DE2900689C2 - Verwendung einer Vorrichtung mit einem Mischkörper zum Mischen eines gasförmigen Isotopengemisches mit einem Zusatzgas bei der Isotopentrennung durch selektive Laseranregung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von gasfoermigen Isotopengemischen, bei welchem das gasfoermige Isotopengemisch mit einem Gas, welches durch Vibrationsaustausch dem Isotopengemisch Schwingungsenergie entzieht, vermischt wird, so dass zumindest eines der Isotopengemischbestandteile durch eine Strahlungsquelle selektiv anregbar und aufgrund der durch diese Anregung geaenderten physikalischen Eigenschaften aus dem Gemisch abtrennbar ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass man das gasfoermige Isotopengemisch durch eine Vielzahl nebeneinander angeordneter Duesen in einen Mischraum einleitet und ihm aus einer Vielzahl den Auslaessen dieser Duesen benachbarten Auslassoeffnungen das Gas zum Entzug von Schwingungsenergie derart zuleitet, dass die Gasstr!me als eine Vielzahl von im wesentlichen parallel oder unter maximal 45 Grad gegeneinander geneigt, in einem abwechselnden Muster angeordneten Einzelstroemen in den Mischraum eintreten. Mit der Erfindung wird eine effektive Uebertragung der Schwingungsenergie von dem Isotopengemisch auf ein Aufnahmegas infolge einer effektiven und schnell erreichbaren Vermischung der gasfoermigen Isotopen mit dem Aufnahmegas ermoeglicht. ...U.S.W

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Vorrichtung mit einem Mischkörper zum Mischen eines gasförmigen Isotopengemisches mit einem Zusatzgas unter Übertragung von Schwingungsenergie bei der Isotopentrennung durch selektive Laseranregung.

Es gibt Verfahren zur Trennung von Isotopengemischen, bei denen man sich die Tatsache zunutze macht, daß es möglich ist, mit Hilfe eines abgekühlten molekularen Gases einem zu trennenden Isotopengemisch rasch Schwingungsenergie zu entziehen. Dadurch läßt sich in einem anschließenden Anregungsprozeß zumindest eines der im Gemisch vorliegenden Isotope mit Hilfe eines abgestimmten Lasers mit einer gegenüber den anderen Laserbestandteilen erheblich erhöhten spektralen Linienselektivitr.t anregen. Zum Zwecke der Übertragung von Schwingungsenergie von dem Isotopengasgemisch auf ein anderes Gas müssen sich dieses Gas und das Gasgemisch innerhalb weniger Mikrosekunden innig miteinander vermischen; anschließend muß das entstehende Gemisch mit einer Geschwindigkeit von einigen 100 m/s dem Raum zugeführt werden, in welchem das vermischte Gas durch den Laser bestrahlt wird. Es ist unmittelbar einsichtig, daß an die Art und Weise der Vermischung höchste Ansprüche zu stellen sind, um erstens innerhalb der geforderten Zeitspanne den Kontakt zwischen möglichst vielen Molekülen der beiden Gasarten, welche die Schwingungsenergie austauschen, über den ganzen Kanalquerschnitt zu gewährleisten und zweitens eine entsprechende Geschwindigkeit ohne lokale Störungen aufrechtzuerhalten.

Aus der DE-OS 26 51 306 ist ein Verfahren zur Trennung gasförmiger Isotopenverbindungen bekannt. Bei diesem Verfahren werden einem auf hohe Geschwindigkeit gebrachten Trägergas weitere Gase bzw. Gasgemische zugemischt. Dabei handelt es sich um das zu trennende Isotopengasgemisch selbst, dann um das Gas, welches die Schwingungsenergie übernehmen und daher eine sehr niedrige Temperatur aufweisen soll (unter 100 K), sowie um das Gas, welches mit dem durch die Laserstrahlung selektiv angeregten Isotopengas reagieren soll. In dem Verfahren sowie in der Einrichtung für das Verfahren ist für die Beschleunigung des Trägergases eine einfache, schlitzartige Düse vorgesehen, die in ein Mischrohr einmündet, in welches wiederum Zuführ

leitungen der anderen Gase einmünden.

Eine solche Anordnung für die Mischung wird jedoch den an die Vermischung gestellten Anforderungen nach homogener und störungsfreier Durchmischung in einer für die Übernahme der Schwingungsenergie der Isotopengasgemische ausreichenden Zeit ohne Ausgleich der Schwingungszustände zwischen allen molekularen Gasen nur in geringem Umfang gerecht, da entweder die Durchmischung nicht im gesamten Mischrohr erfolgt, oder aber eine ungleichmäßige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über den Rohrquerschnitt mit teilweiser Aufheizung der Strömung infolge von Störungen zustandekommt. Die genannten Mangel treten dabei nahezu unabhängig davon auf, in welcher Weise

is die Zuführungsleitungen der anderen Gase in das Mischrohr münden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Mischen eines Isotopengemisches mit einem Zusatzgas unter Übertragung von Schwingungsenergie bei der Isoto- pentrennung durch selektive Laseranregung durch die Verwendung einer besonders geeigneten Mischvorrichtung zu verbessern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung einer Vorrichtung mit einem Mischkörper ge- löst, die die im Patentanspruch angegebenen Merkmale aufweist

Derartige Vorrichtungen sind an sich bereits bekannt (»Performance of N2/CO2 gas-dynamic mixing lasers with varicus injection techniques«, J. of Appl. Phys. 48, 1977, S. 688 ff). Jedoch findet die bekannte Vorrichtung ein verschiedenes Einsatzgebiet, und zwar dient sie der Vermischung von N2 einerseits und CO2 andererseits, wobei das Stickstoffgas auf eine Temperatur oberhalb der Dissoziationstemperatur des Kohlendioxids er wärmt worden ist und nach der Vermischung seine An regungsenergie auf das kältere Kohlendioxid übertragen soll, damit in dem Kohlendioxid eine Besetzungsumkehr (Inversion) erreicht wird, die zu einer Laserieistung führt Zweck der innigen Vermischung des Stick- stoffes und des Kohlendioxides ist also bei der bekannten Verwendung das Pumpen des Kohlendioxides durch direkte Energieübertragung.

Im Gegensatz dazu wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung zur Isotopentrennung die Vermischung durchgeführt, um eine Abgabe von Schwingungsenergie aus dem Isotopengemisch zu erzielen, damit anschließend ein bestimmtes Isotop durch Lasereinstrahlung besonders stark aktivierbar ist Die Problemstellung und die physikalischen Gege benheiten der Energieübertragung unterscheiden sich im einzelnen so stark voneinander, daß die Verwendung dieser im Zusammenhang mit gasdynamischen Mischungslasern bekannten Vorrichtung bei Verfahren zur Isotopentrennung nicht naheliegend war.

Vorteilhafterweise ist der Mischkörper als ebene Platte oder gewölbte Schale ausgebildet, in welcher in einer regelmäßigen Anordnung öffnungen angeordnet sind, deren Größe sich nach der Art und Menge der einzelnen Gaskomponenten sowie nach dem Zustand

eo richtet, in dem die Gaskomponenten vermischt werden sollen. Aus den öffnungen strömen die Gaskomponenten parallel oder unter einem geringen Winkel zueinander aus, um sich danach miteinander zu vermischen. Die Ausiaßöffnungen für das die Vibrationsenergie aufneh mende Gas können beispielsweise eine konische Gestalt aufweisen, wobei über den Konuswinkel und die Tiefe der öffnung der Zustand der Gaskomponente am Plattenaustritt beeinflußt werden kann.

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Zweckmäßigerweise wird man alle Düsen und Auslaßöffnungen als runde Bohrungen ausführen. Wenn jedoch das Verhältnis zwischen dem Volumen der Isotopenmischung und dem der anderen Gase sehr groß wird, kann es auch sinnvoll sein, die durchgehenden Düsen als parallel nebeneinander gestellte, schlitzartige Düsen auszuführen und die Auslaßöffnungen für die anderen Gaskomponenten auf den Stegen zwischen den Düsen anzuordnen. Andererseits kann es aus fertigungstechnischen Gründen sinnvoll sein, die Düsen für die Isotopenmischung rotationssymmetrisch und die Auslaßöffnungen schlitzartig oder auch sämtliche Düsen und Austrittsöffnungen schlitzartig zu gestalten.

Da die einzelnen Gaskomponenten schon beim Einströmen in die Gasversorgungskanäle unterschiedliche Temperaturen aufweisen müssen, kann es von Vorteil sein, den Mischkörper aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu gestalten, um einen vorzeitigen Wärmeaustausch zu vermeiden. Auch kann es vorteilhaft sein, über zusätzliche Kanäle den Mrchkörper mit einem Kühlmedium zu kühlen.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsfomen einer Mischverrichtung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Teilansicht eines teilweise aufgeschnittenen Mischungskörpers;

F i g. 2 eine Schnittansicht eines weiteren Mischungskörpers und

F i g. 3 eine perspektivische und schematische Ansicht eines weiteren Mischungskörpers.

In den F i g. 1 und 2 ist ein im wesentlichen plattenförmiger, mit einer Wandfläche 2 an ein Reservoir 3 und mit der gegenüberliegenden Wandfläche 4 an einen Mischraum 5 angrenzender Mischkörper 1 dargestellt. In regelmäßigen Abständen verbinden Kanäle 6 das Reservoir 3 mit dem Mischraum 5. Die Querschnittsfläche dieser Kanäle 6 ist dabei zwischen dem Einlaß 7 und dem Auslaß 8 derart ausgebildet, daß ein engster Querschnitt 9 mit einem Durchmesser auftritt, der in praktischen Ausführungsbeispielen Bruchteile eines Millimeters betragen kann. Die Kontur zwischen engstem Querschnitt 9 und Auslaß 8 kann gerade (F i g. 1), konkav oder konvex (F i g. 2) gekrümmt sein.

Zwischen diesen Kanälen 6 sind innerhalb des Mischkörpers 1 in dessen Ebene verlaufend weitere Gaszufuhrkanäle 10 angeordnet, die mit Zuleitungen 11 am Rand des Mischkörpers in Verbindung stehen. Diese Zuleitungen 11 sind über Leitungsabschnitte 12 mit dem Mischraum 5 verbunden. Die Austrittsöffnungen 13 der Leitungsabschnitte sind relativ zu den Auslassen 8 in einem regelmäßigen Muster angeordnet, so daß an jeweils eine Austrittsöffnung vier Auslässe angrenzen und umgekehrt.

In dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Leitungsabschnitte 12 über ihre gesamte Länge einen gleichmäßigen Querschnitt, sie können jedoch auch konisch ausgebildet sein, so daß die Querschnittsfläche an den Kanälen 10 verschieden ist von der Querschnittsfläche der Austrittsöffnungen 13. Im Gegensatz zu der Darstellung der Fig. 1, in welcher die Kanäle 6 und die Leitungsabschnitte 12 parallel verlaufen, können die Achsen der Leitungsabschnitte gegenüber den Achsen der Kanäle 6 auch um bis zu 45° geneigt sein.

In der Darstellung der F i g. 1 ist ein Kanalquerschnitt dargestellt, bei dem der Querschnitt vom Einlaß 7 bis zum engsten Querschnitt 9 kontinuierlich abnimmt, während er vom engsten Querschnitt 9 bis zum Auslaß 8 kontinuierlich zunimmt. Demgegenüber unterscheidet sich der in F i g. 2 nur teilweise dargestellte Mischkörper im wesentlichen dadurch, daß die Wände des Kanals 6 konvex gekrümmt sind. Durch die Formgebung der Kanalwandung und durch Größe und Positionierung des engsten Querschnittes können die Strömungsgeschwindigkeiten in der gewünschten Weise eingestellt werden. Zusätzlich können in dem Mischkörper noch Leitungen 14 vorgesehen sein, durch die nur Kühlung des

ίο Mischkörpers ein geeignetes Kühlmedium geführt werden kann.

In F i g. 3 ist ein Mischkörper 21 dargestellt, der ebenso wie der in den F i g. 1 und 2 dargestellte Mischkörper 1 mit einer ersten Wandfläche 22 an ein nicht dargestelltes Reservoir und mit einer zweiten "Wandfläche 24 an einen ebenfalls nicht dargestellten Mischraum angrenzt.

Zur Verbindung des Reservoirs mit dem Mischraum

sind schlitzförmige Kanäle 26 mit einem schlitzförmigen Einlaß 27 und einem schlitzförmigen Auslaß 28 vorgesehen, die zwischen Einlaß und Auslaß einen engsten Querschnitt 29 aufweisen. Diese KanäJe26, von denen in der Ausschnittsdarstellung der F i g. 3 nur zwei gezeigt sind, verlaufen parallel zueinander.

Im Bereich zwischen benachbarten Kanälen 26 befinden sich im Mischkörper Kanäle 30, die über Leitungsabschnitte 32 mit Austrittsöffnungen 33 in Verbindung stehen, welch letztere neben den schlitzförmigen Auslässen 28 der Kanäle 26 angeordnet sind. In dem in Fig.3 dargestellten Ausführungsbeispiel befinden sich zwischen jeweils zwei schlitzförmigen Auslässen 28 zwei Reihen von Austrittsöffnungen 33.

Auch in diesem Mischkörper können sich Leitungen 14 für ein Kühlmedium befinden, die in der Darstellung der F i g. 3 nicht gezeigt sind.

Die Querschnittsform der Kanäle 26 ist entsprechend der Querschnittsform der Kanäle 6 derart gewählt, daß sich die gewünschten Eigenschaften des austretenden Gasstromes ergeben.

Vorteilhafterweise werden die Mischkörper aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellt, so daß sich im Mischkörper kein wesentlicher Temperaturausgleich ergibt, wenn man Gase verschiedener Temperatur durch den Mischkörper leitet.

Im Betrieb befindet sich in dem Reservoir 3 die gasförmige Isotopenmischung, in der Regel zusammen mit einem Trägergas. Diese Gasmischung wird durch die verengten, eine Beschleunigungsdüse bildenden Kanäle 6 bzw. 26 hindurchgeleitet, wobei die Kanalquerschnitte in der Regel so gewählt sind, daß Überschallströmungsgeschwindigkeiten erzielt werden. Die Gasmischung tritt damit in den Mischraum in Form einer Vielzahl im wesentlichen parallel verlaufender Einzelströme ein.

Durch die Kanäle 10 bzw. 30 wird das dem Entzug von Schwingungsenergie dienende Gas zugeführt, wets'"- ches ebenfalls in Form von Einzelströmen aus den Austrittsöffnungen 13 bzw. 33 austritt. Durch die Anordnung der Austrittsöffnungen zwischen den Auslässen der Kanäle 6 bzw. 26 ergibt sich eine sehr große Kontaktfläche zwischen den aus dem Mischkörper ausströmenden Einzelströmen und damit eine ausgezeichnete Vermischung dieser Gase. Die Durchmischung ist so gut, daß innerhalb einer Strecke von wenigen Durchmessern der größten Austrittsöffnung Durchmischung una Vibrationsenergieübertragung stattfinden. Der genaue Betrag hängt wesentlich von der geförderten Gasart, der Geschwindigkeitsdifferenz der einzelnen Gasströme, der jeweiligen Gasmenge sowie dem Druck bei der Vermischung ab. Bei Versuchen hat sich einr teil-

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weise Durchmischung und eine Energieübertragung bereits nach weniger als 10, die maximale Energieübertragung nach ca. 30 Durchmessern der größten Austrittsöffnung ergeben. Mit Ausnahme der nicht vermeidbaren Wandgrenzschichten war danach die Verteilung aller Zustandsgrößen über den Kanalquerschnitt praktisch gleichförmig, starke gasdynamische Stöße traten nicht auf.

Durch die freie Wahl der Anordnung der öffnungen der einzelnen Gasströme zueinander, der Größe der Austrittsöffnungen, des Verhältnisses zwischen kleinstem Querschnitt und Austrittsquerschnitt und evtl. einer geringen Neigung der Strömungsachse des einen Gaststromes zum anderen läßt sich für beliebige Gase und Gasmengen eine für die Mischung und die dabei erfolgende Vibrationsenergieübertragung optimale Temperatur und Geschwindigkeit vorgeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

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   Patentanspruch:

   Verwendung einer Vorrichtung mit einem Mischkörper mit einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Düsen für ein gasförmiges Isotopengemisch und einer Vielzahl neben den Auslassen dieser Düsen angeordneten Auslaßöffnungen für Zusatzgas, welches dem Isotopengemisch Schwingungsenergien entziehen kann, wobei die Düsen Überschalldüsen sind und die Auslässe der Düsen und die Auslaßöffnungen in einem regelmäßigen Muster im Mischkörper derart angeordnet sind, daß die aus ihnen austretenden Gasstrahlen parallel oder unter einem Winkel von maximal 45° gegeneinander geneigt aufeinandertreffen, zum Mischen des Isotopengemischs mit dem Zusatzgas unter Übertragung von Schwingungsenergie bei der Isotopentrennung durch selektive Laseranregung.