JPH02144126A - 同位体分離方法及び装置 - 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、レーザ法による同位体分離方法及び装置に係
わり、製品回収電極への中性原子付着率を低減させ、同
位体の分離性能を向」ニさせると共に同位体分離の処理
量を向上させた同位体分離方法及び分離装置に関する。

（従来の技術） 原子炉用燃料として使用されているウラン燃料は、ウラ
ン同位体の混合物の中から原子核反応を起こす特定のウ
ランを分離濃縮して所定濃度に調整後、原子炉に装荷さ
れる。

天然に産出するウランは、質量数が２３５の軽い原子核
から成るウラン原子（以下、ウラン２３５と略記する）
が０．７％程度含有され、残りの大部分は原子核の質量
数が２３８のウラン原子（以下、ウラン２３８と略記す
る）である、このうち原子核反応を起こすウラン２３５
は、上記天然ウラン又は原子炉使用済燃料から分′ｌａ
′ａ縮され、通常３〜４％程度まで濃縮された上で原子
炉用燃料として使用される。

従来、ウラン２３５、ウラン２３８などの同位体の混合
物からウラン２３５を分離し、所定濃度レベルまで高め
る濃縮方法としてはガス拡散法、遠心分離法、レーザ法
、化学交換法などがあり、各方法とも同位体の化学的特
性や物理的特性の相違を利用して分層濃縮操作を実施す
るものである。このうちレーザ法は、他の方法に比べて
分離性能の点で特に優れている方法として現在注目され
ている。

以下にレーザ法による同位体分離方法及び装置の従来例
を第４図、第５図及び第６図を参照して説明する。

第４図は、ウラン濃縮工程において使用されるレーザ法
同位体分離装置の構成を模式的に示す斜視図であり、第
５図は第４図における■−■断面図である。以下は、ウ
ラン同位体の分離操作を例にとって説明する。天然もし
くは原子炉で使用された減損した燃料体から取り出され
た金属ウラン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の内に装荷されている。この蒸発用
容器２は、はぼ真空状態に維持された密封容器３の内底
部に設置されている。次にリニア電子銃４から発射され
る電子ビーム５を１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により偏向して蒸発用容器２の内の
金属ウラン１に照射する。電子ビーム５の照射を受けた
金属ウラン１は２７００　Ｋ〜３１００に程度まで加熱
されて蒸発し、蒸気流７を生成する。なお、蒸気流７の
組成は、例えば天然ウランを金属ウラン１として使用し
た場合は、重量比でウラン２３５が０．７％、ウラン２
３８が９９．３％含まれる。一方、蒸発用容器２の上方
には、帯状の製品回収電極として、陽電極８と陰電極９
とが交互に配置され、その電極間にそれぞれ光反応部１
０が形成される。光反応部１０の長平方向には、レーザ
発生装置１２により発生されたウラン２３５を選択的に
電離するレーザビーム１１が入射され、蒸気流７と光反
応を行う。レーザビーム１１の波長はウラン２３５の共
！電離波長に調整されており、光反応部１０に導入され
たウラン蒸気流７に含まれるウラン２３５原子のみがレ
ーザビーム１１と共鳴し、一定の確率で選択的に電離さ
れる。電離されたウラン２３５イオンは陽電極８と陰電
極９との間に。

レーザビーム１１と同期したパルス状電極電圧を印加す
ることにより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１０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に吸着回収される。回収され液化
した蒸気は別途の手段により蒸発用容器２などに還流さ
れる。

第６図は、第５図の従来例の装置構成を示す断面図にお
いて、蒸発プロセスに係わる要部断面図である。電子ビ
ーム５により溶融した金属ウランｌの蒸発界面１４にお
いては、線状の電子ビームＳの照射される高温領域１５
で特に蒸気流が顕著に生成され、この高温領域１５の中
心部１６では最も高密度の蒸気流が発生する。このため
上記の陽電極８と陰電極９からなる回収電極群は、全て
この中心部１６に向けて傾斜させ、かつ各電極の蒸気入
口端が中心部１６から等しい位置になる様に配置する装
置構成となっている。

（発明が解決しようとする課題） ところで従来のウラン同位体分離方法及び装置によれば
、ウランの分離操作の前処理工程において、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溶融蒸発せ
しめて蒸気流を生成する工程を有するため、生成した蒸
気流には分離対象となる特定同位体原子と共に特定同位
体以外の原子が含有される。ウラン同位体分離工程にお
いては、ウラン２３５　ｍ子が特定同位体原子となるが
、残りの大部分はウラン２３８原子もしくは不純物荷電
粒子である。

従って、これらの中性原子及び不純物荷電粒子を含む蒸
気流が光反応部内に流入した場合、ウラン２３５光電離
イオンを電界回収する電極表面には、上記光電離イオン
の他に光反応部に流入した中性原子も少なからず付着す
る。これには光反応に関与しなかったウラン２３５原子
も含まれるが、その大部分はもとより光反応を起こさな
いウラン２３８原子である。

即ち、本来ウラン２３５光電離イオンのみを電界回収す
るはずの電極表面にウラン２３８原子が同時回収され、
目的とする同位体の分離効率を低下させ１回収ウランの
純度品質を低下させる原因となっている。

また蒸発空間を伝播する蒸気流は、必ずしも蒸発中心部
から同心円状の密度分布とは異なり蒸発源上部に偏った
分布を有するため、蒸発源の上部に配置された各光反応
部に流入する蒸気流の原子密度がそれぞれ異なった値に
なり、同位体分離の処理量が各光反応部で一定でなくな
る。

本発明は、上記の問題点を解決するために発案されたも
のであり、ウラン蒸気流が光反応部に流入してから、ウ
ラン蒸気流に含まれる中性原子の製品回収電極への付着
量を低減させ、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） 本願第１番目の発明に係わる同位体分離方法は、複数種
類の同位体を含む物質を、外部印加の直流磁場により偏
向さ九た荷電粒子ビームにより加熱蒸発せしめて蒸気流
を生成し、この蒸気流を陽電極と陰電極とを交互に並置
して形成した同位体捕集装置に蒸気流通路を経由して導
入した後で、蒸気流に特定同位体を選択的にイオン化す
る電離用レーザビームを照射してイオン化同位体を生成
し、電極間に電離用レーザビームと同期したパルス状電
界を印加することによってイオン化同位体を回収電極方
向に偏向させて特定の同位体を分離回収する同位体分離
方法であって、蒸発源の上部に、陽電極と陰電極から構
成される電極群を配置し、この電極群が蒸発空間を仕切
ることにより形成される同位体捕集空間の開口方向を、
有限の大きさを有する蒸発源から発せられる蒸気流の流
速方向と同じになる様に電極群の傾斜方向を調整するこ
とを特徴とする。

また、本願第２番目の発明に係わる同位体分離装置は、
荷電粒子ビームを偏向させる直流磁場発生装置と、複数
種類の同位体を含む物質をこの荷電粒子ビームにより加
熱蒸発せしめる蒸気流生成装置と、蒸気流生成装置から
同位体捕集装置ｉｄに至る蒸気流通路と、蒸気流通路を
通り同位体捕集装置に流入した蒸気流に電離用レーザビ
ームを照射して特定の同位体を選択的にイオン化する電
離用レーザビーム発生装置と、電離用レーザビームによ
ってイオン化した同位体を同位体捕集装置の回収電極に
偏向させて分離回収するために電極間に電離用レーザビ
ームと同期したパルス状電界を印加する電源装置とを備
え、同位体捕集装置においては電離用レーザビーム照射
方向を長尺方向とする陽電極及び陰電極の蒸気流出口端
から入口端への延長線が、蒸発面より上部の蒸発空間内
の点、または蒸発面より下部の点で交差するように各電
極の傾斜角度を定め、この交差点の位置を蒸発源から生
成され同位体捕集装置に流入する蒸気流の流速ベクトル
の輻射と一致させるような構成にしたことを特徴とする
。

本願第３番目の発明に係わる同位体分離装置は、上記第
２番目の発明に係わる同位体分離装置において、陽電極
または陰電極の蒸気流入口端の位置は、蒸発源から生成
される蒸気流の等密度分布線上になるように設置したこ
とを特徴とする。

（作用） 本発明に係わる同位体分離方法及び装置によれば、同位
体捕集装置に流入した蒸気流のうち選択的電離用レーザ
ビームと光反応しなかった中性原子については、これら
が陰電極表面に付着することにより同表面上に電界回収
される特定同位体の光電離イオンと混在してしまわない
ように、光反応部における蒸気流の流速ベクトル方向と
陰電極表面の傾斜方向を一致させている。これにより光
反応部を流れる中性原子流の通過を前記陰電極が妨げる
ことなく、蒸気回収板は光反応に与からなかった中性原
子を効率的に回収でき、さらに陰電極は勿論のこと陽電
極表面にも徒に中性原子が付着する量は著しく低減され
る。これにより製品回収電極である陰電極には、純度の
高い特定同位体が回収され、分離プロセス上の分離係数
を向上させることができる。また、陽電極及び陰電極が
蒸発空間を仕切ることにより形成される同位体捕集空間
の配置位置を蒸気流の等密度領域に設定するようにする
。これにより常時は製品回収電極への中性原子の付着率
を抑制し、併せて蒸発フラックスを有効に分離処理に供
することができ、処理能力を向上させることができる。

以」―の通り、目的とする特定同位体が高い分離係数で
捕集され、純度品質の高い製品を効率的に得ることがで
きる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について、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とり、図面に従って
説明する。第１図は本発明に係わる同位体分離装置の一
実施例の構成を示す要部断面図であり１本技術従来例の
構成を示す第６図に対応するものである。尚、第４図、
第５図及び第６図に示す従来例と同一の構成要素、部品
には同一の番号を付している。同位体分離装置は、金属
ウラン１を収容した蒸発用容器２と、蒸発用容器２に収
容された金属ウラン１にリニア電子銃４がら発射する電
子ビーム５を照射して金属ウラン１を加熱蒸発せしめ、
ウラン蒸気流７を生成する蒸気流生成装置１８とが備え
られている。その蒸気流生成装置１８の上方には、陽電
極８と陰電極９を交互に並置して形成した同位体捕集装
置】９が設けられている。陽電極８と陰電極９との間に
は光反応部ｌＯが形成され、この光反応部１０を流れる
ウラン蒸気流７に電離用レーザビーム１１を照射する。

電離用レーザビーム１１の照射によってイオン化した同
位体は、電源装置２０によって陽電極８と陰電極９によ
って形成された電界によって偏向されて陰電極９に回収
される。蒸気流生成装置１８において、リニア電子銃４
により金属ウラン１表面に電子ビーム５が照射され、金
属ウラン１は溶融状態となる。この溶融面が蒸発界面１
４を形成し、該部からウラン蒸気流７が生成される。特
に高温領域１５は電子ビーム５が直接照射される領域で
あり、これ以外の蒸発界面１４に比べて高密度の蒸気流
を生成することができる。中心部１６は高温領域１５の
中心であり、近似的にはこの中心部１６の周りの高温領
域１５を実質的な蒸発領域と考えることができる。

いま、蒸発領域幅として高温領域１５の代表幅ｄを考え
る。蒸気原子は当該領域の温度Ｔ、、で与えられるマッ
クスウェル・ボルツマン分布に従う速度分布で蒸発領域
から蒸発空間へと飛び出し、その蒸発フラックスφ、及
び全蒸発フラックスΦは、温度Ｔ０の飽和蒸気密度をｎ
い熱平均速度をＶ、高温領域１５の長尺方向長さをＬと
すると（１）、０式の通り与えられる。

φ＝ｎ、ｖ／４　　　　　　　　　　Ｑ）Φ＝ｎ、ｖ−
ｄＬ／４　　　　　　■ ここで、蒸発源が有限の大きさｄを有するため、そこか
ら生成される蒸気流７は、蒸発源近傍の蒸発空間内での
蒸気原子間の衝突散乱過程を経て希薄流として同位体捕
集袋ｆｉ１９の近くに至るころには、輻射点１７から放
射状に発生したかの様な流速ベクトルを持つに至る。こ
のとき同位体捕集装置１９を構成する陽電極８及び陰電
極９など各電極群の蒸気流出口端から入口端へ延長線が
全て前記輻射点１７を通過する様に各電極群の傾斜角度
０を設定する。これにより同位体捕集装置１９の内部に
おいて各電極群の配置は、核部を還流する蒸気流７に対
して最も影響の少ないものとなり、同位体捕集装置１９
に流入して蒸気流７に含有される原子のうち電離用レー
ザビーム１１と光反応しなかったものはほとんど電極群
に妨げられることなく蒸気回収板１３に効率的に吸着回
収される。もちろん、電離用レーザビーム１１により選
択的に光電離された特定同位体イオンは、従来例と同じ
く陰電極９の表面上に電界回収される。

一般に、蒸発域の幅ｄ及び蒸気流７の物理的諸条件に基
づく陰電極９の表面に対する中性原子付着量は、陰電極
９上に回収された特定同位体の濃縮ウラン濃度を規定す
る主要な要素のひとつとなる。即ち同位体分離効率を上
げるためには、この中性原子付着率を低減させる必要が
あり、陰電極９には特定同位体の光電離イオンのみを回
収することが理想的と言える。電極面への中性原子付着
量は、核部の蒸気流７の温度や密度などの条件の他に、
電極面の傾斜角度θと蒸気流７の流速ベクトル方向角度
ψとの差異に特に敏感に影響され易い。例えば、従来例
の様に各電極の傾斜方向が全て中心部１６の方向を向い
ていると、陰電極表面９ａへの中性原子付着量は問題と
ならないが、その反面に陰電極表面９ｂへの中性原子付
着量が非常に大きくなるという弊害が生じ、分離装置構
造上の欠陥ともなる。

本実施例における輻射点１７の設定方法は、回収電極群
のうち最も左右外側の電極の蒸気流出口端から入口端へ
の延長線が高温領域１５の左右両端を各々通る様にし、
この２本の延長線が交差する点を輻射点Ｉ７と設定する
ことができる。次いでこの輻射点１７を中心として各電
極群の傾斜角度θを均等に設定してやれば、この傾斜角
度θを以て蒸気流７の流速バク１〜ル方向角ψにほぼ等
しく設定することができる。

以上の如く本発明によれば、光電離イオンの回収プロセ
スに影響を与えずに各製品回収電極への中性原子付着率
を従来より低減させることができ、しかも電極毎に均一
化できるので、各製品回収電極表面に分離される特定同
位体の濃縮度を高く均一に維持できる。

以下に本発明の実施例を図面に従って説明する。

第２図は第１図と同様に蒸気流生成装置１８及び同位体
捕集装置１９の構成を示す要部断面図である。

本実施例においては、電子ビーム５を金属ウラン１の上
へ局所化、高密度化して照射している。

即ち蒸発界面１４上には局在化された高温領域１５が形
成され、蒸気流７は主にこの狭い領域から生成される。

さらに本実施例の様に電子ビーム５を狭い領域に絞り込
むと高温領域１５の体表幅ｄは勿論小さくなるが、蒸発
温度Ｔ、が極端に高くなる。これにより核部の飽和蒸気
密度ｎ０も高くなり、高温領域１５の周りの蒸発空間で
の原子間衝突散乱過程が著しくなる。この様な蒸発プロ
セスにおいては、蒸発空間内の比較的広い範囲で原子間
衝突散乱が起こるので同位体捕集装置１９の近傍での蒸
気流７は、高温領域１５から高さｈの所にある輻射点１
７から放射状に発生した様な流速ベクトルを有する。

このとき同位体捕集装置１９を構成する陽電極８及びｌ
１３電極９など各電極群の蒸気流出口端から入口端への
延長線が全て前記の輻射点１７を通過する様に各電極群
の傾斜角度Ｏを設定する。これにより同位体捕集装置１
９に流入する蒸気流７は、同位体捕集装置１９を構成す
る陽電極８及び陰電極９により阻害されることなく、光
反応に与からなかった中性原子は蒸気回収板１３に吸着
回収される。

さらに本発明の他の実施例を第３図に従って説明する。

第３図は第１図及び第２図に示した様な蒸気流生成装置
１８及び同位体捕集袋［１９の要部を示す断面図である
。

本実施例においては、陽電極８及び陰電極９からなる電
極群を蒸気流の等密度分布線上に配置している。これは
第４図に示した実施例において各電極の蒸気流入口端を
全て蒸発源である高温領域１５の中心部１６から等距離
位置に配置しているのと異なり、高温領域１５の真上に
ある電極よりも左右両端部にある電極を中心部１６に近
く配置している。

これは蒸気流の密度分布が高温領域１５の真上で高く、
両側部で低いことと対応させていることによる。

即ち本実施例によれば、各電極群により蒸発空間を仕切
って形成される光反応部内の蒸気密度を均一・化できる
。これは各光反応部にて分離処理される特定同位体の量
を一定にすることができるわけであり、換言すれば高温
領域１５の真上の光反応部と同程度に両側部の光反応部
にても処理できる様になる。

〔発明の効果〕

以上説明の通り１本発明に係わる同位体分離方法及び分
離装置によれば、同位体捕集装置における電極群の傾斜
方向を蒸気流フラックスの輻射点に向けることにより、
特定同位体イオンの分離回収プロセスにおける分離性能
を低下させる製品回収電極への中性原子付着率を抑制す
ることができる。従って、同位体分離装置の運転効率の
指標となる分離係数が高く、また分離回収した同位体製
品の純度品質を大幅に向上させることができる。

また副次的には各製品回収電極への中性原子付着率を電
極毎に均一化できると共に、各光反応部における特定同
位体の分離回収処理量を一様にでき、光反応部毎での製
品量、製品純度のバラツキを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる同位体分離方法を実施する同位
体分離装置における蒸気流生成装置及び同位体捕集装置
の構成を示す要部断面図、第２図及び第３図は第１図以
外の本発明に係わる同位体分離方法を実施する同位体分
離装置の構成を示す要部断面図、第４図は従来の同位体
分離装置の構成を示す斜視図、第５図は第４図における
ｖ−ｖ矢視断面図、第６図は第４図及び第５図における
蒸発プロセスに係わる要部断面図である。 １・・・金属ウラン　　　　　２・・・蒸発用容器３・
・・密封容器　　　　　　４・・・リニア電子銃５・・
・電子ビーム　　　　　６・・・直流磁場７・・・蒸気
流　　　　　　　８・・・陽電極９・・・陰電極　　　
　　　　９ａ・・・陰電極表面９ｂ・・・陰電極表面　
　　　　１０・・・光反応部１１・・・電離用レーザビ
ーム　１２・・・レーザ発生装置Ｉ３・・・蒸気回収板
　　　　　１４・・・蒸発界面１５・・・高温領域　　
　　　　１６・・・中心部１７・・・輻射点　　　　　
　　１８・・・蒸気流生成装置１９・・・同位体捕集装
置　　　２０・・・電源装置ｄ・・・高温領域幅　　　
　　０・・・電極傾斜角度ψ・・・蒸気流流速方向角　
　Ｌ・・・高温領域長さｈ・・・輻射点の高さ　　　　
Ｔｏ・・・蒸発温度ｎ０・・・飽和蒸気密度　　　　Ｖ
・・・熱平均速度φ・・・蒸発フラックス　　Φ・・・
全蒸発フラックス代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 第１図 ″−７ 第 図 第 図 第 図 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）複数種類の同位体を含む物質を、外部印加の直流
   磁場により偏向された荷電粒子ビームにより加熱蒸発せ
   しめて蒸気流を生成し、この蒸気流を陽電極と陰電極と
   を交互に並置して形成した同位体捕集装置に蒸気流通路
   を経由して導入した後に、前記蒸気流に特定同位体を選
   択的にイオン化する電離用レーザビームを照射してイオ
   ン化同位体を生成し、上記電極間に電離用レーザビーム
   と同期したパルス状電界を印加することによってイオン
   化同位体を回収電極方向に偏向させて特定の同位体を分
   離回収する同位体分離方法において、蒸発源の上部に、
   前記電離用レーザビーム照射方向を長尺方向とする前記
   陽電極と前記陰電極から構成される電極群を配置し、こ
   の電極群が蒸発空間を仕切ることにより形成される同位
   体捕集空間の開口方向を、有限の大きさを有する蒸発源
   から発せられる蒸気流の流速方向と同じになる様に電極
   群の傾斜方向を調整することを特徴とする同位体分離方
   法。
2. （２）荷電粒子ビームを偏向させる直流磁場発生装置と
   、複数種類の同位体を含む物質をこの荷電粒子ビームに
   より加熱蒸発せしめる蒸気流生成装置と、陽電極と陰電
   極を交互に並置して形成した同位体捕集装置と、前記蒸
   気流生成装置から同位体捕集装置に至る蒸気流通路を形
   成する密閉容器と、蒸気流通路を通り同位体捕集装置に
   流入した蒸気流に電離用レーザビームを照射して特定の
   同位体を選択的にイオン化する電離用レーザビーム発生
   装置と、電離用レーザビームによってイオン化した同位
   体を同位体捕集装置の回収電極に偏向させて分離回収す
   るために電極間に電離用レーザビームと同期したパルス
   状電界を印加する電源装置とを備え、前記同位体捕集装
   置においては前記電離用レーザビーム照射方向を長尺方
   向とする前記陽電極及び前記陰電極の蒸気流出口端から
   入口端への延長線が、蒸発面より上部の蒸発空間内の点
   、または蒸発面より下部の点で交差するように各電極の
   傾斜角度を定め、この交差点の位置を蒸発源から生成さ
   れ前記同位体捕集装置に流入する蒸気流の流速ベクトル
   の輻射点に一致させるような構成にしたことを特徴とす
   る同位体分離装置。
3. （３）陽電極または陰電極の蒸気流入口端の位置は、蒸
   発源から生成される蒸気流の等密度分布線上になるよう
   に設置したことを特徴とする請求項２記載の同位体分離
   装置。