DE2805958B2

DE2805958B2 - Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen

Info

Publication number: DE2805958B2
Application number: DE19782805958
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. 8524 Neunkirchen Gregorius; Karl Dipl.-Phys. 8520 Erlangen Janner
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1978-02-13
Filing date: 1978-02-13
Publication date: 1980-06-26
Also published as: GB2015141B; AU526179B2; DE2805958C3; DE2805958A1; JPS6235806B2; FR2416716A1; GB2015141A; FR2416716B1; CA1117166A; JPS54117897A; AU4414479A

Description

Die vorliegende Erfindung betritt eine Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen bzw. Gasgemischen mit Düsenspalten, die z. B. schlitzförmig wie in der Uranisotopentrennung mit Hilfe der Lasertechnik ausgebildet sein können. Eine eingehende Beschreibung dieser Technik befindet sich in der deutschen Offenlegungsschrift 24 47 762. Die Abtrennung der mit Hilfe einer Laserstrahlung angeregten einen Isotopenverbindung — wie z. B. 235 UF₆ — erfolgt dort mit Hilfe einer chemischen Reaktion dieser isotopenverbindung mit einem gleichzeitig zugeführten Reaktionspartner. Neben der chemischen Trennung von angeregten und nicht angeregten Isotopenverbindungen sind jedoch auch physikalische Verfahren durchführbar, wie sie z. B. in der deutschen Offenlegungsschrift 23 11 584, beschrieben sind. Die adiabatische Entspannung bewirkt eine Temperaturabsenkung des isotopenselektiv anzuregenden Isotopengemisches, also z. B. der Verbindung UFe — wodurch eine sehr starke Verschmälerung der Absorptionsbanden der Isotopenmischung erreicht wird. Auf diese Weise ist erreichbar, daß sich die Q-Zweige der Absorptionsbanden der Isotopenverbin· dung nicht mehr überlappen und somit nur die eine Isotopenverbindung mit Hilfe der Einstrahlung einer ihrem Q-Zweig entsprechenden Frequenz einer Laserstrahlung selektiv angeregt wird. Mit Hilfe der acliabatischen Entspannung ist somit eine wesentliche Erhöhung des Trenneffektes bei der laserinduzierten Isotopentrennung möglich. Es ist dabei aber wichtig, daß diese Selektivität nicht durch Rtickwärmung des Gasstromes während der Entspannung über die Düsenwand selbst verschlechtert wird. Diese Verschlechterung wird verursacht durch die Reibungswärme in der Grenzschicht sowie durch die von der Düsenwand dem Gasstrom zufließenden Wärme.

Es stellt sich daher dje Aufgabe, von vornherein nach Maßnahmen zur Verhinderung einer solchen Rückwärmung de« auf sehr tiefer Temperatur befindlichen Gasstromes zu suchen,

Eine Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Düse zur adiabatischen Entspannung mit Einrichtungen zur Verringerung bzw. Umkehrung des Wärmeüberganges ztim Gasstrom versehen Ist
Diese Einrichtungen können darin bestehen, daß die

ίο Düsenwandung aus einem Material schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht und/oder konstruktiv so gestaltet ist daß ihre Wärmeleitfähigkeit möglichst klein wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind noch in den Unteransprüchen 3 bis 6 dargelegt

Anhand der F i g. 1 —8 wird die vorliegende Erfindung näher erläutert, wobei die Fig. 1 schematisch ein mögliches Beispiel für die Anwendung einer Entspannungsdüse in einer Uranisotopentrennanlage darstellt und die übrigen Figuren verschiedene Ausführungsformen dieser Düse zeigen.

Nach F i g. 1 ist in die Wandung eines Vakuumgefäßes 1 eine Düse 24 eingebaut die aus Verteilerräumen 22 und 32 mit einer Mischung aus UF₆ Gas aus dem Vorratsbehälter 2 und dem Reaktionspartner, z.B.

Wasserstoffbromid, aus dem Vorratsbehälter 3 gespeist wird. Ober die Ventil 31 und 21 wird das gewünschte Mischungsverhältnis von UFe zu HBr von z. B. 1:10 eingestellt Durch die Temperaturregelung im Vorratsbehälter 2 wird dabei der Dampfdruck des UF6 auf etwa 300 Torr eingestellt

Das Gasgemisch gelangt aus dem Mischraum 23 in eine spaltförmige Austrittsdüse 24. Der aus dieser Düse in die Vakuumkammer 1 austretende Dampfstrahl 8 ist bezüglich UF₆ stark unterkühlt und wird dort von dem Laserstrahl 4 durchsetzt der in einer nicht dargestellten Lasereinrichtung erzeugt wird.

Die Austrittsdüse 24 hat im Diisenhals 5 z. B. eine Weite von einigen '/too mm und etwa 50 cm Breite.
Durch die selektive Anregung nur der einen Isotopenverbindung des UFe, also z. B. der Verbindung 235 UFe, reagiert nur diese mit dem zugeführten Reaktionspartner, so daß diese Verbindung in 235 UFs oder 235 UF« umgewandelt wird. Die nicht angeregten Teile des Gasstromes 8 werden durch die Wand 11 abgeschält und kondensieren an den Kühlwänden 14. Die Reaktionsprodukte 17 schlagen sich auf der Auffangplatte 16 nieder. An den KUhlwänden 15 dagegen kondensieren hauptsächlich die nicht an der Reaktion beteiligten Anteile 238 UF₆, Die flüchtigen Produkte, wie z. B. HF und HBr, werden über Pumpen abgesaugt

Beispiele für die konstruktive Ausführung der Düse 24 sind in den F i g. 2—8 veranschaulicht. Aus ihnen geht hervor, daß es viele Möglichkeiten gibt, die Rückwärts mung des Gasstromes innerhalb der Düse möglichst zu verhindern. Diese Beispiele stellen daher auch keine vollständige Aufzählung der Möglichkeiten dar. Einander entsprechende Bauteile sind in sämtlichen Beispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Die einfachste Form einer solchen Düse ist in F i g. 2 dargestellt. Die engste Stelle des Düsenspaltes ist mit 5 bezeichnet, die Wandung des Düsenauslasses mit 6. Die Richtung der durch die Düse strömenden Gasmischung ist durch einen Pfeil sowie das Bezugszeichen 8

*·'■ dargestellt. Der Düsenkörper 24 ist hier mit einem tiefen Einschnitt 61 versehen, so daß die Düsenwand 6 an der Austrittsseite eine geringere Wandstärke aufweist, als in der Nähe des Düsenhalses 5. Durch diese Formeebune

wird erreicht, daß die Wärmezufuhr nur vom Dflsenhals 5 her möglich ist, wobei außerdem der Wärmeleitung«» widerstand einstellbar ist Der Wärmeübergang durch den Einschnitt 61 kann durch Einfügung eines Wärmeschutzschildes 64 praktisch unterbunden werden. Es sei aber darauf hingewiesen, daß die Düse 24 für Zwecke der Isotopentrennung im allgemeinen eine schlitzförmige G^talt aufweist Selbstverständlich gelten die erwähnten Prinzipien aber auch für rotationssymmetrisch aufgebaute Düsen. Durch diesen Temperaturverlauf in der Düsenwandung, diese wird zum Austritt zu immer kälter, ist sichergestellt daß der Wärmefluß von der Düsenwand durch die Grenzschicht der Strömung zum Hauptgasstrom wesentlich verringert wird. Dieser Wärmefluß kann außerdem durch das Düsenmaterial beeinflußt werden, das eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit haben sollte.

Eine andere Möglichkeit zur Einstellung des Verlaufes des Temperatuirgradienten entlang der Düsenwandung 6 ist in der Fig.3 dargestellt Hier ist der Düsenkörper mit Hohlräumen 62 versehen, de untereinander und mit dem Düsenaußenraum verbunden sein können. Diese Konstruktion hat gegenüber jener in F i g. 2 eine erheblich verbesserte mechanische Stabilität Über die durch die Hohlräume 62 gebildeten Materialstege ist nur ein beschränkter Wärmefluß vom Düsenkörper 24 her möglich, so daß in Verbindung mit der Kühlung durch den Hauptgasstrom 8 die Temperatur der Düsenwandung 6 bis zu ihrem Austrittsrand immer geringer wird

Die Fig.4 zeigt einen Ausschnitt dieser Düse entsprechend F i g. 3 aus der Sicht von vorne, also gegen den Gasstrahl. Hieraus ist zu ersehen, daß die Kammern

62 in der gesamten Düsenwandung 6 verteilt sind.
Diese Konstruktion mit den Hohlräumen 62 kann

noch dadurch verbessert werden, daß entsprechend Fig.5 das Ende der Düsenwandung 6 mit einem Kühlkörper 63 wärmeleitend verbunden ist, der z. B. von einem entsprechenden Kältemittel ständig durchströmt wird. Dadurch kann erreicht werden, daß die in der Grenzschicht entstehende Reibungswärme und evtl. sogar ein Teil der Restwärme des Hauptgasstromes 8 abgeführt werden. Die Grenze der zulässigen Wandabkühlung ist dabei in diesen Beispielen durch die Kondensationstemperatur des Grenzschichtgases gegeben, die sich entlang der Düsenwand 6 infolge des abnehmenden Druckes bei der Entspannung Mark ändert Die Anpassung des Temperaturverlaufes an die örtliche Kondensationsteiijperatur wird durch entsprechende Anordnung und Dimensionierung der Hohlräume 62 sowie der Kühleinrichtung 63 erzielt. Durch eine zusätzliche Wärmeisolationsschicht 66 am Kühlkörper

63 kann eine dort mögliche Kondensation vermieden

und der Wärmeübergang zwischen Umgebungsgas und Kühlkörper 63 reduziert werden.

Im Beispiel nach Fig.6 ist eine Mehrfachdüse nach diesem Prinzip dargestellt bei der eine Vielzahl von Düsenspalten 5 parallel zueinander angeordnet sind. Die benachbarten Düsen zugeordneten gemeinsamen Wände 65 sind ebenfalls mit Hohlräumen 62 versehen, von denen jeweils nur einer eingezeichnet ist Selbstverständlich könnten auch, wie in den anderen

ίο Figuren, wabenförmige Hohlräume 62, vorgesehen sein, von denen die der Düsenaustrittsseite am nächsten liegenden zusätzlich mit HiVe eines Kühlmittels auf die erforderliche niedrige Temperatur gehalten werden können.

Zusätzlich zu den bisher beschriebenen konstruktiven Maßnahmen, aber auch für sich allein können entsprechend F i g. 7 auf der Düseneintrittsseite Zuführungseinrichtungen 7 für ein Zusatzgas vorgesehen werden, das, wie dargestellt sozusagen ils Grenzschicht die Düsenwandung bedeckt Dieses Zusatzgas soll möglichst geringe Wärmeleitung haben, also z. B. aus Argon oder Xenon, bestehen, wenn eine Fremdkühlung des Hauptgasstromes nicht vorgesehen ist

Die in diesen Beispielen dargestellten Möglichkeiten

zur Temperaturbeeinflussung der Düsenwände 6 auf ein durch die Wandkonzentration der durchtretenden Gasmischung begrenztes Maß, führt, infolge der dadurch bedingten Zähigkeitsverminderung in der Grenzschicht zu einer erheblichen Minderung der Grenzschichtdicke. Dies wirkt sich wiederum auf die mittlere Gastemperatur und außerdem auf die evtl. angewandte, an sich bekannte Druckrückgewinnung günstig aus.

Die F i g. 8 zeigt schließlich eine Entspannungsdüse 25

mit sozusagen aufgeklappten Wänden 6, die wieder mit Hohlräumen 62 versehen sind. Der die Düse verlassende Gasstrom 8 weitet sich in der dargestellten Form auf und durchsetzt die hier im Querschnitt halbringartig gestaltete Bestrahlungszone. Anschließend tritt er in eine Anzahl kreisförmig um den Düsenaustritt angeordnete Diffusoren 9 ein, in denen die Strömung in den Unterschallbereich überführt und damit in bekannter Weise eine sogenannte Druckrückgewinnung erzielt wird. Die eigentliche Abscheideeinrichtung für die Reaktionsprodukte ist nicht dargestellt da diese mit der Düse selbst nichts zu tun hat

Die Anwendung der beschriebenen Maßnahmen zur besseren Abkühlung eines Gases durch Entspannung in einer Düse ist natürlich nicht auf die Urananreicherung beschränkt Sie können z. B. auch bei Düsen gasdynamischer Laser angewendet werden zur Vermeidung einer stärkeren Besetzung der unteren Energieniveaus.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche?

1. Oase zur adiabatischen Entspannung von Gasen bzw. Gasgemischen mit Düsenspalten, die z.B. schlitzförmig wie in der Uranisotopentrennung mit Hilfe der Lasertechnik ausgebildet sein können, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Einrichtungen (6, 61, 62, 7) zur Verringerung bzw. Umkehrung des Wärmeüberganges zum Gasstrom (8) versehen ist

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenwandung (6) aus einem Material schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht und/oder konstruktiv so gestaltet ist, daß die Wärmeleitfähigkeit möglichst klein wird.

3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der Düsenwand (6) zum Düsenausgang zu verjüngt.

4. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenwand (6) mit Hohlräumen (62) versehen ist

5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Hohlräume (62) von einem Kühlmittel durchströmt sind.

6. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß sie vor ihrer engste» Stelle (5) auf der Gaseintrittsseite mit Zuführungsöffnungen (7) für ein eine Grenzschicht (71) an der Düsenwandung (6) bildendes Zusatzgas versehen ist