DE2738651C2

DE2738651C2 - Verfahren zur Trennung von Lithium-Isotopen

Info

Publication number: DE2738651C2
Application number: DE2738651A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Akishima Tokyo Kashiwagi; Mikio Tanashi Yamashita
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1976-08-27
Filing date: 1977-08-26
Publication date: 1983-02-03
Also published as: DE2738651A1; US4149077A; JPS5327797A

Description

Die f>findung betrifft ein Verfahren /ur Trennung von Lithium-Isotopen, ⁶Li und 'Li.

In der Natur kommen die Lithium-Isotope ^hLi und 'Li in einem Verhältnis von 7.42 : 92.58 vor.

In neuerer /cn hat Hj eine zunehmende Beachtung als Quelle für Tritium. T. gefunden, das als Brennstoff für thermonukleare Fusionsreaktoren verwendet wird. Dies bedeutet, dali die Wichtigkeit von Tritium, T, als Brennstoff für thermonukleare Fusionsreaktoren als Folge der Zunahme von Untersuchungen über thermo* nukleare Fusionsreaktoren erkannt wurde. Auf der Erde ist Tritium, T, äußerst selten und existiert in einem Verhältnis Von nur 1/10" zu 1, bezogen auf gewöhnlichen Wasserstoff (Protium). Im Hinblick auf das seltene, natürliche Vorkommen von Tritium ist ohne weiteres ersichtlich, daß das Isotop künstlich nach irgendeiner Methode hergestellt werden muß, damit dieses Isotop als Brennstoff im technischen Maßstab verwendet werden kann. Eine der bislang zugänglichen, einfachsten ϊ Methoden ist eine Kernreaktion der folgenden Gleichung, welche durch Bestrahlung von ⁶Li mit thermischen Neutronen durchgeführt wird.

Diese Kernreaktion erlaubt die leichte Herstellung von Tritium, T:

"' ⁶Li + 'η - ³Tf⁴He + 7,69 ■ 10 ^IJ J

Weiterhin kann Tritium, T. aus ⁷Li durch Reaktion nach der folgenden Gleichung hergestellt werden. In diesem Fall tritt die Reaktion nur auf, falls die •5 eingesetzten Neutronen einen ausreichend hohen Energieinhalt aufweisen. Aus diesem Grunde wird ⁷Li hauptsächlich als absorbierendes Mittel für Neutronen in Kernspaltungsreaktoren eingesetzt.

⁷Li-Mn-³T+ ⁴He+ 'n-4,005 · 10"¹³ J

Genauer gesagt, wird ⁶Li als Quelle für die Anfangsbeladung von Tritium bei thermonuklearen Fusionsreaktoren oder als Brüterstoff für Tritium innerhalb der Abschirmungen solcher Reaktoren eingesetzt. Im Gegensatz dazu wird ⁷Li, das auf mehr als 99% konzentriert wurde, als absorbierendes Mittel für Neutronen und ais pH-Regler zur Verhinderung einer Wasserstoffversprodung bei Leichtwasser-Kernspaltungsreaktionen verwendet. Bei einem der Krafterzeugung dienenden Kernspaltungsreaktoi mit einer Leistung von 550 000 kW werden beispielsweise etwa 70 kg ⁷Li für diesen Zweck pro Jahr verbraucht.

Wie zuvor beschrieben, ist die zur Anreichung oder Trennung der Lithium Isotope ⁶Li und 'Li angewandte

r> Technik für Kernfusionsreaktoren und für Kernspaltungsreaktoren äußerst wichtig.

Bislang beruhten fast alle Versuche zur Anreicherung und Abtrennung von ⁶Li auf Austauschreaktionsmethoden, sich daran anschließenden Elektrolysemethoden.

Moleküldestillationsmethoc'en utvJ lonenwanderungsmethoden. Alle diese Methoden nutzten die Unterschiede in der Reaktionsgeschwindigkeit oder der Teilchengeschwindigkeit als Folge des Massenunterschiedes zwischen den beiden Isotopen aus.

Die Zweiphasenaustauschreaktionsmethode. welche die Anreicherung unter Ausnutzung aer Erscheinung erreicht, daß die Eindringgesi-hwindigkeiten in zwei Phasen von dem Massenunterschied zwischen den Isotopen abhängig ist. erfordert die Verwendung einer

ίο Kombination von zwei flüssigen Phasen, welche einen großen Isotopentrennfaktor haben. Beispielsweise wird in lournal of Chemical Physics. Bd. 56. Nr. 5 (1972), S. 1855—1862 die Kombination eines organischen Lösungsmittels und eines dielektrischen Lösungsmittels

ü vorgeschlagen. In Journal of Chemical Physics. Bd. 57. Nr. 12(1972), S. 5556- 5561 wird die Kombination einer wäßrigen Lösung und eines organischen Lösungsmittels vorgeschlagen. Die Kombination einer wäßrigen Lösung und eines Amalgams wir1 in Journal of Chemical Physics. Bd. 64. Nr. 4, S. 1828 - 1837 vorgeschlagen Eine luncnwanderungsmethodc, welche die Anreicherung von Lithium-Isotopen unter Ausnutzung der durch den Unterschied der Massen del¹ Lithiunvlsotope beeinflußt ten Ionenbeweglichkeit in einer an einen Gleichstrom angelegten hindurchgeschickten Lösung ausnutzt, wurde ebenfalls vorgeschlagen, s. The Journal of Physical Chemistry, Bd. 62 (1958), S. 760.

Diese Methoden nutzen alle den kleinen Massen-

unterschied nur unter Berücksichtigung der Trägheitskraft aus, und daher ergeben sich hierbei nur extrem kleine Isotopentrennfaktoren. Dies bedeutet, daß die Gewinnung eines gewünschten Lithium-Isotops in einer erforderlichen Menge die Durchführung des Anreicherungs- und Trennverfahrens in einer Vielzahl von Stufen notwendig macht, die für eine lange Zeitspanne wiederholt werden müssea Die Ionenwanderungsmethode verbraucht in zu starkem Ausmaß elektrischen Strom, um ihre Durchführung technisch möglich zu machen.

In der japanischen Patentveröffentlichung 13 798/ 1968 ist eine Methode beschrieben, nach welcher Uran-Isotope durch Bestrahlen von Uran mit einem Laserstrahl in zwei getrennten Stufen unter Anregung und Ionisierung des gewünschten Isotops getrennt werden. Diese Methode kann jedoch nicht auf die Anreicherung und Trennung von Lithium-Isotopen angewandt werden, da Uran und Lithium vollständig verschiedene Strukturen der Spektren und Dampfdruckeigenschaften besitzen und daher unterschiedliche Verschiebungen der Absorptionslinien und unterschiedliche Wellenlängen.

Entsprechendes gilt für die aus der DE OS 21 20 401 und CH-PS 5 73 266 bekannten Verfahren zur Trennung von Isotopen mit Hilfe von Laserstrahlen, bei denen ein Isotop des Isotopengemisches ionisiert und anschließend mit elektrischen und magnetischen Feldern abgetrennt wird. Die Verfahren werden am Beispiel der Uran-Isotope beschrieben, sind jedoch nichi für die Trennung von Lithium-Isotopen geeignet Diese haben nämlich sehr ähnliche physikalische Eigenschaften, so daß ein Energietransfer zwischen dem selektiv angeregten Isotop und dem anderen Isotop stattfinden kann. Somit wird das andere Isotop ebenfalls angeregt, was die Selektivität beeinträchtigt Ebenso kann eine Ladungsübertragung zwischen dem ionisierten Isotop und dem anderen Isotop stattfinden. Da die Geschwindigkeit für die eben geschilderten Energie- und Ladungstrapsfers bei einem Lithium-Atomstrahl mit hoher Flußdichte stark zunimmt, wird der Trennungsund Anreicherungskoeffizient entsprechend stark herabgesetzt. Mit der in den beiden Druckschriften beschriebenen Abtrennung mit magnetischen und elektrischen Feldern wird dieser Trennungskoeffizient nicht verbessert, d? in diesem Fall nur eine Trennung zwischen ionisierten um* nicht ionisierten Isotopen erfolgt.

Aus der Zeitschrift für Physik, Bd. 152. S. 143 - 182 (1958) war es bekannt, t'aß elektrische Massenfilter als Isotopentrenner verwendet werden können, wenn lonenbündH mit großem Querschnitt und großer Stromdichte eingesei/t werden.

In der DF OS 24 38 888 und US-PS 35 58 877 werden Verfahren beschrvben, bei denen die Laserstrahlung vor i'.intriti in den Reaktionsraum durch ein Filter geleitet wird, das ,in dampfförmigen Zustand jenes Isotop enthält, d;is im Reaktioiisraum unbeeinflußt bleiben soll. Hierdurch wird lediglich di; Wellenlänge, bei der dieses Isotop angeregt wird, aus dem l.aserln hl herausgeliltert.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Methode zur leichten und wirtschaftlichen sowie technisch vorteilhaften Trennung und Anreicherung der Lithium-isotope⁶Lt und ⁷U.

Das erfindungsgemäßi? Verfahren zur Trennung und Anreicherung der LithHirn-Isolope wird so durchgeführt, daß ein Lithium-Atomstrahl einer ersten Laserstrahlung mit bestimmter Wellenlänge ausgesetzt wird, die eine Lithium-Isotopenart selektiv anregt. Beispielsweise bewirkt die Bestrahlung von Lithium-Dampf nvt einem Laserstrahl einer Wellenlänge von 6707,761 · 10-⁸cm oder etwa 3232,61 · 10⁸Cm die selektive Anregung von ⁶Li, während die Bestrahlung unter Anwendung eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge von 6708,072 · 10 ⁸ em oder etwa 3232,60- 10 ⁸cm eine selektive Anregung von ⁷Li

ιυ bewirkt. Dann wird der Lithium-Atomstrahl, welcher die Bestrahlung mit der ersten Laserstrahlung erfahren hat, gleichzeitig mit einer zweiten Laserstrahlung bestimmter Wellenlänge bestrahlt, die die angeregte Lithium-Isotopenart selektiv ionisiert. Genauer gesagt

π bedeutet dies, daß die selektive Ionisierung des angeregten Lithium-Isotops dadurch erreicht wird, daß der Lithium-Atomstrahl mit einem Laserstrahl einer Wellenlänge von weniger als 3500 · 10-cm bestrahlt wird, wenn die Anregung unter Verwendung einer Wellenlänge in der Nachbarschaft von 6708 · 10"⁸Cm herbeigeführt wurde, oder daß er mi. '.inern Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger ais ^000 ■ 10"⁸Cm bestrahlt wird, wenn die Anregung unter Benutzung einer Wellenlänge in der Nachbarschaft von 3233 ■ 10-⁸cm erreicht worden ist. Nach den Bestrahlungen passiert der Lithium-Atomstrahl ein Massenfilter, das so gesteuert ist, daß es für die ionisierte Lithium-Isotopenart selektiv durchlässig ist. und daß anschließend die ionisierte Lithium-Isotopenart von der nicht ionisierten Lithium-Isotopenart getrennt wird.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Trennung und Anreicherung von Lithium-Isotopen dadurch erreicht, daß ein gewünschtes Isotop selektiv angeregt und ionisiert wird, und zwar als Folge der Isotopenverschiebungen in den Absorptionslinien von Lithium, wie sie zuvor beschrieben wurden. Daher kann die Trennung und Anreicherung von Lithium-Isotopen leicht und wirksam in einer kurzen Zeitspanne durchgeführt werden

ίο Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug genommen wird; in den Zeichnungen sind

F ι g. 1 ein erläuterndes Diagramm, welches die Energiezustände von Lithium wiedergibt, d'e bei der Erfindung eine Rolle spielen,

Fig. 2 ein erläuterndes Diagramm, welches die Isotopenverschiebungen von Lithium in der Nachbarschaft von 6708 · 10 ⁸ c m wiedergibt.

F ι g. 3 eine schemntische. geschnittene Aufsicht einer Ausführungsform tier Vorrichtung, welche bei der Durchführung des irfindungsgemäßen Verfahrens zur Trennung und Anreicherung des Lithium-Isotops verwendet wird,

Fi₆;.', eine geschnittene Ansicht längs der Schnittli-

■»5 nie IV-IV von F ig 3,

F ι g. 5 ein erläuterndes Diagramm, welches die Bestrjhlunpsrichtungen mit zwei Laserstrahlen, wie sie bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, /eigl

M) Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen naher erläutert.

Das Element Lithium hat starke Absörptionsüniert in der Nachbarschaft Von 6707,84 · IU-⁸Cm Und 3232,61 · 10"⁸ cm, Daher können die Isotope ⁶Li und ⁷Li leicht voiieinander unter Ausnutzung der Isotopenverschiebungen, welche bei den jeweiligen Absorptionslinien auftreten, getrennt werden. Die Erfindung wurde aufgrund dieser Feststellung durchgeführt.

ι ί

Die Fig. 1 zeigt die Energieniveaus von Lithium, die bei der Erfindung eine Rolle spielen.

Das Element Lithium besitzt zwei starke Absorptionslinien, eine in der Nachbarschaft von 6708 · 1O^-8 cm und die andere in der Nachbarschaft von 3232 · 10-⁸cm, und es gibt eine Isolopenverschiebung von etwa 0,356 cm -' bezüglich der ersten Absorptionslinien und eine weitere Isotopenverschiebung von etwa 0,345 cm ' hinsichtlich der letztgenannten Absorptionslinien. Wenn beispielsweise die Lithium-Isotope mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, der eine exakt auf eine der beiden Linien eingestellte Wellenlänge, welche nur einem der gewünschten Isotope der ersteren Absorptionslinien zuzuschreiben ist, besitzt, werden die Anteile von ⁶Li und ⁷Li. die im Grundzustand

2s²S| vorlagen, in den 2p²P| _rZustand

angeregt.

Wenn die Lithium-Isotope mit einem Lichtstrahl bestrahlt werden, der eine exakt auf eine von zwei Linien eingestellte Wellenlänge, welche nur dem gewünschten Isotop der letztgenannten Absorptionslinien zuzuschreiben ist, besitzt, werden in ähnlicher Weise die Anteile von ⁶Li und ⁷Li, die sich im Grundzustand befanden, zu dem

3μ^;Ρ, ,-Zustand

2 2

engeregt.

Genauer gesagt bedeutet dies, daß bei der Bestrahlung der Lithium-Isotope mit einem Laserlichtstrahl, der auf eine Wellenlänge im Bereich von 6707,912 ■ 1O^-8Cm bis 6708.072 · 1O^-8cm gesteuert ist, unter Verwendung eines Lasers, der zur Steuerung der Oszillationsspektralbreite genau innerhalb von 0,01 · 10"⁸cm in der Lage ist. wie z. B. einem Farbstofflaser, den der Ofen mit darin enthaltenem Dampf von nur dem nicht gewünschten Lithium-Isotop ('Li) in dem Laserhohlraum liefert oder irgendwelche optischen Dispersionselemente in dem Laserhohlraum liefern, nur das ⁶Li aus den Lithium-Isotopen selektiv angeregt wird, in gleicher Weise ergibt eine Bestrahlung der Lithium-Isotope mit einem Laserstrahl, der auf eine Wellenlänge im Bereich von 6707.761 · 10"⁸Cm bis 6707512 ■ 1O^-8Cm eingestellt ist. eine selektive Anregung nur des ⁷Li aus den Lithium-Isotopen (F i g. 2).

Das einzige Isotop, das auf diese Weise in den angeregten Zustand gebracht worden ist, wird anschließend dadurch ionisiert, daß es mit Licht mit die lonisationsenergie übersteigender Energie bestrahlt wird. d. h. einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als etwa 3500 · 1O^-8cm. Von dem Isotop, das nicht ionisiert wurde, kann das ionisierte Isotop leicht dadurch abgetrennt werden, daß das Gemisch der beiden Isotope durch ein Massenfilter durchgeschickt wird, welches in einem magnetischen Feld mit spezifischer Größe errichtet wird

Wenn die Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 3232.6! · 10-⁸cm verwendet wird, wird ein Laser, der zur Steuerung der Oszillationsspektralbreite genau innerhalb von 0,01 · 10~⁸ cm, wie zuvor beschrieben, in der Lage ist, so eingestellt, daß er eine Laserstrahlung erzeugt, weiche eine Wellenlänge besitze die zur selektiven Anregung von entweder ⁶Li oder ⁷Li in der Lage ist Dann werden die Lithium-Isotope mit diesem Laserstrahl bestrahlt. Danach werden sie mit einer Laserstrahlung einer Wellenlänge Von weniger als etwa 8000 · 10^-8Cm bestrahlt, um das ausgewählte Isotop von dem angefegten Zustand in den ionisierten Zustand zu überführen. Als Folge hiervon wird das angeregte Li-lsotop selektiv ionisiert. Das ionisierte Isotop wird dann mit Hilfe eines Massefilters und eines loriensammlers abgetrennt und angereichert.
In den F i g. 3 und 4 ist schemalisch eine Ausführungsform der bei der Durchführung der Erfindung anzuwendenden Vorrichtung gezeigt. Die in einer streng abgedichteten Kammer 1 gebildeten Auslässe 2 sind jeweils mit (nicht gezeigten) Vakuumpumpen verbunden, die so betrieben werden, daß das Innere der Kammer 1 unter einem Vakuum in der Größenordnung von 13 ■ 10 ⁷ mbar gehalten wird.

Innerhalb der Kammer 1 ist ein hitzebeständiger Tiegel 3, z. B. ein Tantaltiegel, angeordnet. In diesem tiegel 3 befindet sich metallisches Lithium 4. Der Tiegel 3 ist an der Außenwand mit einem Heizelement 17 versehen, das nach außen mit einem wärmeisolierenden Material abgedeckt ist.

Im Wege des aus dem Auslaß des Tiegels austretenden Strahls von metallischem Lithium ist eine Platte 6 zur Entfernung vor. thermischen Ionen und eine Schlitzplatte 7 zum Zusammenfassen des Dampfes vorgesehen. An den gegenüberliegenden Enden der Laserbestrahlungszone 8 sind Laserlichtquellen 9 und 10 (Fig. 4) vorgesehen. Die Laserstrahlen aus den

Laserlichtquellen 9 und 10 werden zu dem Laserbestrahlungsbereich 8 über die den Laserstrahl konvergierende Linse oder Polarisationswinkelfer.ster 11, welche sich zu dem Lithiumstrahl senkrecht befinden, geschickt.
V/eiterhin sind im Wege des Lithiumstrahles Ionenlinsen 12,quadrupolare Massenfilter 13, Ionensammlerelektroden 14, Kanalionensammler 15 und eine Falle 16 für neutrale Atome vorgesehen.

Bei einer Vorrichtung der zuvor beschriebenen Art wird das Innere der Kammer auf ein Vakuum von 1,3 ■ lO-'mbar evakuiert, und der Tiegel 3 wird auf Temperaturen von 500⁰C bis 800°C mittels des Heizelements 17 erhitzt Als Folge hiervon wird das innerhalb des Tiegels 3 befindliche, metallische Lithium 4 geschmolzen, und eine kontinuierliche Strömung von Dampf aus metallischem Lithium tritt aus dem Auslaß des Tiegels mit einem Druck von 1,3 · IU"² bis 1,3 mbar aus. Der Dampf aus metallischem Lithium, welcher aus dem Tiegel 3 austritt, besitzt 10¹⁴ bis 10¹⁶ Lithium-Atome pro cm³.

so Der Dampfstrahl aus metallischem Lithium, welcher aus dem Tiegel austritt enthält thermische Ion^n, die aus der Strömung mittels der Platte 6 entfernt werden, wobei diese am Auslaß des Tiegels angeordnet ist Dann wird der Strahl mittels der Strahlkonvergierschlitzplatte 7 gebündelt Die gebündelte Strömung des Lithiumstrahles wird dann zu dem Laserbestrahlungsbereich 8 geschickt, um hier mit den zwei Strahlen von Laserlicht 9' und 10' bestrahlt zu werden. Der Laserbestrahlungsbereich 8 wird konstant mit einem Lichtstrahl 9', der aus der Laserquelle 9 austritt und zur Anregung des ausgewählten Isotops gesteuert wird, und mit einem Lichtstrahl 10', der aus der Laserquelle 10 austritt und zur Ionisierung des angeregten Lithium-Isotops gesteuert wird, bestrahlt Während die Strömung des Strahls aus metallischem Lithium, welche aus der Schutzplatte 7 austritt, durch den Laserbestrahlur.gsbereich 8 durchtritt, werden das in dem Atomstrahl enthaltene ⁶Li oder ⁷Li sofort angeregt und ionisiert Die

Strömung des Dampfes von metallischem Lithium, welche jetzt das ionisierte Isotop enthält, wird zu den Ionenlinsen 12 geschickt, bei denen nur das ionisierte isotop gesammelt wird, so daß es in wirksamer Weise zu den qüadrüpolaren Mässenfilterii 13 gelangt. An den Massenfiltern 13 wird der Anteil der Konzentration des ionisierten Isotops durch Einstellung der Intensität des hierin gebildeten Magnetfelds reguliert. Beispielsweise kann noch konzentriertes Li dadurch erhalten werden, daß das Magnetfeld auf eine Intensität eingestellt wird, so daß nur der Durchtritt des ionisierten ⁶Li möglich ist. Auf diese Weise kann das zu einem gewünschten Verhältnis konzentrierte Lithium-Isotop leicht durch Einregeln der Intensität des Magnetfelds des Massenfilters erhalten werden, und das konzentrierte Lithiumisotop wird durch die Ionensainmelelektroden 14 gesammelt. Schließlich wird das aufgefangene Isotop neutralisiert und im Kanalionenkollektor 15 gesammelt. Während dieser Zeit kann das Isotop, das nicht ionisiert wurde, geradlinig weiterfliegen und wird in der Neutralatomfalle 16 gesammelt.

In der beschriebenen Weise werden'die Isotope ⁶Li und ⁷Li des Lithiums in dem gewünschten Verhältnis getrennt oder angereichert.

Der Dauerstrich-Farbstolflaser kann als ein Laser des Typs beschrieben werden, der zur genauen Steuerung der Wellenlänge von 6707,761 ■ 10-⁸cm oder von 6708,072 · 10-⁸ cm geeignet ist, d. h. einer Wellenlänge von 10-" cm. Es gibt zwei Methoden zur Steuerung der Wellenlänge der Laserstrahlung. Die erste Methode ist folgende: *

Bei der Anreicherung von ⁶Li z. B. wird, falls ein nur das Isotop ⁷Li enthaltender Ofen innerhalb des Resonators der Lasereinheit angeordnet und auf eine temperatur zwischen 300⁰C und 500⁰C zur Füllung mit ⁷Li-Dampf erhitzt wird, und falls danach die zu trennenden Lithium-Isotope mit einem Laserstrahl bestrahlt werden, der durch den Ofen durchgetreten ist, der Spektralbereich des Laserstrahls, der eine Wellenlänge zur Anregung von ⁷Li besitzt, durch den ⁷Li-Dampf innerhalb des Ofens absorbiert und nur das Isotop ⁶Li wird selektiv angeregt Bei der Anreicherung von ⁷Li wird, wenn ein ⁶Li enthaltender Ofen innerhalb des Resonators angeordnet und erhitzt wird, und danach die Lithium-Isotope mit dem Laserlichtstrahl bestrahlt werden, der durch den Ofen durchgetreten ist, nur das Isotop ⁷Li selektiv angeregt.

Andererseits kann ein Laserstrahl mit einei gewünschten Oszillationsspektralbreite ebenfalls durch Einstellung von Dispersionselernenten, wie Prismen, ,doppelbrechende Filter und Normalmaßplatte (Etalon), die innerhalb des Resonantors der Lasereinheit angeordnet sind, erhalten werden.

Wenn die Trennung unter Ausnutzung der Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 3232,61 · 10-⁸cm durchgeführt wird, kann der Dauerstrich-Farbstofflaser in wirksamer Weise unter Bereitstellung eines nicht linearen, optischen Kristalls, der innerhalb des Resonators des Lasers vorgesehen ist, angewandt werden, so daß die zweite harmonische Wellenlänge erzeugt wird.

Zur Ionisierung des angeregten Lithium-Isotops wird das angeregte Isotop mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 3500 · IO-⁸ cm bestrahlt, wenn die Anregung unter Ausnutzung der Absorptionslinie in der Nachbarschaft von 6707,84 · IO-⁸ cm durchgeführt wurde. Die Bestrahlung wird jedoch mit einem Laserstrahl mit einer Wellenlänge von weniger als 8000 - IO-⁸ cm durchgeführt, wenn die Anregung

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55 durch die Absofptiorislinie in der Nachbarschaft von 3232,61 · IO-⁸ cm herbeigeführt wurde. Bei der Exposition des angefegten Lithium-Isotops mit dem Laserstrahl entsprechend der zuvor gegebenen Beschreibung wird dieses Lithium-Isotop auf ein Energieniveau, das die lonisierungsenergie übersteigt, angegeben.

Wenn ein Laserstrahl mit einer kürzeren Wellenlänge, als vorgegeben, zum Zwecke der ionisierung eingesetzt wird, besieht die Möglichkeit, daß das nicht angeregte Lithium-Atom auch noch ionisiert wird. Daher sollte das selektiv angeregte Lithium-Isotop mit einem Laserstrahl ionisiert werden, welcher eine längere Wellenlänge besitzt als die Wellenlänge, welche der Photonenenergie entspricht, welche das Lithium-Atom im Grundzustand direkt ionisiert.

Beispiele von Lasern, die zur Erzeugung solcher Laserstrahlen geeignet sind, umfassen den He-Cd-Laser und den Ne-Laser im Fall der selektiven Anregung bei 6708 10 ⁸cm und den Ar-Ionenlaser und ähnliche Laser im sichtbaren Bereich im Fail der selektiven Anregung Lei 3233 · 10⁸Cm.

In der in F i g. 4 wiedergegebenen Vorrichtung werden der Strahl 9' des zur selektiven Anregung verwendeten Laserlichts und der Strahl 10' des zur Ionisierung verwendeten Laserlichts in den Laserbestrahlungsbereich 8 in entgegengesetzt gerichteten Richtungen projiziert. Alternativ kann der Strahl 9' des zur selektiven Anregung benutzten Laserlichts in einer senkrechten Richtung und der Strahl 10' des zur Ionisierung verwendeten Laserlichts in einer horizontalen Richtung projiziert werden, so daß sie sich dort schneiden, wo der Lithium-Atomstrahl aus der Schlitzplatte 7, wie in F i g. 5 gezeigt, austritt.

Gemäß der Erfindung wird eines der beiden Lithium-Atome angeregt und ionisiert, indem geeignete Isotopenverschiebungen bei den Absorptionslinien des Elements Lithium ausgenutzt werden, so daß die Trennung und Anreicherung der Isotope entsprechend der zuvor gegebenen Beschreibung erreicht werden. Die Erfindung erlaubt daher die Gewinnung eines in höherer Reinheit konzentrierten Lithium-Isotops in einer kürzeren Zeitspanne als bei beliebigen konventionellen Methoden zur Anreicherung und Trennung von Lithium.

Weiterhin vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren die Notwendigkeit zur Wiederholung des Trennvorgangs in einer Vielzahl von Stufen. Die zur Durchführung der Methode erforderliche Ausrüstung ist daher nicht teuer. Daher können die Anreicherung und Trennung von Lithium-Isotopen in wirtschaftlicher Weise gemäß der Erfindung erreicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Arbeitsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

In der entsprechend Fig.3 konstruierten Vorrichtung wurde ein etwa 50 g metallisches Lithium enthaltender Tantaltiegel innerhalb der Kammer angeordnet, wobei das Innere auf einem Vakuum in der Größenordnung von 1,3 ■ 10-⁷mbar gehalten wurde, und er wurde auf etwa 730⁰C erhitzt Zu diesem Zeitpunkt betrug der Lithium-Dampfdruck innerhalb des Tiegels etwa 9,75 · 10-' mbar. Die Anzahl der Lithium-Atome in dem Lithium-Atomstrahl, der aus dem Tiegel austrat, betrug 3 - IO¹⁶ pro cm³. Bei diesem Dampfdruck betrug die Doppierverbreiterung der Absorptionslinie in der Nachbarschaft der Linie 6706,84 - IO-⁸ cm0,026 cm-i.

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Der so innerhalb des Tiegels erzeugte Lithium-Atomstrahl wurde durch die thermische ionen entfernende Platte und die den Atomstrahl bündelnde Schlitzplatte mit einem Schlitz von 1 mm ■ 10 mm geschickt. Die Anzahl von Lithium-Atomen in dem aus dem Schlitz *> austretenden Lithium-Ätomstrahl betrug 10^l8/s. Auf die Strömung des Lithium-Atomstrahls wurde eine Laserstrahlung mit ^708,072 - 10-«±0,025 · ΙΟ-⁸cm Wellenlänge und IG"W/cm² Abgabeleistung, erzeugt unter Verwendung eines Dauerstrich-Fafbstofflasefs (einer gemischten Lösung von Sulforhodamin 101 und Rhodamin 6 G, gelöst in Äthylenglykol), versehen mit einem Resonator mit zwei darin befindlichen Polarisationsprismen, einer Normalmaßplatte mit einer Stärke von 0,3 mm und einer Normälmaßplatte mit einer Stärke von 2 mm, in der senkrechten Richtung projiziert, und eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 3250 ■ 10"⁸cm und 5 · 10³W/cm² Abgabeleistung wurde unter Verwendung eines He- Cd-Lasers in horizontaler Richtung projiziert. Der Atomstrahl, der znmit der Laserstrahlung bestrahlt worden war, wurde durch ein Massenfilter geschickt, das in einem magnetischen Feld aufgebaut war und so gesteuert wurde, daß der selektive Durchtritt von lediglich ⁶Li möglich war. Während einer Zeitspanne von 1 Stunde wurden etwa 6,2 mg ⁶Li, konzentriert auf 50%, erhalten.

Der Lithium-Atomstrahl wurde mit der Strahlung eines Dauerstrich-Farbstofflaser bestrahlt, der mit einem Dampf von 99,9% 'Li enthaltenden Ofen im Resonator anstelle der zuvor genannten Laserstrahlung zur selektiven Anregung versehen war. Die Laserstrahlung besaß eine Abgabeleistung von 100 W/cm². Während einer einstündigen Bestrahlungsperiode wurden etwa 50 mg ⁶Li, konzentriert auf etwa 50%, erhalten.

Beispiel 2

Unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Lithium-Atomstrahl erzeugt. Auf die Strömung des Lithium-Atomstrahls, die aus dem Schlitz -to heraustrat, wurde eine Laserstrahlung mit einer Wellenlänge vof*3232,61 · 10"⁸ cm,0,17 cm-'Spektralbreite und 10 W/cm² Abgabeleistung, erzeugt mittels eines Dauerstrich-Farbstofflasers (Rhodamin B, aufgelöst in Äthylenglykol) mit einem in dem Resonator des Lasers eingesetzten ADP-Kristall für die Erzeugung der zweiten harmonischen Schwingung, in senkrechter Richtung zur selektiven Anregung projiziert, und der Strahl eines Ar-Ionenlasers mit einer Intensität von 7-10⁸W/cm² mit einer Wellenlänge von 5145 · IO⁸ cm bis 4545 · 10-⁸cm wurde in horizontaler Richtung zur Ionisierung projiziert.

Nach cinstündiger Exposition mit diesen Laserstrahlen wurden aus dem Lithiumdampf etwa 20 mg ⁶Li, konzentriert auf etwa 50%, erhalten.

Beispiel 3

Unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 wurde ein Lithium-Atomstrahl erzeugt. Auf die Strömung des Liihiumsirahis wurde eine Laserstrahlung aus einem Dauerstrich-Farbstofflaser (einer gemischten Lösung von Sulforhodamin 101 und Rhodamin 6 G, aufgelöst in Äthylenglykol), versehen mit einem Resonator, der hierin einen mit ⁶Li-Dampf gefüllten Ofen zur Ausfilterung lediglich der der ⁶-Li-Atomresonänzlinie der oszillierenden Wellenlängen um 6708 · 10-⁸cm entsprechenden Wellenlänge hatte, in senkrechter Richtung projiziert, und ein Laserlichtstrahl mit einer Wellenlänge von 3250 · 10-⁸ cm und 5 · 10³W/cm² Abgabeleistung, erzeugt unter Verwendung eines He-Cd-Lasers, wurde in horizontaler Richtung projiziert. Der Lithiumstrahl, der der Laserstrahlung ausgesetzt worden war, wurde durch ein Massenfilter geschickt, das in einem Magnetfeld aufgebaut und zum selektiven Durchtritt von ⁷Li eingestellt war. Bei einer Abgabeleistung von 10 W/cm² der Laserstrahlung aus dem Dauerstrich-Farbstofflaser wurden etwa 60 mg ⁷Li, konzentriert auf etwa 99%, während einer einstündigen Bestrahlungsperiode erhalten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Trennung von Lithium-Isotopen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lithium-Atomstrahl einer ersten Laserstrahlung mit bestimmter Wellenlänge ausgesetzt wird, die eine Lithium-Isotopenart selektiv anregt, daß der Lithium-Atomstrahl einer zweiten Laserstrahlung mit bestimmter Wellenlänge ausgesetzt wird, die die angeregte Lithium-Isotopenart selektiv ionisiert, daß der Lithium-Atomstrahl nach den Bestrahlungen ein Massenfilter passiert, das mittels eines Magnetfeldes so gesteuert wird, daß es für die ionisierte Lithium-Isotopenart selektiv durchlässig ist, und daß anschließend die ionisierte Lithium-Isotopenart von der nichtionisierten Lithium-Isotopenart getrennt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung des Isotopen ⁶Li eine erste Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 6708,072 ■ 10-° cm und zur ionisierung eine zweite Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 3500 ■ 10 -⁸ cm verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 3232,61 ■ H-⁸cm und eine zweite Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 8000 ■ 10 -⁸ cm verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung des Isotopen ⁷Li eine erste Las^. strahlung mit einer Wellenlänge von 6707,761 ■ 10⁸Cm vnd zur 'onisierung eine zweite Laserstrahlung mit ei"er Wellenlänge von weniger als 3500 ■ 10 ⁸ cm verwende? "ird.

5. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 3232,60 ■ 10~⁸ cm und eine zweite Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von weniger als 8000 · 10 ⁸ cm verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lithium-Atomstrahl mit einem Druck im Bereich von 1.3 · 10 ² bis 1.3 mbar erze igt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die erste Laserstrahlung mittels im Laserresonator befindlichen Lithiumdampfes, der durch Verdampfen der nicht angeregten Lithium-Isotopenart erzeugt wird, gefiltert wird.