JPS6235806B2 - - Google Patents
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- JPS6235806B2 JPS6235806B2 JP54015403A JP1540379A JPS6235806B2 JP S6235806 B2 JPS6235806 B2 JP S6235806B2 JP 54015403 A JP54015403 A JP 54015403A JP 1540379 A JP1540379 A JP 1540379A JP S6235806 B2 JPS6235806 B2 JP S6235806B2
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- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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- B01D59/00—Separation of different isotopes of the same chemical element
- B01D59/34—Separation by photochemical methods
-
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、レーザを使用してウラン同位体分
離を行なう際に使用されるようなスリツト状のノ
ズル開口を持つガスまたはガス混合物の断熱膨張
用のノズルに関するものである。この種の同位体
分離法の詳細は西独国特許出願公開第2447762号
公報に記載されている。この方法ではレーザ光線
によつて励起された同位体化合物、例えば
235UF6がこの化合物とそれと同時に導入された
反応相手との化学反応を利用して分離される。こ
のような励起化合物と非励起化合物との化学的分
離の外に例えば西独国特許出願公開第2311584号
公報に記載されているように物理的分離も実現可
能である。即ち断熱膨張により同位体の種類に応
じて選択的に励起された同位体混合物例えばUF6
の温度が低下し、それによつて同位体混合物の吸
収帯巾の強い圧縮が達成される。その結果同位体
化合物の吸収帯のＱ分枝の重り合いが外され、一
種類の同位体化合物だけがそのＱ分枝に対応する
振動数のレーザ光によつて選択的に励起される。
このようにしてレーザ光によつて誘起される同位
体分離に際して断熱膨張を利用して分離効果を著
しく高めることが可能となる。ただしこの場合膨
張中のガス流からノズル壁を通して熱が逆流する
ことにより励起の選択性が損われないようにする
ことが重要である。この選択性の悪化は境界層に
おいての摩擦熱およびノズル壁からガス流に流れ
る熱に基くものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a nozzle for the adiabatic expansion of a gas or gas mixture having a slit-like nozzle opening, such as is used in the separation of uranium isotopes using a laser. . Details of this type of isotope separation method are described in German Patent Application No. 2447762. In this method, isotopic compounds excited by a laser beam, e.g.
235UF 6 is separated using a chemical reaction between this compound and a reaction partner introduced at the same time. In addition to such chemical separation of excited and unexcited compounds, physical separation is also possible, as described in, for example, German Patent Application No. 2311584. That is, isotope mixtures that are selectively excited depending on the type of isotope by adiabatic expansion, such as UF 6
temperature decreases, thereby achieving a strong compression of the absorption band of the isotope mixture. As a result, the Q branches of the absorption bands of the isotopic compounds are desuperimposed, and only one type of isotopic compound is selectively excited by the laser beam having the frequency corresponding to the Q branch.
In this way, it becomes possible to significantly enhance the separation effect by utilizing adiabatic expansion during isotope separation induced by laser light. However, it is important in this case to ensure that the selectivity of the excitation is not impaired by heat flowing back through the nozzle wall from the expanding gas stream. This selectivity deterioration is due to frictional heat in the boundary layer and heat flowing from the nozzle wall into the gas stream.
この発明はこのような悪影響を阻止することを
目的とするもので、この目的はノズル壁の上また
は下、あるいは上下に熱を遮断する装置が設けら
れることによつて達成される。このような手段お
よび装置としてはノズル壁を熱伝導の低い材料で
作るか、あるいは熱伝導ができるだけ小さくなる
ような形態とすることができる。 The present invention aims to prevent such adverse effects, and this purpose is achieved by providing heat insulating devices above or below the nozzle wall, or above and below the nozzle wall. Such means and devices may be such that the nozzle wall is made of a material with low heat conductivity or is configured in such a way that heat conduction is as low as possible.
図面に示した実施例についてこの発明を更に詳
細に説明する。 The invention will be explained in more detail with reference to the embodiments shown in the drawings.
第１図はこの発明のノズルをウラン同位体分離
装置に使用した例を示すもので、真空容器１の壁
にノズル２４が設けられ、これに分配室２２と３
２を通して貯蔵容器２からのUF6ガスと貯蔵容器
３からの反応相手例えば臭化水素とが混合して供
給される。UF6のHBrに対する比は弁３１と２１
により例えば１：10に調節される。貯蔵容器２の
温度を調節することによりUF6の蒸気圧は約
300Torrに設定される。 FIG. 1 shows an example in which the nozzle of the present invention is used in a uranium isotope separation device. A nozzle 24 is provided on the wall of a vacuum vessel 1, and a distribution chamber 22 and a
Through 2, UF 6 gas from storage vessel 2 and a reaction partner, for example hydrogen bromide, from storage vessel 3 are fed in mixture. The ratio of UF 6 to HB r is for valves 31 and 21
For example, the ratio is adjusted to 1:10. By adjusting the temperature of storage vessel 2, the vapor pressure of UF 6 can be reduced to approx.
Set to 300Torr.
混合ガスは混合室２３からスリツト状の吹出し
ノズル２４に達し、それから真空室１に吹き出し
た蒸気流８はUF6に関して強く過冷却され、そこ
で図に示されていないレーザ装置から出たレーザ
光線４の照射を受ける。 The gas mixture reaches the slit-like outlet nozzle 24 from the mixing chamber 23 and the vapor stream 8 blown out from it into the vacuum chamber 1 is strongly supercooled with respect to UF 6 and there the laser beam 4 emitted by the laser device, not shown in the figure. irradiation.
ノズル２４のノズルのど５（第２図）の寸法
は、例えば巾が0.01mmの少数倍、長さが約50cmで
ある。 The dimensions of the nozzle throat 5 (FIG. 2) of the nozzle 24 are, for example, a width of a fraction of 0.01 mm and a length of about 50 cm.
特定の同位体化合物例えば235UF6だけが選択
的に励起されることにより、この同位体成分だけ
が反応相手と反応し、235UF5または235UF4とな
る。この反応生成物７は捕獲板１６上に沈着する
のに対し、冷却壁１５には主として非反応成分
238UF6が沈着する。HFおよびHBrのような揮発
性の生成物はポンプで吸い出される。 By selectively exciting only a specific isotopic compound, for example 235UF 6 , only this isotopic component reacts with the reaction partner to form 235UF 5 or 235UF 4 . This reaction product 7 is deposited on the capture plate 16, whereas the cooling wall 15 mainly contains non-reacted components.
238UF 6 is deposited. Volatile products such as HF and HB r are pumped out.
ノズル２４の構造の実施例を第２図乃至第８図
に示す。これらの図から分るようにこの発明の原
理を実現する具体的の構造には多くの種類があ
り、これらの図面はその一部を示すだけである。
図面には対応部分が同じ符号で示されている。第
２図はこの発明によるノズルの最も簡単な形を示
す。ノズル開口の最狭部（ノズルのど）は５で示
され、ノズル出口の壁は６で示されている。ノズ
ルから吹き出した混合ガス流とその方向は矢印８
で示されている。ノズル本体２４には深い切込み
６１があつて、出口のノズル壁６はノズルのど５
の付近より薄くなつている。この形態により熱の
伝達は主としてのど５の部分を通してだけ行わ
れ、また熱抵抗の大きさを調節することができ
る。切込み６１を通しての熱の伝達は熱遮蔽板６
４を設けることによつて実質上阻止される。同位
体分離に対しては一般にノズル２４はスリツト状
であるが、この発明はその他の形状例えば回転対
称ノズルに対しても有効である。このようにノズ
ル壁の温度が出口に向つて次第に低下することに
より、ノズル壁から境界層を通して主ガス流に流
れ込む熱流を著しく減少させることができる。こ
の熱流はノズル壁材料を熱伝導度の低い材料で作
ることによつて減少させることができる。 Examples of the structure of the nozzle 24 are shown in FIGS. 2 to 8. As can be seen from these figures, there are many types of specific structures that implement the principles of the invention, and these figures only show some of them.
Corresponding parts are designated by the same reference numerals in the drawings. FIG. 2 shows the simplest form of the nozzle according to the invention. The narrowest part of the nozzle opening (nozzle throat) is marked 5 and the nozzle outlet wall is marked 6. The mixed gas flow blown out from the nozzle and its direction are indicated by arrow 8.
is shown. The nozzle body 24 has a deep cut 61, and the nozzle wall 6 at the outlet is connected to the nozzle throat 5.
It is thinner than near the area. This configuration allows heat to be transferred primarily only through the throat 5 and allows the magnitude of the thermal resistance to be adjusted. Heat is transferred through the notch 61 to the heat shield plate 6.
4, this is substantially prevented. Although nozzle 24 is typically slit-shaped for isotopic separations, the invention is also useful for other shapes, such as rotationally symmetric nozzles. This gradual reduction in the temperature of the nozzle wall towards the exit can significantly reduce the heat flow from the nozzle wall through the boundary layer into the main gas stream. This heat flow can be reduced by making the nozzle wall material of a material with low thermal conductivity.
ノズル壁６に沿つての温度勾配を調節する別の
方法を第３図に示す。この場合ノズル本体に多数
の空室６２が設けられている。それらは相互に連
絡し、またノズル室と連絡していてもよい。この
構造は第２図の構造と比べて機械的安定性の点で
改良されている。空室６２の間に構成された物質
路を通してのノズル本体２４からの熱流は限定さ
れ、主ガス流８による冷却と組合わされてノズル
壁６の温度はその出口端に向つて次第に低下す
る。 Another method of adjusting the temperature gradient along the nozzle wall 6 is shown in FIG. In this case, a large number of cavities 62 are provided in the nozzle body. They communicate with each other and may also communicate with the nozzle chamber. This structure has improved mechanical stability compared to the structure of FIG. The heat flow from the nozzle body 24 through the material passages defined between the cavities 62 is restricted and, in combination with the cooling by the main gas flow 8, the temperature of the nozzle wall 6 gradually decreases towards its outlet end.
第４図は第３図のノズルを前方から即ちガス流
に対して逆向きに見たもので、空室６２がノズル
壁全体に分布していることが示されている。 FIG. 4 shows the nozzle of FIG. 3 from the front, ie, facing away from the gas flow, showing that the cavities 62 are distributed throughout the nozzle wall.
空室６２を持つ構造は、第５図に示すようにノ
ズル壁６の終端に冷却体６３を伝熱的にとりつけ
ることによつて改良される。この冷却体には適当
な冷却媒体を常時流すことができる。これによつ
て境界層に発生する摩擦熱の外に主ガス流８の余
熱の一部をもとり去ることができる。許される壁
冷却の限度はこの実施例の場合境界層ガスの凝縮
温度によつて与えられるが、この温度は膨張によ
る圧力低下によりノズル壁６に沿つて大きく変化
する。温度分布を各点の凝縮温度に対して適合さ
せることは、空室の寸法と配置の選定と冷却装置
６３の設計によつて達成される。冷却体６３に熱
絶縁層を付加することにより冷却体への凝縮を避
け、冷却体と周囲ガスとの間の熱伝達を低下させ
ることができる。 The structure with a cavity 62 is improved by thermally attaching a cooling body 63 to the end of the nozzle wall 6, as shown in FIG. A suitable cooling medium can be continuously flowed through this cooling body. In addition to the frictional heat generated in the boundary layer, this also makes it possible to remove part of the residual heat of the main gas flow 8. The limit of wall cooling allowed is given in this embodiment by the condensation temperature of the boundary layer gas, which varies widely along the nozzle wall 6 due to the pressure drop due to expansion. Adaptation of the temperature distribution to the condensing temperature at each point is achieved by the selection of the dimensions and arrangement of the cavities and the design of the cooling device 63. By adding a thermal insulation layer to the cooling body 63, condensation on the cooling body can be avoided and heat transfer between the cooling body and the surrounding gas can be reduced.
第６図の実施例はこの発明による多重ノズルで
ある。ここでは多数のノズルスリツト５が互に平
行して設けられ、隣り合せたノズル間の共通壁６
３には複数の空室６２が設けられているが、図面
には簡略化のため一つだけ示されている。空室の
中ノズル出口に最も近いものには、冷却材を流し
て所望の低温度に保持することができる。 The embodiment of FIG. 6 is a multiple nozzle according to the invention. Here, a large number of nozzle slits 5 are provided parallel to each other, and a common wall 6 between adjacent nozzles is provided.
3 is provided with a plurality of empty chambers 62, but only one is shown in the drawing for the sake of simplicity. A coolant can be flowed through the chambers closest to the nozzle outlet to maintain the desired low temperature.
上記の各構造に付加してあるいは単独に、第７
図に示すようにノズルの入口側に補助ガスの導入
装置７を設けることができる。この補助ガスは図
面に示すように一種の境界層としてノズル壁を覆
う。補助ガスは主ガス流の外部冷却が行われない
場合できるだけ熱伝導度の低いものとする必要が
あり、従つてアルゴンまたはキセノンが使用され
る。 In addition to or independently of each of the above structures, the seventh
As shown in the figure, an auxiliary gas introduction device 7 can be provided on the inlet side of the nozzle. This auxiliary gas covers the nozzle wall as a kind of boundary layer as shown in the drawing. The auxiliary gas should have as low a thermal conductivity as possible if no external cooling of the main gas stream is provided, and therefore argon or xenon is used.
これらの実施例に示されたノズル壁６の温度を
流通する混合ガスの壁面凝縮によつて限定された
程度に調節する方法は、それによつて生ずる境界
層内の粘度の低下に基き境界層の厚さを著しく低
下させる。このことは更に平均ガス温度の外に時
として利用される公知の圧力再生に対して有利に
作用する。 The method of regulating the temperature of the nozzle wall 6 shown in these examples to a limited extent by wall condensation of the flowing mixture gas is based on the resulting reduction in the viscosity in the boundary layer. Significantly reduces thickness. This also has an advantage over the known pressure regeneration, which is sometimes used in addition to the average gas temperature.
最後に第８図には折りたたみ式の壁６を持つノ
ズルの実施例が示されている。壁６にはこの発明
により空室６２が設けられている。ノズルから出
たガス流８は図に示すように放射状に拡がり、半
環状の断面を持つ照射帯域を通過する。その後ノ
ズル出口を中心として円形に配置された拡散室９
に入り、音速下領域に移されて公知の圧力再生を
達成する。反応生成物に対する本来の分離装置は
ノズルに直接関係しないから図面に示されていな
い。 Finally, FIG. 8 shows an embodiment of a nozzle with foldable walls 6. The wall 6 is provided with a cavity 62 according to the invention. The gas stream 8 emerging from the nozzle expands radially as shown and passes through an irradiation zone with a semi-annular cross section. Thereafter, a diffusion chamber 9 is arranged in a circle around the nozzle outlet.
and is transferred to the subsonic region to achieve the known pressure regeneration. The actual separation device for the reaction products is not shown in the drawing since it is not directly related to the nozzle.
ノズルにおいての膨張を利用してガスの冷却を
改善する上記の方法は当然ウラン濃縮に限定され
るものではなく、例えばガスダイナミツク・レー
ザのノズルに対して下方のエネルギー準位のポピ
ユレーシヨン増大を避けるためにも利用すること
ができる。 The above-mentioned method of improving gas cooling using expansion in the nozzle is of course not limited to uranium enrichment, but for example for gas dynamic laser nozzles to avoid increasing population of the lower energy levels. It can also be used for
第１図はノズルを使用するウラン同位体分離装
置の断面略図、第２図乃至第８図はこの発明によ
るノズルの種々の実施例の断面略図であつて、２
４はノズル本体、５はノズルのど、６はノズル
壁、８はノズルから吹き出したガス流である。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a uranium isotope separation device using a nozzle, and FIGS. 2 to 8 are cross-sectional schematic views of various embodiments of the nozzle according to the present invention.
4 is a nozzle body, 5 is a nozzle throat, 6 is a nozzle wall, and 8 is a gas flow blown out from the nozzle.
Claims (1)
ウラン同位体を分離する際のガスまたはガス混合
物の断熱膨張用のノズルであつて、該ノズルが平
行または同心的に向かい合い左右対象または半径
方向対象に形づくられた２つの壁から成り、その
ためスリツト状のノズル開口が外に向かつて曲線
状に拡大するようにされた断熱膨張用ノズルにお
いて、ノズル壁の上または下、あるいは上下に熱
を遮断する装置が設けられていることを特徴とす
るガスまたはガス混合物の断熱膨張用ノズル。 ２ ノズル壁が熱伝導度の低い材料から成ること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載のノズ
ル。 ３ スリツト状のノズル開口の前方のノズル壁
に、熱伝導度の低い補助ガスのための導入孔７が
設けられていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載のノズル。 ４ ノズル壁６はノズル端面に深い切込み６１を
備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１
項ないし第３項のいずれか１項に記載のノズル。 ５ ノズル壁６は空室６２を備えていることを特
徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項のい
ずれか１項に記載のノズル。 ６ ノズル壁６はノズル開口の終端に冷却媒体を
通流することができる冷却体を備えていることを
特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第５項の
いずれか１項に記載のノズル。[Scope of Claims] 1. A nozzle for adiabatic expansion of a gas or gas mixture when separating uranium isotopes by exciting gas molecules with a laser beam, the nozzles being arranged parallel or concentrically facing each other and symmetrical on the left and right sides. or in an adiabatic expansion nozzle consisting of two radially symmetrically shaped walls so that the slit-like nozzle opening expands outward in a curved manner, above or below the nozzle walls, or above and below the nozzle walls. A nozzle for adiabatic expansion of a gas or gas mixture, characterized in that it is provided with a device for blocking heat. 2. The nozzle according to claim 1, wherein the nozzle wall is made of a material with low thermal conductivity. 3. The nozzle according to claim 1, characterized in that an introduction hole 7 for an auxiliary gas having low thermal conductivity is provided in the nozzle wall in front of the slit-shaped nozzle opening. 4. Claim 1, characterized in that the nozzle wall 6 is provided with a deep cut 61 on the nozzle end face.
The nozzle according to any one of Items 1 to 3. 5. The nozzle according to any one of claims 1 to 3, wherein the nozzle wall 6 is provided with a cavity 62. 6. The nozzle according to any one of claims 1 to 5, wherein the nozzle wall 6 is provided with a cooling body through which a cooling medium can flow at the end of the nozzle opening. .
Applications Claiming Priority (1)
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