DE2740272A1

DE2740272A1 - Verfahren zum trennen von zwei isotopen eines stoffes

Info

Publication number: DE2740272A1
Application number: DE19772740272
Authority: DE
Inventors: Georges Mourier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1978-03-09
Also published as: US4167668A; DE2740272C3; FR2363364A1; DE2740272B2; FR2363364B1

Description

Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes.

Die Erfindung nutzt in einer bekannten Anordnung die kombinierte Wirkung aus, die ein zeitlich konstantes, gleichförmiges Magnetfeld und' ein sinusförmiges elektrisches Feld hoher Frequenz, das zu ihm senkrecht ist, auf ein die zu trennenden Isotope enthaltendes Plasma ausüben (vgl. "Electromagnetic Separation of Isotopes in Commercial Quantities", Edition Wakerling & Guthrie, Kapitel 12, "The Resonance Method", von J. R. Richardson).

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Unter der Wirkung dieser Felder laufen die ionisierten Atome der Isotope in der Struktur, in der das Plasma enthalten ist, auf Bahnen um, die insbesondere von ihren Massen abhängig sind. Es ist auf diese Weise möglich, vorzugsweise eines von ihnen auf Elektroden aufzufangen, die manche dieser Bahnen schneiden.

Das Verfahren nach der Erfindung ist, wie folgende Darlegungen zeigen werden, besonders leicht in demjenigen Fall anwendbar, in weichem zwei Isotope in sehr verschiedenen Verhältnissen in dem Plasma vorliegen, wie die Isotope U_,c und U_01Q des Urans. Im folgenden wird dieses Bei spiel angeführt und wiederholt darauf Bezug genommen, ohne daß die Erfindung, die für diesen Fall der Einfachheit der Darstellung halber beschrieben wird, auf dieses Beispiel beschränkt ist.

Entsprechend den bekannten Formeln hat die Rotations-

eigenfrequenz oder Zyklotronfrequenz f in Hertz der

+ ^c

Ionen des Urans 235, U „.,, im wesentlichen als Wert

f * 6,54 B, wobei B die magnetische Induktion in dem Plasma bezeichnet, gemessen in Gauß. Die entsprechende Kreisfrequenz cü ist ού - 2n f . Allgemein gilt

f - ·= B, wobei m die Masse des Ions und e seine

c 2π m *

elektrische Ladung bezeichnet.

Für eine Frequenz f des elektrischen Feldes, die etwa gleich der vorgenannten Resonanzfrequenz f ist, beschreiben die Ionen des Isotops U--,. Spiralbahnen, deren Radius mit ihrer Entfernung ζ von der Quelle, aus der sie stammen,

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ständig zunimmt. Die Struktur, in der diese Bewegung stattfindet, besteht typischer- und bekannterweise aus zwei Elektroden in Form von ebenen und parallelen Platten, an die eine sinusförmige Potentialdifferenz angelegt wird, welche das zu diesen Platten senkrechte elektrische Feld erzeugt, und aus einer Ionenquelle, die an einem der Enden des zwischen ihnen gelegenen Raums, dem Eingang der Vorrichtung, angeordnet ist.

Die Ionen U ___o des anderen Isotops, deren Resonanzfre-

ί JO

quenz f' von der Frequenz f weiter entfernt ist, folgen Bahnen, deren Radius sich längs der Achse der Struktur zwischen zwei Werten periodisch ändert, von denen der größte bei gewissen Betriebsbedingungen wesentlich kleiner ist als der
ihrer Bahn.

ist als der des Radius der Bahn der Ionen U ___ am Ende

Es ist zu erkennen, daß es unter diesen Bedingungen möglich i: wie oben erwähnt, bevorzugt die leichten Ionen am Ende ihrer Bahnen auf den bewußten Elektroden aufzufangen, die nicht durch die schweren Ionen erreicht werden, welche getrennt auf einem Kollektor aufgefangen werden, der am anderen Ende der Struktur angeordnet ist. Auf diese Weise werden die Ionen derjenigen Spezies, von der wenig vorhanden sind, d.h. derjenigen Spezies, die angereichert werden soll, im folgenden die Spezies 1, von denen der anderen oder unerwünschten Spezies 2 getrennt.

Diese Art der Trennung stößt jedoch auf eine große

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Schwierigkeit, wenn zur Erzielung industrieller Mengen dichte Plasmen benutzt werden. Es ergibt sich dann ein Abschirmungseffekt, denn das Plasma verhält sich wie ein guter Leiter, in den das elektrische Feld schlecht eindringt. Dieser Effekt hängt von dem Aufbau des Plasmas ab, d.h. von den verschiedenen Teilchen, die es enthält, und von ihren Anteilen in demselben sowie von dem Wert ihrer Zyklotronfrequenzen gegenüber dem des elektrischen Erregerfeldes. Er ist gemäß der elektromagnetischen Theorie auf die natürliche Polarisation zurückzuführen, die sich im Innern des Plasmas ausbildet.

Man kann sich davon eine Vorstellung machen, wenn man den Polarisationsvektor P betrachtet, für den folgender Ausdruck gilt:

wobei die Summe ^ auf alle ionisierten Teilchen ausgedehnt wird, die in dem Plasma vorhanden sind, wobei q, ihre individuelle Ladung bezeichnet und wobei r. ihre geometrische Verschiebung unter der Einwirkung des elektrischen Feldes bezeichnet, während k der Index der Teilchen ist.

Wenn Besetzungen gleicher Teilchen oder derselben Spezies vorhanden sind, kann für den vorstehenden Ausdruck auch geschrieben werden:

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In diesem Fall ist i der Index der Besetzungen, q, bezeichnet ihre Ladung und η. die Anzahl von Teilchen jeder Spezies.

Dieser Effekt ist um so ausgeprägter, je größer die Gesamtpolarisation des Plasmas ist, die gleich der Summe der Teilpolarisationen jeder der Spezies von Teilchen ist, die es enthält. Aber gleichzeitig weist für ein gegebenenes Teilchen der Radius der Bahn diese regelmäßige Zunahme längs der Ausbreitungsachse, von der die Rede gewesen ist, nur dann auf, wenn seine Zyklotronfrequenz sehr nahe bei der Frequenz des elektrischen Erregerfeldes liegt. Schließlich ändert sich infolge der natürlichen Instabilitäten der Plasmen, vor allem aufgrund der am reichlichsten vorhandenen Spezies, die Frequenz der elektrischen Felder im Innern des Plasmas geringfügig, und zwar selbst bei festen Erregerbedingungen, nämlich der magnetischen Induktion B und dem elektrischen Feld der Frequenz ω , die man nach dem gegenwärtigen Stand der Plasmatechnik mit großer Genauigkeit stabilisieren kann. Diese Instabilitäten verursachen Schwankungen des Maximalwertes E des sinusförmigen elektrischen Feldes E sin Ot mit der Zeit t, der zeitlich moduliert wird. Es gilt dann E = E (t). Jede

° oo

Änderung der Größe ω um die Zyklotronkreisfrequenz u? , des Teilchens der gesuchten Spezies reduziert aber den Wert der Polarisation, die ihm in dem Plasma entspricht,

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und daher die Trennungsmöglichkeiten. Weiter unten ist der Ap-druck dieser Polarisation noch genauer angegeben.

Aufgrund der Gleichung der Bewegung eines ionisierten Teilchens in einem sinusförmigen elektrischen Elementarfeld E = E sin cot der Kreisfrequenz α) , das in der x-Richtung senkrecht zu den Platten ausgerichtet ist, ergibt sich als Ausdruck der Gesamtpolarisation des Mediums:

P -_E ζ Ü^i! ι (D

^X ι In₁ co_ci2 __ω2

wobei α? . die Zyklotronkreisfrequenz des Teilchens der Spezies i bezeichnet und wobei q., m. und n. seine elektrische Ladung bzw. seine Masse bzw. die Anzahl von Teilchen dieser Spezies, die pro Volumeneinheit in dem Plasma vorhanden sind, bezeichnen.

Die Betrachtung eines solchen Elementarfeldes ist durch die Tatsache gerechtfertigt, daß es in einem gleichförmigen Medium und ungeachtet der Dauer der Bewegung des Teilchens immer möglich ist, das elektrische Feld in Fourier-Integrale zu zerlegen.

DieserAusdruck zeigt, daß die Gesamtpolarisation des Plasmas, im folgenden mit P bezeichnet, sich mit den

Abweichungen CO . - c*3 aufgrund der Tatsache des Vorhandenci 2 2

seins der Glieder ο - CO schnell ändert.

ei

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Es ist möglich, in dem Fall von zwei Spezies der Indic 1 und 2 die Kreisfrequenz cJ des Erregerfeldes derart zu wählen, daß diese Polarisation zu Null gemacht und das Eindringen des elektrischen Feldes in das Plasma erleichtert wird.

Für diesen Zweck muß folgende Bedingung erfüllt sein:

ⁿl ^ql 1 . ⁿ2 ^q2 ^ml ^wcl² -CO ^{2 m}2

0 (2)

die mit q. ^β q~ und unter Berücksichtigung der umgekehrten Proportionalität zwischen den Massen m und den Kreisfrequenzen <*» auf folgende Bedingung führt:

co ^ co η . El Αξ. \

el n2 m

wobei Am die Massenabweichung zwischen den beiden Isotopen und m die mittlere Masse dieser Isotope bezeichnet. Es ist zu erkennen, daß in dem Fall des oben betrachteten Urans, in welchem m, die Masse 235 des leichten Isotops und m_ die Masse 238 des schweren Isotops ist und in welchem gilt —r - -rrrr , diese Bedingung auf CJ - ω (1-0,0001), d.h. auf einen äußerst schmalen Bereich von 1/10 000 für die Kreisfrequenz erführt.

Es ist daher nach dem Stand der Technik zwar möglich, zwei Spezies durch Aufbauen eines magnetischen Feldes und eines elektrischen Feldes, die gekreuzt zueinander sind, zu trennen, diese Trennung erweist sich jedoch

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aufgrund der natürlichen Schwankungen der Polarisation und des elektrischen Feldes als äußerst kritisch.

Durch das Verfahren nach der Erfindung soll diese Schwierigkeit beseitigt werden. Zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorgesehen, mit den beiden zu trennenden Spezies eine dritte Spezies zu mischen, deren Masse und deren Konzentration in dem Plasma so gewählt werden, daß die Polarisation aufgrund dieser dritten Spezies im wesentlichen gleich der aufgrund der unerwünschten, am reichlichsten vorhanden Spezies, d.h. des Isotops 238 in dem zuvor betrachteten Fall des Urans, ist und das entgegengesetzte Vorzeichen hat. Es wird sich zeigen, wie das Hinzufügen dieser dritten Spezies den kritischen Charakter des Verfahrens reduziert. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Konzentration dieser Spezies in dem Plasma darüberhinaus im wesentlichen gleich der der unerwünschten Spezies. Anschließend wird die hinzugefügte Spezies, z. B. auf chemischem Wege, zurückgewonnen, um sie wiederverwenden zu können.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, welches die Verbesserung

zeigt, die das Verfahren nach der Erfindung gegenüber den bekannten Verfahren mit sich bringt, und

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Fig. 2 ein Beispiel einer Anlage zur Durch

führung des Verfahrens nach der Erfindung.

Es wird außerdem ersichtlich werden, daß durch Einführen der dritten Spezies von Teilchen in das Medium Bedingungen geschaffen werden, die für die Polarisationsschwankungen des Mediums aufgrund der unerwünschten Spezies, nämlich der Teilchen der vorgenannten Spezies 2 und der der hinzugefügten Spezies 3, ungünstiger werden. Die Schwankungen aufgrund der beiden Spezies von reichlich vorhandenen Teilchen, deren Polarisationen in derselben Größenordnung liegen, sind nämlich nicht unabhängig voneinander. Es gibt eine Korrelation zwischen ihnen und sie können sich unter Bedingungen, die im folgenden ausführlich dargelegt sind, gegenseitig kompensieren.

Die Einführung dieser dritten Spezies in das Plasma gemäß dem Trennungsverfahren nach der Erfindung unter den im folgenden angegebenen Bedingungen hat daher zur Folge, daß der kritische Charakter der Trennung durch die weiter oben angegebenen bekannten Verfahren noch weiter reduziert wird.

Der dritten Spezies des Plasmas des Verfahrens nach der Erfindung wird im folgenden der Index 3 zugeordnet, n^, m^j q und co , bezeichnen die zuvor betrachteten Größen, die ihr entsprechen.

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Die Gesamtpolarisation P im Innern des Plasmas ist dann die Summe der Polarisationen P. und P_? aufgrund der beiden zu trennenden Isotope mit den Indices 1 und 2 und der Polarisation P, aufgrund des hinzugefügten Elements. Es gilt:

2 2 2 2 2 el c2 c3

und c

folgt : q_L = q₂

Gemäß der Erfindung werden b und c so gewählt, daß die Summe der beiden letzten Glieder, P₇ und P-, bei der Zyklotronresonanz der Spezies 1, deren Anreicherung gewünscht wird, Null ist, was folgende Gleichung ergibt:

2 2 2

co J - co / ω J- - co ' c2 el c3 el

2 2 η, m cj, - Ο) -

-J- = —L Si ^c3 (4)

ⁿ2 ^m2 ^c2² - co 2

cl

In der bewußten bevorzugten Ausgestaltung wird eine Masse m_ gewählt, deren Differenz mit der Masse m. im Aboslutwert gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt zu der zwischen der Masse m„ des unerwünschten Isotops und der

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Masse m, des gesuchten Isotops ist; es gilt m., = 2m. - m»·

Unter diesen Bedingungen ist die Masse m., etwa gleich der der Isotope und in der Gleichung (4) ist das zweite Glied

3
etwa gleich 1; das Verhältnis — ist daher ebenfalls etwa

ⁿ2
gleich 1: die Ionenkonzentration der hinzugefügten Spezies 3 in dem Plasma ist etwa gleich der der Ionen des unerwünschten Isotops 2. Die Anlagen, in denen das Verfahren nach der Erfindung angewandt wird, werden so eingestellt, daß die Bedingungen der Zyklotronresonanz der Spezies 1 erfüllt sind.

In dem Fall des Urans hat m^ den Wert 232. Vorzugsweise wird als dritte Spezies Thorium mit der Atommasse 232 gewählt, das radioaktiv stabil und relativ reichlich vorhanden ist. In dem Plasma werden Ionen Th ___ mit einer Dichte erzeugt, die gleich der der Ionen U „__ft ist.

Es wird, allgemein gesagt, gemäß dieser bevorzugten Ausgestaltung auf einem beliebigen Wege, physikalisch oder chemisch, in das Plasma aus zwei Isotopen mit sehr ungleichen Verhältnissen,das zum Trennen des in geringem Verhältnis vorhandenen Isotops der Atommasse m¹ von dem anderen, überwiegend vorhandenen Isotop der Atommasse m"benutzt wir« eine dritte Spezies der Atommasse m"' eingefügt, so daß gilt m"' = 2m¹ - m", und in einer Menge, die im wesentlichen gleich der des überwiegend vorhandenen unerwünschten Isotops ist.

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Die Verbesserung, die durch die Erfindung erzielt wird, wird im folgenden für den besonderen Fall des Urans anhand des Diagramms von Fig. 1 ausführlich dargelegt.

Diese Diagramm zeigt in kartesischen Koordinaten die Polarisation P in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz to.

Es ist angenommen worden, daß die Differenzen ο _ - ⁰^₁

und co „ - to , im Absolutwert im wesentlichen gleich c2 el

waren.

In ausgezogener Linie ist die Kurve II der Polarisation P„ aufgrund der Spezies 2 mit der Zyklotronkreisfrequenz co ₉ in einem Plasma aus zwei Ionen der Spezies 1 und 2 dargestellt. Die bewußte Polarisation P„ aufgrund der Teilchen der unerwünschten Spezies 2 ist bei der Zyklotronresonanz der Spezies 1 gleich dem Ordinatenwert des Punktes A.

In ausgezogener Linie zeigt die Kurve III die Polarisation P- aufgrund der Kompensationsspezies 3 der Zyklotronkreisfrequenz C*> , und anhand der in ausgezogener Linie dargestellten Kurve (C) die der Gesamtheit der beiden Spezies 2 und 3 des Verfahrens nach der Erfindung.

Es ist zu erkennen, daß die Polarisation aufgrund der beiden vereinigten unerwünschten Spezies 2 und 3 kleiner als die der unerwünschten Spezies allein bei den bekannten Verfahren in einem ganzen Kreisfrequenzintervall Δοο um die Kreisfrequenz CJ bleibt. Dieses Intervall ist das-

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jenige, das durch die Parallele zu der Ordinatenachse begrenzt wird, die durch den Punkt A hindurchgeht.

Es ist daher möglich, durch d'e Einführung der Ionen der dritten Spezies in das Plasma gemäß dem Verfahren nach der Erfindung Änderungen der Frequenz des angelegten elektrischen Feldes zu tolerieren, die sich über dieses gesamte Intervall erstrecken, sowie die PlasmaSchwankungen, die zu ihrem Entstehen führen, ohne eine Polarisation des Plasmas durch die beiden unerwünschten Spezies zu überschreiten,die größer als die aufgrund des alleinigen Vorhandenseins des unerwünschten Teilchens bei den bekannten Verfahren ist.

Es ist darüberhinaus zu erkennen, daß die Polarisation P, aufgrund des leichten Isotops U„_t. im Absolutwert größer als die Summe der Polarisationen P~ und P_ aufgrund der beiden anderen Spezies U___R und Th₉ „ in einem gesamten FrequenzIntervall bleiben wird, das mit Hilfe der Gleichung (3) berechnet werden kann. Dieses Intervall ist für Uran, für das m. - m^ ^s m„ - m, =3 gilt, gleich

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— " ^^s ^^{sL a}^^er 8^ezeigt worden, daß in dem Fall eines Plasmas, das nur die beiden Isotope des Urans enthält, dieses Intervall, wie es sich aus der Gleichung (2) ergab, ^nur betrug. Man verfügt daher, wenn sonst im übrigen alles gleich ist, über ein Frequenzintervail, das ungefähr achtmal größer ist. Die Trennung erweist sich daher in der Frequenz als weniger kritisch als bei den bekannten Verfahren. Das ist ein großer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung.

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Es ist möglich, wenn im übrigen sonst alles gleich ist, eine schnellere Trennung vorzusehen als im Stand der Technik, d.h. kürzere Plasmen. Das ist ein Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung, der mit dem vorhergehenden korreliert ist.

Fig. 2 zeigt ein Schema einer Anlage, die nach dem Verfahren nach der Erfindung arbeitet.

In Fig. 2 bezeichnet die Bezugszahl 10 die Ionenquelle, welches in dem Beispiel die einzige Quelle ist, in der die Ionen der drei Spezies erzeugt werden, welche mit den eingekreisten Bezugszahlen 1, 2 und 3 bezeichnet sind. Die Bezugszahlen 12 und 14 bezeichnen zwei parallele ebene Platten, zwischen denen die Differenz des Wechselpotentials V der Kreisfrequenz co ,, die gleich der Zyklotronkreisfrequenz des Teilchens ist, dessen Anreicherung gewünscht wird, aufgebaut wird, unter deren Wirkung sich das elektrische Feld If, das in der x-Richtung senkrecht zu der Richtung dieser Platten gerichtet ist, in der Plasmaschicht aufbaut, die durch die punktierte Fläche dargestellt und von diesen Platten durch Hüllen g getrennt ist. Auf den Platten 12 und 14 wird an ihrem Ende, das zu dem der Quelle benachbarten entgegengesetzt ist, die Spezies 1 gewonnen. Die Spezies 2 und 3 werden durch den Kollektor 16 aufgefangen, der mit dem Mittelpunkt der Speisespannungsquelle 18 verbunden ist.

Das eingekreiste Kreuz stellt das senkrecht zu der Ebene von Fig. 2 angelegte Magnetfeld dar.

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Le e rs e i t e

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

IJ Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines St <"fes unter Verwendung eines Plasmas, das in sehr ungleichen Verhältnissen Ionen der Isotope enthält und auf das ein zeitlich konstantes, homogenes Magnetfeld sowie ein zu diesem senkrechtes elektrisches Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz im wesentlichen gleich der Zyklotronfrequenz in dem Plasma des Ions des am wenigsten vorhandenen Isotops ist, einwirken, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Plasma Ionen einer dritten Spezies in einem durch folgende Formel definierten Verhältnis vorhanden s ind:

n.

n,

'el'

^wc2² - "el²

in der die Buchstaben m, η und ω die Masse bzw. die

B O 9 B 1 Π / 1 O 1 7

Anzahl pro Volumeneinheit oder die Konzentration bzw. die Zyklotronkreisfrequenz jeder Art von Ionen in dem Plasma bezeichnen, mit dem Index 1 für das Iostop mit der geringsten Häufigkeit, dem Index 2 für das andere Isotop und dem Index 3 für die dritte Spezies, wobei das Verfahren gestattet, an zwei Elektroden, zwischen denen das Plasma eingeschlossen ist, insbesondere die Ionen des Isotops mit der geringsten Häufigkeit und auf einem getrennten Kollektor die Ionen des anderen Isotops und die der dritten Spezies aufzufangen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentrationen n„ und n_ im wesentlichen gleich sind, und daß die Masse ra_ derart gewählt wird, daß die Gleichung m, - 2m. - m- im wesentlichen erfüllt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Isotope die beiden Isotope U-.,. und des Urans sind und daß die dritte Spezies aus

Thorium Th-.- besteht.
4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden zwei parallele ebene Platten sind und daß die Ionen der beiden Isotope und der dritten Spezies von einer einzigen Quelle geliefert werden, die an einem der Enden des Raums angeordnet ist, der durch diese Platten begrenzt ist, in den das Plasma eingeschlossen ist ,und dessen Kollektor das andere Ende einnimmt.

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