DE68908908T2

DE68908908T2 - Vorrichtung zum Trennen von Uranisotopen.

Info

Publication number: DE68908908T2
Application number: DE89200307T
Authority: DE
Inventors: Erik H P Cordfunke; Cornelis J J Tool
Original assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Current assignee: Ultra Centrifuge Nederland NV
Priority date: 1988-02-10
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2009-02-10
Also published as: NL8800327A; JP2675124B2; EP0328223A1; US5025152A; DE68908908D1; EP0328223B1; JPH01245843A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Gerät zum Trennen von Uranisotopen, das aufweist: eine Vakuumkammer, eine Uranquelle, die in der Kammer angeordnet ist, eine Einrichtung zum selektiven Ionisieren eines ausgewählten Isotops in dem Urandampf, eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen und/oder eines magnetischen Feldes in der Vakuumkammer, sowie einen Satz von Kollektorplatten zum Auffangen der Uranionen und eine oder mehrere Kollektorplatten zum Auffangen nicht ionisierter Uranatome.
Ein derartiges Gerät ist aus der holländischen Patentanmeldung 74 16934 (&US-A-3 953 731) bekannt. Bei dem Gerät nach dem Stand der Technik ist das zu verdampfende Uran, das sowohl ein U-235-Isotop als auch ein U-238-Isotop enthält, innerhalb eines geeigneten Schmelztiegels angeordnet. Eine Elektronenquelle, die neben dem Schmelztiegel vorgesehen ist, z.B. ein erhitzter Glühfaden, liefert einen Elektronenstrahl, der durch ein geeignetes Magnetfeld abgelenkt und auf die Oberfläche des Urans in dem Schmelztiegel gerichtet wird. So wird ein Urandampf erzeugt, der sich von der Uranquelle radial ausdehnt. Mittels eines geeignet eingestellten Laserstrahls, der zu dem Urandampf gerichtet ist, werden Atome des U-235-Isotops selektiy ionisiert, während die Atome des anderen Isotops unverändert bleiben. Durch Anlegen eines elektrischen und/oder magnetischen Feldes werden die Ionen, die sich radial nach außen bewegen, abgelenkt, während die neutralen Atome fortfahren, sich radial zu bewegen. Die Kollektorplatten für die Ionen sind radial vorgesehen, so daß nur abgelenkte Ionen die Platten kontaktieren können und die neutralen Atome sich entlang der Platten in einer Richtung parallel zu ihnen bewegen. Die Kollektorplatten für die neutralen Atome sind in der Bewegungsrichtung der Atome gesehen unter den Kollektorplatten für die Ionen vorgesehen und sind im wesentlichen transversal zu der Bewegungsrichtung der Atome ausgerichtet.
Das Gerät nach dem Stand der Technik wird betrieben, um die Ionen und die Atome als Festkörperpartikel auf die jeweiligen Kollektorplatten abzulagern. Die Kollektorplatten für die Ionen müssen einen gewissen Grad elektrischer Leitfähigkeit aufweisen, um die durch die Ionen zugeführte Ladung zu entfernen. Die oben genannte Veröffentlichung sagt nichts über das Material der Kollektorplatten aus. In einer anderen Veröffentlichung, der US-A-3 772 519, wird bezüglich eines ähnlichen Geräts gesagt, daß die Kollektorplatten aus rostfreiem Stahl sind.
Bei dem Gerät nach dem Stand der Technik werden die Uran- isotopen als Festkörperpartikel auf den Kollektorplatten abgelagert, so daß es nicht leicht ist, das aufgefangene Material zu entfernen. Es wäre leichter, wenn die Uranisotopen auf den Kollektorplatten kondensiert werden könnten. Wenn das Uran flüssig ist und bleibt, kann es von den Kollektorplatten leichter entfernt werden, z.B. durch Abtropfenlassen von ihm von diesen Platten und Auffangen von ihm in geeigneten Auffangbehältern. Das Uran kann flüssig gehalten werden durch Anlegen einer Temperatur, die höher ist als sie gewöhnlich in dem Gerät nach dem Stand der Technik ist. Das damit verbundene Problem besteht jedoch darin, daß die Kollektorplatten in dem Fall aus einem Material bestehen müssen, das gegenüber derart hohen Temperaturen und gegenüber flüssigem Uran widerstandsfähig Ist. Außerdem müssen die Kollektorplatten, in jedem Fall die Platten zum Auffangen des selektiv ionisierten Urans, eine akzeptable elektrische Leitfähigkeit haben.
Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Gerät zum Trennen von Uranisotopen zu schaffen, bei dem das beschriebene Problem gelöst worden ist, so daß das Gerät bei Temperaturen betreibbar ist, die so hoch sind, daß das Uran in einem flüssigen Zustand aufgefangen und entfernt werden kann.
Die Aufgabe, auf die abgezielt ist, wird gemäß dieser Erfindung mit einem Gerät gelöst, bei dem die Kollektorplatten für die Ionen zumindest an der Auffangoberfläche aus gesintertem Yttrium-Oxyd besteht, das durch geeignetes Dotieren elektrisch leitfähig gemacht wurde.
Es ist herausgefunden worden, daß Kollektorplatten, die im Ganzen oder teilweise aus gesintertem Yttrium-Oxyd bestehen, widerstandsfähig gegenüber flüssigem Uran sind. Yttrium-Oxyd ist jedoch ein elektrisch nicht leitendes Material. Es ist daher nicht nützlich als ein Material für eine Kollektorplatte für Ionen. Ein geeignetes Dotieren des Yttrium-Oxyds kann es jedoch leitend machen, so daß es nützlich sein wird. Das Dotieren muß dann derart sein, daß die Widerstandsfähigkeit gegenüber flüssigem Uran beibehalten wird. Dies ist der Fall bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Geräts gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei das Yttrium-Oxyd der Kollektorplatten mit Uran-Oxyd dotiert ist. Darüber hinaus wird das Uran-Oxyd vorzugsweise zu einem solchen Ausmaß dotiert, daß es 5-10 Gew.-% Uran-Oxyd enthält.
Damit das Material der Kollektorplatten gegenüber den hohen Temperaturen und in dem Gerät zu verwendenden aggressiven Materialien optimal widerstandsfähig ist, ist anzuraten, daß die Dichte des gesinterten Yttrium-Oxyds 90% der theoretischen Dichte übersteigt. Vorzugsweise ist jene Dichte mindestens 97% der theoretischen Dichte.
Ausgezeichnete Ergebnisse sind erreichbar, wenn die Kollektorplatten zumindest teilweise aus gesintertem Yttrium-Oxyd bestehen, das unter Verwendung von sinteraktivem Yttrium-Oxyd-Puder mit einer Partikelgröße unter 1um präpariert ist.
Es ist anzumerken, daß in der US-A-4 028 096 ein Verfahren zum Reduzieren der Kontamination einer metallischen Ladung (wie Uran) von einem Schmelztiegel während Schmelzoperationen offenbart ist, wobei ein Graphit-Schmelztiegel benutzt wird, der mit einem Yttrium-Anstrich überzogen ist, wobei auf dem Überzug eine Lage von abgereichertem Uran angeordnet ist.
In Chemical Abstracts 92 : 26725 q (1980) ist die Anwendung von Y&sub2;O&sub3; zur Verwendung als Schmelztiegel und Form-Überzug, Präzisionsformen und -kerne diskutiert.
Es sollte weiterhin angemerkt werden, daß das Verfahren zum Sintern von Yttrium-Oxyd an sich bekannt ist. Veröffentlichungen auf diesem Gebiet wurden beispielsweise in Ceramics International, Bd. 9, 1983, Nr. 2, Seiten 59 - 60 und ditto Nr. 2, Seiten 87 - 92, und Bd. 10, Nr. 3, 1984, Seiten 99 - 104 herausgegeben.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsseiten dargestellt werden, wobei:
Fig. 1 eine diagrammäßige perspektivische Ansicht einer Anzahl von Teilen eines Ausführungsbeispiels des Geräts gemäß der Erfindung ist, und
Fig. 2 eine querschnittsmäßige Ansicht dieser Teile ist.
Die Figuren zeigen nur einige wenige wichtige Teile eines Ausführungsbeispiels des Geräts gemäß dieser Erfindung. Die Vakuumkammer, in der diese Teile angeordnet sind, ist nicht gezeigt. Die verschiedenen elektrischen Leitungen von und zu den verschiedenen Teilen und die Zuführungen zum Anlegen der erwünschten elektrischen und/oder magnetischen Felder sind auch nicht gezeigt. Ihr Aufbau ist einem Fachmann bekannt und ist schon in anderen Veröffentlichungen beschrieben, z.B. in der vorgenannten holländischen Patentanmeldung 74, 16934.
Bei dem Gerät gemäß den Figuren 1 und 2 ist ein verlängerter Schmelztiegel 1 aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Yttriurn-Oxyd, vorgesehen. Im Betrieb enthält der Schmelztiegel 1 die Masse 2 von beispielsweise natürlichem Uran. Das natürliche Uran besteht, wie es bekannt ist, zu einem größeren Teil aus dem U-238-Isotop und zu einem geringeren Teil aus dem U-235-Isotop. Die Isotope U-238 und U-235 sind voneinander zu trennen. In dem Gerät gemäß der Erfindung wird dies wie folgt durchgeführt. Von der linearen Elektronenquelle 3 bekannten Aufbaus, deren Zuführung nicht gezeigt ist, werden Elektronen zu der Masse 2 gerichtet. In Fig. 2 ist der Elektronenstrahl durch die unterbrochene Linie 4 dargestellt. Uranatome werden von der Masse 2 durch den Elektronenstrahl 4 verdampft. Diese Uranatome sind elektrisch neutral und bewegen sich in einer geraden Linie von der Oberfläche der Masse 2 radial nach außen, wie es in Fig. 2 durch die Pfeile 5 gezeigt ist, die in unterbrochenen Linien gezeichnet sind.
Die Uranatome 5 bewegen sich radial nach außen und gehen durch den Bereich, in dem ein Satz von Kollektorplatten 6 vorgesehen ist, wobei sich die Hauptoberfläche jeder der Platten radial erstreckt und deshalb parallel zu der Bewegungsrichtung der Uranatome. In dem Bereich des Satzes der Kollektorplatten 6 ist ein Laserstrahl auf den Urandampf gerichtet. Der Laserstrahl arbeitet in einem Teil eines ringförmigen Streifens, der in Fig. 2 durch den schraffierten Bereich 7, der durch unterbrochene Linien angezeigt ist, diagrammäßig gezeigt ist. Der Laserstrahl erzeugt eine Frequenz, so daß eines der Uranisotope, nämlich U-235, dadurch selektiv ionisiert wird, während die Atome des anderen Isotops unverändert bleiben. Durch Anlegen geeigneter magnetischer Felder und/oder elektrischer Felder werden die resultierenden Uranionen von ihrem radialen geradlinigen Pfad abgelenkt, so daß sie eine der Kollektorplatten 6 kontaktieren und darauf abgelagert werden. Die neutralen U-238-Atome bewegen sich zwischen den Kollektorplatten 6 und kontaktieren schließlich die gebogene Kollektorplatte 7, die transversal zu ihrem Pfad angeordnet ist.
Wenn die Temperatur in dem Gerät so hoch gehalten wird, daß das Uran flüssig ist, werden die Uranionen auf den Platten 6 und die Uranatome auf der Platte 7 auf diesen jeweiligen Kollektoren zu Tröpfchen ausgebildet und die so getrennten Isotope werden kontinuierlich entfernbar sein durch Abtropfenlassen des flüssigen Urans von den Platten. Andererseits kann, auch wenn die Menge des aufgefangenen Urans zu klein ist, um abgetropft zu werden, das flüssige Material leichter entfernt werden, als es der Fall sein würde, wenn die Partikel auf den Kollektoren in fester Form abgelagert wären.
Da auf-den Kollektorplatten 6 Ionen abgelagert sind, müssen diese Platten 6 mindestens zu einem solchen Grad elektrisch leitend sein, daß die durch die Ionen zugeführte Ladung entfernt werden kann, so daß die Ionen zu Atomen neutralisiert werden. Außerdem müssen die Platten 6 und 7 gegenüber dem flüssigen Uran widerstandsfähig sein.
Das vorliegende Gerät erfüllt diese Erfordernisse dadurch, daß die Kollektorplatten 6 und optional auch 7 zumindest an der Auffangoberfläche aus Yttrium-Oxyd (Y&sub2;O&sub3;) bestehen, das elektrisch leitend gemacht ist. Das Plattenmaterial wird dann beispielsweise durch Sintern von geeignetem sinteraktivem Yttrium-Oxyd-Puder gebildet, und elektrische Leitfähigkeit wird durch geeignetes Dotieren, beispielsweise mit Uran-Oxid, geschaffen. Es ist herausgefunden worden, daß ein akzeptables Dotieren beispielsweise mit 5-10 Gew.-% Uran-Oxyd erhalten werden kann.
Die Kollektorplatten 6 und optional 7 müssen aus gesintertem dotiertem Yttrium-Oxyd bestehen, zumindest an der Auffangoberfläche. Teile einer Platte, die mit dem Uran nicht in Kontakt treten, könnten aus einem anderen geeigneten Material gemacht sein. Beispielsweise kann der Kern einer Platte aus irgendeinem geeigneten feuerfesten keramischen Material gemacht sein und ein Überzug des Materials gemäß der Erfindung kann auf jenem Kern vorhanden sein.
Geeigneterweise ist das Material der Kollektorplatten so dicht wie möglich, so daß keine mechanischen Spannungen aufgrund eines Nachsinterns auftreten. Eine Dichte von mindestens 90% und vorzugsweise mehr als 97% der theoretischen Dichte hat sich als nützlich herausgestellt. Eine hohe Dichte kann bei der Herstellung erreicht werden, und zwar durch Ausgehen von einem sinteraktiven Yttrium-Oxyd-Puder mit einer relativ geringen Partikelgröße, beispielsweise unter 1um.

Claims

1. Gerät zum Trennen von Uranisotopen, das aufweist: eine Vakuumkammer, eine Uranquelle (2), die in der Kammer angeordnet ist, eine Einrichtung (3) zum Verdampfen von Uran von der Uranquelle, eine Einrichtung zum selektiven Ionisieren eines ausgewählten Isotops in dem Urandampf, eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen und/oder eines magnetischen Feldes in der Vakuumkammer, sowie einen Satz von Kollektorplatten (6) zum Auffangen der Uranionen, und eine oder mehrere Kollektorplatten (7) zum Auffangen nicht ionisierter Uranatome, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorplatten für die Ionen (6) zumindest an der Auffangoberfläche aus gesintertem Yttrium-Oxyd besteht, das durch geeignetes Dotieren elektrisch leitfähig gemacht ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Yttrium-Oxyd der Kollektorplatten mit Uran-Oxyd dotiert ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Yttrium-Oxyd der Kollektorplatten mit 5-10 Gew.-% Uran-Oxyd dotiert ist.

4. Gerät nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte des gesinterten Yttrium-Oxyds 90% der theoretischen Dichte übersteigt.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte zumindest 97% der theoretischen Dichte beträgt.

6. Gerät nach den Ansprüchen 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Yttrium-Oxyd durch Verwenden von sinteraktivem Yttrium-Oxyd-Pulver mit einer Partikelgröße unter 1um präpariert ist.