JP3523358B2

JP3523358B2 - 同位体の分離方法及び分離装置

Info

Publication number: JP3523358B2
Application number: JP04060795A
Authority: JP
Inventors: 梧樓宮本; 義夫村上; 成治廣木; 健治香月
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-02-28
Filing date: 1995-02-28
Publication date: 2004-04-26
Anticipated expiration: 2019-04-26
Also published as: JPH08229357A; US5805972A; US5653854A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、質量の異なるたとえば
ウランなどの同位体の分離に係わり、特に電離（イオン
化）した被分離物質を磁場と静電圧に脈動電圧を重畳し
た電場により質量差を利用して分離するようにした同位
体の分離方法及びその分離装置に関する。

【０００２】

【従来技術】近年、同位体分離に関して、原子炉燃料と
してのウラン２３５の濃縮の必要性ばかりでなく、核融
合炉や大型加速器等の構造材料に比較的好ましい放射化
特性（低放射化特性）をもつ金属元素の同位体だけを分
離して使用することが提唱されている。

【０００３】それは、所要の同位体のみを分離して使用
することにより、核融合炉や大型加速器の保守が容易に
なり、放射性廃棄物が大幅に少なくできるからであり、
そのため、金属元素の同位体が安価に分離できる技術の
開発が求められている。

【０００４】従来、ウランの同位元素などのように質量
差の小さい原子や分子を分離する方法としては、ガス拡
散法、遠心分離法、化学的方法（吸着法）、電磁場を利
用した質量分離法、レーザ光による選択的電離法などが
あった。

【０００５】ガス拡散法、遠心分離法及び化学的方法に
おいては、一段（プロセス）あたりの分離度は極めて低
く、実用にあたっては多数段が必要とされるという問題
があった。

【０００６】また、電磁場を利用した質量分離法は、分
離度は高いが、この動作原理が高真空中における単粒子
的な軌道に基づいているので、処理能力が極めて小さい
という問題があり、かかる方法は、必要な分解能を得る
ためにイオンの初速度や方向をある範囲に制限したり、
スリットを設けてビームを制限したりする必要があるな
どの、装置上の問題も多かった。

【０００７】さらに、レーザ光による選択的電離法は、
ウラン分離の場合ウラン原子ビームに色素レーザ光を照
射してウラン２３５を選択励起し、同時に他のレーザ光
を照射してウラン２３５だけをさらに電離するというも
のであるが、ウランの場合には成功しているものの、他
の元素の同位体分離についてはほとんど調べられておら
ず、一般的ではなかった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の点に
鑑みてなされたもので、一段（プロセス）あたりの分離
度が高く、処理量が容易に増加でき、しかも多くの元素
の同位体分離に適用することができる、同位体の分離方
法及びその分離装置を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、質量の異なっ
た同位体の被分離物質を電磁場を利用して分離する方法
において、電離した被分離物質を、Ｚ軸方向の磁場と、
単葉双曲面電極(鼓形電極)と複葉双曲面電極(茸傘形電
極)に印加した静電圧及び脈動電圧がつくる下式（２）
（式（１）と同じ）で定義される交番電場Ｕとにより、
任意の臨界質量Ｍ_cを境にしてこれより軽いイオンを軸
（Ｚ）方向に、重いイオンを半径（ｒ）方向に弁別して
輸送する構成とすることにより、従来の問題を解決する
ことができる。

【００１０】Ｕ＝1/2・k₀(1-Acos２θ)(-ｒ²＋２Z²) 式（２）Ｕ：交番電場 k₀ ：定数 A ：定数 θ ：時間関数 r ：半径方向の距離 Z ：Ｚ軸方向の距離すなわち、本発明の分離方法及び分離装置は、質量の異
なる同位体の被分離物質の分離に電磁場を使用するが、
円筒座標で表せる特殊な電磁場空間においては該空間の
広い領域部分で発生した同種のイオンがイオンの初速度
や出発方向によらず軸方向または半径方向にだけ随意に
輸送することができるという新しい知見に基づいたもの
である。

【００１１】この方法を用いることにより、任意の質量
Ｍ_c（臨界質量）を境にしてＭ_cよりも軽いイオンは軸方
向に、Ｍ_C よりも重いイオンは半径方向に弁別して輸送
することができる。

【００１２】また、本発明は、同位体の分離装置におい
て、真空容器とこの真空容器内のほぼ中心に配置された
プラズマ生成器と、このプラズマ生成器を取り囲むよう
にして、真空容器内に配置された単葉双曲面電極及び複
葉双曲面電極と、これらの電極に静電圧及び脈動電圧を
供給する電源と、真空容器の外部に配置された磁場を発
生させる磁場発生手段とを具備した構成とする。

【００１３】本発明における真空容器は、特に限定され
るものではないが、例えば、電磁場空間に対応して、概
ね円筒形をしており、イオンを安定して生成させるた
め、高真空雰囲気を作り出し、排気ポートを介して、真
空排気装置に連結されているのが好適である。

【００１４】その材質は、機械的強度や加工性等を考慮
して定められるが、例えばステンレス鋼やアルミニウム
合金等の金属が好適である。

【００１５】また、本発明におけるプラズマ生成器は、
プラズマ発生源としての機能を有し、真空容器内に配置
される。

【００１６】ここで、プラズマ生成器の種類等も、特に
限定されるものではないが、例えば、電極が被分離物質
からなる、２対のアーク放電電極が好適である。

【００１７】本発明の分離装置における単葉双曲面電極
は、例えば鼓形の電極からなり、複葉双曲面電極とあい
まって、式（２）の交番電場を形成する。

【００１８】ここで、単葉双曲面電極は、重イオンを凝
集付着させ、捕集する機能を有するため、主電極の同位
体分離空間側には、Ｚ軸に概ね平行に、多数のフィンが
着脱自在な状態に埋め込まれているのが好適である。

【００１９】かかる構造の電極を用いると、プラズマ生
成器から直進してくる中性粒子とＺ軸のまわりを回転す
るイオンをそれぞれ電極の別の箇所に付着させることが
できて、回収が容易な点で好都合である。

【００２０】また、単葉双曲面電極は、プラズマ生成器
を挟むように、真空容器内に配置されるが、分離捕集効
率が向上するように、イオンの最大振幅よりも、概ね大
きい半径位置に配置されるのが好適である。

【００２１】具体的には、イオンの最大振幅の０．８〜
５．０倍の範囲が好適であり、更に好適には、１．０〜
１．５倍である。

【００２２】配置位置が、イオンの最大振幅の０．８倍
未満あるいは、５．０倍を超えると、分離捕集効率が著
しく低下したり、装置が不要に大型化するおそれがある
ためである。

【００２３】また、単葉双曲面電極の位置が、イオンの
最大振幅の１．０〜１．５倍の範囲であれば、より分離
捕集効率が良好となり、装置の大きさも適当となるため
である。

【００２４】また、本発明の分離装置における複葉双曲
面電極は、軽いイオンを凝集付着させ、捕集する機能を
有し、例えば茸傘形の複葉双曲面をなし、単葉双曲面電
極とあいまって、式（２）の交番電場を形成する。

【００２５】そして、単葉双曲面電極と同じく、主電極
の同位体分離空間側には、ｒ軸に概ね平行な位置に、多
数のフィンが着脱自在に埋め込まれているのが好適であ
る。また、電極の位置も、交番電場を形成するように配
置されていれば良く、具体的には、Ｚ軸方向に、プラズ
マ生成器を挟むべく、真空容器内に配置されているのが
好適である。

【００２６】そして、鼓形電極と同様に、分離捕集効率
を考慮して、イオンのＺ軸方向の最大振幅よりも、概ね
大きい高さ位置に配置されるのが好適である。

【００２７】具体的には、イオンの最大振幅の０．８〜
５．０倍の範囲が好適であり、更に好適には、１．０〜
１．５倍である。

【００２８】複葉双曲面電極の配置位置が、イオンの最
大振幅の０．８倍未満あるいは、５．０倍を超えると、
分離捕集効率が著しく低下したり、装置が不要に大型化
するおそれがあるためである。

【００２９】また、複葉双曲面電極の配置位置が、イオ
ンの最大振幅の１．０〜１．５倍の範囲であれば、より
分離捕集効率が良好となり、装置の大きさも適当となる
ためである。

【００３０】その他、本発明の分離装置における磁場発
生手段も、特に限定されるものではないが、一般的なコ
イル状物が使用可能である。

【００３１】また、磁場発生手段の配置位置も、特に限
定されるものではないが、イオンの捕集効率を考慮し
て、真空容器の外部に配置されているのが好適である。

【００３２】なお、本発明において、その外の本発明の
要旨を逸脱しない範囲で、種々の変形実施が可能であ
る。

【００３３】また、被分離物質は凝縮性物質または、捕
集板に吸着して捕捉される物質であれば、ウランや金属
イオンに限定されるものではない。

【００３４】

【実施例】以下、実施例をもとに、本発明をさらに詳細
に説明する。

【００３５】（実施例１）第１図は本発明に係わる装置
の全体構成を示す縦断面図である。

【００３６】すなわち、円筒形の真空容器２１は排気ポ
ート２２から真空排気装置２３により高真空に排気され
る。真空容器２１の外周には真空容器円筒の軸方向に磁
場を形成するためのコイル群２４が設けてあり、真空容
器２１の内部には容器の中心軸と軸を同じくする鼓形二
次曲面をもつ電極２５と上下１対の茸傘形二次曲面をも
つ電極２６ａ，２６ｂが設置してある。これらの電極に
はそれぞれ電流導入端子２７及び２８ａ，２８ｂを経て
電源（図示せず）から電圧が印加される。

【００３７】一方、容器の中心部には同軸上に所定の直
径の円筒形をしたプラズマ生成器２９が挿入されてい
る。ここでは、プラズマ生成器として電極が被分離物質
からなる２対のアーク放電電極３０ａ，３０ｂを例示し
ているが、プラズマ生成器はこの他にも種々の変形が考
えられる。プラズマ生成器の電極には容器内の同位体分
離空間３１に形成される等電位面に沿って電線（図示せ
ず）が張られ、電流が供給される。

【００３８】上記の鼓形二次曲面をもつ電極２５と上下
１対の茸傘形二次曲面をもつ電極２６ａ，２６ｂはそれ
ぞれ単葉双曲面と複葉双曲面を成し、装置の中心を原
点、軸方向をＺ方向、半径方向をｒ方向としたとき、同
位体分離空間３１に下式の静電場Ｕ´を形成することが
できる形状をしている。

【００３９】Ｕ´＝1/2・ｋ´(-ｒ´²＋２Z´²) 式（３）Ｕ´：静電場ｋ´：定数ｒ´：半径方向の距離Ｚ´：Ｚ軸方向の距離次に、このような装置構成によりウランなどの同位体を
分離または濃縮する場合について説明する。まず真空排
気装置２３により真空容器２１の内部を高真空に排気す
る。引き続いてコイル群２４に通電して軸方向に所定の
磁場を形成するとともに、電極２５と電極２６ａ，２６
ｂに所定の電圧を印加する。

【００４０】この電圧は同位体分離空間３１に小さい脈
動をもつ式（２）の交番電場を形成する。そして、電磁
場空間の条件が整った後、プラズマ生成器２９を作動さ
せる。本実施例の場合にはアーク放電電極３０ａ，３０
ｂに電圧を印加して持続的な放電を起こさせるが、放電
電極の挿入により電磁場空間が大きく乱れないように電
極の形状や印加電圧が定めてある。

【００４１】プラズマ生成器２９では被分離物質の１価
の原子（分子）イオン、電子、中性の原子（分子）等が
生成され、イオンや中性粒子はここから様々な初速度と
方向をもって同位体分離空間３１に流れ出す。被分離物
質が天然ウランの場合には、²³⁵Ｕ⁺，²³⁸Ｕ⁺，²³⁵Ｕ⁰，
²³⁸Ｕ⁰などが生成され同位体分離空間に流れ出す。

【００４２】同位体分離空間３１に流出した軽いイオン
²³⁵Ｕ⁺は、Ｚ軸のまわりを高速で回転するが、このと
き、半径（ｒ）方向にはプラズマ生成器２９と鼓形電極
２５の間の空間で振幅を大きくしたり小さくしたりしな
がら振動するのに対して、軸（Ｚ）方向には時間（回
転）とともに振動の最大振幅が増大し発散する。このた
め、軽いイオン²³⁵Ｕ⁺は茸傘形電極２６に衝突してそこ
に凝縮付着する。

【００４３】重いイオン²³⁸Ｕ⁺は、軸（Ｚ）方向には茸
傘形電極２６ａ，２６ｂの間の空間で振幅を大きくした
り小さくしたりしながら振動を繰り返すが、半径（ｒ）
方向には時間（回転）とともに振動の最大振幅が増大し
発散する。このため、重いイオン²³⁸Ｕ⁺は鼓形電極２５
に衝突してそこに凝縮付着する。

【００４４】中性粒子の²³⁵Ｕ⁰と²³⁸Ｕ⁰は、電磁場の影
響を受けないので、プラズマ生成器２９から見とおせる
電極面のいずれかに直進して衝突し、そこに凝縮付着す
る。

【００４５】Ｚ軸のまわりを回転しながら振動の振幅が
次第に増大して電極に到達するイオンとプラズマ生成器
から電極に向かって直進する同位体非分離の中性粒子を
区別する方法として、例えば第２図に示すような電極構
造を用いることができる。

【００４６】第２図は粒子の捕集板を兼ねる鼓形電極２
５の表面近傍の詳細を示す横断面（第１図のＡ−Ａ′断
面）図であるが、鼓形をなす主電極４１の同位体分離空
間側にはＺ軸に平行な多数枚のフィン（ひれ状の板）４
２が着脱可能な状態で埋め込まれている。

【００４７】このような電極を用いると、プラズマ生成
器２９から直進してくる中性粒子とＺ軸のまわりを回転
するイオンをそれぞれ電極の別の箇所に付着させること
ができる。

【００４８】茸傘形電極２６ａ，２６ｂにおいても、同
様な表面構造を採用することにより、イオンと中性粒子
を別の箇所に付着させることが可能である。

【００４９】分離または濃縮され電極２５，２６ａ，２
６ｂに付着したウラン等の物質は、真空容器からこれら
の電極を取り出し、必要ならば主電極４１からフィン４
２を取り外して、分離済み物質を化学的に溶解するなど
して回収される。

【００５０】第３図及び第４図は、臨界質量をＭ_C ＝２
３７に設定したときにプラズマ生成器２９から発した
²³⁵Ｕ⁺及び²³⁸Ｕ⁺が同位体分離空間３１内でどのような
軌道を描くのかを例示した図である。第３図は軸（Ｚ）
方向のイオンの軌道を模式的に示したもので、実線はイ
オンの振動の最大振幅の時間的変化、即ち、その包絡線
である。

【００５１】図から、²³⁸Ｕ⁺は一定の空間内で振動する
のに対して、²³⁵Ｕ⁺は振動の振幅が時間とともに次第に
増大して発散し、茸傘形電極の位置にまで到達すること
がわかる。

【００５２】ここで茸傘形電極２６ａ，２６ｂは、²³⁸
Ｕ⁺が取り得る最大振幅よりも遠い位置、即ち、プラズ
マ生成器２９のイオン発生部の高さの約８倍以上の位置
に設置されている。第４図は半径（ｒ）方向のイオンの
軌道を模式的に示したもので、実線はイオンの振動の最
大振幅の時間的変化、即ち、その包絡線である。

【００５３】図から、²³⁵Ｕ⁺は一定の空間内で振動する
のに対して、²³⁸Ｕ⁺は振動の振幅が時間とともに次第に
増大して発散し、鼓形電極の位置まで到達することがわ
かる。ここで鼓形電極２５は、²³⁵Ｕ⁺が取り得る最大振
幅よりも大きい半径位置、即ち、プラズマ生成器２９の
半径の約１１倍以上の位置に設置されている。

【００５４】（実施例２）第５図は、本発明の装置の他
の実施例を説明する装置の縦断面図である。この例で
は、円筒形の真空容器と同位体分離空間に所定の電場を
形成するための環状電極群が一体になっており、装置が
コンパクトであるという特徴がある。

【００５５】装置の概略を説明すると、円筒形の真空容
器５１は排気ポート（図示せず）から真空排気装置によ
り高真空に排気される。

【００５６】真空容器５１の外周には真空容器円筒の軸
方向に磁場を形成するためのコイル群５２が設けてあ
る。

【００５７】真空容器５１の内壁にはテフロン等の電気
絶縁材５３を介して互いに絶縁された環状電極５４が一
定間隔で多数個設置されており、環状電極にはそれぞれ
所定の電圧が印加される。

【００５８】多数個の電極に印加される電圧は、実施例
１に示す鼓形電極と茸傘形電極に所定の静電圧及び脈動
電圧を印加して同位体分離空間に小さい脈動をもつ式
（２）で示される交番電場Ｕをつくるのと等価になるよ
うに設定されている。

【００５９】すなわち、各環状電極には、鼓形電極と茸
傘電極に所定の静電圧及び脈動電圧を印加したときに形
成される交番電場に、該環状電極付円筒を仮想的に浸し
たときに各環状電極が感じるであろう電圧と同じ電圧を
印加するのである。

【００６０】一方、容器の中心部にはＺ軸上に２個のプ
ラズマ生成器５５ａ，５５ｂが挿入されており、各プラ
ズマ生成器の上部及び下部に被分離物質の原子や被分離
物質を含む分子を供給することができる原子（分子）線
源５６ａ，５６ｂが配設されている。

【００６１】プラズマ生成器５５ａ，５５ｂは、環状の
タングステンフィラメント５７ａ，５７ｂとこれと同電
位の電極５８ａ，５８ｂから構成されている。

【００６２】このプラズマ生成器では、フィラメントか
ら放射された熱電子が磁場中で原子（分子）線源から供
給された原子（分子）に有効に作用し（ＰＩＧ放電）、
多くのイオンを生成することができる。

【００６３】

【発明の効果】本発明により、一段（プロセス）あたり
の分離度が高く、処理量が容易に増加でき、しかも多く
の元素の同位体分離に適用することができる同位体の分
離方法及び分離装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の断面図を示す。

【図２】本発明の実施例における鼓形電極の表面近傍の
断面図を示す。

【図３】本発明の実施例におけるイオンの移動と茸傘形
電極の位置との関係を示す。

【図４】本発明の実施例におけるイオンの移動と鼓形電
極の位置との関係を示す。

【図５】本発明の他の実施例を示す。

【符号の説明】

２１：真空容器２２：排気ポート２３：真空排気装置２４：磁場発生手段２５：単葉双曲面電極(鼓形電極) ２６：複葉双曲面電極(茸傘形電極) ２７：電流導入端子２８ａ：電流導入端子２８ｂ：電流導入端子２９：プラズマ生成器３０ａ：アーク放電電極３０ｂ：アーク放電電極３１：同位体分離空間４１：主電極４２：フィン５１：真空容器５２：磁場発生手段５３：電気絶縁材５４：環状電極５５ａ：原子(分子)線源５５ｂ：原子(分子)線源５６ａ：プラズマ生成器５６ｂ：プラズマ生成器５７ａ：タングステンフィラメント５７ｂ：タングステンフィラメント５８ａ：電極５８ｂ：電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者廣木成治茨城県那珂郡那珂町大字向山801番地の１日本原子力研究所那珂研究所内 (72)発明者香月健治神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地株式会社東芝京浜事業所内 (56)参考文献特開平５−74411（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01D 59/00 - 59/50 H01J 49/26

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】質量の異なった同位体の被分離物質を電
磁場を利用して分離する方法において、電離した被分離
物質を、Ｚ軸方向の磁場と、その被分離物質を取り囲む
ようにして半径位置に配置された単葉双曲面電極及びＺ
軸位置に配置された複葉双曲面電極に重畳して印加した
静電圧及び脈動電圧がつくる、下式で定義される交番電
場Ｕとにより、任意の臨界質量Ｍ_cを境にしてこれより
軽いイオンを軸（Ｚ）方向に、重いイオンを半径（ｒ）
方向に弁別して輸送することを特徴とする同位体の分離
方法。Ｕ＝1/2・k₀(1-Acos２θ)(−ｒ²＋２Z²) 式（１）Ｕ：交番電場 k₀ ：定数 A ：定数 θ ：時間関数 r ：半径方向の距離 Z ：Ｚ軸方向の距離
【請求項２】真空容器と、この容器のほぼ中心部に配
置されたプラズマ生成器と、このプラズマ生成器を取り
囲むようにして、容器内に半径位置に配置された単葉双
曲面電極及びＺ軸位置に配置された複葉双曲面電極と、
これらの電極に静電圧及び脈動電圧を供給する電源と、
真空容器の外部に配置されＺ軸方向に磁場を発生させる
磁場発生手段とを具備したことを特徴とする同位体の分
離装置。
【請求項３】前記単葉双曲面電極及び複葉双曲面電極
に静電圧及び脈動電圧を印加したときと等価な交番電場
をつくることができる多数個の電極群と、真空容器とが
一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の同
位体の分離装置。