm hinter denselben zusammen mit der Lasereinrichtung verschoben werden kann und so einzustellen, daß der Laserstrahl die Gasmischung im Maximum der "Schwingungsabkühlung" des Isotopengases A trifft, was nach etwa 40 /us erreicht ist.

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An dem Bestrahlungsraum 52 schließt sich ein Reaktionsraum 54 gleichen Querschnitts an.

In dieser Strecke findet dann die chemische Reaktion zwischen dem zugeführten Reaktionspartner und der angeregten Isotopenverbindung statt. In der anschließenden Kondensationskammer 6, die mit wassergekühlten Wänden 61 versehen ist, scheidet sich das Reaktionsprodukt, vorzugsweise in fester Form ab, die restlichen Gase werden mit Hilfe einer nichtdargestellten Pumpe über die Absaugeöffnung 62 abgeführt.

Der Durchsatz der Isotopenverbindung A beträgt bei einer Geschwindigkeit des Trägergases C von 0,5 . 10 cm/s 3 . 10 cm /s. Bei dem erwähnten Druck von 0,1 Torr entspricht dies eine Menge von 1,75 mMol/s bzw. 0,1 Mol/min. Befindet sich das selektiv anzuregende Isotop in einem Verhältnis von 0,7 % im Isotopengemisch - dies ist der Prozentsatz des spaltbaren Uranisotops U 235 im natürlichen Uran - so muß zur Anregung jedes Moleküls dieses Isotop eine Lichtmenge von 0,75 . 10 Photonen/s eingestrahlt werden. Bei einer Wellenlänge von 300 /u entspricht das einer Laserleistung von etwa 5 Watt.

Bei der in* diesem Beispiel genannten Isotopenverbindung UFg und Wasserstoff als Reaktionspartner läuft dann in der Reaktionsstrecke folgender chemischer Vorgang ab:

2 UF₆ + H₂ ^\ 2 UF₅ + 2 HF

UFc ist ein Feststoff und lagert sich als Staub in der Kondensationskammer 6 ab.

Bei Verwendung von CO als Reaktionspartner läuft folgende Reaktion ab:

UF₆ + CO ^ UF₅ + CFO ^ UF₄ + CF₂ 0

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Bei Verwendung von CH^ als Reaktionspartner lautet die chemische Reaktion folgendermaßen:

+ CH₃F + HF

Als Zusatzgas kann dabei SFg, CO oder CH^ Verwendung finden. Die Abkühlung desselben kann auf konventionelle Weise, z.B. über wärmetauscher, deren Primärkreislauf z.B. von flüssigem Helium durchströmt wird, erfolgen. Da das Zusatzgas im Vergleich zum Isotopengas in wesentlich größerer Menge vorhanden ist, verbleibt es auch noch in der Reaktionsstrecke auf verhältnismäßig niedrigerer Temperatur, so daß es an der chemischen Reaktion mit der angeregten Isotopenverbindung praktisch nicht teilnimmt. Das Reaktionsgas muß daher, auch wenn es von gleicher Art wie das Zusatzgas ist, dem Isotopengas getrennt beigemischt werden.

Als Trägergase kommen vornehmlich Edelgase, also einatomige Gase infrage, da diese nicht in der Lage sind, wesentliche Teile an Schwingungsenergie aufzunehmen. Allerdings wäre es auch möglich, Wasserstoffgas als Trägergas zu verwenden. In diesem Falle könnte dann auf die Zuführungsleitung 71 für den Reaktionspartner verzichtet werden.

Abschließend sei erwähnt, daß sich der Bestrahlungsraum in an sich bekannter Weise zwischen zwei Resonatorspiegeln befinden kann, so daß der Laserstrahl - zwischen diesen reflektiert bis zu einem Höchstmaß verstärkt wird, so daß nur die reinen Absorptionsverluste innerhalb des Gasgemisches durch den Laser ersetzt werden müssen. Auch über andere Spiegelsysteme läßt es sich in bekannter Weise erreichen, daß der Laserstrahl das Gasgemisch in der Bestrahlungskammer auf vielen praktisch parallelen Bahnen durchsetzt und damit der Anregungswirkungsgrad erhöht wird.

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Die hier beschriebene Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens läßt sich selbstverständlich in mancher Hinsicht modifizieren, ihre Gestaltung wird sich insbesondere auch nach dem zu verwendenden Laser richten müssen. Letzterer sollte vor allem auch in seiner Frequenz abstimmbar sein, damit letzte Feinheiten für die Anregung empirisch ermittelt werden können.

6 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (6)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung gasförmiger Isotopenverbindungen durch selektive Anregung und nachfolgende chemische Reaktion mit einem ebenfalls gasförmigen Reaktionspartner sowie Abscheidung der vorzugsweise festen Reaktionsprodukte aus dem restlichen Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus den zu trennenden gasförmigen Isotopenverbindungen und dem Reaktionspartner mit einem neutralen, mehratomigen und stark bis in die Nähe seiner Kondensationstemperatur unterkühlten Zusatzgas in einer für die Übernahme der Schwingungsenergie des Isotopengemisches ausreichenden Zeit gemischt wird, die jedoch noch nicht die Wiederherstellung des ursprünglichen Zustandes dieses Gemisches erlaubt und von einem Trägergas, vorzugsweise einem Edelgas, mit einer solchen Strömungsgeschwindigkeit zum Strahlengang eines Lasers, der auf die Anregungsfrequenz der einen Isotopenverbindung abgestimmt ist, geführt wird, daß die Transportzeit der Zeit für die Übernahme der Schwingungsenergie entspricht und anschließend das damit ermöglichte chemische Reaktionsprodukt einer Abscheideeinrichtung zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägergas zunächst auf höhere Temperatur erhitzt und anschließend über eine einfache Düse auf die genannte Strömungsgeschwindigkeit gebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als gasförmige Isotopenverbindung UFg, als Reaktionspartner Ho» CO oder ΟΗλ, als Zusatzgas SFg, &ϊλ oder CO und als Trägergas Ar, He, Kr oder Xe vorgesehen sind.

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4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
als Trägergas sowie als Reaktionspartner Wasserstoff
verwendet werden und die Vermischung desselben mit der
Isotopenverbindung zeitlich vor der Zuführung des Zusatzgases vorgesehen ist.

5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, d aß sie aus einem Vorratsgefäß für das Trägergas mit angeschlossener konventioneller Erhitzungseinrichtung besteht, die mit einer
schlitzartigen in ein Mischrohr einmündenden Beschleunigungsdüse versehen ist, daß in das Mischrohr Zuführungsleitungen für die Isotopenverbindung, den Reaktionspartner sowie das Zusatzgas einmünden und in einstellbarer Entfernung von
dieser Zone ein durch Brewsterfenster für die Laserstrahlung zugänglicher Bestrahlungsraum angeordnet ist, der wiederum über eine Reaktionsstrecke in einen als gekühlte Kondensationskammer ausgebildeten Sammelraum mit angeschlossenen Absaugeeinrichtungen für die Restgase einmündet.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
für die Zuleitung des Reaktionspartners Rohrleitungen vorgesehen sind, die an die Zuführungsleitungen für die
Isotopenverbindung kurz vor deren Einmündung in das Mischrohr angeschlossen sind.

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