DE2810444C2 - Spaltförmige Leitapparatur zur Führung gasförmiger Strömungen bei der Trennung von Isotopengemischen unter selektiver Laseranregung - Google Patents

Description

zur isotopenselekiiven Anregung einer ein/einen im Gasstrahl enthaltenen Isotopenverbindung. Diese Darstellung zeigt einen Querschnitt durch die Düsenanordnung, wobei mit 1 der obere und mit 2 der untere Teil des Düsenkörpers bezeichnet ist Der eigentliche Düsenspalt, also die engste Stelle der Düse, ist mit 3 bezeichnet, die Düsenwandung auf die Austrittsöffnung derselben zu mit 10. Von der linken Seite tritt eine Gasmischung 5 also z. B. aus UF₆ und einem Reaktionsgas in den Düsenspalt ein, entspannt sich über die Düsenlänge 4 adiabatisch, kühlt sich dabei auf unter 100° K ab und wird anschließend vom Laserstrahl 6 (Querschnitt desselben) durchsetzt. Derartige Düsen sind normalerweise schlitzförmige und haben beispielsweise an der engsten Stelle 3 eine Weite von 0,5 mm und eine Breite von z. B. 50 cm. Die Düsenlänge liegt dabei in der Größenordnung von 20—50 mm. Solche kleinen Dimensionen sind für die Zwecke der Isotopentrennung, z. B. aus U F₁* notwendig, da sonst bereits eine merkliche Kondensation auftritt und damit die selektive Anregung der einen Isotopenverbindung mit anschließender dadurch ausgelöster Bildung von beispielsweise UF₅ oder UF« wenigstens teilweise unmöglich gemacht werden wür de.

Eine solche Dimensionierung birgt aber die Gefahr in sich, daß die Düse von einer Grenzschicht nahezu vollständig verstopft wird und damit das Ziel der adiabatischen Entspannung, nämlich die bereits erwähnte Temperaturabsenkung, nicht mehr erreicht werden kann. Es muß daher dafür gesorgt werden, daß die an den Wandungen 10 sich ausbildenden Grenzschichten nicht zu groß werden, was durch die mit dieser Erfindung vorgeschlagenen Maßnahmen erreicht wird.

In F i g. 2 sind diese Maßnahmen schematisch dargestellt, wobei die sich entlang der Düsenwände 10 ausbildende Grenzschicht mit 19 bezeichnet wurde. Zur Verringerung der Grenzschicht sind nun in den Wandungen 10 eine große Anzahl von feinen Bohrungen 16 vorgesehen, die in Sammelkanäle 11 —15 im oberen Teil 1 der Düse und in Sammelkanäle 21 —25 im unteren Teil 2 der Düse einmünden. Diese Sammelkanäle sind nun wiederum für den oberen Düsenteü 1 über Ventile 71—75 an eine Pumpe 7 und für den unteren Düsenteil 2 über die Ventile 81—85 an die Pumpe 8 angeschlossen. Über diese Pumpen 7 bzw. 8 kann nun die Grenzschicht 19 verringert oder ganz abgesaugt werden, wobei die Ventile 71—75 sowie 81—85 örtlich eine gezielte Absaugung bzw. Dimensionsverringerung der Grenzschicht ^ermöglichen.

Bei der bereits erwähnten Kleinheit der Düse stößt die Anbringung dieses Gasab- bzw. Zuführungssystem in den beiden Körpern 1 ^nd 2 bei einer massiven Gestaltung derselben auf nahezu unüberwindbare Schwierigkeiten. Dieses Problem wurde daher erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Düsenkörper 1/2 aus entsprechend geformten Blechen bzw. Folien mit Hilfe der an sich bekannten Stapeltechnik aufgebaut wird, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Formgebung des Düsenkanals sowie die der Kanäle mit Hilfe der Fotoätztechnik vorzunehmen, da diese die für derart erforderlich große Stückzahlen notwendige Genauigkeit erlaubt. Diese Stapeltechnik und auch die Fotoätztechnik sind an sich bekannt und wurden beispielsweise bereits für die Herstellung von Trenndüsen (nach Prof. Becker) angewendet, (diese Trenndüsen dienen einem anderen — ohne Laser arbeitenden — Verfahren zur Isotopentrennung bzw. zur Uranipreicherung).

Die F i g. 3 und 4 zeigen nun die Ausbildung von Einzelfolien 20a und 20i\ die aufeinander gestapelt einen Düsenkörper ergeben. Dabei bildet die große Bohrung 30 den Zuführungskanal für das die Düse speisende Gasgemisch 5 und die kleinen Bohrungen 11 — 15 sowie 21—25 übereinander gestapelt die entsprechenden Sammelkanäle, wie sie in Fig.2 besprochen wurden. Von diesen kleinen Bohrungen 11 — 15 bzw. 20—25 gehen nun nach F i g. 3 Schlitze 16 bis zur Kante 10 und in F i g. 4 Schlitz 17 bis zur Kante 10, allerdings in anderer Neigung zur Kante 10. Diese Schlitze 16 und 17 bilden to die Absaugkanäle, da sie seitlich von den benachbarten Folien abgedeckt sind und die Kante 10 der übereinander gestapelten Bleche 20a und 206 die Düsenwandung des Austrittkanals.

Die F i g. 5 zeigt nun die Lage der Kanäle 16 und 17 bei aufeinander gestapelten Folien 20a und 20b. Diese Kanäle münden also in die gleichen Sammelkanäle 11-15 bzw. 21—25 ein.

Eine perspektivische Seitenansicht der Düsenwand 10

ist in F i g. 6 dargestellt, es ist daraus zu ersehen, daß die Schlitze 16 und 17 als feine Kanäle in die Oberfläche der Düsenwandung 10 einmünden. Selbstverständlich ist es auch möglich; zur Beeinflussung der 'Verteilung dieser Bohrungen 16 und 17 in den Stapel Folien ohne diese Schlitze einzufügen, die aber ebenfalls die Bohrungen 30 sowie 11 —15 sowie 21— 25 haben.

Die in F i g. 3, 4 und 5 gezeigte Lösung der Anbringung voii Absaugkanälen usw. bringt jedoch Schwierigkeiten mit sich, wenn eine relativ große Dichte von Absaugöffnungen auf den Düsenwandungen 10 gefordert wird. Dann sind nämlich die zwischen den Schlitzen 16 bzw. 17 stehen gebliebenen Folienstreifen ebenfalls recht dünn bzw. schmal, so daß beim Stapeln dieser Folien unter Umständen Schwierigkeiten entstehen können. Diese Schwierigkeit wird bei der in den Fig.7—10 dargestellten Formgebung der Folien, hier mit 40a und 406 bezeichnet, umgangen. Hier ist jeweils nur der von einer Kanalbohrung 15 ausgehende Schlitz bis zur Düsenwand 10 dargestellt. Dieser Schlitz 41 geht jedoch nicht durch, sondern ist mit stehengebliebenen Materialstegen 42 überbrückt. Wie in F i g. 7 und 8 dargestellt, sind diese Brücken jedoch beim Stapeln der Folkn 40a und 40i> zueinander versetzt angeordnet, siehe die F i g. 9, so daß sich entsprechend F i g. 10, die einen Querschnitt durch den Stapel vor. F i g. 9 darstellt, ein geschlängelter Absaugweg ausbildet. Durch die die Schlitze 41 überbrückenden Stege 42 ist aber eine einwandfreie mechanische Zuordnung der einzelnen Oberflächenteile der Folien erhalten geblieben, so daß damit auch eine Stapelung derselben ohne Schwierigkeiten möglich ist. In Fig. 10 ist auch dargestellt, daß dieser Stapel zusätzlich noch aus Folien 43 bestehen kann, die nur mit der Bohrung 15 für die Ausbildung der Sammelkanäle und selbstverständlich der Zuführungsbohrung 3ft Tür das Gasgemisch, siehe die F i g. 3 bis 5, versehen ist.

Selbstverständlich kann die Beeinflussung der Grenz schichten nicht nur in Düsen vorteilhaft und notwendig sein, sondern auch in sonstigen Apparaturen, wie sie zur Leitung von vorzugsweise gasförmigen Strömungen vorgesehen sind, so z. B. Diffusoren. Auch hier sei wieder das Beispiel aus der Uranisotopentrenntechnik genommen. Die F i g. 11 zeigt sozusagen als Erweiterung zu F i g. 2 die schematische Darstellung der Strömungsführung in einer solchen Anlage. Die Gasmischung 5 tritt in den Düsenspalt 3 ein, wird in der Düse 1/2 adiabatisch entspannt und mit Hilfe des Laserstrahles 6 isotopenspezifisch angeregt und in die angeregte Verbindung umgewandelt. Diese das angereicherte Isotop ent-

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haltende Strömung 51 tritt dann in einen Diffusor aus hängig ist vom Strömungswiderstand und der Länge der den Teilen 91 und 92 ein und wird anschließend in die Absaugkanäle 93. Die Ventile erfordern zudem eine Teilkanäle 55 bzw. 56 abgelenkt. Diese Teilkanäle ent- Sonderkonstruktion, da sie nicht nur in dieser Schaltgestehen durch die im Strömungskanal 59 angeordnete schwindigkeit arbeiten müssen, sondern auch in der Lakeilförmige Schneide 57. _{5 ge} sein sollen, von Unterdruck auf Überdruck zu schal-

Wie dargestellt, ist auch der Diffusor 91 und 92 mit ten, damit die Strömungsablenkung zwischen den Kanäden erfindungsgemäßen Einrichtungen versehen, die len 55 und 56 hin und her pendeln kann, über Ventile und Pumpen eine gezielte Beeinflussung Die in F i g. 13 dargestellte Möglichkeit für die schneider Grenzschichten ermöglichen. So ist es z. B. möglich, Ie Verlegung des Gasstrahles mit Hilfe eines Lasers 95 über die Sammelkanäle 93 die Grenzschicht abzusaugen io arbeitet ohne bewegliche mechanische Teile und kann und über die Kanäle 94 ein Zusatzgas einzuführen und daher exakter gesteuert werden. Die Laserfrequenz ist damit die Grenzschicht abzulösen. Die Folge dieser dabei von untergeordneter Bedeutung, die Laserleitung Maßnahme ist in F i g. 12 dargestellt. Durch die vor dem für die direkte Aufheizung der Grenzschichtströmung Diffusorteil 92 sich ausbildende Wirbelschicht wird die ist z. B. durch einen CO₂-Laser ohne weiteres zu erbrin-Strömung 51 abgelenkt und wird über den Kanal 55 15 gen. Die dabei erzielte plötzliche Aufheizung führt zu weitergeleitet. Durch Umschaltung der Druckverhält- einem Druckanstieg und damit zu einer Ablösung der nisse könnte die Strömung dann in den Kanal 56 abge- Grenzschicht von der Wand, wie bereits erwähnt. Auch führt werden. eine direkte Strahlungsaufheizung der Wandung des

In Fig. 13 ist das gleiche StrömungsverhaUen wie in Diffusors an dieser Stelle mit Hufe eines derartigen La-F i g. 12 dargestellt. Nur, daß hier die die Strömung ab- 20 sers — die Diffusorwand ist an dieser Stelle zweckmäßilenkenden Wirbel 58 nicht durch das Einblasen von Zu- gerweisc schwarz eingefSrbt — ergibt den gleichen Efsatzgas erzeugt werden, sondern durch örtliche Erwär- fekt bereits bei wesentlich geringerer Laserleistung, mung der Gasströmung, z. B. mit Hilfe eines energierei- Auf diese Weise können Schaltzeiten im msek-Be-

chen Laserstrahles 95 bzw. einer örtlichen Erwärmung reich realisiert werden und erlauben somit eine wirksader Diffusorwand an dieser Stelle. Durch eine derartige 25 me Abtrennung der belichteten Strömung 51 von der plötzlich durchführbare Erwärmung wird ebenfalls die unbelichteten.

Grenzschicht abgelöst, es bildet sich eine Wirbelzone 58 Die Beeinflussung der Grenzschichten an Wandun-

und die Gasströmung 51 wird in der dargestellten Weise gen ve* eine gasförmige Strömung umhüllenden Leitabgelenkt. Diese Art der Ablenkung kann selbstver- apparaturen führt somit dazu, nicht nur die theoretisch ständlich auch mit der in Fig. 12 dargestellten kombi- 30 errechneten und angestrebten Strömungsverhältnisse niert werden. _auch praktisch zu erreichen, sondern auch noch Strö-

Der technische Sinn dieser Maßnahmen sei nun kurz mungsablenkungen ohne mechanisch bewegte Teile in

erläutert. Das Problem der Ablenkung eines Gasstro- kürzester Zeit zu erreichen und damit die durch die

mes tritt z. B. dann auf, wenn der Gasstrahl mit gepuls- Behandlung solcher Strömungen erzielten Effekte mög-

ten Lasern bestrahlt wird und daher die isotopenselekti- 35 liehst unbeeinflußt für die jeweils weitere Verfahrens-

ve Anregung nur der einen Isotopenverbindung nur auf führung zu erhalten.

jenem Teil des Gasstrahles eintritt, der belichtet wurde.

So beträgt z. B. bei einem Laserstrahldurchmesser von Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

5 mm und einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases

von 500 m/sek die Verweilzeit 10 usek. Die Pulszeit des 40

Lasers liegt aber beispielsweise zwischen 10 Nanose-

kunden und 1 μ5β^ Das bedeutet, daß nicht mehr als

0,5 mm der Länge des Gasstrahles belichtet sind. Der

nächste Laserimpuls erfolgt erst nach bestenfalls 2 msek

(angenommene Pulsfrequenz 500 Hz). In dieser Zeit hat 45

aber der Strahl des Gasgemisches 100 cm unbeeinflußt

und unbelichtet zurückgelegt.

Das während der Pulszeit des Lasers angeregte Isotop (z. B. 253 UF₆) wird in bekannter Weise chemisch

und physikalisch abgetrennt, also z. B. in einen festen 50

Stoff umgewandt. Wird aber die bestrahlte Phase der

Gasströmung nicht von der unbestrahlten und daher der

unveränderten getrennt, so tritt eine Vermischung ein,

die eine außerordentlich große Verschlechterung der

Anreicherungswirkung zur Folge hat. Eine solche Ver- 55

schlechterung hat aber enormen Einfluß auf die Kosten

der sogenannten »Trennarbeitseinheit«.

Wenn es nun aber möglich ist, den belichteten angeregten Teil der Strömung durch gesteuerte räumliche

Ablenkung — siehe Fig. !1 bis 13 — von dem nicht 60

belichteten Teil der Gasströmung zu trennen, bleibt der

durch den Laserstrahl 6 erreichte Trenneffekt erhalten,

so daß trotz der impulsförmigen Arbeitsweise des Lasergerätes der volle Wirkungsgrad dieses Verfahrens

erhalten bleibt 55

Die aus vorstehendem Beispiel zu entnehmenden

Schaltzeiten fordern eine hohe Schaltgeschwindigkeit

der Ventile, die selbstverständlich außerdem noch ab-

Claims (5)

1 2 ren, die mit einer adiabatischen Entspannung des gas- Patentansprüche: förmigen Isotopengemisches und nachfolgender Be strahlung mit einem Laserstrahl arbeiten (DE-OS

1. Spaltförmige Leitapparatur zur Führung gas- 25 36 940), die Gefahr, daß die Temperaturschwelle von förmiger Strömungen bei der Trennung von Isoto- 5 100⁰K, unterhalb der eine isotopenspezifische Anrepengemischen unter Anwendung der adiabatischen gung erst möglich ist, nur unzureichend unterschritten Entspannung von Gasen und der selektiven Bestrah- wird.

lung mit einem Laserstrahl, bestehend aus einer Du- Ausgehend von einer für derartige Trennverfahren

se und/oder einem Diffusor, dadurch ge kenn- vorgesehenen spaltförmigen Leitapparatur mit den

zeichnet, daß die Wandungen (10) der Leitappa- 10 Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 Hegt

ratur (1, 2, 91, 92) mit feinen Bohrungen oder Lö- der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Leitapparatur

ehern (16,17) versehen sind, die mit im Inneren der so auszugestalten, daß eine gezielte Beeinflussung der

Wandungen verlaufenden, der gesteuerten Gasab- Grenzschichten möglich ist

saugung oder Gaszuführung dienenden Sammelka- Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung nälen (11 —15; 21 —25; 93,94) verbunden sind. < j vorgesehen, daß die Wandungen der Leitapparatur mit

2. Spaltenförmige Leitapparatur zur Führung gas- feinen Bohrungen oder Löchern versehen sind, die mit förmiger Strömungen bei der Trennung von Isoto- im Inneren der Wandungen verlaufenden, der gesteuerpengemischen unter Anwendung der adiabatischen ten Gasabsaugung oder Gaszuführung dienenden Sam-Entspannung von Gasen und der selektiven Bestrah- menkanäle verbunden sind. Eine bestimmte Art der belung mit einem Laserstrahl, bestehend aus einer DQ- 20 einflussung, nämlich die Ablösung einer Grenzschicht, se und/od«_einem Diffusor, dadurch gekennzeich- ist auch dadurch möglich, daß für Teilbereiche der Wannet, daß für 1 eiibereiche der wandung der Leitappa- düngen der Leitapparatur eine kurzzeitige betreibbare ratur (91,92) eine kurzzeitig betreibbare Strahlungs- Strahlungsheizung vorgesehen ist

heizung (95) vorgesehen ist Durch die gemäß der Erfindung vorgesehene Ausge-

3. Leitapparatur nach Anspruch 1, dadurch ge- 25 staltung der Leitapparatur ist eine wichtige Voraussetkennzeichnet daß die Wände aus exakt gestapelten zung dafür geschaffen, daß die bei der erfolgreichen dünnen Blechen oder Folien (TOa, 20b) bestehen, die Durchführung von Isotopentrennverfahren erforderlimit die Sammelkanäle bildenden Bohrungen (11,12) chen verfahrensmäßigen Randbedingungen wie Entsowie mit diesen ausgehenden, sich bis zu den die Spannungstemperatur <100°K oder gezielte Umlen-Wand bildenden Blech- bzw. Folienrändern (10) er- 30 kung der Gasströme auch tatsächlich gegeben sind, streckenden Schlitzen (17) versehen sind. Mit Rücksicht auf die Kleinheit der Leitapparaturen

4. Leitap^aratur nach Anspruch 3, dadurch ge- sind bei der Herstellung der Bohrungen in den Wänden kennzeichnet, daß dip Schlitz (17) der gestapelten der Leitapparatur neue Wege zu beschreiten. In Weiter-Bleche oder Folien so gerichtet und von den jeweils bildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, diese benachbarten seitlich abgeder^t sind, daß sie nur 35 Wände aus exakt gestapelten dünnen Blechen oder Fonach den Sammelkasten (11 —15; 21 —25) und der lien aufzubauen und diese mit die Sammelkanäle bilden-Wand (10) hin offen sind. den Bohrungen sowie mit von diesen ausgehenden, sich

5. Leitapparatur nach Anspruch 3, dadurch ge- bis zu den die Wand bildenden Blech- bzw. Folienränkennzeichnet, daß die Bohrungen (11,12) und Schiit- dem erstreckenden Schlitzen zu versehen. Infolge der ze (17) der Folie bzw. Bleche nachdem Fotoätzver- 40 Kleinheit dieser Bauteile müssen aiese Schütze und fahren hergestellt sind. Bohrungen mit größtmöglicher Genauigkeit hergestellt

werden, was z. B. mit Hilfe der bekannten Fotoätztech-

nik möglich ist, wie sie z. B. bereits für die Herstellung

der Trenndüsen für die Urananreicherung (nach Prof. 45 Becker) Verwendung gefunden hat. Mit dieser Technik

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Isotopentren- ist es möglich, in einfacher Weise die zur Strömung

nung und ist bei der konstruktiven Ausgestaltung einer hinweisenden Innenflächen der die Strömung führenden

spaltförmigen Leitapparatur anzuwenden, mit der eine Bauteile mit nahezu beliebig vielen kleinen Öffnungen

gasförmige Strömung vor oder nach einer selektiven zu versehen, die über kleine Kanäle zu Hauptkanälen

Laserbestrahlung geführt wird. 50 führen. Über diese Hauptkanäle kann dann entweder

Der Führung gasförmiger Strömungen durch umhül- Gas in die Grenzschicht eingeführt oder, was die wichti-

lende Leitapparaturen wie Düsen und Diffusoren gere Anwendung ist, Gas aus der Grenzschicht abge-

kommt bei Trennverfahren für gasförmige Isotopenge- saugt werden. Die erwähnte Fotoätztechnik stellt ein

mische, bei der Tieftemperaturspektroskopie sowie bewährtes Verfahren zur Fertigung in großer Zahl her-

auch beim gasdynamischen Laser besondere Bedeutung 55 zustellender Einzelbauteile dar, jedoch sind auch andere

zu. Dort werden die Strömungen, die oftmals Über- Möglichkeiten, wie z. B. die Elektronenstrahltechnik,

Schallgeschwindigkeit erreichen sollen, durch sehr klei- denkbar, mit deren Hilfe ähnliche Genauigkeiten erziel-

ne Düsen mit einer Spaltweite oftmals < 1 mm sowie bar sind. Da die Strömungsleitkörper, die mit solchen

durch Diffusoren entsprechender öffnungsweite ge- Einrichtungen versehen werden müssen, mit Hilfe der

führt. Wenn bei derartigen Apparaturen Grenzschich- eo Stapeltechnik aufgebaut werden, handelt es sich dabei

ten an den die Strömungen führenden Wandungen ent- stets um eine außerordentlich große Anzahl von absolut

stehen, so haben diese bei den kleinen Strömungsquer- gleich bemessenen Einzelteilen.

schnitten eine besonders große Wirkung auf die Haupt- Ausgehend von einer in F i g. 1 dargestellten bekann-

strömung und beeinflussen diese hinsichtlich der Ge- ten Düse zur adiabatischen Entspannung von gasförrni-

schwindigkeit oder des Druckes derart, daß die durch 65 gen Isotopengemischen zeigen die F i g. 2 bis 13 Ausfüh-

diese Strömungsrichtungen zu erzeugenden Gaszustän- rungsbeispielo der neuen Leitapparatur,

de erreicht werden können. Die F i g. 1 zeigt schematisch die räumliche Zuord-

So besteht beispielsweise bei Isotopentrennverfah- nung zwischen einer Entspannung und dem Laserstrahl