DE3817173A1 - Verfahren zur uran-isotopen-trennung nach dem molekularen laserverfahren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung des molekularen Laserverfahrens zur Urananreicherung, bei dem in Inertgas verdünntes, durch adiabatische Überschallexpansion gekühltes Uranhexafluorid, bestehend aus einer Isotopenmischung von ²³⁵UF₆ und ²³⁸UF₆, durch Bestrahlung mit Laserlicht einer oder mehrere infraroter Wellenlängen λ _a selektiv angeregt und durch gleichzeitige oder nachfolgende Einstrahlung einer oder weiterer Laserwellenlänge(n) λ _d im infraroten oder ultravioletten Spektralbereich dissoziiert wird (Gl. 1a/b) /1/.

Das an U-235 angereicherte, primäre Dissoziationsprodukt (UF₅- Monomere) polymerisiert bei Temperaturen unter 100°C zu einem kristallinen Festkörper (β-UF₅) als Sekundärprodukt (Gl. 2a/b), der durch nachfolgende physikalische Abtrennungsverfahren, wie Filtration o.ä., aus dem Gaskreislauf ausscheidbar ist.

Indessen weist die oben beschriebene Methode der UF₅-Feststoffbildung und -ausscheidung erhebliche Nachteile auf. Wegen der Möglichkeit zu Parallel- und Rückreaktionen des photochemischen Dissoziationsprodukts UF₅ (Gl. 3-6) sowie zu Adsorptionseffekten (Gl. 7-8) können sowohl der primär erreichte Anreicherungsgrad als auch die ursprünglich erzeugte Menge an UF₅-Monomeren nicht erhalten werden.

Vielmehr ist nach den Veröffentlichungen von J. Lyman et al /2/ sowie G. Grigor′ev al /4/ bekannt, daß UF₅-Partikal, insbesondere aber UF₅-Monomere, durch Fluor-Atome /2/ oder UF₆ /4/ schnell fluoriert werden (Gl. 3-4) (s. auch DE-PS 26 51 122).

Gleichung 3:
Rückreaktion des UF₅-Monomer-Primärprodukts aus der photochemischen UF₆-Dissoziation

Gleichung 4:
Rückreaktion des UF₅-Oligo- bzw. Polymer- Sekundärprodukts

Gleichung 5:
(formaler) Isotopenaustausch des Primärprodukts durch UF₆-Molekel in der Gasphase

Gleichung 6:
Isotopenaustausch des Sekundärprodukts mit UF₆ in der Gasphase

Gleichung 7:
Adsorption von UF₆ an UF₅-Monomeren

Gleichung 8:
Adsorption von UF₆ an das (wachsende) UF₅- Polymer

Demzufolge ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, derartige, im molekularen Laserverfahren selektivitäts- und ausbeutemindernde Effekte zurückzudrängen bzw. zu unterdrücken.

Bereits 1970 ist gefunden worden, daß Xenonhexafluorid mit festem, kristallinem UF₅ (entstanden durch kontrollierte Fluorierung von UF₄ mit elementarem Fluor) zu einer neuen stabilen chemischen Verbindung, Poly-Pentafluoroxenonium(+1)-hexafluorouranat V (XeF₅⁺UF₆^-) _n reagiert /3/, /5/. Im folgenden ist diese Verbindung kristallographisch und physikalisch-chemisch charakterisiert worden /6/.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß auch die in der Gasphase vorliegenden, an U-235 angereicherten UF₅-Monomere bzw. UF₅-Oligomere als Primärprodukte der photochemischen UF₆-Dissoziation mit Xenonhexafluorid zu einem stabilen Komplexmolekül bzw. -Molekülverband chemisch reagieren, die rasch zu dem kristallinen Festkörper polymerisieren (Gl. 9-11), und zwar schneller, als die UF₅-Teilchen von Fluor-Atomen oder UF₆-Molekülen nach Gl 3-6 angegriffen werden.

Diese UF₅-XeF₆-Reaktion läßt sich mit Vorteil für die Festpartikelbildung beim molekularen Laserverfahren zur Urananreicherung nutzen, da bei entsprechendem XeF₆-Zusatz zum bestrahlten Prozeßgasstrom durch Bildung stabiler Komplexmoleküle selektivitäts- und ausbeutemindernde Nebenreaktionen nach Gl. 3-8 an den besonders reaktionsfreudigen UF₅-Monomeren, respektive an wachsenden UF₅-Oligomeren, deutlich zurückgedrängt werden. Damit bleiben sowohl der ursprüngliche Anreicherungsgrad als auch die Menge des so erhaltenen an U-235 angereicherten Urans auch nach der Festkörper-Partikel-Bildung weitestgehend erhalten.

Der Festkörper ist dann ebenfalls durch geeignete physikalische Trennverfahren, z. B. durch Filtration, aus dem Gaskreislauf ausscheidbar.

Gleichung 9:
Monomerenreaktion zwischen XeF₆ und UF₅

Gleichung 10:
Reaktion zwischen XeF₆ und UF₅-Oligomeren

Gleichung 11:
Polymerisation des Komplexmonomers aus UF₅ und XeF₆ zu dem Festkörper

Der so isolierte Festkörper kann dann entweder durch Erhitzen im geschlossenen Vakuum-System in Uranhexafluorid re-konvertiert werden (Gl. 12a) oder durch Erhitzen in einem Inertgasstrom in Umkehr der Bildung wieder in die Edukte β-UF₅ und XeF₆ zerfallen (Gl. 12b) /6/.

Thermische Zersetzung von UXeF₁₁:

Letzteres hat den Vorteil, daß dabei das (sehr teure) Xenonhexafluorid kontinuierlich quantitativ zurückgewonnen und erneut dem Prozeß zugespeist werden kann; zudem entsteht bei dieser reversiblen Pyrolyse extrem reines, angereichertes β- UF₆ /6/.

Der Prozeßgasstrom, der durch eine Düse in die Laserlicht-Anregungszone adiabatisch expandiert wird, besteht aus einem Gemisch von UF₆ und einem Inertgas, z. B. Stickstoff.

Die Zuspeisung des XeF₆ zum Prozeßgasstrom erfolgt bevorzugt, nachdem dieser die Laserlicht-Anregungszone passiert hat, so daß Xenonhexafluorid vor der dissoziierenden Strahlung geschützt bleibt. Das XeF₆ wird dabei mit dem gleichen Inertgas vermischt, das zur adiabatischen Abkühlung des UF₆ verwendet wird.

Literatur

/1/ AIChE Symposium Series No. 221, Vol. 78 (1982), S. 61-70
/2/ J. Lyman, R. Holland, J. Phys. Chem. 91, (1987), 4821-4827
/3/ M. Bohinc, B. Frlec, J. Slivnik, B. Zemva, J. inorg. nucl. Chem., 32, (1970), 1397-1400
/4/ G. Grigor′ev, S. Dorofeev, V. Zamentalow, O. Kolesnikow, A. Terent′ev, J. Sov. Chem. Phys. 3 (10), (1986), 2275- 2281.
/5/ M. Bohinc, B. Frlec, J. inorg. nucl. Chem., 34, (1972) 2942-2946
/6/ M. Bohinc, B. Frlec, P. Charpin, M. Drifford, J. inorg. nucl. Chem., 34, (1972, 2938-2941).

Claims (8)

1. Verfahren zur Uran-Isotopen-Trennung nach dem molekularen Laserverfahren, bei dem in Inertgas verdünntes, durch adiabatische Expansion gekühltes Uranhexafluorid, bestehend aus einer isotopischen Mischung aus ²³⁵UF₆ und ²³⁸UF₆, durch Bestrahlung mit Laserlicht einer oder mehrerer infraroter Wellenlängen selektiv angeregt und durch gleichzeitige oder nachfolgende Einstrahlung von Laserlicht einer weiteren infraroten oder ultravioletten Wellenlänge photodissoziiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das noch in der Gasphase vorliegende Dissoziationsprodukt UF₅ bzw. sein wachsendes Oligomer mit gasförmigen Xenonhexafluorid in Kontakt gebracht wird, wodurch es zu der Komplexverbindung UXeF₁₁ chemisch reagiert, die in der Folge zu einem kristallinen Festkörper (Poly-pentafluoroxenonium(+1)-hexafluorouranat V) polymerisiert, der dann aus dem Gasgemisch durch bekannte physikalische Trennmethoden, z. B. durch Filtration, ausgeschieden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Xenonhexafluorid in Inertgasverdünnung eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Verdünnung des Xenonhexafluorids verwendete Inertgas identisch ist mit dem Trägergas für Uranhexafluorid zur adibatischen Expansion.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die XeF₆/Inertgas-Mischung, in Strömungsrichtung des UF₆ gesehen, unmittelbar hinter der Laserlicht-Anregungszone zugespeist wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Festkörper durch irreversible Pyrolyse im abgeschlossenen Vakuum-System in angereichertes UF₆ rekonvertiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte Xenonhexafluorid und Xenontetrafluorid aus der irreversiblen thermischen Zersetzung von Poly- (pentafluoroxenonium(+1)-hexafluorouranat V) zusammen mit überschüssigem Xenonhexafluorid aus dem Prozeßgasstrom durch fraktionierte Kondensation der Gasphase XeF₄/UF₆/XeF₆/Inertgas zurückgewonnen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reduktionsprodukt Xenontetrafluorid durch Fluorierung mit elementarem Fluor zu erneut einsetzbarem Xenonhexafluorid oxidiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gebildete Festkörper durch reversible Pyrolyse in einem Inertgasstrom in angereichertes β-UF₅ und XeF₆ zurückgeführt und das so rückgewonnene Xenonhexafluorid erneut eingesetzt wird.