DE2810791A1 - Verfahren zur isotopentrennung durch isotopenselektive anregung - Google Patents
Verfahren zur isotopentrennung durch isotopenselektive anregungInfo
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Description
KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Uns@r Zeichen
78 P 93 1 0 BRD
Verfahren zur Isotopentrennung durch isotopenselektive Anregung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur rationellen Isotopentrennung aus einem Gemisch gasförmiger
Isotopenverbindungen durch isotopenselektiv® Anregung einer der darin enthaltenen Isotopenverbindungen
und nachfolgender chemischer oder physikalischer Abtrennung derselben mit Hilfe von gepulsten Laserstrahlen.
Bei allen diesen Verfahren wird durch die Anregung nur einer Isotopenverbindung erreicht, daß diese
bevorzugt eine chemische Verbindung eingeht, wobei diese neue Verbindung relativ leicht Bit normalen mechanischen
und chemischen Mitteln aus dem ursprünglichen Stoffgemisch abgetrennt werden kann. Diese enthält dann bevorzugt
das gewünschte Isotop, wie z.B. Uran 235. Die Isotopentrennung nach diesem Prinzip ist besonders für
Uran technisch interessant, da das im Natururan allein
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verwertbare spaltbare Isotop Uran 235 ursprünglich nur zu 0,7 % vorhanden ist und im Kernbrennstoff für
Leichtwasserreaktoren auf etwa 2 - 3 % angereichert werden muß.
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Die Anregung der einen Isotopenverbindung kann aber auch dazu verwendet werden, diese zu ionisieren, damit
auf elektrischem Wege abscheidbar zu machen oder ihre Dipolverhalten so zu beeinflussen, daß eine Ablenkung
durch das elektrische Feld der Laserstrahlung selbst möglich wird. Näheres zu laserinduzierten Isotopentrennverfahren mittels physikalischer und chemischer
Abtrennung ist den Offenlegungsschriften 2 311 584
sowie 2 324 797 zu entnehmen. Weitere Vorschläge zur
Isotopentrennung über die selektive Anregung molekularer Energieniveaus sind der deutschen Offenlegungsschrift 2 459 989 zu entnehmen, wo insbesondere auf
die Verwendung von Wellenlängen im Infrarot- und UV-Bereich eingegangen wird.
Alle Uran-Isotopentrennverfahren gehen von der Verbindung UFg aus, die praktisch als einzige Uranverbindung einen ausreichenden Dampfdruck aufweist. Es
hat sich Jedoch herausgestellt, daß die bei normalen
Temperaturen vorgenommenen selektiven Anregungen wegen
der Überlappung der Absorptionsbanden, des Resonanzaustausches und thermisch aktivierter Reaktionen nicht
die gewünschten Anreicherungswerte erreichen lassen, so daß zur Verbesserung vorgeschlagen wurde, das dampf-
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förmige Isotopengemisch adiabatisch auf Temperaturen
unter 100 K zu entspannen und noch vor ihrer Kondensation mit einem in einem Resonator geführten Laserstrahl
entsprechender Frequenz zu durchstrahlen. Siehe dazu die deutsche Offenlegungsschrift 2 447 762. Es
wurde auch schon vorgeschlagen, anstelle der adiabatischen Entspannung die Abkühlung des Isotopengemisches mit einem zuzuführenden neutralen stark unterkühlten
Zusatzgas zu erreichen, siehe die deutsche Offenlegungsschrift 2 651 306.
Die Wirtschaftlichkeit dieser und anderer Isotopentrennverfahren
ist jedoch nur dann gegeben» wenn es möglich ist, sogenannte Dauerstrichlaser zu
Solche Geräte stehen aber mit der benötigten leistung praktisch noch nicht zur Verfügung„
Es stellt sich beim augenblicklichen Stand entwicklung also die Aufgab®, di©
20 fahren mit gepulsten Lasern
Laserpulse, die in der Gr8B@n©Fdnang won @in®£» Man©-=
Sekunde liegen, sehr kurz sind und di® Impulsfolgefrequenz
auch maximal bei etwa 100 Hz liegt, baim naeh
dem bisherigen Verfahren unter Anwendung solcher g@- pulster Laser stets nur eine sehr gering® Stoff meng©
angeregt werden, so daß di© Anwandung der g@pulst@n
Laser in der beschriebenen Weis® b©r®its au© wirtsehaft-
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lichen Erwägungen heraus ungünstig ist. Es sei dabei nur daran erinnert, daß das durchgesetzte Gasgemisch
immer wieder zurückgeführt werden muß, also enorme Pumpleietungen benötigt werden.
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Es stellte sich daher die Aufgabe, eine Verfahrensführung zu finden, die eine wirtschaftliche Anwendung
auch gepulster Laser erlaubt und gewährleistet, daß das gesamte durchgesetzte Stoffgemisch auch in seiner
Gesamtheit bestrahlt und die anregbaren Moleküle auch tatsächlich angeregt werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das dampfförmige Gemisch der Isotopenverbindungen sowie
evtl. von an sich bekannten Zusatzgasen und/oder
Reaktionspartnern in konstanten Zeitabständen, jeweils
für eine Strömungsdauer im Bereich von msek, über eine
Düse in bekannter Weise adiabatisch entspannt und dadurch unter 100 K abgekühlt wird und das dadurch einem
Bestrahlungsraum in Intervallen zugeführte Gasgemisch Jeweils während der gesamten Strömungsdauer aufeinander folgenden Pulsen einer Anzahl von nacheinander
gezündeten Lasern zur quantitativ vollständigen isotopenspeziflachen Anregung ausgesetzt wird.
Dieses Verfahren beruht demnach in der Kombination von zwei Merkmalen: Das der Isotopentrennanlage
zuzuführende Gasgemisch in stets wiederkehrenden Intervallen für eine kurze Strömungsdauer durch den Be-
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zahl nacheinander zu zündender Lasereinrichtungen jeweils gleicher Frequenz in ihrer Gesamtheit strahlungstechnisch zu erfassen. Dabei wird von folgenden
Überlegungen ausgegangen:
5
Eigene Versuche haben gezeigt, daß bei der dynamischem
Abkühlung eines Gasgemisches die selektiv® Anregung und Abtrennung der gewünschten Isotopenv@rbindungen
auf einer Wegetrecke von etwa 2 cm ©rf©Igen muß. Bei
einer Strahlgeschwindigkeit des in a®m Bestrahlungsraum
eintretenden Stoffgemisches von etwa 500 meek beträgt
die Flugzeit eines Moleküls durch diese Streeke etwa
40 /usek. Bestrahlt man nun mit einem Laserpuls dieses
gesamten Bereich von 2 cm Läng© und läßt nach weiteren
40 /usek einen weiteren Laserpuls folgen, so schließen
sich die bestrahlten Bereiche des Stoffgemischstrahles lückenlos aneinander an. Dazu wäre allerdings ein Laser
mit einer Pulsfolgefrequenz von 25 kHz erforderlich,
jedoch existieren solche in den gewünschten Wellen
längen und Leistungsbereichen ebenfalls noch nicht. Die
erforderlichen Pulsenergien liegen bei 1 Ws im UV (0,3 - 0,4 /u) und bei 0,025 Ws im Infrarotbereich
(16 /u).
Diese Schwierigkeit wird mit der vorliegenden Erfindung
dadurch gemeistert, daß die gefordert® Pulsfolgefrequenz durch das nacheinander folgende Zünden einer
Vielzahl gleichartiger Lasergeräte gebildet wird. Da jedoch die Zahl dieser Lasergeräte von der wirtschaft
liehen Seite her, aber auch von der anordnungstech
nischen Seite - alle müssen so angeordnet werden, daß
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Ihre Strahlung den Bestrahlungsraum auf den gleichen
Weg durchläuft - beschränkt ist, wird nunmehr dafür gesorgt, daß nur während der Strahlungszeit dieser
nacheinander zu zündenden Lasergeräte der Stoffgemischstrahl durch den Bestrahlungsraum läuft. Dies
wird dadurch erreicht, daß vor die Entspannungsdüse ein Ventil geschaltet ist, das in periodischen Abständen die der möglichen Impulsfolgefrequenz eines
Lasers entspricht, einen in seiner Länge begrenzten Stoffgemischstrahl durch den Bestrahlungsraum befördert.
Diese Verfahrensführung sei nun zur weiteren Erläuterung der Erfindung an einem Beispiel anhand der Fig. 1-4
näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt schematisch die räumliche Zuordnung von Bestrahlungsraum 3, Düse 2 und Ventil 4. Der
Verfahrensablauf ist nun folgender: Das Stoffgemisch
strömt Über die Leitung 45 in das Ventil 4. Dieses besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 41, an das auf
der einen Seite die Zuführungsleitung 45 und auf der anderen Seite die Entspannungsdüse 2 angeschlossen
sind. Im Inneren dieses Gehäuses rotiert mit kon
stanter Umdrehungsgeschwindigkeit ein Rotor 52, der
mit Schlitzen 43 und 44 - diese sind ebenfalls diametral aneinander gegenüber angeordnet - versehen ist. Immer
wenn diese Schlitze 43 und 44 eine Verbindung zwischen der Zuführungsleitung 45 und der Düse 2 herstellen, wird
ein Stoffgemischstrahl stets gleicher Länge durch den
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Bestrahlungsraum 3 hindurchwandern. Die Länge dieses
Bestrahlungsraumes ist mit s bezeichnet. Bei einer Strahlgeschwindigkeit von 500 msek durchwandert ein
Molekül diese Strecke in 40 /us. Wenn nun die Front des die Düse verlassenden Gasstromes vor dem Ende der Bestrahlungskammer 3 angekommen ist, wird der erste Laser
gezündet und in Abständen von Jeweils 40 /us der nächste. Es ergibt sich somit eine Einteilung des Stoffgemischstrahles in aneinander lückenlos anschließende
Bestrahlungsbereiche g1 bis gQ. In der Fig. 1 ist dabei
jene Situation angegeben, bei der gerade der letzte StoffStrahlbereich gn durch den letzten, den n.Laser
bestrahlt wird. Die gesamte Länge des die Düse 2 in Intervallen verlassenden Stoffgemischstrahles S ergibt
sich sodann aus der Zahl der Laser η mal der Länge des Bestrahlungsraumes s.
Die Fig. 2 zeigt in einem Zeitdiagrajna die Schaltfolg©®
des Ventils 4 sowie der η Lasereinrichtung@Eu Das ¥§i
til 4 macht jeweils in Abständen von AT^ den Strömung®=
weg auf, wobei A T^ beispielsweise 100 msek betragen
möge. Die Öffnungszeit des Ventils beträgt dagegen beispielsweise 1 msek und ist mit Δ T2 bezeichnet.
Während dieses Zeitbereiches Δ T2 zünden nacheinander
die Lasereinrichtungen 1-n, wobei in dem gewählten Zahlenbeispiel der Zündungsabstand zwischen 2 Lasern
jeweils 40 /usek beträgt, das ist jene Zeit, die ©in Molekül für das Durcheilen des Bestrahlungsraumes 3
benötigt.
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In den Fig. 3 und 4 sind nun Möglichkeiten fUr die
Einführung der von den verschiedenen Lasern kommenden Strahlungen in den Bestrahlungsraum 3 schematisch dargestellt. Dazu muß noch erwähnt werden, daß die Entspannungsdüse 2 eine schlitzartige Gestalt aufweist.
Sie hat an ihrer engsten Stelle z.B. eine Weite von etwa 0,1 - 0,3 und eine Breite von etwa 1 m. Die
Fig. 3 und 4 zeigen nun diese DUse 2 in der Draufsicht, also auf die Breitseite. Die Zahl der Laser
ergibt sich nach dem vorgegebenen Zahlenbeispiel
AT2 ■ 1 msek dividiert durch 40 /usek zu η ■ 25. In der
Fig. 3 sind der Übersichtlichkeit halber nur 10 Lasergeräte dargestellt, deren Strahlung wird über Spiegel 6
auf einen Drehspiegel 61 umgelenkt, der sich synchron
zur Umschaltfrequenz der einzelnen Lasergeräte dreht
und die Laserstrahlung auf dem gleichen Wege in den Bestrahlungsraum 3 eintreten läßt. In diesem wird die
Strahlung an den verspiegelten Wänden hin und her reflektiert, so daß die gesamte während der Laserimpuls
dauer im Bestrahlungsraum vorhandene Stoffmenge von dieser Strahlung jeweils eines Lasers erfaßt wird.
Wie bereits eingangs angedeutet, können für die Anregung des Stoffgemisches zwei Frequenzen Verwendung finden.
Die Einführung dieser beiden unterschiedlichen Laserstrahlungen ist in Fig. 4 dargestellt. Diese zeigt wieder
in der Draufsicht die Düse 2 und den Bestrahlungsraum 3, der eine Länge von s hat. Über die Zylinderlinse 8 wird
die Strahlung der aus Fig. 3 bekannten Lasergeräte L in
den Bestrahlungsraum 3 geführt und dort hin und her
reflektiert.
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Dieser hat beispielsweise die Abmessungen einer Breite von 100 cm, einer Länge β von 2 cm und einer Dicke
von Of5 cm. Seine Seitenwände bestehen aus KCl-oder
NaCl-Fenstern, die mit dielektrischen Vielfachschichten von 99,7 $ Reflexionsvermögen bei einer
Wellenlänge von 0,4 /U bedampft sind und das Licht von
16 /U ungehindert durchlassen. Das eine der beiden Fenster 72 entspricht dem Ausschnitt aus einem Zylinder
spiegel von 100 cm Krümmungsradius. Durch diese Maß
nähme wird erreicht, daß sowohl das 16 λ Licht als
auch das 0,4 /u Licht nahezu vollständig absorbiert
wird, da das Verhältnis der Absorptionsvermögen von UFg bei 16 /U zu jenem bei 0,4 /U gerade dem umgekehrten Verhältnis der Lichtwege entspricht. Im
Gegensatz zu dem Licht von 0,4 /U Wellenlänge, das
fokussiert wird, um es genügend oft im Bestrahlungsraum hin und her reflektieren zu lassen, wird das
16 /U Licht auf 2 cm χ 0,5 cm aufgeweitet, um den
gesamten Bestrahlungsraum gleichmäßig zu beleuchten.
Selbstverständlich ist eine Anlage dieser Form auch für ein Verfahren geeignet, das zur Anregung und Abtrennung nur eine Strahlungsart oder nur auch ein
UV-Quant benötigt.
Bei stets geöffnetem Ventil 4 hätte ein® Anlage mit
den beschriebenen Maßen und Daten b@i Qiaer Abkühlung
auf 50 K einen Stoffgemischdurchsatz von 10 m /h. Die
dafür benötigten Pumpleistungen wären außerordentlich hoch. Bei den beschriebenen Verfahren reduziert sich
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jedoch die notwendige Pumpleietung auf 100 n»3/h, eine
Leistung also, die ohne großen Aufwand zu erzielen ist.
Zur weiteren Veranschaulichung dieses Verfahrens noch einige Angaben über die Abmessungen des Schnellschlußventiles 4. Dieses hat entsprechend der Düsenbreite von
1 m ebenfalls eine Breite von 1 m. Auf diese Veise ist es auglich, daß über die Schlitze 43 und 44 des Rotors
«ine gleichmäßige Versorgung der Düse 2 - über ihre
ganze Breite gesehen - erreicht wird. Bei einer Drehzahl von 600 ü/Min und einem Rotorumfang von 20 cm ergibt
sich für die Öffnungszeit ΛT2 von 1 msek eine Breite des
Ein- und Auslaßschlitzes 43/44 von 2 mm. Der Abstand
zwischen Gehäusewand und Rotor kann wegen der geringen
Drehzahlen relativ klein gehalten werden, so daß eine gute Abdichtung während der Sperrzeiten des Ventiles 4
gegeben ist.
Die erwähnten Zahlenangaben sind selbstverständlich nur beispielsweise zu nehmen, sie beschränken das vorliegende Verfahren nicht. Diese können entsprechend
anderer Verfahrensparameter, wie z.B. auch Impulsfolgefrequenzen, mögliche Laserzahlen usw. entsprechend
angepaßt werden. Über die Weiterverarbeitung, bzw. die eigentliche Abtrennung der gewünschten angeregten
Isotopenverbindung bzw. der angereicherten Isotopenverbindung wurde nichts ausgesagt, da diese nach den bekannten und teilweise bereits eingangs geschilderten
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völlig unabhängig vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
5 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (5)
1. Verfahren zur rationellen Isotopentrennung aus einem Gemisch gasförmiger Isotopenverbindungen durch
isotopenselektive Anregung einer der darin enthaltenen Isotopenverbindungen und nachfolgender chemischer oder
physikalischer Abtrennung derselben mit Hilfe von gepulsten Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet
, daß das dampfförmige Gemisch (46) der Isotopenverbindungen sowie evtl. von an sich bekannten
Zusatzgasen und/oder Reaktionspartnern in konstanten Zeitabständen AT1, jeweils für eine
StrömungsdauerATg im Bereich von msek, übor ein©
Düse (2) in bekannter Weise adiabatisch entspannt und dadurch unter 100 K abgekühlt wird und das dadurch
einem Bestrahlungsraum (3) in Intervallen zugeführt© Gasgemisch (46) jeweils während der gesamten Strömungsdauer Tp aufeinander folgenden Pulsen einer Anzahl von
nacheinander gezündeten Lasern L zur quantitativ vollständigen isotopenspezifißchsn Anregung ausgesetzt uirdL
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die Zahl der benötigten Lasereinrichtungen L aus der sich aus der
Strömungsgeschwindigkeit des Gases ergebenden ¥@rw©ildauer
der Gasmoleküle in der Bestrahlungsstreck® (3) sowie der Strömungedauer ergibt.
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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fUr den Fall der an
sich bekannten Anwendungen mehrerer Bestrahlungsfrequenzen für Jede Frequenz die gleiche Anzahl ent-
sprechender Lasereinrichtungen vorgesehen werden.
4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Gasstromes (46)
ror der schlitzförmigen Entspannungsdüse (2) ein sich über die ganze Düsenbreite erstreckendes Ventil (4)
vorgesehen ist, das aus einem rohrförmigen, sich mit konstanter Geschwindigkeit drehenden Rotor (42) mit
zwei diametral gegenüberliegenden Längsschlitzen (43/44)
innerhalb eines diesen abdichtend umschließenden Gehäuses (41) besteht, das auf der einen Seite an die
Entspannungsdüse (2) und auf der anderen diametral gegenüberliegenden Seite an eine Gaszuführung (45) angeschlossen ist.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den
Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die nacheinander zu zündenden
Lasereinrichtungen L unter Verwendung von umlenkspiegeln (6) so zum Bestrahlungsraum (3) angeordnet
sind, daß die von ihnen ausgehenden Bestrahlungsimpulse innerhalb des Bestrahlungsraumes (3) den gleichen Weg
nehmen.
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