DE2653795A1

DE2653795A1 - Laser-isotopentrennung

Info

Publication number: DE2653795A1
Application number: DE19762653795
Authority: DE
Inventors: Keith Boyer; Theodore Patrick Cotter; Norman Roy Greiner; Reed Jerry Jensen; Charles Paul Robinson
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1975-11-26
Filing date: 1976-11-26
Publication date: 1977-08-04
Also published as: US4734177A; NO764024L; FR2336166A1; AU508808B2; SE7613092L; CA1067452A; IL50951A; GB1545940A; ZA766945B; JPS5266200A; AU1985576A

Description

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». PATENTANWALT DIPL.-ING. £600 MÜNCHEN 22

KARL H. WAGNER gewürzmühlsrasse 5

POSTFACH 246

26. November 1976 76-R-2O36

United States Energy Research and Development Administration, Washington, D.C. 20545, V.St.A.

Laser-Isotopentrennung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Isotopentrennung basierend auf der selektiven Anregung von Isotopenarten, und zwar insbesondere auf ein Verfahren, bei welchem die Anregung durch Lasermittel eingeleitet wird.

Für verschiedene nukleare Anwendungsfälle ist es außerordentlich

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wichtig, daß das spaltbare Isotop U von anderen Isotopen des Urans getrennt oder in Mischungen damit stark angereichert wird. Derzeit besteht das einzig wirtschaftliche Verfahren zur Erzeu-

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gung von an U angereichertem Uran im sogenannten Gasdiffusionsverfahren, welches hohe Investitionen und riesige Fabrikanlagen erforderlich macht.

Durch das Vorhandensein von Lasern, die auf sehr enge Frequenzen über einen breiten Bereich des Spektrums hinweg abstimmbar sind, hat es sich herausgestellt, daß durch Steuerung des spektralen Ansprechens der Wechselwirkung von Licht mit Materie es prinzipiell möglich ist, selektive Reaktionen zu erzeugen, die die Zusammensetzung und Eingeschaften der Materie ändern. Die zur Er-

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TELEFON: (089) 298527 TELEGRAMM: PATLAW MÖNCHEN TELEX: 5-22039 patw d

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reichung einer derartigen Selektivität erforderlichen Bedingungen sind die folgenden: 1) Hohe Monochromatie des anregenden Lichtes; 2) Selektivität des Primärverfahrens der Lichtwechselwirkung mit der Materie (das Vorhandensein schmaler, nicht überlappender . Absorptionslinien) und 3) Bewahrung der induzierten Selektivität in sukzessiven physikalischen und chemischen Verfahren. Vgl. beispielsweise R. V. Ambartzumian und V. S. Letokhov "Selective Two-step (STS) Photoiniozation of Atoms and Photodissociation of Molecules by Laser Radiation," 11 Applied Optics 354 (1972).

Die Lasertechnik ist hinreichend weit fortgeschritten, so daß abstimmbare Laser mit Bandbreiten schmaler als 0,0002 cm verfügbar sind, so daß die erste Bedingung vollständig erfüllt ist. Eine wirkungsvolle Verstärkung der schmal abgestimmten Infrarot-Oszillatoren kann durch Elektronenstrahl gesteuerte Hochdruckelektrische-Entladungs-Gaslaser erreicht werden. Eine derartige Anordnung gestattet eine schmale Bandbreite bei hohem elektrischen Gesamtwirkungsgrad. Der hohe Gesamtwirkungsgrad kann erreicht werden durch die Verwendung eines parametrischen Oszillators und Phasenanpassungsverfahren, um leistungsfähige Laser für sichtbares Licht und Ultraviolett abzustimmen, wie beispielsweise Bleiatom-, Kupferatom-· und Xe₂~Laser. Abstimmbare Farbstofflaser besitzen hinreichend schmale Bandbreiten im Bereich

von 3600 bis 7200 A, obwohl ihr elektrischer Wirkungsgrad niedriger liegt.

Die zweiten und dritten Bedingungen stellen beträchtliche Probleme. Beispielsweise kann im Prinzip die zweite Bedingung durch die Wechselwirkung von präzise abgestimmtem Laserlicht erfüllt werden, vorausgesetzt, daß gewisse diskrete elektronische und schwingungsmäßige übergänge der Materie in der gasförmigen Phase vorhanden sind. Selbst dann, wenn diese diskreten übergänge vorhanden sind, ist es häufig schwer, in einer gasförmigen Art oder Spezies festzustellen, welche Übergänge für die selektive Wechselwirkung mit abgestimmten Laserlicht geeignet sind.

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Wenn einmal das Auftreten einer selektiven Erregung bewirkt wurde, gibt es zahlreiche Prozesse, durch welche die Selektivität verlorengehen kann. Ein hauptsächlicher Verlustmechanismus ist die Kollisionsenergieübertragung zwischen Molekülen. Wenn somit die dritte Bedingung erfüllt werden soll, so ist es aussarordentlich erwünscht, daß die selektiv angeregten Spezies (Arten) in einen stabilen oder metastabilen Zustand transformiert werden. Ein Mittel, durch welches die Selektivität stabilisiert werden kann, erfolgt durch Photoionisation oder Photodissoziation einer angeregten Spezies. Ein Problem dabei besteht jedoch darin, daß die Photoionisation oder Photodissoziation selbst nicht selektiv sein kann.

Es ist bekannt, daß die Stabilisierungswirkung von entweder der Photoionisation oder der Photodissoziation vorteilhafterweise verwendet werden können, wenn sie vom selektiven Anregungsschritt getrennt sind, und zwar durch die Verwendung von Photonen oder Lichtquanten unterschiedlicher Energien hv>₁ und h\>„. Photonen der Energie h»₁ regen einen bestimmten Zustand des diskreten Energiespektrums in einer speziellen Spezies an und Photonen der Energie hv_? photoionisieren oder photodissoziieren die angeregte Spezies. Die Energien der Photonen genügen den folgenden Bedingungen:

dabei ist E. die Photoionisationsenergie eines Atoms oder von Molekülen aus dem Grundzustand und E, ist die Photodii

ziationsenergie eines Moleküls aus dem Grundzustand.

Dies zweistufige Verfahren, auch bekannt als Zwei-Photonenverfahren, ist zur Trennung von Isotopen anwendbar. Eine Voraussetzung für eine derartige Trennung ist das Vorhandensein einer geeigneten Isotopenverschiebung in den Absorptionsspektra des Elements oder einer seiner Verbindungen, so daß nur eine Isotopenart oder Isotopenspezies durch das abgestimmte Licht angeregt wird.

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U.S. Patent 3 443 087 beschreibt ein Verfahren zur selektiven Ionisierung einer gasförmigen Verbindung eines Isotops, welches ein Teil einer Isotopenmischung ist, wobei die Isotopenmischung mit Licht aus zwei unterschiedlichen Wellenlängen in zwei Stufen oder Schritten bestrahlt wird, wobei die erste Bestrahlung durch Licht mit einer Wellenlänge zur selektiven Anregung der Moleküle eines Isotops dient, während die zweite durch Licht einer anderen Wellenlänge zur Ionisierung der angeregten Moleküle dient. Die ionisierten Moleküle werden sodann elektrischen oder magnetischen Feldern oder einer Kombination daraus ausgesetzt, um sie von der nicht ionischen Isotopenverbindung wegzulenken.

Unter Verwendung einer ersten Bestrahlung von Infrarotlicht und einer zweiten Bestrahlung mit Ultraviolettlicht zeigt das

2 οc 238 genannte U.S. Patent, daß UF, und UF_fi dementsprechend getrennt werden können. Die Begründung für dieses Zwei-Photonenverfahren besteht darin, daß fein abgestimmte Energie verfügbar aus der Absorption im Infrarotbereich des Spektrums selek-

235 tiν eines der Uranisotope, vorzugsweise das U, anregt, aber nicht ausreicht, um die Isotopenverbindung anzuregen, welche diese in hinreichender Weise absorbiert, um Ionisierung zu erzeugen. Die Linienbreiten im ultravioletten Spektralbereich, wo hinreichend viel Energie zur Erzeugung von Ionisation vorhanden ist, sind größer als bei niedrigen Frequenzen, so daß es wesentlich schwieriger ist, die erforderliche selektive Absorption in diesem Bereich des Spektrums zu erreichen. Das heißt also, daß, obwohl die Photoionisation ohne weiteres durch ultraviolettes Licht erzeugt werden kann, es nicht wahrscheinlich ist, daß diese selektiv ist. Durch die Verwendung des zweistufigen Absorptionsverfahrens wird eine Isotopenart selektiv durch das Infrarot angeregt und sodann wird eine hinreichende Energiemenge durch das Ultraviolett (welches durch beide Spezies absorbiert ist) vorgesehen, um gerade die angeregte Isotopenverbindung über die Ionisationsschwelle zu treiben, wohingegen die Isotopenverbindung, die im Grundzustand während der Infrarotstrahlung verblieb, nicht hinreichend durch das

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Ultraviolett angeregt wurde, um ionisiert zu werden, obwohl sie im wesentlichen im gleichen Ausmaß absorbiert.

Vernünftig scharfe Isotopenverschiebungen wurden für Uran und seine Verbindungen festgestellt, aber entweder bei sehr hohen oder bei sehr niedrigen Temperaturen. Die sehr hohen Temperaturen waren für elementares Uran erforderlich. Unglücklicherweise hat Uran selbst bei 1600°C einen Dampfdruck von nur 1 Mikron, was zu niedrig ist, um irgendeine vernünftige Lichtwechselwirkung mit dem Dampf zu'erhalten. Demgemäß ist eine wesentlich höhere Temperatur erforderlich und ein Isotopentrennverfahren basierend auf der Verwendung von elementarem Uran als Speisematerial scheint daher nicht praktikabel zu sein. Cäsiumuranylchlorid (CsUO₉Cl.) und CäsiumuranyInitrat (CsUO₀(NOo),), angereichert

235 " ^JJ

hinsichtlich U, zeigten eine Isotopenverschiebung von 1,62 cm bei 20 K. Während die Spektrallinien bei 20 K scharf sind, werden sie bei 77 K breit und können bei höheren Temperaturen nicht aufgelöst werden. Bei den niedrigen Temperaturen, wo die Linien definiert sind, zeigen diese Verbindungen jedoch im wesentlichen keinen Dampfdruck.

Gewisse Isotopenverschiebungen im Infrarotspektrum des UF, bei Raumtemperatur wurden durch Messungen an getrennten Proben von

UF₆ und UF₆ bestimmt. Das 623 cm \>₃(F_lu)-Band zeigt eine gemessene Verschiebung von 0,55 cm . Die Messungen an den anderen Infrarotbändern zeigen eine Verschiebung von 0,1 bis 0,2 cm für die V.(F. )-Schwingung, die einzige andere der sechs Schwingungen, welche eine Nicht-Null-Isotopenverschiebung zeigen sollte. Diese gemessenen Verschiebungen sind jedoch in ihrer Natur groß und es wurden keine feinen Linienspektra aufgelöst.

Obwohl U.S. Patent 3 443 087 feststellt, daß eine chemische Reaktion verwendet werden kann, um die Isotopen zu trennen, so wird doch kein Beispiel angegeben, welche chemischen Reaktionen ausreichen oder wie derartige chemische Reaktionen in Gang gesetzt werden könnte. Demgemäß sind auch keine Ansprüche auf

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die chemische Trennung gerichtet. In einem kürzlich erschienen Bericht geben R. C. Farrar, Jr. und D. F. Smith einen Bericht über die Literatur, welche sich auf photochemische Mittel zur Isotopentrennung bezieht, und zwar unter besonderer Berücksichtigung der Trennung von Uranisotopen. Vgl. "Photochemical Isotope Separation as Applied to Uranium", Union Carbide Oak Ridge Gaseous Diffusion Plant Report K-L-3054, Rev. 1 (15. März 1972). Obwohl die photochemische Dissoziation von UF_ß Vorteile gegenüber photochemischen Reaktionen mit zwei Molekulararten haben würde, widmen Farrar und Smith dieser Tatsache keine Diskussion.

Im folgenden sei nunmehr die Erfindung kurz zusammengefaßt. Die selektive Anregung der Isotopenarten einer gasförmigen Verbindung durch Laserlicht bildet die Basis einer wirkungsvollen Isotopentrennung. Das Verfahren dient geradewegs der Trennung der Isotopen von Elementen, die Verbindungen bilden, welche bei niedriger Temperatur flüchtig sind, d.h. einer Temperatur derart, daß RT kleiner als E , die Energie des niedrigsten Schwingungszustandes des Moleküls. Um jedoch Isotope von Elementen zu trennen, die keine bei niedrigen Temperaturen flüchtige Verbindungen bilden, ist es notwendig, die Verbindung in einem übersättigtem gasförmigen Zustand herzustellen, um die folgenden Vorteile einer Niedrig-Temperatur-Umgebung zu erhalten: 1) Langsame Energieübertragung und daher kein oder ein stark vermindertes Vermischen, 2) einfaches Infrarotspektrum wegen der Endpopulation der Schwingungszustände und Rotationszustände, 3) geringe nachteilige chemische Reaktivität und 4) gute spektroskopische Trennfaktoren wegen des scharfen infraroten sichtbaren oder ultravioletten Spektrums. Es wurde erkannt, daß das übersättigte Gas mit der gewünschten niedrigen Temperatur ohne weiteres dadurch hergestellt werden kann, daß man eine flüchtige Verbindung adiabatisch durch eine konvergierende-divergierende Düse dor Bauart expandiert, wie sie auf dem Gebiet der gasdynamischen Laser bekannt ist. Das Gas wird sodann mit einem genau abgestimmten Laser bestrahlt, um eine selektive Anregung einer Isotopenart vorzusehen, bevor eine wesentliche Kondensation

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des Gases eintritt. Die Anregung kann ausreichen, um eine photochemische Reaktion oder Photoionisation der angeregten Arten zu erzeugen. Die photochemische Reaktion kann in der Form einer Photodissoziation der angeregten Moleküle erfolgen oder in der Form einer Reaktion der angeregten Moleküle mit einer zweiten Malekülspezies. Alternativ kann das Zwei-Photonenverfahren beim übersättigten Gas verwendet werden/ um die erforderliche selektive Photoionisation oder photochemische Reaktion vorzusehen. Im Falle der Photoionisation werden elektrische oder magnetische Mittel oder eine Kombination daraus verwendet, um die ionisierten von den nicht ionisierten Arten zu trennen. Bei einem die photochemische Reaktion verwendenden Ausführungsbeispiel sind physikalische oder chemische Mittel vorgesehen., um das Isotopenprodukt der Reaktion von der nicht reagierten Isotopenart zu trennen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung sind für irgendeinen Isotopentrennungsvorgang unter Verwendung selektiver Laseranregung der Isotopenarten verwendbar, wo eine schärfer definierte Isotopenverschiebung sich durch die Vorkühlung ergibt. Die Erfindung ist speziell zur Trennung der Isotopen des Urans geeignet, und zwar unter Verwendung von Verbindungen wie UFg, UCl₄ und UBr₄.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 die Schwingungsenergieverteilung in UF, bei 300 Grad K;

Fig. 2 eine für die adiabatische Expansion einer gasförmigen Verbindung im erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Düse;

Fig. 3 das Infrarot-Absorptionsspektrum von gasförmigen» UF_g ' bei 300° K;

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Pig. 4 ein gemessenes zusammengesetztes Spektrum von UF₁-,

23fi " ■

UF,, und zwar durch Expansion abgekühlt auf ungefähr ο

55 K und mit Bezugsgasen enthalten in Zellen außerhalb der Strömung. Die Spitzen 1, 6 und 7 sind Absorptionsmerkmale der Bezugsgase verwendet zur Eichung. Die Spitzen 2, 4 und 5 sind individuelle Schwingungs-Rota-

tions-Linien von ²³⁸UF,-. Die Spitze 3 ist ein Q-2weig

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von UF₆;

Fig. 5 die Schwingungsenergieverteilung in UF, bei 50 K; Fig. 6 die gemessene Ultraviolettabsorption von UF,;

Fig. 7 einen Absorptionsmechanismus für Ultraviolett in UF,, der zur Photodissoziation führt;

Fig. 8 einen Vergleich der berechneten und gemessenen Ultraviolettabsorptionsdaten für UF,.

In Molekülen, die unterschiedliche Isotope enthalten, unterscheiden sich die klassischen Schwingungsfrequenzen gemäß

dabei ist ο die Schwingungsfrequenz und μ die reduzierte Masse des Moleküls. Die Γβαμζΐβ^β Isotopenmassendifferenz Δρ. ist nicht Null nur dann, wenn die Isotopenatome sich während der Schwingung in Bewegung befinden. Die resultierende Differenz in der Frequenz, Δν>, wird die Isotopenverschiebung genannt. Die Laser-Isotopentrennung ist möglich, weil die Frequenzreinheit des Laserlichtes ausreicht, um resonanzmäßig durch eine Isotopenarten absorbiert zu werden, ohne daß andere,sich nicht in Resonanz befindliche Isotope beeinflußt werden. Bei jedem Isotopentrennverfahren, basierend auf der selektiven Anregung von Isotopenarten durch abgestimmtes Laserlicht, ist es wesentlich, daß die Isotopenverschiebung so scharf als möglich begrenzt ist.

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Der Ausdruck "Laserlicht"/ wie er in der vorliegenden Anmeldung verwendet wird, umfaßt kohärente Strahlung in ultravioletten, sichtbaren und infraroten Teilen des Spektrums. Durch den Ausdruck "selektive Anregung" wird die Abstimmung der Laserlichtfrequenz zur Bewirkung der Absorption durch einen optischen Absorptionszustand von nur einem Isotop bezeichnet.

Zum Erhalt sehr scharfer Spektralmerkmale ist es außerordentlich vorzuziehen, daß die zu trennende Isotopenmischung sich im gasförmigen Zustand befindet, wenn sie mit dem abgestimmten Laserlicht bestrahlt wird. Gasförmige Mischungen gestatten eine wirkungsvolle Wechselwirkung des Laserlichtes mit den gewünschten Isotopenarten, wobei gleichzeitig die Möglichkeit begrenzt wird, daß selektiv angeregte Moleküle einem Mischvorgang unterworfen werden, d.h. ihre Anregung auf nicht angeregte Arten übertragen. Man erkennt, daß die Mischung den Wirkungsgrad der Isotopentrennung vermindert und jegliche Trennung überhaupt dann verhindern kann, wenn der Mischvorgang hinreichend stark auftritt.

Die Trennung von Isotopen schwerer Elemente ist im allgemeinen schwieriger als die Trennung von Isotopen leichter Elemente. Die Isotopenverschiebungen von optischen Absorptionslinien sind wesentlich kleiner für Verbindungen von schweren Elementen, und da die meisten der gasförmigen Verbindungen schwerer Elemente poly-atomar oder mehr-atomar ausgebildet sind, gibt es eine sehr große Anzahl von Schwingungs-Rotationszuständen dicht benachbart hinsichtlich der Frequenz. Die selektive Lichtabsorption wird ferner für Schwerelemente deshalb kompliziert, weil bei Temperaturen, bei denen ihre Verbindungen gasförmig sind, eine große Anzahl von Schwingungs-Rotationszuständen bereits angeregt sind.

Beispielsweise entspricht das Raumtemperatur-Infrarotspektrum von UFg-Dampf einem kombinierten Rotations-Schwingungs-übergang. Es enthält viele Linien, die niemals aufgelöst wurden. Ein Hauptgrund für diese Größennatur der Isotopenverschiebungen im UFg bei Raumtemperatur ist das Vorhandensein der sogenannten "heißen" Bänder im Spektrum. Weil die drei Biegeschwingungen bei niedrigen

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Frequenzen auftreten, sind die angeregten Biegeschwin ungszustände bei Raumtemperatur mit einer hinreichenden Population versehen, daß fast keines der Moleküle sich im Grundzustand befindet. Ferner fallen infolge von anharmonischen Wirkungen die "heißen" Bänder nicht genau mit den Grundzustandbändern zusammen. Infolgedessen gibt es wesentlich mehr Linien im Spektrum als andernfalls vorhanden wären, wenn die heißen Bänder entweder nicht vorhanden wären oder nicht in merklicher Welse eine Population aufwiesen.

Fig. 1 zeigt das Ausmaß der UF_g "heißen" Bänder mit Population bei 300° K. Die Darstellung ist der Beitrag dQ.^ für ein spezielles Schwingungsniveau i·zur Gesamtschwingungsverteilungs-Funktion für Gleichgewicht bei 300⁰K, wobei

= D(i) exp

h
kT

i=0 i=

dabei ist D(i) die Entartung des i^ten Zustands, »^ die Frequenzen der sechs Grundschwingungsmoden und v(i) die Besetzungsquantenzahlen. Es sei bemerkt, daß nur 0,4% der Moleküle sich im Grundschwingungszustand befinden, und daß mehr als die Hälfte der Moleküle auf Energien größer als 1200 cm angeregt sind. Es gibt 13000 Niveaus, die angeregt sind. Entartungen bis hinauf zu 22000 werden erreicht. Man erkennt ohne weiteres, daß die Abstimmung eines Lasers zum Betrieb zwischen zwei individuellen Zuständen bei Raumtemperatur eine außerordentlich schwierige Aufgabe ist und es gibt keine Anzeige dafür, daß dies in der Tat getan werden kann.

Die spektrale Trennung und Auflösung von isotopenmäßig verschobenen Absorptionslinien oder schmalen Bändern (Banden) kann, jedoch, stark dadurch verbessert werden, daß man das Absorptionsmaterial auf der niedrigst möglichen Temperatur hält. In der Tat ergibt eine hinreichende Kühlung eine deutliche Spektrum-Vereinfachung. Durch Spektrum-Vereinfachung wird im wesentlichen die Entfernung von überlappenden Absorptionsmerkmalen bezeichnet, um

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wählbare Isotopenabsorptionszustände zu isolieren. Dies ist in Fig. 4 gezeigt. Jedoch reicht Abkühlung allein nicht aus, um ein wirkungsvolles Isotopentrennverfahren, basierend auf der selektiven Anregung der Isotopenarten, zu erhalten. Während die Materialdichte nicht so hoch liegen darf, um die Auflösung durch Druckverbreiterung zu verschlechtern, muß sie gleichzeitig hoch genug liegen, um eine annehmbare Absorption in einer vernünftigen optischen Pfadlänge zu ergeben, und um einen hohen Materialdurchsatz für eine vernünftig große Fabrikanlage zu erzeugen. Wenn der Gleichgewichtsdaropfdruck der optisch absorbierenden Verbindung in unannehmbarer Weise klein bei der gewünschten niedrigen Temperatur ist, so kann ein optimaler Zustand des Absorbers, d.h. eine vernünftige Dichte bei der gewünschten Temperatur, dadurch erreicht werden, daß man das Gas adiabatisch expandiert. Dies kann durch eine überschallexpansion erfolgen, welche einen Zustand sehr hoher Übersättigung bei niedriger Temperatur in dem Hochgeschwindigkeitsgasstrom zur Folge hat.

Wenn ein Strömungsmittel auf Überschallgeschwindigkeiten expandiert wird, so ist eine große Druckreduktion erforderlich. Da die Strömung ihre Energie von der inneren Energie und der Zufallsbewegung des Strömungsmittels herleitet, ergibt sich ebenfalls eine große Reduktion bei der Massenströmungsmitteltemperatur. Die Vorrichtung zur Erzeugung einer derartigen Strömungsmittelexpansion liegt zwischen einer üblichen Düse und Molekularstrahldüsen. Bevorzugte Mittel zur Erzeugung der erforderlichen adiabatischen Expansion ist eine konvergierende-divergierende-Schlitzdüse der Bauart, wie sie auf dem Gebiet der gasdynamischen Laser bekannt ist. Bei dieser Art einer überschallströmung verhält sich das Gas wie ein kontinuierliches Medium und die mittlere freie Bahn zwischen Molekularzusammenstössen ist kleiner als irgendeine charakteristische Dimension der Düse. Zahlendichten liegen hoch, üblicherweise weit oberhalb 1O¹⁴/cm³, was einen großen Materialdurchsatz liefert. Eine Molekularstrahlvorrichtung besitzt jedoch einen niedrigen Durchsatz und ist wirtschaftlich für dieses Verfahren nicht attraktiv, und zwar deshalb, weil die Zahlendichte der isotopenmäßig in der gekühlten Zone zu trennenden Moleküle sehr niedrig liegt. Eine Molekularstrahlvorrichtung besteht aus

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einer Düse mit Expansionswänden senkrecht zur Strömungsrichtung, wobei diese Vorrichtung mit sehr hohen Druckverhältnissen betrieben werden muß. In einigen Fällen, wie beispielsweise grundsätzlichen Untersuchungen, kann es zweckmäßig sein, das kollisionslose oder zusammenstoßlose Regime eines Molekularstrahls zu verwenden, und zwar an Stelle der durch Zusammenstösse dominierten Bedingungen von mit Wänden versehenen Düsenexpansionssystemen. Beispielsweise können Situationen auftreten, wo die Zeit zwischen molekularen Zusammenstössen in dem expandierten Strömungsmittel lang genug sein müssen, um die Vermischung zu vermeiden, bevor die Trennprozesse zwischen den Laser-angeregten und nicht angeregten Molekülen auftreten.

Die Schwellenbedingung für das Einsetzen der Kondensation in der Strömung erfolgt für einen kritischen Druck am Einlaß der Düse, unterhalb von welchem ein erfolgreicher Betrieb über einen Druckbereich hinweg erreicht werden kann. Die Kondensation des gekühlten Gases in der Lichtwechselwirkungs- und Absorptions-Zone ist inßoferne unerwünscht,als eine beträchtliche Lichtstreuung auftreten kann und Spektralmerkmale verbreitert werden. Die Verweilzeit des strömenden Gases kann dadurch abgekürzt werden, daß man die Düsenlänge vermindert, solange dies mit dem gleichförmigen Expansionswirkungsgrad kompatibel ist. Obwohl die Kondensation in der Lichtwechselwirkungs- und Absorptions-Zone unerwünscht ist, ist es offensichtlich, daß ein gewisses Ausmaß an Kondensation toleriert werden kann, und zwar trotz der Wirkungsgradverminderung des Trermverfahrens, die hervorgerufen werden kann. Die Größe der Kondensation, die noch immer eine effektive Isotopentrennung gestattet, hängt zum größten Teil von speziellen Molekülarten und Isotopenarten ab.

Die durch adiabatische Ausdehnung eines einzigen Gases zu erreichende Abkühlung wird ohne weiteres durch die folgende bekannte gasdynamische Beziehung bestimmt:

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dabei bezeichnet die herabgesetzte Null die Bedingungen vor der Expansion und γ ist das Verhältnis der spezifischen Wärmen. Es können durch dieses Verfahren Temperaturen erreicht werden, die beträchtlich unterhalb des Kondensationspunktes liegen, und das Gas verbleibt bei hohen Mach-Zahlen übersättigt. Die durch dieses Verfahren erreichbare untere Grenze hängt von der Kernkondensation des speziellen Gases ab. Wenn das Gas, welches die zu trennenden Isotopenarten enthält, ein niedriges "γ besitzt (beispielsweise hat UF, ein γ von 1,065), so kann es wesentlich mehr durch Hinzufügung eines sogenannten Trägergases abgekühlt werden. Das Trägergas sollte ein hohes γ besitzen, um das effektive-γ der Mischung zu maximieren, und um dadurch T/T für ein gegebenes P/P -Verhältnis zu minimieren. Die einatomigen Gase (Edelgase) besitzen ein γ von 1,67 und Helium besitzt speziell einen Kondensationspunkt von nur 4 K, was es zum optimalen Trägergas macht. Demgemäß sollte für maximale Kühlung die Düse mit Helium als Trägergas gespeist werden, und zwar unter Zumischung der Absorptionsverbindung in einer geringeren Konzentration. Bei bestimmten Bedingungen kann es jedoch vorteilhaft sein, ein Trägergas mit einem höheren Molekulargewicht als Helium, beispielsweise Stickstoff, zu verwenden.

Die adiabatische Expansion wird ohne weiteres mittels geformter Überschalldüsen der Bauart durchgeführt, wie sie auf dem Gebiet der gasdynamischen Laser bekannt sind. Eine derartige Düse besitzt eine Schlitzform, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Eine gasförmige, eine Mischung von Isotopen enthaltende Verbindung wird in die Plenumkammer 1 eingeführt und kann überschallmäßig durch Hals 2 fließen. Die divergierende Zone 3 der Düse ist derart konstruiert, daß eine optimale Expansion des Gases auf irgendeinen gleichmäßigen Druck gestattet ist, der in dem eine konstante Fläche aufweisenden Kanal 4 erhalten wird. Im Kanal 4 befindet sich das Gas in einem übersättigten und stark abgekühlten Zustand. Vorzugsweise tritt im Kanal 4 weniger oder gar keine Kondensation ein, bevor das Gas in den Auslaß 5 eintritt. Das gekühlte Gas in der Leitung 4 wird in

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Ιϊ:

einfacher Weise in Querrichtung mittels eines Laserstrahls 6 vom Laser 7 bestrahlt. Die optische Bahnlänge des Bestrahlungsstrahls 6 kann durch die Länge des Halses 2 und die Anzahl der Spiegel 8 gesteuert werden, durch welche der Lichtstrahl 6 in Leitung hin und zurück reflektiert wird. Faktoren, welche eine vernünftige optische Bahnlänge bestimmen, sind der Photonenabsorptions-Querschnitt und die (einstellbare) Gaszahldichte.

Der Laser 7 ist derart fein abgestimmt, daß der Strahl 6 selektiv Moleküle anregt, die nur eine spezielle Isotopenart enthalten. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Strahl 6 hinreichend energiereich sein, um 1) die fotochechemische Reaktion der angeregten Moleküle mit einer zweiten gasförmigen Verbindung einzuleiten, die mit der Verbindung gemischt ist, welche eine Mischung von Isotopen enthält, 2) die angeregten Moleküle photodissoziieren oder 3) die angeregten Moleküle photoionisieren. Im Falle 1) kann die zweite gasförmige Verbindung in die Plenumkammer 1 eingeführt werden oder alternativ kann die Einführung in die Bestrahlungszone von Kanal 4 erfolgen, und zwar durch Mischdüsen, wie beispielsweise diejenigen, die auf dem Gebiet der chemischen Laser bekannt sind. In den Fällen 1) und 2) können physikalische und/oder chemische Mittel ohne weiteres verwendet werden, um das die spezielle Isotopenart enthaltende Reaktionsprodukt vom nicht reagierten Gas zu trennen. Im Falle 3) können Ablenkmittel, wie beispielsweise ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder eine Kombination daraus, im Kanal 4 verwendet werden, um die ionisierten Moleküle abzulenken, welche die spezielle Isotopenart enthalten, und zwar erfolgt die Ablenkung weg von den nicht ionisierten, aus dem Kanal 4 austretenden Molekülen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann das Zwei-Photonenverfahren verwendet werden, um im wesentlichen die gleichen photochemischen Reaktionen oder Photoionisation zu erzeugen. Beim Zwei-Photonenverfahren wird eine zusätzliche Lichtquelle verwendet, um das gekühlte Gas im Kanal 4 mit einer unterschiedlichen Frequenz als der des Lasers zu bestrahlen. Es ist ersichtlich, daß diese zweite Bestrahlung leicht mit einer Düse der in Fig. 2 gezeigten Bauart erreicht werden kann. ■

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Die vorteilhaften Aspekte der adiabatischen Abkühlung können, angewandt auf die Isotopentrennung basierend auf der selektiven

235 Anregung von Isotopenarten, bezüglich Mischungen aus UF,-

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und UF,- demonstriert werden, üranhexafluorid ist die einzige ο

Uranverbindung, die einen substantiellen Dampfdruck bei oder nahe Raumtemperatur besitzt. Typischerweise zeigt diese Verbindung einen Dampfdruck von ungefähr 100 Torr bei Raumtemperatur, besitzt bei 75° K oder weniger, wo die thermischen Bänder entpopuliert sind, einen Dampfdruck, der unmeßbar klein ist

—2fi
(Schätzung 10 nun Hg) .

Das Infrarot-Absorptionsspektrum von UF, bei 300° K ist in Fig. gezeigt. Tabelle I gibt die Schwingungsfrequenzen der sechs Grundmoden und einiger Kombinationsmoden für UF_ß, entnommen aus standardisierten spektroskopischen Daten. Die ν beinhaltenden Schwingungen besitzen die größten Querschnitte. Diese treten bei 7,75, 8,62, 12,2 und 15,9 Mikrometer auf. Die kürzeren Wellenlängen sind etwas erwünschter insoferne, als diese eine größere Freiheit hinsichtlich der ultravioletten Frequenzauswahl gestatten. Das weitaus stärkste Absorptionsband ist das 15,9 Mikrometer-Band. Die Literatur weist daraufhin, daß dieses Band eine 0,55 cm -IsotopenVerschiebung bei Raumtemperatur, d.h. 300° K, besitzt, und zwar gemessen an der Spitze der breiten Absorptionsform. Der Stand der Technik enthält nichts, was irgendeine Messung der IsotopenVerschiebung im gasförmigen UF₆ bei niedrigeren Temperaturen ergeben würde. Die Erfinder haben jedoch erkannt, daß bei 228 K die Absorptionsform in substantieller Weise scharf verläuft und die Isotopenverschiebung wird mit 0,68 cm"¹ gemessen.

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Vibra	tion	Talwile I*·· ■ ■ E (cm"¹)	2653795 ■ν Y (pm)
	^Vl	667.1 + .2	14.9
	v₂	534.1 + .5	18.7
	^V3	627.5 + .5	15.9
	^υ4	186.2 + .5	53.7
	^V5	200.3 + 1.0	49.9
	^υ6	143 + 2	699.
v₃.₊	V₁	1290.9 + .5	7.75
V₃ +	V₂	1156.9 + .5	8.64
v₃ +	^V5	827.0 und 821	12.1, 12.2
V₂ +	V₄	719.1 + .5	13.9
V_n +	_v_	677 und 670	14.7, 14.9

Entnommen aus R. S. McDowell, L. B. Asprey und R. T. Paine, Journal of Chemical Physics 61 (9) 3571 (1974). Die Erfinder haben mit hoher Auflösung arbeitenden Diodenlaser verwendet, und zwar zur Durchführung der Spektroskopie und isotopenmäßig selektiven Anregung von UFg.

Fig. 4 und 5 zeigen weiter gewisse vorteilhafte Wirkungen der Abkühlung bei der Vergrößerung des Ausmaßes der Auflösung der Absorptionsbänder in einer Mischung von zwei Isotopenarten.

nie ο O Q

Fig. 4 ist ein zusammengesetztes Spektrum von ^Fg, ^0F6' durch Expansion abgekühlt auf 55° K und Standardbezugsgasen, enthalten in Zellen außerhalb der Strömung. Die Spitzen 2, 4

23ß

und 5 sind individuelle Schwingungs-Rotationslinien von UF_fi.

235
Die Spitze 3 ist ein Q-Zweig von UFg. Die Spitzen 1,6 und 7 sind Absorptionsmerkmale der zur Eichung verwendeten Standardbezugsgase. Die Spitze 3 wurde während der Düsenexpansion von 0,12 Molprozent UF_ß in He-Trägergas aufgezeichnet. Diese UFg-Probe war 51% ³⁵UFg und 49% ²³⁸UFg. Der Gesamtgasdruck in der strömenden Probe betrug 1,9 Torr. Die Spitzen 2, 4 und 5 wurden während der Düsenexpansion von 0,26 Molprozent natürlichem UFg in N^-Trägergas aufgezeichnet. Diese Daten wurden mittels abstimmbarer Diodenlaser-Spektroskopie erhalten.

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Aus Gründen der Klarheit ist die Spitze 3 auf einer unterschiedlichen Intensitätsskala bezüglich der Spitzen 2, 4 und 5 gezeigt.

Aus Fig. 4 ist offensichtlich, daß es möglich ist, selektiv nach Belieben an jeder Isotopenart des UF_g zu arbeiten, und in der Tat ist die tatsächlich gemessene Absorption im Spektrum Beweis für

235 die selektive Anregung. Man erkennt, daß der UF_C-Q-Zweig von

238 Fig. 4 vollständig frei von Interferenz durch UFg-Linien ist. Es kann vorteilhaft sein, im Q-Zweig zu arbeiten, da viele Rotationszustände gleichzeitig angeregt werden können. Fig. 5 zeigt die dramatische Wirkung auf die "heißen" Bänder des UF_g, wenn dies auf 50° K abgekühlt wird. Mehr als 93% der Moleküle befinden sich im Grundschwingungszustand. Der Rest befindet sich im ersten angeregten Zustand, dem «--Grundzustand.

Mit einer Düse, wie beispielsweise der in Fig. 2 gezeigten Art, die ein Expansionsverhältnis von 20:1 erzeugt, und natürlichem UF^ bei Raumtemperatur (300° K) im Plenum mit einem UF^-Druck

D- D

von 100 Torr und einem Heliumdruck von 900 Torr kann eine Expansion durch den Hals und die divergierende Zone im Prinzip ein übersättigtes Gas in dem eine konstante Fläche aufweisenden Kanal bei einem Druck (kombiniert für He und UF-) von 2 Torr

und einer Temperatur von ungefähr 30° K erzeugt werden. Die Dichte des Gases in dem eine konstante Fläche aufweisenden Kanal beträgt ungefähr 5 χ 10¹⁶ Moleküle
nünftige optische Bahnlänge gestattet.

nal beträgt ungefähr 5 χ 10 Moleküle/cm³, was eine recht ver-

Die Kühlwirkung einer Düse, wie beispielsweise der in Fig. 2 gezeigten, wurde demonstriert. Eine Gasmischung, bestehend aus 5% natürlichem UF_g und 95% He. bei einer Temperatur von 300° K und einem Druck von ungefähr 1450 Torr, wurde durch eine Schlitzdüse expandiert, die ein Flächenverhältnis von 22 besaß, um ein übersättigtes Gas in dem eine konstante Fläche aufweisenden Kanal mit einem Druck (kombiniert aus He und UF^) von 4 Torr und einer Temperatur von ungefähr 48 K zu erzeugen. Es gab kein Anzeichen für eine Kondensation in dem eine konstante Fläche aufweisenden Kanal.

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«•44 · «

Im Prinzip ist es möglich, die Laseranregung zu verwenden, um die Trennung von Uranisotopen aus übersättigtem gasförmigen UF, bei 5O° K mittels Photodissoziation, Photoionisation,

Photoreaktion und Photodeflexion durchzuführen. Die Photodeflexion ist kein Teil der vorliegenden Erfindung? die anderen Verfahren liegen jedoch im Bereich der vorliegenden Erfindung. Ein bevorzugtes Verfahren zur Trennung von Uranisotopen unter Verwendung von übersättigtem gasförmigen UF_g ist ein Zwei-Photonen-Photodissoziationsverfahren. In einem Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird eine Mischung von He und UFg durch eine überschallmäßig geformte Schlitzdüse, einer Bauart, die auf dem Gebiet der Gasdynamik bekannt ist, auf hohe Mach-Zahlen mit einer" sehr niedrigen örtlichen Temperatur, d.h. in der Grössenordnung von 7O° K, expandiert, während doch ein UFg-Gasdruck aufrechterhalten wird, bei dem vernünftige optische Bahnlängen möglich sind. Das auf diese Weise erzeugte übersättigte gasförmige UFg wird sodann mit einem ersten Laserlicht im Infrarotteil des Spektrums bestrahlt und mit einem zweiten Laserlicht im Ultraviolett-Teil des Spektrums. Diese Zwei-Photonen-Bestrahlung kann verwendet werden, um eine selektive Dissoziation eines UF -Moleküls gemäß den folgenden beiden Stufen oder Schritten zu erhalten.

1) UF₆ + JiV₁ -» UFg . (selektive Anregung)

O O C

2) UF* + h*₂ "♦ ³UF₅ + F (Photodissoziation)

Man erkennt, daß durch richtiges Abstimmen des Infrarotlasers (h».,) die ²³⁸U enthaltenden Moleküle und nicht die ²³⁵U enthal tenden Moleküle selektiv angeregt werden können. Uranpentafluorid ist ein stabiler fester Stoff, der ohne weiteres aus der Lichtwechselwirkung und der Absorptionszone des strömenden UFg entfernt werden kann, und zwar durch physikalische körper-•ilche Mittel, d.h. durch Filtern oder durch Absetzfallen oder durch elektrostatische Ausfällung.

Die Dissoziationsenergie für die Gasphasendissoziation von UF-

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bis UF₅ wurde in der Literatur bisher noch nicht berichtet, aber wurde von den Erfindern wie folgt berechnet:

UF₆ -► UF₅ + F, AH_f (g) = + 76 kCal/Mol

Diese berechnete Dissoziationsenergie zeigt an, daß eine Wellenlänge von 3750 Angström oder kürzer die Dissoziation hervorruft. Um dies zu substantiieren, wurde ein Stickstofflaser bei 3371 A zur Bestrahlung einer Zelle von UF_ß bei 50 Torr und 301° K verwendet. Der Druck wurde auf eine Genauigkeit von 10 Torr überwacht. Bei Laserbestrahlung nahm der Druck ab/ und zwar mit einer Rate konsistent mit einem Photolyse

-21 2 (Photodissoziation)-Querschnitt von ungefähr 1O cm . Ein feines weißes Pulver wurde vom Gas ausgefällt. Dies wurde durch Röntgenstrahlen-Kristallographie analysiert und hat sich als UF₅ herausgestellt. Die Mengenausbeute für dieses Verfahren bei 3371 A Wellenlänge ergab sich als zwischen 0,1 und 1,0 liegend. Demgemäß ist es durch Abkühlung natürlichen UF, vorzugsweise auf 75° K oder weniger und durch Verwendung eines feinabgestimmten Laser möglich, selektiv eine Isotopenart anzuregen, und mit einer hinreichenden Menge an Erregungsenergie die Dissoziation selektiv angeregter Moleküle hervorzurufen.

Es besteht in der Tat ein substantieller Grund für die Annahme, daß das zweite Photon, d.h. das ultraviolette h\>₂, der Zwei-Photonendissoziation nicht einmal durch diese Moleküle absorbiert wird, die noch nicht selektiv durch die ersten Photonen, d.h. das infrarote h^, angeregt sind. Die Ultraviolett-Absorption von UFg bei Raumtemperatur ist in der Technik in der Weise bekannt, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Es besteht eine meßbare Absorption nur für Wellenlänge kürzer als 0,45 Mikrometer im Ultraviolett-Bereich. Die Photolyse-Wellenlänge in Fig. 6 ist die Wellenlänge, bei der oder unterhalb welcher die berechnete Dissoziationsenergie anzeigt, daß Dissoziation auftritt. Es ist klar, daß die Dissoziationsschwelle für UF_g in der Nähe der Absorptionsdaten der Fig. 6 liegt. Die optische Absorption ist aber In den nahen Infrarot- und sichtbaren Bereichen unmeßbar, was anzeigt, daß die übergangswahrscheinlichkeit zu den

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hochliegenden Schwingungszuständen sehr gering ist. Der Einsatz der Absorption bei 4000 A legt nahe, daß ein Differenzmechanismus, d.h. die Öffnung des Dissoziationskanals, für die Absorption verantwortlich ist. Eine Berechnung, welche diesen Vorschlag überprüft, ist in Fig. 7 angegeben. Wenn eine scharfe Absorptions (Dissoziations)-Schwelle existiert, wird eine optische Wellenlängenabtastung zuerste die höchsten Energie-"Heißband"-Zustände zur Dissoziation fördern und sodann fortlaufend auf den niedriger liegenden Zuständen arbeiten, wenn das Licht auf kürze Wellenlängen abgestimmt wird. Demgemäß kann die Form der optischen Absorption einfach durch Integration der Verteilungsfunktion bei 300° κ (vgl. Fig. 1) von rechts vorhergesagt werden, wobei Normalisierung auf dem Punkt erfolgt, wo das Gesamtintegral von Zuständen dominiert. Fig. 8 vergleicht die Ergenisse einer Berechnung dieser Art mit zuvor gemessenen Raumtemperaturabsorptionsdaten, erhalten von Young (vgl. beispielsweise Farrar et al, Seite 35). Die Übereinstimmung mit den Daten ist ein überzeugender Beweis dafür, daß ein Dissoziationsmechanismus für die Absorption verantwortlich ist. Es ist somit offensichtlich,, daß deshalb, weil die Absorption in diesem Spektralbereich von der Übereinstimmung oder Übersteigung der Dissoziationsschwelle abhängt, das zweite Photon einer Zwei-Photonendissoziation nicht einmal durch diejenigen UF,-Moleküle absorbiert werden sollte, die nicht durch das erste Photon angeregt sind. Demgemäß sollte das Verfahren ein außerordentlich selektives Verfahren sein, wobei die ersten und zweiten Photonen nur ein Isotop beeinflussen. Messungen durch die Erfinder haben gezeigt, daß ultraviolette Photonendissoziations-Querschnitte im Bereich von 400 bis 380 nm und 330 bis 270 nm mit abfallender Temperatur kleiner werden.

Obwohl die hier gegebenen Beispiele auf die Trennung von Isotopen

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von UF ,--Isotopenmischungen beschränkt sind, wobei die Isotopenmischungen anfänglich auf oder nahe Raumtemperatur sich befinden, ist es doch offensichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren weder auf die Bedingungen noch die beschriebenen Verbindungen beschränkt ist. Beispielsweise kann es bei der Trennung von Uranisotopen zweckmäßig sein, mit Isotopen enthaltenden Verbindungen zu beginnen, welche zwei bis fünf Atome enthalten, die nur bei Temperaturen flüchtig sind, die wesentlich oberhalb der Raumtemperatur liegen, und wobei diese in einen übersättigten Zustand expandiert werden, der viel kalter ist als der Schmelzpunkt, die aber immer noch weit oberhalb Raumtemperatur liegen. Beispiele solcher Verbindungen und ihrer Schmelzpunkt sind die folgenden:

Verbindung Schmelzpunkt °C

US₂ 1100

UCl₄ . 590

UCl₃ 842

UF₄ 960

UBr₄ 516

UI₄ 506

Die photochemische Isotopentrennung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht auf Photolyse, d.h. Photodissoziation, beschränkt, sondern umfaßt auch die Verwendung anderer photochemischer Reaktionen. Zu den homogenen Reaktionen, welche durch Laseranregung von UFg eingeleitet werden können, gehören beispielsweise die folgenden:

UF| + N₃F₄ -* NF₃ + NF₂ + UF₅ UF* + SF₄ -* SF₅ + UF₅

Die durch den Stern angedeutete Schwingungsanregung gestattet dem Reduzieragens eines der F-Atome vom UF, zu nehmen. Durch

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Vorsehen eines Uberschuss.es des Reduzieragens ist es möglich sicherzustellen, daß das angeregte UF_fi chemisch reagiert, bevor es eine Gelegenheit besitzt, die Schwingungsanregung auf eine unterschiedliche Isotopenart durch Zusammenstoß zu übertragen.

Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß ein kritisches Merkmal der Erfindung die Abkühlung einer flüchtigen Verbindung ist, welche eine Mischung aus Isotopenarten enthält, um die optischen Absorptionsspektra zu vereinfachen und die Isotopenverschiebungen zu schärfen, wodurch gleichzeitig eine hinreichende Materiaidichte beibehalten wird, um eine vernünftige optische Bahnlänge zu gestatten, und zwar für die Wechselwirkung von abgestimmten Laserlicht mit der gasförmigen Verbindung zur Erzeugung einer selektiven photochemischen Reaktion oder Photoionisation von Molekülen, die eine spezielle Isotopenart enthalten. Die Abkühlung erhöht in substantieller Weise die Fähigkeit, eine selektive Absorption in nur einer Isotopenart zu erzeugen.

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Leerseite

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zur Isotopentrennung, gekennzeichnet durch

a) adiabatische Expansion einer gasförmigen Verbindung, die eine Mischung von Isotopen mit unterschiedlichen Anregungsenergieniveaus enthält, um ein stark abgekühltes übersättigtes Gas zu erzeugen,

b) Bestrahlung des übersättigten Gases mit einer Strahlung, die eine erste Frequenz besitzt, welche selektiv Moleküle der Verbindung anregt, die eine erste Isotopenart enthält, wobei aber diejenigen Moleküle nicht angeregt werden, die eine andere Isotopenart enthalten,

c) Unterwerfung, bevor eine substantielle Kondensation auftritt, der angeregten Moleküle physikalischen oder chemischen Verfahren oder einer Kombination daraus, wodurch die in den angeregen Molekülen enthaltene Isotopenart von der in den nicht angeregten Molekülen enthaltenen Isotopenart getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet/ daß die adiabatische Expansion durch die Überschallströmung der gasförmigen Verbindung durch eine Düse erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung mit einem Trägergas gemischt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung ausreicht, um die selektiv angeregten Moleküle zu photoionisieren, und daß die ionisierten Moleküle von den nicht ionisierten Molekülen durch ein Feld abgelenkt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahlung ausreicht, um die angeregten Moleküle zu photodissoziieren, und daß das Photodissoziationsprodukt, welches die erste Isotopenart enthält, von den nicht angeregten Molekülen getrennt wird.

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ORIGINAL IMSPECTED

ν ■

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die angeregten Moleküle mit einer zweiten gasförmigen Verbindung reagieren, die keine der eine Trennung erfahrenden Isotope enthält, und daß das Reaktionsprodukt, welches die erste Isotopenart enthält, von den nicht angeregten Molekülen getrennt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die gasförmige Verbindung eine Mischung von UF₆ und UF₆ ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung durch Strahlung einer zweiten Frequenz bestrahlt wird, und zwar ausreichend, um diejenigen Moleküle zu photoionisieren, die selektiv durch die Bestrahlung der ersten Frequenz angeregt sind, .wobei aber diejenigen Moleküle, die nicht durch die Bestrahlung mit der ersten Frequenz angeregt sind, nicht photoionisiert werden, und wobei die ionisierten Moleküle von den nicht ionisierten Molekülen durch ein Feld abgelenkt werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung mit der Strahlung einer zweiten Frequenz bestrahlt wird, und zwar ausreichend, um eine photochemische Reaktion in den selektiv durch die Strahlung mit der ersten Frequenz angeregten Molekülen hervorzurufen, aber nicht in denjenigen Molekülen, die durch die Strahlung der ersten Frequenz nicht angeregt sind, und wobei das Reaktionsprodukt, welches die erste Isotopenart enthält, von den die anderen Isotopenarten enthaltenden Molekülen getrennt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

235 238 die gasförmige Verbindung eine Mischung von ^UFg ^{und üF}6

ist, daß die Strahlung der ersten Frequenz Infrarotstrahlung ist, daß die Strahlung der zweiten Frequenz Ultraviolettstrahlung ist, und daß die photochemische Reaktion die Photodissoziation selektiv angeregterUFg -Moleküle ist.

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11. Verfahren zur Erreichung einer Spektrumvereinfachung einer mehratomigen Verbindung in einem photochemischen Laserisotopentrennverfahren, wobei ein hinreichender Dampfdruck aufrechterhalten bleibt, um die Gasphasen-, isotopenselektive, laserinduzierte photochemische Reaktion der Verbindung auftreten zu lassen, gekennzeichnet durch a) Erhalt der Verbindung in gasförmigem Zustand und b) Abkühlung der gasförmigen Verbindung durch adiabatische Expansion.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mehratomige Verbindung UFg ist, welches mit einem einatomigen Gas oder Stickstoff gemischt ist, und daß die sich ergebende Gasmischung überschallmäßig durch eine konvergierende-divergierende Düse geleitet wird·

13. Verfahren zur Trennung von Isotopen des Uran, gekennzeichnet durch

a) Erhalt einer gasförmigen UFg-Mischung, die eine Mischung aus Uranisotopen enthält,

b) Mischung des gasförmigen UF _g mit Helium oder Stickstoff in einem Verhältnis ausreichend zur Sicherstellung, daß das gasförmige UF_ß unterhalb ungefähr 125° K abgekühlt wird, wenn die Gasmischung adiabatisch expandiert wird,

c) adiabatische Ausdehnung der Gasmischung,

d) Bestrahlung des sich ergebenden übersättigten gasförmigen UFg mit Infrarot-Laserlicht einer Frequenz, welche selektiv nur UFg-Moleküle anregt, die ein spezielles Uranisotop enthalten,

e) Bestrahlung des übersättigten gasförmigen UFg mit Ultraviolettlicht einer Frequenz, die eine Photodissoziation in denjenigen UFg-Molekülen erzeugt, die selektiv durch das Infrarot-Laserlicht angeregt sind, aber nicht in denjenigen Molekülen, die nicht durch das Infrarot-Laserlicht angeregt sind, und

f) Trennung der Photodissoziationsprodukte, die Uran enthalten, von dem nicht angeregten ÜF_g.

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14. Vorrichtung zur laserinduzierten Trennung von Isotopen, gekennzeichnet durch

a) Mitteid, 2, 3) zur adiabatischen Expansion einer flüchtigen Verbindung, die eine Mischung von Isotopen enthält, die getrennt werden sollen, um ein stark abgekühltes übersättigtes Gas zu bilden, in dem die Isotopenverschiebung klar begrenzt ausgebildet ist,

b) Lasermittel (7) zur Bestrahlung des übersättigten Gases mit Licht einer ersten Frequenz, die selektiv diejenigen Moleküle des Gases anregt, welche eine spezielle Isotopenart enthalten,

c) Mittel zur Umwandlung der selektiv angeregten Moleküle in einer stabilen oder metastabilen Zustand/ der physikalisch oder chemisch sich von demjenigen der Molekühle, die nicht durch das Licht angeregt sind, unterscheidet, und

d) Mittel zur Trennung der umgewandelten Moleküle von den nicht angeregten Molekülen.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur adiabatischen Expansion der flüchtigen Verbindung eine Überschalldüse (2) umfassen/ sowie Mittel zur Steuerung des Drucks des Gases, welches in das Plenum (1) der Düse eingeführt wird.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch einen stromabwärts gegenüber der Düse (2) angeordneten Kanal (4), der die Strömung des übersättigten Gases mit im wesentlichen konstantem Druck gestattet, und wobei ferner Lasermittel vorgesehen sind für die Bestrahlung des übersättigten Gases mit Licht einer ersten Frequenz, und wobei die Lasermittel mindestens einen Infrarotlaser (7) und zugehörige Optikmittel (8) aufweisen, welche mindestens einen Strahl (6) der Infrarotstrahlung durch das Gas leiten, welches durch den Kanal (4) fließt, wobei die Infrarotstrahlung quer zur Strömungsachse des Gases verläuft und der Kanal mindestens ein Fenster besitzt, welches für die In-frarotstrahlung durchlässig ist, und mit den Optikmitteln ausgerichtet ist, um den Eintritt der Infrarotstrahlung in den Kanal zu gestatten.

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17. Vorrichtung zur laserinduzierten Trennung von Uranisotopen durch isotopenselektive Photodissoziation von gasförmigem UFg bis UP₅, gekennzeichnet durch

a) eine konvergierend-divergierend-Überschall-Schlitzdüse·(2) mit einem Kanal (4), der unmittelbar stromabwärts gegenüber der Düse (2) und strömungsmäßig abgedichtet demgegenüber angeordnet ist, um die einen im wesentlichen konstanten Druck aufweisende Strömung eines Gases adiabatisch expandiert durch die Düse zu gestatten,

b) Mittel zur Mischung des gasförmigen UF, mit einem Trägergas, bestehend aus Helium oder Stickstoff, zur Bildung einer Gasmischung, die 5 Molprozent oder weniger UF, enthält,

c) Mittel zur Einführung der Gasmischung in das Plenum (1) der Düse (2),

d) mindestens ein Infrarot-Laser (7), der eine kohärente Infrarotstrahlung mit einer Frequenz erzeugt, die selektiv nur diejenigen Moleküle von UF, anregt, welche ein spezielles Isotop des Uran enthalten,

e) mindestens einen Ultraviolett-Laser/ der eine kohärente Ultraviolettstrahlung mit einer Frequenz erzeugt, welche diejenigen UFg-Moleküle zu UF₅ dissoziiert, welche selektiv durch die kohärente Infrarotstrahlung angeregt sind,

f) Fenstermittel in einer Seitenwand des Kanals, angeordnet im wesentlichen senkrecht zu sowohl dem Schlitz der Düse als auch zur Achse der Strömung durch den Kanal,

g) optische Mittel zur Lenkung der infraroten und der ultravioletten Strahlung durch die Fenstermittel quer zur Strömungsachse und in einer Ebene, die durch den Schlitz und die Strömungsachse gebildet ist und

h) Mittel unmittelbar stromabwärts gegenüber dem Kanal und in abgedichteter Durchströmungs-Beziehung dazu zur Trennung des UF₅ vom UF₆.

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