DE2656152A1

DE2656152A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung von isotopen hoher masse

Info

Publication number: DE2656152A1
Application number: DE19762656152
Authority: DE
Inventors: Jozef Willem Eerkens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-06-14
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1977-09-22
Also published as: GB1554230A; AU1283276A; US5015348A; FR2334407B1; JPS5293897A; JPS5837011B2; US5108566A; NL186222C; GB1573508A; NL186222B; WO1991014488A1; AU520228B2; AU6660781A; GB1573507A; AU7769591A; US4082633A; NL7613767A; FR2334407A1; AU537265B2; DE2656152C2

Description

PATCNTANV'ÄITE

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fc-ULLrSSTRAESE 31

6000 MÜNCHEN 5

Mappe A 6θ9

Jozef Villem Eerkens

Los Angeles County, State of California

U. S. A.

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung von Isotopen hoher Masse

Die Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Isotopen und dabei im einzelnen auf einen selektiv photoneninduzierten Energieübergang eines das abzutrennende Isotop enthaltenden Isotopenmoleküls und eine chemische Umsetzung mit

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einem chemisch reaktiven Stoff, um auf diese Weise eine chemische Verbindung zu schaffen, die Atome des gewünschten Isotops enthält.

In vielen Anwendungen ist es oft wünschenswert, ein isotopenangereichertes Element zu haben. In der Natur existieren nämlich viele Elemente in mehreren voneinander verschiedenen Isotopen und es ist wünschenswert, ein einzelnes Isotop zu isolieren, um eine wesentlich höhere Konzentration des Isotops zu haben, als dem natürlichen Vorkommen entspricht. Eine solche Anwendung ist natürlich die Schaffung hoher Konzentrationen des Isotops U^35_# u^35 _macht nur 0,7$ des natürlichen Urans aus. Die restlichen 99,J^ sind U²38.

Bisher wurden die verschiedensten Techniken zur Abtrennung des Isotops U " aus dem natürlichen Uran vorgeschlagen und/ oder angewandt. Unter diesen Techniken waren Diffusion durch poröse Sperrmaterialien, elektromagnetische Abtrennung, Zentrifugierung, thermische Diffusion, chemischer Austausch und, in jüngerer Zeit, Ultrazentrifugen- und Strahldüsentechniken. Von diesen Techniken ist die am häufigsten verwendete die Gasdiffusion, die jedoch leider relativ unzulänglich und vergleichsweise teuer ist und mehrfache Durchgänge von gasförmigem Uran durch die Sperrmaterialien erforderlich macht,um das U -^ in hoher Konzentration zu erhalten.

Andere Isotopentrenntechniken wurden bei Elementen mit niedrigem Siedepunkt eingesetzt. Es wurde beispielsweise oine auf Quecksilber anwendbare Isotopentrenntechnik vorgeschlagen (US-PS 2 713 025), bei welcher eine Quecksilberdampflampe mit isotopenreinem Quecksilber zur Bestrahlung eines auf niedriger Temperatur befindlichen Dampfes aus natürlichem Quecksilber

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verwendet wird. Die Photonen aus der Quecksilberdampflampe mit isotopenreinem Quecksilber regen nur die Atome des gleichen Isotops in dem Quecksilberdampf an und verursachen photoneninduzierte Übergänge zwischen ihren Energiezuständen. Im angeregten Zustand verbindet sich das Quecksilber mit Wasser zu Quecksilberoxid. Da die Photonen von einem einzigen Quecksilberisotop herrührten, wurde nur das entsprechenden Isotop im Quecksilberdampf angeregt, so daß sich über die nachfolgende Weiterverarbeitung des Quecksilberoxide isotopenreines Quecksilber gewinnen ließ. Diese Technik läßt sich zwar auf einige Elemente mit niedrigem Siedepunkt anwenden, nicht aber ohne weiteres ohne ernsthafte verfahrensökonomische Nachteile auf Isotope mit höherem Siedepunkt, wie etwa Uran, übertragen. Dies liegt daran, daß die Erzeugung von Urandampf vergleichsweise hohe Temperaturen erfordern würde. Um eine übermäßige Druck- und Dopplerverbreiterung der Absorptions/ Emissionslinien des Uranatoms zu vermeiden, die dazu führen würde, daß sich die Absorptions/Emissionslinien des U^3°- Atoms mit denen des U²35-.A.toms wesentlich überlappen, sind kostspielige Verfahrensweisen bei Drucken der Größenordnung von 10~² Torr und Temperaturen von 2 000 bis 3 000° K notwendig. In der US-Patentschrift 3 673 4O6 ist lediglich eine Verbesserung gegenüber der US-Patentschrift 2 713 aufgezeigt, sie gibt jedoch in keiner Weise an, wie die oben genannten Nachteile überwunden werden könnten.

Eine weitere bislang vorgeschlagene Technik unter Ausnützung photoneninduzierter Übergänge (US-PS 3 405 045) beinhaltet die Bestrahlung organischer Monomerer mit kohärenter Strahlung eines Lasers, um eine Photodissoziation des Monomers in freie Radikale zu bewirken» Die freien Radikale werden dann dazu benutzt, eine Polymerkettenreaktion in Gang zu

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setzen, wodurch die gewünschte Polymerisation bewirkt wird. Eine solche Lehre erscheint als für die Isotopentrennung nicht allgemein anwendbar.

Eine andere Technik (US-PS 3 443 O87), die speziell auf die Isotopentrennung von Urarihexafluorid (UFg) ausgelegt ist, um am Ende isotopenangereichertes U^35p^ z_U erhalten, beinhaltet die Bestrahlung eines Stromes von UFg mit zwei getrennten Bündeln elektromagnetischer Strahlung. Das erste Bündel elektromagnetischer Strahlung hebt die innere Energie nur des Tj235p. _vom Grundzustand in einen höheren, angeregten Zustand. Das zweite Bündel elektromagnetischer Strahlung wirkt nur auf die angeregten U^3F^-Moleküle und hebt sie über das Ionisationspotential hinaus, um auf diese Veise ionisierte U^3^Fg-Moleküle zu schaffen. Danach wird ein magnetisches und/oder elektrisches Feld auf die ionisierten U y F^-Moleküle angewandt, um sie aus der Bahn der nicht angeregten Xj23°p^-Moleküle abzulenken und so die Trennung zu versuchen. Es wurde jedoch zwar die Verwendung von Lasern zur Gewinnung der Photonen vorgeschlagen, jedoch nicht wirklich eine Technik zur selektiven Gewinnung von Photonen für das erste Bündel elektromagnetischer Strahlung mit nur Energien, die den Ü F^-Übergängen und nicht auch den U^3öp^_tJbergängen entsprechen. Darüber hinaus begrenzt die teilweise Verwendung von angeregten Elektronenzuständen und/oder ionisierten Zuständen die Reaktionszeiten, da die Zerfallzeiten der angeregten Elektronenzustände und der ionisierten Zustände sehr kurz sind. Schließlich, und das ist der wichtigste Punkt von allen, überlappen sich die Spektrallinien von u235Fg und U²38pg bei den praktischen Verfahrensbedingungen, die eine wesentliche Ionisation und/oder Elektronenanregung in gasförmigem UFg gestatten, in erheblichem Maße, was dieses Isotopentrennverfahren ziemlich unzulänglich macht»

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Bei einer weiteren Isotopentrenntechnik unter Verwendung eines Fluorwasserstoff-Lasers, wie sie in Applied Physics Letters, Band 17, Nr. 12, 15. Dezember 1970, "Isotope Separation with the CW Hydrogen Fluoride Laser" beschrieben ist, wird eine Trennung von leichten Molekülen zur Trennung von Deuterium und Wasserstoff vorgeschlagen. Bei dieser Technik wird eine Gaskombination aus Methanol H„COH, Deutero-Methanol D«COD und Brom Brg bestrahlt. Das Methanol soll selektiv mit dem Brom reagieren und das Deutero-Methanol in der Gasphase lassen. Das Deuterium ist natürlich das Isotop, dessen Konzentrierung gewünscht wird. Das Methanol absorbiert also die Strahlung des Fluorwasserstoff-Lasers und reagiert mit dem Brom. Es wird weder eine Filterung noch eine Feinabstimmung der Laserstrahlung angewandt, da die Absorptionslinien des Methanols HoCOH und des Deutero-Methanols D„COD sehr weit auseinanderliegen. Schwere Isotope andererseits haben sehr eng beieinander liegende Absorptionslinien, die optisch praktisch nicht auflösbar sind, es sei denn bei sehr tiefen Temperaturen und/oder Drucken. Folglich ist die direkte ungefilterte und/oder unabgestimmte Verwendung von Laserstrahlung zur Erzielung einer Isotopentrennung bei schweren Molekülen nicht brauchbar«

Die US-PS 3 772 519 zeigt lediglich eine Trenntechnik für Atome unter Verwendung von Lasern für bevorzugte Isotopenanregungen und nachfolgende Ionisation zusammen mit einer elektromagnetischen Trennung.

Die DT-IS 1 959 767 und die GB-PS 1 284 620 (Erfinder ist Karl Gürs) erwähnen'einige allgemeine Konzepte für die isotopenselektive Anregung von Molekülen in Schwingungsund/o der Rotationsmoden mit einem COg-Laser und der ehe-

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mischen Umsetzung mit einem angeregten Molekül, Über das hinaus, was schon bekannt war, (vergleiche zum Beispiel J. de Chim. Physique 60, 205 (1963)), ist jedoch in diesen Patenten keine neue Methode oder zufriedenstellende Technik offenbart. Es wird keine zufriedenstellende Konstruktion gezeigt oder beschrieben, die eine einsetzbare Vorrichtung abgeben würde, mit welcher beispielsweise die Isotope des Urans unter Einbeziehung einer Laser-Anregung von Uranhexafluorid getrennt werden könnten. Darüber hinaus scheinen die physikalischen Parameter und Bedingungen, die dort angegeben sind, nicht im richtigen Bereich zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses zu liegen, (vgl, beispielsweise den Bericht über die Gürsschen neuesten Versuche zur Bowirkung der Isotopentrennung von Uranhexafluorid in einer neueren Veröffentlichung:"Uranium Isotope Separation Using IR Lasers" H. Jetter und K. Gürs, Paper No. k, International Conference on Uranium Isotope Separation, London, 5. bis 7. März 1975. ) Der Erfinder berichtete, daß unter Verwendung der von Gürs vorgeschlagenen Techniken keine zufriedenstellende Trennung erreicht werden konnte.

Bisher gibt es keine vollstänidg zufriedenstellende und wirtschaftliche photochemische Technik zur Trennung schwerer Isotope und insbesondere zur Abtrennung des gewünschten

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U -Isotops aus natürlichem Uran,

Ausgehend hiervon schafft die Erfindung ein verbessertes Verfahren und eine ebensolche Vorrichtung zur Isotopentrennung, die insbesondere für die Trennung von Isotopen hoher Masse geeignet sind.

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•Ζ*

Ferner schafft die Erfindung ein Verahren zur Abtrennung des U -'-'-Isotops aus natürlichem Uran, das vergleichsweise wirtschaftlich ist und eine hohe Ausbeute an angereichertem U -*-* bietet.

Zur folgenden Beschreibung der Erfindung und in den Ausführungsbeispielen wird die Anwendung der Erfindung auf die

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Abrennung von U aus ein.em Gemisch von Molekülen, von denen

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einige U ^J -Atome und einige U-³ -Atome enthalten, verwendet. Es versteht sich, daß sich das erfindungsgemäße Isotopentrennverfahren ebensogut auch auf andere Elemente

235 anwenden läßt. Wegen der Bedeutung von U als einem wesentlichem Energielieferanten und wegen der Notwendig-

235 keit, höhere Konzentrationen von U als in natürlichem

Uran zu erhalten, ist es jedoch das gegebene, die Grundlagen der Erfindung am Beispiel der Abtrennung des Isotops _zu erläutern.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schafft sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zur selektiven Abtrennung eines bestimmten Isotopenmoleküls aus einer Ansammlung chemisch identischer aber isotopisch unterschiedlicher Moleküle. Beispielsweise ist gasförmiges UF,-in einem Gemisch aus U Fg- und U23ÖF^-Molekülen in einer Reaktionskammer vorhanden. Ein chemisch reaktiver Stoff,

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der zur Abtrennung von U gemäß der Erfindung gasförmiger Chlorwasserstoff sein kann, wird ebenfalls in die Reaktionskammer eingeführt. Das Gemisch des chemisch reaktiven Stoffes kann entweder kontinuierlich in die Reaktionskammer eingeführt und aus dieser abgezogen werden oder aber diskontinuierlich wie bei einem Chargenverahren.

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Das Molekülgemisch, in der Reaktionskammer wird auf ausgewählten Werten für die Temperatur, den Druck, das elektrische Feld, das Magnetfeld, und was sonst noch an Konditioiiierparametern zur Beeinflussung des ursprünglichen Gesamtenergiezustands der Moleküle verwendet werden kann, gehalten. Der Ausgangszustand eines Moleküls soll unterer Energiezustand heißen. Die Moleküle sind in der Lage, in sich zusätzliche Energie in diskreten Beträgen über die drei Mechanismen der elektronischen Anregung, der Schwingungsanregung und der Rotationsanregung, in beliebiger Kombination, zu speichern. Jeder dieser zusätzliche Energie erfordernden Energiezustände soll höherer Energiezustand heißen, und wenn ein besonderer betrachtet wird, so wird dieser der obere Energiezustand genannt. Beispielsweise können bei Verwendung von TJF,- die ausgesuchten Bedingungen so gewählt werden, daß der untere Energiezustand der UFg-Moleküle den Elektronengrundzustand (d.h. den niedrigst möglichen), eine bestimmte Verteilung von niedrigen Schwingungszuständen und eine bestimmte Verteilung von Rotationszuständen, bestimmt durch die Temperatur, umfaßt, während der obere Energiezustand den Elektronengrundzustand, eine ganz bestimmte Kombination von höheren Schwingungszuständen und die gleiche Verteilung von Rota— tionszuständen wie der untere Zustand umfassen kann«

Der chemisch reaktive Stoff wird hier in seinem breitesten Sinn definiert und obwohl er, in bevorzugten Anwendungen, nach der gewünschten chemischen Reaktion verändert ist, gibt es auch einige Anwendungen, in denen er nur zur Unterstützung, Katalysation oder Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion dient und sich dabei selbst chemisch nicht verändert.

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Der chemisch, reaktive Stoff ist praktisch inaktiv in Bezug auf die Moleküle im unteren Energiezustand, reagiert jedoch mit den Molekülen oder beschleunigt die gewünschte Reaktion, wenn sich die Moleküle in einem gewissen höheren Energiezustand, der bestimmte Schwingungszustände enthält, befinden. Venn der chemisch reaktive Stoff mit den im höheren Energiezustand befindlichen Molekülen wechselwirkt, entsteht eine chemische Verbindung, und diese chemische Verbindung befindet sich in e inem zweiten physikochemischen Zustand, der sich von dem ersten physikochemischen Zustand unterscheidet, auf dem das Gemisch gehalten wird. Wenn beispielsweise der chemisch reaktive Stoff gasförmiger Chlorwasserstoff ist, kann das UF,- mit ihm vermischt und in einem gasförmigen Zustand am unteren Energiezustand gehalten werden, ohne daß mehr als eine sehr schwache chemische Reaktion stattfindet, während nach Anregung der XJF^-Moleküle in den die Vo-Schwingung enthaltenden oberen Energiezustand eine nennenswerte Umsetzung mit dem Chlorwasserstoff stattfindet, die gasförmiges UF₁-Cl und HF als erwünschte Reaktionsprodukte liefert. Die gewünschte chemische Verbindung UF-Cl ist von UF^ chemisch verschieden und läßt sich aus dem gasförmigen UFg/Chlorwasserstoff-Gemisch durch einfaches Diffeientialgefrieren abtrennen. Bei der Bildung von UF^Cl wird ein Molekül des chemisch reaktiven Stoffes HCl für jedes gebildete UFgCl-Molekül verbraucht.

In einem anderen Beispiel kann gasförmiges UFg mit gasförmigem Helium oder Argon gemischt werden, und nach Anregung cer UF^-Moleküle dissoziieren diese zu ausscheidbarem UF,. oder UFj, und gasförmigem Fo als erwünschte Reaktionsprodukte. Bei diesem Fall hindern die Helium- oder Argonatome die dissoziierten Fluoratome F an einer Vieder-

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assoziierung mit UF- zur erneuten Bildung des ursprünglichen UF^ und beschleunigen stattdessen die Bildung von molekularem F₅, aus den F-Atomen. Der chemisch aktive Stoff in Form der Helium- oder A_rgonatome bleibt in diesem Fall unverändert. Die gebildete gewünschte chemische Verbindung UF,-befindet sich im festen Zustand und fällt aus dem gasförmigen UFg/Helium- oder UF^/Argon-Gemisch aus und kann auf diese Weise physikalisch abgetrennt werden.

Wenn die chemische Verbindung im gleichen physikalischen Zustand wie das Ursprungsgemich erzeugt wird, kann die Trennung im allgemeinen durch chemische Standardabtrenntechniken, wie Lösungsmittelextraktion, Destillation, Verdampfen, Gefrieren oder andere bewirkt werden, während wenn der physikalische Zustand des Produkts verschieden ist vom physikalischen Zustand des Ursprungsgemischs, eine einfache physikalische Trennung des Produktes von den Reaktionspartnern durchgeführt werden kann. Eine Änderung des physikochemischen Zustands kann also eine Änderung des physikalischen Zustande, eine Änderung des chemischen Zustands oder beides sein.

Um die selektive Reaktion von hauptsächlich dem bestimmten Isotopenmolekül, welches das abzutrennende Isotop enthält zu bewirken, ist es notwendig, den Übergang von hauptsächlich dem bestimmten Isotopenmolekül vom unteren Energiezustand in einen gewissen höheren Energiezustand zu bewirken. Die selektive Isotopenanregung wird erreicht, indem man den Inhalt der Reaktionskammer einem Photonenstrahl aussetzt, der seine Energie bei einer bestimmten Frequenz hat, bei der eine vergleichsweise starke Absorption stattfindet, welche den Übergang von einem unteren Energiezustand in einen ganz bestimmten höheren Energiezustand des bestimmten Isotopenmoleküls, der eine bestimmte Schwingung enthält, bewirkt, wobei bei die-

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ser Frequenz vergleichsweise schwache Absorptionen, die Energieübergänge bei den anderen der Reaktionskammer befindlichen isotopisch unterschiedlichen aber chemisch identischen Molekülen bewirken, auftreten.

Deshalb werden hauptsächlich die bestimmten Isotopenmoleküle selektiv angeregt. In diesem angeregten Zustand können die bestimmten Isotopenmoleküle mit den chemisch reaktiven Stoff zur Schaffung der chemischen Verbindung wechselwirken. In Anwendungen, bei denen der reaktive Stoff bei der Reaktion selbst chemisch verändert wird, wird dieser im Überschuß vorgesehen, so daß die Mehrzahl der bestimmten angeregten Moleküle die gewünschte Reaktion erfährt, bevor sie über mögliche Austauschstöße mit anderen Molekülen, einschließlich derer, die das andere Isotop enthalten, ihre Anregungsenergie verlieren. Da bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hauptsächlich die bestimmten Isotopenmoleküle durch die Photonen angeregt werden und der Großteil von ihnen zur Reaktion gebracht wird, bevor ein Stoß mit Energieaustausch auf die anderen Isotopenmoleküle stattfinden kann, enthält die gebildete chemische Verbindung überwiegend Atome des bestimmten Isotops. Bei Anwendungen, bei denen der chemisch reaktive Stoff selbst chemisch nicht verändert wird, sondern die gewünschte Reaktion nur katalysiert oder beschleunigt, wird dieser im Überschuß vorgesehen, um Dissoziationsprodukte daran zu hindern zur ursprünglichen Zusammensetzung zu rekombinieren. Wenn die gewünschte chemische Produktverbindung in einem anderen physikalischen Zustand ist als die Moleküle des Gemische sind, kann die chemische Produktverbindung physikalisch aus der Reaktionskammer entfernt werden, wie beispielsweise in dem Fall, daß in einem Gasgemisch ein festes Präzipitat gebildet wird. Das Präzipitat kann dann auf herkömmliche Weise weiterverarbeitet werden, um das be-

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stimmte angereicherte Isotop zu gewinnen. Falls sich die neue chemische Produktverbindung im gleichen physikalischen Zustand befindet wie das Ausgangsgemisch (wenn beispielsweise beide gasförmig sind), kann die abschließende Abtrennung durch Lösungsmittelextraktion, Destillation, Kondensation/Verdampfung oder andere chemische Standardtrennverfahren bewerkstelligt werden.

Der Photonenstrahl kann mit Hilfe eines abgestimmten Lasers gewonnen werden, der extern oder intern gefiltert sein kann, um Photonen mit unerwünschten Frequenzen zu beseitigen oder ihre Erzeugung zu unterdrücken. Es wird also ein Laser ausgewählt, dessen Ausgabe Photonen in dem allgemeinen Frequenzbereich enthält, der zu einem bestimmten photonenaktiven Übergang der Moleküle des Gemischs aus dem ursprünglichen unteren Energiezustand in einen bestimmten oberen Energiezustand gehört. Wegen des als Isotopieverschiebung bekannten Phänomens unterscheiden sich die genauen Frequenzen, die zu starken photoneninduzierbaren Übergängen zwischen dem unteren Energiezustand und dem oberen Energiezustand gehören, etwas für die verschiedenen Isotope und für die die verschiedenen Iso< tope enthaltenden Moleküle.

Die,Filterung der Laserstrahlung wird erreicht, indem man die Laserphotonen intern oder extern eine Filterzelle durchlaufen läßt, wobei mit intern gemeint ist, daß die Filterzelle im Inneren des Lasers zwischen den Endspiegeln des Resonatorsystems angeordnet ist, und mit extern, daß die Filterzelle außerhalb des Lasers im Laserstrahl sitzt. Die Filterzelle enthält eine Ansammlung derjenigen in der Reaktionskammer enthaltenen IsotopenmolekUle, die.sich von dem bestimmten Isotopenmolekül unterscheiden, und ist natürlich -mit Fenstern versehen, die den Durchtritt des Photonenstrahls des Lasers durch die Zelle gestatten. Sie kann außerdem eine Spiegelan-

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Ordnung enthalten, um einen langen optischen Weg zu erzielen. Beispielsweise enthält, wenn in der Reaktionskammer U²35f^_ Moleküle und U²38p^._Moleküle vorhanden sind, die Filterzelle im wesentlichen reine U²3°F ,-Moleküle, wenn U²^5p _zur R_eak_ tion gebracht werden soll. Bei Verwendung eines Infrarot-Lasers mit intern angeordneter Filterzelle werden diejenigen Photonen, deren Energie starken Übergängen der U Fg-Moleküle aus dem unteren in einen bestimmten oberen Schwingungszustand entspricht, absorbiert und auf diese Weise am Lasern gehindert, während diejenigen Photonen, deren Frequenzen geringfügig verschieden sind und die einen starken Übergang der U~35p^-Moleküle, in diesem Beispiel, aus einem unteren Ro-ΐε. ionsschwingungszustand in einen oberen Rotationsschwingungszu'tand entsprechen, die Filterzelle durchlaufen können und d· Photonenstrahl bilden, der notwendig ist, um die selek-

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tive Anregung der TJ -^Fg-Moleküle, in diesem Beispiel, in der Reaktionskammer zu bewirken.

Bei obigem Beispiel war angenommen, daß es wünschenswert ist, ^ zur Reaktion zu bringen. Bei manchen Anwendungen kann

p O Q

es vorzuziehen sein, die Reaktion von U Fg in der Reaktions-

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kammer anstelle derjenigen von XJ Fg zu beschleunigen. Bei solchen Anwendungen müssen für das hier beschriebene Verfahren die Bezeichnungen U " und U vertauscht werden.

Temperatur, Druck und andere Zustandsbedingungen des UFg-Gases in sowohl der Filterzelle als auch in der Reaktionskammer müssen bei diesem Beispiel so gewählt werden, daß bei der angewandten Laserfrequenz ein hohes Verhältnis der mikroskop!-

Ο οQ OQK

sehen ALsorptionsquerschnitte von U Fg_f C^og» und von U Fg* ^235» vorliegt. FürUFg tritt ein hohes Verhältnis der mikroskopischen Absorptionsquerschnitte der Isotopenmoleküle in der Regel an den Rändern der mittleren Spitze der Rotations schwingungsabsorptionsbande auf, wo die Absorptionsintensität

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des Kontinuums der Q-Zweige der Heißbanden auf die vielen strukturierten P-Zweige oder R-Zweige der Heißbanden, für das eine der Isotopenmoleküle, abzufallen beginnt. Die Lage des höchsten Isotopenquerschnittverhältnisses auf diesen Q-Abfällen bzw. Q-Rändern ist sehr temperaturempfindlich. In der Tat können geringfügige Veränderungen der Temperatur, d.h.« die "Temperaturabstimmung", dazu verwendet werden, das optimale Querschnittsverhältnis so hinzuschieben, daß das Absorptionsverhältnis für eine bestimmte angewandte Laserfrequenz maximiert wird. Im allgemeinen gilt, je tiefer die Temperatur des Moleküls, desto steiler die Q-Ränderabfälle und umso höher das Isotopenabs orptionsquerschnittverhältnis.

Das Nichtentdecken dieses Phänomens bzw. das Nichterkennen der damit zusammenhängenden Probleme sowie das Kichtentdecken der oben dargelegten weiteren Einzelheiten der UF,--Absorptionsbandenstrukturen durch Forscher wie etwa Gürs (siehe oben) sind die Gründe dafür, warum die bekannten Lehren vollkommen unzureichend sind.

Für UF^ erfolgt die Druckauswahl in der Regel unter Berücksichtigung der gewählten Temperatur, die eine Grenze für den maximal zulässigen Druck, nämlich den Dampfdruck von UF--, setzt. Dieser Druck ist in der Regel in der Größenordnung von 1 Torr, bei welchem sich benachbarte Rotations— Schwingungslinien in den Gebieten der P-Zweige und R-Zweige nicht ganz überlappen. Wenn dies der Fall ist, kann ein "Loch" zwischen benachbarten Rotationsschwingungslinien

λ r\ Q

beispielsweise im Bereich der P-Zweige des XJ F^-Absorptionsbandenspektrums vorhanden sein, das frequenzmäßig mit der Spitze von einer oder mehreren Rotationsschwingungslinien

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des U F/· zusammenfällt, was ein hohes Verhältnis der Absorp-

ο ο cc ο oft

tionsquerschnitte von U I\j und U F,- schafft. Querschnitts-

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Verhältnisse an solchen Spitze/Loch-Koinzidenzen können in einigen Banden des UF^, etwa in der V-,-Bande, das maximale Querschnittsverhältnis an den oben erwähnten Q-Abfällen übersteigen. Typischerweise können für die y„-Bande von

^ Querschnittsverhältnisse von 10 oder mehr für die Spitze/Loch abgestimmte Isotopentrennung erreicht werden, während bei einem Arbeiten mit den Q-Abfällen dieses Verhältnis in der Größenordnung von 3 bis 5 liegt.

Für UF₆ können die V₃-, (^+ V₃)-, (\>_z + V₃)- und (V₃+ V^)-Banden bei Temperaturen unter ungefähr 350° K und Drucken unter ungefähr 3 Torr in den Bereichen der P- und R-Zweige mit der Spitze/Loch-Technik betrieben werden, Dreifachkombinat ions-Banden des UF^, wie etwa 3V^, und (Vo ⁺ ^u ⁺ V^) haben ihre Q-Zweige jedoch infolge anharmonischer Intervirbrationswechselwirkungen soweit ausgebreitet, daß sie selbst in den Bereichen der P- und R-Zweige beherrschend sind, was dazu führt, daß die gesamte Bande im wesentlichen ununterteilt bzw. dicht wird. Daher kann in der Praxis beim Arbeiten auf UF^-Dreifachkombinationsbanden die A-Abfall-Technik wirkungsvoll zur Isotopentrennung herangezogen werden.

Für weniger schwere Moleküle, wie etwa SeF/ oder MoF^ existieren weniger heiße Banden und die Absorptionsbanden-Einhüllende ist weniger vollständig kontinuierlich als diejenige von UF^. Vielmehr sind die P-Zweige und R-Zweige von SeF^ bzw. MoF^ stärker strukturiert mit breiteren Zwischenräumen zwischen angrenzenden RotationsSchwingungslinien (bei hinreichend niedrigen Drucken) und der Überlapp von den ununterteilten Q-Zweigen ist geringer. In diesem Fall, d.h. im Falle mittelschwerer Moleküle findet man das beste und höchste Querschnittsverhältnis für eine wirksame Isotopentrennung selbst für Kombinationsbanden in der

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Regel im Bereich der P-Zweige oder R-Zweige an einer Spitze/ Loch-Koinzidenz. Temperatur und Druck sollten so gewählt ■werden, daß die Rotationsschwingungslinien in den P- und R-Zweigen der Rotationsschwingungsbande im -wesentlichen getrennt sind und so, daß in einigen Bereichen des Spektrums in diesen Zweigen die Rotationsschwingungslinien des ausgewählten Isotopenmoleküls sich mit den Rotationsschwingungslinien der anderen Isotopenmoleküle nicht wesentlich überlappen und im wesentlichen zwischen die Rotationsschwingungslinien der anderen Isotopenmoleküle fallen. Man kann daher hohe Absorptionsquerschnittsverhältnisse und eine wirkungsvolle Isotopentrennung erwarten, wenn die Anregung bei den Frequenzen dieser am wenigsten sich überlappenden Rotationsschwingungslinien passiert.

Gewöhnlich wird die Molekülansammlung in der Filterzelle an oder nahe dem gleichen unteren Energiezustand wie die in der Reaktionskammer gehalten.

Neben der Frequenzabstimmung durch die Filterzelle, durch welche eine starke Absorption in der Reaktionskammer durch das unerwünschte Isotop vermieden wird, kann die Laserfrequenz stattdessen oder zusätzlich durch eine Abstimmung mit Hilfe von Resonatorspiegeln so fein abgestimmt und verriegelt werden, daß die genaue Laserfrequenz mit der Frequenz der UF^-Absorptionsbande dort zusammenfällt und verbleibt, wo das Verhältnis der mikroskopischen Absorptionsquerschnitte von Ü F und U ^J F^ für die Isotopentrennung optimal ist. Dabei können die verschiedensten Mittel der Resonatorspiegelabstimmung zur Verbesserung der Isotopentrennung eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein justierbarer Gitterendspiegel verwendet werden, der die Laserfrequenz so festheftet, daß sie innerhalb der Einhüllenden einer

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bestimmten laserbaren Linie des Lasermediums, die nahe am Frequenzbereich des UF^-Absorptionsspektrums liegt, dort verbleibt, wo das Querschnittsverhältnis optimal ist. Eine •weitere Feinabstimmung läßt sich dann durch Veränderung des Laserspiegelabstands erreichen, die feine Änderungen in der genauen Frequenz der Laserausgangsstrahlung verursacht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine weitere Spiegel-Feinabstimmung durch ein Doppelresonatorsystem erreicht, bei welchem das Laserrohr und das Filterrohr innerhalb des optischen Resonatorraums der zwei Laserspiegel, die in weitem Abstand voneinander liegen, und ein langes Resonatorbein A bilden, angeordnet sind, während einer dieser zwei Laserspiegel, der teildurchlässig ist, mit einem zweiten Spiegel gekoppelt ist, der in einem kurzen Abstand davon liegt, wodurch ein kurzes Resonatorbein B gebildet wird. Das kurze Resonatorbein B und das lange Resonatorbein A bilden ein gekoppeltes Doppelresonatorsystem, dessen erlaubte optische Frequenzen durch den Abstand der Spiegel des kurzen Resonatorbeins B des Doppelresonatorsystems bestimmt werden. Durch Schwingenlassen des äußeren Spiegels des langen Resonatorbeins A mit beispielsweise 120 Perioden pro Sekunde und durch Halten und Festsetzen des Abstands der Spiegel des kurzen Resonatorbeins B auf einen festen Wert gestattet das Doppelresonatorsystem 120 mal pro Sekunde einen Lasex-ausbruch mit einer sehr genauen Frequenz, die durch den Wert des Spiegelabstands des kurzen Resonatorbeins B bestimmt wird. Durch Änderung des Werts des Spiegelabstands des kurzen Pesonatorbeins B mit einer üblichen piezoelektrischen Mikropositionieranordnung beispielsweise kann auf verschiedene sehr genaue Laserfrequenzen abgestimmt werden«

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Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Filterzelle zwischen den Endspiegeln des Laserresonators angeordnet, und man erhält im Betrieb einen höheren Gesamtwirkungsgrad, weil die Filterzelle die Erzeugung von Laserphotonen unerwünschter Frequenzen unterdrückt und hauptsächlich die Erzeugung von Laserphotonen der am meisten erwünschten Frequenz im Laserhohlraum fördert. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Filterzelle außerhalb der Laserendspiegel angeordnet ist, wird die gesamte Laserausgangsenergie, die von Laserphotonen mit unerwünschten Frequenzen getragen wird, entfernt und ist verloren. Trotz des niedrigeren Gesamtwirkungsgrads bei der Anordnung mit einer externen Filterzelle im Vergleich zu der mit einer internen Filterzelle kann manchmal erstere Anordnung vorzuziehen sein, weil sie eine größere Unabhängigkeit zwischen dem Betrieb des Lasers und dem der Filterzelle bietet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann überhaupt keine Filterzelle verwendet und die Reaktionskammer innerhalb des Laserhohlraums angeordnet sein, wo sie gleichzeitig sowohl als Filterrohr als auch als Reaktionskammer wirkt. Schließlich kann in einer noch anderen Anordnung ein mit Hilfe eines Doppelresonators abgestimmter und verriegelter Laser ohne irgendein Filterohr verwendet werden.

Einzelheiten der Erfindung, der genannten und weiterer Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche Teile bezeichnen. Auf der Zeichnung ist bzw. sind:

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3*

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3 eine graphische Darstellung einiger zu einer Ausfuhr ungs form der Erfindung gehöriger physikalischer Charakteristika,

Fig. k eine graphische Darstellung einiger zu einer weiteren Ausführung der Erfindung gehöriger physikalischer Charakteristika,

Fig. 5 eine dritte graphische Darstellung einiger zu einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gehöriger physikalischer Charakteristika,

Fig. 6 ein schematisches und Flußdiagramm zu einer Betriebsanlage auf den Grundlagen der Erfindung, welches das Abziehen von Produkt und Abfall und das In-den-Kreislauf-Zurückführen unverbrauchter Chemikalien in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher das Produkt gasförmiges isotopenangereichertes UF-Cl ist,

Fign, 7 und 8 schematische Darstellungen einer für die Durchführung der Isotopentrennung zweckmäßigen Konstruktion gemäß den Grundlagen der Erfindung und

Fig. 9 ein schematische und Flußdiagramm einer Betriebsanlage gemäß den Grundlagen der Erfindung, welches den Abzug von Produkt und Abfall und das Rückführen unverbrauchter Chemikalien in den Kreislauf bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher das Produkt ein festes isotopenangereichertes UF-- oder UFr-Präzipitat ist.

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IS

F±gn. 10 und 11 zeigen Einzelheiten der Anordnung eines bei einigen AusfUhrungsformen verwendeten Katalysators in der Reaktionskammer,

Der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird zunächst eine kurze Diskussion der mit der Durchführung der Erfindung verbundenen physikalischen Vorgänge vorangestellt, um ein umfassenderes Verständnis der iiiit der Durchführung der Erfindung verbundenen Techniken zu vermitteln, damit sie sich dem Fachmann besser erschließt.

Bei einem Molekül in der Gasphase existieren 3 Haupttypen von Mechanismen zur Speicherung von innerer Energie, von denen jeder diskrete Energiebeträge aufnehmen oder abgeben kann. Diese sind: Der elektronische, der Schwingungs- und der Rotations-Mechanismus zur Speicherung von innerer Energie. Jeder dieser Typen von Energiespeichermechanismen besitzt gewisse diskrete Energieniveaus, wobei der gespeicherten Energie entweder durch Energietransfer beim Stoß mit einem anderen Molekül oder durch Absorption bzw. Emission eines Photons Energie in Beträgen, die Differenzen zwischen diesen Energieniveaus entsprechen, zugeführt oder abgezogen werden können.

Die Energiemengen (sogenannte Quanten), die bei Übergängen zwischen Elektronenniveaus ausgetauscht werden, sind in der Regel um eine Größenordnung größer als die Quanten, die bei Übergängen zwischen Schwingungsniveaus erzeugt werden, während die bei Rotationsübergängen ausgetauschten Quanten Energien haben, die wiederum um eine Größenordnung kleiner sind, als diejenigen der Schwingungsübergänge. Bei Übergängen unter Absorption oder Emission von Photonen liegt die Wellenlänge

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des zu einem elektronischen Übergang gehörigen Photons im allgemeinen im ultravioletten und sichtbaren Teil des Spektrums, die Photonenwellenlänge für Schwingungsübergänge liegt im Infraroten, während durch Rotationsübergänge Photonen entstehen, deren Wellenlängen im Mikrowellenbereich liegen.

Je größer die Anzahl der Atome in einem Molekül ist, umso mehr schwingende Bindungen können im allgemeinen zwischen Atomen und Atomtruppen vorliegen und umso größer ist die Anzahl der sogenannten Normalschwingungen. Jede Normalschwingung besitzt eine Reihe diskreter Energieniveaus, und im allgemeinen kann ein Übergang im Schwingungszustand eines Moleküls gleichzeitige Änderungen in den Niveaus einer beliebigen Kombination von Normalschwingungen beinhalten.

Im Hinblick auf die Energie, die notwendig ist, um einen Übergang von einem Elektronen-Energiezustand in einen anderen Elektronen-Energiezustand mit Hilfe von Molekülstößen, bei denen eine Umwandlung von kinetischer Energie in potentieller Energie stattfindet, zu bewirken, werden, da die benötigten Energieaustauschquanten vergleichsweise große sind, bei den meisten Molekülen die höhere elektronischen Energiezustände erst bei Temperaturen erreicht, die sich den Plasmatemperaturen von der Größenordnung 3000 K oder mehr nähern. Eine kinetische Anregung der höheren Schwingungszustände unter Verbleib des Elektronenzustands im Grundzustands läßt sich typischerweise bei Temperaturen von 200 bis 2000° K erreichen. Bei niedrigen Temperaturen, wie etwa Raumtemperatur, bei ungefähr 300° K, können im allgemeinen nur kinetische Anregungen und Entregungen statt« finden, die über Übergänge zwischen Rotations- und Schwin-

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3?

gungsenergieniveaus gehen.

Die kinetischen Anregungen, bei welchen während eines Stoßes zwischen zwei Molekülen kinetische Übergangsenergie ausgetauscht wird und elektronische, Schwingungs- oder Rotationsenergie ausgetauscht wird und elektronische, Vibrationsoder Rotationsniveaus geändert werden, sind zu unterscheiden von Molekülwechselwirkungen mit Photonen, bei welchen unter Absorption oder Emission eines Photons Rotationsniveaus, Schwingungsniveaus und/oder Eloktronenniveaus angeregt oder entregt werden. Die Absorption eines Photons hebt die innere Energie eines Moleküls an, die Emission eines Photons vermindert die innere Energie.

Bei Photon- Molekülwechselwirkungen sind nicht alle möglichen Übergänge zwischen tieferen und höheren Rotations-, S_chwingungs- oder Elektronenniveaus erlaubt. Es sind vielmehr nur gewisse Übergänge erlaubt, die durch die sogenanten Auswahl— regeln bestimmt werden. Die bei photoneninduzierten Prozessen möglichen angeregten Rotations-, Schwingungs- oder elektronischen Übergänge sind also auf die durch die Auswahlregeln definierten beschränkt. Indem die Auswahlregeln die zulässigen Übergänge definieren, definieren sie ferner auch die zur Erreichung eines gewissen Übergangs, der ein elektronischer, Schwingungs- oder Rotationsübergang oder irgendeine Kombination davon sein kann, von einem tieferen in einen höheren Energiezustand notwendige Photonenenergie, Übergänge, bei welchen sowohl ein elektronischer als auch ein Schwingungszustand gleichzeitig geändert werden, nennt man vibronische Übergänge, während man Übergänge, bei welchen sich unter Beibehaltung des Elektronenzustands sowohl der Schwingungszustand als auch der Rotationszustand ändern_f Rotations-

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schwingungsübergänge nennt. Da während Änderungen des Schwingungszustands immer Änderungen des Rotationszustands auftreten, nennt man die Rotationsschwingungsübergänge im allgemeinen Schwingungsübergänge, Die Begriffe Schwingungsenergieänderungen und Rotationsschwingungsenergieänderungen beziehen sich daher auf die gleiche Zustandsänderung. Ein vibronischer Übergang ist auch von einem gleichzeitigen Rotationsübergang begleitet., jedoch ist die Wirkung des letzteren auf den vibronischen Übergang im allgemeinen unbedeutend und wird daher nicht besonders erwähnt.

Das Strahlungsemissionsspektrum eines vibronischen Übergangs besteht in der Regel aus einer Reihe von Banden, wobei sich innerhalb jeder Bande eine Struktur wiederfindet, die sich aus den einzelnen Rotationslinien zusammensetzt, deren Abstand und Ordnung durch die Auswahlregeln für die Strahlungsübergänge bestimmt werden. Das Strahlungsemissionsspektrum aus einem Rotationsschwingungsübergang ist im allgemeinen eine einzelne Bande. Für schwere Moleküle sind viele Schwingungszustände niedriger Energie bereits kinetisch angeregt, d.h. , der untere Energiezustand des Übergangs enthält verschiedene niedrige Schwingungszustände. In diesem Fall setzt sich eine Schwingungsbande aus einer Überlagerung von vielen sogenannten "Heißbanden" zusammen, deren Umrisse gleich sind, deren Intensitäten jedoch variieren und deren Frequenzen sich infolge anharmonischer Verschiebungen unterscheiden, wobei diese Verschiebungen für jeden Schwingungszustand niedriger Energie, auf welchen das Molekül bereits thermisch angeregt war, eine andere ist.

Typische Lebensdauern für die spontane Emission von Strahlung durch Moleküle in elektronisch angeregten Zuständen oder

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ionisierten Zuständen liegen in der Größenordnung von 10 bis 10" Sekunden. Aus diesem Grund lassen sich chemische Reaktionen mit Molekülen in angeregten Zuständen nur schwer erreichen, es sei denn, daß die Reaktionszeiten schneller

-m(~\ ft

als 10" bis 10" Sekunden sind. Ein Beispiel solch schneller Reaktionen sind dissoziative Reaktionen, bei welchen das Molekül durch die vibronische Anregung auseinanderbricht,

Strahlungslebenadauern von vibronisch angeregten Zuständen liegen in der Umgebung von 1 bis 10**^J Sekunden. Es existiert daher ausreichend Zeit für eine chemische Reaktion über eine Wechselwirkung mit Reaktionspartnern, welche bei typischen

-4 -2 -7

Drucken von 10 bis 10 Atmosphären gewöhnlich 10 bis 10"*-^ Sekunden pro Molekülreaktion benötigt. Rotationszustände haben Strahlungslebensdauern, die üblicherweise im Bereich zwischen 10 und 10 Sekunden liegen.

Neben der Abregung eines angeregten Schwingungszustands durch Photonenemission ist ein weiterer wichtiger Verlust— mechanismus die kinetische oder Kollisionsabregung, die auch Vibrations-Translations-Relaxastion (VT-Relaxation) genannt wird. Pur eine wirkungsvolle chemische Reaktion von laserangeregten Isotopenmolekülen muß die chemische Reaktionsgeschwindigkeit von der Größenordnung der und vorzugsweise größer als die VT-Relaxations- und Photoemissionsgeschwindigkeiten sein. Im allgemeinen ist die VT-Geschwindigkeit umso langsamer je schwerer das Molekül ist. Die Reaktion:

(\O + HCl —> UF-Cl + HF* (vsl oder Z) (i)

beispielsweise genügt dieser Bedingung, weil die chemische Reaktion von HCl mit angeregtem UFg (UF£), das auf den an-·

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geregten Schwingungszustand V_ angeregt ist, schneller als die VT-Abregungsgeschwindigkeit der y„-Schwingung durch andere UFg-Moleküle ist. Die sogenannte Schwingungs-Schwingung- bzw, Vibrations-Vibrations- oder W-Transfer der V--

235 238 Schwingung von etwas U F£ auf U Fg ist aus den gleichen Gründen, nämlich wegen der hohen Masse des UFg, langsam, verglichen mit der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit. Die Reaktion (l) erfordert, daß UF, auf eines oder mehrere Niveaus der y¹ „-Schwingung angeregt wird. Andere Schwingungen, wie etwa V/- oder Vg, können keinen aktivierten Komplex erzeugen, der zu Reaktion (i) führt.

Es hat sich experimentell gezeigt, daß Reaktion (i) bei einem Gesamtdruck von 3 Torr und einer Temperatur von 295 K mit einer Quantenausbeute von ungefähr 25$ abläuft. Die Reaktion ist exotherm mit einer Energiefreisetzung von ungefähr 1+ 0,5 eV und nahezu thermoneutral, wenn das erzeugte HF ein-oder zweimal schwingungsangeregt wird (hy = 0,513 eV). Von den thermoneutralen Reaktionen weiß man, daß sie mit hohen Geschwindigkeiten ablaufen. Die Anregung der "^„-Schwingung in hat sich als wesentlich für die chemische Reaktion mit HCl

herausgestellt. Bei Raumtemperatur ist UFs- bereits in wesentlichem Maße auf viele Schwingungszustände, einschließlich des V_-Zustands, angeregt, aber die meisten dieser angeregten Zustände sind die tiefer liegenden Schwingungen Vg ι vL und vY· Venn UTV mit einem geeigneten Laser, etwa einem CIF-Laser, auf das V,,-Niveau gepumpt wird, dann wird die V„-Population von UF^ auf einen Wert gezwungen, der das thermische Populationsniveau von vL in erheblichem Maße überschreitet. Wegen der langsamen VT- und W-Relaxation der Vq-Sckwingung (im wesentlichen wegen der großen Masse von UFv) ist der Aufbau einer hohen V^-Population möglich, und die chemische Reaktion mit HCl in einem UFg/HCl-Gemisch vird erheblich über die thermische

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Reaktionsgeschwindigkeit hinaus gesteigert.

Bei Betrachtung der Energieübergänge, die bei der Durchführung der Erfindung nützlich sind, darf das Augenmerk nicht nur auf die erlaubten Energieübergänge der Moleküle, sondern muß auch auf die Mittel zur Erzeugung der Photonen mit Energieen, die den gewünschten Energieübergangen entsprechen, gerichtet werden.

Eine Schwingungs-Absorptionsbande, ob sie nun Teil der Reihe von Banden in einem vibronischen Spektrum oder eine Bande aus einem Rotationsschwingungsspektrum ist, weist eine Einhüllende auf, die sich über einen bekannten Berech von Photonenfrequenzen erstreckt , und innerhalb dieser Einhüllenden befinden sich nahezu diskrete Frequenzen, auch Linien genannt, die den erlaubten Rotations- + Schwingungs— Übergängen (Rotationsschwingungs-Übergänge) entsprechen. Die Rotationsschwingungslinien unterliegen einer Druck- und Temperaturverbreiterung. Das heißt, daß mit Anhebung der Temperatur der Moleküle die geringe Variation in erlaubten Frequenzen, die zu jeder Rotationsschwingungslinie gehören, zunimmt. Bei ausreichend hoher Temperatur kommt es zu einer wesentlichen Überlappung der Linien und es ist kein Zwischenraum zwischen den Linien mehr vorhanden. Dieser Verbreiterungseffekt auf die Rotationsschwingungslinien wird oft "Temperaturverbreiterung" genannt. Ein anderer Effekt, der zu einer Verbreiterung der Linien führt, tritt auf, wenn man den Druck oder die Dichte der Moleküle erhöht. Dies nennt man "Druckverbreiterung" .

Die meisten Schwingungsbanden kann man in drei verschiedene Bereiche unterteilen, nämlich den P-, den Q- und den R-Zweig.

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Die Rotationsschwingungslinienin den P- und R-Zweigen, ( die den linken und den rechten Flügel der Bande umfassen) liegen bei geeignet niedrigen Drucken, ziemlich, weit auseinander, in dem in der Mitte liegenden Q-Zweig überlappen sich, jedoch, benachbarte Rotationsschwingungslinien stets, so daß der mittlere Q-Zweig in einer Rotationsschwingungsbande stets als eine breite ununterteilte starke Emissions— oder Absorptionsbande erscheint. Bei ausreichend hohen Normalfrequenzen (X_x ^- 1000 cm" ) existiert in der Regel eine einzige Schwingungs- Emissions- oder Absorptionsbande, wenn diese jedoch niedrig sind (V₀I₄ ^ 1000 cm" ), überlagern sich eine Anzahl von sogenannten "Heißbanden" bei Raumtemperatur, von denen jede aus einer einzelnen P-, Q-, R-Zweig-Folge zusammengesetzt ist. Da jede Heißbande verglichen mit der Kaltbande infolge von anharmonischen Effekten geringfügig in der Freuqenz verschoben ist, führen die überlagerten Heißbanden in ihrer Gesamtheit dazu, daß der mittlere Abstand der Rotatiorrsschwingungslinien in den P- und R-Zweigen erheblich verringert wird, während die heißen Q-Zweige dazu führen, daß der Mittelteil der Bande ein erheblich ausgebreiteter Kontinuum-Absorptionsbereich (oder Emissionsbersich) wird.

Ein Heißbandenübergang ist"ein Übergang, bei welchem das untere Schwingungsniveau des betrachteten grundlegenden Übergangs nicht der absolute Grundzustand ist, sondern ein Zustand, bei welchem eine oder mehrere Normalschwingungen niedriger Frequenz angeregt sind. Im allgemeinen sind die Schwingungsfrequenzen umso niedriger, je schwerer die Atome in einem Molekül sind, und umso reichlicher ist daher die Heißbandenbildung. Die Zahl der existierenden Heißbanden ist auch umso größer, je höher die Temperatur ist. Für UF^ gibt es bei Raumtemperatur einige tausend wirksame Heißbanden, während bei 235° K diese Zahl ungefähr 300 beträgt.

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Wegen der Dominanz der vielen verteilten Q-Zweige ist infolgedessen ein weiter Bereich des Absorptionsspektrums in der Mitte einer Vibrationsbande des UF ^ kontinuierlich. Es treten jedoch einige Bereiche mit aufgelockerter Struktur
weit draußen im Bereich der P-Zweige und in einem begrenzten Abschnitt des Bereiches der R-Zweige auf, wenn die Gasdrucke im allgemeinen unter ungefähr 3 Torr liegen.

Je niedriger die Temperatur, desto kompakter wird im allgemeinen der Bereich der Q-Zweige und desto mehr aufgelockerte Struktur befindet sich in den Bereichen der P- und R-Zweige. Auch hat eine Grundbande (V oder V. bei UF^) eine geringere Dominanz durch Q-Zweige als die Zweifach- oder

Dreifachkombinationsbande, wie etwa 3 V~· Für letztere ist die anharmonische Intervibrationsverschiebung größer. Für die (v + y^ + V^) - und die (3 Vo)- Dreifachkombinationsbanden von UFg beispielsweise sind die Q-Zweige bei Raum-

■"■■ — 1

temperatur über mehr als 12 cm des Frequenzraums ausgebreitet, was im wesentlichen dazu, führt, daß die gesamte
Bande eine einzige ununterteilte bzw. dichte Bande ohne
offene bzw. aufgelockerte Struktur wird. In diesen Fällen läßt sich eine Isotopentrennung mit guter Ausbeute im allgemeinen bei Frequenzen an den Rändern der Einhüllenden
der Q-Zweige, sowohl auf der Niederfrequenz- als auch auf der Hochfrequenzseite, durchführen.

Dieser spektrale Lösungsweg wird "Q-Abfall-Methode" genannt, zum Unterschied vom "Spitze-Loch"-Verfahren in den offenstrukturierten Bereichen der P- oder R-Zweige, das weiter unten diskutiert wird.

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Für die (y> +V^ + Vg)- und (3 V„) -Banden von UFg, deren Frequenzen nahe bei den CO- und CO-Laseremissionslinien liegen, dominieren die heißen Q-Zweige selbst bei niedrigen Temperaturen die gesamte Bande. In diesen Fällen ist also die "Q-Abfall-Methode" angezeigt. Der Abfall der Q-Ränder wird steiler mit abnehmender Temperatur, weshalb für zwei Isotopenmoleküle, deren Spektren eine Isotopiever schiebung aufweisen, die Möglichkeiten für eine Isotopentrennung bei niedrigeren Temperaturen besser (d.h. höher) werden, weil das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte der Isotopenmoleküle größer wird. Am Hochfrequenzrand variiert der Abfall der Einhüllenden der Q-Zweige theoretisch ungefähr mit dem Kehrwert der Temperatur, wenn man den Logarithmus des Absorptionsquerschnittes gegen die Frequenz aufträgt. Je niedriger daher die Temperatur, desto steiler der Abfall und desto besser daher die Möglichkeit für eine gute Isotopentrennung durch die Q-Abfall-Methode wegen des höheren Absorptionsquerschnittsverhältnisses.

Für die v> -Grundbande des UFg nehmen die dichten Q-Zweige im Mittelbereich nur ungefähr 5 cm" bei einer Temperatur von 3OO K ein, und 3 cm" des Frequenzraums bei 230 K. Im Gegensatz zu den 3 \7_~ und (v' +Vi₄. + Vg)-Banden dominieren die heißen Q-Zweige von V? nicht vollständig die gesamte Absorptionsbande. Für y_ können Bereiche der P- und R-Zweige mit Spitzen und Löchern existieren, wenn der Druck unterhalb von ungefähr 1 Torr liegt.

Als Ergebnis der obigen Überlegungen ist eine echte Einstufenisotopentrennung möglich, indem man eine geeignete Laserlinie eines CIF-Lasers beispielsweise auf eine Spitze

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235 der P-Zweige oder R-Zweige von U F^ abstimmt, die mit

238
einem Loch im U Fg-Spektrum,oder vice versa, zusammenfällt, wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 diskutiert wird. Dieser spektrale Lösungsweg wird "Spitze—Loch—Verfahren" genannt, im Gegensatz zum oben diskutierten Q-Abfall-Lösungsweg.

Im allgemeinen lassen sich für den Q-Abfall-Lösungsweg Frequenzen finden, bei welchen das Verhältnis der Isotopenabsox'ptionsquerschnitte (⁰^-I 5/^038 ^{oder c:r}238^^CS23 5^ ^{2 bis} 5 beträgt, während bei dem Spitze-Loch-Verfahren ein Verhältnis von ungefähr 10 oder mehr bei UFg möglich ist.

Wenn nur gewisse Rotationsschwingungsübergänge des einen Isotops in den P- oder R-Zweigen einer Schwingungsbande induziert werden sollen und nicht auch solche von angrenzenden überlappenden Linien anderer Isotope, und vorausgesetzt, daß die Ausbreitung der heißen Q-Zweige begrenzt ist und dieses zulassen, ist es notwendig, daß die Temperatur und der Druck der Moleküle vergleichsweise niedrig gehalten werden, so daß die Frequenzbreiten der Rotationsschwingungslinien klein und wenigstens kleiner als die Frequenzdifferenz zwischen den Mitten zweier aufeinanderfolgender Rotationsschwingungslinien, die man auch den Linienabstand nennt, sind. Eine tiefe Temperatur minimalisiert ferner die Bildung von Heißbanden und damit eine mögliche Dominierung der strukturierten P- und R-Zweige durch die kontinuierlichen Q-Zweige.

Ein anderes physikalisches Merkmal, das zum Verständnis der Grundlagen der Erfindung wichtig ist, ist die sogenannte Isotopie-Frequenzverscliiebung von Übergängen zwischen Schwingungszuständen. Da die Frequenz des zu be-

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stimmten Übergängen zwischen Schwingungszuständen gehörigen Photons von der Masse des Moleküls abhängt, sind die Mittenfrequenzen der Schwingungsbanden zweier chemisch identischer aber isotopisch verschiedener Moleküle etwas voneinander verschieden. Eine Xsotopieverschiebung existiert auch für elektronische Übergänge, jedoch ist diese Verschiebung wesentlich kleiner als die zu Übergängen zwischen Schwingungsniveaus gehörige Isotopieverschiebung.

Da die Frequenzen der Schwingungsbanden von zwei chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen in dieser Weise verschoben sind, können die Rotationsschwingungslinien der P— und R-Zweige der Bande eines der Isotopenmoleküle im wesentlichen zwischen die Rotationsschwingungslinien in gewissen Bereichen der P- und R-Zweige der Bande des anderen Isotopenmoleküls fallen, und zwar unter Bedingungen, unter denen und in Bereichen, wo heiße Q-Zweige nicht dominieren. . Venn also unter solchen Bedingungen eine Isotopentrennung in einem Isotopengemisch von Molekülen bewirkt werden soll, wird das Gemisch mit extrem monochromatischen Photonen bei einer Frequenz bestrahlt, die mit der Spitze von irgendwelchen 1 bis 20 überlappenden Rotationsschwingungslinien in der Rotationsschwingungsbande von nur einem der zwei Isotopenmoleküle und mit keiner oder wesentlich weniger Rotationsschwingungslinien des anderen Isotopenmoleküls zusammenfällt. Im allgemeinen können unter den allgemein verfügbaren Lasern die Infrarotlaser Photonen mit der Monochromasie liefern, die notwendig ist, um die scharfen Spitzen von einer bis 20 zusammenfallenden Rotationsschwingungslinien in einer Rotationsschwingungsbande anzuregen, während Ultraviolett-Laser solche Spitzen in einer vibronischen Bande anregen können. Deshalb wird in den hier beschriebenen bevorzugten

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Ausführungsformen der Erfindung ein Laser als Photonenquelle verwendet. Es versteht sich jedoch, daß, falls verfügbar, an seine Stelle auch irgendeine andere Quelle treten kann, die solche Photonen liefert»

Venn kontinuierliche heiße Q-Zweige im größten Teil der Absorptionsbande eines Moleküls mit zwei oder mehr Isotopenarten dominieren, liegt die für die Isotopentrennung optimale Frequenz gewöhnlich dort, wo der Abfall der Einhüllenden für den mikroskopischen Absorptionsquerschnitt der Q-Zweige (aber nicht der Transmissionskurve der Q-Zweige) für eines der Isotopenmoleküle am höchsten ist. Der Bereich, wo die Einhüllende für die Q-Zweige am steilsten ist, tritt in den meisten Fällen an den linken und rechten Rändern der Einhüllenden der Q-Zweige auf, wo die Intensität der Gesamtheit der heißen Q—Zweige auf das Niveau der Linienintensi— täten der P- oder R-Zweige abfällt. In einem solchen Q-Abfall-Bereich ist das Verhältnis von dem Absorptionsquerschnitt des ausgewählten Isotopenmoleküls zu demjenigen des anderen Isotopenmolektils am höchsten und somit die Isotopentrennung optimal. Wiederum werden Photonen mit einem hohen Grad an Monochromasie zur Wahrung eines hohen Verhältnisses der Isotopenabsorptionsquerschnitte benötigt·

Da die Schwingungs-isotopieverSchiebung von Molekülen gewöhnlich erheblich größer als die zu Atomen gehörige elektronische Isotopieverschiebung ist, ergibt die Verwendung von Molekülen und die Ausnützung ihrer Schwingungs-IsotopieverSchiebung gemäß der Erfindung eine wesentlich wirkungsvollere Isotopentrennung, als wenn Atome, in elementarer Form, verwendet würden und eine Isotopentrennung über die elektronische Isotopieverschiebung, wie bisher vorgeschlagen, versucht würde. Dies gilt insbesondere für hoch-

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siedende Elemente, die ein Molekül mit niedrigem Siedepunkt bilden können. Je höher die Masse der Isotopenelemente ist, desto schwieriger ist es, eine Isotopentrennung über die reine elektronische Isotopieverschiebung bei elementaren Atomen anzuwenden. Deshalb erweist sich eine molekulare Isotopentrennung, die auf die Schwingungs—Isotopioverschiebung baut, als brauchbarer.

Um sicherzustellen, daß die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Laserphotonen eine Frequenz haben, die so genau wie möglich eine Frequenz in der Absorptionsbande, wo das unerwünschte Isotop ein Loch hat (Spitze-Loch-Verfahren), trifft, oder einen Bereich, wo die. Absorptionsintensität des abzutrennenden Isotopenmoleküls verglichen mit der Absorp— tionsintensität des anderen Isotopenmoleküls hoch ist (Q-Abfall-Verfahren), kann die Frequenz der Laserphotonen mit Hilfe einer Filterzelle, die intern oder extern bezüglich des Laser-Resonatorsystems angeordnet ist, abgestimmt werden. Eine solche Filterzelle ist gewöhnlich für das Spitze-Loch-Verfahren wesentlich, kann jedoch bei dem Q-Abfall-Verfahren weggelassen werden. Die Filterzelle enthält Moleküle mit Atomen eines Isotops, die von den Molekülen mit den anzuregenden und abzutrennenden Isotopenatomen verschieden sind. Daher werden Laserphotonen mit Frequenzen, die auf die Frequenzen starker Rotationsschwingungs« linien der in der Filterzelle befindlichen Moleküle passen, unterdrückt bzw. durch Absorption beseitigt, und nur Pho— · tonen mit Frequenzen zwischen den Spitzen der Linienfrequenzen können erzeugt bzw. vom Laser weitergegeben werden. Da in bestimmten Spektralbereichen die Moleküle mit dem anzuregenden und abzutrennenden Isotop starke Rotationsschwingungslinien oder andere Absorptionsgebiete mit Spitzen in Lagen zwischen den Linien der in der Filterzelle befindlichen Moleküle haben, können die Laeerphotonen Fre-

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quenzen haben, die auf diese starken Absorptionsfrequenzen des anzuregenden und abzutrennenden Isotopenmoleküls passen
oder nahezu passen.

Zusätzlich erreicht man eine SpiegelabStimmung der Laserphotonenfrequenzen zur Erzielung einer besseren Koinzidenz mit einer Frequenz, bei welcher man das höchste Absorptions— querschnittsverhältnis zwischen dem anzuregenden und abzutrennenden Isotopenmolekül und dem anderen Isotopenmolekül oder den anderen Isotopenmolekülen erhält, indem man ein
drehbares Gitter als einen Endspiegel zur Grobabstimmung
verwendet und den Abstand zwischen zwei zusätzlichen, teildurchlässigen und eng beieinanderliegenden Laserspiegeln
zur Feinabstimmung variiert. Das Resonatorsystem zur Feinabstimmung, welches 3 Spiegel- bzw. Teilspiegelelemente umfaßt, wird oft "Doppelresonatorsystem" oder "gekoppeltes
Resonatorsystem" genannt.

Für das Spitze-Loch-Verfahren ist gewöhnlich eine Spiegelgrob- und -feinabstimmung wesentlich, für die Q-Abfall-Methode ist eine Grobabstimmung nur mit einem drehbaren
Gitter im allgemeinen ausreichend..

Unter manchen Bedingungen kann die Schwingungs—Isotopieverschiebung dazu führen, daß viele der in wiederkehrenden Abständen liegenden Rotationsschwingungslinienfrequenzen in den P- und R-Zweigen der Rotationsschwingungsbande des einen Iso— topenmoleküls mit Rotationsschwingungslinienfrequenzen des anderen Isotopenmoleküls zusammenfallen. Da jedoch die Abstände der Rotationsschwingungslinien nicht vollständig
linear sind und da bei allen Linien infolge von intramolekularen Ströungen auch Aufspaltungen vorhanden sind und da es ferner vüe nichtproportionale anharmonische Verschiebungen der Heißbanden gibt, hat sich im Falle sehr schwerer Moleküle,

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wie etwa UP^, gezeigt, daß es Gebiete im interessierenden Frequenzbereich, gibt, wo einige Rotationsschwingungslinienfrequenzen des einen Isotopenmoleküls im wesentlichen zwischen Rotationsschwingungslinienfrequenzen des anderen Isotopenmoleküls in den Frequenzbereichen der P- und R— Zweige fallen. Durch Wahl eines Infrarot-Lasers mit einer Ausgangsfrequenz in einem solchen Bereich kann die Laser— frequenz dann durch Filterung und/oder Spiegelabstimmung, wie oben beschrieben, so einjustiert werden, daß sie im wesentlichen mit einem Übergewicht an Linien des einen Isotopeiunoleküls zusammenfällt. Selbst für Bedingungen, bei welchen die heißen Q-Zweige das Bandenspektrum dominieren, erzeugt die Schwingungs—Is ο topi ever schilling Bereiche im Spektrum, wo ein hohes Verhältnis des Absorptionsquerschnitts des einen Isotopenmoleküls in Bezug auf den des anderen Isotopenmoleküls existiert. Solche Bereiche treten in der Regel an den seitlichen Abfällen der Einhüllenden der Q-Zweige auf. Ein Infrarot-Laser, bei welchem die Frequenz der ausgehenden Photonen auf solche Bereiche, wie beschrieben, abgestimmt werden kann, läßt sich für eine wirkungsvolle Isotopentrennung heranziehen.

Wenn die Filterzelle innerhalb des Laser-Resonators, d.h. zwischen den Endspiegeln, angeordnet ist, und wenn dieser Laser ferner mit Hilfe der Gitterspiegeljustierung so abgestimmt ist, daß er mit seiner Frequenz auf einen Bereich mit geringstem Überlapp bzw. höchstem A^sorptionsquerschnittsverhältnis, je nach dem ob die Spitze-Loch-Technik oder die Q-Abfall-Technik herangezogen wird, fällt, können nur diejenigen Photonen lasern, die von der Filterzelle am wenigsten absorbiert werden, d.h. diejenigen Photonen mit der für die Anregung des gewünschten Isotopenmoleküls am wünschenswertesten Frequenz. Falls die Filterzelle außerhalb des Lasers an-

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geordnet wird und die Laserfrequenz mit Hilfe des Gitters grobabgestimmt wird, muß diese mit Hilfe einer Abstandsjustierung der Spiegel weiter feinabgestimmt werden, bis ein Maximum an gefilterten Photonen die Filterzelle durchläuft und starke Absorption für das gewünschte Isotopenmolekül auftritt. Für einen solchen Zustand liegt die Laserphotonenfrequenz bzw. liegen die Laserphotonenfrequenzen vorzugsweise zwischen den Frequenzen starker Rotationsschwingungslinien bzw. in Bereichen niedriger Absorption der Moleküle in der Filterzelle und fallen mit den starken Absorptionslinien bzw. -bereichen des gewünschten anzuregenden und abzutrennenden Isotopenmoleküls zusammen.

Vor dem Hintergrund obiger Ausführungen wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung einer insgesamt mit 10 bezeichneten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei der Ausführungsform 10 ist eine Reaktionskammer 12 vorgesehen, deren Wände einen Hohlraum 1^ definieren. In der Reaktionskammer ist ein Fenster 16 vorgesehen, durch welches ein Photonenstrahl 18 eintreten kann, dessen Photonen eine Energie in ausgewählten Frequenzen haben, wie weiter unten im einzelnen noch diskutiert wird.

Eine Quelle chemisch identischer aber isotopisch verschiedener Moleküle 20 ist an eine Pumpe 22 angeschlossen, die die chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle in eine Mischkammer 2k pumpt. Aus einer Quelle 26 wird ein chemisch reaktiver Stoff mit Hilfe einer Pumpe 28 in die Mischkammer 2k gepumpt. Das Verhältnis der Mengen von chemisch identischen aber isotopisch, verschiedenen Molekülen einerseits und des chemisch reaktiven Stoffes andererseits wird, wie weiter unten noch im einzelnen beschrieben, bo gewählt, daß sich eine geeignete Reaktion zwischen ihnen ergibt.

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Der Inhalt der Mischkammer 2h wird durch eine Pumpe 3O in den Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 gepumpt. Es versteht sich natürlich, daß die Mischkammer Zk weggelassen werden kann und daß der chemisch reaktive Stoff und das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen direkt in den Hohlraum lh der Reaktionskammer gepumpt werden können. Oder falls der chemisch reaktive Stoff in fester Form vorliegt und bei der Reaktion nicht verbraucht wird, kann er direkt im Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 angeordnet werden.

Eine Abtrenneinrichtung 32 für_xfestes Produkt und/oder eine Abtrenneinrichtung 82 für gasförmiges Produkt sind bzw. ist mit der Reaktionskammer 12 zum selektiven Abführen eines ausgewählten chemischen Produkts aus dem Hohlraum 14 nach Ingangsetzen der gewünschten chemischen Reaktion verbunden. Eine Pumpe Jh kann dazu verwendet werden, aus dem Hohlraum lh der Reaktionskammer 12 dessen Inhalt abzuführen, während eine Pumpe 80 dazu verwendet werden kann, das Produkt über Einrichtung 82 abzuführen.

Es ist eine, insgesamt mit 36 bezeichnete, Einrichtung zur Erzeugung eines Photonenstrahls 18 vorgesehen, wobei diese in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im allgemeinen einen Laser 38 mit zwei Spiegel 40 und k2 zur Erzielung von Laseraktivität innerhalb einer Laserzelle kh und mit einem Gitter k6 zur Grobabstimmung der Laserfrequenz umfaßt. Der Laserspiegel hZ hat entsprechend den Laserbetriebstechniken auch einen gewissen Prozentsatz an Transmission, so etwa 2 bis 305& Transmission, damit der durch die Laseraktivität erzeugte Laser-Photonenstrahl 18 aus dem Laser 38 austreten kann·

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Gegebenenfalls kann ein Frequenzverdoppler 76 zwischen den Laser-Endspiegeln angeordnet werden, um die natürliche Laserfrequenz der Photonen zuverdoppeln. ¥enn ein Laser für fernes Infrarot verwendet wird, kann es sich bei dem Frequenzverdoppler zur Erzielung von Photonen mit Energien in den Frequenzen, die zur Erreichung der selektiven Isotopentrennung gemäß der Erfindung notwendig sind, um einen Cadmiumgermaniumarsenid-Kristall (CdGeAs₂-Kristall) handeln.

Zwei Spiegel k8 und 50 können dazu verwendet werden, den Photonenstrahl 18 durch das Fenster 16 in die Reaktionskammer 12 bzw. ihren Hohlraum 14 zu lenken. Im Hohlraum Ik können zwei etwas geneigte Spiegel 52 und 5h vorgesehen und so angeordnet sein, wie es nötig ist, um die für eine wirkungsvolle Absorption der Photonen des Photonenstrahls 18 im Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 nötige Gesamtweglänge zu liefern. Anstelle der beiden geneigten Spiegel 52 und 5h kann auch irgendeine andere Anordnung, wie etwa ein einfaches langes Rohr, "White"-Spiegel und/oder verschiedene Kombinationen von Spiegeln und/oder Reflektoren, zur Erzeugung der für eine Absorption erforderlichen Weglänge verwendet werden.

Eine Filterzelle 58, die als Teil der Einrichtung 36 zur Erzeugung des Photonenstrahls 18 betrachtet werden kann, hat Wände 60, die einen Filterhohlraum 62 definieren. Der Filterhohlraum 62 enthält ein Filtergemisch, wobei das Filtergemisch so ausgewählt ist, daß es aus dem im Laser 38 erzeugten Photonenstrahl diejenigen Photonen aussondert, deren Frequenzen sich von den im Photonenstrahl 18 zur Erzielung der selektiven Isotopentrennung in der Reaktionskammer 12 notwendigen Frequenzen unterscheiden. Der Photonen— weg in der Filterzelle 58 kann, falls nötig, mit Hilfe von Standardanordnungen aus Paaren geneigter ebener Spiegel oder

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mit Hilfe von Anordnungen aus gekrümmten White-Spiegeln verlängert werden. Darüber hinaus kann der Photonenstrahl 18 durch ein abstimmbares Fabry-Perot-Filter 78 geleitet werden, um irgendwelche Restphotonen mit unerwünschten Frequenzen zu entfernen.

Wie man Fig. 1 entnimmt, liegt die Filterzelle 58 im optischen Weg zwischen den Spiegeln 40 und 42 des Lasers 38. Diese Anordnung wird in der Regel bevorzugt, weil sie die Erzeugung von Laserenergie bei ungewollten Frequenzen auf ein Minimum herabsetzt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Filterzelle 58 außerhalb der zum Laser 38 gehörigen Spiegel anzuordnen. Beispielsweise kann die Filterzelle 58 außerhalb des zwischen den Spiegeln 40 und 42' verlaufenden optischen Weges, wie durch die gestrichelt eingezeichnete Lage des Spiegels 42^f in Fig. 1 angedeutet, angeordnet sein, so daß die Filter-'zelle 38 nicht im Laser-Resonatorsystem, welches die Spiegel 40 und 42' sowie die Laserzelle 44 umfaßt, liegt. Diese Anordnung gestattet eine größere Unabhängigkeit in der Betriebssteuerung zwischen dem Laser 38 und der Filterzelle 58, ist aber unter Umständen weniger effizient als die oben beschriebene interne Anordnung, da einige bei unerwünschten Frequenzen liegende Laserenergie aus dem Laserstrahl durch Absorption entfernt wird und nachfolgend verloren ist. Durch Spiegelabstimmung der Laserfrequenz und durch Verwendung eines abstimmbaren Fabry-Perot-Filters 78 kann dieser Verlust jedoch auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die Spiegelabstimmung des Lasers 38 läßt sich durchführen, indem man das Reflexionsgitter 46 auf den Winkel einstellt, der für die Frequenz der gewünschten Laserlinie resonanzgebend ist und indem man beispielsweise den Laserspiegel 40

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in die durch den Doppelpfeil 66 angegebenen Richtungen einstellbar vorsieht. Die Spiegel 40 und 46 bilden das kurze Bein, die Spiegel 46 und 42 (oder 42^f) das lange Bein des in Fig. 1 dargestellten gekoppelten Doppelresonatorsystems. Das Bewirken von Änderungen der Länge des kurzen Beins, d.h. des Relativabstandes der Spiegel 40 und 46 mit Hilfe von auf den Spiegelhalterungen befindlichen piezoelektrischen Antrieben 92 ergibt eine Ultrafeinabstimmung. Ferner können die Spiegel 42 und 42' durch geeignete Einrichtungen piezoelektrisch vor und zurück bei 50 Hz oder mehr in die durch die Doppelpfeile 64 bzw. 64' angedeuteten Richtungen in Schwingungen versetzt werden, um ein sich wiederholendes Zusammenfallen der ausgewählten ultrafeinabgestimmtes Laser— resonatorlinie in den zwei Beinen des Doppelresonatorsystems sicherzustellen. Schließlich kann zur Vermeidung eines Driftens der Spiegelstellungen eine automatische Regelung durch Überwachung der Laserausgabe mit Hilfe eines Strahlen— teilers 86 und eines Meßgeräts 88, welches die piezoelektrisch angetriebene Spiegelhalterung 92 steuert, verwendet werden. Natürlich kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung anstelle eines Doppelresonatorsystems ein Einzelresonator— system wünschenswert und ausreichend sein, in welchem Fall dann der Spiegel 40 weggelassen und ein bezüglich des Spiegels 42 geeignet ausgerichteter Gitter-Endspiegel 46 mit nahezu totaler Rückreflexion angewandt wird. IDer oben beschriebene, in Fig. 1 schematisch dargestellt Aufbau wird bei einem Verfahren zur Trennung eines bestimmten Isotopen— moleküls aus einem Gemisch von chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen eingesetzt, um auf diese ■Weise eine Konzentration des bestimmten Isotops zu erhalten, die erheblich größer ist als die Konzentration in dem in der Natur vorkommenden Element. Beispielsweise kann obiger Aufbau in einem Verfahren zur Erzielung einer Konzentration

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235
von U eingesetzt werden, die weitaus größer ist als die 0,7$ V , die in natürlichem Uran vorhanden sind.

Als veranschaulichendes Beispiel kann die Quelle chemisch identischer aber isotopisch verschiedener Moleküle gasförmiges UF,- umfassen, welches die bestimmten Isotopenmoleküle U F^ und andere chemisch identische aber isotopisch verschiedene Moleküle u23°F, enthält. Der chemisch reaktive Stoff in der Quelle 26 des chemisch reaktiven Stoffes kann gasförmiger Chlorwasserstoff sein. Das UIV und der Chlorwasserstoff können in der Mischkammer 2h in einem Verhältnis von beispielsweise 1 Teil UF^ und 5 Teilen Chlorwasserstoff gemischt werden, um einen Überschuß an Chlorwasserstoff zu haben, damit die induzierte chemische Reaktion, wie unten beschrieben, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auftritt.

Das Gemisch aus "UTV und Chlorwasserstoff wird mit Hilfe der Pumpe 30 in den Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 gepumpt und wird darin gemäß einer Ausftihrungsform bei einer Temperatur von ungefähr 295 K und einem Gesamtdruck von im allgemeinen zwischen 1 und 100 Torr gehalten, welche Parameter den unteren Energiezustand des Uranhexafluorids gemäß den Grundlagen der Erfindung definieren. In einer anderen Ausfuhrungsform, die etwas höhere Isotopentrennfaktoren ergibt, liegt die Temperatur anstelle bei 295 K zwischen 200 K und 2^5 K und der Gesamtdruck wird auf einem Wert zwischen 0,05 und 5 Torr gehalten. Die selektive

235
Anregung der U ^J^F^-Moleküle wird durch Absorption von Photonen aus dem Photqnenstrahl 18 erreicht, welche Im

U F^ Übergänge von dem unteren Schwingungszustand in einen oberen Schwingungszustand bewirkt, welcher die bestimmte wünschenswerte V_-Schwingung

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enthält, die die Reaktion mit HCl fördert. Der Photonenstrahl

O O Q

18 verursacht vergleichsweise wenige Anregungen des U F^- Moleküls.

Zur Erreichung dieser selektiven Anregung, d.h. zur Erzielung von photoneninduzierten Übergängen von hauptsächlich TJ F-ς— Molekülen und von wesentlich weniger Übergängen von U^3"p^_— Molekülen, ist die Filterzelle 58 mit einem Piltergas im Filterhohlraum ö2 versehen, das im wesentlichen reines gasförmiges U^3ÖPg enthält. Aus Gründen die weiter unten im einzelnen beschrieben sind, kann die Temperatur des Filtergases ungefähr 290 K betragen und der Druck zwischen 0,1 und TO Torr liegen. In einer anderen Ausfuhrungsform, die bessere Anreicherungsfaktoren ergibt, befindet sich der Inhalt der Filterzelle auf einer Temperatur zwischen 200 und 235° K, anstelle der 290° K, um
deutlich, unter 2 Torr gehalten.

235 K, anstelle der 290 K, und wird auf einem Druck von

ο ο Q

Wenn in der Laserzelle kh erzeugte Photonen das U F^-Filter— gas durchlaufen, werden diejenigen Photonen, deren Frequenzen gleich den Frequenzen sind, die zu starken photoneninduzierten Übergängen zwischen dem unteren Schwingungszustand und dem oberen Schwingungszustand von TJ ^J F/- gehören, absorbiert und damit, im Falle einer internen Filterzellenanordnung, am lasern gehindert. Um die Stärkstmögliche Absorption durch U^35p,, und das höchste molekulare Absorptionsquerschnittsverhältnis von U 35p _zu υ -J ρ sicherzustellen, kann, wie beschrieben, eine zusätzliche Spiegelabstimmung durchgeführt werden. Es wird also in dem gefilterten Photonenstrahl 18 ein im wesentlichen reiner Strahl von Photonen mit einer Energie geschaffen, die Übergänge mit hohen Absorptionsquerschnitten für TJ F_Ä aber mit vergleichsweise niedrigen Ab-Sorptionsquerschnitten für U ^J Fg verursacht. Wenn dieser Photonenstrahl den Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 durch-

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«nc ο Ο Q

läuft, werden meistens die U ^J F^- und weniger die U ^J F^- Moleküle diese Photonen absorbieren, und meistens werden die Ij23;>F _Moleküle aus dem unteren Schwingungszustand in den höheren Zustand angehoben. Das Chlorwasserstoffgas kann Photonen der bestimmten, in den Rotationsschwingungs-Absorptionsbanden des UF/- liegenden Frequenzen nicht absorbieren. Im höheren Energiezustand, der die reaktionsfördernde y-Schwingung enthält, sind die U -^F^-Moleküle in Bezug auf das Chlorwasserstoffgas chemisch roaktionsfreudig, und die folgende Reaktion findet statt:

_{+ HC1} (g)-^>U²³⁵F Cl(g) + HF(g) (2)

23 5
Da gasförmiges U F*C1 in einem Zustand ist, in welchem es sich von dem in der Reaktionskammer 14 enthaltenen gasförmigen UF^ chemisch unterscheidet, und da UF-Cl einen viel niedrigeren Dampfdruck als UF ^ hat, läßt es sich, wie weiter unten in Verbindung mit den Figuren 5» 6, 7» und 9 noch diskutiert wird, in der Abtrenneinrichtung 82 durch Differenzialgefrieren abtrennen, wenn der Inhalt der Reaktionskammer 12 aus ihr mit Hilfe der Pumpe 34 abgezogen wird.

Das verbleibende gasförmige UF^, der gasförmige Fluorwasserstoff (HF) und der gasförmige Chlorwasserstoff (HCl) können durch die Pumpe 34 zur weiteren Trennung, zum Rückführen in den Kreislauf und Wiederverwendung abgezogen werden.

Sowohl das Abtrennen des U "^F-Cl-Produkts als auch das

Abführen des verbleibenden Gasgemischs aus UFg, HF, HCl kann entweder kontinuierlich oder chargenweise durchgeführt werden.

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Bex manchen Anwendungen der Erfindung bleiben alle Vorgänge so, wie sie beschrieben wurden, nur daß in allen Angaben durch U^35 und υ -⁵-³ durch U ersetzt werden müssen«

Solche Anwendungen führen zu einer chemischen Reaktion

O O Q O O ti

der angeregten U F^-Moleküle und lassen die U F^-MoIeküle vergleichsweise unreagiert, Dieser Typ von Vorgang wird dort angewandt, wo das Absorptionsquerschnittsverhältnis ^σ23β/^σ235 *■ ^{1 ist}*

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die insgesamt mit 10' bezeichnet ist. Anstelle des Paares von geneigten Spiegeln 52 und 5^ wie in Fig. 1 zeigt die Anordnung der Fig. 2 einen anderen Spiegelzug zur Zerstreuung der Laserphotonen in der Reaktionskammer 12·, nämlich Spiegel 56» und 7O· Natürlich lassen sich auch viele andere lange, absorbierende optische Wege, wie etwa die Whiteschen sphärischen Spiegel, verwenden, und das geneigte Spiegelpaar der Fig. und die zerstreuende Spiegelanordnung der Fig. 2 sind nur Beispiele.

In Fig. 2 ist ferner ein Frequenzwandlerkristall 72, im Weg des Laserstrahls zwischen dem Laserausgangsspiegel kZ* und einer extern liegenden Filterzelle 58' angeordnet und eine Quelle 7k für eine Idler-Strahlung, außerhalb des Lasers 38· angeordnet, gezeigt. Der Frequenzwandlerkristall 72 und die Quelle 7^ für die Idler-Pumpstrahlung können in Fällen angewandt werden, wo die Frequenz eines gegebenen Lasers so verschoben werden soll, daß sie in den Frequenzbereich einer Rotationsschwingungs- bzw. Schwingungs-Ab-•sorptionsbande des abzutrennenden Isotopenmoleküla fällt.

Ein weiteres in Fig. 2 gezeigtes Merkmal ist eine Variante unter den möglichen Doppelresonatoranordnungen. Ein teil'-

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durchlässiger Spiegel 84' koppelt das lange Resonatorbein an das kurze Resonatorbein, und anstelle der in Fig. 1 verwendeten alles reflektierenden Optikanordnung des kurzen Beins wird in Fig. 2 als Endspiegel ein Reflexiionsgitter 46' verwendet. Jede der beiden Anordnungen kann in jeder Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Die externe Filterzelle 58' dient der gleichen Funktion wie die Filterzelle 58 der Fig. 1, und ein Optimum an erwünschten Filter— photonen läßt sich erzielen, indem man den Laser 38' durch. Drehung des Gitters 46' so, daß sich der Einfallswinkel ändert, und durch Einstellen des Abstands zwischen dem End— spiegel 46' des Laserhohlraums und dem teildurchlässigen Spiegel 84^f, ohne oder mit Verwendung eines automatischen Regelkreises mit Strahlenteiler 86', Meßinstrumenten 88 * und 98' und piezoelektrischem Antrieb 92*, abstimmt. Der übrige in Fig. 2 schematisch gezeigte Aufbau kann ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten entsprechenden Aufbau sein.

Wegen der Massendifferenz zwischen zwei isotopisch verschiedenen aber chemisch identischen Molekülen tritt zwischen den beiden eine Isotopieverschiebung der Rotationsschwingungs- und vibronischen Absorptionsspektren auf. Fig. 3 zeigt dieses Phänomen für die fundamentalen y„-Rotationsschwingungsabsorptionsbanden von U²^Op void u235f^, deren Mittenfrequenzen ungefähr bei 626,4 bzw. 627»1 cm"' liegen und damit im Frequenzbereich der in der oberen Kurve C der Fig. 3 gezeigten Emissionslinien des CIF-Lasers. Der dicht gepunktete Bereich der U^35p^„ und U²-' F^-Bandenspektren der Fig. 3 besteht aus vielen einander überlappenden dichten Q-Zweigen aus vielen Heißbanden, während die schraffierten Bereiche aus einander teilweise überlappenden getrennten Rotationsschwingungslinien der vielen überlagerten heißen P-Zweige und R-Zweige auf den kontinuierlichen Ausläufern der heißen Q-Zweige bestehen« Der "Dschungel" von Rotations-

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schwingungslinien führt dazu, daß das Peinspektrum in diesem Bereich entsprechend den Kurven D und E der Fig. 3 aussieht. Der Grundabstand von Rotationsschwingungslinien beträgt ungefähr 0,13 cm" . Wegen der Überlagerung der vielen Heißbanden, die aufgrund von Anharmonizitätseffekten gegeneinander verschoben sind_f und infolge der 6-fachen Coriolis—Aufspaltung der Rotationsschwingungslinien liegt jedoch der mittlere

— 1 Linienabstand in der Größenordnung von 0,0006 cm , wie in Kurve D, die eine Ausschnittsvergrößerung eines kleinen Teils des linken Flügels der Kurve A darstellt und in Kurve E, die eine Ausschnittsvergrößerung desselben Teils der Kurve B darstellt, gezeigt ist. Die Linienbreiten der Rotationsschwingungslinien ändern sich mit Druck und Temperatur und betragen ungefähr 0,0005 cm" bei einem Druck von 2 Torr und einer Temperatur von 290 K. Für andere Drucke und Temperaturen ist die Linienbreite infolge der Druckverbreiterung ungefähr durch die folgende Gleichung gegeben:

Linienbreite « 0,00015p (τ/29-θ)"¹'² +

+ 0,0002 (T/290)¹^²Cm"¹ (3)

wobei ρ der Gasdruck in Torr und T die Temperatur in Grad Kelvin ist.

Die sogenannten "heißen" Banden gehen auf Übergänge zurück, deren untere Energiezustand nicht der Null- bzw. Grundschwin— gungszustand ist, sondern ein niedriger angeregter Schwingungszustand, der thermisch angeregt ist. Jede Heißbande hat die gleiche Linienserie wie die "kalte" oder grundzustandsbezogene Bande, nur daß alle Frequenzen leicht gegenüber der kalten Bande verschoben sind. Die Folge davon ist, daß man anstelle einer Rotationsschwingungslinie alle 0,13 cm

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im P- und R-Zweig, was der Zustand ist, wenn nur eine Kaltbande vorliegt, in Wirklichkeit viele Rotationsschwingungslinien innerhalb dieser Abstände infolge der vielen überlagerten Heißbanden, die UF ^ hat, findet. Dazu kommt, daß die Wechselwirkung der Molekülschwingungen mit den Molektilrotationen eine sogenannte Coriolis-Aufspaltung jeder Absorptionslinie in 6 Linien verursacht, von denen in der Regel eine oder zwei mehrere Male intensiver sind als die anderen.

Bai einem der Isotopentrennverfahren werden, wie oben erwähnt, Laserfrequenzen verwendet, die mit den seitlichen Abfällen des dichten Q-Zweigbereichs der UTV-Absorptions— bande zusammenfallen. Eine gute Isotopentrennung wird insbesondere dort begünstigt, wo dieser Abfall am steilsten ist, weil bei diesen Frequenzlagen wegen der Isotopie— verschiebung die größte Differenz zwischen den Absorptions—

O O C O ·"! Q

quersehnitten von U Ι\ς und U F^ existiert. Insbesondere Banden mit einer hohen Isotopieverschiebung, wie etwa 3 Vo (Ay. S^ 1,8 cm" ) wären ebenfalls günstig, obwohl der

χ * s ₉

Gewinn aus einer solchen verstärkten, durch Kombinationsschwingungen verursachten Isotopieverschiebung etwas durch die Tatsache abgeschwächt wird, daß die Abfälle der Einhüllenden der Q-Zweige umso sanfter (weniger steil) werden, je höher der Grad, der Kombination ist. Für eine gegebene Bande werden die Abfälle der Einhüllenden der Q-Zweige umso steiler, je tiefer die Temperatur ist, weshalb ein Arbeiten bei der tiefstmö"glichen, mit anderen Zwängen verträglichen Temperatur im allgemeinen bevorzugt wird.

Für die Dreifachkombinationsbanden 3\Λ und ( vL +V^ + Vg) von UF,-, welche in den Emissionsbereichen CO- bwz. CO^- Laser liegen, dominieren die heißen Q-Zweige fast die ge/-

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samte Absorptionsbande selbst bei tiefen Temperaturen, wie in den Fign. k und 5 gezeigt ist. In diesem Fall läßt sich eine vernünftig gute Isotopentrennung im allgemeinen nur bei Laserfrequenzen erreichen, die auf den Abfällen der Einhüllenden der Q-Zweige arbeiten. Mit dem UFg/HCl-Gemisch auf einer Temperatur von 235 K beispielsweise gibt Fig. k an, daß die X-9 (v = 10 ν = 9; J = 8 J= 9) Laserlinie von CO bei einer Frequenz von ungefähr 187^ cm" eine

235
gute Anreicherung von U in dem Produkt UF-Cl mit einem Absorptionsquerschnittsverhältnis von ^ooeA^og^^ ergibt.

Die X-11 (v=10 ν = 9; J = 10 J= 11) Linie von CO kann ebenfalls verwendet werden, wenn es wünschenswert ±st eine

235

Verarmung von U in dem Produkt UF_C1 zu haben; das Querschnittsverhältnis ist in diesem Fall ^38^^235 ^ **'

Ähnlich zeigt Fig. 5, daß die P-14 Laserlinie von CO bei

-1
ungefähr 999,3 cm eine guten Isotopentrennung ergeben

23 5

kann und dabei das Produkt UF „Cl an U mit einem Querschnittsverhältnis von ungefähr ^p35/^238^* ²»?5 bei einer Temperatur von 295 K anreichert.

Neben einem hohen Querschnittsverhältnis ist ein weiterer Parameter, der eine wirtschaftliche Isotopentrennung begünstigt, eine vernünftige Absorptionslänge. Beispielsweise haben die in der Q-Abfall-Technik auf der grundlegenden V«""

35 19
Bande verwendeten XII-I1 Cl F -Laserphotonen eine Abssorptionslänge in UFg (unter optimalen Trennbedingungen) von ungefähr 3 m, und ein solches Arbeiten erscheint attraktiver als ein Arbeiten auf der 3V.,-Bande mit X-9 Laserphotonen ■des CO, deren Absorptionslänge in UF^ ungefähr 125 m beträgt, oder ein Arbeiten mit P-14 CO₂-Laserphotonen auf der (V„ + vV + Vg)-Bande des UFg mit einer UF,--Absorptionslänge von 800 m, wie auf den Fign. 3,4 und 5 angegeben ist. Ss können

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jedoch. Überlegungen wie Zuverlässigkeit, Kosten, Ausbeute oder andere Faktoren, den CO- oder CO^-Laser gegenüber dem ClP-Laser trotz der besseren Betriebsparameter des letzteren unter praktischen Betriebsbedingungen begünstigen.

Die Fign. 3> ^* und 5 zeigen ferner die Temperaturempfind— lichkeit der Q-Randabfälle, Wenn eine bestimmte Laserlinie nahe des Randes der Einhüllenden der Q-Zweige einer bestimmten wünschenswerten UF^-Absorptionsbande liegt, läßt sich manchmal eine kleine Temperaturänderung dazu verwenden, die Frequenz, bei welcher ein optimales Querschnittsverhältnis auftritt, näher an die verfügbare Laserlinienfrequenz zu bewegen.

Die andere oben erwähnte Anordnung zur selektiven Isotopentrennung, die sogenannte Spitze-Loch-Methode, benutzt eine Abstimmung, die auf den in Fig. 3 dargestellten charakteristischen Merkmalen beruht. Wie oben bemerkt, ist die Absorptionsbande der U -^F^-Moleküle, die einen Teil des Inhalts der Reaktionskammer ausmachen, bezüglich der Absorptionsbande der in

O *5 ft

der Filterzelle enthaltenen U F^-Moleküle isotopieverschoben. Bei 235° K oder einer anderen geeigneten Temperatur und bei einem Druck unter 1 Torr, wo sich die Rotationsschwingungslinien in den Bereichen der P- und R-Zweige der V_-Bande von

235 UFg nicht überlappen, besetzen die zu U Fg gehörigen Linien nicht den gleichen Frequenzraum wie die Rotationssehwingungslinien von TJ -* Fg, und in vielen Bereichen des Spektrums fallen starke Rotationsschwingungs- Absorptionslinien von

235
U Fg im wesentlichen in die Löcher zwischen den Linien des U238F_/--Spektrums. Daher kann ein CIF-Laser, der mit einer im

238 ^%

wesentlichen nur U ■ Fg-Moleküle enthaltenden internen Filterzelle ausgestattet let, so betrieben werden, daß seine Ausgangsfrequenz im wesentlichen in das Loch des Bereichs der

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P- oder R-Zweige von TJ Fg fällt. Wenn diese Laserfrequenz ferner durch Feinabstimmung oder zufällig mit einer Spitze

235
des U Fg-Spektrums zusammenfällt, dann fördert eine solche Spitze-Loch-Koinzidenzfrequenz ebenfalls eine gute Isotopentrennung.

Kurve A aus Fig. 3 stellt das Absorptionsspektrum im Bereich von 615 bis 635 cm*¹ für U²³ Fg-Moleküle, die in dem in der Filterzelle 58 bzw. 58' enthaltenen Gas überwiegend vorhanden sind, bei einer typischen Temperatur von ungefähr 235 K und einem Druck von 0,1 bis 1 Torr dar. Kurve B aus Fig. 3 zeigt die Absorptionskurve der Vo-Rotationsschwingungsbande

235 -*

für U F^-Moleküle unter den gleichen Bedingungen wie bei

235 Kurve A. Die Absorptionskurve B der U F^-Moleküle, die in dem in der Reaktionskammer 12 bzw. 12' enthaltenen Gasgemisch vorhanden sind, hüllt im wesentlichen die gleichen RotationsSchwingungslinien wie diejenigen ein, die die Kurve A abdeckt, nur das alle Linien in der Frequenz urn ungefähr 0,68 cm" nach oben verschoben sind. Der Abstand und die Breite der unter der Kurve B liegenden Rotations— Schwingungslinien sind im wesentlichen ähnlich dem Abstand und der Breite der unter der Kurve A liegenden Rotationsschwingungslinien. Kurve E aus Fig. 3 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung der Kurve B im gleichen Frequenzintervall wie dem für Kurve D. Kurve F aus Fig. 3 zeigt die verschiedenen möglichen ultrafeinen abstimmbaren Laserresonatorlinien, die innerhalb der Linieneinhüllenden eines einzelnen laserbaren Übergangs des CIF-Lasers (der XII-12 laserbaren Linie von

37 19 \

Cl F ^y in der Darstellung der Fig. 3) verfügbar sind, und von denen sich jede beliebige über eine Feinjustierung der Länge des durch die Spiegel 40 und 46 in Fig. 1 oder 46' und 84' in Fig. 2 gebildeten kurzen Laser-Resonatorbeins erhalten läßt. In Fig. 3 ist eine solche Resonatorlinie aus dem XII-12

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235
Übergang als auf eine Spitze der zu U F/- gehörigen Kurve E

238

und ein Loch der zu U ^J P^ gehörigen Kurve D ultrafein abgestimmt gezeigt.

Die resonatorerlaubten Laserlinien sind extrem monochromatisch und haben überschlägig berechnete Linienbreiten von weniger als 10" cm" . Bei jeder der Rotationsschwingungslinienfre-

35 19 37 19
qucnzen des Cl P - oder Cl P -Lasers, beispielsweise bei

der XII-12 Linie von Cl³⁷P¹⁹ bei 621,770 cm"¹, läßt sich die ■ resonatorerlaubte Laserlinienfrequenz gemäß den Grundlagen der Erfindung um ungefähr 0,003 cm zu einer höheren oder einer niedrigeren Frequenz hin innerhalb der druckverbreiterten
CIF-Rotationsschwingungs-Laserlinienbreite, die unter typischen Arbeitsbedingungen von ρ = 25 Torr und T = 200 K ungefähr 0,006 cm" breit ist, feinabstimmen und verschieben. Die ClF-Laserlinienfrequenz bei 621,770 cm" läßt sich also durch Peinabstimmung verändern, die sich, wie oben erwähnt, durch kleine Änderungen im Abstand zwischen den Spiegeln
hO und 46 der Fig. 1 oder 84^f und 46' der Fig. 2 des kurzen Beins des Laser-Resonatorsystems erreichen läßt. Da der
effektive mittlere Rotationsschwingungslinienabstand in den Bereichen der P- und R-Zweige von UFg von der Größenordnung 0,GQOo cm" ist, kann eine solche Ultrafeinabstimmung die
Laser-Resonatorlinie tatsächlich von einer Absorptionsspitze auf ein Loch, oder umgekehrt, des UF^-Spektrums bewegen.

Wie angegeben, stellt die innerhalb des Laserhohlraums (im
langen Resonatorbein) angeordnete Filterzelle sicher, daß
nur diejenigen Resonatorlinien lasern und im Photonenstrahl 18 emittiert werden können, die im wesentlichen zwischen die Rotationsschwingungs-Absorptionslinien von U- F^ fallen. Das in den Fign. 1 und 2 gezeigte Doppslresonatorsystem wird dazu verwendet, die gefilterten Laserlinienfrequenzen im Photonen-

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235

strahl 18 in Koenzidenz mit einer Spitze in der U F^-Absorption zu zwingen, und die Laserresonatorfrequenz wird auf eine Stelle innerhalb der druckverbreiterten Rotationsschwingungsemissionslinien-Einliüllenden feinabgestimmt _t _Wo experimentell eine maximale Absorption durch U IV und die

238
geringste Absorption durch XJ F^ festgestellt wird. Die Resonatorfrequenz wird dann an dieser Stelle mit Hilfe des Lage-Regelsystems 88 und 92 der Fig. 1 oder 88· und 92^f der Fig. 2 verriegelt. Die optimale Frequenz wird durch Verwendung eines Strahlenteilers 86 oder 86· bestimmt, welcher vom Laser ausgesandte Photonen durch zwei kleine Absorptions-

' 235 zellen leitet, die bei einem Druck von ps:0,1 Torr mit TJ F^ bzw. U F-- gefüllt sind und einen Teil des Meßinstruments 88 bzw. 88' bilden. Der Unterschied in der Absorption durch die zwei Hilfsabsörptionszellen wird kontinuierlich mit Hilfe eines Photosensors in 88 oder 88' überwacht und jedes Driften von der maximalen Absorptionsdifferenz weg elektronisch abgefragt und das Signal zum Antreiben des piezoelektrisch arbeitenden Spiegel-Mikröpositionierers92 bzw. 92' verstärkt. Der Mikropositionlerer 92 bzw. 92* verursacht Änderungen im ResenatorZwischenraum des kurzen Resonators durch axiale Verschiebungen der Endspiegel 40 bzw. 46 ^f , so daß die genaue Laserresonatorfrequenz auf den Wert, wo eine maximale Absorptionsdifferenz existiert, zurückgetrieben wird.

Die im obigen Beispiel angegebenen Druckwerte dienen nur »der Veranschaulichung, eine gute Trennung läßt sich bei anderen Druckwerten ebenfalls erzielen. Die Hauptüberlegung bei der Wahl eines Druckes für das Arbeiten nach der Spitze-,Loch-Methode besteht darin, daß die Rotationsschwingungsli— nienbreite in den Bereichen der P- und R-Zweige nicht so breit sein sollen, daß sie sich wesentlich überlappen. Das heißt, daß der Wert für den Druck, mit dem die Rotations-

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Schwingungslinienbreite ungefähr linear variiert, so gewählt werden muß, daß die Rotationsschwingungslinienbreite den Rotationsschwingungslinienabstand nicht wesentlich überschreitet.

Natürlich sind in manchen Anwendungen die U ^J - und U ^J Isotope vertauscht, das Filtergas wird ein Gas enthalten,

daß sich überwiegend aus U F^-Molekülmanstelle der U

⁶ 235

Moleküle zusammensetzt, und alle Angaben, die U ^J und U betreffen, sind zu vertauschen.

Im allgemeinen erfordert das Spitze-Loch-Verfahren eine strengere Kontrolle der Laserfrequenz als das Q-Abfall-Verfahren. Höhere Querschnittsverhältnisse und damit eine höhere Isotopenanreicherung ist jedoch im allgemeinen mit Hilfe der Spitze—Loch-Methode möglich. Venn die Erreichung des maximal möglichen Absorptionsquerschnittsverhältnisses nicht wesentlich ist, wie das bei manchen Anwendungen der Fall sein kann, ist die Q-Abfall-Methode oft vorzuziehen. Bei der Q-Abfall-Methode kann in der Regel ein höherer Arbeitsdruck hingenommen werden als bei dem Spitze-Loch— Verfahren, und der Optimaldruck kann auf der Basis einer optimalen Chemie, Quantenausbeute und des temperaturabhängigen Dampfdruckes von TJFg ausgewählt werden, anstelle von Überlegungen hinsichtlich offener Zwischenräume zwischen Rotationsschwingungslinien. Das Isotopen-Absorptionsquer Schnittsverhältnis für die 3Vo-Bande ^von ^6 infolge der Isotopieverschiebung ist an den Rändern der Bereiche der dichten Q-Zweige (bei einer Temperatur von 235 K oder weniger) beispielsweise von der Größenordnung k, was einer Erzeugung von niedrig angereichertem Uranbrennstoff für Kernreaktoren in einer Verfahrensstufe angemessen ist·

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Für die (\' + V. + Vg) -Bande ist ein Maximalverhältnis von ungefähr 2,75 erreichbar (bei einer Temperatur von 265 K oder niedriger), während die Vo-Grundbande« wenn im Hinblick auf die Q-Abfall-Methode betrachtet, ein Verhätnis von 5 (bei 235 K oder weniger) bringen kann.

Zusätzlich zu Überlegungen zur Sicherstellung niedriger thermischer Reaktionsgeschwindigkeiten im unteren Zustand wix'd die Arbeitstemperatur des in der Filterzello 58 bwz. 58' und in der Reaktionskammer 12 bzw. 12* enthaltenen UF^-Gases so gewählt, daß:

(a) das UFg in der Gasphase verbleibt;

(b) ein gutes Absorptionsquerschnittsverhältnis im interessierenden Frequenzbereich existiert; und

(c) für die Ausführungsformen, die von der Spitze-Loch-Methode Gebrauch machen, die Linienverbreiterung kleiner als der Linienabstand ist.

In dem oben angegebenen, der Veranschaulichung dienenden Beispiel, wo die Temperatur des UFg in der Filterzelle und in der Reaktionskammer zu 235 K gewählt war, ist die Temperatur hoch genug, um das UFg bei einem Partialdruck von 1 Torr oder weniger im gasförmigen Zustand zu halten. Die andern in der Reaktionskammer befindlichen Gase, HCl und HF, sind bei 235° K ebenfalls gasförmig, falls ihre Partialdrucke 1000 bzw. 60 Torr nicht überschreiten, während das Produktgas UF-Cl bei einem Partialdruck von 0,01 Torr bei 235 K auskondensiert.

Natürlich können anstelle der in den obigen Beispielen verwendeten Temperaturen irgendwelche anderen Temperaturen verwendet werden, vorausgesetzt daß sich für die Isotopentrennung

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günstige Bedingungen aufrechterhalten lassen. Beispielsweise kann der Betrieb der Reaktionskammer auf einem Druck von ö Torr UF^ + 2h Torr HCl bei einer Temperatur von ungefähr 290° K iit einem CQ-Laser, der auf eine Absorption bei einem maximalen Absorptionsquerschnittsverhältnis auf dem Q-Abfall der 3 « Bandt des UP>- abgestimmt ist, eine Isotopentrennung mit einem Querachnittsverhältnis von ungefähr 2,5 ergeben, was für eirige Anwendungen angemessen sein kann. Der Vorteil des Arbeitensbei höheren Drucken liegt vom Standpunkt der Verfahrenstechnik aus natürlich in einem höheren Stoffdurchsatz,

O *> si p oQ

Für die Isotopentrennung von U Fg und U ^J F^ kann der Laser 38 der Fig. 1 daher ein CIF-Laser sein, der auf einer Reihe

35 von laserbaren Rotationsschwingungslinienfrequenzen des Cl F Moleküls im Bereich von 6ik bis 635 cm"" , wie durch Kurve C in Fig. 3 gezeigt, arbeiten kann. Die stärksten Linien, die ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter, strömender, über eine elektrische Entladung gepumpter CIF-Laser aussendet, stammen von den Übergängen ν = 13 auf v= 12, v= 12 auf ν = 11 und ν = 11 auf ν as 10. Die Rotationslinien mit J= 11-> J = 12 liegen in der Regel an der Spitze des Rotationsscbv/ingungsbandenumrisses, falls die CIF-Temperatur ungefähr 200 K beträgt. Die Linienbreiten der laserbaren Rotationsschwingungs-

— 1 linien des ClF betragen typischerweise 0,006 cm , während die der Laserresonatorlinien von der Größenordnung 10 cm sind, wie in Kurve F der Fig. 3 gezeigt, die eine Vergrößerung einer der laserbaren Rotationslinien des ClF im gleichen Frequenzintervall wie dem der Kurven D und E darstellt. Klarer— weise lassen sich die Laserresonatorlinien als wirkliche monochromatische Linien betrachten.

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Tl

Für das Arbeiten auf der 3V„-B_ande des UFg im Spektralbereich, von 1860 bis 1880 cm" kann dsr Laser 38 der Fig. 1 ein über eine elektrische Entladung gepumpter, mit flüssigem Stickstoff gekühlter strömender Kohlenmonoxid-Laser (CO—Laser) sein. Dieser Laser hat starke Emissionslinien von J= 11-?- J = 12, J= 10-^J = 11, J= 9-ΚΓ = 10, J= 8-**J = 9 und J = 7-?-J = 8 der ν = 10-^v = 9 Vibrationsbande und von J = -?-J = 16, J= Ik-?J = 15 und J = 13·-*J = lh der ν = 9-τ-ν = Vibrationsbande des CO im Bereich zwischen wie im oberen Teil der Fig. h gezeigt ist.

Vibrationsbande des CO im Bereich zwischen i860 und 1880 cm" ,

Schließlich kann der Laser 38 der Fig. 1 ein über eine elektrische Entladung gepumpter, wassergekühlter strömender C0₂~Laser sein, der auf allen Linien zwischen P-2 und P-38 und R-2 und R-38 der P- und R-Zweige der V_ -!""V₁ Schwingungsübergangsbande des CO , die sich von 927 bis 985 cm erstreckt, gelasert werden kann. Die CO_-Laseremissionslinien zwischen P-10 und

-1
P-30, die ungefähr 1,82 cm auseinanderliegen, fallen in den Bereich von 935 bis 953 cm" der (V_ + vV + V^)-Absorptionsbande des UF₆, wie im oberen Teil der Fig. 5 gezeigt ist. Zusätzliche UF/--Absorptionsbanden im Bereich, von 927 bis 985 cm"¹ des C0₂-Lasers sind die (^₂ + Y- V₅)-, die (v~ ⁺ V₅ + V₆)- und die (Vg + V₃ - V^)-Banden, die ihre Mitten ungefähr bei 958, 968 bzw. 972 cm" haben. Diese letzteren drei Kombinationsbanden des UF^ können durch Wahl einer geeigneten COp-Laserlinie ebenfalls zu Isotopentrennung herangezogen werden. Zusätzliche CO —Laserlinien

-1

werden im Bereich von 1010 bis 1080 cm aus dem Vibrations-Übergang des C0_ V_-?*2Vp emittiert. Auch hier, unter Verwendung einer der CO„-Laserlinien im Bereich zwischen 1010

— 1
und 1080 cm des Spektrums, ist eine Isotopentrennung des möglich.

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Für das Arbeiten auf der Zweifachkombinationsbande (V₂ + v

des UFg, die ihre Mitte bei 1292 cm""' hat, kann ein über eine elektronische Entladung gepumpter gasdynamischer oder chemischer BF-Laser verwendet werden, der im Frequenzbereich zwischen 1150 und I3OO cm" aufgrund derselben Prinzipien wie der CO-Laser lasert. Einige Laserlinien des BF-Lasers können auch mit einem Teil der (^₂ + V) -Bande des UFg, die ihre Mitte bei 1157 cm" hat, zusammenfallen. Der 0i8_c12_s36__{Laser und der} cS-Laser haben ebenfalls Emissionslinien, die mit der (V + V )-Bande des UFg zusammenfallen. Ein mit geschlossenem Kreislauf arbeitender, mit einer elekironischen Entladung gepumpter, gasdynamischer 0 C S -, O¹⁶C¹3_S3⁶-, O¹⁸C¹^ s*⁴- oder O¹ W^-Laser mit laserbaren Emissionen zwischen II50 und 1200 cm" aus Vo~*Vi Übergängen arbeitet auf den gleichen Prinzipien wie der CO--Laser« Ein Schlüssel für das erfolgreiche Arbeiten eines CS- oder OCS-Lasers ist die Reinigung des OCS und CS, so daß die H₂S-Verunreinigung weniger als 1 ppm ist. Ein chemischer CS-Laser, bei welchem CS durch Dissoziation von OCS oder CS oder über eine chemische Reaktion erzeugt wird, kann am wirkungsvollsten sein, wenn ein solcher Laser für das Arbeiten auf der (V„ + y„)-Bande des UFg benötigt wird. Ein wirkungsvoller, über eine elektronische Entladung gepumpter, gasdynamischer CS-Laser kann.ebenfalls für diesen Zweck entwickelt werden« Der CS-Laser mit Emissionen zwischen 1050 und 1200
der CO-Laser.

1050 und 1200 cm* arbeitet auf den gleichen Prinzipien wie

Die Verte für die S_chwingungsfrequenzen, die Isotopieverschiebungen und die mittleren Linienabstände bei UFg, die in obigen veranschaulichenden Beispielen verwendet werden, sind nur ungefähre Verte und sind Im Rahmen des Bekannten

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bisher nicht genau gemessen worden.

Der Grundabstand der Rotationsschwingungslinien in den P- und R-Zweigen jeder Heißbande beispielsweise der V--Schwingung des UF,- ist nicht konstant, sondern ändert sich langsam (wegen eines quadratischen Therms), und zwar nimmt er von der Bandmitte weg im P—Zweig zu und im R—Zweig von der Bandmitte weg ab. Als Folge davon fallen in gewissen Teilen der Bereiche der P- und R-Zweige immer einige Rotationsschwingungslinien

235

der V_-Schwingungsbande des U Pz- zwischen die Rotations-

238
Schwingungslinien des U F,-. ¥egen des nicht konstanten Linienabstands und den nicht konstanten Heißbandenverschiebungen besteht auch kein Risiko, daß alle Linien der U -^F_n-

238
Bande alle Linien der Ü ^J F^-Bande zufällig überlappen, wenn die Isotopieverschiebung ein ganzzahliges Vielfaches des Linienabstands ist. Da die meisten Infrarot-Laser, wie etwa ClF, ein Lasern auf einigen 30 oder mehr möglichen Rotationsschwingungsspektrallinien gestatten, die durch Abstandswerte voneinander getrennt sind, welche typischerweise im Bereich von 0,5 bis 2,5 cm"" liegen, fallen gewisse dieser Laserlinien mit Sicherheit zwischen die Spitzen des Bereichs der P— oder R-Zweige von U F>- und auf eine oder in die Nähe einer Ab-

235
sorptionsspitze von II Pzr» ^w*-^e durch die Kurven D, E und P in Fig. 3 erläutert ist.

Bei Anwendungen, in denen die Q-Abfall-Spektraltechnik anstelle der Spitze-Loch-Technik herangezogen wird, ist in der Regel ein einzelnes Resonatorsystem mit einem Gitter an dem einen Ende und einem teilreflektierenden Ausgangsspiegel am anderen hinreichend, da eine Feinabstimmung und Verriegelung der Laserfrequenz, die nur mit einem Doppelresonatorsystem möglich ist, nicht notwendig ist. Eine Filterzelle wird in der Regel eben-

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falls nicht gebraucht. Eine Grobabstimmung mit dem Gitter des Einzelresonatorsystems reicht aus, um das Lasern auf einer gewünschten Frequenz auf einemQ-Abfall zu erzwingen.

Faßt man die Vorgänge beim Spitze-Loch-Spektralverfahren zusammen, bei welchem eine Filterabstimmung und eine Feinabstimmung mit einem Doppelresonatorsystem angewandt wird, dann ergeben sich im wesentlichen drei Schritte:

1. Der Gitterspiegel des Doppelresonatorsystems wird so gesetzt, daß eine einzelne erwünschte laserbare ClF-Linie ausgewählt wird;

2, die Filterzelle erzwingt einen Laservorgang auf denjenigen Resonatorlinien innerhalb dieser lasernden CIF-Linie für

Λ Λ Q

welche U Fs am wenigsten absorbiert, während

3· die schließliche Ultrafeinabstimmung einer bestimmten Resonatorlinie innerhalb der laserbaren CIF-Rotations—

235
Schwingungslinie auf eine U F^-Spitze durch Einstellen

des Spiegelabstands im kurzen Bein, vermittelt durch Absorptionsdifferenzmessungen und ein Regelsystem, geschieht. Es har sich gezeigt, daß es Fälle gibt, wo der Zwang durch die Filterzelle zum Lasern auf einer mit einem Loch des Spektrums

238
von U F^- zusammenfallenden Resonatorlinie auch zu einem Zusammenfallen oder Nahezuzusammenfallen mit einer Spitze

235

des Spektrums von U F^ führt. In diesem Fall wird nur eine Filterzelle benötigt und das Doppelresonatorsystem zur Feinabstimmung und das Regelsystem sind überflüssig.

Da der Absorptionsquerschnitt des anderen Isotopenmoleküls,

ο ο Q

etwa von U F^, niemals vollständig Null sein kann, wird

238

auch eine gewisse Anzahl von U F^-Molekülen durch den Laserstrahl in den oberen Rotationsschwingungszustand angehoben,

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die dann auch mit dem Chlorwasserstoff reagieren. Dies führt zur Erzeugung von U²-⁵ F Cl-Molekülen, die natürlich die Anreicherung in dem UF_C1-Produkt stets kleiner als den Idealwert (1OO$) machen und sie proportional zu dem Querschnittsverhältnis bzw. Grenzanreicherungsfaktor halten.

O O D

Zusätzlich zur direkten Laseranregung von U F^ kann angeregtes U ^J Fg auch durch Schwingungs-Schwingungs- (Vibrations-Vibrations-) Transfer (W-Transfer) bei Stößen

235
mit Xaserangeregtem U F^ gebildet werden. Dieses so—

genannte W-"Isotopenverwürf ein" ("isotope scrambling") hat sich jedoch als langsam erwiesen, wenn HCl als konkurrierender ( schneller) Reaktionspartner verwendet wird, und wird teilweise durch Isotopenverwürfein in die ent— gegengeset
geglichen.

ο ο Q ο o et

gegengesetzte Richtung, d.h. von U Fg nach U Fg ausZusätzlich zu den V_—, 3V₀- und (v,, + Vr + yg)-Rotationsschwingungsbanden, die beziehentlich in die Frequenzbereiche der ClF-, CO- und CO -Laser fallen, existieren für Uranhexafluorid noch viele andere Rotationsschwingungsbanden in anderen Frequenzbereichen, wo andere Laser emittieren,

Tabelle I weiter unten zeigt mehrere zusätzliche Mittelfrequenzen von UFg-Rotationsschwingungsabsorptionsbanden und ihnen am nächsten liegende Laserfrequenzen heute bekannter Laser. Einige der in Tabelle I aufgeführten Laserfrequenzen sind "gedoppelte" Frequenzen, die sich erhalten lassen, indem man zusätzlich einen Frequenzdoppier 76 innerhalb eines Laser-Resonatorsystems, wie oben beschrieben, vorsieht. Die natürliche Frequenz des Lasers ist in diesem Fall ebenfalls aufgeführt, ¥ie aus Tabelle I zu entnehmen, liefert in man-

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tv

chen Fällen die gedoppelte Frequenz, die zur Verwendung bei UF,- gewünschte Frequenz der Las er pho tonen. Natürlich können diese Laser entweder kontinuierlich oder gepulst betrieben werden, und ihre Strahlen können zur Schaffung ihrgendeiner gewünschten Photonenintensität fokussiert oder unfokussiert sein.

Eine Tabelle ähnlich Tabelle I läßt sich auch für die vibronischen Energieübergänge des UF,- zusammenstellen. Der Laser muß in einem solchen Fall so ausgewählt werden, daß er am Ende eine Photonenfrequenz entsprechend dem gewünschten vibronischen Energieübergang liefert. ^:

Neben den in Tabelle I aufgeführten ClF-, CO-, CO₂-, SO -, BrF-, BBr-, CS-, BF-, F.,0-, CIgO-, OsO^-, BCl-, HCP-, OCS-, H„0- und HF-Lasemkönnen beispielsweise Laser wie DF-, I₁-, NO-, HCl-, CS₂-, H₂Se-, HCN-, N.,0-, NH₃-, BCl₃-, SF^-, UF,-- und andere Molekularlaser sowie Argon-Ion oder -Excimer-, Krypton—Ion- oder —Excimer-, Xenon-Ion- oder -Excimer-, Jod-, Farbstoff- und andere Laser verwendet werden. Die bestimmte ausgegebene Photonenfrequenz jedes dieser Laser kann, ungedoppelt, gedoppelt verschoben oder abgestimmt entweder direkt zur Erzielung der selektiven Anregung des ausgewählten in der Reaktionskammer 12 bzw. 12* enthaltenen Isotopenmoleküls verwendet werden, oder indirekt nach Frequenzverschiebung mit Hilfe des Wandlerkristalls 72 und der Idler-Strahlungsquelle 7^« Die Auswahl eines bestimmten Lasers und einer bestimmten Frequenzlinie oder von bestimmten Frequenzlinien dieses Lasers hängt natürlich von den photoneninduzierbaren Rotationsschwingungs- oder vibronischen Energieübergängen des in der Reaktionskammer 12 bzw. 12^f enthaltenen Gemische aus

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chemisch, identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen ab. Ähnlich wird auch das Filtergas oder -material so iiusgcwählt, daß es Photonen im wesentlichen beseitigt oder unterdrückt, die zur Absorptionsenergie des anderen chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküls gehören, so daß der Strahl aus gefilterten Photonen im wesentlichen rein genau diejenigen Photonen enthält, deren Energie bei Frequenzen liegt, die starken Übergängen des ausgewählten Xsotopenmoleküls und schwachen oder keinen Übergängen des anderen Isotopenmoleküls entsprechen.

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Lasertyp (Laserübergang)

Ungefähre Mittelfrequenz oder Bereich der Laserlinienfrequenzen (cm )

CO

CS

^₃ -

SO₂ (^P₂)

hIo (ßotations-² linie)

Cl₂O

O¹³C¹²S³⁵.

HCP (P₃-AjJ,)

HF (51 H,-95%

ClF^) (Rotationslinien) CO

CS

BCl

35_p

Cl

P
Br⁷⁹F

B¹⁰Er⁷⁹
B¹⁰F; B¹¹F

Erwärm t e s SF£ pumpt mit 10,6 m.

920	- 989	- 650	- 660	- 1990
1120-1160 *	76	- 660	- 1200
610	g C UU ^f £/ V- ^r W 600 - 640	- 1200	- 670.
302,	620	- 624	- 650
620	5	- 65Q
1150	- 630
580	- 630
692,:	- 1300
1850
1050
610 ■
600 ·
600 -
530 ■
530 -
1150

Mittelfrequenz der UPO Rotationsschwingungsabsorptionsbande (cm""¹)*

623 953,6
1157

624,4
624,4

624,4
624,4
624,4

US7"(y> t P₃) 624,4 Id₃)

676,6 (v> +»i -

-;. or i;₂ Jp₆

1370 (3 P₃) 1157 (S>₂ + V>₃) 624,4 ( V>₃) 624.4 ( v>₃) 624,4 ( v?₃J 624,4 ( v?₃) 624,4 ( P₃) 1292 (v>, + P-); ¹¹⁵⁷ (Vj + P)

624,4

COg gepumpt mit ~") 7,78 m-Laserpho-/gQ₀ tonen oder durchV

elektr. ..Entladung (2 Z₂-* P₂) /

624_?4 ( V>₃)

* Die meisten UF,--Banden erstrecken sich von der Mittelfrequenz

aus über einen Bereich von ungefähr -10 cm"" bis ungefähr -1

+ 10 cm"

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Wie oben erwähnt, ist die Erzeugung einer Anreicherung von

235
U ^J , die weitaus größer ist als die in natürlichem Uran, eines der Hauptanwendungsgebiete der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Uranhexafluorid als das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen beschränkt. Vielmehr können viele andere Uranverbindungen vorteilhaft zur Schaffung angereicherten

U ^ verwendet werden. Allgemein hat sich bei einigen Anwendungen gezeigt, daß es vorteilhaft ist, mit uranhaltigen Molekülen zu arbeiten, bei welchen alle Atomarten mit Ausnahme des Urans monoisotop sind. Monoisotope Elemente sind natürlich solche j bei welchen nur ein stabiles Isotop in der Natur vorkommt. Die Isotopieunterschiede sind daher durch die verschiedenen Isotope des Urans, nämlich U ^*³ und U^, gegeben. Ferner ist es allgemein vorteilhaft, eine uranhaltige Molekularverbindung mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem Siedepunkt zu haben, damit sie in flüssigem oder gasförmigem Zustand gehalten werden kann, mit der Möglichkeit das Reaktionsprodukt in einem leicht abtrennbaren Zustand, wie etwa in einem unterschiedlichen chemischen Zustand, der durch Differenzialgefrieren oder —destillation aus dem Ursprungsgemisch der Reaktionsteilnehmer abgetrennt werden kann, oder in einem unterschiedlichen physikalischen Zustand, wie etwa dem festen Zustand, welcher aus dem Gasgemisch der Reaktionsteilnehmer ausfällt und auf diese Weise von ihnen getrennt werden kann, zu erhalten. Niedrige Arbeitstemperaturen sind im allgemeinen, wie oben erwähnt, wegen der Verbreiterung der Spektralabsorptionslinien wünschenswert.

Um große Isotopieverschiebungen in der Frequenz der Photonen-

235
absorptionsbanden zwischen den U ■'•'-haltigen Molekülen und den U ·* -haltigen Molekülen zu erhalten, hat sich ferner gezeigt, daß die kombinierte Masse der anderen in den Molekülen

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enthaltenen Atome so hoch wie möglich sein sollte. Entsprechend hat sich gezeigt, daß neben UFg beispielsweise UCl₆, UBr₆, UP-Cl, UP₅I, UF₅Br, UI₄₁ UCl₄, UI₃, UI₂F₂, UClF₃, UIF₃, UO₂, US₂, U(BH,),, Uranphosphide, Uranarsenide, Uranantimonide, Uranselenide, Urantelluride und andere gemischte Uranhalogenide als

die bereits erwähnten ebenfalls Moleküle sind, die sich bei

23 5 der Anwendung der Erfindung zur Trennung der U ^J -haltigen

ό ο Q

Moleküle von den U ^J -haltigen Molekülen vorteilhaft verwenden lassen.

Ferner läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung eines oder mehrerer bestimmter Isotopenmoleküle aus einem Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen außer auf Uran ebenso gut auf gewisse andere Elemente anwenden. Tabelle II beispielsweise listet das Element, das Molekül und die zugehörigen Isotope auf, die zur Erzielung einer Anreicherung dieses Isotops gemäß den Grundlagen der Erfindung abgetrennt werden können. Natürlich können neben den in Tabelle II gezeigten Isotopen auch viele andere Isotope gemäß der Erfindung getrennt werden. Insbesondere läßt sich jedes andere Hexafluorid XFg, wie etwa SF₆, SeF₆, TeF₆, TcF₆, RuF₆, RhF₆, VF₆, OsF₆, PtF₆, NpF₆, XeF₆ und KrFg, gemäß der hierin beschriebenen Verfahren handhaben, wenn eine Trennung der verschiedenen Isotope des Atoms X gewünscht wird.

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TABELLE

II

ELE-IENT	ClF;	MOLEKÜLE	•	ISOTOPE	Cu-6 5
Chlor (Cl)	CuI;	ClF₃; Cl₂O₇	Cl-35	Ga-71
Kupfer CCul	GaI₃	CuN₃ .	CU-G3;	Er-81
Gallium CGaI	3rF;	; GaCl₃	Ga-69;	Mo-9 4;Mo-95; Mo-9 7;Mo-98; ■iVj-109
3rom (Br)	MoF, AgN₃	BrF₃; BrF₅	Br-79;	Sb-123
Molybdän C-Mo) SilberCAg)	SbF₃		(Mo-92; (MO--96; CMo-IOO Ag-107;	La-139
Antimon CSb}	LaI₃	; SbF₅; SbH₃	Sb-121;	Eu-153
Lanthan (La)	EuI₂	; LaF₃	La-13S;	Re-187
EuropiumCEu)	ReF,		Eu-151;	Ir-193
Rhenium (Re)	^IrF6		Re-135;	Tl-205
Iridium Ur)	TlF;		Ir-191;	Pu-2 38; Pu-2 40; Pu-242
Thallium (Tl)	PuF₆	TlNO₃	Tt-203;
Plutonium CPu)	Pu-236; Pu-239; Pu-241;

tr"-

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Ira oben angegebenen Beispiel wurde zwar Chlorwasserstoff als der chemisch reaktive Stoff zur Erzielung einer chemischen Reaktion mit UF,- verwendet, es lassen sich jedoch viele andere chemisch reaktive Stoffe ebenfalls verwenden. Beispielsweise können anstelle von HCl HBr, HI₁ H„, Ip, Cl₂' ^Br2' ^*V ^Zj.^{1 verscJ:i:}i-^ed^erie gasförmige Kohlenwasserstoffe und He, Ne, Ar, Kr, Xe, N , 0_? entweder einzeln oder in beliebiger Kombination dazu verwendet werden, die gewünschte Reaktion von UF₆ oder einer anderen Isotopenverbindung in Ausführungsformen zu beschleunigen, die gasförmige Halogenidverbindungen oder andere gasförmige Verbindungen anderer zu trennender Isotope, wie etwa der in Tabelle II gezeigten, verwenden.

Beispielsweise können die folgenden isotopenselektiven laserinduzierten Reaktionen ebenfalls ein ökonomisches Verfahren zur Isotopentrennung von Uran liefern:

₆ ₂ ^ + 2HF

2UF₆** + H₂-^UF₅ + 2 HF (5)

In diesen Reaktionen fällt festes UF. bzw. UF so aus,

235

daß das ausgefallene UF. bzw. UF „ an U ^JJ entweder angereichert oder verarmt ist. Die isotopenselektive Laseranregung und Reaktion wird in diesem Fall durch Pulsen und Fokussieren des einfallenden Laserstrahls erreicht, so daß Mehrphotonenabsorption . gefördert wird. Das hochangeregte UF₆ (UF₆**) wird durch Stöße mit II dissoziiert, das gleichzeitig die naszierenden F-Atome durch Reaktion mit ihnen beseitigt. In der Regel fördern leichte Moleküle, wie etwa H„, am besten solche Dissoziationen von hochangeregten UF₆-MoIekülen.

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Sowohl der chemisch reaktive Stoff als auch die bestimmte Isotopenhalogenidverbindung, mit der der Stoff in nennenswertem Maße reagieren muß, oder dessen chemische Reaktion er fördern muß, wenn sich die Halogenidverbindung im angeregten Zustand befindet, bestimmen den Druck und die Temperatur, bei welchem die Halogenidverbindung und der chemisch reaktive Stoff in der Reaktionskammer 12 bzw. 12' gemischt werden. Druck und Temperatur des in der Reaktionskammer 12 bzw. 12' befindlichen Gemische werden so gewählt, daß sich im wesentlichen keine chemische Reaktion der Halogenidverbindung mit dem reaktiven Stoff im Anfangszustand des Gemische ergibt und die Reaktion erst nach Anregung der Halogenidverbindung durch Lasereinstrahlung stattfindet. Bei der Auswahl bestimmter Kombinationen von Isotopenverbindungen und reaktiven Stoffen sollten die Parameter der chemischen Reatkionskinetik für die Paare von Reaktionsteilnehmern zur Bestimmung der optimalen Mischungsdrucke und —temperaturen bekannt sein. Bei manchen Anwendungen kann sowohl das Isotopenmolekül, dessen Isotope getrennt werden sollen, als auch der chemische Reaktionspartner laserangeregt werden, beide durch den gleichen Laser oder aber durch zwei verschiedene Laser. Der laserangeregte chemische Reaktionspartner sollte jedoch nicht in nennenswertem Maße mit dem nicht—laserangeregten Isotopenmolekül reagieren können, weil sonst die Isotopentrennung nicht gut sein würde.

Für eine wirkungsvolle Isotopentrennung ist es wichtig, daß die Vibrations-auf-Translations- und Vibrations-Vibrationsrelaxationsgeschwindigkeiten (VT-Relaxationsgeschwindig— keiten und W-Relaxationsgeschwindigkeiten) langsam sind, verglichen mit der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit, mit welcher das gewünschte Isotop entfernt wird. Für TJFg oei-

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spielsweise hat sich experimentell gezeigt, daß die stoßbedingten VT- und W-Abregungsgeschwindigkeiten der V~- Schwingung des UF,- ausreichend langsam sind und daß die Beschleunigung der Reaktion von UF,- mit HCl zur Bildung von UF-Cl ausreichend schnell gemacht werden kann, daß die Quantenausbeute der laserangeregten photοchemischen Reaktion

UF₀* (y ) + HCl-HJF-Cl +HF (6)

ungefähr 25$ bei Zimmertemperatur beträgt. Ähnliche Bedingungen sollten für andere Isotopenmoleküle unter Verwendung anderer chemischer Reaktionsstoffe herrschen.

In den bislang angegebenen Beispielen wurden in erster Linie reine Ro tat ions Schwingungsanregungen von UF,- und anderen Isotopenverbindungen betrachtet. Manchmal kann jedoch auch eine vibronische Anregung von UF,-, das ist eine Anregung, bei welcher sowohl eine Änderung des Elektronenzustands als auch des Schwingungszustande stattfindet, in Betracht gezogen werden. Beispiele hierfür sind die vibronischen Anregungs- oder Emissionsbanden von die ihre Mittenbei einer Frequenz von ungefähr 27^-10 cm" , 27^90 cm" und 28415 cm" , im nahen Ultraviolett, haben. Laser, die in diesen Banden emittieren, sind der Xenon-Ioh-Laser, der bei einer Frequenz von 27^00 cm emittiert, und der Argon-Ion-Laser, der bei den Frequenzen 27485 cm"* und 28465 cm emittiert. Ahnlich können auch die Strahlungen des Krypton-Ion-Lasers bei Frequenzen von 28480 cm und 28ΟΟΟ cm" im Zusammenhang mit der Anregung der vibronischen Absorptionsbanden des UF,-, die um die Mitte von 28415 cm und 28Ο8Ο cm" liegen, verwendet werden. Schließlich können abstiinmbare Farbstoff- und Jodlaser oder Edelgas-Excimer— Laser verwendet werden, deren Frequenzen über das ganze

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Ultraviolett-Absorptionsspektrum von UPr durchgestimmt werden können.

Beschreibung einer Isotopentrennanlage für die Anreicherung von Uranisotopen:

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung und ein Plußdiagramm für eine insgesamt mit 99 bezeichnete, auf den Grundlagen der Erfindung arbeitende Laser-Isotopentrennanlage für Uran. Mit der Anlage kann das im natürlichen Uran mit einer Häufigkeit von 0,7$ vorkommende U ^JP auf einen Wert zwischen 2,5$ und 7/ö (Anreicherungsfaktor von ungefähr 4-1 θ) oder höher in einem Schritt und bei Kosten angereichert werden, die auf 100-mal bis 1000-mal weniger als die Kosten geschätzt werden, die zur Erzielung von Anreicherungsfaktoren in diesem Bereich beispielsweise mit einer das Diffusionsverfahren ausnützenden Diffusionsanlage aufgewendet werden müssen. Natürliches UFg in gasförmigem Zustand aus Tank 100 wird mit gasförmigem HCl aus Reservoir 102 in einem Mischtank 104 gemischt, von wo es mit Hilfe einer Pumpe 10ό durch das Absperrventil und durch das Verteilerrohr 112 in die Reaktionskammer 110 gepumpt wird. Die Reaktionskammer 110 ist mit einem geeigneten Fenster 114 für den Durchtritt der gewünschten Laserstrahlung zur Absorption, in der Reaktionskammer 110 durch

ρ O O

ein ausgewähltes Isotopenmolekül, entweder U F^ oder

235
U Fg, abhängig vom Frequenzgehalt der Laserphotonen, versehen.

Einrichtungen zur Erzeugung von Laserphotonen bei einer Frequenz, die hohen Isotopenabsorptionsquerschnittsverhältnissen von U F/- zu U ^J F^ oder, falls gewünscht, von

Qog nnr O O

U F^ zu U F^ entsprechen, sind oben beschrieben.'

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Bevorzugt wird, wie oben diskutiert, ein ClF-, BF-, OCS-, CS-, CS-, CO- oder CO -Laser, während das bevorzugte Reaktionsgemisch UF₆ mit HCl in einem Molverhältnis zwischen Ι/20 und 1/1 ist, wobei ein typisches Molverhältnis für das Gemisch UF^/HCl = i/4 ist. Anstelle von HCl können auch die Halogenide HBr oder HX verwendet werden. Ein typischer Druck für das UF^/HCl-Gemisch ist 2 Torr, während die Temperatur typischerweise 235 K beträgt. Jedoch können auch Drucke und Temperaturen ober- oder unterhalb dieser auf den oben dargelegten Grundlagen ausgewählten Werte eine wirkungsvolle Trennung ergeben. Die Nennwerte von 2 Torr für den Druck und von 235° K für die Temperatur des Gasgemischs lassen sich durch in der chemischen Verfahrensindustrie verwendete Standardmaßnahmen, wie Kälteerzeugung, Düsenentspannung uaw«, unmittelbar vor dem Eintritt des Gemischs in die Kammer 110 erreichen.

Mit der Laserbestrahlung des UF^/HCl-Gemischs in der Kammer 110 erfolgen die Reaktionen

₆ (V₃) + HCl-^U²³⁵F₆Cl + HF (v = 0, 1 oder 2) (7)

₆ (v/ ) + HCl-^JUT²³⁸F₆Cl + HF (v = 0, 1 oder 2) (8)

mit einer typischen Quantenausbeute von ungefähr 25$ bei einem Nenndruck von 2 Torr und einer Nenntemperatur von 235 K. Da die Absorptionsrate von Laserphotonen durch das ausgewählte Isotop U²³⁵F. (oder U²³⁸F^, falls dieser Feg gewählt wird) höher ist, ist das Isotopenverhältnis U ^JJF Cl/U ^J F Cl (oder U²³⁸F^Cl/ U²³⁵F Cl) größer als das ursprüngliche Isotopenverhältnis U²35f₆/U²³⁸F₆ (oder U²³⁸F₆/U²³⁵F₆) des im Mischtank 104 befindlichen Gemischs. Typische Verweilzeiten des Gemischs für eine CIP-Las erb e s trahlung mit 1000 Watt durch eine Reaktionskammer 110 mit einem Radius von 35 cm und einer Länge von 5 m betragen ungefähr 0,024 Sekunden.

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Für eine Bestrahlung mit einem CO-Laser bei 1 Kilowatt durch eine Kammer 110 mit einem Radius von 35 cm und einer Länge von 280 m dürfte die Verweilzeit typischerweise 29 Sekunden betragen, während eine Bestrahlung mit einem CO -Laser durch eine Kammer 110, die 420 m lang und 35 cm im Durchmesser ist, typischerweise eine Verweilzeit von 198 Sekunden erfordert. Höhere oder kürzere Verweilzeiten, unter Verwendung anderer Laserleistungen und/oder von 2 oder mehr Lasern und/oder anderen Arbeitsdrucken und Temperaturen mit anderen Kammerradien und -längen können ebenfalls mit Nutzen verwendet werden.

Eine typische Anordnung 13Ο mit zwei 500 Watt ClF-, BF-, OCS-, CS-, CS-, CO- oder CO -Lasern I32 und 134, einen an jedem Ende 136 bzw, I38 einer Kammer 14O mit einem Querschnitt von 1000 cm , durch Fenster 114' und 1i4^lf einstrahlend, ist in Fig. 7 gezeigt. Wenn in der Anordnung der Fig. 7 ein CIF-Laser verwendet wird, sind folgendes typische Verfahrensparameter: UFg-Zufuhrgeschwindigkeit durch Einlaßverteilerrohr 142 = 0,21 Mol/s; Reaktionskammerlänge = 5 m; UF^-Druck = 0,12 Torr; Temperatur = 210° K; Verweilzeit = 0,024 s. Wenn stattdessen ein CO-Laser verwendet wird, beträgt die UF/-~Zu— fuhrgeschwindigkeit 0,07 Mol/s und die Reaktionskammerparameter sind: Länge = 280 m; UF^-Druck <ü 0,95 Torr; Temperatur = 235° K; Verweilzeit ^ 29 Sekunden. Schließlich betiägt im Falle der Verwendung eines CO -Lasers die UFg Zufuhrgeschwindigkeit 0,14 Mol/s, während die Reaktionskammerparameter sind: Länge = 420 m; UF^-Druck = 10 Torr; Temperatur = 265° K; Verweilzeit ^, 198 Sekunden. In allen Fällen wird der "Schnitt" auf 10$ genommen, d.h. das Verhältnis von erzeugtem UF₁-Cl zu zugeführtem

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₆ beträgt ungefähr 0,1. Ein Molverhältnis für g von h wird als nominell angenommen, aber jedes beliebige Verhältnis zwischen 1 und 10 kann verwendet werden.

Für den CIF-Laser läßt sich ein effektiver Anreicherungsfaktor von ungefähr 6 erhalten, während bei Anwendung der Spitze-Loch-Technik auf die γ/,,-Bande, wie oben beschieben, ein Faktor von ungefähr 10 bis 15 erhalten werden kann. Für die CO- und CO -Laser erscheint gegenwärtig die Q-Abfallmethode am aussichtsreichsten. Ein effektiver Anreicherungsfaktor von ungefähr 3»5 läßt sich mit einem CO-Laser erhalten, der auf der 3V -Bande von UF, arbeitet, und ein Faktor von ungefähr 1,5 ist möglich, wenn ein C0„-Laser verwendet wird, der auf der (V,. + VV + Vg)-Bande arbeitet.

Da die Gasströmungsgeschwindigkeiten für den Fall des ClF-Lasers mittelhoch sind (Verweilzeit = 0,024 Sekunden), ist in Fig. 8 eine andersartige Anordnung 150 gezeigt, die ebenfalls eingesetzt werden kann. In der Anordnung 150 ist weniger Verweillänge vorhanden und niedrigere Strömungsgeschwindigkeiten sind möglich. Die in Fig. 8 gezeigte Anordnung 15O macht von zwei 5OO ¥att ClF-Lasern 152 und 15^ Gebrauch, Es wird eine 20 m lange, 2 m breite und 25 cm hohe Reaktionskammer I56 verwendet, in die die Strahlung des CIF-Lasers durch eine Reihe von in den Seiten der Kammer 156 befindlichen Fenstern I58 eingeführt wird. Die Zufuhrgeschwindigkeit von UTV in die Reaktionskammer I56 aus einer oberen Plenumkammer 16O beträgt für die in Fig. 8 gezeigte Anordnung wiederum 0,2 Mol/s, während die Verweilzeit ungefähr 1,6 Sekunden beträgt. Die mit der Anordnung der Fig. 8 über den in der rohrförmigen Anordnung der Fig.

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ο J

erforderlichen Vert von 0,02^ Sekunden hinaus erzielbare Verweilzeit erlaubt niedrigere Pumpgeschwindigkei ten, wodurch sich niedrigere Kosten im Zusammenhang mit der Pumpeinrichtung verwirklichen lassen. Dieser Gewinn wird jedoch teilweise durch die Kosten eines zusätzlichen Zugs von Strahlenteilern 162 und Fenstern 158 ausgeglichen. In der Praxis würde die Wahl zwischen der in Fig. 7 gezeigten Anordnung 130 und der in Fig. 8 gezeigten Anordnung 150 von einer wirtschaftlichen Vergleichsstudie zwischen den zwei Kostenfaktoren abhängen.

Zurück zu Fig. 6. Beim Betrieb der Anlage setzt sich, nachdem die laserinduzierte isotopenspezifische Reaktion in der Reaktionskammer 110 stattgefunden hat, der durch das Auslaßverzweigerrohr 113 abgehende Gasstrom aus einem Gasgemisch mit einer typischen Zusammensetzung von 78$ HCl, 2$ HF, 18% UF₆ und 2$ UF_C1 zusammen. Falls der Laser bei einer Frequenz betrieben wurde, wo das XsOto— penabsorptionsquerschnittsverhältnis „.„/ „„- 1 ist, ist

ο ο er

das unreagierte UFg an U angereichert und das UF„C1 verarmt, während für das Verhältnis 5" ./δ" _s^-1 das Reak-

235

tionsprodukt UF-Cl an U angereichert und das UFg verarmt ist. Wenn der zugeführte Stoff natürliches Uran (0,7# ist, wird in der Regel ein Betrieb mit ί5"_ο „/61 □ > 1 bevorzugt, weil sich für praktische Werte des Schnitts -&· (er= (Produkt UF_Cl)/(zugeführtes UFg)) in einem kontinuierlichen Verfahren ein höherer effektiver Anreicherungsfaktor erzielen läßt.

Das behandelte Gasgemisch aus HCl/HF/UFg/UF-Cl wird in einem Kompressor 180 zuerst auf einen Druck von ungefähr 7^5 Torr und eine Temperatur von 350 K komprimiert und dann durch einen Differenzialgefrierabschnitt 181, bestehend

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aus einer Reihe voii Ausfrierkammern 182 und 182', 184 und 184', 186 und 186· geleitet, wo jede der 4 Komponenten durch Differenzialgefrieren abgetrennt wird und die zur Schaffung geeigneter Verbindungen notwendigen Rohrleitungen, Ventile, Pumpen und dgl., wie in Fig. 6 gezeigt, vorgesehen sind. Dies ist möglich, weil jedes der 4 Gase einen anderen Dampfdruckverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur hat. In Fig. 6 wird UF_C1, das den niedrigsten Dampfdruck hat, in Kammer 182 oder 182' bei einer Temperatur von ungefähr 295 K und einem Gesamtdruck von 472 Torr zuerst ausgefroren. In Fig. 6 sind zwei Ausfrierkammern 182 und 182' für UF-Cl gezeigt, um ein diskontinuierliches Sammeln des UF-Cl-Produkts zu ermöglichen, während die Laser-Isotopentrennung ohne Unterbrechung weitergehen kann. Während beispielsweise eine Ausfrierkammer für UF..C1 gerade von gesammeltem UF_C1-Produkt (durch Heizen und Abpumpen) entleert wird, sammelt die andere Ausfrierkammer 182* für UF„Cl gerade neues UF Cl-Produkt.

Die verbleibenden Gase UF^-, HCl, HF können in den Kammern 182 und 18.2' nicht ausfrieren, da ihre Partialdrucke deutlich unter ihren Dampfdrucken bei 295 K liegen. Sie werden also durch die Sammelkammern 182 oder 182' für UF_C1 durchgepumpt und in die Kammern 184 und 184' weitergeleitet, wo das nächstwenig flüchtige Gas, nämlich UF^, bei einer Temperatur von ungefähr 222 K ausgefroren wird. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann, wenn eine höhere Anreicherung gewünscht wird, das Gemisch aus UFg, HCl und HF teilweise oder ganz in die Mischkammer zurückgeführt und in der Kummer 110 der Laserstrahlung erneut unterworfen werden. Bei vielen Anwendungen wird nur eine einstufige Anreicherung

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benötigt, oder die weitere Anreicherung geschieht in einer nachfolgenden Stufe, die entfernt von der in Fig. 6 gezeigten Anlage liegt, in welchem Fall dann das Rückführen nicht notwendig ist. Es sind wiederum zwei Kammern 184 und 184' in Fig. 6 gezeigt, die einen kontinuierlichen Betrieb und diskontinuierliches Abtrennen des ausgefrorenen UF/- ermöglichen.

Die Gase HF und HCl sind in den Kammern 184 oder 184' immer noch ungesättigt und werden daher weiter zu Kammern 186 oder 186' durchgepumpt, wo HF bei einer Temperatur von ungefähr 175 K ausgefroren wird. Wiederum sind zwei Kammern 186 und 186' vorgesehen, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gestatten, während HF aus der wechselnden Sammelkammer abgezogen und gereinigt wird. Das verbleibende HCl wird schließlich in den HCl-Tank 102 zur Wiederverwendung im Kreislauf zurückgeführt.

Das in den Kammern 182 oder 182' gesammelte UF-Cl ist an

235
U verarmt, falls die Betriebsbedingungen so gewählt werden, daß ^"oqft^T! ^" ^ is*· ^ⁿ diesem Falle kann das UF-Cl in einem Reformer 189 zur Gewinnung von verarmtem U, F_ und Cl„ umgeformt weiden,um den Gesamtbetrieb der Urananreicherungsanlage auszubalancieren. Wird andererseits der Arbeitspunkt so gewählt, daß CT_0oK/cTV,„_ö /*" 1 ist, dann ist UF-Cl an U ^J^ angereichert und kann, wie bei 193 angedeutet, zu einer Anlage zur Herstellung von Kernbrennstoffen transportiert werden. Das F₂ und Cl₂ werden dann in der Anlage zur Herstellung der Kernbrennstoffe wiedergewonnen und an •die Anreicherungsanlage zur Wiederverwendung zurückgesandt.

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- 2656Ί52 93

Für das in den Kammern 184 und 184' gesammelte UF^ trifft das Umgekehrte zu, d.h.., wenn der Arbeitspunkt so ausgewählt ist, daß CV „/<5~ yr 1 ist, dann ist das UF/- an

235
U angereichert, und in diesem Fall wird dieses Produkt in die Anlage zur Herstellung von Kernbrennstoffen transportiert. Ist der Arbeitspunkt so, daß OC _K/<5" „ > 1, dann

235

ist das in den Kammern 184 und 184' gesammelte UF^ an U

verarmt und dieser Stoff bildet die "Abgänge" des Anreicherungsvorgangs .

Mit dem in den Kammern 186 und 186' gesammelten HF kann der UF_C1-Reformer beschickt werden oder ein Brennelementeherstellungsvorgang, wo es dazu verwendet werden kann, Cl-Abfall wiederzugewinnen, um HCl zur Rückführung in den Kreislauf zu erhalten.

Es kann eine zentrale Kühlanlage 188 verwendet werden, die die Kühlmittel CF^ i^_frier = 1^6° K), Kulene-131 (Tf_x^₆₁, = 2l4° K), Freon-22 (T . = 233° Κ) und Wasser zur Bedienung der einzelnen Gefriereinheiten, wie in Fig. 6 gezeigt, verwendet.

In Fig. 9 ist eine weitere, allgemein mit 190 bezeichnete Ausführungsform einer Aufbereitungsanlage gemäß den Grundlagen der Erfindung gezeigt, bei welcher die Reaktionsprodukte UF (oder"UFr) + HF + 1/2 Cl_ zusätzlich oder anstelle von UFjXl in der Reaktionskammer 192 gebildet werden können, wobei die Reaktionskammer 192 ähnlich der Kammer 110 ist, mit Ausnahme daß ein zusätzlicher chemisch reaktiver Stoff des Typs, der nicht verbraucht wird, in Form von Drähten, Ringen, Perlen, oder Plättchen, wie in den Reaktionskammern 192 a, 192 b und 192 c der Fig. 10 gezeigt, vorhanden ist und oberflächenkatalytisches Platin, Kobalt, Nickel, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid oder dgl. oder einen gas-

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förmigen Stoff wie H₉ oder He enthält, die bei der Reaktion des laserangeregten UF^ mit HCl die Bildung von festem UF-(oder UF.) anstelle von einfach dem Produkt UF-Cl + HF fördern.

Fig. 10 zeigt mehrere Anordnungen für die Anwendung eines Oberflächenkatalysatora in einer Reaktionskammer zur Förderung der Bildung von festem UFj. oder UF-. Die Reaktionskammer 192 a, die in der in Fig. 9 gezeigten Ausfuhrungsform 190 als die Reaktionskammer 192 verwendet werden kann, ist in ihrem Inneren mit einem Spiraldrahtkatalysator 192 a¹ versehen. Der Spiraldrahtkatalysator 192 a¹ kann aus den oben beschriebenen festen Katalysatoren zusammengesetzt sein und weist eine Achse 192 a¹ auf, längs derer der Laserstrahl so durchgeleitet wird, daß keine gegenseitige Beeinträchtigung von Draht und Laserstrahl auftritt.

Die Reaktionskammer 192 b läßt sich ebenfalls als die in Fig. 9 gezeigte Reaktionskammer 192 verwenden und ist mit einer Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten Ringelementen 220 versehen. Jedes Ringelement 220 umfaßt einen Perlenträgerdraht 222 mit einer Anzahl von darauf befestigten Perlen 224. Die Perlen 224 können aus den oben beschriebenen festen Katalysatoren hergestellt sein. Die Ringelemente 220 werden in ihren Abständen voneinander innerhalb der Kammer 192 b durch sich in Längsrichtung erstreckende Trägerdrähte 226 gehalten. Der Laserstrahl wird frei von gegenseitiger Beeinträchtigung mit den Ringelementen 220 oder Trägerdrähten 220 in Richtung der Achse 192 b¹ gelenkt.

Die Heuktionskammer 192 c kann ebenfalls als die in Fig. 9 gezeigte Reaktionskammer 192 verwendet werden und ist mit einem halbzylindrischen, doppelwandigen Teil 228 versehen, der einen ringförmigen Zwischenraum 230 zwischen den Wänden 232 und 234 definiert. Die Wände 232 und 234 sind aus einem

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masch.en.artigen oder siebartigen Material hergestellt und enthalten eine Anzahl von Katalysatorscheibchen 236 im ring förmigen Zwischenraum 23O, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Scheibchen 236 können aus dem oben beschriebenen Kataly sator hergestellt sein, und der Laserstrahl wird ohne Verletzung der Kammer 228 längs der Achse 238 geleitet.

In einigen Ausführungsformon wird das Zwischenprodukt UF-Cl überhaupt nicht gebildet, und H ersetzt HCl im Tank 193 vollkommen. In anderen Ausführungsformen wird im Tank 193 anstelle des reinen HCl ein H /lICl-Gemisch verwendet. Die Anregung wird durch Laser 194 und/oder I96 geliefert, die ähnlich wie die oben beschriebenen Laser 118, I32 oder 134 sein können. Natürliches UF ^ wird in die Kammer 192 aus Tank 191 nachgeliefert. Das in Kammer 192 schließlich gebildete UF ist nicht-flüchtig und fällt in der Reaktionskammer 192 aus, ebenso wie ein gegebenenfalls gebildetes UF^ oder andere feste Reaktionsprodukte. Die verbleibenden flüchtigen Komponenten UF,-, HCl, HF, Cl₀ und restliches UF-Cl (falls vorhanden) werden abgepumpt und in einem Differenzialgefrierabschnitt I96, ähnlich dem in Fig. 6 gezeigten Abschnitt 181, wiedergewonnen. UTV (und UF_C1 welches vorhanden)) wird in Kammern 198 oder 198¹

bei T = 235 K ausgefroren und abgetrennt; HF wird in Kammern 200 oder 200" bei T = 175° K gesammelt und HCl wird in Kammer 202 oder 202^f bei 148° K abgetrennt.

Das verbleibende Cl wird in einen chemischen Reaktor 204 geleitet, wo es mit H zu HCl umgesetzt wird, welches in die Kammer 193 zurückgeführt wird. Wie in Fig. 9 gezeigt kann das H für die HCl-Vlcdergowinnungsreaktion aus Zolle 206 gewonnen werden, in welcher in den Kammern 200 oder 200' gesammeltes HF in einer elektrolytischen Zelle mit KF zu H und F umgesetzt wird. Das in Zelle 200 gebildete

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F wird in einen Speichertank 195 geleitet.

Bei Ausfuhrungsformen, wo überhaupt kein HCl verwendet wird und nur reiner H„ zur Anwendung gelangt, wird natürlich kein Cl gebildet. Das Abtrennen von HCl über die Ausfriereinheiten 202 oder 202* wird in diesem Fall übersprungen, und anstelle Cl zur Einheit 204 lau:
in die Kammer 193 zurückgeführt.

anstelle Cl zur Einheit 204 laufen zu lassen, wird

Zur Entfernung des festen UF UF. oder anderer fester Reduktionsprodukte von UFx-, die in der Reaktionskammer 192 ausfallen, wird der Laser-Isotopentrennvorgang in Abständen angehalten und F aus Tank 195 zxxr Refluorierung von UF-, UFj oder anderer fester UFg-Reduktionsprodukte zu gasförmigem UF/f bei leicht erhöhten Temperaturen eingelassen. Jeweils eine aus einer Batterie von 10 Einheiten 190 kann beispielsweise für diesen Wiedergewinnungsvorgang abgeschaltet werden.

Wie im System 99 der Fig. 6 sind zwei Äusfrierkammern (198 oder 198^f; 200 oder 200»; 202 oder 202«) im System 196 für die Differenzialgefrierschritte, die UFg, HF und HCl sammeln, vorgesehen. Während eine Kammer ausgeleert wird, sammelt die andere, so daß ein kontinuierliches Arbeiten möglich ist, wobei der Zustrom von einer Kammer auf die andere Kammer schaltbar ist. Wiederum ist das in 198 oder 198' gesammelte

235
UF^ an U verarmt und das ausgeschiedene UF_, UF. oder

235

andere feste UFg-Reduktionsprodukt in 192 an U ^JJ angereichert, falls das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte

2 35/^238 ^^^T ^^{en we}^-*^{er ODe}n beschriebenen laserinduzierten Reaktionsprozess 1 überschreitet, während umgekehrt das in 198 oder 198* gesammelte UF^ angereichert und das Präzipitat

235
in 192 an U -^ verarmt ist, falls das umgekehrte Verhältnis

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Natürlich, sind alle aufgeführten Verfahrensparameter nur Beispiele, und gleich gute oder bessere Anreicherungsvorgänge können möglicherweise mit leicht modifizierten Werten für die Arbeitsparameter und/oder leicht modifizierten Flußschemata erreicht werden. Die gezeigten Schemata lassen sich natürlich auf gleich gute Weise auch für die Trennung von anderen als Uranisotopen verwenden. Der Hauptunterschied würde darin bestehen, daß andere Ausfriertemperaturen in der Folge der Differnzialausfriervorgänge zur Trennung der einzelnen Produkte gewählt werden müssen, da andere gasförmige Verbindungen andere Dampfdrucke und Gefrierpunkte haben. Auch können andere Verfahren als das Differnzialgefrieren, wie etwa Lösungsmittelextraktion, Absorption und andere bekannte Trenntechniken der chemischen Verfahrenstechnik angewandt werden.

Aus dem Obigen ergibt sich, daß die Erfindung nicht nur ein verbessertes Verfahren zur Erzielung einer Anreicherung eines bestimmten Isotops auf einen weit über dem natürlichen Wert liegenden Anreicherungsgrad vorschlägt, sondern ebenso eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also eine Isotopentreiinanordnung zur Trennung eines bestimmten Isotops aus einem Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen durch selektive photoneninduzierte reine entweder Rotationsschwingungs- oder vibronische Anregung der die Atome des abzutrennenden Isotops enthaltenden Moleküle aus einem unteren in einen höheren Energiezustand, und eine chemische Umsetzung der Moleküle im höheren Energiezustand mit einem chemisch reaktiven Stoff zu einer chemischen Verbindung, die in erster Linie die

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Atome des abzutrennenden Isotops in einem physikochemischen Zustand enthält, der vom physikochemischen Zustand des Gemische aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen verschieden ist. Die die Atome des abzutrennenden Isotops enthaltende chemische Verbindung kann nachfolgend zur Gewinnung des Isotops weiterverarbeitet werden,

Die amerikanische Ursprungsanmeldung zu dieser Anmeldung ist eine "Continuation in part"-Anmeldung der US-Patentanmeldung Ser. Nr. 262 661, eingereicht am l4. Juni 1972. Der Inhalt der dieser US-Anmeldung entsprechenden deutschen Anmeldung P ... ... ist Teil dieser Beschreibung.

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9£

Leerseite

Claims

Pat entansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung eines bestimmten Isotops durch Abtrennung bestimmter Isotopenmoleküle des bestimmten Isotops aus einem Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen zur Erzielung einer erhöhten Konzentration des bestimmten Isotopenmoleküls, ■wobei die das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen ausmachenden Moleküle photoneninduzierbare Übergänge zwischen einem unteren molekularen Energiezustand der Rotationsschwingungsniveaus und einem höheren molekularen Energiezustand der Rotationsschwingungsniveaus haben und dabei eine Rotationsschwingungs-Photonenabsorptionsbande definieren, und wobei die Moleküle des höheren molekularen Energiezustands eine bestimmte Molekülschwingung haben, und wobei die Absorjjtionsbande der Moleküle der chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle, die das bestimmte Isotop enthalten, bezüglich der Absorptionsbande der anderen chemisch identischen aber iotopisch verschiedenen Moleküle in der Frequenz verschoben ist, und wobei die Absorptionsbande bestimmte Bereiche hat, in denen der Absorptionsquerschnitt des bestimmten Isotopenmoleküls größer als der Absorptionsquerschnitt des anderen Isotopenmoleküls an einer bestimmten Frequenz innerhalb des bestimmten Bereichs ist, gekennzeichnet durch

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ORIGINAL INSPECTED

-rf-

Erzeugen eines Ph.otonenstrah.ls mit einer der bestimmten Frequenz entsprechenden Frequenz;

Halten des Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen auf einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur;

Bestrahlen des Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen mit den Photonen der bestimmten Frequenz zur Erzielung von Übergängen der chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle in den höheren molekularen Energiezustand, wobei die Photonen e"ine Flußdichte zur Erzielung einer Über— gangsrare haben, die größer als die stoßbedingte Entregungsrate der bestimmten Molekülschwingung ist, wodurch sich eine Population von Molekülen mit der bestimmten Molekülschwingung des höheren molekularen Energiezustands ergibt, die größer ist als die Population der Moleküle mit der bestimmten Molekülschwingung des niedrigeren molekularen Energiezustands;

Vorsehen eines chemisch reaktiven Stoffes bei dem Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle für eine ausgewählte Reaktion mit diesen, wobei der chemisch reaktive Stoff mit den Molekülen im höheren Energiezustand mit der bestimmten Molekülschwingung eine größere Reaktionsgeschwindigkeit hat als die Reaktionsgeschwindigkeit des chemisch reaktiven Stoffes mit Molekülen im unteren Energiezustand ist, und wobei die Reaktion eine chemische Verbindung in einem bestimmten physikochemischen Zustand schafft, der sich vom physikochemischen Zustand des Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen in dem unteren molekularen Energiezustand unterscheidet;

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Selektives Abtrennen der chemischen Verbindung; und Selektives Gewinnen des bestimmten Isotops.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Bereich der Absorptionsbande eine im wesentlichen kontinuierliche Absorptionskontur mit einem hohen Absorptionsquerschnitt in einem Mittelteil und einem niedrigen Absorptionsquerschnitt, kleiner als der hohe Absorptionsquerschnitt ,hat , daß die Isotopic- Frequenzverschiebung einen Unterschied zwischen der Größe des Photonenabsorptionsquerschnitts des bestimmten Isotopenmoleküls und der Größe des Photonenabsorptionsquerschnitts des anderen Isotopenmoleküls ergibt, und daß die Differenz bei einer bestimmten Frequenz auf den Abfällen größer als im Mittelteil ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UF^ enthält, daß die bestimmten

235 235

Isotopenmoleküle U F_r in einem Gemisch aus U F,- und

238 ° ⁶

U Fx- umfassen, daß der bestimmte Absorptionsbereich die Einhüllende der Q-Zweige der Heißbanden umfaßt, daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz auf einem Abfall der Einhüllenden der Q-Zweige zwischen dem Mittelteil der Einhüllenden der Q-Zweige und einem Bereich angrenzender heißer R-Zweige umfaßt, und daß der Absorptions-

235
querschnitt von U Fg bei dieser bestimmten Frequenz größer als der Absorptionsquerschnitt von U Fg ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UFg enthält, daß die bestimmten

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nnO O O Ci

Isotopenmoleküle TJ F^ in einem Gemisch aus U F,- und U F^ umfassen, daß der bestimmte Absorptionsbereich die Einhüllende der Q-Zweige der Heißbanden umfaßt, daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz auf einem Abfall der Einhüllenden der Q-Zweige zwischen dem Mittelteil der Absorptionseinhüllenden und dem Bereich angrenzender Q-Zweige umfaßt, und daß der Absorptionsquerschnitt

O o Q

für U ^J F^- bei dieser bestimmten Frequenz größer als der

235
Absorptionsquerschnitt von U */; ist,

5« Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q-Zweige in der V„-Absorptionsbande von UF-ς liegt,

6, Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q-Zweige in der (V + Vo)-Absorptionsbande von UF ,ς liegt.

7, Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeicl· t_t daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q-Zweige in der (V₂ + V«)-Absorptionsbande von UF/- liegt,

8, Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q-Zweige in der (v' + V )-Absorptionsbande von UFg liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q-Zweige in der 3 V«-Absorptionsbande von UF^ liegt.

10, Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q-Zweige in der (Y- + Vjl + VgJ-Absorptionsbande von UFg liegt,

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11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsbande wenigstens eine kontinuierliche dichte Kontur heißer Q-Zweige im Mittelteil der Absorptionsbande und daran angrenzend strukturierte Bereiche heißer P-Zweige und R-Zweige mit einer Anzahl von Spitzen hoher Absorption und Löchern tiefer Absoprtion aufweist, und daß der bestimmte Bereich der Absorptionsbande die strukturierten Bereiche der heißen P-Zweige und R-Zweige mit der Anzahl der Spitzen hoher Absorption und Löcher tiefer Absorption umfaßt, und daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz ist, bei welcher wenigstens eine dor Spitzen hoher Absorption des bestimmten Xsotopenmoleküls mit einem Loch tiefer Absorption des anderen Isotopenmoleküls zusammenfällt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UF^ enthält, daß die bestimmten

°35 235

Isotopenmoleküle U Fg in einem Gemisch aus U Fg und U Fg umfassen, daß die bestimmte Frequenz in wenigstens einem Gebiet der P-Zweige und R-Zweige der V_q-Absorptionsbande von UF-- liegt und daß der Absorp-

235

tionsquerschnitt von U F,- bei der bestimmten Fre-

238 quenz größer als der Absorptionsquerschnitt von U Fg ist.

13· Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch.aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UF^ enthält, daß die bestimmten Iso—

λ r\ Q *■* O O C

topenmoleküle U F^ in einem Gemisch aus U F/ und U Fg umfassen, daß die bestimmte Frequenz in wenigstens

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einem Gebiet der P-Zweige und R-Zweige der V,,-Absorptionsbande von UF,- liegt und daß der Absorptionsquerschnitt von U F^ bei der bestimmten Frequenz größer

235 als der Absorptionsquerschnitt von U F^ ist.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Molekülschwingung die V^-Schwingung ist.

Verfahren nach einem der Ansprüche 5» 12 oder 13» dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren einer Photonenemission aus einem ClF-, BrF-, DCl-, SO₂-, CO₂- oder SF^-Lasers umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren der Emission eines CO-Lasers umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren einer Photonenemission aus einem CO -Laser umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Laserstrahls das Induzieren einer Photonenemission aus einem BF-Laser umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren einer Photonenemission aus einem 0 C S -,0 C S-,

18 12 lh
0 C S^J -, CS- oder BF-Lasers umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das selektive Abtrennen der chemischen Verbindung und

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selektive Gewinnen des bestimmten Isotops ein Differenzialgefrieren der chemischen Verbindung, der unreagierten chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle und des unreagierten chemisch reaktiven Stoffes zur Trennung der Bestandteile umfaßt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen und der chemisch reaktive Stoff in einem Molverhältnis im Bereich zwischen 1:1 und 1:20 für die chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle zum chemisch reaktiven Stoff vorgesehen wird.

22, Verfahren nach Anspruch 1 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Chlorwasserstoff, Wasserstoff und Bromwasserstoff, Chlorwasserstoff und Bromwasserstoff oder Wasserstoff, Chlorwasserstoff und Bromwasserstoff ist.

23· Verfahren nach Anspruch 1 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UF,- enthält, daß der chemisch reaktive Stoff Chlorwasserstoff ist und daß die chemische Reaktion eine exotherme und thermoneutrale Reaktion von UF,- mit Chlorwasserstoff unter Erzeugung von gasförmigem UF-Cl und gasförmigem HF ist, bei der sich das HF in einem der Grund- und angeregten Schwingungszustände befindet,

2k, Verfahren nach Anspruch 1 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UFg enthält, daß der chemisch

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reaktive Stoff Wasserstoffbromid ist, und daß die chemische Reaktion eine exotherme und thermoneutrale Reaktion von UF,- mit Bromwasserstoff unter Erzeugung von gasförmigem UF„Br und gasförmigem HF ist, bei der sich das IEP in einem der Grund- und angeregten Schwingungszustände befindet.

25« Verfahren nach Anspruch 1 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UFy- enthält, daß der chemisch reaktive Stoff ein Gemisch aus Wasserstoff, Chlorwasserstoff und Bromwasserstoff ist, und daß die chemische Reaktion UF-Cl, UF Br und HF erzeugt.

26. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Temperatur im Bereich zwischen 100 und 300° Kelvin liegt.

27· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Druck im Bereich zwischen 0,01 und 7^0 Torr liegt.

28. Verfahren nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Reaktion die Dissoziation von UF^ in wenigstens eines der festen Reaktionsprodukte UF- und UFj ist und das in Abständen erfolgende .Entfernen der festen Reaktionsprodukte umfaßt.

29» Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge der chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle durch Mehrphotonenabsorption induziert werden und daß die Erzeugung eines Photonenstrahls das Induzieren einer Photonenemission aus einem

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fokussierten Laser umfaßt,

30. Verfahren nach Anspruch 29» dadurch gekennzeichnet, daß der Laser gepulst wird.

31. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff Wasserstoff oder Helium in Gasform ist,

32. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff ein oberflächenaktiver Katalysator aus der Gruppe, bestehend aus Platin, Nickel, Aluminiumoxid und Magnesiumoxid, ist und daß der oberflächenaktive Katalysator in Form von Drähten, Plättchen oder Ringen vorgesehen wird.

33· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen und dem reaktiven Stoff in einer Reaktionskammer für eine bestimmte Verweilzeit gehalten wird, daß beim selektiven Abtrennen der chemischen Verbindung und beim selektiven Gewinnen des bestimmten Isotops der Inhalt der Reaktionskammer abgeführt und einer Folge von Differntialgefrierkanunorn, die sich auf ausgewählten unterschiedlichen Temperaturen befinden, und in denen die einzelnen chemischen Stoffe mit ihren unterschiedlichen Gefrierpunkten nacheinander ausgefroren, gesammelt und abgetrennt werden, zugeführt wird, und daß die Verweilzeit in der Reaktionskammer so gewählt wird, daß die chemische Reaktion für ungefähr 5$ bis 99% der ausgewählten Isotopenmoleküle erfolgt.

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3²J-. Verfahren nach Anspruch 33» dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer für die Photonen der bestimmten Frequenz eine optische Weglänge derart hat, daß ungefähr 10 bis ^QQ?o der Photonen durch das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen absorbiert werden.

35« Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen und dem reaktiven Stoff der Reaktionskammer kontinuierlich zugeführt wird, und daß das chemische Produkt und unreagierte Komponenten kontinuierlich aus der Reaktionskammer abgepumpt werden.

36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen und dem reaktiven Stoff der Reaktioriskararaer in bestimmten gemischten Mengen in Abständen zugeführt wird und daß das chemische Produkt und unreagierte Komponenten aus der Reaktionskammer in Abständen abgeführt werden, um ein chargenweises Zufunrund Abführverfahren zu schaffen.

37. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Teil der Reaktionskammer gekühlt wird, daß die festen ReduktLons produkte in dem gekühlten Teil der Reaktianskammer ausgefällt werden und daß das feste, ausgefällte Produkt aus der Reaktionskammer in Abständen abgezogen wird.

38. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß das in Abständen erfolgende Abziehen des festen Produkts eine Wiederfluorierung und Wiedervergasung des festen

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Reduktionsprdukts zur Wiederbildung von gasförmigen UF,- und ein Abpumpen des wiedergebildeten gasförmigen UF aus der Reaktionskararaer umfaßt.

39« Verfahren nach. Anspruch 37 ι gekennzeichnet durch ein kontinuierliches Zuführen des Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen in die Reaktionskammer und kontinuierliches Abführen der unreagierten und anderen gasförmigen Produkte aus der Reaktionskammer.

kO. Verfahren nach Anspruch 37» gekennzeichnet durch ein in Abständen erfolgendes Zuführen des Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle in die Reaktionskammer und ein in Abständen erfolgendes Abziehen der unreagierten und anderen gasförmigen Produkte aus der Reaktionskammer.

kl, Isotopentrennvorrichtung des Typs, bei welchem photoneninduzierte Übergänge bei einer bestimmten Frequenz für wenigstens ein Isotopenmolekül eines ein Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle enthaltenden Mediums stattfinden, gekennzeichnet durch eine Lasereinrichtung (36, 36») zur Erzeugung eines Photonenstrahls (18; I8¹) mit Enex-gie an der bestimmten Frequenz, wobei die Laser— einrichtung (36, 36') ein gekoppeltes, aus zwei Beinen bestehendes optisches Laserresonatorsystem mit einem kurzen Bein variabler Länge und einem langen Bein aufweist, durch eine Gitterexnrichtung (46; 46') zur Grobabstimmung der Frequenz der im Laserstrahl enthaltenen Photonen, durch eine an das kurze Resonatorbein angeschlossene Regeleinrichtung (88, 92; 88', 90') zur Ver-

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änderung von dessen Länge, wobei Änderungen der Länge des kurzen Resonatorbeins innerhalb eines bestimmten Längenbereichs eine Feinabstimmung der Frequenz der Photonen des Photonenstrahls ergibt.

42. Isotopentrennvorrichtung des Typs,' bei welchem photoneninduzierte Übergänge einer bestimmten Frequenz für wenigstens ein Isotopenmolekül eines ein Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle enthaltenden Mediums stattfinden, gekennzeichnet durch eine Lasereinrichtung (3^) zur Erzeugung eines Photonenstrahls (18) mit Energie an der bestimmten Frequenz, wobei die Lasereinrichtung ein Paar von Endspiegeln (kO, 42) eine zwischen den Endspiegeln angeordnete Filterzelle (58) und ein in der Filterzelle enthaltenes Medium umfaßt, wobei das Medium eine Ansammlung der Isotopenmoleküle ohne im wesentlichen das wenigstens eine Isotopenraolekül enthält, wodurch die Erzeugung von Photonen mit von der bestimmten Frequenz verschiedenen Frequenzen unterdrückt wird.

43. Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zur Veränderung der Länge des kurzen Resonatorbeins eine Detektoreinrichtung (88; 88', 90·) zum Nachweisen von Änderungen in der Frequenz der Photonen und zur Erzeugung eines ersten Regelsignals auf eine Veränderung und eine piezoelektrische Mikropositioniereinrichtung (92, 92·) für den Empfang des ersten Regelsignals und zum Verändern der Länge des kurzen Resonatorbeins auf das Regelsignal hin aufweist.

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kk. Vorrichtung nach. Anspruch 41 , gekennzeichnet durch eine Schwingungseinrichtung für das lange Resonatorbein zur zyklischen Veränderung der Länge des langen Resonator— beins mit einer Frequenz von wenigstens 50 Hz und mit einer Schwingungsamplirude von wenigstens so klein wie der halben Wellenlänge der Photonen des Photonenstrahls, wobei die Schwingungseinrichtung eine mit dem langen Resonatorbein verbundene piezoelektrische Mikroposi— tioniereinrichtung, eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Mikropositioniereinrichtung und eine Einrichtung zur zyklischen Variation der Größe der Spannung aufweist,

45· Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzexchnetdaß eine Reaktionskammer zur Aufnahme des das Genisch aus chemisch identischen aber isotopisch, verschiedenen Molekülen enthaltenden Mediums vorgesehen ist, daß der Laser (36) ein Paar von Endspiegeln (40, 42) aufweist, daß die Reaktionskammer zwischen den Endspiegeln des Lasers angeordnet ist und daß die molare Konzentration des wenigstens einen Isotopenmoleküls in dem Medium weniger als ungefähr 2% ausmacht.

46. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff im wesentlichen frei von starker Absorption der Photonen der bestimmten Frequenz ist.

47. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren der Emission von Photonen aus einem BF-Laser umfaßt.

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Verfahren nach Anspruch 7 ι dadurch gekennzeichnet, daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren der Emission von Photonen aus einem Ό C S -, 0 C S^J -,

-, O¹⁸C¹²S³⁴-, O¹⁶C¹²S³⁶-, CS- oder BF-Laser

umfaßt.

49. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Druck im Bereich zwischen 0,01 und 10 Torr liegt.

50, Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UF,* enthält, daß die bestimmten

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Isotopenmoleküle U F^ in einem Gemisch aus U F,- und U F^ umfassen, daß die bestimmte Frequenz in wenigstens einem Bereich der P-Zweige und R-Zweige einer Kombinations- Schwingungsabsorptionsbande von UF-* liegt, die eine Anzahl von Normalschwingungen umfaßt, wobei wenigstens eine der Normalschwingungen die V«—Schwingung ist,

235

und daß der Absorptionsquerschnitt von U F^- bei der

bestimmten Frequenz größer als der Absorptionsquerscnnitt von U²³⁸F₆ ist.

51. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen UF-* enthält, daß die bestimmten Isotopenmoleküle U*~^J F^ in einem Gemisch aus U F^ und U F' umfassen, daß die bestimmte Frequenz im wenigstens einem Bereich der P-Zweige und R-Zweige einer !Combinations^ Schwingungsabsorptionsbande von UF^- liegt, die eine Anzahl von Normalschwingungen umfaßt, wobei wenigstens eine der Xormalschwingungen die Vο-Schwingung ist, und

O ο Q

daß der Absorptionsquerschnitt von U Fg bei der be-

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stimmten Frequenz größer als der Absorptionsquerschnitt

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von U F₆ ist.

52. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff, Wasserstoff oder irgendein Gemisch aus Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff und Wasserstoff ist.

53« Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgewählte Reaktion die Dissoziations von UF,- in wenigstens eines der festen Reduktionsprodukte UF₁, und UF. ist, und daß die festen Reduktionsprodukte in Abständen abgeführt werden,

5^. Verfahren nach Anspruch 53» dadurch gekennzeichnet, daß Übergänge der chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle durch Mehrphotonenabsorption induziert werden und daß das Erzeugen eines Photonenstrahls das Induzieren der Emission von Photonen aus einem fokussierten Laser umfaßt.

55. Verfahren nach Anspruch $k, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser gepulst wird.

56. Verfahren nach Anspruch 53» dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff Wasserstoff oder Helium in Gasform ist.

57· Verfahren nach Anspruch 53» dadurch gekennzeichnet, daß der chemisch reaktive Stoff ein oberflächenaktiver Katalysator aus der Gruppe, bestehend aus Platin, Nickel, Aluminiumoxid und Magnesiumoxid, ist und daß der oberflächenaktive Katalysator in Form von Drähten, Plättchen oder Ringen vorgesehen wird.

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