JPS63229130A - 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〕 （産業上の利用分野） 本発明はレーデ法による同位体分離装置に係リ、特に原
料である金ＲＦ４気の利用率を高め、同位体の分離回収
効率の向上を図った同位体分離装置に関する。

（従来の技術） 一般に、レーザ法による同位体分離装置は、複数種類の
同位体を含む金属原料、例えば質量数２３５のウラン（
ＬＪ−２３５）、質量数２３８のウラン（Ｕ−２３８）
を含むウラン金属原料を加熱溶融して蒸発させ、生成し
た金ＩＩ蒸気流にレー赤ア光を照射し、蒸気流中の特定
の同位体、例えばＵ−２３５を選択的に陽イオン化し、
陽イオン化した特定の同位体に電界を作用さ゛けて分離
回収するように構成されている。

従来、この種の同位体分離装置は、第６図および第７図
に示すように構成されている。すなわち、はぼ真空状態
に維持された密閉空間の内底部に金属原Ｆ１１を収容し
た蒸発用るつぼ２が設鱈されている。

蒸発用るつぼ２は熱化学的耐性に優れており、その内部
には複数種類の同位体を含むウラン金属原料等の金属原
料１が収容される。この金属原料１には電子銃３から発
射されて偏向磁場により曲げられた電子ビーム４が照射
される。金属原料１は加熱溶融されて蒸発し、蒸気流５
を形成する。

この蒸気流５は、図示しない蒸気封入容器内に封入され
ており、蒸気流５の流路上方には製品回収電極６が配設
されている。

製品回収電極６は、正電位が印加される複数のｌ！ｌｉ
電極７と、陽電極７の電位より相対的に低い負電位が印
加される複数の陰？１ｆｉ８とを、蒸気流５の流れ方向
にほぼ平行に対向させ所要間隔をおいて交互に配設して
構成する。各陽電極７と各陰電極８との間には、光反応
部９が形成され、各光反応部９には蒸気流５の流れに対
して直角方向（第７図にＪ５いては紙面に垂直）にレー
ザ光１０が−ぞれぞれ照射される。このとき、蒸気流５
中の特定の同位体、例えばＵ、２３５のみが選択的に励
起されて電離し、陽イオンとなる。陽イオンとなった特
定の同位体は陰電Ｍｉ８方向に吸引され、分離回収され
る。

一方、レーザ光１０の照射によってイオン化しなかった
同位体、例えばＵ−２３８や中性金属原子等を含む蒸気
流は製品回収電極６の電界により影響を受番ノずに電極
部を直進して通過し、製品回収Ｔｉ極６の上方に配設し
た円弧板状の廃品回収板１１に回収される。

（発明が解決しようとする問題点） しかしながら、従来の同位体分離装置では、生成した蒸
気流に含まれる特定の同位体原子のうらレーデ光との光
反応に関与する同位体原子の割合は４０〜５０％程度と
低いため、原料である金属蒸気の利用率を基準とした同
位体の分離回収効率も相対的に低い問題点がある。同位
体原子が励起されイオン化されるｖ１合は、運転温度に
おける原子のエネルギ準位Ｊ３よび照射されるレーザ光
の波長により変化し、光反応に関与する同位体原子の割
合も変化する。

ここで、従来のレーザ法において、特定の同位体を選択
的に励起し、さらにイオン化する過程を第５図に従って
説明する。

最初に基底準位Ｅ。にある同位体原子Δ０に選択励起レ
ーザ光１０ａを照射して選択励起単位Ｅ１ｂまで遷移ざ
「、次に中間励起準位Ｅ２に同調する波長に設定した選
択励起レーザ光１０Ｇを照射して中間励起準位Ｅ２まで
選択的に励起せしめ、さらに、電離準位Ｅ、まで遷移さ
ゼるために電離用レーザ光１０ｄを照射する。以上の３
段階のプロセスを経て同位体原子Ａ。が選択的に励起さ
れた後、電離されイオン化する。第６図および第７図で
図示するレーザ光１０は、上記の選択励起レーザ光１０
ａと中間励起レーザ光１０　ＣＪ３よび電離レーザ光１
０ｄを合成したものである。

ここで、ある運転温度Ｔにおいてエネルギ準位Ｅを有す
る原子の占有率Ｐは、原子の合成スピンをＪ、ボルツマ
ン定数をｋとすると、（１）式で与えられる。

［ Ｐ−（２Ｊ＋１）ｅ−”　　　−−−−・−＜１）した
がって、蒸気流のｆＡ度Ｔを２４００’にとすると、光
反応を起し易い基底準位Ｅ。にある原子の占有率Ｐ。は
（２）式で与えられる。

Ｅｏ 鴫０．４５　　　　　　　　　・・・・・・　（２）ギ
準位にある原子の占有率Ｐ、の総和である。

（２）式より、温度が２４００″にと高温状態に維持さ
れると、蒸気流に含有される特定の同位体原子のうち４
５％の同位体原子だけが光反応に関与するに過ぎないこ
とが判明する。

一方、運転温度Ｔを２４００’にとした場合、同位体原
子は部分的に基底準位Ｅ。よりエネルギ単位が高い準安
定準位Ｅ。＊またはその上位単位に熱励起されている。

この準安定準位Ｅ。＊にある同位体原子Ａ。′の占有率
Ｐ。＊は、（２）式と同様に算出すると（３）式の通り
となる。

Ｐｏ”　＝０．２７　　　　　　・−−−−−（３）す
なわち、３０％弱の同位体原子Ａ。′が光反応に関与し
ないままに廃品回収板に回収されてしまうため、製品同
位体の分離回収効率が低下することとなる。

この対策として、準安定準位Ｅ。′にある同位体原子Ａ
。＊を選択励起準位Ｅｌｂに励起するための選択励起レ
ーザ光１０ｂを照射するレーザ光発振装置を別個に装備
することも考慮されているが、設備費が高価になり、運
転管理が煩雑になる欠点がある。

また従来の同位体分離装置は、′ｔ４温条ｆｔ下で運転
されるため生成した蒸気流には、原子の衝突や熱電離等
によって発生した不純物イオンや高速の熱電子が含まれ
る。これらの不純物イオンは、光反応によってイオン化
した同位体に同伴して回収電極に混入する一方、熱電子
は陽イオン化した同位体を電気的に中和し電界による分
離を不可能にする。そのため、回収を目的とする同位体
の分離係数が低下し、製品の純度および品質を低下せし
める原因となっている。

本発明は上記の問題点を解・決するためになされたちの
であり、蒸気流中に含まれる準安定単位にある同位体原
子を基底単位に移行せしめ脱励起することにより、光反
応を起し易い同位体原子数を増加して同位体の分離回収
効率を向上するとともに、製品回収電極に混入する不純
物イオン等を排除することにより品質が浸れた製品が得
られる同位体分離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） 本発明は、複数種類の同位体を含有する金属原料を加熱
蒸発せしめて蒸気流を生成する蒸気生成装置と、蒸気流
の流れ方向に対して平行に陽電極と陰電極とを交互に配
置して形成する製品回収電極と、製品回収電極に導入し
た蒸気流にレーザ光を照射して蒸気流に含まれる特定の
同位体を選択的に陽イオン化するレーザ光発振装置とを
備え、上記製品回収′、ｊｉ極間に°比圧を印加するこ
とによって陽イオン化した特定の同位体を陰電極方向に
偏向させて分離回収する同位体分離装置において、生成
した然気流に含まれ準安定単位にある同位体原子を基底
単位に移行せしめて脱励起する脱励起用フィルタを蒸気
生成装置と製品回収電極との１川に配設することを特徴
とする。

（作用） 本発明に係る同位体分離装置によれば、蒸気生成装置と
製品回収電極との間に脱励起用フィルタが配設され、こ
の脱励起用フィルタと、蒸気流に含まれる準安定準位に
ある同位体原子との衝突によって蒸気温度が層相され、
同位体原子は基底単位へと脱励起される。脱励起された
同位体原子は段階的に選択励起用、中間励起用、電離用
の各レーザ光を照射されてイオン化し、分離回収操作に
供される。

したがって、準安定単位にあった同位体原子が光反応に
よって容易にイオン化する基底準位に遷移され、分離回
収操作の対象どなる蒸気流中の同位体原子数を大幅に増
加することが可能となり、金属蒸気の利用率の増大に伴
って同位体の分離回収効率が向上する。

一方、蒸気生成装置から発生した初期の蒸気流に含まれ
る不純物陽イオンおよび熱電子は脱励起用フィルタのフ
ィルタ要素と衝突を繰り返ず過程において再結合し、不
純物陽イオンの電荷は熱電子によって電気的に中和され
る。そのため、製品回収電極に導入される蒸気流中の不
純物イオンの含有間は極めて低くなり、不純物イオンが
製品回収電極に吸着されることが防止される。したがっ
て、回収を目的とする同位体の分離効率が向上し、純度
品質が優れた製品を得ることができる。

（実施例） 次に、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、添付図面を参照
して説明する。

第１図および第２図は本発明に係る同位体分離装置の一
実施例を示す斜視図および断面図である。

なお、第６図および第７図に示ず従来例と同−構成型Ｘ
部品には同一符号を付している。

第１図、第２図において同位体力Ｍ装置は、複数のウラ
ン同位体を含有する金属原料１を収容した蒸発用るつぼ
２を備え、収容した金属原料１に電子銃３から発生する
電子ビーム４を照射して金属原料１を加熱蒸発せしめ、
蒸気流５を生成する蒸気生成装置１２を右する。

蒸気生成ＳＡ置１２の上方には脱励起用フィルタ１３が
配設される。脱励起用フィルタ１３は、例えば第３図に
示すように高融点金属のｍ線１４を縦横に編み上げて形
成した網状フィルタ要素１５を、第２図に承りように多
段に積層したものを収容フレーム１６内に収容して構成
する。

また、上記網状フィルタ要素１５の網目１４ａの目開き
ＷＧ、を同位体分子の平均自由行程以下に設定する。ま
た、多段に積層され、対向する網状フ。

イルタＭ素１５の網目１４ａは、第４図に示すように蒸
気流５の流れ方向においてｎい違いに配設する。すなわ
ち、各網目１４ａの中央上下部には隣接する網状フィル
タ要′１ｇ１５の細線１４が配設されるように構成する
。

また、第１図〜第２図において蒸気流５が通過する脱励
起用フィルタ１３の二次側には製品回収電極６が設けら
れる。製品回収電極６は、蒸気流の流れ方向に対してほ
ぼ平行に陽電極７と陰電極８とを交互に配置して形成さ
れる。各陽電１４ｉ７と隣接する陰電極８との間には光
反応部９が形成され、この光反応部９に導入された蒸気
流５にレーザ光１０を照射するレーザ光発振装置１７が
光反応部の軸方向延長上に設けられる。

次に、作用を説明する。

本実施例の同位体分離装置において、蒸気生成装置１２
によって加熱蒸発された金属原料１は蒸気流５となり、
放射状に拡散しながら脱励起用フィルタ１３に導入され
る。

準安定準位Ｅ。′にある同位体原子Ａ。＊の粒子、熱電
子などの負電荷粒子１８、不純物陽イオンなどの正電荷
粒子１９および電気的に中性な中性粒子２０などの蒸気
流５に含まれる粒子は網状フィルタ要素１５の細線１４
に多重衝突を繰り返す。ここで、網状フィルタ要素１５
の網目１４ａの目開きＷは、運転条件下における同位体
分子の平均自由行程以下の長さに設定されているため、
粒子が細線１４に衝突する確率が高い。また、上下方向
に対向する網状フィルタ要素１５の網目１４ａは蒸気流
の流れ方向において互い違いに配設しているため、対向
する細線１４．１４間に形成される間隙が狭くなり、粒
子の散乱確率が増大し効果的な脱励起および電荷の中和
がなされる。

すなわち、網状フィルタ要素１５において多重衝突を繰
り返ず間に蒸気流温度は緩和され、ｔ￥安定準位Ｅ。＊
にあった同位体原子Ａ。′は脱励起されて基底準位Ｅ。

ｌ、：ｉ！！移する。

一方、熱雷子と不純物陽イオンは衝突を繰り返す間に゛
再結合して、電気的に中性な中性粒子２０となる。

基底準位Ｅ。に遷移して生成した同位体原子へ〇および
再結合によって生成した中性粒子２゜は他の金ｆｆ蒸気
と共に網目１４ａを通り、脱励起用フィルタ１３の上面
から流出し、製品回収電極６の光反応部９に流入する。

光反応部に導入された蒸気流に対するレーザ光の照射そ
の他の分離操作手順は、従来装ｄの場合と同様である。

本実施例によれば、生成した初１す１の蒸気流５に含ま
れる準安定準位Ｅ。＊にある同位体原子へ〇＊は、脱励
起用フィルター３によって効果的に基底準位［に脱励起
され、阜底準位Ｅ。にある同位体原子Ａ。に遷移された
後に容易にレーザ光１０と反応してイオン化する。その
ため、分離回収操作の対象となる蒸気流中の同位体原子
数を大幅に増加することが可能となる。

したがって、原料である金属蒸気の利用率が２０〜３０
％程麿増加し、同位体の分離回収効率が大幅に向上する
。また、脱励起用フィルター３を設けることにより、準
安定準位Ｅ。′にある同位体原子Ａ。′を選択励起準位
ＥＩｂまで励起させるための選択励起レーザ光１０ｂを
発振するレーザ光′Ｑ振Ｖ２置が不要となり、この製作
費が低減し、運転操作も簡略化できる。

また、本実施例によれば、生成初期の蒸気流５に含まれ
る不純物陽イオンおよび熱電子は製品回収電極６に導入
される前段階において脱励起用フィルタ１３において除
去される。すなわち、脱励起用フィルタ１３内において
衝突を繰り返す間に、両者は再結合して中性原子となる
。そのため、製品回収電１４！６に吸着されるイオンは
レーザ光１０によって励起されイオン化した特定の同位
体のみとなる。

したがって、従来のように不純物イオンが製品回収電極
６に同伴されて吸着し同位体の分離効率を低下させたり
、製品の＠度品質を低下させることが少ない。

次に、本発明の他の実施例について第１図を参照して説
明する。

この実施例では、脱励起用フィルタ１３内に多段に積層
した網状フィルタ贋１１５に負電位を印加する電源装！
２１を備えたことを特徴とする。

負電位に印加された網状フィルタ要素１５は、第４図に
示すように蒸気流５中に含有される熱電子および蒸発用
るつぼの溶融液面で反跳した電子ビームから放出される
高速電子等の負電荷粒子１８を電気的に反射する機能を
右し、負電荷粒子１８が光反応部内に混入することを阻
止する。すなわら、光反応によって生成したイオン化同
位体と熱電子とが再結合することが防止される。したが
って、製品回収電極６における特定の同位体の分離回収
効率が向上する。

また、各網状フィルタ要素１５に印加する負電位を、蒸
気生成装置側から製品回収電極側に向って電位の絶対値
が次第に低下するように設定すると、脱励起用フィルタ
１３内に電位勾配が形成される。（のため、蒸気流５中
に含有される各種の不純物陽イオンなどの正電荷粒子１
９は、第４図に示すように、網状フィルタ要素１５間に
おいてその運動方向を偏向され、または捕捉される。

したがって、不純物イオン等が製品回収電極６内に進入
することが防止され、回収製品中に含まれる不純物１１
！麿が低下し、純度品質が優れたｋＭ位鉢体製品得るこ
とができる。

イ１お、第１図に示す実施例においては、脱助起用フィ
ルタ１３は、収容フレーム１６内に網状フィルタ要素１
５を多段に積層して構成しているが、高融点を有する金
属細線塊を収容フレーム１６内に充填して簡素に構成す
ることもできる。

〔発明の効果〕

本発明に係る同位体分離装置によれば、蒸気生成装置と
製品回収電極との間に脱励起用フィルタが配設され、こ
の脱励起用フィルタ内にお番ノる蒸気流の衝突と蒸気流
温度の緩和によって蒸気流に含まれる準安定準位にある
同位体原子が其底準位へと脱励起される。そのため、光
反応によってイオン化し易い基底準位にある同位体原子
数が大幅に増加する。したがって、分離操作に供される
金属蒸気の利用率が増大化し、同位体の分離回収効率が
向上する。

一方、蒸気生成装置から発生した初期の蒸気流に含まれ
る不純物陽イオンおよび熱電子は脱励起用フィルタ内に
おいて衝突を繰り返り過程において再結合し、不純物陽
イオンの電荷は熱雷子によって電気的に中和される。し
たがって、不純物イオンが製品回収電極に吸着されるこ
とが防止され、回収を目的とする同位体の分離効率が向
上し、純度品質が優れた製品を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る同位体分離装置の一実施例を示す
斜視図、第２図は第１図におけるＩＦ−ＩＩ矢視断面図
、第３図は第２図に示す網状フィルタ要素の拡大斜視図
、第４図は積層した網状フィルタ要素部分における蒸気
流中の原子等の挙動を示す断面図、第５図は光イオン化
反応による原子のエネルギ準位を示す説明図、第６図は
従来の同位体分離装置の構成を示す斜視図、第７図は第
６図にお番ノる■−■矢祝矢面断面図る。 １・・・金属原料、２・・・蒸発用るつぼ、３・・・電
子銃、４・・・電子ビーム、５・・・蒸気流、６・・・
製品口数電極、７・・・陽電極、８・・・陰電極、９・
・・光反応部、１０・・・レーザ光、１０ａ、１０ｂ・
・・選択励起レーデ光、１０Ｃ・・・中間励起レーザ光
、１０ｄ・・・Ｔ１離レーザ光、１１・・・廃品回収板
、１２・・・蒸気生成装置、１３・・・脱励起用フィル
タ、１４・・・“細線、１４ａ・・・網目、１５・・・
網状フィルタ要素、１６・・・収容フレーム、１７・・
・レーザ光発振装置、１８・・・負電荷粒子、１９・・
・正電荷粒子、２０・・・中性粒子、２１・・・電源装
置、Ａｏ・・・基底単位にある同位体原子、Ａｏ＊・・
・準安定単位にある同位体原子、Ｅｏ・・・基底準位、
Ｅ　　、Ｅ　　・・・選択励起単位、Ｅ２・・・中間１
ａ　　　１ｂ 励起準位、Ｅ、・・・電離準位、Ｗ・・・網［（の目開
き。 出願人代理１人　　　波　多　野　　　久第ｌ薗

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数種類の同位体を含有する金属原料を加熱蒸発せ
   しめて蒸気流を生成する蒸気生成装置と、蒸気流の流れ
   方向に対して平行に陽電極と陰電極とを交互に配置して
   形成する製品回収電極と、製品回収電極に導入した蒸気
   流にレーザ光を照射して蒸気流に含まれる特定の同位体
   を選択的に陽イオン化するレーザ光発振装置とを備え、
   上記製品回収電極間に電圧を印加することによって陽イ
   オン化した特定の同位体を陰電極方向に偏向させて分離
   回収する同位体分離装置において、生成した蒸気流に含
   まれ準安定準位にある同位体原子を基底準位に移行せし
   めて脱励起する脱励起用フィルタを蒸気生成装置と製品
   回収電極との間に配設したことを特徴とする同位体分離
   装置。 ２、脱励起用フィルタは、細線を縦横に編み上げて形成
   した網状フィルタ要素を多段に積層して構成し、上記網
   状フィルタ要素の網目の目開きは同位体分子の平均自由
   行程以下に設定した特許請求の範囲第１項記載の同位体
   分離装置。 ３、対向する網状フィルタ要素の網目は、蒸気流の流れ
   方向において、互い違いに配設してなる特許請求の範囲
   第２項記載の同位体分離装置。 ４、脱励起用フィルタは、網状フィルタ要素に負電位を
   印加する電源装置を備えてなる特許請求の範囲第２項記
   載の同位体分離装置。 ５、各網状フィルタ要素に印加する負電位は、蒸気生成
   装置側から製品回収電極側に向って絶対値が次第に低下
   するように設定された特許請求の範囲第４項記載の同位
   体分離装置。