JPH10109019A - Uranium enrichment and other element isotope separation utilizing parametric resonance phenomenon and ultrahigh purity ion source or plasma source - Google Patents

Uranium enrichment and other element isotope separation utilizing parametric resonance phenomenon and ultrahigh purity ion source or plasma source

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JPH10109019A
JPH10109019A JP29699796A JP29699796A JPH10109019A JP H10109019 A JPH10109019 A JP H10109019A JP 29699796 A JP29699796 A JP 29699796A JP 29699796 A JP29699796 A JP 29699796A JP H10109019 A JPH10109019 A JP H10109019A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform all the isotope separations including uranium enrichment by one-step operation and to provide a technique of constituting an ultrahigh purity ion source or plasm source. SOLUTION: Only an object isotope element to be separated is separated by utilizing a parametric resonance phenomenon. The principle of operation is as follows. First, an isotope element is made plasma by a plasma source 01, and is led to a high frequency quadrupole 05 present in the central part. High frequency waves of frequency about two times the ion cyclotron frequency of the object isotope element are applied there, and only the object isotope is selectively accelerated and overcomes the voltage of a blocking electrode 06 and is recovered by a recovery electrode 7. Since other elements are not accelerated, they cannot overcome the blocking voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、パラメトリック共
鳴現象を利用して、原子炉{主として、軽水炉である沸
騰水型(BWR)及び加圧水型(PWR)}の核燃料で
あるウラン(U−235)の濃縮や将来の核融合炉(D
−T炉)の核燃料及びその再処理に関連した、水素、ヘ
リウム、リチュウム等の同位体分離を経済的且つ効率よ
く、大量に処理できる方法に関するものである。
The present invention relates to uranium (U-235) which is a nuclear fuel of a nuclear reactor (mainly a boiling water type (BWR) and a pressurized water type (PWR) which is a light water reactor) utilizing a parametric resonance phenomenon. Enrichment and future fusion reactors (D
-T reactor) and a method for economically, efficiently, and in large amounts, capable of processing isotope separation of hydrogen, helium, lithium and the like in connection with nuclear fuel and reprocessing thereof.

【0002】原子力産業以外でも、半導体産業や新素材
製造産業等において、イオンビームによる蒸着(Ion
beam deposition)やイオン注入(I
onimplantation)やCVD(Chemi
cal vapour deposition)等で要
求される超高純度イオン源又はプラズマ源として利用で
きる。
[0002] In addition to the nuclear power industry, in the semiconductor industry, new material manufacturing industry, etc., deposition by ion beams (Ion
beam deposition and ion implantation (I
onimplantation) and CVD (Chemi
It can be used as an ultra-high purity ion source or a plasma source required for cal vapor deposition or the like.

【0003】[0003]

【従来の技術】本発明の適用の主目的は、ウラン濃縮と
核融合に必要な水素、ヘリウム及びリチウム等の元素の
同位体分離法及び超高純度イオン種のイオン源又はプラ
ズマ源を得る方法にあり、これらについての従来の技術
開発の経過を以下に述べる。
BACKGROUND OF THE INVENTION The main object of the present invention is to provide an isotope separation method for elements such as hydrogen, helium and lithium necessary for uranium enrichment and nuclear fusion and a method for obtaining an ion source or a plasma source of ultra-high purity ion species. The progress of conventional technology development for these is described below.

【0004】ウラン−235の濃縮については、原子力
の成否にかかわる重要問題であるので、種々の方法が提
案されて来たにもかかわらず、その重要な点について
は、各国の国家機密に属する問題であり、我国を含めて
公表されていない。
[0004] Concentration of uranium-235 is an important issue related to the success or failure of nuclear power, and although various methods have been proposed, the important point is a problem belonging to the state secret of each country. It has not been announced including Japan.

【0005】現時点で、工業的にウラン濃縮法が実用化
されているのは、ガス拡散法と遠心分離法である。[例
えば,H.ベネディクト他著(清瀬豊平訳)、原子力化
学工学(第VII分冊)”ウラン濃縮の化学工学”(日
刊工業新聞社、昭和60年)、第14章参照。] しかしながら、両方法とも一段あたりの分離係数αは、
α=1.004及びα=1.04−1.10と極め
て小さく、目標の濃縮度のウランを得るには、数百から
千数百段のカスケードに接続する必要があり、消費電力
と装置の維持管理には、いろいろと問題がある。しか
し、ともかくも、この二つの方法しか実用化されていな
いので、これらの方法に頼っているというのが現状であ
る。従って、将来これらに対して、電力消費、装置制作
コスト、維持管理法が大幅に改善できる方法があれば、
それに取って代わられることは必至である。
At present, uranium enrichment methods are practically used industrially in the gas diffusion method and the centrifugal separation method. [For example, H. See Benedict et al. (Translated by Toyohei Kiyose), Nuclear Chemical Engineering (Part VII), "Chemical Engineering of Uranium Enrichment" (Nikkan Kogyo Shimbun, 1985), Chapter 14. However, in both methods, the separation coefficient α per stage is
In order to obtain uranium having extremely small values of α g = 1.004 and α C = 1.04-1.10 and having a target enrichment, it is necessary to connect cascades of hundreds to thousands and hundreds of stages, and to reduce power consumption. There are various problems with the maintenance of the equipment. However, anyway, since only these two methods have been put into practical use, the current situation is that they rely on these methods. Therefore, if there is a method that can significantly improve power consumption, equipment production cost, and maintenance method for these in the future,
It is inevitable that it will be replaced.

【0006】これに対して、次期の新方式として期待さ
れているのがレーザー法である。これには原子法と分子
法の二つの方法がある。[例えば、中井洋太他:日本原
子力学会誌,35(1993)280参照。] このレーザー法の心臓部であるレーザー自体に高出力の
ものが要求され、パルス発振であれば、十数キロヘルツ
以上の繰り返し周波数のレーザーを開発することが必要
など、いろいろ解決しなけらばならない問題をかかえて
おり、研究開発の段階であるというのが実状である。
[0006] On the other hand, the laser method is expected as the next new system. There are two methods, the atomic method and the molecular method. [For example, see Yota Nakai et al .: Journal of the Atomic Energy Society of Japan, 35 (1993) 280]. High power is required for the laser itself, which is the heart of this laser method, and various problems must be solved, such as the necessity of developing a laser with a repetition frequency of more than tens of kilohertz for pulse oscillation. The reality is that they have problems and are in the R & D stage.

【0007】この外、現在開発中のものに、化学法によ
るウラン濃縮があるが、この方法では、一段当りの分離
段数はガス拡散法よりもさらに大きく、万単位の多数段
をカスケード接続する必要がある。[武田邦彦他:日本
原子力学会誌、28(1986)82.参照。]以上の
ような理由で、この方式が実用化されるかどうかは疑問
がある。
In addition, uranium enrichment by a chemical method is currently under development. In this method, however, the number of separation stages per stage is even larger than that of the gas diffusion method, and it is necessary to cascade many units of 10,000 units. There is. [Kunihiko Takeda et al .: Journal of the Atomic Energy Society of Japan, 28 (1986) 82. reference. For the above reasons, it is questionable whether this method will be put to practical use.

【0008】上記以外に、電磁法によるウラン濃縮があ
る。この方法によるウラン濃縮は最も歴史が古く、19
44年、米国のマンハッタン計画(原爆製造)で、カル
トロンと呼ばれていた同位体分離装置によってキログラ
ム単位の量の高濃縮ウランを生産したのが最初である。
しかしながら、生産コストがガス拡散法よりも高いとい
う理由で中止されてしまった。
In addition to the above, there is uranium enrichment by an electromagnetic method. Uranium enrichment by this method is the oldest, with 19
In 1944, the United States Manhattan Project (A-bomb production) first produced kilograms of highly enriched uranium with an isotope separator called Caltron.
However, it was stopped because production costs were higher than gas diffusion.

【0009】これと同時代に、Smith等によって径
方向磁界分離法(radial magneticse
parator)の着想が出された[L.P.Smit
het al.,Phys.Rev.,72(194
7)989参照。]しかしながら、当時大電流のイオン
源の技術がなかった事と、大イオン電流にともなう空間
電荷効果により、分離効率が低下するなど厳しい問題を
抱えていた。
At the same time, a radial magnetic field separation method (Smith et al.) Was used.
para.) [L. P. Smit
het al. Phys. Rev .. , 72 (194)
7) See 989. However, at that time, there was no severe ion source technology at the time, and the space charge effect accompanying the large ion current caused severe problems such as a reduction in separation efficiency.

【0010】1975年に、Hashmi等によってS
mithの径方向磁界分離を利用する提案がなされてい
る[M.Hashmi et al.,Proc.In
t.Conf.on Uranium Isotope
Separation(Brit.Nucl.Ene
rgy Soc.,London),7(1975)
1.参照。] その後開発研究されたかどうかは公表がないので不明で
ある。
[0010] In 1975, Hashmi et al.
Proposals have been made to use radial magnetic field separation [M. Hashmi et al. Proc. In
t. Conf. on Uranium Isotope
Separation (Brit. Nucl. Energy
rgy Soc. , London), 7 (1975).
1. reference. It is unknown if there was any further development research since there is no disclosure.

【0011】最近の核融合開発研究によって、大電流の
イオン源技術については問題はない。又、イオン電流に
ともなう空間電荷効果の問題もプラズマを利用すること
によって軽減することも分っている。このプラズマを利
用する分離法については、高山によって提案されている
[高山一男:第12回日本アイソトープ会議、1975
年11月、参照。] この提案は、多重カスプ磁界を用い、各カスプ点付近で
平板電極にウランのイオンサイクロトロン周波数の高周
波電圧を印加し、サイクロトロン共鳴又は、高周波電界
によるポンデラモーティブ力(選択的高周波封じ込めと
云う)を利用して、ウラン−235とウラン−238を
分離しようとするものである。提案のみで、この原理の
実証はなされていない。又、詳細な検討もなされていな
い。
There is no problem with high-current ion source technology based on recent research on nuclear fusion development. It has also been found that the problem of the space charge effect associated with the ion current can be reduced by using plasma. A separation method using this plasma has been proposed by Takayama [Kazuo Takayama: The 12th Japan Isotope Conference, 1975]
See November. This proposal uses a multiple cusp magnetic field, applies a high-frequency voltage of the uranium ion cyclotron frequency to a plate electrode near each cusp point, and generates a Pondelamotive force by cyclotron resonance or a high-frequency electric field (referred to as selective high-frequency containment). Uranium-235 and Uranium-238 are to be separated by utilizing the above-mentioned method. This principle has not been proved only by proposal. Also, no detailed study has been made.

【0012】一方、核融合に関連した軽い元素の同位体
分離については、深冷蒸留法、深冷熱拡散法、電気分解
法等、ウラン濃縮と同様種々の方法が提案され、現在、
開発中である。[例えば、山本一良他、プラズマ・核融
合学会誌71(1995)202.参照。] これらの分離法での分離係数は、1.5〜5程度と小さ
く、重水素やトリチウムを100%分離するには、ユニ
ットを多段に直列(カスケード)に接続することになる
のはウラン濃縮の場合と同様である。”深冷”というの
は液体窒素で20〜25Kに冷却することであり、装置
の維持管理、製作コスト等にもいろいろと問題がある。
On the other hand, various methods for isotopic separation of light elements related to nuclear fusion, such as cryogenic distillation, cryogenic thermal diffusion, and electrolysis, have been proposed as in uranium enrichment.
Under development. [For example, Kazuyoshi Yamamoto et al., Journal of Plasma and Fusion Society 71 (1995) 202. reference. The separation coefficient in these separation methods is as small as about 1.5 to 5, and in order to separate deuterium and tritium by 100%, units must be connected in series (cascade) in multiple stages because of uranium enrichment. Is the same as "Deep cooling" refers to cooling to 20 to 25K with liquid nitrogen, and there are various problems in maintenance and management of the apparatus, manufacturing costs, and the like.

【0013】超高純度イオン種のイオン源やプラズマ源
については、半導体産業や耐腐食性の材料の創製分野等
で、今後益々必要とされることが予測されるが、大電流
で且つ超高純度のイオン源やプラズマ源の開発は行なわ
れていないのが現状で、これからの問題である。本発明
は、この条件を十分に満足させることができる方法であ
る。
It is anticipated that an ion source and a plasma source of ultra-high purity ion species will be increasingly required in the semiconductor industry and in the field of creating corrosion-resistant materials. At present, no ion source or plasma source of high purity has been developed, and this is a future problem. The present invention is a method that can sufficiently satisfy this condition.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとしている課題】本発明が解決しよ
うとしている課題の主目的は、ウラン濃縮に於いて、現
在、工業的に実用化されているガス拡散法や遠心分離法
よりも、更に経済的で且つ効率的な手法を提供すること
にある。即ち、本発明は、一段の分離で任意の濃度の同
位体を分離することが可能な方式である。
The main object of the present invention is to solve uranium enrichment more economically than the gas diffusion method and centrifugation method which are currently industrially used. It is to provide an efficient and efficient method. That is, the present invention is a method capable of separating an isotope of an arbitrary concentration by one-stage separation.

【0015】ガス拡散法では理論的な分離係数α=1.
004であり、遠心分離法では、分離機円筒の周辺速度
=500m/sの時、円筒半径aとするとr/a=
0.9の所での分離係数α=1.03程度であるので、
2−3%の濃度のウランを濃縮するには、先数百段位カ
スケード接続することが必要であるが、本方式の分離係
数は、理論的には、α→∞であるので、2−4%の濃度
の分離は、一段のみで行うことができる。
In the gas diffusion method, the theoretical separation coefficient α = 1.
Is 004, the centrifugal separation method, when the peripheral velocity V a = 500m / s of the separator cylinder, when the cylinder radius a r / a =
Since the separation coefficient α at 0.9 is about 1.03,
In order to concentrate uranium of a concentration of 2-3%, it is necessary to cascade several hundred stages in advance, but since the separation coefficient of this method is theoretically α → ∞, Separation of the% concentration can be performed in only one stage.

【0016】又、本発明に関する方法は、同位体分離の
他、超高純度のイオン種のイオン源やプラズマ源とし
て、高純度の金属薄膜の作製などに必要なIBD(Io
n beam de−position)法、次世代半
導体素子技術に必要とされているSOI(Silico
n on In−sulator)、SIMOX(Se
paration by Implanted Oxy
gen)、CVD(Chemical vapourd
eposition)等の利用に供することができる。
Further, the method according to the present invention is applicable not only to isotope separation but also to IBD (Io) necessary for producing a high-purity metal thin film as an ion source or plasma source of ultra-high-purity ion species.
SOI (Silico) required for n beam de-position method, next generation semiconductor device technology
non In-sullator), SIMOX (Se
paration by Implanted Oxy
gen), CVD (Chemical vapor)
(e.g., deposition).

【0017】[0017]

【問題を解決するための手段】本発明のパラメトリック
共鳴現象を利用した同位体分離法並びに超高純度のイオ
ン源又はプラズマ源は、以下に掲げるような機構によっ
て作動することを特徴とする。 (1)空間電荷効による分離効率の低下を避けるために
プラズマを利用する。 (2)プラズマ中のイオン及び電子は不均一磁界中でg
rad B−ドリフトとE×Bドリフトをするという性
質を利用することにより分離に必要な一方向のプラズマ
の流れを作る。 (3)四重極に印加する高周波の周波数を分離すべきイ
オンのサイクロトロン周波数の2倍程度の周波数に選ぶ
ことによって、そのイオンのみに選択的にエネルギーを
与えることができる。 (4)四重極高周波電界によって加速されたイオンのみ
が、次段に設定された阻止電極による電位障壁(pot
ential barrier)を乗り越えることがで
きて、選択分離される。 (5)特にプラズマ源として利用する場合は、分離後の
イオンに対して別途電子ビームを注入することにより、
電気的に中和してプラズマ状態とする。
The isotope separation method utilizing the parametric resonance phenomenon and the ultra-high purity ion source or plasma source of the present invention are characterized by operating by the following mechanisms. (1) Plasma is used to avoid a decrease in separation efficiency due to the space charge effect. (2) The ions and electrons in the plasma are g
By utilizing the property of performing rad B-drift and E × B drift, a unidirectional plasma flow required for separation is created. (3) By selecting the frequency of the high frequency applied to the quadrupole to be about twice the cyclotron frequency of the ion to be separated, energy can be selectively applied only to that ion. (4) Only ions accelerated by the quadrupole high-frequency electric field are subjected to the potential barrier (pot) by the blocking electrode set at the next stage.
It is possible to get over the initial barrier and to be selectively separated. (5) In particular, when utilizing as a plasma source, an electron beam is separately injected into ions after separation,
It is electrically neutralized to a plasma state.

【0018】以上の内容をもう少し具体的に説明する。
本発明では、同位体分離のために、不均一磁界中に於け
る荷電粒子のパラメトリック共鳴現象を利用する。パラ
メトリック共鳴というのは、例えば、系の運動方程式
が、数1の式に示すように、同一の周期を持った周期係
数の2階の微分方程式で与えられるような場合に生ず
る。
The above contents will be described more specifically.
In the present invention, the parametric resonance phenomenon of charged particles in an inhomogeneous magnetic field is used for isotope separation. The parametric resonance occurs, for example, when the equation of motion of the system is given by a second-order differential equation having a periodic coefficient having the same period, as shown in Equation 1.

【0019】[0019]

【数1】 (Equation 1)

【0020】特に、強制外力の項があらわに存在しなく
ても、ある条件のもとでは、振幅が時間と共に限りなく
増大する場合がある。このような現象を”パラメトリッ
ク共鳴”という。本方式で用いる不均一電磁界は、具体
的にはトロイダル静磁界、静電界及び高周波電界であ
る。本方式では、これ等の電磁界中での荷電粒子の運
動、特に静磁界に垂直な方向のドリフト運動を利用する
ことになる。
In particular, even if the term of the forced external force is not explicitly present, under certain conditions, the amplitude may increase endlessly with time. Such a phenomenon is called “parametric resonance”. The non-uniform electromagnetic field used in this method is, specifically, a toroidal static magnetic field, a static electric field, and a high-frequency electric field. In this method, the motion of the charged particles in these electromagnetic fields, particularly the drift motion in the direction perpendicular to the static magnetic field, is used.

【0021】本発明の同位体分離装置の形状、磁界コイ
ル、電極等の配置を示した概念図を図1に示す。
FIG. 1 is a conceptual diagram showing the configuration of the isotope separation device of the present invention and the arrangement of magnetic field coils, electrodes and the like.

【0022】本方式の全体の分離系としての動作原理に
ついて説明する。まず、天然ウラン(金属)を何等かの
方法で、一価の完全に電離したプラズマ状態を作る[プ
ラズマ源01]。必要があれば、電子サイクロトロン共
鳴加熱(ECRH)等の手段で、イオン成分をある温度
まで上昇させる。
The principle of operation of the present system as an entire separation system will be described. First, natural uranium (metal) is formed into a monovalent completely ionized plasma state by any method [plasma source 01]. If necessary, the ion component is raised to a certain temperature by means such as electron cyclotron resonance heating (ECRH).

【0023】このような、ウラン・プラズマは12の電
極の作る静電界Eとトロイダル静磁界Bとの相互作用に
よるE×Bドリフト運動によって、プラズマ源から引き
出され、grad B=一定面上を上方向に流れ出して
いく。
Such uranium plasma is extracted from the plasma source by the E × B drift motion due to the interaction between the electrostatic field E formed by the twelve electrodes and the toroidal static magnetic field B, and grad B = above a certain plane. It flows out in the direction.

【0024】中央部にある四重極電極05には、235
Uのイオンサイクロトロン周波数ωc5の約2倍位の高
周波電圧を印加する。この高周波電界によって235
のみが選択的に加速されて運動エネルギーが増加する。
The quadrupole electrode 05 at the center has 235
A high frequency voltage about twice as high as the ion cyclotron frequency ωc5 of U is applied. 235 U by this high frequency electric field
Only one is accelerated selectively, increasing the kinetic energy.

【0025】この運動エネルギーの大きくなった235
Uは、四重極電極の少し上方にある阻止電極06の電圧
を乗り越えて、更に上方にある回収電極07まで達し、
そこで回収される。
This kinetic energy of 235
U overcomes the voltage at the blocking electrode 06 slightly above the quadrupole electrode and reaches the recovery electrode 07 further above,
It is collected there.

【0026】一方、238Uの方は、四重極電界によっ
て加速されないので、阻止電圧を乗り越えることが出来
ず、途中で軌道が曲げられて、廃物捕集電極08にて回
収されることになる。
On the other hand, since 238 U is not accelerated by the quadrupole electric field, it cannot overcome the blocking voltage, and its track is bent halfway, and is collected by the waste collecting electrode 08. .

【0027】[0027]

【発明の実施の形態】本発明の同位体分離法は、プラズ
マ中の特定のイオンを四重極電極の高周波電界のパラメ
トリック共鳴現象を利用することにより、効率よく選択
分離することができ、ウラン濃縮、核融合炉核燃料の再
処理、超高純度イオン源及びプラズマ源等、これからの
先進技術に欠かすことの出来ない手法を提供することが
できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The isotope separation method of the present invention can selectively separate specific ions in plasma efficiently by utilizing the parametric resonance phenomenon of a high-frequency electric field of a quadrupole electrode. It is possible to provide methods that are indispensable for advanced technologies such as enrichment, reprocessing of nuclear reactor nuclear fuel, ultra-high purity ion source and plasma source.

【0028】[0028]

【実施例】本発明の主要部分は、図1に示したようなも
のである。以下図1を参照して各部要素の役割について
説明する。(渡辺博茂他:プラズマ、核融合学会誌72
(1996)347.参照のこと。)
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The main part of the present invention is as shown in FIG. Hereinafter, the role of each component will be described with reference to FIG. (Hiroshige Watanabe et al .: Journal of Plasma and Nuclear Fusion Society 72
(1996) 347. See also. )

【0029】図1で01で示す部分はプラズマ生成部で
あり、若しも対象物が気体であれば電子サイクロトロン
共鳴(ECR)等の手段によってプラズマ化することが
できる。対象物が金属類であれば強力な高エネルギーの
電子ビームを照射することにより、加熱蒸発させて原子
状態を作り、それを電離してプラズマを生成することが
可能である。このようなプラズマの分離領域への引き出
しはE×Bドリフト運動を利用する。
The portion denoted by 01 in FIG. 1 is a plasma generating portion, and if the object is a gas, it can be turned into plasma by means such as electron cyclotron resonance (ECR). If the target object is a metal, it can be heated and evaporated to form an atomic state by irradiating a strong high-energy electron beam, and ionized to generate plasma. Such extraction of the plasma to the separation region utilizes the E × B drift motion.

【0030】トロイダル・コイル09は、トロイダル磁
界を発生させるためのものである。このトロイダル磁界
はECRによってプラズマ生成する場合に、電子にサイ
クロトロン運動をさせるために必要であり、又、プラズ
マ中のイオン成分の流れをgrad Bドリフトによっ
て一定方向に定める役割も担う。
The toroidal coil 09 is for generating a toroidal magnetic field. The toroidal magnetic field is necessary to cause electrons to perform cyclotron motion when plasma is generated by ECR, and also plays a role in determining the flow of ion components in the plasma in a fixed direction by grad B drift.

【0031】導入電極03及び04による静電界は、プ
ラズマ源から引き出されたプラズマを中央部へと導入す
るとともに、プラズマの流れの速度を制御する役割を果
たす。トロイダル磁界によるgrad Bドリフトはイ
オンと電子では反対方向であるのでプラズマは荷電分離
してしまう。これを防ぐためにE×Bドリフト速度がg
rad Bドリフト速度よりも大きくなるように静電界
Eを印加する。
The electrostatic field generated by the introduction electrodes 03 and 04 serves to introduce the plasma extracted from the plasma source to the center and to control the speed of the flow of the plasma. Since the grad B drift due to the toroidal magnetic field is in the opposite direction for ions and electrons, the plasma is charged and separated. To prevent this, the E × B drift speed is g
The electrostatic field E is applied so as to be higher than the rad B drift speed.

【0032】イオンの選択分離は、四重極電極05と阻
止電極06によってなされる。四重極電極は図2に示す
ように、トーラス軸に平行な4本の環状電極からなり、
互に隣り合う電極には反対符号の高周波電圧が印加され
るように結線される。こ を加速して、その運動エネルギーを増加させることがで
きる。図2の原点付近で電界は次のような形に近似され
る。
The selective separation of ions is performed by the quadrupole electrode 05 and the blocking electrode 06. As shown in FIG. 2, the quadrupole electrode is composed of four annular electrodes parallel to the torus axis.
The electrodes adjacent to each other are connected so that high frequency voltages of opposite signs are applied. This To increase its kinetic energy. The electric field near the origin in FIG. 2 is approximated as follows.

【0033】[0033]

【数2】 (Equation 2)

【0034】[0034]

【数3】 (Equation 3)

【0035】ここにdは原点から四重極電極までの距離
である。今、静磁界Bがz軸の負の方向に印加されて
いるとすると質量m、電荷Zeの荷電粒子に対する運動
方程式は次のように表される。
Here, d is the distance from the origin to the quadrupole electrode. Now, assuming that the static magnetic field Bo is applied in the negative direction of the z-axis, the equation of motion of the mass m and the charge Ze with respect to the charged particles is expressed as follows.

【0036】[0036]

【数4】 (Equation 4)

【0037】[0037]

【数5】 (Equation 5)

【0038】 今、(x+y)/d=X、(x−y)d=Yおよびωt
=2τと変数変換する。 この場合には上式は次のように書くことができる。
[0038] Now, (x + y) / d = X, (xy) d = Y and ωt
= 2τ. In this case, the above equation can be written as

【0039】[0039]

【数6】 (Equation 6)

【0040】[0040]

【数7】 (Equation 7)

【0041】 数6、数7は、いずれも標準的なMathieu方程式
である。よく知られているように、Mathieu方程
式はパラメ−ター(a,q)の値によって、安定解と不
安定解に分かれる。図3にqを横軸にaを縦軸として、
安定、不安定解の領域を示す。斜線をほどこした領域が
不安定解の領域である。
[0041] Equations 6 and 7 are both standard Mathieu equations. As is well known, the Mathieu equation is divided into a stable solution and an unstable solution depending on the values of the parameters (a, q). In FIG. 3, q is a horizontal axis and a is a vertical axis.
Shows the region of stable and unstable solutions. The hatched area is the area of the unstable solution.

【0042】ここで一つの例として、1価の235U−
イオンに対して、静磁界及び四重極電極に印加する高周
波の周波数と電圧を適当に選ぶと(a,q)=(0.
8、0.24)とすることができる。このパラメーター
点は図3において、Uで示されている所にあり、数6、
数7式の解は不安定となる。235Uと同じ条件に対応
する238Uのパラメーターは(0.78、0.23
7)となり、図3ではvで表されている点であり、この
場合は安定解となる。
Here, as one example, monovalent 235 U-
If the static magnetic field and the frequency and voltage of the high frequency applied to the quadrupole electrode are appropriately selected for the ions, (a, q) = (0.
8, 0.24). This parameter point is located at U in FIG.
The solution of Equation 7 becomes unstable. The parameters of 238 U corresponding to the same conditions as 235 U are (0.78, 0.23
7), which is represented by v in FIG. 3, and in this case, it is a stable solution.

【0043】235Uと238Uに対するこのようなパ
ラメーターで、数6を数値計算をすると図4に示したよ
うになる。明らかに235Uの解は、時間と共に増大
し、解は不安定となっている。物理的には、235U−
イオンのラーマー半径の増大に対応するので、235
−イオンの運動エネルギーの増加を意味する。一方、
38U−イオンの方は安定解であり、高周波四重極によ
っては加速を受けないことが分かる。このようにして、
高周波四重極電界によって分離すべき同位体のみにエネ
ルギーを与えることができる。
Numerical calculations of Equation 6 with these parameters for 235 U and 238 U are as shown in FIG. Obviously, the solution of 235 U increases with time, and the solution becomes unstable. Physically, 235 U-
Since it corresponds to the increase in the Larmor radius of ions, 235 U
-Means an increase in the kinetic energy of the ions. Meanwhile, 2
It can be seen that the 38 U-ion is a more stable solution and is not accelerated by the high frequency quadrupole. In this way,
Only the isotopes to be separated can be energized by the high frequency quadrupole electric field.

【0044】四重極電界でエネルギーを得たイオンとそ
うでないイオンを分離するのは阻止電極06がその役割
を担う。この電極には、導入電極03及び04とは逆極
性の静電圧が印加される。従って、高周波四重極電界で
運動エネルギーを得たイオンのみが、この電位を乗り越
えて通過することができ、回収電極07によって回収さ
れる。その他のイオンはこの電位の障壁を乗り越えるこ
とができず、トーラスの外側へと軌道が曲げられ、廃物
捕集電極08にて回収される。
The blocking electrode 06 plays a role in separating ions that have gained energy from the quadrupole electric field from ions that have not. An electrostatic voltage having a polarity opposite to that of the introduction electrodes 03 and 04 is applied to this electrode. Therefore, only ions that have obtained kinetic energy in the high-frequency quadrupole electric field can pass over this potential and be collected by the collection electrode 07. Other ions cannot cross this potential barrier, the trajectory is bent to the outside of the torus, and is collected by the waste collection electrode 08.

【0045】廃物回収をトーラスの外側で行うように工
夫しているのは、回収作業を容易にするためであり、静
電界電極の中心軸を少しトーラスの内側にずらすことに
よって達成することができる。
The reason why the waste collection is performed outside the torus is to facilitate the recovery operation, and can be achieved by slightly shifting the center axis of the electrostatic field electrode toward the inside of the torus. .

【0046】回収電極07又は廃物捕集電極08は、そ
れぞれ分離しようとする同位体を回収するためのもの
と、廃物処理をするためのものである。気体の場合は、
電極で中性ガスとして、真空ポンプにて回収することに
なろう。ウランのような金属の場合には、原子法レーザ
ー同位体分離で広く開発研究がなされており、全く同じ
方法で回収することになろう。(例へば、OGURA,
K.etal.:Jpn.J.Appl.Phys.
(1992)1485,NISHIO,R.et a
l.:J.Nucl,Sci.and Tech.,
(1995)180.等を参照。)
The collecting electrode 07 or the waste collecting electrode 08 is for recovering the isotope to be separated and for processing the waste. In the case of gas,
As a neutral gas at the electrode, it will be recovered by a vacuum pump. In the case of metals such as uranium, extensive research has been conducted on atomic laser isotope separation, and it will be recovered by exactly the same method. (For example, OGURA,
K. et al. : Jpn. J. Appl. Phys. 3
1 (1992) 1485, NISHIO, R.A. et a
l. : J. Nucl, Sci. and Tech. , 3
2 (1995) 180. See etc. )

【0047】以上が本発明の主な構成要素の動作原理の
説明であるが、分離装置をトーラス形状としていること
に言及しておく。その第一の理由は、トーラス磁界中で
は、荷電粒子はgrad B=一定面をドリフトすると
いう性質を利用するためである。本発明の方式を直線状
ソレノイド・コイルによる一様磁界を用いた場合には、
四重極で加速された荷電粒子でも、ドリフト軌道が曲げ
られてしまい、阻止電圧を乗り越えることができても、
うまく回収電極に達しない場合が生じる。トロイダル磁
界によるgrad B−ドリフトは、いわば、回収電極
への道案内の役割を果たしていると云える。その他、一
段当たりの分離能力を高めるためには、出来るだけ作業
領域を大きくしたいという要求に対し、トロイダル形状
は装置をコンパクトにまとめることができるという利点
もある。
The above is a description of the principle of operation of the main components of the present invention, but it should be noted that the separator is in the form of a torus. The first reason is that in a torus magnetic field, charged particles use the property that grad B = a constant surface drifts. When the method of the present invention uses a uniform magnetic field by a linear solenoid coil,
Even with charged particles accelerated by the quadrupole, even if the drift trajectory is bent and the blocking voltage can be overcome,
In some cases, it does not reach the collection electrode well. The grad B-drift caused by the toroidal magnetic field can be said to play a role of guiding the recovery electrode. In addition, the toroidal shape has the advantage that the apparatus can be made compact in response to the requirement that the working area be as large as possible in order to increase the separation capacity per stage.

【0048】以上で、分離装置の各部要素の役割につい
て説明したが、これらを総合した一つの系としての動作
を知るためには、与えられた電磁界中での235Uと
238Uのイオンに対する軌道計算を行い、分離機能を
確かめる必要がある。ここでは、軌道の数値解析を行う
ために図1で説明した電極の具体的な配置を図5に示
す。ここでは、簡単のために静磁界にはトロイダル形状
の性質を持たせるが、その他の電極にはトロイダルの曲
率効果は本質的には重要でないので、z軸方向に置かれ
た無限に長い直線導体によって近似する。
The role of each component of the separation device has been described above. In order to know the operation as one system integrating these components, 235 U in a given electromagnetic field is required.
It is necessary to perform a trajectory calculation for 238 U ions to confirm the separation function. Here, FIG. 5 shows a specific arrangement of the electrodes described with reference to FIG. 1 in order to perform a numerical analysis of the orbit. Here, for the sake of simplicity, the static magnetic field has a toroidal shape, but since the curvature effect of the toroid is essentially insignificant for the other electrodes, an infinitely long linear conductor placed in the z-axis direction By approximation.

【0049】高周波四重極電極05に電圧を印加したと
きに生ずる線電荷密度を±σ、導入電極上の線電荷密度
を±λ1,2及び阻止電極上のそれを±λとする。荷
電粒子に対する運動方程式は次のような式で与えられ
る。
The linear charge density generated when a voltage is applied to the high-frequency quadrupole electrode 05 is ± σ, the linear charge density on the introduction electrode is ± λ 1,2 and that on the blocking electrode is ± λ 3 . The equation of motion for a charged particle is given by the following equation.

【0050】[0050]

【数8】 ここでは、静磁界はZ軸に対して負の方向に印加されて
いるものとする。その大きさを次の式で与える。
(Equation 8) Here, it is assumed that the static magnetic field is applied in a negative direction with respect to the Z axis. The size is given by the following equation.

【0051】[0051]

【数9】 ここにB=μI/2πR, Rはプラズマ源の口径
の中心付近におけるトーラスの大半径である。
(Equation 9) Here, B 0 = μ 0 I / 2πR, R is the large radius of the torus near the center of the diameter of the plasma source.

【0052】四重極、導入電極及び阻止電極による電界
はいづれもx、y成分のであり、四 に書くことができる。
The electric fields generated by the quadrupole, the introducing electrode and the blocking electrode are all composed of x and y components. Can be written in

【0053】[0053]

【数10】 (Equation 10)

【0054】[0054]

【数11】 ここで、τ=(ωt)/2,aとqはMathieu方
程式(数6)のパラメーターであり、εは静電界の強さ
を表す定数でε=λo/2πεdで与える。
[Equation 11] Here, τ = (ωt) / 2, a and q are parameters of the Mathieu equation (Equation 6), ε is a constant representing the strength of the electrostatic field, and is given by ε = λo / 2πε 0 d.

【0055】又、Also,

【数12】 (Equation 12)

【0056】[0056]

【数13】 (Equation 13)

【0057】[0057]

【数14】 [Equation 14]

【0058】[0058]

【数15】 である。但し、η=λ/λ0,l=1/√2であ
る。以上の式では距離を表す量はdで割って規格化し、
無次元の量としている。記号の節約のためx/d→)
x,h/d→hのように書き改めて使用している。
(Equation 15) It is. Here, η i = λ 1 / λ 0, l = 1 / √2. In the above formula, the quantity representing the distance is normalized by dividing by d,
It is a dimensionless quantity. X / d →) to save symbols
x, it is again used written as h i / d → h i.

【0059】ここで、数10と数11の荷電粒子に対す
る運動方程式を具体的に数値計算してみよう。以下で
は、ウランプラズマ中の235U−イオンを選択分離の
対象として考える。235U−イオンに対する高周波の
角周波数ωは、図4で示したようにa= 定する。ωC5235Uの1価イオンに対するサイク
ロトロン角周波数である。又、この時の高周波印加電圧
はq=0.2となるように設定する。これらの235
−イオンに対する238U−イオンのMathieuパ
ラメーター(a,q)=(0.78、0.222)とな
る。
Here, the equations of motion for the charged particles of Equations 10 and 11 will be specifically calculated numerically. Hereinafter, 235 U-ions in uranium plasma are considered as targets for selective separation. The angular frequency ω of the high frequency for the 235 U-ion is, as shown in FIG. Set. ω C5 is the cyclotron angular frequency for 235 U monovalent ions. The high frequency applied voltage at this time is set so that q = 0.2. These 235 U
The Mathieu parameters (a, q) of 238 U-ions relative to -ions = (0.78, 0.222).

【0060】 0.3eV程度の運動エネルギーに相当する。同図には
便宜のため、この計算で用いた導入電極03及び04、
阻止電極06、回収電極07、廃物補助電極08、四重
極電極05、プラズマ源引き出し電極12等の位置が示
してある。
[0060] This corresponds to a kinetic energy of about 0.3 eV. In the figure, for convenience, the introduction electrodes 03 and 04 used in this calculation,
The positions of the blocking electrode 06, the recovery electrode 07, the waste auxiliary electrode 08, the quadrupole electrode 05, the plasma source extraction electrode 12, and the like are shown.

【0061】又、y軸上の静電界のx、y−成分につい
ても図示してある。電界は導入電極と阻止電極の間で、
その向きは逆転させてある。従って、四重極電極を通り
抜けた荷電粒子を押し戻す方向に印加している。この静
電界に対するパラメーターはε=0.015、η
0.8、η=1.0、η=−0.8としている。
The x and y-components of the electrostatic field on the y-axis are also shown. The electric field is between the introduction and blocking electrodes,
Its direction has been reversed. Therefore, the charged particles passing through the quadrupole electrode are applied in the direction of pushing back. The parameters for this electrostatic field are ε = 0.015, η 1 =
0.8, η 2 = 1.0, η 3 = −0.8.

【0062】この図からも明らかのように、235U−
イオンは高周波四重極電界によって加速され、運動エネ
ルギーが増大していることが分かる。そして阻止電圧を
乗り越えて回収電極に達している。一方、238U−イ
オンの方は、四重極電界によっては加速されず、阻止電
圧を乗り越えることが出来ないので、軌道が途中でトー
ラスの外側の方向に曲げられ、廃物捕集電極に補捉され
る。
As is clear from this figure, 235 U-
It can be seen that the ions are accelerated by the high frequency quadrupole electric field and the kinetic energy is increased. Then, the voltage exceeds the blocking voltage and reaches the recovery electrode. On the other hand, the 238 U-ion is not accelerated by the quadrupole electric field and cannot overcome the blocking voltage, so that the orbit is bent toward the outside of the torus on the way, and is trapped by the waste collection electrode. Is done.

【0063】ここで廃物(238U)の流れがトーラス
の外側方向に曲げられているのは、阻止電界の発散レン
ズ(又はE×B−ドリフト)作用によるものであり、廃
物回収作業が容易となるよう配慮したものである。これ
は静電界電極の中心軸をトーラスの内側に少しずらせる
ことによって達成される。
The reason why the flow of the waste ( 238U ) is bent outward of the torus is due to the function of the diverging lens (or E × B-drift) of the blocking electric field. It is something that is considered. This is achieved by slightly displacing the central axis of the electrostatic field electrode inside the torus.

【0064】次に、初期条件の荷電粒子軌道への影響に
ついて考えてみる。
Next, the effect of the initial conditions on the charged particle trajectory will be considered.

【0065】1.初期位置(x,y)について:粒
子軌道は、y軸に沿ってドリフト運動をするので、四重
極電界によって加速を受けるかどうかはXの位置が重
要な役割を果たす。Xがy軸から、かなり離れている
場合には加速されない。プラズマ源の位置などの諸条件
によっても異なるが、ウラン濃縮の場合、o≦x
0.3の範囲であれば、四重極電界によって加速させる
ことが可能である。
1. Regarding the initial position (x o , y o ): Since the particle trajectory drifts along the y axis, the position of X o plays an important role in whether or not it is accelerated by the quadrupole field. If Xo is far away from the y-axis, it will not be accelerated. Depending on various conditions such as the position of the plasma source, in the case of uranium enrichment, o ≦ x o
If it is in the range of 0.3, it is possible to accelerate by a quadrupole electric field.

【0066】2.初期速度の位相角 ここでの初期速度の位相角とは、初期位置(x
)に於いて、粒子がy軸に対してどのような角度の
初期速度で入射したかを表すものとする。 このθに対する軌道への影響は、数8、数9式が非線型
微分方程式であるため、あらかじめ予測することは難し
く、複雑な振舞いをする。
2. Phase angle of initial speed The phase angle of initial speed here is the initial position (x o ,
In y o ), it is assumed that the angle represents the initial velocity of the particle with respect to the y-axis. The effect of θ on the trajectory is difficult to predict in advance because Equations 8 and 9 are nonlinear differential equations, and the behavior is complicated.

【0067】この一例を図7に示す。この図は初期位置
=−3.0と固定し、xを変化させたときの位相
角によって、235Uと238Uが回収電極07と廃物
回収電極08のいづれに回収されるかを示したものであ
る。白丸は、235Uを、黒点は238Uを表す。この
図からも明らかなように、位相角θと初期位置xによ
っては、高周波四重極電界により、238Uが加速され
る場合もあり、235Uが加速されない場合もあり得
る。ウランの場合は、相対質量差ΔM/M=0.013
と小さいことに起因する。水素同位体やヘリウム同位体
など、相対質量差が大きい場合は、このような現象は生
じない。
FIG. 7 shows an example of this. This figure shows that 235 U and 238 U are collected by the collection electrode 07 or the waste collection electrode 08 depending on the phase angle when the initial position y o = −3.0 is fixed and x o is changed. It is shown. Open circles represent 235 U and black dots represent 238 U. As is clear from this figure, depending on the phase angle θ and the initial position xo , 238 U may be accelerated or 235 U may not be accelerated by the high-frequency quadrupole electric field. In the case of uranium, the relative mass difference ΔM / M = 0.013
And due to being small. Such a phenomenon does not occur when the relative mass difference is large, such as in a hydrogen isotope or a helium isotope.

【0068】従って、235Uを100%分離するに
は、初期位置xの限られた領域のみで可能ということ
になるが、軽水炉用核燃料としては、100%分離する
必要はなく、2−4%程度の濃縮度のものが得られれば
よいので、本方式はウラン濃縮に関しては、十分に実用
に供することができるであろう。
Therefore, it is possible to separate 235 U by 100% only in a limited area of the initial position xo , but it is not necessary to separate 100% from nuclear fuel for a light water reactor. Since it is only necessary to obtain a uranium enrichment of about%, the present method can be sufficiently used for uranium enrichment.

【0069】ここで、本発明によって一段の分離当たり
どの程度の量のウラン濃縮が可能であるかを評価してみ
る。評価に当たっては、種々の条件が複雑にからみ合っ
ているので、最適化はしていない。単に零次近似の評価
である。現実の天然ウランには235Uは0.711%
含まれているが、ここでは0.7%とする。
Here, it will be evaluated how much uranium can be concentrated per one-stage separation according to the present invention. In the evaluation, various conditions are intricately entangled, and therefore, optimization is not performed. It is simply an evaluation of the zero order approximation. 235 U is 0.711% for real natural uranium
Although it is included, it is set to 0.7% here.

【0070】以下で使用する分離装置の具体的寸法とプ
ラズマパラメーターの一例を表1と表2に挙げる。
Tables 1 and 2 show examples of specific dimensions and plasma parameters of the separation apparatus used below.

【0071】[0071]

【表1】 [Table 1]

【0072】[0072]

【表2】 [Table 2]

【0073】これまでの荷電粒子に対する軌道解析は、
単一粒子についてのものであった。実装置に於いて、こ
のモデルがどの程度の密度のプラズマまで適用可能なの
かを明らかにしておくことは重要である。
The trajectory analysis for the charged particle so far is as follows.
For a single particle. It is important to clarify up to what density plasma this model can be applied in a real device.

【0074】一般に、分離能力を高めるためには、作業
物質の密度を大きくすればよい。しかしながら、密度を
大きくすると荷電粒子間のクーロン衝突によって軌道が
乱され、単一粒子モデルが使えなくなる。どの程度の密
度まで適用できるかの判定の目安には、クーロン衝突に
よる平均自由行程を調べればよい。本発明の場合にはイ
オン−電子衝突による平均自由行程λieとイオン−イ
オン衝突による平均自由行程λiiが重要である。
Generally, in order to increase the separation ability, the density of the working substance may be increased. However, when the density is increased, the orbit is disturbed by Coulomb collision between charged particles, and a single particle model cannot be used. As a guide for determining how high the density can be applied, the mean free path due to Coulomb collision may be examined. In the case of the present invention, the mean free path λ ie by ion-electron collision and the mean free path λ ii by ion-ion collision are important.

【0075】よく知られているように、イオン−イオン
衝突では衝突の前後における質量中心は不変であり、
又、全体の運動量の変化もないことから、これによる軌
道のづれる拡散現象は無視できるので、もっぱらイオン
−電子衝突が粒子軌道に対して重要な役割を果たす[参
考文献:F.F.Chen:”Introductio
n to PLASMA PHYSICS,”Plen
um Press,New York,Chap.5,
155(1976).]。
As is well known, in ion-ion collision, the center of mass before and after the collision is invariable,
In addition, since there is no change in the overall momentum, the orbital diffusion phenomenon caused by this is negligible, so that the ion-electron collision plays an important role solely on the particle orbit [Ref. F. Chen: "Introduction
n to PLASMA PHYSICS, "Plen
um Press, New York, Chap. 5,
155 (1976). ].

【0076】イオン−電子衝突による平均自由行程λ
ieは、
Mean free path λ due to ion-electron collision
ie

【数16】 で与えられる。[参考文献:R.A.Gross:”F
usion Energy”,John Wiley
& SonsInc.,New York,51(19
84).]。
(Equation 16) Given by [Reference: R. A. Gross: "F
usion Energy ", John Wiley
& Sons Inc. , New York, 51 (19
84). ].

【0077】 n〜5×1018−3とするとλie=2mとなる。
ここでは、イオン温度を0.3eVとしているが、必要
ならばイオン温度を1桁以上に挙げることは、現在の技
術ではそれほど難しいことではない。このλieを必要
とする値にすることは可能である。従って、n〜5×1
18−3の密度のプラズマでも、単一粒子モデルが
成り立つものとしてよいであろう。
[0077] If nn5 × 10 18 m −3 , then λ ie = 2 m.
Here, the ion temperature is set to 0.3 eV, but it is not so difficult with current technology to raise the ion temperature to one digit or more if necessary. It is possible to make λ ie a required value. Therefore, n to 5 × 1
A plasma with a density of 0 18 m -3 may be sufficient for a single particle model.

【0078】本発明の方式では、プラズマ源の口径半径
の幅を適当に選ぶことによって、任意の濃縮度のウラン
燃料を得ることができる。以下では、3%濃縮する場合
を考えてみよう。このためには、プラズマ源の口径半径
の内径と外径をxが、0.09≦x≦0.25とな
るように選ぶ。これは口径幅h=0.032mに相当す
る。
In the method of the present invention, uranium fuel having an arbitrary enrichment can be obtained by appropriately selecting the width of the radius of the plasma source. In the following, let's consider the case of 3% concentration. For this purpose, the inner and outer diameters of the bore radius of the plasma source x o is chosen such that 0.09 ≦ x o ≦ 0.25. This corresponds to an aperture width h = 0.032 m.

【0079】ここで、この口径面に相当する荷電粒子の
初期位置(x,y)における初期速度(x
)の位相角は等方的であると仮定する。プラズマ源
から分離領域に入る天然ウラン・プラズマ中の235
−イオン成分が回収電極07に回収される確率は、図7
から0.86となる。又、238U−イオンのそれは
0.18である。
Here, the initial velocity (x o , at the initial position (x o , y o ) of the charged particle corresponding to the aperture surface
Assume that the phase angle of y o ) is isotropic. 235 U in natural uranium plasma entering the separation zone from the plasma source
The probability that the ion component is collected by the collection electrode 07 is as shown in FIG.
From 0.86. Also, that of 238 U-ion is 0.18.

【0080】天然ウラン1kg中に、235Uは7g、
238Uは993g含まれているので、上記の条件下で
は、天然ウラン1kgから3.2%の濃縮ウランを18
5g得ることができる。
In 1 kg of natural uranium, 235 U contains 7 g,
Since 238 U contains 993 g, under the above conditions, 3.2% of enriched uranium of 18% from 1 kg of natural uranium can be obtained.
5 g can be obtained.

【0081】又、プラズマ源の口径半径を0.05≦x
≦0.25に選ぶと2%の濃縮度、0.1≦x
0.25に選べば4%の濃縮度のウランを得ることがで
きる。
The radius of the plasma source is set to 0.05 ≦ x
When o ≦ 0.25, the concentration is 2%, and 0.1 ≦ x o
If it is selected to be 0.25, uranium with an enrichment of 4% can be obtained.

【0082】次に、本発明の方式において分離1段当た
りで、どれくらいの量のウランを濃縮できるかを評価し
てみる。この量は、勿論、ウランの濃縮度や装置の寸法
に密に依存するのであるが、本発明の分離能力の具体的
な目安を与えるという意味で、濃縮度3%程度とし、装
置パラメーターとしては表1に挙げたものを例として評
価する。
Next, how much uranium can be concentrated in one stage of separation in the method of the present invention will be evaluated. The amount depends, of course, on the enrichment of uranium and the dimensions of the apparatus, but in order to give a specific measure of the separation capacity of the present invention, the enrichment is about 3%, and the apparatus parameters are as follows. Evaluation is made using the examples shown in Table 1 as examples.

【0083】プラズマ源の口径の面積はS=2πRhで
与えられる。ここにRはトーラスの大半径、hは口径の
幅である。プラズマの密度を、n,流速をvとするとプ
ラズマ源から分離領域への供給率Fは、
The area of the diameter of the plasma source is given by S = 2πRh. Here, R is the large radius of the torus, and h is the width of the caliber. Assuming that the density of the plasma is n and the flow velocity is v, the supply rate F from the plasma source to the separation region is:

【数17】 で与えられる。ここにAは原子量、Nはアボガドロ数で
ある。
[Equation 17] Given by Here, A is the atomic weight, and N is the Avogadro number.

【0084】本方式の場合、流速vはプラズマのE×B
−ドリフト速度で与えられる。プラズマ源の引き出し電
圧として150Vとすると、E≡350V/mとな
る。B=0.35Tとしているのでv=10m/s
である。R=0.8m、h=0.032m、A=238
m、n=5×1018−3等を数17に代入すると、
F=0.32gU/sが得られる。これは27.6gU
/dayに相当する。即ち、本発明方式では、一段の分
離で一日当たり3.2%の濃縮ウランを約5kg得るこ
とができる。一年間では1.8トンとなる。
In the case of this method, the flow velocity v is equal to the E × B of the plasma.
-Given by the drift speed. If the extraction voltage of the plasma source is 150 V, E e ≡350 V / m. Since the B T = 0.35T v = 10 3 m / s
It is. R = 0.8 m, h = 0.032 m, A = 238
Substituting m, n = 5 × 10 18 m −3 into Equation 17 gives
F = 0.32 gU / s is obtained. This is 27.6gU
/ Day. That is, in the method of the present invention, about 5 kg of 3.2% enriched uranium can be obtained per day by one-stage separation. It is 1.8 tons in one year.

【0085】[0085]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、トロイダ
ル静磁界中で高周波四重極電界による荷電粒子のパラメ
トリック共鳴現象を利用して235Uを濃縮することを
提案したものである。本発明は、電磁方式であるので、
分離の作業物質(プラズマ状態)の流れ等を自由に制御
でき、又、分離係数αは、10≦α<∞と非常に大きく
取れるので、分離段数が一段で、任意の濃縮度のウラン
核燃料を得ることができる。
As described above, the present invention proposes to enrich 235 U by utilizing the parametric resonance phenomenon of charged particles caused by a high-frequency quadrupole electric field in a toroidal static magnetic field. Since the present invention is an electromagnetic system,
The flow of the separation work material (plasma state) can be controlled freely, and the separation coefficient α can be very large, 10 ≦ α <∞, so that the number of separation stages is one, and uranium nuclear fuel of any enrichment can be obtained. Obtainable.

【0086】従来のガス拡散法や遠心分離法は、分離係
数がα=1.0041、1と小さく、目的の濃縮度の核
燃料を得るには、数千段ものユニットを直列(カスケー
ド)に接続しなければならないので、設備費や運転維持
管理、消費電力等に種々の難点があるが、本発明の方式
は一段の分離で済むので、設備費や運転管理に関して大
幅な改善が期待できる。
In the conventional gas diffusion method and centrifugal separation method, the separation coefficient is as small as α = 1.0041 and 1, and in order to obtain a nuclear fuel with a desired enrichment, thousands of units are connected in series (cascade). Therefore, there are various difficulties in equipment cost, operation and maintenance, power consumption, and the like. However, since the method of the present invention requires only one separation, significant improvement in equipment cost and operation management can be expected.

【0087】又、四重極電極に印加する高周波の周波数
と電圧を変えるだけで、将来の核融合炉に於ける核燃料
である重水素(D)やトリチウム(T)の分離精製、灰
であるヘリウム(He)の不純物の除去、トリチウム
の製造に必要とするリチュウム()の同
位体分離など、非常に広範囲の元素の同位体分離にも適
用可能な方式である。
Further, only by changing the frequency and voltage of the high frequency applied to the quadrupole electrode, it is possible to separate and purify deuterium (D) and tritium (T), which are nuclear fuels in a future fusion reactor, and to produce ash. removal of impurities helium (4 the He), etc. isotope separation of Lithium (6 L i, 7 L i ) requiring the production of tritium, it is a very wide variety of isotopes applicable method to separate elements .

【0088】以上の同位分離の他、本発明の方式は、超
高純度の単一種類のイオンのみを含んだイオン源やプラ
ズマ源としても利用が可能である。
In addition to the above isotope separation, the method of the present invention can also be used as an ion source or a plasma source containing only a single kind of ultrapure ion.

【0089】以上の説明では、ウランは単体の金属ウラ
ンをプラズマ化することを想定して説明してきたが、6
弗化ウラン(UF)を利用すると、このUFは気体
であるので、電離するのが容易である。図8には、UF
−イオンのマシュー方程式の解の時間変化を挙げる。
このように、235UFの状態での分離も可能であ
る。
In the above description, uranium has been described assuming that a single metal uranium is converted into plasma.
When uranium fluoride (UF 6 ) is used, since UF 6 is a gas, it is easy to ionize. FIG. 8 shows UF
6- Gives the time evolution of the solution of the Matthew equation for ions.
Thus, separation in the state of 235 UF 6 is also possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例である同位体分離装置の縦断
面図。
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of an isotope separation apparatus according to one embodiment of the present invention.

【図2】高周波四重極電極と高周波電源の結線図。FIG. 2 is a connection diagram of a high-frequency quadrupole electrode and a high-frequency power supply.

【図3】マシュー方程式のパラメーター空間(a.q)
の安定・不安定図。斜線部分は不安定領域を示す。
FIG. 3. Parameter space (a.q) of Matthew equation
Stability and instability diagram. The hatched portion indicates an unstable region.

【図4】235Uと238U−イオンのラーマー半径に
対応するマシュー方程式の解。235U−イオンに対す
る解は、不安定(増大)であり、238U−イオンの解
は安定であることを示している。
FIG. 4 is a solution of the Matthew equation corresponding to the Larmor radius of 235 U and 238 U-ions. The solution for 235 U-ion is unstable (increased), indicating that the solution for 238 U-ion is stable.

【図5】四重極電極、導入電極、阻止電極の位置及び各
電極に与えられ電荷密度。
FIG. 5 shows the positions of the quadrupole electrode, the introduction electrode, the blocking electrode, and the charge density given to each electrode.

【図6】数値解析による235Uと238U−イオンの
粒子軌道の一例と導入電極及び阻止電極による電界の成
分分布。
FIG. 6 shows an example of particle trajectories of 235 U and 238 U-ions by numerical analysis, and a component distribution of an electric field by an introduction electrode and a blocking electrode.

【図7】初期位置(x,y)における、初期速度
(x,y)の入射位相角に対する依存性。
FIG. 7 shows the dependence of the initial velocity ( xo , yo ) on the incident phase angle at the initial position ( xo , yo ).

【図8】UF−イオンに対するマシュー方程式の解の
時間依存性。図4と同様に、235UF−イオンに対
する解は発散し、238UFに対する解は安定となっ
ている。
FIG. 8: Time dependence of the solution of the Matthew equation for UF 6 -ions. As in FIG. 4, the solution for 235 UF 6 -ions diverges and the solution for 238 UF 6 is stable.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

01 プラズマ生成部 02 プラズマ出口 03 導入電極−1 04 導入電極−2 05 高周波四重極電極 06 阻止電極 07 回収電極 08 廃物捕集電極 09 トロイダルコイル 10 原子ビーム導入管 11 電子共鳴加熱用マイクロ波導波管 12 プラズマ引き出し電極 13 真空容器 Reference Signs List 01 Plasma generation unit 02 Plasma outlet 03 Introducing electrode-1 04 Introducing electrode-2 05 High frequency quadrupole electrode 06 Blocking electrode 07 Recovery electrode 08 Waste collecting electrode 09 Toroidal coil 10 Atomic beam introducing tube 11 Microwave waveguide for electron resonance heating Tube 12 Plasma extraction electrode 13 Vacuum container

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】高周波四重極電界による荷電粒子のパラメ
トリック共鳴現象を利用することによって、分離しよう
とする同位体(例えばU−235)イオンのみを選択加
速してエネルギーを与える。このエネルギーの増加した
イオンは、阻止電極の作る電位(ポテンシャル・バリヤ
ー:potential barrlerという)を乗
り越えて、回収電極で回収する。一方、その他の同位体
(例えばU−238)は四重極電界によっては加速され
ないので、ポテンシャル・バリヤーを乗り越えることが
できない。途中で粒子軌道が曲げられて廃物補集電極に
回収される。又、四重極電極に印加する高周波の周波数
と電圧を変えることによって、すべての同位体元素を分
離することができる。以上のような原理によって分離す
ることを特微とする同位体分離法。
An energy is given by selectively accelerating only isotope (for example, U-235) ions to be separated by utilizing a parametric resonance phenomenon of charged particles caused by a high-frequency quadrupole electric field. The ions having increased energy cross the potential (potential barrier) created by the blocking electrode and are collected by the collecting electrode. On the other hand, other isotopes (e.g., U-238) are not accelerated by the quadrupole field and therefore cannot cross the potential barrier. The particle trajectory is bent on the way and is collected by the waste collection electrode. By changing the frequency and voltage of the high frequency applied to the quadrupole electrode, all the isotopes can be separated. An isotope separation method characterized by separation based on the above principle.
【請求項2】同位体の選択分離において、大電流イオン
ビームを単独で使用する場合には、イオンの空間電荷効
果によって分離分解能の低下をもたらすので、それを防
ぐために全体として電気的中性であるプラズマを効果的
に利用するため、荷電粒子のgrad B−ドリフトと
E×B−ドリフト運動を使う。本分離装置において利用
する不均一磁界(grad B≠0)は、装置の形状を
トラース状(又はドーナツ状とも云う)にし、トロイダ
ル・コイルを使用することによって実現することができ
る。この磁界をE×B−ドリフトの組合せによって、プ
ラズマ状の同位体元素に一定方向の流れを与えることが
でき、同位体分離を定常且つ大量処理することが可能と
なることを特徴とする同位体分離法。
(2) When a high current ion beam is used alone in the selective separation of isotopes, the space resolution effect of ions causes a reduction in separation resolution. In order to utilize a certain plasma effectively, grad B-drift and ExB-drift motion of charged particles are used. The non-uniform magnetic field (grad B ≠ 0) used in the present separation device can be realized by making the shape of the device into a truss shape (also called a donut shape) and using a toroidal coil. The isotope is characterized in that it is possible to give a flow in a certain direction to the plasma-like isotope element by combining this magnetic field with E × B-drift, and to carry out steady-state and large-scale isotope separation. Separation method.
【請求項3】原子炉からの核燃料廃棄物を何等かの方法
でプラズマ化することができれば、超長寿命のテクネチ
ュウム−99(Tc−99、半減期21万年)やヨウ素
−129(I−129、半減期1, 200万年)など
を選択的に取り除くことができ、廃棄物の貯蔵期間を数
100年と大幅に短縮することができ、安全対策の面で
も極めて有効となることを特徴とする同位体分離法。
3. If nuclear fuel waste from a nuclear reactor can be turned into plasma by any method, technetium-99 (Tc-99, half-life 210,000 years) and iodine-129 (I- 129, half-life of 12 million years), and the storage period of waste can be significantly reduced to several hundred years, which is extremely effective in terms of safety measures. Isotope separation method.
【請求項4】上述の同位体分離法の他、同一原理の適用
により、一種類のイオンのみを含む超高純度のイオン源
又はプラズマ源を構成することを特徴とする方法。
4. A method characterized in that an ultrahigh-purity ion source or a plasma source containing only one kind of ion is constituted by applying the same principle in addition to the above-mentioned isotope separation method.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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