JPH0217923A - 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、特に製品回収電極への中性原子付着率を低減させ
、不純物イオン等の混入を防止し同位体の分離性能を向
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離濃縮
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
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離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図及び第５図を参照して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にの蒸発用容器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、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２７０
０に〜３１００に程度まで加熱されて蒸発し、蒸気流７
を生成する６尚、蒸気流７の組成は１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２３８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１ｏが形成される６尚反応部１
０の長手方向には、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の共鳴電離波長に調整されて居り
、光反応部１０に導入されたウラン蒸気流７に含有され
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２
３５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ｌＯ
を通過したウラン２３５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１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。

（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１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
気流には各種の不純物荷電粒子が含まれる。不純物荷電
粒子としては先ず、電子ビーム中の高速電子がエネルギ
減損して変化した熱電子及び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２
３８熱電離イオン等である。

従ってこれらの不純物荷電粒子を含む蒸気流が、同位体
捕集装置内に流入した場合、これら不純物荷電粒子のう
ちイオンなどの正性荷電粒子はウラン２３５光電離イオ
ンと同伴して陰電極に吸引される。また、電子などの負
性荷電粒子はウラン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。

さらに、ウラン２３５光電離イオン回収する電極表面に
は、上記の各種荷電粒子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。

従って、本来ウラン２３５光分離イオンのみを電界回収
する筈の電極表面にウラン２３８イオンもしくは原子が
同時回収され、目的とする同位体の分離効率を低下させ
、回収ウランの純度品質を低下させる原因と成っている
。

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する前段階で
、ウラン蒸気流に含まれる不純物荷電粒子を除去し、か
つ製品回収電極表面上への中性原子付着量を低減させ、
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） 本件第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
導入した後で、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、前記回収電極の蒸気流通路方
向の長さを陰電極よりも陽電極の方を前記の同位体捕集
装置の蒸気流入側に延長させ、これにより前記回収電極
の陽電極のみを交互に並置し、前記蒸気流生成源から陰
電極を仰視できないように調整することにより、前記の
陰電極表面への中性原子付着量及び不純物荷電粒子付着
量を低減させ、以て前記陰電極に製品純度の高い特定同
位体を得ることを特徴とする。

また１本発明第２番目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、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と、上記流通路を通り同位
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、前記陽電極
の蒸気流通路方向長さを前記の同位体捕集装置の蒸気流
入側に延長することにより、前記陽電極のみが対向して
並置されて成る中性原子及び不純物荷電粒子除去装置を
備え、前記回収電極間に印加された電界によって偏向さ
れたイオン化同位体が前記陰電極上へ分離回収されるの
を阻害せずに、前記同位体捕集装置の蒸気流入口に具備
された中性原子及び不純物荷電粒子除去装置により前記
陰電極に向かって前記蒸気流通路方向と斜交する様に流
入する中性原子流及び、不純物荷電粒子流が前記陰電極
に付着する前にトラップされるように構成したことを特
徴とする。

（作　用） 本発明に係わる同位体分離方法及び分離装置によれば、
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う
前段階で中性原子除去装置により除去される。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、上記特定同位体でない同位体のイ
オン等の不純物正性荷電粒子が上記特定同位体の光電離
イオンと混和して電界回収されることによっても分離係
数の低下をきたす、この様な不純物荷電粒子は既述の如
く、同位体加熱蒸発用の荷電粒子ビームとこれにより生
成される蒸気流とが交差衝突する空間領域で主に発生す
る。

この不純物荷電粒子は蒸気流中の大部分を構成する中性
原子との衝突及び、上記直流磁場によるローレンツ力に
より蒸気流方向とは異なった流速方向を有する様になり
、同位体捕集装置の蒸気流入口に至るころには蒸気流方
向と不純物荷電粒子方向は明らかな変位を持つ。前記の
中性原子除去装置はこの流速方向変位を利用して不純物
荷電粒子をも同時に除去することができる。以上の通り
、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、第１図ないし
第３図を参照して説明する。尚、これらの図において、
第４図及び第５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。

第１図および第２図において、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、蒸気用容器２に収
容された金属ウラン１にリニア電子銃４から発射する電
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１４とが備
えられている。その蒸気流生成装置１４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１５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１０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１６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。

第３図は本発明に係わる要部を示す断面図であり、同位
体捕集装置１５．特に陽電極８．陰電極９付近の構成を
図示するものである。ここで同位体捕集装置１５の製品
回収電極である陰電極９と対向する陽電極８は、光反応
部ＩＯにおいて電離用レーザビーム１１により選択的に
電離されたイオン化同位体１７を陰電極９に吸引回収す
る為の電界１８を発生させる機能を有する。また陽電極
８は陰電極９と異なり、蒸気流通路方向長さを同位体捕
集装置１５の蒸気流入側に張り出して配置されている。

これにより同位体捕集装置１５の手前には陽電極８のみ
が対向して成る中性原子及び不純物荷電粒子除去装置１
９が形成される。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殆ど蒸気
回収板１３に吸着回収されるが、蒸気流方向２０から逸
脱した速度方向を有する中性原子２１は図示の如く陰電
極９に付着する前に、陽電極８の延長部８ａにトラップ
される。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
とつである。即ち同位体分離効率を向上させるためには
、この中性原子付着量を低減させる必要があり、陰電極
９にはイオン化同位体１７のみを回収することが理想的
と言える。中性原子付着量を完全にゼロにすることは原
理的に不可能であるが、これを一定の許容量まで低減さ
せることが高い同位体分離効率を維持するために不可欠
である。本発明では陽電極８の延長部長さを変化させる
ことにより中性原子付着量即ち１分離効率を調整するこ
とが可能となる。

また、電界回収されるイオン化同位体１７については上
記の中性原子蒸気流７と異なり、蒸気流方向２０からほ
ぼ直角に偏向される為に陰電極９へ向けて、図示（第３
図）の軌道２２の如く運動する。

故に、イオン化同位体１７の挙動には陽電極延長部８ａ
は何等の影響も及ぼさない。これに対し不純物荷電粒子
２３のうち正性荷電粒子については、陽電極延長部８ａ
付近においては直流磁場６により図中左側に偏向され図
示（第３図）の軌道２４の如く、蒸気流方向２０とは異
なった速度方向を有する様になる。また負性荷電粒子は
軌道２４とは逆に右側に偏向され、いずれにしても不純
物荷電粒子２３は陽電極延長部８ａにトラップされ、光
反応部１０に到達することはない。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係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製品回収電極の
陽電極延長部から構成される中性原子及び不純物荷電粒
子除去装置を設置することにより、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、中性原子及び不純物荷電粒子除去装置は
、特定同位体でない同位体の熱電離イオンなどの不純物
荷電粒子を製品回収電極から遮蔽することにより、上記
分離係数をさらに向上させることもできる。

【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
体分離装置の構成を示す斜視図、第２図は第１図におけ
る■−■矢視断面図、第３図は第１図及び第２図におけ
る中性原子及び不純物荷電粒子除去装置の構成ならびに
腋部の蒸気粒子についての挙動を示す要部断面図、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■−■矢視断面図である。 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８ａ・・・陽電極延長部　　９・・・陰
電極１０・・・光反応部　　　　１１・・・電離用・レ
ーザビーム１２・・・レーザ発生装置　１３・・・蒸気
回収板１４・・・蒸気流生成装置　１５・・・同位体捕
集装置１６・・・電源装置　　　　１７・・・イオン化
同位体１８・・・電　界 １９・・・中性原子及び不純物荷電粒子除去装置２０・
・・蒸気流方向　　　２１・・・中性原子２２．２４・
・・軌　道　　　２３・・・不純物荷電粒子代理人　弁
理士　則　近　憲　佑 同　　　　第子丸　　　健 第１図 仝 第 図 第 図 ＼ 第 図 第 図

Claims (2)

【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、前記回収電極の
   蒸気流通路方向の長さを陰電極よりも陽電極の方を前記
   の同位体捕集装置の蒸気流入側に延長させ、これにより
   前記回収電極の陽電極のみを交互に並置し、前記の蒸気
   流生成源から陰電極を仰視できない様に調整することに
   より、前記陽電極の延長分が前記の陰電極表面への中性
   原子付着量及び不純物荷電粒子付着量を低減させ、以て
   前記陰電極に製品純度の高い特定同位体を得ることを特
   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上記荷電粒子ビームに
   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と、
   この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、この電
   離用レーザビームによってイオン化して同位体を上記同
   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、前記陽電極の蒸気流通路方向長
   さを前記の同位体捕集装置の蒸気流入側に延長すること
   により、前記陽電極のみが対向して並置されて成る中性
   原子及び不純物荷電粒子除去装置とを備え、前記回収電
   極間に印加された電界によって偏向されたイオン化同位
   体が、前記陰電極上へ分離回収されるのを阻害せずに、
   前記同位体捕集装置の蒸気流入口に具備された中性原子
   及び不純物荷電粒子除去装置により前記陰電極に向かっ
   て前記蒸気流通路方向と斜交する様に流入する中性原子
   流及び不純物荷電子流が前記陰電極に付着する前にトラ
   ップされるように構成したことを特徴とする同位体分離
   装置。