JPH01245842A - 同位体分離方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は複数種類の同位体からなる物質から特定の同位
体を分離するレーザ法による同位体分離装置及びその方
法に関する。

（従来の技術） 例えばウランは質量数２３８のウラン（以下ウラン２３
８と略記する）と、原子核反応を起こす質量数２３５の
ウラン（以下ウラン２３５と略記する）との同位体混合
物で、天然のウラン中のウラン２３５の存在濃度は０．
７％程度である。そのため、ウランを原子炉用燃料とす
る場合には、天然ウラン又は原子炉使用済燃料か゛らウ
ラン２３５のみを分離し、濃度を３〜４％まで濃縮して
使用している。

ウランのような同位体混合物から特定の同位体を分離す
る方法には、ガス拡散法、遠心分離法。

レーザ法等があり、各方法とも同位体の物理的又は化学
的特性の相違を利用して分離を行なう。これらの方法の
うちレーザ法は分離性能が他の方法より特に優れており
、現在注目されている。

以下にレーザ法による同位体分離方法及びその装置の従
来例を第８図及び第９図を参照し、ウラン２３５の分離
操作を例にとって説明する。

第８図はウラン濃縮工程において使用されるレーザ法に
よる従来の同位体分離装置の構成を模式的に示す斜視図
、第９図は第８図のＩ−Ｉ矢視断面図である。第８図に
おいて、金属ウラン１は熱化学的耐性を有する例えばる
つぼなどの蒸発用容器２に収容されており、この蒸発用
容器２はほぼ真空状態に維持された密封容器３内の底部
に設置される６蒸発用容器２に沿ってリニア電子銃４が
設けられている。蒸発用容器２の上方には、陽電極８と
陰電極９とを交互に立設並置してなる同位体捕集装置１
５と、この電極８，９間に電界を印加する電源装置１６
とが設けられている。この各電極間に形成された光反応
部１０には各電極の長手方向に電離用レーザ光１１が電
離用レーザ光発振装置１２から照射されるようになって
いる。さらにこの同位体捕集装置１５を覆うように、そ
の上方に蒸気回収板１３が設けられている。

リニア電子銃４から発射される電子ビーム５は図示しな
い外部磁場コイルにより印加される直流磁場６により偏
向して金属ウラン１に照射される。

これにより金属ウランｌは２７００　Ｋ〜３１００に程
度まで加熱されて蒸発し、蒸気流７となる。蒸気流７は
密封容器３内を上昇し、光反応部１０へ導入され、照射
される電離用レーザ光１１と光反応を行なう。

電離用レーザ光１１の波長はウラン２３５の共鳴電離波
長に調整されており、蒸気流７中のウラン２３５のみが
電離用レーザ光１１と共鳴し、一定の確率で選択的に電
離される。生成したウラン２３５光電離イオンは、陽電
極８と陰電極９との間に電離用レーザ光１１と同期した
パルス状電極電圧を印加して形成された電場によって、
回収電極となる陰電極９の表面に吸着回収される。また
、電離されずに光反応部ＩＯを通過したウラン２３５及
びウラン２３８の混合蒸気流は光反応部１０の外縁部に
配置した蒸気回収板１３に付着回収されて液化し、別途
の手段により蒸発用容器２などに還流される。

（発明が解決しようとする課題） 前記のような同位体分離方法及び装置において、ウラン
２３５光電雛イオンのみが回収されるはずの同位体捕集
装置１５の陰電極９表面には、実際にはウラン２３５光
ｉｌｌイオンの他に光反応部１０に導入された蒸気流ヒ
３ツ中性原子も不純物として付にる。この中性原子の成
分としては光反応に関与しなかったウラン２３５原子も
多少台まれるが、その大部分は光反応に関係しないウラ
ン２３８原子である。

さらに蒸気流７中には各種の不純物荷電粒子が含まれる
。これは、強力な電子ビームを照射して高温条件下で金
属ウランを７８　Ｖ＆蒸発せしめる工程で発生したもの
で、不純物荷電粒子としては電子ビーム中の高速電子が
エネルギー減損して変化した熱電子、電子ビーム中の高
速電子と蒸気流中の中性原子とが衝突して発生するウラ
ン２３８イオン。

蒸気流が高温熱源と接触して発生するウラン２３８熱電
離イオン等がある。これらの荷電粒子を含む蒸気流７が
光反応部１０に導入さ、れると、イオンなどの正荷電粒
子はウラン２３５光電離イオンと同伴して陰電極９に吸
着される。また、電子などの負荷電粒子はウラン２３５
光電離イオンと再結合して、ウラン２３５光電離イオン
の電界回収を阻害する。

以上のように蒸気流中の中性原子及び不純物荷電粒子に
より、陰電極表面にはウラン２３８イオンや中性原子が
不純物として同時回収されるため目的とする同位体の分
離効率が低下し、回収した同位体の純度品質が低下する
という問題点があった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、同位体捕集装置の陰電極への回収目的−読へ定同
位体の回収を阻害することなく不純物中性原子や不純物
荷電粒子の付着を防止し。

同位体分離効率の指標となる分離係数を高く維持し、製
品純度の高い同位体分離方法井去及び装置を提供するこ
とを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本件発明第１番目の発明に係る同位体分離方法は、複数
種類の同位体を含む物質を荷電粒子ビームの照射により
加熱蒸発せしめて前記物質の蒸気流を生成し、この蒸気
流を陽電極と陰電極とを交互に立設並置してなる同位体
捕集装置に導入し。

特定同位体を選択的にイオン化する電離用レーザ光を照
射してイオン化同位体を生成し、前記電極間に前記電離
用レーザ光と同期したパルス状電界を印加して前記イオ
ン化同位体を前記陰電極に吸着させて分離回収する同位
体分離方法において。

前記陰電極近傍に沿って素線群をその長手方向が前記蒸
気流の上昇方向と鎖交するように設け、前記蒸気流中の
前記イオン化同位体以外の中性原子及び荷電粒子を該素
線群においてトラップすることを特徴とする。

本件発明第２番目の発明に係る同位体分離方法は、前記
第１番目の発明に係る同位体分離方法において、前記素
線群に前記陰電極に印加される電位よりも高電位が印加
されていることを特徴とする。

本件発明第３番目の発明に係る同位体分離方法は、前記
第１番目又は第２番目の発明に係る同位体分離方法にお
いて、前記蒸気流に前記電離用レーザ光が印加されてい
ない時間は、前記素線群には前記蒸気流中に存在する不
純物荷電粒子を反射する程度の電位が印加されているこ
とを特徴とする。

本件発明第４番目の発明に係る同位体分離装置陽電極と
陰電極とを交互に立設並置してなり前記蒸気流生成装置
の上方に設けられた同位体捕集装置と、この同位体捕集
装置に流入した前記蒸気装置と、前記電極間に前記電離
用レーザ光と同期したパルス状電界を印加する電源装置
とを有する同位体分離装置において、前記陰電極表面近
傍に該表面に沿って素線群を配して成る中性原子付着防
止装置を設けたことを特徴とする。

（作用） 同位体捕集装置に導入された蒸気流中の特定同位体は電
離用レーザ光の照射により電離して特定同位体イオンと
なり、電位の印加された陰電極方向にほぼ直角に偏向す
る。一方、前記蒸気流は同位体捕集装置の光反応部内を
ある広がり角をもって広がりながら上昇し、その広がり
により前記陰電極方向にむかうものもある。しかしなが
ら、前記陰電極近傍に該表面に沿って所定の位置に設け
られた素線群にあたり、ここでトラップされるため、前
記蒸気流中に含まれる不純物中性原子等の前記陰電極へ
の付着は低減される。

また、前記素線を前記陰電極に印加される電位よりも高
電位とすれば、前記特定同位体イオンの前記素線への付
着が防止される。

さらに、前記電離用レーザ光が照射されていない間は、
前記素線を適当な高電位とすることにより、前記蒸気流
中の不純物正性荷電粒子が素線にて反発される。

（実施例） 以下、本発明の実施例について、ウラン濃縮工程におけ
るウラン同位体の分離操作を例により、図面を参照して
説明する。なお、既に説明した従来例と同一部分には同
一符号を付している。

第１図は本発明第１の実施例に係る同位体分離装置の構
成を模式的に示す斜視図、第２図は第１図における■−
■矢視断面図である。図に示される同位体分離装置は、
はぼ真空状態に維持された密封容器３内の底部に金属ウ
ラン１を収容した熱化学耐性を有する蒸発用容器２と、
この蒸発用容器２に沿って金属ウラン１を加熱蒸発せし
め蒸気上方には陽電極８と陰電極９とを交互に立設並置
してなる同位体捕集装置１５が設けられ、この同位体捕
集装置１５の蒸気流７の入口には蒸気流７を整流する蒸
気流スロット２０が設けられている。同位体捕集装置１
５の画電極８，９間の空間である光反応部１０には、電
離用レーザ光１１が電離用レーザ光発振装置１２から前
記各電極８，９の長平方向に照射される構成となってい
る。また、前記陰電極９の表面近傍には陰電極９の長平
方向に沿って複数の素線１７を並置した素線群よりなる
中性原子付着防止装置１９が設けられており、各素線は
例えば前記蒸気流７の上昇方向と直行し、且つその素線
間隔は同位体捕集装置１５の蒸気流７の入口からは陰仰 電極９を弁視できないように配される。さらに、同位体
捕集装置１５の上方全般にわたって蒸気回収板１３が設
けられている。

本実施例における同位体分離方法を以下に示す。

金属ウラン１を直流磁場６により偏向された電子ビーム
５の照射により加熱蒸発せしめて蒸気流７を生成する。

生成された蒸気流７を蒸気流スロッート２０で整流し、
光反応部１ｏへ導入する。この部分を拡大して第３図及
び第４図に示す。第３図及び第４図は中性原子付着防止
装置１９付近を蒸気流７の動きと共に示す拡大模式図で
ある。前記光反応部１０に導入された蒸気流７に電離用
レーザ光１１を照射し、蒸気流７中のウラン２３５のみ
を電離してウラン２３５光電離イオンとする。この際、
前記画電極８，９間に電源装置１６により前記電離用レ
ーザ光１１と同期したパルス状電圧を印加し、前記ウラ
ン２３５光電離イオンを第４図に示す軌道２２のように
ほぼ直角に陰電極９方向に偏向し、該表面に吸着回収す
る。ウラン２３５光電離イオンが中性原子付着防止装置
１９によって阻害されることなく回収電極に到達するに
は、素線１７の直径をａ（ｎｕ）。

素線間の間隔をｂ（ｍｍ）として、■式を満たすように
素線１７を配置すればよい。

ａ　＜　ｂ　　　　　　　　　　　　　　　Ｑ）一方、
蒸気流７は広がり角ｅをもって軌道２１まで広がって光
反応部ＩＯを上昇するため、この広がりによる蒸気流７
中の不純物中性原子の陰電極９への付着を阻止するには
、０式を満たすように素線１７を配置すればよい。

ｅ＜ｔａｎｌ−■ これにより、中性原子などウラン２３５光電離イオン以
外からなる蒸気流７は素線１７にてトラップされ、陰電
極９にまで達することはない。

即ち、前記の、０式を同時に満たす様に素線１７を決め
れば、ウラン２３５光電離ウランの回収を阻害すること
なく中性原子の製品中への混入を低減できる。

次に本発明の第２の実施例を第５図を用いて説明する。

本発明第２の実施例に係る同位体分離方法は、前記第１
の実施例において、＋ｉＩＩ記中性原子付着防止装置１
９÷の前記各素線１７に前記陰電極９に電源装［１６か
ら印加される電位よりも高電位を印加することを特徴と
する。第５図は本実施例により同位体捕集装置１５内の
縦断面に形成される電位の分布図である。縦軸は電位分
布で、Ｖａは陽電極８に印加される電位、　Ｖｇは素線
１７に印加される電位でＶｇ＜Ｖａとする。横軸は位置
を示し、陽電極８と陰電極９との中間点を符号Ｃであら
ゎす。

そして、第４図中の（Ａ）線（素線１７の中心を通る）
、（Ｂ）線（素線間隔の中点を通る）に沿う電位分布を
それぞれ（１）、（ＩＩ）に、また素線１７に電位を印
加しなかった場合の電位分布を（ｍ）に示す。

蒸気流７中のウラン２３５が画電極８，９の中間点Ｃに
てイオン化されたとして、その時点での電界方向の運動
エネルギーはほぼゼロと考えて０点での電位をＶｃとす
る。この場合、ウラン２３５光電離イオンの素線１７へ
の接近を回避するには■を満たすようにＶｇを設定すれ
ばよく、これにより第１の実施例よりもさらにウラン２
３５の分離効率が向上する。

Ｖｇ≧Ｖｃ　　　　　　　　　　　　　■勿論、素線１
７の電位状態は蒸気流７中の中性原子の挙動には何等の
影響も与えない。

さらに本発明の第３の実施例を第６図及び第７図を用い
て説明する。第６図は本発明節３の実施例において照射
される電離用レーザ光１１及び素線１７に印加される電
位のサイクルパターン図である。

第６図に示すように特定同位体を選択的にイオン化する
電離用レーザ光１１はパルス状に照射される。

その照射時を（■）、非照射時を（Ｖ）とする。本実施
例に係る同位体分離方法は前記第１又は第２の実施例に
おいて、電離用レーザ光１１の非照射時（Ｖ）に素線１
７に対し、蒸気流７中に存在する不純物正性荷電粒子を
反射し得る程度の高電位ｖｇ′　が与えられ、不純物正
性荷電粒子の陰電極９への付着を防止することを特徴と
する。ウラン２３５光電離イオンは（ＴＶ）においての
み生成されるが、不純物正性荷電粒子は（ＩＶ）、（Ｖ
）を問わず光反応部１０に導入されるため、ウラン２３
５光電離イオンが存在しない（Ｖ）の間は素線１７に充
分な高電圧■ｇ′　　を与えれば、不純物正性荷電粒子
が素線１７と反発するたぬ色素線間すら通ることはでき
ず、不純物荷電粒子の陰電極９への付着が著しく低減さ
れる。

第７図は本実施例により同位体捕集装置１５内の縦断面
に形成される電位の分布図である。縦軸は電位分布、横
軸は位置を示し、　（Ｉ）、（ＩＩ）及び（ｍ）は第６
図におけるそれと同じ部位の電位分布を示す。素線１７
に印加される電位ｖｇ′　は陽電極の電位Ｖａより高電
位とする。に）式は不純物正性荷電粒子の平均エネルギ
ーＥａを示す。Ｔは絶対温度（Ｋ）、ｋはボルツマン定
数、ｅは電気素量である。

ｋＴ Ｅａ　＝　−（Ｖ　）　　　　　　　　　　に）ｅ 素線間の中点における電位を■ｇ＊とすると、０式を満
たすようにＶｇを設定すれば不純物正性荷電粒子を素線
１７にて反発させ、陰電極９への付着を防止できる。

Ｖｇ京−Ｖｃ≧Ｅａ　　　　（Ｖ）　　　　　　　　　
　　　　　　　■例えばＴ　＝３０００（Ｋ）の場合Ｅ
ａ＝０．３９（Ｖ）となり。

数ボルト程度の電位差により不純物正性荷電粒子の陰電
極９への付着が防止できる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数種類の同位体を含む物質のレーザ
法による同位体分離方法及び装置において、前記物質の
蒸気流中の不純物中性原子及び不純物正性荷電粒子が、
回収目的物である特定同位体に混入して回収されること
を防止し、分離係数を高く維持し、特定同位体の分離効
率及び製品純度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明節１の実施例に係る同位体分離装置の構
成を模式的に示す斜視図、第２図は第１図におけるｕ−
ｎ矢視断面図、第３図及び第４図は中性原子付着防止装
置内を蒸気流の動きと共に示す拡大模式図、第５図は本
発明節２の実施例により同位体捕集装置内の縦断面に形
成される電位の分布図、第６図は本発明節３の実施例に
おいて照射される電雅用レーザ光及び素線に印加される
電位のサイクルパターン図、第７図は本発明節３の実施
例により同位体捕集装置内の縦断面に形成される電位の
分布図、第８図は従来の同位体分離装置の構成を模式的
に示す斜視図、第９図は第８図における！−１矢視断面
である。 １・・・金属ウラン、５・・・電子ビーム、７・・・蒸
気流、８・・・陽電極、９・・・陰電極、１０・・・光
反応部。 １１・・・電離用レーザ光、１５・・・同位体捕集装置
、１７・・・素線、１９・・・中性原子付着防止装置内
代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第３図 第４図 第　５　図 時間 第６図 第７図 第８図 第９図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数種類の同位体を含む物質を荷電粒子ビームの
   照射により加熱蒸発せしめて前記物質の蒸気流を生成し
   、この蒸気流を陽電極と陰電極とを交互に立設並置して
   なる同位体捕集装置に導入し、特定同位体を選択的にイ
   オン化する電離用レーザ光を照射してイオン化同位体を
   生成し、前記電極間に前記電離用レーザ光と同期したパ
   ルス状電界を印加して前記イオン化同位体を前記陰電極
   に吸着させて分離回収する同位体分離方法において、前
   記陰電極表面近傍に沿って素線群をその長手方向が前記
   蒸気流の上昇方向と鎖交するように設け、前記蒸気流中
   の前記イオン化同位体以外の中性原子及び荷電粒子を該
   素線群においてトラップすることを特徴とする同位体分
   離方法。
2. （２）前記素線群には、前記陰電極に印加される電位よ
   りも高電位が印加されていることを特徴とする請求項（
   １）記載の同位体分離方法。
3. （３）前記蒸気流に前記電離用レーザ光が印加されてい
   ない時間は、前記素線群には前記蒸気流中に存在する不
   純物荷電粒子を反射する程度の電位が印加されているこ
   とを特徴とする請求項（１）又は（２）記載の同位体分
   離方法。
4. （４）複数種類の同位体を含む物質を荷電粒子ビームの
   照射により加熱蒸発せしめる蒸気流生成装置と、陽電極
   と陰電極とを交互に立設並置してなり前記蒸気流生成装
   置の上方に設けられた同位体捕集装置と、この同位体捕
   集装置に流入した前記蒸気流に照射する特定同位体を選
   択的にイオン化する波長の電離用レーザ光を発する電離
   用レーザ光発振装置と、前記電極間に前記電離用レーザ
   光と同期したパルス状電界を印加する電源装置とを有す
   る同位体分離装置において、前記陰電極表面近傍に該表
   面に沿って素線群を配して成る中性原子付着防止装置を
   設けたことを特徴とする同位体分離装置。