DE2923811A1

DE2923811A1 - Vorrichtung zum trennen gasfoermiger stoffgemische

Info

Publication number: DE2923811A1
Application number: DE19792923811
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys Gregorius; Karl Dipl Phys Janner
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1979-06-12
Filing date: 1979-06-12
Publication date: 1980-12-18
Also published as: BR8003638A; DE2923811C2; FR2458309A1; FR2458309B1; GB2053717A; AU539715B2; JPH028532U; GB2053717B; JPS562831A; AU5922180A; CA1146117A

Description

*λ *i\ ι -*' λ _Λ γι

■.- " ν υ¹ ;» α *-»

Jorrichxung

für dia getrennten Bestandteile äc^sel'iss «jatliält ao"»ie mit feasterartlgeii DurciilSBsen. föi¹ den Zutritt einer elektromagnetischen Strslilung zur Anregiaig eines Teiles d®s Stoffgemisches nach an sich bekaimten Verfahren versehen ist»

Mü 2 Ant / 6.6.1979

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Seit der "Entwicklung der Lasertechnik'-mit. den Högllelakeiten zur Erzeugung einer schmalbandigen elektroeag=- - netischen Welle haben im größten Umfang Untersuehmgen eingesetzt, diene Wellen zur Anregung von Molekülen speziell zum Zwecke der Isotopentrennung einzusetzen» Dabei wurden verschiedentlich Verfahren vorgeschlagen, die auf der Erzeugung unterschiedlicher Richtung und Geschwindigkeit der abzutrennenden Moleküle ¥oa den nichtangeregten beruhen. Solche Verfahren sind feeispielsweise"in den deutschen Offenisgungsschriften 23 11 584; 24 30 315; 26 59 590 sowie in den US-Patentschriften 4 031 397; 4 032 306 und 4 119 509 beschrieben. Allen diesen Vorschlägen ist dabei gemeinsam, daß die aus dem Molekülstrahl herausgedrängten angeregten Teilchen in Bereiche mit der ursprünglichen Isotopenzusammensetzung gelangen, so daß der dort erreichbare Anreicherungsgrad nur recht gering ist.

Es stellte sich somit die Aufgabe, spezielle Vorrichtungen zur Durchführung solcher isotopenselektiver Anreicherungsverfahren zu finden, mit denen ein wesentlich besserer Anreicherungsgrad erreichbar ist. Dabei sollten auch die schädlichen Grenzschichten wenigstens teilweise vermieden werden.

Diese Aufgäbe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, bei der erfindungsgemäß innerhalb des Behälters auf der einen Seite des Ausbreitungsweges der elektromagnetischen Welle eine Vielzahl nebeneinander angeordneter und mit den Vorratsbehältern verbundener Düsen vorgesehen sind und auf der anderen gegenüberliegenden Seite eine entsprechende Anzahl

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γόη an Samiielelnrichtungen angeschlossenenAuffangeinrichtungen enthalten sind. Die Vielzahl der Düsen ist mit Hilfe einer zunächst schlitzartigen Grunddüse aufgebaut, die durch zur Richtung der elektromagnetischen Welle senkrechte Wände in eine Reihe ab wechselnder schmaler Auslässe für das Stoffgemisch sowie evtl. Zwischengase unterteilt ist.

Zur weiteren. Erläuterung dieser Vorrichtung sei nun auf die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Beispiele -verwiesen. Dabei beziehen sich die Fig. 1 und 2 auf eine Vorrichtung nach dem Grundprinzip entsprechend Anspruch 1, die Fig. 3 und 4 dagegen zeigen eine Vorrichtung Bit einer nach Anspruch 2 vorgeschlagenen speziellen DUsenkonstruktion zur Verbesserung der Grenzschichtverhältnisse .

Die Fig. 1 zeigt in der Draufsicht einen Längsschnitt durch diese Vorrichtung, Fig. 2 einen Querschnitt ent-

:0 lang der Linie II-II von Fig. 1. Als elektromagnetische Welle ist eine Bit 1 bezeichnete Laserstrahlung vorgesehen, die von einem nichtdargestellten Lasergerät ausgeht. Diese Strahlung tritt über das Fenster 11 in die Vorrichtung ein und durchsetzt sie entlang ihrer

»5 gedachten Achse 12. Das Fenster 11 ist über Dichtungen auf das Gehäuse 6 der Vorrichtung aufgesetzt. Entlang der Achse 12 der Laserstrahlung 1 sind nun eine Reihe von Einzeldüsen 2 vorgesehen, durch die hindurch die zu trennende gasförmige Stoffmischung beispielsweise adiabatisch entspannt wird. Dieser entspannte Stoffge-

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Λ .- - - -M- .υρα Bf 9 32 8

mischstrahl, der sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegt, hat etwa die in der Fig» 1 dargestellte Form und tritt in die den Düsen 2 gegentt^erliegendan Diffuseren 4 sin. Durch die AblenkwirkujBg zvm Beispiel des magnetischen Feldes der Laserstrahlung 1 (siehe DK-OS 2 430 215)* jedoch werden beispielweise die 2.].j ÜF_f.--Moleküle angeregt und polarisiert und treten in ■ dargestellten Pfel!richtung auf- uoas Stoffgemißr^rtrahl aus. Sie treten daher nicht mehr mit in die" D*- .ncren 4 .sin, sondern in &i$s ^r-id».;hen diesen liegende.*! Räumen 5 und τοη dort in einen Saismelraum 51, aus dem sie ai-g^^aMgt werden. Das an 235 UFg abgsreicherte ;?^f· "'g^.,·' a_f das in die ülifu?joren 4 eintritt, g<?'Jy, ν ."Λ3 öies^n in den:£'RPim?Irmixa 41 und .wird '^o» dort w*.^;--r abgesaugt. Bie dazu vergesehsnen, jedoch nicht '*- - gests.13.t3n Pumpen stellen dabei nicht nvr d&n At'vrmnsport der zugeführten Gas© sicher, sondern cL.^nen im Zusammenwirken mit Stellorganen, trie z.B. Yentllen, auch der Einstellung der richtigen Oruckverliältnisse, damit in Zusammenwirkung snit einer «*ntsprsehenden Wandungsgestaltung der Diffuseren, die an •Tich bekennt ist, eine sogenannte Druckrückgewinnung eintritt, in deren Gefolge die Gasgeschwindigkeit wieder in den Unterschallbereich gelangt.

Wichtig ist dabei, daß die die Düsen 2 Gasstrahlen 3 dünn sind - ihre Dicke sollte <10^/j-fache mittlere freie Weglänge betragen - ran das 235 UFg rasch mit relativ kleiner Laserleistungsdichte aus dem Gasstrahl herauszuführen und um die Stoßhäufigkeit zwischen

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polarisiertem bzw. angeregtem 235 UFg auf seinem Weg quer durch die Gasstrahlen mit 238 UFg nicht zu groß werden zu lassen.

Die mittlere freie Weglänge der Molekülart 1 für Gasmischungen L kann nach der Gleichung:

berechnet werden. Dabei ist η y. die Atom- oder Molekül· dichte der Teilchenart v, <%v*_/V- der Stoßradius der Teilchenart 1 mit der Teilchenart ν . M bzw. M y. sind die entsprechenden Molekulargewichte. Die Temperaturabhängigkeit des Stoßradius kann nach der Beziehung ο « ^«o berücksichtigt werden. Dabei be-

deutet T die absolute Temperatur. Zur Abschätzung kann man Oi^_ty ^m Ct^ setzen. Diese Werte und die Konstanten C^₀ und Ty. sind aus dem Buch ron R. Jaeckel "Kleinste Drucke", Springer Verlag, Berlin 1950, Seite 285, für viele Gase zu entnehmen. Für UFg kann a\ - 1,3 . 10"¹⁵ cm², a£ - 2,5 . 10"¹⁶ cm² und Iy « 1110 K gesetzt werden.

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Mit der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Vorrichtung lassen sich Verwirbelungen der kalten Strömungskerne mit den Grenzschichten nach dem Verlassen der Düsen am entspannten Gasstrahl 3 nur schwer (durch Einstellen eines relativ niedrigen Druckes der Umgebung der Gasstrahlen) vermeiden. Diese Wirbelzonen können aber einen erheblichen Teil bzw. den ganzen Strahlquerschnitt ausfüllen, dies umso mehr, je dünner dieser ist. Infolge der damit verbundenen Temperaturerhöhung verschlechtert sich die Selektivität der Anregung, Außerdem wird durch den infolge der Abbremsung entstehenden Impulsverlust auch die Effektivität der bereits erwähnten Druckrückgewinnung verringert.

Zur Vermeidung dieser Nachteile wird gemäß Anspruch 2 eine Verbesserung dieser Vorrichtung derart vorgenommen, daß zwischen den parallel zueinander verlaufenden Stoffgemischstrahlen 3 Zwischengasstrahlen 31 aus einem Inert- oder Inertgasgemisch, z.B. Edelgasen, Stickstoff usw., vorgesehen werden. Diese Vorrichtungsvariante ist in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Fig. 4 stellt dabei wieder einen Horizontalschnitt und Fig. 3 einen Vertikalschnitt derselben dar. Die wesentlichste Änderung dieser Vorrichtung gegenüber jener aus den Fig. 1 und 2 besteht in der Konstruktion der Entspannungsdüsen 2. Diese sind mit Hilfe einer Schlitzdüse 28 (Grunddüse) ausgebildet, die auf einen Düsenträger 27, der in das Gehäuse 26 eingespannt ist, montiert ist. Die Zuführung des zu trennenden Stoffgemisches geschieht über einen Zuführungskörper 21, dessen schlitz-

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förnlge Austrittsöffnungen kurz vor der Engstelle der Schlitzdüse 28 liegen. Abstandsstege 23 sorgen dabei für diese räumliche Zuordnung. Über einen Anschlußstutzen 61, der abdichtend durch das Gehäuse geführt ist, ist dieser Zuführungskörper mit einem nichtdargestellten Vorratsbehälter für beispielsweise die Mischung aus UFg und Zusatzgas verbunden.

In der vorderen Ausströmöffnung des Zuführungskörpers

sind nun zur Ausbildung der Einzeldüsen 2 und damit der dünnen Stoffgemischstrahlen 3 Teilungskörper 22 vorgesehen, siehe auch die Fig. 4. Die Abstandsstege 23» die auch zur Justierung der Lage des Zuführungskörpers 21 gegenüber der Düse 28 dienen, sind oberhalb und unter halb der durch die Teilungskörper 23 gebildeten Einzel düsen 2 angeordnet, so daß die aus dem Raum 25 durch die Zwischenräume zwischen den Stegen 23 der Düse 28 zuströmenden Inertgase oder Inertgasmischungen nach ihrer Entspannung in der Düse ebenfalls dünne Gas strahlen 31 ergeben, die sich entlang der Achse 12 der Laserstrahlung mit den Stoffgemischstrahlen 3 abwechseln. Durch diese Abwechslung der Schichtung der Stoffgemischstrahlen 3 mit denen der inerten Zwischengase 31 werden durch die besondere Form ihrer Er- zeugung Grenzschichten zwischen den Gasstrahlen vermieden. Zwischengas und UFg-haltige Mischung werden bezüglich Molekulargewicht und Adiabatenexponent so aufeinander abgestimmt, daß sie nahezu die gleiche Geschwindigkeit haben. Neben der Vermeidung der schäd-

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lichen Grenzschichten zwischen den Teilgasströmen ist auf diese Weise auch die Druckrückgewinnung in den Diffusoren 4 und 5, die wiederum an Absaugeräume 41 und 51 angeschlossen sind, ermöglicht bzw. verbessert.

Wie bereits erwähii; entfallen hier die Grenzschichten zwischen den geschichteten Gasströmungen 3 und 31, jedoch nicht jene an der Stirnseite derselben. Zur Unschädlichmachung dieser verbleibenden Grenzschichten werden diese ganz oder teilweise durch einen Abschäler 7 von den Gasströmungen 3 und 31 abgetrennt, so daß nur die selektiv angeregten Teile der Stoffgemischstrahlen 3 mit ihren nicht abgelenkten und abgelenkten Anteilen in die Diffusoren 4 und 5 eintreten. Die Strömung wird durch genügend kleine Abmessungen der Düse, entsprechende Wahl der Strömungsparameter und der Gaszusammensetzung im Bereich von Düsen und Diffusoreintritt laminar gehalten, um eine störende Durchmischung der Stoffgemischstrahlen und Zwischenstrahlen, also z.B. UFghaltigen und neutralen Gasstrahlen, zu vermeiden. Der Bereich der Strahlung 1 ist in der Flg. 3 mit einem Oval dargestellt. Ein derartiger Strahlungsquerschnitt kann beispielsweise durch Reflektion zwischen nichtdargestellten Spiegeln erzeugt werden, wobei für den Fall der magnetischen Ablenkung - siehe die erwähnten DE-OS - der Laserstrahl so geführt wird, daß er den Gasstrahl immer in gleicher Richtung durchsetzt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 und 4 ermöglicht somit eine getrennte Zufuhr des gasförmigen Stoffgemisches sowie des Zwischengases zur in Einzeldüsen 2 unterteilten

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Entspannungsdüse 28. Dabei werden grenzschichtfreie, geschichtete und adiabatisch entspannte Gasströme 3 und 31 gebildet. Zum Auffangen dieser Gasströme sind die Diffusoren 4 und 5 vorgesehen, wobei in dem Diffusor 5 nicht nur das Zwischengas, sondern auch z.B. die durch das magnetische Feld der Laserstrahlung abgelenkten 235 UFg-Moleküle unter Druckrückgewinn; aufgefangen, zum Sammelraum 51 und über den Absaugestutzen 65 weitergeleitet werden. Die an 235 UFg abgereicherte Gasmischung tritt unter Druckrückgewinnung durch den Diffusor 4 in den Sammelraum 41 und gelangt über den Anschlußstutzen zur Absaugepumpe.

Die Dicke der Stoffgemischstrahlen 3 1st dabei - wie bereits erwähnt - geringer als das 10 -fache der mittleren freien Weglängen und liegt vorzugsweise in der Größenordnung der mittleren freien Weglänge für Stöße der UFg-Moleküle untereinander. Diese beträgt bei einem UFg-Partialdruck von 10~³ mb, der Temperatur von 10 K etwa 0,3 mm. Weitere charakteristische Daten für den Betrieb einer solchen Trennvorrichtung zur Trennung von UFg sind nachstehend tabellarisch zusammengefaßt:

Mischungsverhältnis UFg:Ar - 1:100 Eintrittsdruck 1 bar Eintrittstemperatur 330 K Düsenhalsweite 0,02 mm Düsenendweite 3 mm Schichtdicke der UFg-

haltigen Gasstrahlen 0,3 mm

Schichtdicke der UFg-freien Gasstrahlen 0,3 mm Druck am Abschäler <0,2 mb Druck hinter Diffusor <14 mb

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Die Laserleistung ist bei der hier angenommenen., magnetischen Ablenkung (DE-OS 23 11 584) und 10-fachem gleichsinnigem, gleichphasigem Durchlauf eines linear polarisierten Laserstrahles von der Größenordnung 20 kW bei Einstrahlung in den Q-Zweig der !^-Schwingung des 235 UFg.

Als weiteres Beispiel für die Anwendung dieser Vorrichtung sei ein Trennverfahren genannt, das in der DE-OS 26 59 590 näher beschrieben wird. Nach den dort beschriebenen Verfahren wird UFg mit einem Zusatzgas wie z.B. Argon gemischt, wobei durch entsprechende Strömungsparameter erreicht wird, daS diese Mischung ohne Anregung kondensiert und außerdem die Temperatur unter 100 K sinkt, daß eine selektive Anregung des UFg möglich ist.

Durch Anregung des 235 UFg wird dabei dessen Kondensation selektiv verhindert. Die mittlere thermische Geschwindigkeit V der UFg-Moleküle ist dann

V - 1,46 . 10*'· /Fcm/sek. Dabei bedeutet T die abso-

I Q

1 p\

lute Temperatur und M das Molekulargewicht. Die Geschwindigkeit der kondensierten Teilchen ist wegen der höheren Masse derselben kleiner, ihre thermische Bewegung langsamer, während ihre gerichtete Geschwindigkeit nahezu gleich der Strahlgeschwindigkeit 1st. Die angeregten Teilchen bewegen sich demnach also rascher aus dem Gasstrahl heraus, sei es durch stoßfreie Bewegung oder durch Diffusion. Dazu kommt noch der Energie-

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Zuwachs der angeregten UFg-Monomere bei der inelaetischen Streuung. Die Laserleistungsdichte wird dabei so hoch gewählt, daß die 235 UFg-Moleküle genügend rasch, d.h. vor der Kondensation angeregt werden und daß Verluste der Anregungeenergie, die z.B. durch Streuprozesse und Resonanzübergang entstehen können, wieder rasch ersetzt werden. Um eine unselektive Kondensation weitgehend zu vermeiden, ragt der Laserstrahl bis in die Bereiche merklicher Kondensation in die Düse hinein und erstreckt sich bis kurz vor den Auffänger bzw. Diffusor. Dies kann leicht durch eine Strahlformung mit bekannten optischen Mitteln erreicht werden.

Die für diesen Fall geeigneten Daten hinsichtlich der Vorrichtung und der Verfahrensführung sind nachstehend zusammengefaßt:

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Mischung

Eintrittsdruck Eintrittstemperatur

Düsenspaltweite Düsenendweite

Düsenwand aus Polychlortrifluoräthylen

Schichtdicke der UFg-haltigen Gasstrahlschichten Schichtdicke der UFg-freien Gasstrahlschichten Druck am Abschäler Druck hinter Diffusor Wellenzahl des Lasers

Laserleistungsdichte

: N_Ar - 1 :

2 bar

300 K

0,02 mm 1,3

naci-vtr&giioh

(CF₂ - CFCl)_n

0,3 mm

0,3 mm < 5 mb <150 mb

bei ca. 628 cm (y₃-Q-Zweig des 235 UFg) ca. 200 W/cm² bei einmaligem Strahldurchlauf. Sie kann durch mehrmaligen Strahldurchlauf (vor und zurück) weiter vermindert werden.

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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die Darstellung der Vorrichtungsbeispiele schematischer Natur ist, diese also je nach dem damit durchzuführenden Verfahren - wie sie bereits eingangs und in den Beispielen erwähnt wurden - abgewandelt bzw. angepaßt werden können. So ist es beispielsweise nicht immer nötig, die adiabatische Entspannung bis auf Temperaturen unter 100 K zu führen, z.B. bei der Trennung von Bor-Isotopen. Dementsprechend können dann Düsenform und Betriebsbedingungen gewählt werden. Dies gilt auch für die Wahl und die Führungsart der elektromagnetischen Welle, die im allgemeinen eine Laserstrahlung ist. Durch nichtdargestellte Spiegelsysteme kann diese z.B. den Bestrahlungsraum mehrfach durchdringen, z.B. gleich läufig oder gegenläufig oder auch als stehende Welle. Selbstverständlich ist es auch möglich, in diese Vorrichtung eine kombinierte Welle, z.B. aus UV und Infrarot Strahlung einzuführen. In allen Fällen besteht der Vorteil der mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführten Trennungs- bzw. Anreicherungsverfahren darin, daß der schädliche Einfluß der Grenzschichten weitgehend ausgeschaltet ist und vor allem, daß die abgetrennten Teilchen allein bzw. zusammen mit einem neutralen Zwischengas aufgefangen werden, so daß keine wesentliche Abschwächung des verfahrensbedingten An reicherungs- bzw. Trennungsvorganges durch die Ausgangsstoff mischung auftreten kann.

7 Patentansprüche 4 Figuren

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Zusammenfassung

Vorrichtung zum Trennen gasförmiger Stoffgemische

Mit Hilfe dieser Vorrichtung werden flache miteinander abwechselnde Strahlen des zu trennenden Stoffgemisches sowie eines neutralen Zwischengases gebildet. Grenzschichten werden dabei weitgehend vermieden, Die nach bekannten Verfahren ausgelenkten Teilchen werden mit dem Zwischengas - also praktisch unvermischt mit dem Ausgangsgemisch - aufgefangen (Fig. 1).

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Claims

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Patentansprüche

M J Vorrichtung zum Trennen gasförmiger Stoffgemische, wie z.B. insbesondere Isotopengemischen, die aus einem evakuierbaren Behälter, der an Vorratseinrichtungen für das Stoffgemisch sowie evtl. Zusatzgas sowie Sammeleinrichtungen für die getrennten Stoffe angeschlossen ist, besteht, der Düsen zur Ausbildung eines Strahles des zu trennenden Stoffgemisches und eine Auffangeinrichtung für die getrennten Bestandteile desselben enthält sowie mit fensterartigen Durchlässen für den Zutritt einer elektromagnetischen Strahlung zur Anregung eines Teiles des Stoffgemisches nach an sich bekannten Verfahren versehen ist, dadurch g e kennzeichnet, daß innerhalb des Behälters auf der einen Seite des Ausbreitungsweges der elektromagnetischen Welle eine Vielzahl nebeneinander angeordneter und mit den Vorratsbehältern verbundener Düsen vorgesehen sind und auf der der anderen gegenüberliegenden Seite eine entsprechende Anzahl von an Sammeleinrichtungen angeschlossene Auffangeinrichtungen enthalten sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß die Vielzahl der Düsen aus einer zunächst schlitzartigen Grunddüse aufgebaut ist, die durch zur Richtung der elektromagnetischen Welle senkrechte Wände in eine Reihe abwechselnder schmaler Auslässe für das Stoffgemisch sowie evtl. Zwischengase unterteilt ist.

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3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Auffangeinrichtungen sogenannte Abschäler zur Abtrennung von störenden Grenzschichten und durch die elektromagnetische Welle nicht beeinflußter Teile der Stoffgemischstrahlen vorgeschaltet sind.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die senk- rechten Wände in solchen Abständen angeordnet sind, daß sich dünne Stoffgemischstrahlen sowie Zwischengasstrahlen - in Richtung des Weges der elektromagnetischen Welle gesehen - von einer Dicke kleiner als die 10 -fache Weglänge ergeben.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auffangeinrichtungen in bekannter Weise zur Ermöglichung eines Druckrückgewinnes gestaltet sind:
6· Verwendung der Vorrichtung nach dm Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für bekannte Verfahren der isotopenselektiven Anregung und Trennung von 235 UFg und 238 UFg, wobei die

Stoffgemischstrahlen in den Düsen adiabatisch auf unter 100 K entspannt werden.

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7. Verfahren nach Anspruch 6, d a d-ur ch- ..g e kennze i chnet , daß die einzelnen Stoff gemischstrahlen durch gleichfalls entsprechend entspannte Zwischengasstrahlen in Richtung des Weges der elektromagnetischen Welle grenzschichtfrei voneinander getrennt werden.

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