JPH04193328A - 同位体分離装置 - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明はレーザー法による同位体の分離装置に係り、特
に分離対象同位体のうち特定同位体が蒸着回収される回
収電極と、特定同位体を分離回収した残りの蒸気流が回
収される混合蒸気回収板に蒸着した非特定同位体を液化
して回収する同位体分離装置に関する。

（従来の技術） 原子炉用燃料として使用されるウランはウラン同位体の
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
し、濃縮して所定濃度に調整後、燃料棒に組立て、この
燃料棒を集合して結束し燃料集合体として原子炉に装荷
される。

天然に産比するウランは質量数が２３５の原子核から成
るウラン原子（以下、特定同位体としてウラン２３５と
略記する）が０７％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、非特定同位体
としてウラン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
されたのち、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５図及び第６図を参照して説明する。

第５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６
図は第５図におけるＶｌ−ＶＩ矢視断面図である。以下
に、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て減損した燃料体から取り
出された混合ウラン１は、熱化学的耐性を有する例えば
坩堝などの蒸発用容器２の内に収容されている。この蒸
発用容器２は真空状態に維持された密封容器３内の底部
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内の同位体
即ち混合ウラン１に照射する。電子ビーム５の照射を受
けた混合ウラン１は２７００に〜３５１］ＯＫ程度まで
加熱されて蒸発し、蒸気流７を生成する。

一方、蒸発用容器２の上方には帯状の濃縮ウラン回収電
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８，９間にそれぞれ光反応部１０が形成される。光
反応部１０の長手方向にはレーザ発生装置１１により発
生されウラン２３５を選択的にイオン化する電離用レー
サービーム１２が入射され、蒸気流７と光反応を行う。

電離用レーザービーム１２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
蒸気流７に含有されるウラン２３５のみが電離用レーサ
ービーム１２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
の間に電離用レーザービーム１２と同期したパルス状の
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
回収電極のうち陰電極９の表面上に吸着される。また、
電離されずに光反応部１０を通過した一部のウラン２３
５及びウラン２３８の混合蒸気は、回収電極の外縁部に
配置した混合蒸気回収板１３の上に吸着される。

以上のように、陰電極９の表面にウラン２３５゜混合蒸
気回収板１３の表面上には混合蒸気の蒸着膜が形成され
るに至り、ウラン分離処理工程においては上記に述べた
プロセスとは別途の手段により外部に回収する必要があ
る。

（発明が解決しようとする課題） 従来のウラン同位体分離方法及びその装置によれば、ウ
ランの分離操作工程において、陰電極９の表面には高濃
縮ウランが蒸着膜として蓄積され分離操作工程と共にそ
の厚さを増していくため、−旦分離工程を中断して密封
容器３を大気に開放して蒸着膜を陰電極９ごと外部に取
りａす必要がある。密封容器３は通常高真空に維持され
ているため、その都度大気に曝されることは好ましくな
いばかりか、ウランは大気に曝されると酸化反応して発
熱・燃焼するので密封容器３を開放するのは安全上から
必要最小限にすることが要求される。

また、混合蒸気回収板１３に蓄積されていく一部のウラ
ン２３５を含む低濃度ウラン蒸着膜についても陰電極９
の場合と同様に外部に取り出して廃品として回収する必
要がある。

これらの蒸着膜は膜厚増加と共にその自重により剥落し
、例えば陰電極９の表面にせっかく分離吸着した高濃度
ウランが再び分離処理前の混合ウランに混入してしまう
などの弊害が生ずる。さらには混合蒸気回収板１３の蒸
着膜が剥落すると、光反応部１０におＵ′）てレーザー
ビーム１２を遮断したり陽電極と陰電極の上に落下して
両者を短絡させるなどの事故にも繋がることになる。

以上、同位体分離装置を定常的且つ安定に運転する上で
、同装置の稼動率を低下させることによる経済性及び濃
縮ウランを大気で扱うことによる安全性の諸課題が生じ
ることになる。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、回
収電極と混合蒸気回収板を収納した密封容器から外部へ
取り出すことなく連続して混合ウランつまり、特定同位
体と非特定同位体の分離。

蒸着２回収を行うことができる同位体分離装置を提供す
ることにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は真空密封容器内に設置された蒸発用容器に特定
同位体と非特定同位体が収容され、これらの同位体を外
部印加の直流磁場により偏向された線状荷電粒子ビーム
の照射による表面加熱により蒸発させて蒸気流を発生し
、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内に蒸気流通路を経由して導入した
のち、前記蒸気流に特定同位体を選択的にイオン化する
波長に調整された電離用レーザービームを照射してイオ
ン化同位体を生成し、前記電極間に電離用レーザービー
ムと時間的に同期したパルス状電界を印加することによ
りイオン化同位体を電極回収方向に偏向させて特定同位
体を分離回収する同位体分離装置において、前記蒸発用
容器の上方に扇形帯状回収電極を設け、この回収電極の
上方に所定の間隔をもって円弧状混合蒸気回収板を設け
、前記回収電極の下方に該電極に蒸着した特定同位体を
液化回収する第１の回収容器を設け、前記蒸気回収板に
蒸着した非特定同位体を液化回収する第２の回収容器を
設けてなることを特徴とする。

（作　用） 蒸発領域と回収領域のいずれかに回収電極と混合蒸気回
収板双方の左右片側が位置し、同時に一方は回収作業が
、他方は蒸着膜の生成が成される。

この回収作業・蒸着膜生成が終わると直ちに回収電極と
混合蒸気回収板は蒸発用容器を中心とする円弧方向移動
し位置を交替する。

即ち、回収電極と混合蒸気回収板双方共の左右片側が、
蒸発・蒸着領域と回収領域へ交互に位置する。

蒸発・蒸着領域に位置した回収電極の陰電極には蒸気流
に係って特定同位体が蒸着し、時間と共に蒸着膜として
生成し、一方混合蒸気回収板には陰電極への蒸着作用に
洩れた一部の特定同位体と蒸着作用しない非特定同位体
の混合蒸気がこれまた蒸着膜として生成する。これら蒸
着膜が形成された回収電極、混合蒸気回収板は、回収領
域へ移動し位置を交替する。

回収領域へ位置した回収電極と混合蒸気回収板は共に埋
設されたヒータがＯＮとなり加熱して陰電極の蒸着膜及
び混合蒸気回収板に蒸着した混合蒸気の蒸着膜を液化し
て滴下し、これを各々第１及び第２の回収容器に回収す
る。

蒸発・蒸着領域における蒸着膜はその生成が進み、剥落
する前に回収領域へ位置・移動させる。

この蒸着所要時間に回収作業時間を合致させることによ
り、分離、蒸着９回収を連続して行うことができる。

（実施例） 第１図を参照しながら本発明に係る同位体分離装置の第
１の実施例を説明する。

なお、図中第５図及び第６図と同一部分には同一符号を
付す。

混合ウラン１は熱化学特性を有する蒸発用容器２内に収
容され、この蒸発用容器１は真空雰囲気を保つ密封容器
３内の底部に設置されている。密封容器３はドーム状に
形成されている。蒸発用容器２に隣接して配設されたリ
ニア電子銃４から発射される電子ビーム５は外部磁場コ
イルから印加された直流磁場６により偏向して混合ウラ
ン１を照射する。

この照射によって混合ウラン１は２７１］ＯＫ〜３５０
０に程度まで加熱され蒸発して蒸気流７を形成する。

蒸発用容器２の上方にはウラン２３５の回収電極として
帯板状陽電極８と陰電極９が交互にしかも混合ウラン１
を中心とする円弧状に配置され、その電極８，９間にそ
れぞれ光反応部１０が形成される。

光反応部１０の長手方向には第５図に示すようなレーザ
発生装置１１から電離用レーザービームＩ２が発射され
て蒸気流７に含まれるウラン２３５のみを選択的にイオ
ン化する。

また、陽電極８と陰電極９との間に電離用レーサービー
ム１２と同期したパルス状の電極電圧を印加することに
より、ウラン２３５イオンは陰電極９の表面に蒸着され
る。

一方、イオン化されないで光反応部１０を通過した一部
のウラン２３５はウラン２３８と共存する混合蒸気とし
て回収電極とある距離を置いて円弧を成す混合蒸気回収
板１３の表面に蒸着される。

回収電極である陽電極８と陰電極９は蒸気流７の蒸発領
域Ｅに位置する１組と同一時に回収領域Ｒ１に位置する
１組の電極群からなる。

この電極群と混合蒸気回収板１３には図示しないヒータ
が蒸発・蒸着領域Ｅ位置でＯＦＦ、同一時に回収領域Ｒ
１またはＲ２でＯＮと相反して連動するようにそれぞれ
に埋設されており、混合蒸気回収板１３と一体に構成さ
れ蒸発・蒸着領域Ｅと回収領域Ｒ１及びＲ２へ交互に位
置するように左右方向１４　ａ　、　１４　ｂへ移動す
る。

密封容器３内には蒸発用容器２を中心にして第１の回収
容器１６と第２の回収容器１７か同心円状に配置されて
おり、第２の回収容器１７は混合蒸気回収板１３の端縁
真下に配置されている。

しかして、第１図に示した同位体分離装置において、内
部を真空雰囲気に保つ密封容器３内の底部に設置された
熱化学的に耐性な蒸発用容器２内には同位体即ちウラン
２３５とウラン２３８の混合ウラン１が収容されている
。この混合ウラン１にリニア電子銃４から発射する電子
ビーム５を図示していない外部磁場コイルから印加され
る直流磁場６によって偏向し照射する。この照射により
混合ウラン１は２７１］ＯＫ〜３５０１］Ｋに加熱され
て蒸発し蒸気流７を形成する。

一方、蒸気流７の流路ともなる帯板状陽電極８と陰電極
９間の長手方向にレーザ発生装置１１から電離用レーザ
ービーム１２を発射すると蒸気流７中のウラン２３５の
みを選択的にイオン化し、蒸気流７と光反応を行う。

電離用レーザービーム１２の波長はウラン２３５の共鳴
電離波長に調整されており、共鳴したウラン２３５が一
定の確立で電離される。この電離したウラン２３５は陽
電極８と陰電極９間に電離用レーザービーム１２と同期
したパルス状の電極電圧を印加することにより、形成さ
れる電場によって引き寄せられ陰電極９の表面に蒸着さ
れる。

この蒸着作用は時間と共にその厚さを増してウラン２３
５の蒸着膜となる。同様に混合蒸気回収板１３にはウラ
ン２３８と一部電離されず電極間を通過したウラン２３
５の混合蒸気がこれまた蒸気膜として生成する。

これらの蒸着膜が成長し自然に剥落する前に蒸発・蒸着
領域Ｅに位置していた電極群を右側の回収領域Ｒ１へ移
動１４ａさせると同時に回収領域Ｒ１に位置する電極群
と、混合蒸気回収板１３のその部分に埋設されたヒータ
がＯＮとなり加熱してその蒸着膜を液化し、それぞれ滴
下１５ａ、　１５ｂする。

陰電極９から滴下した液状のウラン２３５は第１の回収
容器１６へ、また混合蒸気回収板１３からのものは第２
の回収容器１７へ回収される。

この回収作業が終わるとヒータはＯＦＦとなり、同時に
蒸発・蒸着領域Ｅへ位置していた電極群８゜９及び混合
蒸気回収板１３は他方の回収領域Ｒ２へ移動しその位置
を交替する。

同様に回収領域Ｒ２部ヒータがＯＮとなり、新たに回収
作業が始まる。

この第１の実施例によれば混合ウランの加熱蒸発、電離
、蒸着及び加熱液化回収に至る一連の分離濃縮操作を連
続して行うことができるため、経済性に優れ、しかも密
封された真空雰囲気内で作業を行うことができるため安
全性が高い。

第２図から第４図は本発明の第２の実施例から第４の実
施例を示したもので、各図共に第１図と同一部分には同
一符号を付して重複する部分の説明は省略し、その要部
のみ説明する。

第２図に示した第２の実施例では混合蒸気回収板１３の
両端部を上方に折り曲げた逆円弧状折曲部１３ａを形成
したことにある。

この第２の実施例によれば密封容器３の幅寸法３ａを縮
小化することができる。

第３図に示した第３の実施例においては第１の同位体分
離装置３ａの第２の回収容器１７で回収された非特定同
位体の混合液を第２の同位体分離装置３ｂ内の蒸発用容
器１内に第１のフィードバック連通管１８により移送し
て連続的に運転できるように構成したことにある。

この実施例によれば混合蒸気回収板１３から回収される
ウラン２３８とウラン２３５の混合液を第２の同位体分
離装置３ｂに移送しながら分離濃縮操作を行うことによ
り混合ウラン１から効果的にウラン２３５の分離を行う
ことができる。

第４図に示した第４の実施例では第１の同位体分離装置
３ａの第１の回収容器１６と第２の同位体分離装置３ｂ
の蒸発用容器２とをフィードバック用達通管１９で連結
し、分離操作により濃縮度を高めたことにある。即ち、
第１の回収容器１６内で回収され濃縮されたウラン２３
５を第２の連通管１９を通して第２の同位体分離装置３
ｂの蒸発用容器２内に移送する。

この第３及び第４の実施例によれは、ウランは大気中に
曝すと発熱し白煙を発するなど目視できる危険性を防止
し、安全でしかも連続した分離濃縮操作を行うことがで
きる。

［発明の効果］ 本発明によれば、回収電極の陰電極表面に蒸着し、時間
経過と共に成長する蒸着膜が自然に剥落する前に密封容
器内の回収領域に移動させて分離回収できる。即ち、−
旦分離濃縮工程を中断して密封容器の真空を破り、回収
電極及び混合蒸気回収板などを外部へ取り出すことの不
経済及び不安定な作業を必要としない。

また、混合蒸気回収板に蒸着した混合蒸気が自然剥落す
ることにより電極間へ発射される電離用レーザービーム
遮断したり、滴下飛散して電極間を短絡することがない
。

さらに、安全でしかも連続した分離濃縮操作を行うこと
ができ、装置を組み合わせることによって濃縮度を高め
、経済性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図はそれぞれ本発明に係る同位体分離装
置の第１から第４の実施例を示す縦断面図、第５図は従
来の同位体分離装置を示す縦断面図、第６図は第５図に
おけるＶｌ−Ｖｌ矢視方向を切断して示す断面図である
。 １・・・混合ウラン　　　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　　　　　ｌＯ・・・光
反応部１１・・・レーザ発生装置 １２・・・電離用レーザービーム １３・・・混合蒸気回収板　１４ａ、　１４ｂ・・・移
動方向１５ａ、　１５ｂ・・・滴下　　１６・・・第１
の回収容器１７・・・第２の回収容器 （７３１７）代理人　弁理士　則　近　　憲　佑第３図 ゝ１ 第４図 第５図 第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 真空密封容器内に設置された蒸発用容器に特定同位体と
   非特定同位体が収容され、これらの同位体を外部印加の
   直流磁場により偏向された線状荷電粒子ビームの照射に
   よる表面加熱により蒸発させて蒸気流を発生し、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
   体捕集装置内に蒸気流通路を経由して導入したのち、前
   記蒸気流に特定同位体を選択的にイオン化する波長に調
   整された電離用レーザービームを照射してイオン化同位
   体を生成し、前記電極間に電離用レーザービームと時間
   的に同期したパルス状電界を印加することによりイオン
   化同位体を電極回収方向に偏向させて特定同位体を分離
   回収する同位体分離装置において、前記蒸発用容器の上
   方に扇形帯状回収電極を設け、この回収電極の上方に所
   定の間隔をもって円弧状混合蒸気回収板を設け、前記回
   収電極の下方に該電極に蒸着した特定同位体を液化回収
   する第１の回収容器を設け、前記蒸気回収板に蒸着した
   非特定同位体を液化回収する第２の回収容器を設けてな
   ることを特徴とする同位体分離装置。