JPH02218420A - 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、特定同位体を含む物質の蒸気流中の不純物イオン
を除去し、同位体分離プロセスには純正の中性原子蒸気
流を供給することにより。

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２３
５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
、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、レーザ法による同位体分離方法及び装置の従来例
を第３図、第４図及び第５図を参照して説明する。

第３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
４図は第３図におけるＩＶ−ｆＶ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ＷＩ２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０次にリニア電子銃４から発
射される電子ビーム５を、図示しない外場磁場コイルに
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、蒸発流７を生成する。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９
９．３％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！０が形成
される。光反応部ｌＯの長手方向には、レーザ発生袋［
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
波長に調整されており、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２３５Ｒ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０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５図は、第４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蒸気粒子の挙動を説明する
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１の蒸発界面１４においては、線状の電子ビーム５
の照射される高温領域１５で特に蒸気流７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
蒸気が発生する。

このため高温領域１５、及びその中心部Ｉ６の蒸気流７
は、高温状態であることに起因する熱電離同位体イオン
７ｂを含有する。また当該部に照射される電子ビーム５
を構成する高エネルギ電子５ａは、蒸気流を構成する同
位体原子７ａと衝突することにより同原子を電離して成
る衝突電離同位体イオン７ｃと２次電子５ｂを同時に生
成する。この２次電子５ｂは、さらに他の同位体原子７
ａと衝突することにより新たな電離同位体イオン７Ｃと
２次電子５ｂを生成する。

（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、上記の
理由に基づく特定同位体原子及びその電離同位体イオン
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原子が特定同位体原子となるが、残りの大部分
はウラン２３８原子またはウラン２３８イオンである。

従って、これらの中性原子及び不純物イオンを含む蒸気
流が光反応部内に流入した場合、特定同位体の光電離イ
オンを電界回収する電極表面に上記光電離イオンの他に
光反応部に流入した中性原子の一部が付着することは避
けられないが、不純物イオンについては、その殆んどが
上記光電離イオンと共に電極表面に電界回収されること
になる。

即ち、本来ウラン２３５光電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なっている。

また上記の様な不純物イオンの除去方法として、従来で
は蒸気流が光反応部に流入する前段階において不純物イ
オン回収電極等の除去装置を、光反応部の入口部に設置
することが提案されている。

しかし、この様な除去装置は高温の蒸気流に直接に晒さ
れることは避けられず、装置故障の原因となるばかりか
光反応部に流入しようとする蒸気流にとっては除去装置
は障害物となる。さらに光反応部における同位体原子の
量子準位が、除去装置に印加する電界に起因するシュタ
ルク効果により分裂してしまい、レーザ光との反応効率
が著しく低下するなどの弊害が生ずる。

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、ウラン蒸気流の生成と共に副次的に発生する
不純物イオンを、耐熱性容器に電界吸着させることによ
りこれを除去し、純正の中性原子流を光反応部に供給す
ることにより、同位体分離効率の指標となる分離係数は
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。

耐熱性容器に収納された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、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、陽電極と陰電極の間
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陽電極および陰電極の
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、複数種類の同位体を含む物質を収納す
る耐熱性容器にアース電位に対して負電位を印加し、こ
の負電位エネルギを蒸気流中に含有される不純物正性イ
オンの平均エネルギと同程度またはそれ以上に設定する
ことにより、蒸気流中に含有される不純物正性イオンを
蒸気生成と同時に耐熱性容器に吸着させて蒸気流から除
去し、電離用レーザビームを照射する空間には純正の中
性原子蒸気流を供給し、以て陰電極表面上には製品純度
の高い特定同位体を効率的に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、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、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、
前記蒸気流生成装置に対しては蒸気流中に含有される不
純物性イオンの平均エネルギと同程度またはそれ以上の
大きさを有する負電位エネルギを印加する電源装置を備
え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、
特定同位体を含有する蒸気流の生成と同時に副次的に発
生する不純物イオンを、蒸気流生成装置内において蒸気
流から直ちに電界除去することが可能となる。

蒸気流生成装置から生成された蒸気流は、稀薄気体流と
して外部空間への膨部加速過程を経て分子流へと遷移し
、蒸気流生成装置か成る程度の距離だけ離れた所では、
一定の流速ベクトルを保有する様になる。不純物イオン
も中性原子スウオームと混和して同様に加速されるが、
本発明ではこれら不純物イオンを蒸気流生成装置の近傍
空間において、すなわち加速過程に入る前段階で速やか
に電界回収している。これにより蒸気流として高純度の
中性原子流を光反応部に供給し、製品回収電極である陰
電極には純度の高い特定同位体の光電離イオンのみを回
収することができる。

以上の通り１本発明は従来の同位体分離方法及び装置に
対して容易に実施することができ、目的とする特定同位
体を高い分離係数で捕集し、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断面図であり、本技術従来例の構成
を示す第４図に対応するものである。尚、第３図及び第
４図に示す従来例と同一の構成要素１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、蒸気流通路１７があり、さらにその
上方に陽電極８と陰電極９を交互に並置して形成した同
位体捕集袋［１９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１
０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ｌｌの照射によってイオ
ン化した同位体は、電源装！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。さらに本発明では蒸気流７から不純
物イオンを回収するために電源装置２１を蒸発用容器２
に接続している。

第２図は、本発明における蒸気流生成装置１８の構成を
示す要部断面図において蒸発、プロセス係わる蒸気粒子
の挙動を説明するものである。蒸気流生成装置１１８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１４を形成し、腋部からウラン蒸
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
に比べてれば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。

ところで蒸発領域から生成される蒸気流７には、その主
成分を成す同位体原子７ａ以外に、同位体原子７ａが高
温領域１５と接触することにより生成される熱電離同位
体イオン７ｂ、同位体原子７ａが原子ビーム５に含まれ
る高エネルギ電子５ａと衝突して生成される衝突電離同
位体イオン７ｃ、及び衝突電離同位体イオン７ｃが生成
されるときに同時に生成される２次電子５ｂと同位体原
子７ａが衝突して生成される衝突電離同位体イオン７ｃ
が含有される。これらの熱電離同位体イオン７ｂ、衝突
電離同位体イオン７ｃは、同位体原子７ａに対して非選
択的に生成されるので、光反応部１０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る特定同位体イ
オン（図中示さず）を分離回収する立場上からは不純物
イオンとなり１分離効率を少なからず低下させる要因と
なる。

蒸気流７は中心部１６の周りの高温領域１５で生成され
るが、空間の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。

その熱平均速度Ｖ、同位体原子７ａの平均運動エネルギ
εは、蒸気温度Ｔ、　＝　３０００　Ｋとしたとき■、
■式の通りになる。

ｉ　＝　−ｋＴ、　＞６．２　Ｘ　１０−”　Ｊ　　　
　　　　■ここで、ｋはボルツマン定数、ｍは原子質量
で、ウラン原子の場合、　ｍ　＝３．９５２　Ｘ　１０
−”ｋｇである。

さらに稀薄気体としての蒸気流７は、蒸発領域近傍の蒸
発空間内での原子間の衝突散乱過程を経て、同位体捕集
装置１９の近くに至るころには自由分子流として一定の
流速ベクトルを持つに至る。

このときの蒸発流速Ｕの成長過程は、近似的に０式の通
りに与えられる。

ここでｎ、は蒸発温度ちにおける飽和蒸気原子数密度、
つまり蒸発時の原子数密度、ｎは蒸発流速Ｕを与える場
所における原子数密度、γは比熱比を示す。０式による
とｎ０ｔｎ０、即ち蒸発領域近傍の原子衝突頻度が高く
熱化されている状態では、蒸気流速Ｕは近似的にゼロで
あり、蒸気流７は澱み状態にあると言える。

ところで蒸気流７に含有される不純物イオンである熱電
離同位体イオン７ｂ、衝突電離同位体イオン７Ｃは、そ
の平均運動エネルギが■式に示した同位体原子７ａの平
均運動エネルギＣと変わらず、その意味では熱イオンと
言える。蒸気流７は、蒸発界面１４から速やかに拡散し
なから０式に示す流速を有する様になるが、上記の熱イ
オンについても蒸気流７と共に０式相当の速度を以て光
反応部１０へ流入する。よって光反応部１０に蒸気流７
が流入する前段階に、これらの不純物イオンを蒸気流７
から除去する意図において、不純物イオンの加速過程が
完了してからでは除去電極等による電界回収はもはや効
果的ではなく、加えて光反応部ｌＯの入口部、即ち陽電
極８や陰電極９の直下部にこれらの除去装置を設置する
ことは既に述べた様な問題点がある。

ここでは不純物イオンが熱イオンである段階。

つまり蒸気流７が蒸発界面１４の近傍に滞まっているう
ちに金属ウラン１または蒸発用容器２に電界回収または
吸着することを目的として、第１図に示す様に蒸発用容
器２にアース電位に対して負電位ｖｂを印加する電源装
置！２１を接続している。負電位ｖｂのエネルギは、■
式に示した蒸気粒子の熱エネルギよりも大きく設定され
ることが、熱イオンをそのランダム運動に打ち勝って電
界回収する必要条件である。蒸発温度Ｔ０を３０００　
Ｋとするとに）式の通りｖｂα１ボルトの負電圧で充分
である。ここで熱イオンは１価とし、ｅは素電荷でａ　
＝１．６０２Ｘ　１０−”　Ｃである。

３　　ｋＴ。

ｖｂ≧−一α０．４ 　　ｅ に） 熱イオンのエネルギがマックスウェル・ボルツマン分布
にほぼ従う為に、一部の熱イオンは■式よりもかなり大
きいエネルギを有すると考えることができる。また多価
イオンも発生するとして、それらの熱イオンまでも蒸気
流生成装置１８にトラップすることを企図しても、ｖｂ
として十数ボルト程度でよい。

一般に、金属ウラン１に照射される電子ビーム５の加速
電圧Ｖｅは２０ｋＶ　〜５０ｋＶ、　Ｖｅ）　Ｗｂであ
るノテ。

蒸発用言Ｉ！２に印加する負電圧ｖｂが電子ビーム５を
拡散させたり、ビーム形状を変形させたりする心配もな
い。

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光反応部への不純物イオンの混入量
を従来より著しく低減させることができる。しかも従来
の同位体分離方法に対して容易に実施可能であり、また
は従来の同位体分離装置に対して抜本的な装置構成の変
更を必要としない。

〔発明の効果〕

以上説明の通り、本発明に係わる同位体分離方法及び分
離装置によれば、蒸気流生成装置に対して蒸気流中の不
純物イオンを電界回収するための電源装置を備えること
により、蒸発用容器もしくま蒸発用容器に収納される溶
融同位体に負電位を印加し、蒸気流中の不純物イオンを
蒸発と同時に分離する。これ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中性原
子蒸気流における不純物イオンの含有率を低く抑制する
ことができる。従って同位体分離装置の運動効率の指標
となる分離係数を高く、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。

【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断面図、第２図は第１図におけ
る蒸発プロセスに係わる各種粒子の挙動を説明する蒸気
流生成装置の要部断面図。 第３図は従来の同位体分離装置の構成を示す斜視図、第
４図は第３図におけるＴＶ−ＩＶ矢視断面図、第５図は
第３図及び第４図における蒸発プロセスに係わる各種粒
子の挙動を説明する要部断面図である。 １・・・金属ウラン　　　　２・・・蒸発用容器４・・
・リニア電子銃 ５ａ・・・高エネルギ電子 ６・・・直流磁場 ７ａ・・・同位体原子 ３・・・密封容器 ５・・・電子ビーム ５ｂ・・・２次電子 ７・・・蒸気流 ７ｂ・・・熱電離同位体イオン ７ｃ・・・衝突電離同位体イオン ８・・・陽電極　　　　　　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 １４・・・蒸発界面 １６・・・中心部 １８・・・蒸気流生成装置 ２０・・・電源装置 １３・・・蒸気回収板 １５・・・高温領域 １７・・・蒸気流通路 １９・・・同位体捕集装置 ２１・・・電源装置 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　第子丸　健 ｔＪＥ１図 第 図 第 図 第 図 玉 第 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）耐熱性容器に収納された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、上記陽電
   極と陰電極の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陽電極
   および陰電極の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、前記複数種類の同位体
   を含む物質を収納する耐熱性容器にアース電位に対して
   負電位を印加し、この負電位エネルギを前記蒸気流中に
   含有される不純物正性イオンの平均運動エネルギと同程
   度またはそれ以上に設定することにより、蒸気流中に含
   有される不純物正性イオンを蒸気流生成と同時に前記耐
   熱性容器に吸着させて蒸気流から除去し、前記電離用レ
   ーザビームを照射する空間には純正の中性原子蒸気流を
   供給し、以て前記陽電極または陰電極の表面上には製品
   純度の高い特定同位体を効率的に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、前記蒸気流生成装置に対しては蒸気流
   中に含有される不純物性イオンの平均運動エネルギと同
   程度またはそれ以上の大きさを有する負電位エネルギを
   印加する電源装置を備えたことを特徴とする同位体分離
   装置。