DE69806730T2

DE69806730T2 - Verfahren und vorrichtung zur trennung und/oder zum sammeln von ionisierten spezies

Info

Publication number: DE69806730T2
Application number: DE69806730T
Authority: DE
Inventors: Horrocks Bailey
Original assignee: British Nuclear Fuels PLC
Current assignee: Sellafield Ltd
Priority date: 1997-02-25
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: CN1254298A; US6441336B1; DE69806730D1; WO1998037948A1; AU6106598A; CA2279358A1; EP0963238A1; CN1158134C; EP0963238B1; JP2001513019A; IL131339A0

Description

Diese Erfindung betrifft Verbesserungen beim Sammeln und/oder Trennen von Materialien und insbesondere, aber nicht ausschließlich, das Sammeln und/oder Trennen von ionisierten und/oder verdampften Spezies.
Eine Anzahl von Trennungstechniken, wie Ionenzyklotronresonanz, erzeugen unterschiedliche Energieniveaus in den ionisierten Materialien, die in sie eingeführt werden, und bewerkstelligen auf der Grundlage davon eine Trennung. Im Fall der IZR kann das Energieniveau eines oder mehrerer ausgewählter Elemente oder Isotope signifikant höher sein als dasjenige anderer Elemente oder Isotope.
Das Sammeln derartiger Materialien im Stand der Technik beruht auf der gleichzeitigen Entladung und Verfestigung der Spezies mit höherer Energie, gefolgt von einem getrennten ähnlichen Verfahren, das auf die Spezies mit niedrigerer Energie angewendet wird.
Ein derartiges System verwendet ein offenes Gitterwerk von Platten, das dem Verfahrensstromfluß entgegengestellt wird. Die Platten sind geerdet oder auf einem festen elektrischen Potential, um die Entladung der Komponenten zu bewirken, die auf sie einfallen. Das Gitter ist relativ zum Verfahrensstrom auch kalt, und als Folge werden Spezies, die mit ihm in Kontakt treten, zum Zeitpunkt der Entladung auf dem Gitter verfestigt. Das Gitter kann periodisch aus dem Verfahrensstrom herausgenommen werden, und das verfestigte Material kann entfernt werden.
Das Material mit niedrigerem Energieniveau vermeidet aufgrund einer Anzahl von Faktoren in großem Maß das Gitter. Eine getrennte Entladung und Kondensation wird, für diesen Teil des Verfahrensstroms auf einem nachfolgenden Kollektor bewirkt.
Andere Techniken, wie verschiedene selektive Ionisationsverfahren, erfordern ebenfalls die Sammlung eines Verfahrensstromes, der in ionisierter verdampfter Form vorliegt. Ähnliche Techniken sind verwendet worden, um deren Sammlung zu bewirken.
Die Sammel/Trennungs-Systeme des Standes der Technik sind aus einigen Gründen nicht ideal. Diese schließen das Erfordernis, für ein hohes Maß an Kühlen in der Struktur zu sorgen, und das Erfordernis, die sammelnde Struktur periodisch aus dem Strom zu entfernen, ein. Periodische Sammelsysteme machen das Sammeln des Produkts zu einem im wesentlichen charchenweise durchgeführten Verfahren, das eine aktive Verarbeitung beschränkt. Weiter ist während der Zeit zwischen der Einführung eines sauberen Gitters und seiner Entfernung, wenn es beladen ist, der Betrieb des Sammelsystems auch unerwünscht schwankend, da der Aufbau von gesammeltem Material die Effizienz der Sammlung beeinflusst. Derartige Sammelgitter sind auch nicht für Verarbeitungsströme anwendbar, die allgemein flüssige oder gasförmige Produkte zum Ergebnis haben, da ein derartiges Produkt durch das Gitter nicht zurückgehalten würde. Beispielsweise ergibt die Verarbeitung von Wasser, um schweres Wasser zu ergeben, nicht leicht ein Produkt, das für das Sammeln auf dem Gitter geeignet ist.
Das Dokument EP-A-0244297 beschreibt eine Ionenzyklotronresonanz-Trennung und lehrt die Entladung außerhalb der Grenzen des Magnetfeldes.
Die vorliegende Erfindung strebt danach, ein alternatives Sammlungs/Trennungs-System und Betriebsverfahren bereitzustellen, welches zumindest einige der Probleme bei Kollektoren/Trennvorrichtungen anspricht.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren zum Sammeln mindestens eines Teils einer mindestens teilweise ionisierten Probe bereit, welche innerhalb eines Rückhalteabschnitts eines Magnetfeldes enthalten ist, umfassend die Schritte:
a) ein Teil der zu sammelnden Probe wird durch Kontakt mit einem elektrischen Leiter innerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes entladen;
b) der entladene Teil der Probe verlässt die Grenzen des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes; und
c) der entladene Teil der Probe wird getrennt gesammelt oder der entladene Teil der Probe wird in flüssige und feste Form überführt.
Auf diese Weise muß der zu sammelnde Teil der Probe nicht auf dem gleichen Element abgeschieden werden, das zu seiner Entladung verwendet wird, sondern er wird stattdessen in nicht-verdampftem Zustand an anderer Stelle gewonnen oder umgewandelt.
Die Probe kann vollständig oder im wesentlichen vollständig in ionisierter Form vorliegen.
Der entladene Teil der Probe kann vor dem Sammeln oder vor der Umwandlung in flüssige oder feste Form aus den Grenzen des Rückhalteabschnitts entfernt werden. Dies ist besonders bevorzugt, wenn nur ein Teil der Probe zu sammeln ist oder nur einige Spezies in der Probe zu sammeln sind, beispielsweise in einer Trenntechnik.
Alternativ kann der entladene Teil der Probe innerhalb der Grenzen des Rückhalteabschnitts des Magentfeldes oder in einem Abschnitt des Magnetfeldes mit verringerter Stärke gesammelt werden oder in einen nicht-verdampften Zustand überführt werden und anschließend entfernt werden. Diese Reihenfolge kann beispielsweise nach einem vorherigen Trennschritt anwendbar sein, wenn der gesamte Strom so umzuwandeln ist.
Die Probe kann nach ihrem Verlassen des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes sich immer noch in einem Magnetfeld befinden. Die geladenen Spezies sind jedoch auf diesen Rückhalteabschnitte des Magnetfelds beschränkt. Der Rückhalteabschnitt des Magnetfelds kann bei 0,5 bis 10 und bevorzugt bei 1 bis 6 Tesla vorgesehen sein.
Vorzugsweise sorgt das Sammelverfahren für eine Abtrennung eines Teils der Probe von einem anderen Teil der Probe. Der eine Teil kann beispielsweise ein bezüglich des anderen Teils unterschiedliches Element und/oder unterschiedliches Isotop und/oder eine unterschiedliche Verbindung sein oder einschließen. Der eine Teil und/oder der andere Teil können aus dem ganzen ausgewählten Element und/oder Isotop und/oder der ganzen ausgewählten Verbindung in der Probe bestehen. Alternativ kann ein Teil der ausgewählten Spezies nach der Trennung immer noch in dem anderen Teil vorhanden, sein.
Bei der Abtrennung kann es sich um U von Pu und/oder eines oder beide von Kernspaltungsprodukten; ²³&sup5;U von ²³&sup8;U oder D&sub2;O und/oder und/oder H&sub2;O von H&sub2;O; D&sub2; und/oder DH von H&sub2;; oder andere derartige Trennungen handeln. Die Trennungen können in diskreten atomaren und/oder elementaren und/oder molekularen Formen als Ionen durchgeführt werden.
Vorzugsweise beruht die Abtrennung eines Teils der Probe von einem anderen Teil der Probe darauf, daß der eine Teil der Probe ein höheres Energieniveau aufweist als der andere Teil. Die unterschiedlichen Energieniveaus werden vorzugsweise selektiv bereitgestellt. Ionenzyklotromresonanz kann verwendet werden, um die unterschiedlichen Energieniveaus bereitzustellen.
Vorzugsweise wird der Teil mit der höheren Energie beim Kontaktieren mit dem elektrischen Leiter entladen. Vorzugsweise kontaktiert der ganze oder im wesentlichen der ganze Teil mit höherer Energie den elektrischen Leiter. Vorzugsweise vermeidet der Teil mit niedrigerer Energie oder der wesentliche Teil davon den elektrischen Leiter.
Der entladene Teil der Probe kann die Grenzen des Rückhalteabschnitts aufgrund eines niedrigeren Drucks außerhalb der Grenzen des Rückhalteabschnittes des Magnetfeldes verlassen. Der Druckunterschied kann auf einem erhöhten Druck innerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfelds und/oder bevorzugter einem verringerten Druck außerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfelds beruhen. Der verringerte Druck kann durch eine Vakuumpumpe erzeugt werden. Der Druckunterschied kann auch verwendet werden, um den entladenen Teil der Probe aus der Einheit zu einem entfernten Ort, beispielsweise vollständig aus dem Magnetfeld heraus, zu entfernen.
Eine Umwandlung von ungeladenem Dampf in eine verflüssigte oder verfestigte Form kann vorgesehen sein und kann durch Kontaktieren des entladenen Teils des Materials mit einer Komponente mit verringerter Temperatur bewirkt werden. Die Temperatur der Komponente ist derart, daß sie das Material unter seinen Verflüssigungs- oder Verfestigungspunkt bei den Bedingungen an diesem Ort abkühlt. Eine Kontaktoberfläche kann verwendet werden. Ein verflüssigtes Produkt und/oder ein verfestigtes Produkt kann erzeugt werden.
Entfernungsmittel können vorgesehen sein, um das verflüssigte oder verfestigte Material aus der Einheit zu einem Produktstrom zu entfernen.
Der entladene Teil der Probe kann als Dampf oder in Gasform als der abgetrennte Teil der Probe zurückgehalten werden.
Verfestigte Produkte können Urandioxide einschließen. Flüssige Produktformen können D&sub2;O einschließen. Gasförmige Produktformen können D&sub2;O einschließen.
Der nicht entladene Teil der Probe kann an einem weiteren Ort entladen und/oder in einen nicht-verdampften Zustand überführt werden. Eine Einstufen-Entladung und -Umwandlung in die Produktform, wie einen Nicht-Verdampfungszustand, wird bevorzugt. Die Entladung kann durch Kontaktieren des nicht entladenen Teils der Probe mit einem Leiter bewirkt werden. Der Leiter kann bei einem angelegten Potential oder einem geerdeten Potential vorgesehen sein. Der Kontakt mit einer gekühlten Oberfläche kann verwendet werden. Ein gasförmiges und/oder flüssiges und/oder festes Produkt kann erzeugt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir eine Sammelvorrichtung bereit, die ein Magnetfeld, das so konfiguriert ist, daß ein ionisierter Teil einer mindestens teilweise ionisierten Probe innerhalb eines Rückhalteabschnitts des Magnetfelds zurückgehalten wird; einen elektrischen Leiter, der innerhalb des Rückhalteabschnittes des Magnetfeldes vorgesehen ist und mit dem mindestens ein Teil der Probe in Kontakt gebracht und entladen wird; und getrennte Mittel zum Sammeln des entladenen Teiles der Probe oder zur Überführung des entladenen Teiles der Probe aus einem entladenen Dampf in eine feste und/oder flüssige Form umfasst.
Bei dem elektrischen Leiter kann es sich um ein Gitter handeln. Der elektrische Leiter kann geerdet sein, oder ein Potential, am bevorzugtesten ein festes, kann angelegt sein. Vorzugsweise ist das Gitter aus einer Reihe von Platten, am bevorzugtesten parallelen Platten, gebildet. Das Gitter kann im wesentlichen senkrecht zu der Richtung des Verfahrensstromflusses ausgerichtet vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Abmessungen des Gitters derart, daß sie mit dem Umlaufdurchmesser des Hochenergieteils der Probe zusammenfallen, aber derart, daß sie den Umlaufdurchmesser des Niedrigenergieteils der Probe vermeiden.
Vorzugsweise ist das Gitter erwärmt. Dies stellt sicher, daß nur die Entladung der kontaktierenden Teilchen stattfindet. Das Gitter kann bei Temperaturen über den Siede- oder Sublimationspunkt des zu entladenden Materials unter dem Betriebsdruck betrieben werden. Das Gitter kann im Betrieb bei einem Druck von 0,01 bis 2 Pa vorliegen. Das Erwärmen des Gitters kann durch elektrische Mittel geschehen.
Der entladene Teil der Probe kann vor der Entfernung innerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes gesammelt und/oder in eine feste und/oder flüssige Form überführt werden, wird aber vorzugsweise außerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfelds gesammelt und/oder in eine feste und/oder flüssige Form überführt. In jedem Fall kann sich die Probe immer noch innerhalb eines Magnetfeldes und/oder innerhalb der Vorrichtung befinden.
Die Mittel zur Überführung des entladenen Teils der Probe können eine Komponente bei verringerter Temperatur umfassen. Eine Komponente, wie eine Oberfläche, mit welcher der Teil der Probe in Kontakt gebracht wird, kann verwendet werden. Bei der Oberfläche kann es sich um eine Wand der Vorrichtung und/oder eine getrennte Komponente handeln. Vorzugsweise ist die Komponente ein elektrischer Leiter.
Die Komponente kann ein Fluid umfassen, mit welchem die Probe in Kontakt gebracht wird. Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas, wie ein Inertgas, und/oder eine Flüssigkeit handeln. Die Flüssigkeit kann vorher gesammelte Teile der Komponente umfassen.
Es können Entfernungsmittel vorgesehen sein, um die Entfernung des Materials zu einem Produktstrom zu fördern. Die Entfernungsmittel können eine oder mehrere Schabklingen umfassen. Die Klingen können über eine Oberfläche der Wände der Einheit und/oder an einem von der Einheit entfernten Ort gedreht oder hin- und herbewegt oder auf andere Weise bewegt werden. Eine sich drehende wendelförmige Schabklinge ist bevorzugt, am bevorzugtesten auf einer Zylinderwand der Vorrichtung. Die Entfernungsmittel sind vorzugsweise außerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes vorgesehen. Das nicht-verdampfte Produkt wird vorzugsweise von der Kühlkomponente abgetrennt, um einen Produktstrom zu ergeben.
Wenn ein nicht entladener Teil der Probe verbleibt, kann dieser durch weitere Sammelmittel entladen und/oder in nicht-verdampfte Form überführt werden. Die weiteren Sammelmittel können von gleichartiger Art wie die ersten sein. Die weiteren Sammelmittel können beide Umwandlungen in einem einzigen Schritt bewirken. Eine sich drehende gekühlte Trommel kann verwendet werden. Die Trommel kann durch flüssigen Stickstoff gekühlt sein, insbesondere bei flüchtigen Spezies. Eine Schabklinge kann vorgesehen sein, um verfestigtes Material von der Trommel zu entfernen.
Vorzugsweise sind Mittel vorgesehen, um den entladenen Teil der Probe vor dem Sammeln und/oder vor der Überführung in nicht-verdampfte Form aus dem Magentfeld zu entfernen. Die Mittel können einen Druckunterschied aufgrund eines erhöhten Drucks innerhalb des Magnetfelds, eines verringerten Druck außerhalb des Magnetfelds oder einer Kombination von beiden umfassen. Die Mittel können eine Vakuumpumpe umfassen.
Die Sammelvorrichtung kann eine Trenneinrichtung bereitstellen, um für eine Abtrennung eines Teils der Probe von einem anderen Teil der Probe zu sorgen. Die Abtrennung kann darauf beruhen, daß ein Teil der Probe ein höheres Energieniveau als der andere Teil der Probe besitzt. Die Einrichtung kann selektive Anregungsmittel für einen Teil der Probe umfassen. Bei den selektiven Anregungsmitteln kann es sich um eine Ionenzyklotronresonanz-Einheit handeln.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Produkt und/oder ein weiterverarbeitetes Produkt bereit, das aus dem ersten Aspekt der Erfindung und/ oder der Vorrichtung des zweiten Aspekts der Erfindung erhalten wird.
Bei dem Produkt kann es ich um mit ²³&sup5;U angereichertes Material; mit ²³&sup9;Pu und/oder ²&sup4;¹Pu angereichertes Material; mit HDO und/D&sub2;O angereichertes Material; mit HD und/oder D&sub2; angereichertes Material; Gd-Isotope mit ungerader Ordnungszahl; Kernspaltungsreaktionsprodukte handeln. Die weiterverarbeiteten-Produkte können Kernbrennstoff, Brennstoffpellets, beladene Brennstoffstäbe, Neutronengifte; schweres Wasser einschließen.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich mittels Beispiel und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig. 1: eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 2: eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 3: eine dritte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
In einer ersten Ausführungsform wird ein Zufuhrmaterial, das aus gemischten Isotopen von Uran, ²³&sup8;U und ²³&sup5;U, besteht, in ein Magentfeld 2 eingeführt und anschließend bei einer Ionisierungsstufe 4 durch eine Elektronenzyklotronresonanz-Einheit ionisiert. Die ionisierte Zufuhr wird dann in eine Ionenzyklotronresonanz-Einheit 6 eingeführt, welche wiederum so abgestimmt ist, daß sie vorzugsweise die weniger vorhandene Spezies ²³&sup5;U anregt.
Die Ionenzyklotronresonanz-Einheit 6 erzeugt als Ergebnis ²³&sup5;U-Ionen mit einem wesentlich höheren Energieniveau als die anwesenden ²³&sup8;U-Ionen. Aufgrund des einschließenden Magnetfelds 2 bewegen sich die Ionen auf einem allgemein spiralförmigen Pfad die Einheit hinunter. Das Material mit höherer Energie weist Spiralen mit einem größeren Radius auf als das Material mit niedrigerer Energie.
Die Sammeleinrichtung, die in dem unteren Abschnitt der Einheit vorgesehen ist, besteht aus getrennten Sammelmitteln für die Spezies mit höherer und niedrigerer Energie .
Die Sammeleinrichtung für die Spezies mit höherer Energie besteht aus einem Aufprallgitter 12. Das Aufprallgitter 12 besteht aus einer Reihe von Platten, deren dünne Kanten in Flußrichtung, Pfeil A, ausgerichtet sind.
Die Öffnungen zwischen den Platten sind derart, daß sie mit dem Hauptteil der ²³&sup5;U-Ionen in Konflikt stehen, aber die große Mehrheit der weniger angeregten ²³&sup8;U- Ionen durchlassen.
Das Aufprallgitter 12 ist geerdet oder auf einem, festen Potential, so daß die Ladung, die von den dieses kontaktierenden ²³&sup5;U-Ionen getragen wird, entladen wird.
Das Aufprallgitter 12 liegt immer noch innerhalb des einschließenden Magnetfeldes 2.
Im Gegensatz zu den Systemen des Standes der Technik wirkt jedoch das Aufprallgitter nicht als Sammelpunkt für die Spezies mit höherer Energie. Stattdessen wird das Aufprallgitter bei einer relativ heißen Temperatur, mehr als 2200 K gehalten, mit dem Gesamtergebnis, daß, obwohl die Moleküle elektrisch entladen werden, sie als Dampf verbleiben.
Das Nettoergebnis des Verfahrensstroms, der das Aufprallgitter 12 erreicht, ist, daß der Hauptteil des ²³&sup5;U ungeladen, aber in Dampfform verbleibt und der sehr große Hauptteil der ²³&sup8;U in geladener Dampfform verbleibt.
Als ungeladene Spezies ist das ²³&sup5;U nicht mehr durch das Magnetfeld eingeschlossen. Das ²³&sup5;U ist frei, um mit den Wänden 14 der Einheit in Kontakt zu treten, von der die noch geladenen Teilchen durch das Magnetfeld 2 isoliert werden. In einer alternativen Form kann eine getrennte Anordnung, nicht gezeigt, zwischen dem eingeschlossenen Verfahrensstrom und den Wänden der Einheit vorgesehen sein. Das Kühlhalten dieser Komponente oder der Wände 14 wandelt das ²³&sup5;U, das mit ihnen in Kontakt tritt, aus einem Dampf in einen flüssigen oder festen Zustand um.
Wie in dieser Ausführungsform veranschaulicht, ist die Vorrichtung mit einer sich drehenden wendelförmigen Schabklinge 18 ausgestattet, die über die Wände der Einheit oder bei einem kleinen Abstand von denselben schabt und die das Eintreten von verfestigtem ²³&sup5;U in einen Produkttrichtet 20 fördert. Die Schabklinge 18 kann die Oberfläche sauber von kondensierten Produkt schaben oder kann eine Schicht des kondensierten Produkts in situ zurücklassen.
Die immer noch geladene Dampfform von ²³&sup8;U verläuft weiter zu einer eigenen Sammeleinrichtung. Diese Einrichtung besteht aus einer gekühlten, sich drehenden Trommel 24, auf welche der Verfahrensstrom aufprallt. Die Erdung dieser Trommel sorgt für die Entladung der Ionen, und die Kühlung bewirkt eine Verfestigung des Produkts. Das Drehen der Trommel verursacht, daß verfestigtes Material durch die Klinge 26 abgeschabt wird. Das verfestigte, ungeladene ²³&sup8;U-Produkt verlässt die Einheit über den Produktstrom 28.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind gleichermaßen für die Trennung von Komponenten in molekularer Form geeignet. Beispielsweise können Uran-Isotope voneinander in einer oder mehreren der Oxidformen aufgetrennt werden, d. h ²³&sup5;UO&sub2; kann von ²³&sup8;UO&sub2; getrennt werden.
Fig. 2 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform der Erfindung auf der Grundlage eines ähnlichen Konzepts für die Erzeugung von vorzugsweise angeregten Spezies. In diesem Fall besteht jedoch die Zufuhr aus Wasser. Das Wasser kann bequem in Dampf überführt werden und dann vor der Umwandung durch die Ionisierungseinheit 50 in das Magnetfeld 48 eingeleitet werden. Die Bedingungen in der Ionisierungseinheit sind so geregelt, daß sich Molekülionen ergeben.
Die bevorzugte Anregung von D&sub2;O und/oder HDO relativ zu H&sub2;O findet in der Ionenzyklotronresonanz-Einheit statt.
Beim Erreichen der Sammeleinrichtung funktioniert das Aufprallgitter 54 auf ähnliche Weise. Die Ladung auf den Ionen mit höherer Energie wird entladen, aber die Temperatur des Gitters ist ausreichend, um die Spezies in Dampfform zu halten. Das H&sub2;O mit niedrigerer Energie tritt unverändert durch das Gitter 5, immer noch ionisiert und immer noch in Dampfform.
Da sie nicht durch das Magnetfeld eingeschlossen sind, sind das ungeladene D&sub2;O und HDO frei, durch eine Vakuumpumpe zu einem Kondensationsort 56 abgezogen zu werden. Einige Abzugspunkte können unterhalb des Aufprallgitters 54 vorgesehen sein. Auf diese Weise wird ein angereicherter Produktstrom gebildet.
Das H&sub2;O prallt auf, wird entladen und kondensiert, wie oben für die erste Ausführungsform umrissen, beispielsweise auf einer mit flüssigem Stickstoff gekühlten Trommel.
Der Produktstrom 56 ist mit HDO und D&sub2;O angereichert und findet eine Anzahl von Verwendungen, einschließlich in CANDU-Reaktoren.
Die dritte Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 veranschaulicht ist, verwendet einen Zufuhrstrom, der Wasserstoff- und Deuteriummoleküle einschließt. Das Wasserstoff- und Deteriumgemisch kann aus einem früheren Konzentrationsverfahren erhalten werden, welches den Deuteriumgehalt in der Zufuhr erhöht hat, oder es kann eine Zuführ natürlicher Güte umfassen. Die Molekülformen, die in die Apparatur eintreten, H&sub2;, D&sub2; und HD, werden zuerst in eine Elektronenzyklotronresonanz-Einheit 80 eingespeist, welche die Zufuhr in zumindest teilweise ionisierte Form überführt. Die Ionen werden in ein Magnetfeld eingeschlossen und strömen von dem Einlaß 82 weg. Es wird bevorzugt, daß im wesentlichen die ganze Zufuhr ionisiert wird. Die Zufuhr kann in eine Anzahl von ionisierten Formen überführt werden, einschließlich H&spplus;, D&spplus; (H&sub3;&spplus;), (HD&sub2;)&spplus;, (D&sub2;U)&spplus; und D&sub3;&spplus;.
Die Ionen werden dann einer Ionenzyklotronresonanz-Stufe 84 unterzogen, bei der sie durch die Einwirkung weiterer Energie angeregt werden.
Die angeregten Moleküle treten durch das Magnetfeld und erreichen das Aufprallgitter 86, das quer über den Verfahrensstromfluß angeordnet ist. Aufgrund ihrer höheren Energie prallen die deuteriumhaltigen Ionen oder, abhängig vom Anregungsgrad, die Ionen, die ausschließlich Deuterium enthalten, auf die Gitterstruktur. Die weniger angeregten Ionen treten durch das Gitter und liegen in der Zone 88 immer noch in ionisierter Form vor.
Nach dem Aufprall auf dem elektrisch leitenden Gitter 86 werden die Spezies mit höherer Energie entladen. Jedoch sind die Bedingungen derart, daß die entladenen Ionen in Gasform verbleiben und ebenfalls in die Zone 88 eintreten.
Das Energieniveau, das der Entladung folgt, wäre derart, daß die Deuterium-Ionen in Molekülform, d. h. als D&sub2;, vorliegen.
Durch Anwendung eines Druckunterschieds im Vergleich zum Auslaß 90 und der Zone 88 werden die ungeladenen Ionen aus der Innenseite der Vorrichtung herausgezogen und bilden den mit Deuterium angereicherten Produktstrom 92.
In der Zone 88 sind die immer noch geladenen Ionen in dem Magnetfeld eingeschlossen und treten als Folge weiter durch die Vorrichtung zu der Entladungsplatte 94. Diese Entladungsplatte hat eine elektrische Entladung der Ionen zur Folge und ist gekühlt, um das entladene Produkt als molekularen Wasserstoff zu liefern. Eine Reihe von Prallflächen 96 sind vorgesehen, um entladenen Wasserstoff davon abzuhalten, zurück in die Vorrichtung hinauf und in die Zone 88 zu treten. Die Öffnung 98 der Prallfläche liegt vollständig innerhalb des Querschnitts des Magnetfeldes.
Das entladene Produkt bildet den Produktstrom 100, der aufgrund eines Druckunterschiedes aus der Apparatur gezogen wird.
Der mit Deuterium angereicherte Strom 92 und der an Deuterium verarmte/mit Wasserstoff angereicherte Strom 100 können getrennt zu anderen ähnlichen Einheiten für eine weitere Verarbeitung geleitet werden. Auf diese Weise kann Deuterium, das im Produktstrom 100 verblieben ist, entfernt und isoliert werden, und ähnlich kann jeglicher Wasserstoff, der in dem mit Deuterium angereicherten Strom 92 vorliegt, entfernt werden, um eine weitere Anreicherung zu ergeben.
Die Merkmale und Wahlfreiheiten, die in diesen drei Ausführungsformen veranschaulicht sind, sind gleichermaßen auf die Bearbeitung von anderen Zufuhrmaterialien und für das Sammeln von anderen ionisierten oder teilweise ionisierten Prozess-Strömen, die durch andere Verfahren erzeugt werden, anwendbar.

Claims

1. Verfahren zum Sammeln mindestens eines Teils einer mindestens teilweise ionisierten Probe, die innerhalb eines Rückhalteabschnitts eines Magnetfeldes enthalten ist, umfassend die Schritte:

(a) ein Teil der zu sammelnden Probe wird durch Kontakt mit einem elektrischen Leiter innerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes entladen;

(b) der entladene Teil der Probe verläßt die Grenzen des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes; und

(c) der entladene Teil der Probe wird getrennt gesammelt oder der entladene Teil der Probe wird in flüssige oder feste Form überführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der entladene Teil der Probe vor der Sammlung oder vor der Überführung in flüssige und/oder feste Form aus den Grenzen des Rückhalteabschnitts entfernt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der entladene Teil der Probe innerhalb des Grenzen des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes gesammelt oder in einen nicht-verdampften Zustand überführt wird und anschließend entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Sammelverfahren für eine Abtrennung eines Teils der Probe von einem anderen Teil der Probe sorgt, wobei der eine Teil ein von dem anderen Teil verschiedenes Element und/oder verschiedenes Isotop und/oder eine verschiedene Verbindung ist oder enthält.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem eine Abtrennung von einem Teil der Probe von einem anderen Teil der Probe darauf beruht, daß der eine Teil der Probe ein höheres Energieniveau aufweist als der andere Teil.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die unterschiedlichen Energieniveaus durch Ionenzyklotronresonanz verliehen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der entladene Teil der Probe die Grenzen des Rückhalteabschnitts auf Grund eines niedrigeren Drucks außerhalb der Grenzen des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes verlassen kann.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Überführung des entladenen Teils der Probe in die verflüssigte oder verfestigte Form bewirkt wird, indem man den entladenen Teil des Materials mit einer Komponente bei verringerter Temperatur unter seiner Verflüssigungs- und/oder Verfestigungspunkt bei den Bedingungen an dieser Stelle in Kontakt bringt.

9. Sammelvorrichtung, umfassend ein Magnetfeld, das so konfiguriert ist, daß es einen ionisierten Teil einer zumindest teilweise ionisierten Probe innerhalb eines Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes enthält; einen elektrischen Leiter, der innerhalb des Rückhalteabschnitts des Magnetfeldes vorgesehen ist und mit dem zumindest ein Teil der Probe in Kontakt gebracht und entladen wird; und getrennte Mittel zur Überführung des entladenen Teils der Probe aus einem entladenen Dampf in feste und/oder flüssige Form und/oder zum Sammeln des entladenen Teils der Probe.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei welcher der elektrische Leiter geerdet oder auf einem festen Potential ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, bei welcher der elektrische Leiter ein Gitter ist und das Gitter auf Temperaturen über dem Siede- oder Sublimationspunkt des zu entladenden Materials bei dem Betriebsdruck erwärmt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welcher der entladene Teil der Probe durch Kontakt mit einer Kühleinrichtung unterhalb seines Verflüssigungsund/oder Verfestigungspunktes in feste oder flüssige Form überführt wird.