JPS63137738A - 同位体分離方法および装置 - 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） 本発明は複数の同位体を含む混合物から特定の同位体を
分離する方法および装置に係り、特に不純物イオンによ
る影響を低減し分離効率の向上を図った同位体分離方法
および分離装置に関する。

（従来の技術） 原子炉用核燃料などに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ｍａ縮して所定濃度に調整された後、原子炉
に装荷される。

天然に産出するウランは質囚数２３５の軽い分子から成
るウラン（以下、Ｌｌ−２３５と略記する）が０．７％
程度含有され、残りの大部分が質Ｒ数２３８の重い分子
から成るウラン（以下Ｕ−２３８と略記する）である。

このうち、原子核反応を起こすＵ−２３５は天然ウラン
または使用済燃料等から分離され、さらに通常２〜３％
程度まで濃縮された上で原子炉燃料として使用される。

従来、Ｕ−２３５、Ｕ−２３８などの同位体を含む混合
物質からＵ−２３５を分離し、所定濃度レベルまで高め
るウラン濃縮方法としては、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特性また
は質量の相違を利用して分離濃縮操作を実施するもので
ある。上記分離方法のうちガス拡散法および遠心分離法
は一濃縮工程当りの同位体の分離係数が低いため濃縮度
を上げるには工程を多段にカスケード方式に組む必要が
あった。

一方、レーザ法による分離方法は一工程当りの分離係数
が高く、分離効率を飛躍的に向上させる同位体分離方法
として有望視されている。

この分離方法に関する背景技術としては例えば特開昭５
４−１２６８９５号公報に開示されているように、特定
の同位体の原子核を励起する波長を有するレーザ光を同
位体混合物の蒸気に照射することによって目的とする同
位体例えばＵ−２３５のみを選択的にイオン化し、この
イオン化した同位体を含む蒸気流に対して直角方向に電
界を印加し、この電界によって特定のイオン化したＵ−
２３５のみを所定方向に偏向させて分離し、ウランの濃
縮を行なうものである。

次に、レーザ光による同位体分離方法および装置の従来
例を第５図および第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光に
よる同位体分離装置の構成を示す斜視図である。以下、
ウラン同位体の分離操作を例にとって説明する。

天然ウランもしくは濃縮過程において副生ずる廃品ウラ
ンなどの金属ウラン１は熱化学的耐性に優れた蒸発用る
つぼ２内に収容される。次にリニア電子銃３から発射さ
れる電子ビーム４を図示しない外部Ｉｌ場ココイルより
偏向して蒸発用るっぽ２内の金属ウラン１に照射する。

電子ビーム４の照射を受けた金属ウラン１は２５００〜
２７００Ｘ程度まで加熱されて蒸発し、蒸気流５を形成
する。なお、蒸気流５の組成は、例えば金属ウラン１と
して天然ウランを使用した場合は重量比でＵ−２３５が
０．７％、Ｕ−２３８が９９．３％となる。

一方、蒸発用るつぼ２の上方には、帯状の陽電極６と陰
電極７とが交互に配設され、その電極間にそれぞれ光反
応部８が設けられ、この光反応部８の長手方向に沿って
Ｕ−２３５のみを選択的に励起し電離させるＮｌｌ１用
レーザ光９が入射される。

電離用レーザ光９の波長はＵ−２３５の共鳴ＭｌｌＩｆ
ｆ波長に調整されており、光反応部８に導入された蒸気
流５に含まれるＵ−２３５原子のみが電離用レーザ光と
共鳴し、一定の確率で選択的に電離されイオン化同位体
となる。イオン化されたｔＪ−２３５の同位体は′陽電
極６と陰電極７との間に電圧を印加することにより形成
された電界によって、回収電極となる陰電極７の表面に
吸着回収される。

一方、ｆｆｉ離せずに中性原子のまま光反応Ｗ８を通過
したＵ−２３５およびＬｌ−２３８の混合蒸気流は、光
反応部８の外縁側に配設した蒸気回収板１０に吸引回収
される。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の同位体分離方法によれば、ウラン同位体の分離操
作の前処理において強力な電子ビームを照射して高温下
で金属ウランを溶Ｆ！Ｉｉ後、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
純物イオンが含まれる。

すなわち不純物イオンとしては、電子ビームと蒸気流と
が衝突して発生するＵ−２３８の衝突電離イオンや約２
７００”Ｋの高温に加熱された蒸発用るつぼ内の溶融金
属面に蒸気流が接触することにより発生するＵ−２３８
その他の余病の熱電離イオンがある。

これらの不純物はＵ−２３５イオンに同伴して回収電極
である陰極に吸収されるため、本来分離回収を目的とす
るＬＪ　−２３５の分離係数が低下し、濃縮度も小さく
なる。したがって、回収ウランの純度、品質が低下する
問題点があった。

本発明は上記問題点を解決するために発案されたもので
あり、蒸気流に含まれる不純物イオンを加速して回収電
極を通過せしめて蒸気回収板に回収する一方、光反応部
におけるレーザ光によるイオン化操作の対象を蒸気流中
の中性原子とするように構成して不純物イオンが回収電
極に回収されることを防止し、同位体の分離効率が高く
、純度品質が優れた製品を得ることができる同位体分離
方法および装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本願第１番目の発明に係る同位体分離方法は、複数種類
の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸気流を生成し
、光反応部に至る蒸気流通路において上記蒸気流に含ま
れる不純物イオンを蒸気回収板方向に加速する電位勾配
を形成し、不純物イオンを高速度で光反応部を通過せし
め蒸気回収板に回収する一方、光反応部に導入した中性
原子から成る蒸気流に含まれる特定の同位体を選択的に
イオン化するレーザ光を前記蒸気流に照射してイオン化
同位体を生成するとともに、陽電極と陰電極とを交互に
並置して形成した回収電極に電界を印加することによっ
て上記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ことを特徴とする。

また、本願第２番目の発明に係る同位体分離装置は、複
数種類の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸気流を
生成する蒸気生成装置と、陽電極と陰′Ｆ１極を交互に
並置して形成された回収電極と、各陽陰電極間に形成さ
れた光反応部と、上記蒸気生成装置から光反応部に至る
蒸気流通路と、蒸気流通路を通り回収電極の光反応部に
流入した蒸気流にレーザ光を照射して特定の同位体を選
択的にイオン化するレーザ光発振装置と、回収電極の二
次側に配設された蒸気回収板とを備え、上記蒸気生成装
置にて生成した蒸気流に含まれる不純物イオンを蒸気回
収板の方向に加速するイオン加速電極を蒸気流通路に設
【プだことを特徴とする。

（作用） 本発明によれば、光反応部に至る蒸気流通路にイオン加
速電極が設けられ、このイオン加速電極はイオンを蒸気
回収板方向に加速するように電極間に電位勾配を形成す
る。蒸気流に含まれる不純物イオンはイオン加速電極間
を通過する間に運転温度における熱速度をはるかに超え
た高速度に加速される。そのため、光反応部に流入する
蒸気流は、加速された不純物イオンと運転温度における
通常の速度を有する中性原子とから構成される。

不純物イオンの移動速度は、中性原子の移動速度と比較
してはるかに大きいため回収電極間に形成されたイオン
化同位体分離用の電界に影響を受けることは少ない。す
なわち、不純物イオンは電界によって偏向されず、電極
面に吸着されることなく光反応部を高速度で通過し、流
れ方向に対向して設けた蒸気回収板に回収される。一方
、蒸気流に含まれる中性原子は光反応部でレーザ光の照
射を受け、特定の同位体のみが選択的にイオン化され回
収電極上に吸着される。すなわち、不純物イオンは電界
に影響されることなく光反応部を通過するため、回収電
極に吸着される不純物イオンが少なく目的とする同位体
が高い分離係数で捕集され、純度、品質が優れた製品を
得ることができる。

（実施例） 以下、本発明方法および装置について、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、実施例を
図面に従って説明する。第１図および第２図は本発明方
法を実施するための同位体分離装置の一実施例を示す斜
視図である。なお、第５図および第６図に示す従来例と
同一の構成要素、部品には同一の符号を付している。

本発明に係る同位体分離装置は、金屈ウラン１を収容し
た蒸発用るつぼ２を備え、リニア電子銃３から発生する
電子ビーム４を照射して、金属ウラン１を加熱蒸発４せ
しめ蒸気流５を生成する蒸気生成装置１１が設けられる
。その蒸気生成装置１１の上方には、陽電極６と陰電極
７とを交互に並置して形成した回収電極１２が設けられ
る。また、各ＩＩ！　１１１電極６，７間には、光反応
部８が形成され、この光反応部８に流入する蒸気流５に
電離用レーザ光９を照射するレーザ光発振装置１３が設
けられる。前記蒸気生成装置１１と回収電極１２との間
には、蒸気流５が放射状に流れる蒸気流通路１４が設け
られ、この蒸気流通路１４に不純物イオンを加速するイ
オン加速電極１５が設けられる。

イオン加速電極１５は、相互に絶縁状態を維持した、例
えば２枚の電極板１６ａ、１６ｂを積層して形成する。

電極板１６ａ、１６ｂの形状は例えば第３図に示すよう
に湾曲成形した金属板に蒸気流５を貫流させるための開
口１７を光反応部８に対向した位置に設けている。蒸気
流通路１４の一次側に配置された電極板１６ａはアース
電位に設定し、一方、二次側の電極板１６ｂには、−Ｖ
ｉの負電位が印加され、電極板１６ａ、１６ｂ間に流入
する不純物の陽イオンを加速する方向に電位勾配が形成
される。

蒸気生成装置１１によって生成した蒸気流５がイオン加
速電極１５に流入した場合、蒸気流５中の中性原子は影
響を受けないが、熱電離およびその電子の衝突によって
発生した不純物イオンは加速される。

ここで、装置の運転温度における不純物イオンの運動エ
ネルギＥａおよび速度■ａは金属ウランの溶融面の温度
から（１）、＜２）式の通りｍ口される。

ここで不純物イオンは１価のイオンとし、ボルツマン定
数ｋを８．６２ｘ１０’（ｅＶ／ｋ）　、運ここでＵ−
２３８を不純物イオンとしてその原子のｉｆｆｉｍを３
．９５Ｘ１０　　　（醇）とする。

一方、イオン加速電極１５に印加する電圧ｖ１を１ｋＶ
とすると、イオン加速電極１５を通過後の不純物イオン
の運動エネルギＥｂおよび速度Ｖｂは（３）、（４）式
の通り概算される。

Ｅｂ＝Ｅａ＋ｅＶｉ＝ｅＶｉ＝１　（ｋｅＶ）・・・・
・・（４） 具体的に図で表すと、イオン加速電極１５を通過する前
後における不純物イオンの速度分布は概略第４図の通り
になる。すなわち、通過前においては、大部分のイオン
が運転温度における熱速度■ａで運動するが、通過後に
おいては、イオンの電荷または原子質量の違いによって
加速される程度が異なるため、速度分布のばらつきは通
過後において拡大する。しかし、平均速度は（２）。

（４）式で算出されたＶａおよびｖｂの値に近似する。

なお、中性原子の速度分布は電位勾配によって影響を受
けないため、イオン加速電極１５通過後、光反応部８に
導入された蒸気流中の中性原子と不純物イオンとの速度
倍率Ｖｂ／Ｖａは約５３倍となる。。

一方、光反応部８に照射されたＭｌ！！を用レーザ光９
によって選択的に電離されイオン化した同位体を回収す
る場合、イオン化同位体はＶａに近い低速度で運動して
いるため、回収電極１２の陽陰電極６．７間に印加する
電圧は約１００ないし数１０ｖの低電圧で済み、この電
圧によって形成される電界によってイオン化同位体は回
収電極１２方向に容易に偏向されて分離回収される。

ところが、不純物イオンはｖｂに近い高速度で運動して
いるため、回収電極１５間に形成した電界に影響を受け
ずそのまま光反応部８を直進し、蒸気回収板１０に吸着
回収される。

したがって、不純物イオンが回収を目的とづるイオン化
同位体とともに回収電極１２に吸着されることが少ない
ため、製品の濃縮度が高くなり、また、純度、品質の低
下が防止される。

さらに、従来熱電離によって発生した電子またはリニア
電子銃３から発生した大量の電子が光反応部８に流入し
、生成したイオン化同位体と再結合して電荷を中和し、
回収電極１２における分離効率を低下させる問題点があ
った。

しかし、本発明によれば、イオン加速電極１５は、電子
を蒸気生成装置１１方向に反射させる機能を有するため
、光反応部８に流入する電子数を低減することが可能で
あり、同位体の分離効率の向上を図ることができる。

なお、本発明の実施にあたり既存の同位体分離装置の構
成に抜本的な改造変更は要しない。すなわち、イオン加
速電極を装置するだけで不純物イオンの影響を低減でき
る。

〔発明の効果〕

本発明に係る同位体分離方法および装はによれば、光反
応部に至る蒸気流通路にイオン加速電極が設けられ、こ
のイオン加速電極は、不純物イオンを蒸気回収板方向に
加速するような電位勾配を電極間に形成するため、蒸気
流に含まれる不純物イオンは、回収電極間に形成された
イオン化同位体分離用の電界に影響されることなく、光
反応部を直進し、蒸気回収板によって吸着回収される。

そのため、回収′Ｆｉ極に吸着される不純物イオン量を
大幅に低減することが可能となる。したがって、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、品質を大幅に向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る同位体分離方法を実施する同位体
分離装ｄの一実施例を示す斜視図、第２図は第１図にお
ける■−■矢′ｇｉ断面図、第３図は第１図および第２
図における電極板を拡大して示す斜視図、第４図はイオ
ン加速電極通過前後における不純物イオンの速度分布を
示ずグラフ、第５図は従来の同位体分離装δの構成を概
念的に示す斜視図、第６図は第５図におけるＶｌ−Ｖｌ
矢祝断面図である。 １・・・金属ウラン、２・・・蒸発用るつぼ、３・・・
リニア電子銃、４・・・電子ビーム、５・・・蒸気流、
６・・・陽電極、７・・・ｌ１３電極、８・・・光反応
部、９・・・電離用レーザ光、１０・・・蒸気回収板、
１１・・・蒸気生成装置、１２・・・回収電極、１３・
・・レーザ光発振装置、１４・・・蒸気流通路、１５・
・・イオン加速電極、１６ａ、１６ｂ・・・電極板、１
７・・・開口。 代理人弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　　　　三　　俣　　弘　　文ｌ 羊Ｉ　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数種類の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸
   気流を生成し、光反応部に至る蒸気流通路において前記
   蒸気流に含まれる不純物イオンを蒸気回収板方向に加速
   する電位勾配を形成し、不純物イオンを高速度で光反応
   部を通過せしめ蒸気回収板に回収する一方、光反応部に
   導入した中性原子から成る蒸気流に含まれる特定の同位
   体を選択的にイオン化するレーザ光を前記蒸気流に照射
   してイオン化同位体を生成するとともに、陽電極と陰電
   極とを交互に並置して形成した回収電極に電界を印加す
   ることによつて前記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ことを特徴とする
   同位体分離方法。 ２、複数種類の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸
   気流を生成する蒸気生成装置と、陽電極と陰電極を交互
   に並置して形成された回収電極と、各陽陰電極間に形成
   された光反応部と、前記蒸気生成装置から光反応部に至
   る蒸気流通路と、蒸気流通路を通り回収電極の光反応部
   に流入した蒸気流にレーザ光を照射して特定の同位体を
   選択的にイオン化するレーザ光発振装置と、前記回収電
   極の二次側に配設された蒸気回収板とを備え、前記蒸気
   生成装置にて生成した蒸気流に含まれる不純物イオンを
   蒸気回収板の方向に加速するイオン加速電極を蒸気流通
   路に設けたことを特徴とする同位体分離装置。