DE2740272B2

DE2740272B2 - Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes

Info

Publication number: DE2740272B2
Application number: DE2740272A
Authority: DE
Inventors: Georges Port Marly Mourier (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1980-11-13
Also published as: FR2363364A1; FR2363364B1; DE2740272A1; DE2740272C3; US4167668A

Description

in der die Buchstaben m die Masse, η die Anzahl pro Volumeneinheit und m_c die Zyklotronkreisfrequenz der jeweiligen Art von Ionen in dem Plasma bezeichnen, mit dem Index 1 für das Isotop mit der geringsten Häufigkeit, dem Index 2 für das andere Isotop und dem Index 3 für die dritte Spezies.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß /12 und /13 gleich sind, während die Massen die Gleichung/773 = 2m\ — nii erfüllen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die beiden Isotope 1 bzw. 2 U₂₃S und U238 des Urans sind, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Spezies Thorium Th232isL

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dad die Ionen der beiden Isotope und der dritten Spezies in einer einzigen Quelle erzeugt werden.

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus »Electromagnetic Separation of Isotopes in Commercial Quantities«, Edition Wakerling & Guthrie, Kapitel 12, »The Resonance Method«, von J. R. Richardson bekannt

Das bekannte Verfahren nutzt 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.

Unter der Wirkuno dieser Felder laufen die ionisierten Atome der Isotope 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.

Wenn die Frequenz /des elektrischen Feldes gleich der vorgenannten Resonanzfrequenz f_c ist, beschreiben die Ionen Spiralbahnen, deren Radius ständig zunimmt Weicht dagegen die Resonanzfrequenz der Ionen von der Frequenz / ab, so folgen die Ionen Bahnen, deren Radius sich zwischen zwei Extremwerten periodisch ändert Die Vorrichtung, in der diese Bewegung stattfindet, enthält typischer- und bekannterweise 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 eine Ionenquelle, aus der die Ionen in den zwischen den Elektroden gelegenen Raum gelangen.

Es ist zu erkennen, daß es unter diesen Bedingungen möglich ist, bevorzugt die eine Ionenart auf den genannten Elektroden, aufzufangen, während die andere Ionenart die Elektroden nicht erreicht und auf einem getrennten Kollektor aufgefangen wird. Auf diese Weise werden die Ionen, von denen nur wenige vorhanden sind und die angereichert werden sollen, von den anderen Ionen getrennt

Diese Art von Trennung stößt jedoch auf Schwierigkeiten, wenn zur Erzielung industrieller Mengen höhere Teilchendichten im folgenden als Plasma bezeichnet, benutzt werden. Es ergibt sich dann ein Abschirmungseffekt da sich das Plasma wie ein Leiter verhält, in den das elektrische Feld schlecht eindringt Dieser Effekt hängt von der Zusammensetzung des Plasmas ab, d. h. von der Art und Anzahl der Teilchen, sowie insbesondere von dem Wert ihrer Zyklotronfrequenzen. Er ist auf die Polarisation zurückzuführen, die sich im Innern des Plasmas aufgrund des elektrischen Feldes ausbildet. Für den Polarisationsvektor ^gilt:

wobei die Summe auf alle ionisierten Teilchen ausgedehnt wird, die in dem Plasma vorhanden sind, wobei qic ihre Ladung bezeichnet und wobei /> ihre geometrische Verschiebung unter der Einwirkung des elektrischen Feldes bezeichnet während Arder Index der Teilchen ist

Wenn Gruppen von Teilchen mit gleichen Eigenschaften vorhanden sind, kann statt Formel (1) geschrieben werden:

wobei /i/die Anzahl von Teilchen einer Gruppe bedeutet und der Index /über alle Gruppen läuft.

Für die Polarisation nach Formel (2) ergibt sich aufgrund der Gleichung der Bewegung der Ionen in einem sinusförmigen Elektrischen Feld E= £b sin ωί, das in der ^-Richtung senkrecht zu den Platten ausgerichtet ist, folgender Ausdruck

P_x = εΣ-

m_ci' - 0,'

Allgemein gilt für die Zyklotronfrequenz fc=j—B₁

wobei m die Masse des Ions, e seine elektrische Ladung und S die magnetische Induktion bezeichnen.

65 wobei ωd die Zyklotronkreisfrequenz der Teilchenart i bezeichnet und wobei «7» m,- und n, die elektrische Ladung bzw. die Masse bzw. die Anzahl pro Volumeneinheit ist. Dieser Ausdruck zeigt, daß die Polarisation des Plasmas, im folgenden mit ^bezeichnet, in der Nähe von ω_ο stark von ω abhängt.

Zusätzlich zu dem Abschirmungseffekt ändert sich infolge der natürliche« Instabilitäten des Plasmas, vor allem in der häufig vorhandenen lonenart, die Frequenz des elektrischen Feldes im Innern des Plasmas geringfügig. Diese Instabilitäten verursachen nämlich zeitliche Schwankungen des Maximalwertes Eo des sinusförmigen elektrischen Feldes Eo sin mt, so daß gilt Eo=Eo (t). Jede Abweichung der Größe ω von der Zyklotronkreisfrequenz ü»_ci der gewünschten Teiichenart reduziert aber deren Trenneffekt

Aufgabe der Erfindung ist es, den störenden durch die Polarisation der häufig vorhandenen lonenart hervorgerufenen Abschirroeffekt zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in das Plasma die dritte Spezies in Form von Ionen in einem durch folgende Formel definierten Verhältnis injiziert wird:

P = E

_£ΐ ²-ω^ζ

_a=™-,i> =

m,

^a/

und c =

(4)

und mit:

Zyklotronresonanz der Spezies 1, deren Anreicherung gewünscht wird, Null ist, was folgende Gleichung ergibt:

15

Ζ±₌ ZSy

in der die Buchstaben m die Masse, η die Anzahl pro Volumeneinheit und <u_c die Zyklotronkreisfrequenz der jeweiligen Art von Ionen in dem Plasma bezeichnen, mit dem Index 1 für das Isotop mit der geringsten Häufigkeit, dem Index 2 für das andere Isotop und dem Index 3 für die dritte Spezies.

Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, mit den beiden zu trennenden Ionenarten eine dritte lonenart zu mischen, deren Masse und deren Konzentration in dem Plasma so gewählt wird, daß die Polarisation aufgrund dieser dritten lonenart im wesentlichen gleich der aufgrund der unerwünschten, am reichlichsten vorhandenen lonenart, beispielsweise des Isotops 238 im Fall von Uran, ist und das entgegengesetzte Vorzeichen hat

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Konzentration dieser lonenart in dem Plasma gleich der der unerwünschten Ionenart, während die Massen die Gleichung m₃ =2m\ - im erfüllen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt ein Diagramm, welches die Verbesserung zeigt, die das Verfahren nach der Erfindung gegenüber dem bekannten Verfahren mit sich bringt

Die Polarisation P im Innern des Plasmas setzt sich nach Formel (3) aus der Summe der Polarisationen Pi und P₂ der beiden zu trennenden Isotope und aus der Polarisation Ρ·\ aufgrund der hinzugefügten lonenart zusammen. Es gilt:

50

55

ft = <fc = ft ·

Gemäß der Erfindung werden b und cso gewählt, daß die Summe der beiden letzten Glieder, P₂ und P₃, bei der

60 <»a - ^ωα

= 0

OT₂

~<"_cj

Vorzugsweise wird bei der Trennung von Uran als dritte Spezies Thorium mit der Atommasse 232 gewählt, das sehr langlebig und relativ reichlich vorhanden ist In dem Plasma werden Ionen Th+232 mit einer Dichte erzeugt, die gleich der der Ionen U+238 ist

Die Verbesserung, die durch die Erfindung erzielt wird, wird im folger»den für diesen Fall anhand des Diagramms ausführlich dargelegt

Dieses Diagramm zeigt die Polarisation P in Abhängigkeit von der Kreisfrequenz ω.

Die mit II bezeichnete Kurve stellt die Polarisation P₂ dar. Die Polarisation P2 ist bei der Zyklotronresonanz der lonenart 1 gleich dem Ordinatenwert des Punktes A. Die Kurve HI zeigt die Polarisation Pj, während die Kurve (C) die Summe von P2 und P3 darstellt

Es ist zu erkennen, daß die Summe von Pj und Pj in einem bestimmten Kreisfrequenzintervall Δω kleiner als P₂ bleibt Es ist daher möglich, durch Einführung der dritten lonenart in das Plasma Änderungen der Frequenz des elektrischen Feldes infolge von Plasmaschwankungen zu tolerieren, die sich über ein größeres Intervall erstrecken, als dies bei dem bekannten Verfahren möglich ist Die Polarisation Pi aufgrund des leichten Isotops U235 bleibt im Absolutwert größer als die Summe der Polarisationen P₂ und P₃ aufgrund der beiden anderen Spezies U238 und Th₂₃₂ in einem Frequenzintervall, das mit Hilfe der Gleichung (4) berechnet werden kann. Dieses Intervall ist für das genannte Beispiel mit

m_t—Fw₃=In₂-/

3 gleich

7,6 10000

Demgegenüber beträgt es für den Fall eines Plasmas, das nur die beiden Isotope des Urans enthält nur

. Man verfügt daher über ein Frequenzintervall,

das ungefähr achtmal größer ist Die Trennung erweist sich daher in der Frequenz als weniger kritisch als bei den bekannten Verfahren. Umgekehrt erreicht man bei der genauen Frequenz eine effektivere Trennung als beim Stand der Technik.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung enthält eine Ionenquelle, in der die Ionen der drei Spezies erzeugt werden, zwei parallele ebene Platten, an denen eine Wechselspannung mit der Kreisfrequenz o_ci anliegt, und einen Kollektor, der mit dem Mittelpunkt der Wechselspannungsquelle verbunden ist Auf den Platten wird an dem der Quelle abgewandten Ende die Spezies 1 gewonnen. Die Spezies 2 und 3 werden durch den Kollektor aufgefangen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes unter Verwendung eines Plasmas, das s in sehr ungleichen Verhältnissen Ionen der Isotope enthält und auf das in Anwesenheit einer dritten Spezies ein zeitlich konstantes, homogenes Magnetfeld sowie ein zu diesem senkrechtes elektrisches Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz im wesentlichen ι ο gleich der Zyklotronfrequenz in dem Plasma des Ions des am wenigsten vorhandenen Isotrops ist, einwirken, wobei an zwei Elektroden, zwischen denen das Plasma eingeschlossen ist, vorwiegend die Ionen des Isotops mit der geringsten Häufigkeit und auf einem getrennten Kollektor die Ionen des anderen Isotops aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in das Plasma die dritte Spezies in Form von Ionen in einem durch folgende Formel definierten Verhältnis injiziert wird: