DE2813471A1

DE2813471A1 - Verfahren zur isotopentrennung

Info

Publication number: DE2813471A1
Application number: DE19782813471
Authority: DE
Inventors: Roger Bir; Jean-Pierre Schermann
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1977-03-29
Filing date: 1978-03-29
Publication date: 1978-10-12
Also published as: JPS6150651B2; AU3495478A; US4360501A; GB1584848A; DE2813471C2; AU523456B2; CA1099664A; FR2385436B1; JPS53120096A; FR2385436A1

Description

2 8 1 ^;; L

CCWICSARIi.T k L.'ENERHIE ATOM QHK 2Q₃ rue de la Federation
F-75015 Paris (Frankreich)

Verfahren zur Isotopentrennung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isotopentrennung, das insbesondere die Abtrennung der Isotopen U-235 und U-238 ermöglicht, wenn diese in Molekülen eingeschlossen sind.

Unter allen bei der Energieerzeugung, ausgehend von Kernbrennstoffen, entstehenden Problemen ist die Isotopentrennung der Isotopen 235 und 238 des Urans eines der am schwierigsten zu lösenden. Bei der herkömmlichen klassischen Trennung durch Massenspektrographie wurden zahlreiche Verfahren vorgeschlagen. Das Auftreten des Lasers und die besondere Monochromatizität des Lichtes, das er aussendet, haben es ermöglicht, neue Verfahren zur Trennung ins Auge zu fassen, insbesondere ein Verfahren, bei dem Übergänge, die für ein Atom oder ein Molekül einer gegebenen Isotopenvielfalt charakteristisch sind, vorzugsweise erzeugt werden durch eine Laserstrahlung mit einem derartigen monochromatischen Licht, daß die Größe der Laserstrahlen tatsächlich größer ist oder in der gleichen

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Größenordnung liegt wie der Energieabstand aufgrund der Massendifferenzen der Atome oder der Moleküle bei den beiden Jeweiligen Isotopen.

Es hat sich jedoch schnell als nachteilig herausgestellt, ^daß> wenn die selektive Erregung der Elektronenniveaus von Uranatomen mit Laserstrahl.en möglich ist, diese schwierig bleibt aufgrund des hohen Energiequantum-Wertes der zur Elektronenerregung notwendigen Photonen. Die Erregung der Molekül-Schwingungsniveaus ist energetisch viel vorteilhafter als die Erregung der Elektronenniveaus, da die den Schwingungsbändern entsprechenden Übergänge viel geringere Energie besitzen. Darüber hinaus haben die Laser, die Photonen einer Energie in der Größenordnung von Bruchteilen Elektronenvolt abgeben können, sehr guten Wirkungsgrad, wobei das deutlichste Beispiel der pulsierte Kohlenstoff gas-Laser ist, durch den darüber hinaus sehr erhebliche Leistungen erreicht werden können.

Gemäß einem ersten herkömmlichen Verfahren zur selektiven Trennung verschiedener Moleküle unterschiedlicher Isotopenarten werden diese verschiedenen Moleküle bis auf sehr hohe Schwingungsniveaus erregt, bis sich die Moleküle verteilen oder zerfallen, wobei die Erregung des Moleküls nur für ein gegebenes Isotop erfolgt. Die (Trennung der beiden Teile des zerfallenden Moleküls vom Molekül des anderen Isotops, das seinerseits quasi vollständig ist, ist relativ einfach auf physikalisch-chemischem Wege. Jedoch muß auf diese Weise mit Laserlicht das Molekül so lange erregt werden, bis es in zwei Teile zerfällt, was mitunter schwierig zu erreichen ist wegen der Disharmonie oder Unharmonizität der höheren Fiveaus nahe des Kontinuums und der

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gesamten erforderlichen Leistung. Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten wurde schon daran gedacht, einen ersten selektiven Laser einer Energie zu verwenden, die in Resonanz mit dem Übergang der Schwingungen einer gegebenen Isotopenart steht und mit einer Energie derart, daß sie vorzugsweise ein ein vorgegebenes Isotop enthaltendes Molekül erregt, um dieses zu erregen und in einen Zustand zu bringen, der ersten Schwingungsniveaus entspricht. Ein zweiter nicht selektiver Laser erregt diese Moleküle, ausgehend vom bereits erreichten Schwingungsniveau,bis zum Niveau, das der Trennung der Moleküle in zwei Teile entspricht. Dieses zweistufige Verfahren hat den Vorteil gegenüber dem ersteren, daß lediglich ein selektiver Laser zur Erregung des Moleküls auf die ersten Schwingungsniveaus des Moleküls verwendet wird. Dieses Verfahren ist jedoch, da es zwei Laser erfordert, schwierig anzuwenden, da aa der zweite nicht selektive Laser eine erhöhte Photonenenergie besitzen muß und damit nach dem derzeitigen Stand der Technik schlechten Wirkungsgrad besitzt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Isotopentrennung anzugeben, das einfacher durchführbar ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Trennung zweier gegebener Isotopenarten nach Erregung einer einzigen Isotopenart des Molekülgemisches auf erste Schwingungsniveaus auf erleichterte Art, ohne Verwendung eines zweiten Lasers, der im allgemeinen schlechten Wirkungsgrad besitzt.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren, bei dem in üblicher Weise ein molekulares Isotopengemisch, das

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aus Molekülen der Art MX und MX_n besteht, wobei M und M zwei Isotopenarten des Atoms M sind, durch ein monochromatisches Laser-Lichtstrahlenbündel mit einer Energie hy bestrahlt wird, die mit dem Energieabstand in. Resonanz ist, das zwei Schwingungsniveaus einer Isotopenart

des Moleküls M2L trennt, erfindungsgemäß dadurch gelöst,

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daß auch die Moleküle MX_n und MX_n mit Atomen eines neutralen Gases E in superaktivierter Form im sogenannten Eydberg-Zustand E in Wechselwirkung gebracht werden, um diese Moleküle in negative Ionen MXT" oder MXT,, umzuformen durch Einfangen von durch die Bydberg-Atome freigesetzten Elektronen gemäß den Reaktionsgleichungen:

¹MX_n	+ hv	A * -> X	(aktiviert)	O),
	** E	-,E⁺-H	e~	(2),
X	+ e~		, ₊X	(3),
²MX_n	+ e~

Die Reaktion (1) beschreibt die Wechselwirkung zwischen

einem Molekül der Isotopenart M mit dem Laser-Licht (Photon hv), um ein aktiviertes Molekül im höheren Schwin— gungszustand zu ergeben, das durch die Bezeichnung MX bezeichnet ist.

Das Atom E im Rydberg-Zustand E** kann durch Stoß oder Aufprall oder jede andere Möglichkeit ein positives Ion E⁺ und ein Elektron e~ ergeben. Dieses Elektron e"" kann mit

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den beiden Molekülarten MX_n und MX_n in Wechselwirkung treten, um im einen Fall ein Ion MXT -^ "UJid im anderen

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Fall ein Ion MX zu ergeben. Es genügt nun, diese beiden Ionenarten mit sehr unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften zu trennen durch irgendein beliebiges Verfahren, beispielsweise durch Massenspektrometrie.

Das Atom M ist vorzugsweise aus der Gruppe gewählt, die Bor, Schwefel, Uran enthält, und das Atom X ist vorzugsweise ein Halogen-Atom.

Das neutrale Gas ist im allgemeinen ein Edelgas und vorzugsweise Argon, dessen erhöhter Einfangquerschnitt für den Verfahrensvorgang E** —* E⁺ + e~ bekannt ist. Argon ist darüber hinaus chemisch inert gegenüber der Zusammensetzung oder Verbindung

Auf diese Weise sind gemäß der Erfindung die endgültig erhaltenen Arten negativ geladene Teilchen. Der Verfahrensschritt, der eine hohe Energie erfordert und zur Dissoziation der Moleküle führt, wird nicht mehr mittels Laser durchgeführt. Gemäß der Erfindung wird die Dissoziationsenergie durch die Elektronenaffinität des Moleküls erreicht.

Die Bildung negativer Ionen kann durch Elektronenstoß erfolgen, jedoch hat dieses Verfahren erhebliche Nachteile. Der Einfangquerschnitt zur Bildung negativer Ionen hat nämlich einen geeigneten Wert nur für Elektronen sehr geringer Energie, praktisch für thermische Elektronen, d. h. für Elektronen einer Energie unter 0,1 eV. Die Gewinnung derartiger Elektronen erfordert mehrere Zehntausend Zusammenstöße, was zur zwangsweisen Verwendung höherer Drücke (20 bis 50 Torr, d. h. etwa 2.660 Pa bis 6.660

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führt/

Pa)/i was häufig störend ist als Erweiterungs- oder Vergrößerungsfaktor der Strahlen. Im übrigen erzeugt das Vorhandensein zahlreicher Elektronen und negativer Ionen eine höhere Raumladung, die die Gesamtheit des Verfahrens erheblich stört. Gemäß der Erfindung wird eine andere Möglichkeit zur Erzeugung der notwendigen Elektronen für die Formung der negativen Ionen verwendet. Dies^jbesteht darin, daß ein neutrales Gas verwendet wird, beispielsweise Argon in einem Zustand, in dem die Hauptquantenzahl sehr hoch ist (20 bis 100). Ein derartiger Zustand ist unter dem Namen Rydberg-Zustand bekannt. Das Atom besitzt dann eine Energie, die sehr geringfügig kleiner als der Ionisationsschwellenwert ist. Das Atom bleibt neutral, jedoch ist eines dessen Elektronen sehr wenig gebunden. Das Atom in diesem Zustand ist ein neutraler Elektronen-Förderer, dessen Eigenschaften besonders interessant oder wichtig für das erfindungsgemäße Verfahren sind. Die Lebensdauer ist sehr lang und besonders der wirksame Übertragungsquerschnitt des am wenigsten gebundenen Elektrons erreicht den

—12 2 außerordentlich hohen Wert von 10 cm , was zumindest um das Hundertfache größer ist als die üblichen Wirkungsquerschnitte,, Zusammenfassend erfolgt die Bildung der negativen Ionen auf diese Weise gemäß dem Vorgang:

+ ε** -» ΪΏζ + E⁺.

Das Ergebnis dieser Reaktion ist insgesamt neutral, wodurch die Schwierigkeiten, die mit der Raumladung verbunden sind, unterdrückt werden und wodurch die Verwendung von Hehrquellen-Systemen möglich wird.

Schließlich ist das Erhalten negativer Ionen insbesondere

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vorteilhaft im Falle von Uran, da, ausgehend von der Erzeugung positiver Ionen, insgesamt eine Familie von Stoffen erhalten wird, beispielsweise UFi, UF^ ·.·, während mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lediglich ein einziges negatives Ion UFg" erhalten wird.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung dargestellten Ausfübrungsbeispiele näher erläutert- Es zeigen

Fig. 1 ein Diagramm der verschiedenen Energiezustände des Moleküls

Fig. 2 schematisch die verschiedenen Betriebsschritte, um die Isotopentrennung gemäß der Erfindung zu erreichen.

In Fig. 1 ist an der Abszisse der Abstand r aufgetragen, der zwei untersuchte Molekülfraktionen trennt, und an der Ordinate ist die potentielle Energie, die dieser Trennung zugeordnet ist, aufgetragen. Die Kurve 2 bezieht sich auf

in der·

das Molekül MX_n und die horizontalen Geraden/Potentialabsenkung, wie die Geraden 4-, 6, 8, 10 ·.., sind Schwingungsenergieniveaus dieses Moleküls.

Die für den Fachmann auf dem Spektroskopiesektor üblichen Kurven 11, 1J und 15 zeigen Kurven, die einer Isotopenmischung von Molekülen MX_n entsprechen. Venn der Abstand zwischen den beiden Teilen des Moleküls größer wird als ein bestimmter Wert, zerfällt das Molekül und ergibt MX_-,, + X. Eine zweite Kurve 2 ergibt das gleiche für zwei Isotopenarten und die Isotopenschwingungsniveaus

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gehen ineinander über. Jedoch besitzt das Laser-Licht eine Frequenz derart, daß es lediglich eine Isotopenart, beispielsweise das Molekül MX_n, erregt, das unter der Vir_T kung der Laserstrahlung zu höheren Schwingungsniveaus übergeht, wie den Schwingungsniveaus 6, 8, 10 .... Wenn dieses Molekül ausreichend über beispielsweise das Niveau 20 hinaus erregt wird, geht dieses durch Einwirkung von freien Elektronen des Atoms im Bydberg-Zustand in den Zustand MX _^ + X über, was einer niedrigeren Energie entspricht. Im Gegensatz dazu werden die durch das Laser-Licht nicht erregten Moleküle der anderen Isotopenart ρ
MX in negative Ionen umgeformt durch von den Atomen im Eydberg-Zustand freigesetzte Elektronen und ergeben negative Ionen MX_n, die zu einem Grundniveau MX_n zurückkehren, das durch die Kurve 15 wiedergegeben ist. Auf diese Weise ergibt eine Isotopenart ein Ion MX" und eine weitere ein Ion MX^_^. Die Trennung dieser beiden Ionenarten ist nun erleichtert aufgrund deren großem Massenunterschied und gegebenenfalls deren Unterschied in ihren chemischen Eigenschaften. Die Besonderheit der Erregung, die zur Dissoziation führt, wird durch einen Laser geringer spektraler Größe erreicht.

Das gesamte Verfahren kann nun an Hand des Schemas gemäß Fig. 2 näher erläutert werden. Pig. 2 zeigt schematisch eine Gasquelle 21 des Gases E, beispielsweise Argon, das in den liydberg-Zustand erregt wird durch Wirkung eines Elektronenbündels 22, das in einer Stoß- oder Kollisionskammer 24 einwirkt. Das Elektronenbündel 22 kann durch übliche Einrichtungen erhalten werden, beispielsweise durch Emission thermischer Ionen. In der Kollisionskammer 24 werden verschiedene Teilchenarten erzeugt, nämlich E⁺, das

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das strahlende oder metastabile erregte Gas ist, E**, das das Gas im Rydberg-Zustand ist, E⁺, das das ionisierte Gas ist, und Elektronen e.

Von den in der Kammer 24 erzeugten Arten muß lediglich die Art E** bewahrt werden. Das Ion E⁺ wird in üblicher, nicht dargestellter Weise abgelenkt, beispielsweise durch elektrostatische oder magnetische Ablenkung, und wird in einen Behälter 26 geführt, in dem es eingefangen wird. Eine ähnliche, nicht dargestellte Einrichtung kann zur Beseitigung der Elektronen des Bündels vorgesehen sein. Das Bündel 28 enthält auf diese Weise nurmehr die neutralen Arten E* und E**. Eine Entladungslampe 30 erleuchtet den Behälter 32. Die Atome im metastabilen Zustand werden in diesem Behälter 22 durch das sogenannte"Quenchen" beseitigt. Am Ausgang des Behälters 32 enthält das Bündel 34- nurmehr die gewünschten Teilchen E**. In eine Reaktionskammer 36 treten nun die Moleküle MX_n gemäß dem Strahlenbündel 40, die Elektronenträger E**, d. h. die Atome im Rydberg-Zustand über das Strahlenbündel 34, sowie ein Strahlenbündel 42 monochromatischen Lichtes ein, das von einem Laser 44 abgegeben ist.

Gemäß dem beschriebenen Ablauf sind die Ergebnisse der Re-

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aktion MX_n-^ + X für das Isotop M in Resonanz und MX für das nicht in Resonanz befindliche Isotop.

Die wirksame Abtrennung des Isotops erfolgt nunmehr durch

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Trennung der Ionen MX_n und MX_n-^. Eine nicht dargestell te Einrichtung erreicht diese Abtrennung. Es kann ein Massenspektrometer verwendet werden, dessen Auflösung nicht sehr groß sein muß und bei dem die Raumladung durch

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das Vorhandensein von Ionen E⁺ neutralisiert wird. Eine andere Einrichtung kann durch eine Reaktionskammer gebildet sein, bei der Ionen M3C_^, die durch eine herkömmliche Einrichtung erzeugt worden sind, mit den Ionen MX ^ reagieren zur Erzeugung des Dimers (M^L^)^. Selbstverständlich sind auch andere Einrichtungen zur Abtrennung der negativen Ionen verwendbar.

Ausführungsbeispiele

Es wird eine Einrichtung zur Isotopentrennung verwendet, die durch eine Zelle gebildet ist, die SFc-Gas unter einem Druck von 2 χ 10"-⁷ Torr, entsprechend 6 χ 10 ^? Holeküle pro cm , enthält. Diese Zelle besitzt eine länge von 1 m und ist mit einer Argon enthaltenden Zelle verbunden. In dieser Zelle sind aufgeheiste oder erwärmte l'Jolframdrähte angeordnet, die Elektronen emittieren, und

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Atome im J^dberg-Zustand mit einer Dichte von 10 /cnr erzeugen»

¥enn der Wirkungsquerschnitt der dissoziierenden Anordnung:

XF₆ + Ar** —» XF^ + Έ ■¥ Ar⁺

_1ώ. 2

zv. 10 ca gemacht wird, werden alle Argonatome im Querschnitt verwendet, i^eiai der Durchmesser der Zelle 10 era

Ein COo-IiSser-Strahlenbündel wird durch zwei Fenster aus KGl eingefülirt 5 die an d®n Enden das Behälters angeordnet

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sind, und führt zehn Mehrfachdurchtritte ätu?ch und hat damit eine wirksame Länge von 10 m (vgl. S. Awillier, J. P. Schermann, in Optics Communication (Oktober 1976)).

1. Impulslaser

Wenn ein Laser verwendet wird der Impulse von 250 ns und einer Energie von 0,5 Joule abgibt (vgl. E. V. Ambart zumian, et al., in Optics Communication (September 1976)), beträgt der Dissoziationsgrad 4 χ 10"" . Wenn das Laser-Strahlenbündel eine Fläche von 0,2 cm besitzt, beträgt das Nutzvolumen, das vom Laser-Strahlenbündel durchsetzt ist, 0,2 cm χ 10 m = 200 cm . Jeder Laser-Impuls dissoziiert:

6 x1Oⁱ⁵/cm⁵ χ 4 χ 10~⁵ χ 200 cm⁵ = 4-,8 χ ΙΟ¹³ Moleküle pro Impuls.

Wenn der Laser einen Impuls pro Sekunde abgibt, werden erhalten:

0,1 mg pro Stunde und Zelle.

2. Dauerlaser

Hit einem ständig 1 W abgebenden Laser ist der Dissoziationsgrad um 10 mal kleiner als zuvor, wenn das Strahlenbündel auf 0,2 mm* fokussiert wird (vgl. D. Keefer, J. Allen, in Chemical Physic Letters (15. Oktober 1976)). Der Füllungsgrad beträgt 1 s/250 ns und ist damit 4 χ 10 -mal größer. Der Gewinn beträgt damit (4 χ 1O⁶)/1O⁴ = 400. Dadurch werden 40 mg pro Stunde und Zelle mit einem 1 W-Laser erhalten.

ORJGJNAL 803841/08 2 2

Claims

Ansprüche

; Verfahren zur Isotopentrennung, bei dem

ein molekulares Isotopengemisch, die aus Molekülen der Art ¹MX₀ und ²MX_n besteht, wobei ¹M und ²M zwei Isotopenarten des Atoms M sind, durch ein monochromatisches Laser-Lichtbündel mit der Energie hy bestrahlt wird, die mit dem Energieabstand in Resonanz ist, der zwei Schwingungsniveaus einer Isotopenart der Moleküle MX trennt und

1 2 dann gleichermaßen die Moleküle MX₁ und MX^ mit

Atomen eines neutralen Gases E in superaktivierter Form in Wechselwirkung gebracht werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß diese Wechselwirkung im Rydberg-Zustand E** durchgeführt wird, um die Moleküle in negative Ionen umzuformen durch Einfangen von durch die Rydberg-Atome freigesetzten Elektronen gemäß den Reaktionsgleichungen:

6076.3)-Me/nu

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+ ην

E** —> E⁺ + e",

2. Verfahren zur Isotopentrennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß das Atom M unter der Gruppe gewählt wird, die Bor, Schwefel und Uran enthält, und daß das Atom J ein Halogen ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Atome im Eydberg-Zustand durch Elektronenbeschuß von Atomen des neutralen Gases erhalten werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Energie der durch Aufprall von Atomen im Eydberg-Zustand freigesetzten Elektronen unter 0,1 V liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

Λ 2 daß die beiden erzeugten Arten MX_ -j ^d MX_n durch Massenspektrometrie getrennt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet,

daß ein C0p-I<aser verwendet wird.

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