DE2829881A1

DE2829881A1 - Verfahren zur trennung unterschiedlicher isotope in verbindungen mittels laserstrahlung

Info

Publication number: DE2829881A1
Application number: DE19782829881
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Phys Dr Jetter; Gustav Dipl P Meyer-Kretschmer; Peter Prof Dr Toennies
Original assignee: Uranit GmbH; Uranit Uran Isotopen Trennungs GmbH
Current assignee: Uranit GmbH
Priority date: 1978-07-07
Filing date: 1978-07-07
Publication date: 1980-01-17
Also published as: AU4868979A; CA1113423A; DE2829881C2; SE435457B; NL171666B; AU527323B2; FR2430252B1; NL171666C; BR7904305A; IT1118292B; US4451437A; SE7901877L; FR2430252A1; GB2027975A; NL7812114A; JPS5511100A; IT7967078A0; GB2027975B

Description

Uran-Isotopentrennungs Gesellschaft mbH

Jülich, den 30. 6. 1978 «_QOQQfi1 PLA 7830 Gb/jd 40/300!

Verfahren zur Trennung unterschiedlicher Isotope in Verbindungen mittels Laserstrahlung

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Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von unterschiedlichen Isotopen in Verbindungen, deren Moleküle sich in gasförmigem Zustand befinden, bei dem mittels Laserstrahlung der Schwingungszustand von Molekülen isotopenspezifisch verändert wird, worauf die Moleküle mit Elektronen in Wechselwirkung gebracht und anschließend die ionisierten Moleküle durch chemische oder physikalische Methoden von den übrigen Molekülen abgetrennt werden.

235 In der US-PS 3 443 087 wird vorgeschlagen, die Verbindungen UFg

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und UF₆ dadurch voneinander zu trennen, indem man eine der beiden Molekülarten mit einem IR-Laser selektiv anregt, anschließend die angeregten Moleküle mit UV-Strahlung ionisiert und die Ionen mit Hilfe von elektrischen oder magnetischen Feldern oder mittels chemischer Reaktionen von den nicht ionisierten Molekülen abtrennt. Durch das UV-Licht werden jedoch die UFg-Moleküle in weit größerem Umfang dissoziert als ionisiert, so daß mit dieser Methode allenfalls ein sehr kleiner Teil der angeregten Moleküle abgetrennt werden kann.

In der DE-OS 26 17 043 wird vorgeschlagen, die mittels eines IR-Lasers auf isotopisch selektive Weise schwingungsangeregten Verbin-

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düngen mit thermischen Elektronen zur Bildung von negativen Ionen zu vereinigen, die zu einem aus dem Isotopengemisch abtrennbaren Ionenbruchstück zerfallen. Jedoch ist aus der Literatur bekannt (J. L. Beauchamp Journ. Chem. Phys. Nr. 64 (1976) 718), daß die Bildung von stabilen negativen UF,.-Ionen nur unter Einwirkung von extrem langsamen Elektronen und mit sehr kleinem Wirkungsquerschnitt erfolgt. Die !Erzeugung von solch langsamen Elektronen ist technisch sehr schwierig und auf Grund von Raumladungseffekten auf Ströme von einigen μΑ/cm² begrenzt. Außerdem tritt neben der erwünschten Reaktion auch der unerwünschte Zerfall von UF,- in

UF₆ + e~ auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art die Ionisierungswahrscheinlichkeit der durch die Laserstrahlung in einen isotopenspezifisch veränderten Schwingungszustand gebrachten Moleküle zu erhöhen sowie den sich hieran anschließenden Trennvorgang zu erleichtern, bzw. zu vereinfachen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die in Anspruch 1 enthaltene Maßnahme vorgeschlagen. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es auf relativ einfache Weise, z. B. mittels eines Elektronenstrahls oder einer Niederdruckgas-

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entladung, die Moleküle mit Elektronen oberhalb der erforderlichen Ionisierungsenergie in Wechselwirkung zu bringen. Für UF.--Moleküle ist entsprechend der erforderlichen Ionisierungsenergie die Elektronenenergie auf oberhalb 14 e V einzustellen, damit sich positive Ionen der Art UF₆ ⁺, UF₅ ⁺, UF₄ ⁺, OF₃ ⁺, UF₃ ⁺, UF⁺ und U⁺ sowie HF₅ ⁺"*", ÜF₄ ⁺⁺/ UF₃ ⁺⁺, ÜF₂ ⁺⁺, UF⁺⁺ und U⁺⁺ bilden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Abbildungen näher erläutert:

Die Figur 1 zeigt ein Diagramm, in dem die relative Ionisierungswahr scheinlichkexi /des "Moleküls UFg über der absoluten Temperatur/K/ aufgetragen ist;

die Figur 2 zeigt schematisch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Es hat sich gezeigt, daß der Gesamtwxrkungsquerschnxtt für die Bildung der Ionen vom Schwxngungszustand und damit von der Temperatur des UF,--Moleküls abhängt. In Figur 1 ist der relative Ionisationsquerschnitt als Funktion der Temperatur dargestellt, wie er in einem durch adiabatische Expansion abgekühlten UFg-Gasstrahl ermittelt wurde. Der Ionisationsquerschnitt bleibt bei Abkühlung zunächst konstant und nimmt dann unterhalb T = 50 K mit fallender Temperatur sehr stark ab. Da der Querschnitt im Schwingungsgrundzustand wesentlich

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ORIGINAL INSPECTED

kleiner als in den angeregten Niveaus ist, spiegelt dieser Verlauf die Besetzung des Grundzustandes wieder.

Demgemäß wird in dem abgekühlten Gasstrahl durch selektive Anregung mittels schmalbandigem Laser licht wie es z. B. in der älteren·· Patentanmeldung P 28 08 955.6 beschrieben .ist, die Besetzung des Grundzustandes für Moleküle einer bestimmten isotopischen Zusammensetzung verringert. Dies bedeutet eine Erhöhung des Ionisationsquerschnittes. Beim Beschüß mit Elektronen einer Energie höher 14 e V werden daher Ionen mit der betreffenden angeregten Isotopensorte mit erheblich größerer Wahrscheinlichkeit gebildet als Ionen mit der nicht angeregten Isotopensorte.

In Figur 2 ist schematisch eine Anordnung dargestellt, in der das Verfahren für die Uran-Isotopentrennung angewandt wird. Durch die Düse 1 läßt man ein Gemisch aus UF, und einem Trägergas, z. B. Helium, in einen Bereich niederen Drucks expandieren. In dem sich dabei bildenden Gasstrahl 2 kühlt sich das UFg-Gas soweit ab, daß nahezu alle Moleküle im Schwingungsgrundzustand vorliegen. Damit sind die Voraussetzungen für die isotopenselektive Anregung von Molekülschwingungen gegeben. Diese Anregung erfolgt durch den Laserstrahl 3. Vorteilhafterweise ist der Laser auf die Q-Zweig-Absorptionslinie des das interessierende Isotop enthaltenden MoIe-

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küls U F_fi abgestxmmt. Anschließend an die Laseranregungszone

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durchquert der Gasstrahl die Ionisierungszone 4. Hier wird er mit Elektronen beschossen, die aus der Kathode 5 emittiert und bis zu dem Anodengitter 6 auf Energien von mehr als 14 e V beschleunigt werden. Die entstehenden positiven Ionen werden in dem zwischen den Platten 7 und 8 anliegenden elektrischen Feld senkrecht zur Strahlrichtung abgelenkt und treffen auf die gekühlte negative Elektrode 8. Sie werden dort neutralisiert und kondensieren in Form von UF₆, UF^ oder UF,. Nachdem sich eine ausreichende Menge angereicherten Materials abgeschieden hat, wird der Trennprozeß unterbrochen und der auf der Elektrode 8 vorhandene Niederschlag durch Erwärmung und Fluorierung wieder in UF _ß umgewandelt. Dieses Gas kann dann gegebenenfalls noch einmal dem Trennprozeß unterworfen werden.

Gegenüber den bekannten Methoden zur Abtrennung von selektiv angeregten Molekülen bietet dieses Verfahren entscheidende Vorteile:

a) Da beim UFg der Wirkungsquerschnitt für die Ionisation im Grundzustand um mehr als den Faktor 10 kleiner als im einfach angeregten Schwingungszustand ist, genügt bereits die Absorption von einem oder wenigen Infrarotquanterv um die Ionenausbeute stark zu erhöhen. Das Verfahren benötigt daher nur relativ schwache Laser (Wattbereich) und nutzt die erzeugten Photonen sehr effektiv.

b) Die zur Ionisation benötigten Elektronen können in ausreichendem Umfang ohne großen technischen Aufwand und mit geringem Energiebedarf erzeugt werden.

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c) Es gibt nur in sehr geringem Umfang Prozesse, die die Isotopenselektivität bei der Ionenbildung rückgängig machen.

Ein solcher Effekt ist der Ladungsaustausch zwischen dem Ion UF _g

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und dem neutralen Molekül UF,.. Dieser Austausch ist resonant

und hat daher einen großen Wirkungsquerschnitt. Das UFg -Ion wird jedoch nur in sehr geringem Umfang beim Elektronenstoß gebildet. Mehr als 95 % der Ionen liegen als Fragmente UF (n = 0 - 5) vor. Ladungsaustausch zwischen diesen Fragmenten und neutralen UF_g-Molekülen ist nicht resonant und hat daher nur einen kleinen Wirkungsquerschnitt .

Da der Gasstrahl neben UF _g auch ein Trägergas (z. B.. Helium) enthält, werden bei entsprechender Elektronenenergie auch Ionen des Trägergases gebildet. Zwischen diesen Ionen und neutralen UF,--Molekülen kann wieder ein Ladungsaustausch erfolgen, der zur unspezifischen Bildung von UF_g-Ionen führt. Dies läßt sich verhindern, wenn die Elektronenenergie so gewählt wird, daß sie zwar zur Ionisierung von UF_g-Molekülen ausreicht, jedoch nicht für die Atome oder Moleküle des Trägergases. Im Beispiel eines UF^-Helium-Gemisches bedeutet dies, daß die Elektronenenergie im Bereich zwischen 14 e V und 25 e V liegen muß.

Schließlich können auch durch Stoß mit Ionen weitere Ionen gebildet werden, wenn die primären Ionen im elektrischen Feld zwischen den

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Platten 7 und 8 auf mehr als 14 e V beschleunigt werden. Für die Ablenkung der Ionen aus dem Gasstrahl ist jedoch bereits eine Spannung mit weniger als 14V ausreichend, so daß dieser Prozeß vermieden werden kann.

Die Ablenkung der Ionen aus dem Gasstrahl kann auch durch ein senkrecht zum Strahl stehendes magnetisches Feld erfolgen. Auch kann die Ionisierung in einer Niederdruckentladung erfolgen, die durch Hochspannung oder durch Mikrowellen gespeist wird.

Das beschriebene Verfahren erlaubt es, die Uran-Isotopentrennung in besonders einfacher und effektiver Weise durchzuführen. Gegenüber den bisher technisch benutzten Methoden besitzt es den Vorteil, daß eine für Leichtwasserreaktor-Brennstoff ausreichende Anreicherung in einem Schritt zu erzielen ist. Da nur ein relativ kleiner Laser und eine einfache Elektronenquelle erforderlich sind, kann eine solche Anlage mit geringen Investitionsmitteln erstellt werden. Der Energiebedarf ist kleiner als bei allen bekannten Verfahren und wird im wesentlichen durch die Kompressionsarbeit bestimmt, die für die adiabatische Expansion aufgebracht werden muß.

Da bei allen Molekülen mit Kugelsymmetrie der Gesamtionisierungsquerschnitt besonders stark vom Schwingungszustand abhängig ist,

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läßt sich dieses Verfahren vorteilhafterweise auch auf die Isotopentrennung bei zahlreichen anderen Elementen anwenden: beispielsweise von den Hexafluoriden auf die Elemente Schwefel, Selen, Tellur, Wolfram, Molybdän und Plutonium.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung unterschiedlicher Isotope in Verbindungen, deren Moleküle sich in gasförmigem Zustand befinden, bei dem mittels Laserstrahlung der Schwingungszustand von Molekülen xsotopenspezifisch verändert wird, worauf die Moleküle mit Elektronen in Wechselwirkung gebracht und anschließend die ionisierten Moleküle durch chemische oder physikalische Methoden von den übrigen Molekülen abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronenergie so gewählt wird, daß in dem Gas durch Elektronenstöße positive Ionen entstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung von Verbindungen mit kugelsymmetrischen Molekülen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von üranhexafluorid.

4. Verfahren zur Uranisotopentrennung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Laserbestrahlung das Uranhexafluorid gemeinsam mit einem inerten Zusatzgas durch adiabatische Expansion auf Temperaturen unter 50 K abgekühlt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1.oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von einem Elektronenstrahl durchsetzt wird.

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6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Ionen aus dem Gas mit Hilfe ej elektrischen Feldes erfolgt.

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