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Verfahren und Gerät zur Isotopentrennung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Isotopentrennung.
Insbesondere ist die Erfindung auf ein Verfahren und ein Gerät zur wirksameren Trennung
von U-235 und U-238-Isotopen durch die Umsetzung eines Gemisches dieser Isotope
in organische Verbindungen oder in Siliziumverbindungen und die darauffolgende wahlweise
(selektive) Bestrahlung der Isotopenverbindungen zur Änderung ihrer chemischen (und/oder
physikalischen) Eigenschaften zwecks Erleichterung der Trennung gerichtet. Die Uranverbindungen
werden vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, die einen chemischen Teil R hat, der
unmittelbar an das U-Atom gebunden ist, wobei die (Ver)bindung U-R eine Grundschwlngung8~
etlpguno§8er Kombinationsschwingungsabsorptionsfrequenz zwischen 900 und 1100 cm
hat. Das ausgewählte U-Gemisch wird dann mit einem frequenzsolektiven C02-Laser
bestrahlt.
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Die Isotopentrennung ist ein Bereich größter Bedeutung nicht nu#
für die Chemiker und Physiker, sondern auch für die gesamte Bevölkerung. Die Verwendung
infraroter Laser zur Trennung von Isotopenarten ist beim Stand der Technik vorgeschlagen
bzw. nahegelegt worden. Die beschriebenen Arbeitsweisen beinhalten die wahlweise
Anregung von gasförmigen Molekülen eines gegebenen Isotops mit intensiver, hoch
monochromatischer Laserbestrahlung. Es ist erforderlich, daß
die
Frequenz der Bestrahlung mit einer Grund-, Kombinations-oder Telischwingung bzw.
-welle im Schwingungsspektrum des Moleküls zusammenfällt. Die Schwingungsanregung
der Moleküle kann zur spontanen Zersetzung führen, oder es kann notwendig sein,
ein zweites Agens einzuführen, das mit den angeregten Arten selektiv reagiert. In
manchen Fällen sind gleichzeitig Laser- und Ultraviolett- oder sichtbare Bestrahlung
verwendet worden. In sämtlichen Fällen ist das Ziel, die Moleküle eines einzigen
Isotops selektiv in ein angereichertes Material zu transformieren, das (auf der
Basis von Löslichkeit, Flüchtigkeit, elektrischer Ladung usw.) von den Molekülen
getrennt werden kann, die ein anderes Isotop bzw. andere Isotope enthalten. Zur
Vermeidung von Energieübergang zwischen isotopisch unterschiedlichen Molekülen kann
es wünschenswert sein, bei niedrigeren Drücken zu arbeiten und/oder ein inertes
Verdünnungsmittel zuzugeben.
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Die obigen Ideen sind für die Photoanregungstrennung der Uranisotopen
U235 und U238 vorgeschlagen worden. Die US-PS Nr.
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3 443 087 beschreibt die selektive Ionisierung von UF6 durch eine
Kombination von Infrarot- und Ultraviolettlaserbestrahlung (IR- und UV-Laserbestrahlung)
zur Erleichterung der elektrostatischen Trennung von U235 in der dampfförmigen Phase,
während die BE-PS Nr. 821 823 die selektiveDissozierung von UF6 durch eine Kombination
von IR und UV beschreibt, wobei die chemische Trennung von U235 erleichtert ist.
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Die Grundschwingungsresonanzfrequenzen von UF6 sind jedoch 624.cm-1
und 186 cm-1, UF6Werte, die von elektrisch gepumpten Übergängen in Gaslasern zur
Zeit nicht erhältlich sind. ijalbleiterlaser sind verfügbar, die auf diese Frequenz
abgestimmt werden können, wobei jedoch ihre Ausgangsleistung auf Bruchteile eines
Watt beschränkt ist. Diese niedrige Leistung ergibt eine Intensität, die für eine
Mehrfachphotonabsorption zur Bewirkung efner ausreicht.
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Etwaige eingeleitet~Reaktionen würden mit niedrigeren Geschwindigkeiten
erfolgen,
die für Herstellungsverfahren unpraktisch sind. Bei anderen bekannten Trennverfahren,
wie z.B. Jenen gemäß der GB-PS Nr. 1 284 620, wird ein Verfahren zur Isotopentrennung
durch die wahlweise Anregung chemischer Reaktionen beschrieben, die durch Bestrahlung
eines Isotopengemisches mit einer Laserfrequenz herbeigeführt werden, die der Schwingungsabsorptionsfrequenz
entspricht.
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insbesondere ist dort offenbart worden, einen C02-Laser in Kombination
mit den Molekülen Ruf6, UrnCl6#m* UC16 oder U(BH4)4 zu verwenden. Keines dieser
Moleküle ist Jedoch als Grundschwingungsfrequenzen im C02-Laserausgangsbereich aufweisend
bekannt. Da die stabilste und zuverlässigste und wirtschaftlichste Quelle von Infrarotlaserstrahlen
ein Kohlendioxydgaslaser istdessen wirksamster Bereich 9,2 - 11,0#, 1086 - 909 cm
ist, würden die obigen Moleküle keine ausreichende Strahlung für brauchbare Anregung
absorbieren.
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Von keinem wurde berichtet, daß es Strund- oder Teilschwingungen der
Metall-Liganden im geeigneten Bereich des Spektrums habe.
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Die vorliegende Erfindung schafft in einem Aspekt ein Verfahren zur
Trennung von Uranisotopen, das darin besteht, daß eine Verbindung U-T hergestellt
wird, in welcher U ein Gemisch aus Uranisotopen und T ein chemischer Teil ist, der
zumindest eine organische Gruppe enthält, wobei diese Verbindung ferner dadurch
gekennzeichnet ist, daß sie zumindest .eine Isotopenart derselben einen Grund-,
Teil- oder Kombinationss chwingungsabsorptionßanregungsenergiepegel bei einer Frequenz
zwischen 900 und 1100 cm aufweist, daß diese Verbindung mit durch eine Strahlungsquelle
ausgestrahlter Energie mit einer Frequenz zwischen 900 und 1100 cm zur differentialen
Modifizierung von Eigenschaften von mindestenseiner Isotopenart der besagten Verbindung
bestrahlt wird, um somit Unterschiede der Eigenschaften der bestrahlten Isotopenarten
zu erzeugen, wobei diese Unterschiede der
Eigenschaften relevant
sind, um eine Trennung von Isotopenarten durch physikalische oder chemische Mittel
zu erleichtern, die auf die bestrahlten Verbindungen und auf davon abgeleitete Produkte
angewandt werden, und daß die erzeugten Unterschiede der Eigenschaften zur wahlweisen
Gewinnung eines spezifischen Uranisotops aus der bestrahlten Verbindung verwendet
werden.
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In einem anderen Aspekt schafft die Erfindung ein Gerät zur Trennung
von Uranisotopen zur Gewinnung eines isotopisch angereicherten Produkts, wobei das
Gerät folgende Bestandteile aufweist: eine Reaktionskammer zur Aufnahme einer chemischen
Zusammensetzung mit einer Vielzahl von Isotopenarten von Uran, eine Ventileinrichtung
zur Steuerung der Einführung der chemischen Zusammensetzung in die Reaktionskammer,
eine Einrichtung zur Steuerung der atmosphärischen Zusammensetzung innerhalb der
Reaktionskammer, eine Temperatursteuereinrichtung zur Regelung oder Regulierung
der Temperatur in der Reaktionskammer, einen Generator mit einer Kraftquelle zur
Frzeugung eines Strahlenbundels oder Strahles ausgestrahlter Energie, und eine Einrichtung
mit einer Elektrodeneinrichtung zum Richten des Strahlenbündels, um auf die in der
Reaktionskammer enthaltene chemische Zusammensetzung zu fallen bzw. auf sie aufzutreffen,
um mit den Eigenschaften der chemischen Zusammensetzung in Wechselwirkung zu kommen
und sie zu verändern, um somit die Trennung der Isotopenbestandteile derselben zu
ermöglichen bzw. zu erleichtem.
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Es ist ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß sie
die Verwendung von Verbindungen mit Schwingungs empfindlichkeiten, die einem C02
Laser zugänglich sind, bei laserbewirkten Trennungen von Uranisotopen lehrt.
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Zur Erreichung der Ziie der vorliegenden Erfindung
sind
zwei Eigenschaften als Anfangs- oder Ausgangskriterien für die Eignung von Uranverbindungen
höchst wünschenswert.
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Bei einer Ausführungsform müssen die Verbindungen ausreichend flüchtig
sein, um in der Gasphase bestrahlt zu werden. Bei der zweiten Ausführungsform können
die Verbindungen aus der Gas phase in einer Matrix kondensiert oder als Lösung angewendet
werden. Die Moleküle müssen Metall-Ligand-Grund-oder Teiltonschwingungen (vorzugsweise
die ersteren) im Bereich haben, der einem C02-Laser zugänglich ist, d.h. 900-1100
cm 1 bei der bevorzugten Bestrahlungsart. Diese Kriterien umfassen einen überraschend
weiten Bereich von Verbindungen.
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Die Koordinationszahl und die koordinationsmäßige Sättigung scheinen
eine Hauptrolle bei der Bestimmung der Flüchtige kei#?lleutral geladenen Uranverbindungen
zu spielen. In niedrigen Oxydationszuständen, z.B. +4, und ein Urankomplex mit nicht
großen Liganden versuchen, seine Koordinationszahl über 4 durch die Koordinierung
zusätzlicher Liganden auszudehnen, oder aber, wenn diese nicht verfügbar sind, durch
die Bildung von Ligan#erbrückende Bindungen zu benachbarten Uranionen.
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Dies führt zu einer Polymerstruktur, hohen Gitterenergien und geringer
Flüchtigkeit. Zwei Möglichkeiten können zur Umgehung oder uberwindung dieses Problems
benutzt werden. In höheren Oxydierungszuständen hat Uran einen kleineren Ionenradius
und somit eine kleinere gewünschte Koordinationszahl und im allgemeinen mehr Liganden
pro Metallion. Dies führt gewöhnlich zu höherer Flüchtigkeit. Eine andere Möglichkeit
zur Reduzierung intermolekularer gegenseitiger Wirkungen ist die Verwendung von
sterisch umfangreichen Liganden.
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(verzerrtes rechteckiges (oktaedrisch) Antiprisma) Bei den Alkoxidrelhen
ist beispielsweise U (OCH3)4 im wesentlichen nicht flüchtig, unlöslich und wahrscheinlich
im festen Zustand extensiv assoziert. U [i-OC3H7]4 ist dagegen löslicher und. kann
sublimiert werden.
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Eine weitere Bestätigung dieser Gedanken findet sich bei U(OC2H5)5,
das dimer und eher flüchtig ist (Siedepunkt 1230/ 0,001 mm Druck) sowie bei U(002H5)6,
das monomer und sogar noch flüchtiger ist (Siedepunkt 72#740/O,O01 mm Druck). Die
Maximierung des Oxydationszustandes und der Koordinationssättigung sind somit tuhliche
Wege zur erhöhten Flüchtigkeit.
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Ebenso wichtig, aber anscheinend weniger kritisch, ist die Aufrechterhaltung
eines möglichst niedrigen Moleculargewichtß.
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Die obige Erörterung dürfte für ein Reaktionsbild für die Uranisotopentrennung
relevant sein. Eine aussichtsreiche Methode ist, jene lasereingeleiteteten Reaktionen
einen setzen, die einen Ligand (oder mehrere Liganden) vom Uran abspalten oder die
Substituierung eines weniger großen Liganden fördern. Ausgehend beispielsweise von
einer U(VI)-Verbindung, würden lasergeförderte homolytische Spalten das Uran auf
die
zugänglichen Oxydations-zustände +5 und dann +4 reduzieren.
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Die UL5- und UL4-Arten sind als Einheiten merklich weniger flüchtig
als UL6 und trennbar. Alternativ erzeugen Reaktionen wie z.B.
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einen U(IV)-Komplex mit unterschiedlichen Eigenschaften (z.3.
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in Bezug auf Flüchtigkeit Löslichkeit) gegenüber UL4, da L weniger
uifangreich ist und auch intermolekulare Brücken bilden kann.
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Die zur Verwendung bei der ersten Ausführungsform auegewählten Verbindungen
müssen in Bezug auf die thermischen Bedingungen stabil Bein, die zu ihrer Verflüchtigung
notwendig sind. Nach der Pearsonschen Terinologie ist Uran eine "harte" Säure. Es
hat die größte Affinität für negativ geladene, nicht polarisierbare Liganden. Solche
qualitative Regeln sind für die Entwicklung von Synthesen sowie bei der Förderung
von Ligandsubstituierungsreaktionen durch Baserbestrahlung erheblich. Glücklicherweise
bieten viele der Eigenschaften, welche die Flüchtigkeit beeinflussen , zusätzlich
einen Widerstand gegen thermische Zersetzung. Untersuchungen des Mechanismus der
thermischen Zersetzung#etlicher Klassen von Uranorgahometallen zeigen, daß die koordinative
Sättigung des Uranions die thermische Zersetzung Dies dürfte darauf zurückzuftlhren
sein, daß die Inobilizierung der Koordinationssphäre die niedrigen Energiebahnen
für die Thermolyse blockiert. Die Faktoren alsö, die eine höhere Flüchtigkeit fördern
sollen, sind zusätzlich sinnvolle anfängliche Wege zur Erhöhung der thermischen
Stabilität.
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Diese Gedanken zeigen deutlich, daß die Zersetzung der gewünschten
Moleküle durch energiehaltige Photonen die Abtrennung von den unzersetzten Molekülen
durch die resultierenden Differenzen in den chemischen und physikalischen Eigenschaften
erleichtert.
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Nachfolgend ist eine teilweise Aufzahlung brauchbarer Klassen von
Verbindungen für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ersichtlich. Die Frequenz
der Grundschwingung zur Metall-Ligand-Streckung (und zu einem geringeren Ausmaß,
der Verformung) ist bei der praktischen Durchführung der vorliegenden Erfindung
von fundamentaler Bedeutung. Die Größe des Frequenzunterschiedes in #238U-X gegenüber
#235U-X hängt von dem jeweiligen Molekularsystem ab. Für Uranylkomplexe (OwU=O)
dürfte der Unterschied etwa 0,7 cm 1 für die antisymmetrische Streckung O=U=O betragen.
Die Anwendung der Teller-Redlich-Produkt-Regel ergibt einen Wert für die T lu -U-O-Streckschwingung
von etwa 1,5 cm 1 in U(OCH3)6, wobei die Methoxyliganden als Punktmassen (eine grobe
qualitative Annäherung) behandelt werden.
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Die genaueste Analyse der Metall-Ligand-GrundschwingunRen erfolg;
mit hoher ösung durch Substitutionsuntersuch-ungen von MetallisotopeW, einen Bereich,
der in der jüngsten Zeit eine rasche Entwicklung erfahren hat.
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Eine Anzahl bekannter flüchtiger Urankomplexe, die für eine derartige
Verwendung in der Literatur nicht vorgeschlagen worden sind, werden erfiYidungsgemäß
für die lasereingeleitete Trennung von Uranisotopen verwendet. Diese Verbindungen
haben Metall-Ligand-Grundschwingungen- oder Teilschwingungen in einem C02-Laser
zugänglichen Spektralbereich und, wie hier offenbart, sie sind einer isotopenselekt-iver
Anregung und Interzeption zugänglich. In Klassen angeordnet, schliessen die für
die vorliegende Erfindung praktisch brauchbaren Verbindungen die folgenden ein:
A. Borhydrid-Organokomp lexe Diese Komplexe des RH -Liganden haben, wie gefunden
wurde,
eine dreizackigeMetall-Liganden Geometrie. Unter der C3v-Lokalsymmetrie finden sich
die Überbrückungsschwingungen A1 und E, die vermutliche eine beträchtliche-#-M-H-Natur
haben, im Bereich von etwa 1100-1230 cm 1. Alle haben dabei eine ausreichende Flüchtigkeit,
um sie attraktiv zu machen.
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Beispiele sind nachfolgend gegeben.
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U(BY4)4 H2C(05H4)2U( (BY4)2 (C5H5)3 U (BY4) (#=H,D) (C5H5)3 U (BY3C2H5)
(C4H4N)U (BY4) Die meisten dieser Komplexe können durch die Verdrängung von Halogen
durch BH# oder BDA in einem ätherischen Lösungsmittel hergestellt werden. Es wurde
erfindungsgemäß dabei festgestellt, daß Borhydridderivate zu der am meisten zugänglichen
für eine Anzahl untersuchter Organoaktinidsysteme gehören.
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Zusätzliche flüchtige Derivate werden durch Sequenzen wie
hergestellt.
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Bei etlichen dieser Verbindungen, z.B. U(BH4)4* liegt schwingung
die gewünschte Normal / über derFrequenz, die dem C02-Laser
(für
u(BH4)4 4= 1230 cm 1) zugänglich ist. Die Deuteration -1 verschiebt diese Absorption
auf ca. 926 cm . Deuterierte Verbindungen sind über handelsübliche NaBD4 oder LIBD,
zugänglich.
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B. Uranylkomplexe Das sind Komplexe, welche die O=U=O-Funktionalität
gewöhnlich in einer pantagonalen (A)oder hexagonalen (B) bipyramidalen Anordnung
(auch einige oktahedraleBeispiele sind bekannt) enthalten. . Die antisymmetrisch
gekoppelte Streckungsschwingung # O=U=O tritt gewöhnlich im Bereich 910-940 cm aur.
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Eine andere Verbindung für Laserbestrahlung ist Uranylsuperphthalozyanin,
in einer bsterreaktion oder -umsetzung, wie nachfolgend gezeigt, hergestellt.
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Diese Verbindung hat eine sehr hohe chemische und thermische Stabilität
und sublimiert im Vakuum bei 4000. Weitere organisch.
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"Monomere", die makrozyklische Uranylkomplexe niedrigeren Molekulargewichts
und größerer Flüchtigkeit ergeben, sind:
Uranylalkoxyde, U02(OR)2, ebenso in der Literatur erwohnt, haben im allgemeinen
eine geringe Flüchtigkeit und sind insbesondere für die zweite Ausführungsform geeignet.
Komplexe mit umfangreich fluorinierten Alkoholen sind bei der Praxis der Erfindung
ebenso brauchbar. Während bekannte Uranyl-ß-Diketonate nicht nennenswert flüchtig
sind, sind sehr sperrige oder umfangreiche Liganden wie Fod, nachfolgend gezeigt,
die mit Uran Komplexe gebildet haben, von Interesse.
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beeinflussen Auch Aluminiumalkoxydliganden 1 die Flüchtigkeit. Ein
mdglicher Wez zu solchen Komplexen für U(VI) ist
C. Uranalkoxyde und -siloxyde Komplexe mit OR--Liganden-Liganden
können für Uran im Großmaßstab und in einer Mannigfaltigkeit von Oxydationszuständen
hergestellt werden. Viele sind sehr flüchtig und manche sind destillierbare Flüssigkeiten.
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Die bekannten analogen Siliziumverbindungen sind auch nennenswert
flüchtig. Representative Arten sind nachfolgend gezeigt, wobei es offensichtlich
ist, daß sie eine weitgehende Vielseitigkeit in Bezug auf eine mögliche Änderung
des Oxydationszustandes, der Symmetrie und der Flüchtigkeit bieten.
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U(OR)4 U(OSiR3)4 U(OR)5 U(OSiR3)5 u(OR)5 U(OSiR3)6 R = Verschiedene
organische Gruppen schwingung Eine U-O- Grund- / (mit Ausnahme möglicherweise von
Uran in dem Oxydationszustand +6) absorbiert nicht in dem gewünschten Frequenzbereich.
Die Ti-O-Streckungen in Ti(OCH3)4 sind beispielsweise 588 und 553 cm , jene in Ti(OC2H)4
625 und 500 cm und jene in Nb(OEt)5 571 cm zugeordnet worden. Obwohl die Grundwellenstreckungen
U-O in den oben erwähnten Alkoxyden nicht im Co2-Laserbereich liegen mögen, liegen
aber die Teil-schwingungen oder -tone darin. Die Grundwellenstreckung U-O erfolgt
im Bereich 460-550 erste Tee eg also im Bereich 920-1100 cm-1. Durch . also im Bereich
920-1100 cm . Durch geeignete Auswahl von Liganden zum "Abstimmen" auf die Symmetrie
und die verschiedenen Kraftkonstanten ist möglich, eine Teil-/ oder ein Kombinationsband
in Fermiresonanz mit einer anderen Grundwelle oder -schwingung (z.B. < C-O cm-1
) zu bringen, wodurch sich der Erregungsquerschnitt vergrößert. Darüber hinaus wird
erwartet, daß mit den Grundfrequenzen U-O betreibbare Hochleistungslaser in der
nahen Zukunft erhältlich sein werden.
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Die Uranalkoxyde scheinen auch ausgezeichnete Vorläufer für andere
Derivate zu sein. Typische Reaktions schema/ zum Einführen mannigfaltiger neuer
Liganden sind nachfolgend gezeigt.
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R = Alkylgruppe Mischkomplexe, in welchen eine oder mehrere der OR-oder
OSiR3-Gruppen durch ein ß-Diketonat, Bordeutezid oder eine Alkylgruppe ersetzt sind,
können auch verwendet werden.
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D. Uranalkylverbindungen Diese Verbindungen umfassen Komplexe der
Formel Ln Uran 4 worin L=C5H5* ein Alkoxyd oder Siloxyd oder Bordeutezid, und R
eine Alkyl (z.B. Methyl, Äthyl, Isopropyl t-Butyl, Benzyl, Neopentyl) oder Arylgruppe
(z.Bo Phenyl) ist, Die U-C-Streckungsvibration erfolgt im Bereich von 500 cm 1.
Die erste Teil- -1 also im Bereich von 1000 cm . Uranalkylverbindungen sind nur
dann thermisch stabil, wenn eine ausreichende Koordina#onsa#ttigung vorliegt, um
verschiedene intramolekulare Zersetzungsvorgänge zu verhindern. Somit besitzen an
und für sich (C5H5)3-UR-Verbindungen (mit 11 -gebundenen C5H5-Liganden) eine hohe
thermische Stabilität. Für
R= Methyl oder Vinyl sind die Komplexe
sublimierbar.
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Röntgenstrahlenstruktur von Systeme wie (C5H5)3UR bieten das vorteilhafte
Merkmal, daß Produkte einer homolytischen laserinduzierten Spaltung (C5H5)3U sein
würde, was nicht flüchtig ist und R-Radikale oder -Reste, die gespült werden können.
Andere attraktive Uranalkylsysteme sind unten dargestellt.
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THF = Tetrahydrofuran Besonders interessant in Bezug auf die Erteilung
thermischer Stabilität sind umfangreiche H-Gruppen (z.B.
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t-Butyl), jene ohne ß-Wasserstoffatome (z.B. Tri-Methylsilylmethyl)
und Chelathilden Alkyle 4 Y.5. die aus 1,4-Dilithiobutan abgeleiteten).
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Die Stabilität vonW(CH3)6 legt die Verwendung von ziemlich nahe,
das vermutlich ziemlich flüchtig sein dürfte.
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E. Uranamide Das Diäthylamid von Uran U cN(C2H5)23 4 ist flüchtig
genug, um destilliert oder sublimiert zu werden. Bisher war es das einzige bekannte
Urandialkylamid. Da die U-N-Streckung in den Bereich 500 cm 1 fällt, liegt die erste
Bereich von 1000 cm 1; die Amidkomplexe von Uran enthalten die U-NR2-Fnnktionalität.
Beispiele umfassen U (NR2)4 LnU(NR2)n 4 worin L = B Diketonat-, Alkoxyd- oder Siloxyd-Alkylgruppe
oder Bordeuterid. Einige Wege zu mannigfaligen Verbindungen sind unten vorgeschlagen.
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Das Vorhandensein von W [N(CH3)2] 6 gibt den Anstoß zur Untersuchung
von Uranoxydations-zuständen, die höher als +4 sind.
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In den obigen Fällen können die Komplexe in der gasförmigen Phase
oder in deçe mit der Grund-, Kombinations- oder Tei1schwingungs#Prequenzen der Metalliganden
(entweder U238 oder U235) mit einem Hochleistungs-CO2-Gas-Laser bestrahlt werden.
Dies wird sowohl mit als auch ohne gleichzeitiger Ultraviolett-Bestrahlung oder
gleichzeitiger sichtbarer Bestrahlung durchgeführt. Ein reaktives Agens wie z.B.
Methanol Styrol und Thiol, kann auch zugesetzt werden, um die angeregten Moleküle
aufzufangen. Bei der ersten Ausführungsform werden die Reaktionen bevorzugt bei
niedrigen Drücken durchgeführt, wobei es auch möglich ist, ein inertes Verdünnungsmittel,
wie z.B. Methan, Neon oder Argon, zuzugeben.
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In allen Fällen reagieren die selektiv angeregten Moleküle zum Bilden
eines isotop-angereicherten (in U238 oder U235 Je nach
Bestrahlungsfrequenz)
Produktes, das von dem Ausgangsmaterial chemisch unterschiedlich ist. Das Produkt
wird dann von den Ausgangsstoffen auf der Basis von Flüchtigkeit, Löslichkeit, und/oder
elektrischer Ladung isoliert.
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Es ist auch möglich, und zwar gemäß der zweiten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung, eine isotope Substituierung durch Kondensierung oder Sprühen
der vorgeschlagenen Verbindungen in einer geeigneten Matrix bei Tiefsttemperaturen
zu erzielen. Eine selektive Anregung, wie für die Gasphasenvorgänge beschrieben
, wird vorzugsweise mit einem C02-Laser durchgeführt, wobei jedoch auch andere abst
W se stabile Infrarotlaser verwendet werden können. Die Matrix ist so konstruiert,
daß sie mit den selektiv erregten oder angeregten Uranverbindungen reagiert. Zweckmäßige
Matrixkomponente sind Alkohole, Ketone, Thiole, Styrol und organische Nitroxyde.
Die Reaktionsprodukte unterscheiden sich wiederum ausreichend von den Ausgangsstoffen
um eine Trennung zu ermöglichen, wenn die Matrix auf Raumtemperatur aufgewärmt ist.
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Die Erfindung wird nun lediglich beispielsweise unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben; darum ziegen: Fig. 1 ein Gerät
zur Durchführung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform unter Verwendung eines
pulsierten CO2-Lasers, der in Bezug auf Frequenz und Intensität gesteuert ist, zum
Bestrahlen eines gasförmigen U-organischen Isotopengemisches; Fig. 2 ein Gerät zur
Realisierung einer zweiten Ausführungsform, wobei die Bestrahlung aus einem C02-Laser
mit einer UV-Quelle zur Bestrahlung eines gasförmigen U-organischen Isotopengemisches
kombiniert ist, und
Fig. 3 ein Gerät zur Verwirklichung einer dritten
Ausführungsform unter Laserbestrahlung eines in einer glasartigen Matrix eingefroreren,
im festen Zustand befindlichen U-organischen Isotopengemisches.
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Bezugnehmend nun insbesondere auf Fig. milder Zeich-235 nungen ist
ersichtlich, daß ein gasförmiges Gemisch aus und U238 in einer U-organischen Verbindung,
z.B. Uranalkoxyd U(OEt )6 in einem Reaktor 10 durch einen Laserstrahl 12 aus einer
pulsierten C02-Laserquelle 16 bestrahlt wird. Der Reaktor weist ein Monelreaktionsrohr
18 von einer Länge von einem Meter und mit einem Eintrittsfenter20 für den Eintritt
des Laser- /auf~ Strahles 12 un#reifntsk#RS?r tra und Strahlen- 12 austrittsfenster
20, 24 können aus NaCl oder anderen geeigneten Werkstoffen wie ZnSe hergestellt
sein, welche die C02-Laserstrahlung von 9-11 Mikron durchlassen. Die Fenster 20,
24 sind im Brewster-Winkel zum Strahl 12 zwecks Herabsetzung von Verlusten an Strahlenenergie
auf ein Minimum angeordnet.
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Ein Photodetektor 26 überwacht monitormäßig den nicht absorbierten
Anteil des Strahles 12, während ein Monitorfenster 28 aus Quarz das mit dem Reaktionsrohr
18 durch ein Seitenrohr 32 verbunden ist, zur monitormäßigen Überwachung der sichtbaren
und der ultravioletten Fluoreszenz aus der Reaktion verwendet werden kann. Die U-organische
Zusammensetzung ist in einem Vorratsbehälter 34 gelagert, der mit einer Wärmeaustauschechlange
34a versehen ist, wobei auch ein reaktives Gas oder Puffergas in einem zweiten Vorratsbehälter
36 gespeichert sein kann.
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Die U-organische Zusammensetzung (oder die U-Siliziumzusammensetzung)
wird in das Reaktionsrohr 18 durch ein Zumeßventil 38 eingeführt, das eine konvergierend-divergierende
Düse 40 zur Expansionskühlung aufweisen kann, die wie im Stand der Technik allgemein
bekannt, ausgebildet ist, um eine Geschwindigkeit von annähernd Mach 1 oder darüber
zu erzielen.
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Ein Reaktions- oder Puffergas im Behälter 36 wird (gegebenenfalls)
in das Reaktionsrohr 18 durch ein zweites Zumeßventil 42 eingeführt. Eine Heizspule
oder -schlange 44 stellt die Temperatur im Reaktor 18 für den gewünschten Dampfdruck
ein.
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Eine Vakuumpumpe 46 führt die Gase im Reaktionsrohr 18 durch eine
Öffnung 48 in eine zweite Kammer oder Zone 54 ab,.. deren Temperatur durch einen
Wärmeaustauscher 56 gesteuert wird. Eine dritte Kammer oder Zone 54a kann zum Kondensieren
nichtumgesetzter Komponenten sowie flüchtiger Nebenprodukte verwendet werden. Die
Pumpe 46 führt in einen Vorratstank oder -behälter 58. Das Tetraalkoxyd, U(OEt)4
ist ein hauptsächliches Reaktionsprodukt zusammen mit organischen Bruchteilen. Das
weniger flüchtige Tetraalkoxyd wird dann von den flüchtigeren Bestandteilen des
Gemisches zum Erhalt der gewünschten Isotopenanreicherung getrennt. Eine Sammellinse
60 fokussiert den Laserstrahl 12 durch das Eintrittsfenster 20 auf einem Fleck an
der optischen Achse des Reaktionsrohres 18 zwecks Anordnung der Reaktion oberhalb
der Düse 40 des Ventils 38.
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Die Laserquelle 16 verwendet eine gepulste elektrische Entladung
zwischen zwei Bronzeelektroden 62, 64 zum Erhalt einer Ausgangsleistung zwischen
den Grenzen von 104 und 1011 2 Watt pro cm . Der obere Wert der Strahlenintensität
ist in manchen Fällen durch den Zusammenbruch der Gase und die Bildung von Plasma
begrenzt. Die Elektroden 62, 64 sind bei einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform
50 cm lang und 2 cm breit und um 1 cm getrennt. Das Laser-Gas, das ein 1,1,8-Molgemisch
aus C02N2 und He sein kann, die in einem unter Druck stehenden Tank 68 gespeichert
sind, wird durch ein Reduzierventil 70 in eine Umlauf- und Kühlariage 72 der Laserquelle
16 eingeführt. Die Elektroden 62, 64 sind ober-und unterhalb der Achse eines Akryllaserrohres
76 symmetrisch angeordnet. Die Rohrenden sind durch NaCl-Endfenster 78, 80 im Brewster-Winkel
verschlossen. Ein optischer Resonator ist zwischen einem einstellbaren Raster 84
und einem
95*-reflektierenden Germaniumsspiegel (Ge-Spiegel) 88
gebildet, die um die optische Achse herum (welche von der Mittelachse der Elektroden
62, 64 etwas versetzt oder abgosetzt ist, wenn der Strahl durch das Endfenster 78,
80 hindurchgeht) zentriert sind. Je nach dein, ob ein stabiler oder unstabiler Resonator
gewünscht wird, kann der Ge-Spiegel 88 konvex, flach oder konkav sein, in der Richtung
zum Raster 84. Der Raster 84 wirkt als ein ebener, frequenzselektiver Spiegel, der
für den Jeweiligen U-organischen Stoff, der verwendet wird, eingestellt wird. Der
Raster 84 und der Go-Spiegel 88 können innerhalb des Dasorrohres 76 angeordnet sein,
wobei die Endfenster 78, 80 entfallen.
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Ein großer Spiegelabstand ist Jedenfalls zur Verbesserung der Frequenzcharakteristiken
oder -eigenschaften erwünscht.
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Elektrischer Strom wird den Elektroden 62, 64 durch eine Stromquelle
92, 94 über geeignete Zuleitungen 96, 98 zugeführt.
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Der elektrische Impuls aus der Quelle 92, 94 ist ein schneller einer
einer typischen Größe von 47 KV pro cm Abstand zwischen den Elektroden 62, 64 und
pro Atmosphäre von Laser -Guen. Die Stromzuführquellen 92, 94 können eine Konstruktion
nach Blumlein oder eine äquivalente Konstruktion mit Niederinduktivitätastroikreiselementen
haben.
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Alternativ kann ein handelsüblicher, getriggerter Funkenspalt für
die Stromquelle 92 verwendet werden, wobei dann eine Zuleitung 96 unmittelbar mit
Erde verbunden ist und die Stromquelle 94 entfällt.
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Zwocks Erleichterung einer gleichmäßigen Glimmentladung bei hohen
Lasergasdrücken im Laserrohr 76 ist ein dünner Wolframdraht 102 (0,007 Zoll/Mittelebene
Jedoch außerhalb der Kanten der Elektroden 62, 64 angeordnet und durch einen kleinen
Kondensator 104 (typisch 50 pF oder weniger) mit einer Zuleitung 98 verbunden. Die
steigende Spannung von der Stromquelle 92, wodurch derPotentialqunterschied zwischen
den
Elektroden 62, 64 erhöht wird, erhöht also auch den Potentialunterschied
zwischen dem Draht 102 der Elektrode 62. Die Towneend-Durchs chlae spannung zwischen
dem baht 102 und der Elektrode 62 wird jedoch so eingestellt, daß sie niedriger
ist als zwischen den Elektroden 62, 64, wodurch ein begrenzter Durchbruch und eine
Vorionisierung des Lasergaxee worden Durchbruch zwischen den Elektroden 62, 64 bewirkt
wird. Andere Vorlonisierungsschsltungen, wie z.B. blanke Funkenstrecken, die außerhalb
der Elektroden 62, 64 angeordnet sind, können entlang der Mittelebene zur UV-Bestrahlung
des Spaltes zwischen den Elektroden 62, 64 verwendet werden. Auch eine eine rlüssIg
keit mit niedrigem Ionisierunas-/# wie z.B. Tributylamin, kann auf die Elektroden
62, 64 zur Herabsetzung der Funkenbildung aufgetragen werden.
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Heiße Lasergase aus dem Spalt zwischen den Elektroden 62, 64 werden
durch ein Kühlrohr 106 einer Kühlanlage 72 durch Leitungen 110, 112 mittels einer
(nicht gezeigten) Pumpe wieder in Umlauf gebracht und gekühlt. Eine Künlechlange
116 zieht die Wärme aus den Lasergasenah, die durch di Energie c Stromquelle 92
während der elektrischen Entladung absorbiert wurde.
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Die Leitungen 110, 112 sind ideal angeordnet, um Lasergase unmittelbar
durch den Raum zwischen den Elektroden hindurchzirkulieren zu lassen, wobei ein
Diffusor verwendet werden kann, falls Turbulenz zum Stabilisieren der Entladung
erforderlich ist.
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Der geeigneteste Arbeitsdruck der Lasergase im Laserrohr 76 ist der
Atmosphärendruck, Der Wert kann aber über oder unter dem Atmosphärendruck Je nach
den gewünschten Ausgangscharacteristiken liegen. In manchen Fällen kann es notwendig
sein, den Druck zu erhöhen, um eine Abstimmbarkeit über den natürlichen ifbergängen
zu erzielen, da die Verbreiterung der C02-Leitungen um 3GHz pro Atmosphäre bis zu
10 Atmosphären zunimmt, wo sich die C02-Laserlinien überlappen.
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Die Laserquelle 16 wird somit im Betriebszustand mit der optischen
Achse des Reaktionsrohres 18 des Reaktors 10 ausgerichtet, eingeschaltet. Zur Erhalt
der richtigen Ausgangsfrequenzauswahl der laserquelle 16wird das Reaktionsrohr 18
evakuiert und wiederum mit in U235 angereicherten U-organischen Verbindungen gefüllt.
Eine Absorption wird festgestellt, während Laserlinien mit dem Raster 84 ausgewählt
werden. Das U-organische Zufuhriaterial im Behälter 34 wird dann durch die Düse
40 eingelassen und bestrahlt. Nichtflüchtige Reaktionsprodukte werden in einer lauer
54 kondensiert, während nichtflüchtige und umgesetzte U-organische Stoffe in einer
zweiten Kaltzone 54a kondensiert werden.
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Selbstverständlich können auch andere U-organische Stoffe verwendet
werden, wobei die Laserquelle 16 durch den Raster 84 auf die gewünsehte frequenz
abgestimmt und die Intensität mit dem richtigen Wert ausgewählt ist. In Jedem Fall
geht die Reaktion von des Brennfleck zurück, stromaufwärts zur Laserquelle 16 vor,
bis die Intensität unter den Minimalwert sinkt.
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Das in Fig. 2 gezeigte Gerät unterscheidet sich von des in Fig. 1
gezeigten vor allen durch die Anordnung der ~Laserquelle", wobei bei der lusführengefon
nach Fig. 2 zwei Quellen verwendet werden. Der Reaktor gesäß Fig. 2 ist größtenteils
jenem gesäß Fig. 1 gleich, so daß die entnen sprechenden mechanischen Bestandteile
gesäß Fig. 2 mit gestriche-Zahlen (') bezeichnet sind.
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Bezugnehmend auf Fig. 2 zeigt diese eine abstimmbare C02-Infrarotlaserquelle
120 und eine abstibare ArgonioWnlaserquelle 130 zum Richten von Laserstrahlen 134
bzw. 136 durch Brewsterwinkel-Eingangsfenster 140 bzw. 142 zu einem gemeinsaien
Brennfleck. Das zweite Bingangsfenster 142 ist aus einer Quars- oder Vyoorplatte
hergestellt und für UV
und sichtbare Strahlung durchlässig, während
die übrigen Teile, die mit dem Zusatzbezugszeichen "a" und "b" der beiden Lasergeräte
versehen sind, den unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen ähnlich sind. Da jedoch
weniger IR-Photone erforderlich sind, kann eine genügende Intensität aus der Laserquelle
120 ohne Verwendung einer Sammellinse erhalten werden, die weggefallen ist, oder
mittels eines CW C02-Lasere mit ausreichender Ausgangsintensität (Leistung pro Plächen
einheit).
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Im Arbeitszustand nach der erforderlichen Frequenz~ abstimmung regt
die Laserquelle 120 die Schwingungszustände in der U-organischen Verbindung an und
die Laserquelle 130 erhöht die Elektronen-zustände ausreichend, um die-gewünschte
chemische Bindung, die unmittelbar an dem U-Atom liegt, zu dissozieren oder eine
chemische Reaktion anzuregen. Der Laser 130 kann durch eine filtrierte Hg-Lampe
oder eine andere UV-Quelle ausreichender Stärke zur Spaltung der gewünschen Bindung
in den Fällen ersetzt werden, in welchen mittels otop5SurcS Schwingungsanregung
mittels Bestrahlung mit dem Laser 120 erhalten ist. Ein (nicht gezeigter) Frequenzdoppler
kann zusammen mit dem abstimmbaren Laser 130 Je nach dem Jeweiligen U-organischen
Stoff verwendet werden.
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Bezugnehmend auf Fig. 3 zeigt diese, daß die Laserquellen 150 und
160 Laserstrahlen 164 bzw. 166 zum Bestrahlen von U-organischen Stoffen in dem eingefrorenen
festen Zustand liefern, die auf einer bandartigen Unterlage 170 durch eine Reaktionskammer
172 hindurch zwischen zwei benachbarten Bestrahlungsabschnitten 174, 176, in welchen
die Atmosphäre gesteuert werden kann, transportiert werden. Der Laser 160 kann durch
eine gefilterte Hg-Lampe oder eine andere UV-Quelle genügender Stärke zum Spalten
der gewünschten Bindung in den Fällen eingesetzt werden, in welchen eine ausreichende
Isotopenselektivität durch die Schwingungsanregung
mittels der
Bestrahlung mit dem Laser 150 ersielt worden ist.
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Im Strahlungsabschnitt 174 wird die Unterlage 170, die eine dünne
frostfreie Stahlfolie sein kann, von einer Abwickelspule 180 auf eine hohle drehbare
erste Trommel 182 bewegt, die durch flüssiges N2 gekühlt wird, das durch einen hohlen
Zapfen 186 eingeepritzt wird. Eine Düse 188 sprüht einen U-organischen Stoff, wie
z.B. B ein marko- -zyklischer Ligand ist, wie z.B. Superphthalzynaninw gemischt
mit einem Träger, wie z.B. 3-Methylpentan ii Molarverhältnis von 1/100 ist.
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Alternativ kann die Matrix/aus mehreren Gasen oder organischen Flüssigkeiten
oder Gasen ausgewählt sein, welche Photonen mit den verwendeten Laserfrequenzen
nicht absorbieren und die U-organische Schwingungsabsorption nicht wesentlich erweitern.
Die eingefrorenen U-organischen Stoffe und die Matrix auf der Unterlage 170 werden
mit einem Strahl 164 aus einer CO2-Laserquelle 150 bestrahlt, der durch ein NaCl-Fenster
194 (oder ZnSe2) gesendet wird, wobei ein Strahl 166 aus einer Argonionenlaserquelle
160 durch ein Quarzfenster gesendet wird. Eine Hilfsline 204 kann zum Fokussieren
des Strahles 164 auf die Unterlage 170 zwecks Vergrößerung der Intensität verwendet
werden. Die C02-Laserquello 150 ist auf die Schwingungsabsorptionsfrequenz der U-organischen
Substanzen abgestint, und die Argonlaserquelle 160 wird auf die Elektronen -Absorptionsfrequenz
zur Br-Regelung einer Spaltung der U-Bindung oder zur Einleitung einer Reaktion
mit einem Reaktionsteilnehmer, wie z.B. Cl2 das in der. Matrix oder dem 7 Andere
Reakkönnen beispielsweise HC1 oder HI sein.
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Alternativ, wie bei Fig. 1, kann die CO2-Laserquelle 150 Photonen
genügender Intensität emittieren, um die Spaltung einer U-Bindung zu bewirken. Die
Grenzen dieser Intensität liegen zwischen 104 Watt/cm2 und 1010 Watt/cm2. In diesen
Fall
wird die Argonlaserquelle nicht verwendet. Danach wird die
Unterlage 170 mit den Reaktionsprodukten aus der Bestrahlung sowie mit nichtumgesetztem
Zufuhrmaterial durch einen Schlitz 208 in einer abschnittabteilenden Trennwand 212
der Kammer 172 über eine zweite hohle Trommel 214 und auf eine Aufwickelspule 216
hindurchbewegt. Die Temperatur der Trommel 214 wird durch Einführung eines Mediums
aus einem (nicht gezeigten) Wärmeaustauscher durch einen Hohlzapfen 220 gesteuert.
Die Temperatur der zweiten Trommel 214 ist eingestellt, um die Temperatur der Reaktionsprodukte
der U-organischen Substanz auf der Unterlage 170 zu erhöhen und eine Umsetzung mit
dem reaktiven Material zur Erleichterung der Trennung zu bewirken. Diese Temperatur
kan»&inige Grade über der Temperatur der ersten Trommel 182 oder aber höher
sein, um die Trennung der Reaktionsprodukte durch ihre resultierenden Flüchtigkeitsunterschiede
zu erleichtern.
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Die Atmosphäre in den Sammerabschnitten 174 176 kann durch und durch
Rückfüllung über Leitungen Evakuierung durch entsprechende Rohrleitungen 22#4, 226
~ge- /228, steuert werden. Reaktives Material kann durch ein Rohr 234 /230 direkt
auf die sich bewegende Unterlage 170 eingeführt werden.
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Die Unterlage 170 wird dann von der Aufwickelspule 216 entfernt und
daran haftender modifizierter U235-organischer Stoff wird chemisch getrennt. Andere
U-organische Stoffe können bei sämtlichen Ausführungsformen verwendet werden, vorausgesetzt,
daß eine Grund-*velt- oder Kombinationsschwingungsabsorption im CO2#Laserausgangsbereich
von 900-1100 cm 1 erfolgt. Die abstimmbarenLaserquellen 130 und auch 160 können/abstimmbare
Farblaser mit (nicht gezeigten) geeigneten Frequenzverdopplern je nach den Elektronen-Energiepegeln
der U-L-Bindung sein.
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