JPS6342723A - レ−ザ同位体分離方法及びその装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光によってウラン２３５とウラン２３
８等の同位体を分離する方法及び装置に関する 〔従来の技術〕 同位体例えばウラン２３５（以下２１５Ｕと表記）とウ
ラン２３８　（以下”Ｕと表記）のレーザ光による分離
装置は、従来、特開昭６０−２４４３２７号に記載のよ
うに第１１図に示すような構成になっていた。

ルツボ１に装填された金属ウラン２に、電子銃３からの
電子ビーム３′を偏向コイル系４により偏向させて照射
し、金属ウラン２を溶解、蒸発させて中性ウラン原子流
を生成させる。ここで金属ウランは天然ウランであり９
９．３％の２３８Ｕ原子５と０．７％の２３５Ｕ原子６
からなる。この中性ウラン原子流（蒸気流）に分離すべ
き２３５Ｕ原子６の吸収波長のレーザ光を、励起用レー
ザ７により照射し。

２３５Ｕ原子６のみ選択的に励起する。さらにこの励起
状態２３５Ｕ原子６に電離用レーザ８にょリレーザ光を
照射して、これを電離する。このように電離した２ｊＳ
Ｕイオン９を電界で偏向させて陰極１１に”ＳＵイオン
を分離捕集する。中性２３８Ｕ原子５は、そのまま直進
し劣化ウランとして回収板１２で回収させる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、電離された２３′Ｕイオンにより電界
しャヘイ（Ｄｅｂｙｅ　５ｈｉｅｌｄｉｎ［Ｃ）効果に
つぃて配慮がされておらず、実機プラント規模では。

電界による捕集が困難である。実機プラント規模では、
レーザ照射する部分の中性ウラン原子流の密度は１０”
個／ａ＋？以上となる。この密度の中性ウラン原子流に
レーザ照射すると０．７％を占める２３５　Ｕ原子がほ
ぼ１００％イオン化するためイオン密度はｔｏ”個／ｄ
以上となり、これらイ□オンはプラズマ（イオンと電子
の集合体）を形成する。プラズマに外部から電場を印加
しても、その電場を打ち消すようにプラズマ粒子（イオ
ン、電子）が自動的に移動するため、プラズマ中に電場
は浸透できない（Ｄｅｂｙｅ　Ｓｈｉｅｌｄｉｎｇ）。

プラズマ中のイオンの作る電場もこの電場じゃへいによ
りデバイ長と呼ばれる距離以上前れた他のイオンには影
響を及ぼさない。ここでデバイ長λ、は λ、（ｃｍ）＝６．９（Ｔ／ｎ）１／２・・・■で示さ
れる。ここでＴは［Ｋ）で表わした温度。

ｎは〔ａｌｌ−］〕で表わした密度である。Ｔ　＝　１
０４Ｋ　。

ｎ＝１０”個／ｄを０式に代入するとλ。＝２０μｍ程
度になることがわかる。このことから、第１１図におい
て電極１０．１１間に電圧Ｖｏを印加しても電極間に存
在するイオンが１０１１個／−以上のプラズマを形成し
ているため第１２図（ａ）に示すごとく、陰極近傍のシ
ース領域を除いては電界はかからないことがわかる。し
たがって第１２図（ｂ）に示すような２３５　Ｕイオン
９′も　２３５Ｕ原子６．Ｚ］８Ｕ原子５と同様、蒸発
する際、上方への運動量を与えられているためシース領
域以外の２３ＳＵイオンは、電極１０．１１間をそのま
ま通過してしまい電極捕集できないことがわかる。他の
従来法として電場Ｅと同時に磁場Ｂを印加しＥｘＢドリ
フトを利用した捕集方法の提案もあるが、これも上記と
同様、プラズマ中ではＥが消失するため同じ問題点を有
する。

本発明の目的は、これらプラズマを効率良く捕集する装
置および方法を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、中性の同位体蒸気流にレーザ光を照射して
分離すべき同位体を選択的に電離し、このプラズマ部に
ミラー磁場を配位して選択的に電離された同位体イオン
を捕捉しミラー磁場の弱磁場側に捕集することにより達
成される。

〔作用〕

ミラー磁場は、後述するようにプラズマ粒子を捕促し、
かつ、磁気モーメントの保存の性質から強磁場側から弱
磁場側への方向のプラズマの運動を誘起する。それによ
って、レーザ照射により選択的に電離された２３５Ｕイ
オンが形成するプラズマを、このミラー磁場により捕促
し９弱磁場側に設けた捕集板に効率良く捕集することが
できる。

〔実施例〕

以下９本発明の一実施例を第１図〜第３図により説明す
る。

第１図は２本発明の一実施例の鳥緻図を示している。本
発明のレーザ同位体分離装置は、光学チェンバモジュー
ル１３７分離チェンバモジュール１４及び真空排気系１
７からなる。光学チェンバモジュール１３では、レーザ
光の発生及び光学的調整が行われる。分離チェンバモジ
ュール１４ではウラン蒸気の発生及びレーザ照射による
２３５　Ｕの選択的電離及び捕集といった同位体分離が
実施される。分離チェンバモジュール１４は、モジュー
ル化されており、レーザ光を有効に利用するため多段に
連絡し、レーザ光の光路を長くし使用することができる
（第１図では２段の場合を示している）。光学チェンバ
モジュール１３と分離チェンバモジュール１４の外壁は
、真空容器１５を構成しておりその内部は真空排気系１
７により真空排気される。第１図における分離チェンバ
モジュール１４のＡ−Ａ’断面における構成図を第２図
に示す。次にこの第２図を用いて分離チェンバモジュー
ル１４の構成と機能について説明する。

本発明のレーザ同位体分離装置の分離チェンバモジュー
ル１４は、同位体の中性の蒸気を発生する蒸気発生部、
蒸気にレーザ光を照射し分離すべき同位体のみを電離し
そのイオンを捕集する捕集系及び、残りの同位体を回収
する回収系からなる。

第２図においては、蒸気発生部は、金属ウラン２を装填
するルツボ１．金属ウランを加熱、蒸発させる電子ビー
ム３′を発生する電子銃３及び電子ビーム３′　を偏向
する偏向コイル系４からなる。

捕集系は、後に定義するミラー磁場を発生する磁場コイ
ル１６．１６’　、コイル１６′側に取りつけられた捕
集板２１．２１″、２１”及びコイル［６側に取りつけ
られた保護板２０からなる。ここで磁場コイル１６．１
６’　によって発生する磁場は６１１ｗコイル１６側で
強く、磁場コイル１６′側で弱くなっている。回収系は
９回収板２２からなる。

分離チェンバモジュール１４内の各部の機能について分
離過程にそって説明する。ルツボ１に装填された金属ウ
ラン（天然ウラン　２３８　Ｕ・９９．３（ん、２′髪
Ｊ・０．７％）２は、電子ビーム３’（エネルギー２０
ｋｃＶ、ビーム市流ＩＡ）ｌ：よｊＪ　２０００−３０
００Ｋに加熱され蒸発する。ここで電子銃３をウラン人
気から保護するためルツボ１の５部に配置し電（ビーム
：３′　を偏向コイル系４により２７０°偏向させ、照
射する方式になっている。蒸発したウラン蒸気はレーザ
照射領域１９で、レーザ照射を受け、′１°ＴＪ原子６
のみイオン化される。２Ｊ′Ｕイオンは先述したとおり
１０１１個／ｃｃ程度のプラズマを形成するが後述する
原理により捕集板２１゜２１’、２１”に捕集される。

イオン化されなかった２″８Ｕ原子５は、そのまま磁場
の影響を受けず直進し回収板２２で回収される。ここで
捕集板２１′には、小穴が設けてあり、そこからもれで
るプラズマの密度をプローブ２３で測定し、信号処理系
２４において分離作業速度を計測しこの値を電子銃３．
レーザ電源２５．磁場コイル電ｇ２７にフィードバック
し分離作業量の制御を行う。

また捕集板２１″にも小穴が設けてあり、ここからもれ
出る原子の核種を質量分析器２６で分析し濃縮度を測定
し、この値を、磁場コイル電源２７及びレーザ電源２５
にフィードバックし濃縮度の調整を行っている。

次に第３図を用いて、レーザ照射により選択的に電離さ
れたイオンの形成するプラズマの磁場による捕集の原理
を説明する。説明の前にミラー磁場の定義をしておく、
第３図（ａ）に示したように磁力線に沿って単調に磁界
が弱く　（または強く）なっている領域をここではミラ
ー磁場とよぶ。磁場コイル１Ｇと［６′の間ではこのよ
うな磁場配置が存在している。第３図（ａ）に示すよう
に下方から中性ウラン原子流（ウラン蒸気）が、約５０
０　ｍ　／　Ｓの速度で上昇している場合を考える。

ミラー磁場のところでレーザー照射により２３５　Ｕ原
理６のみがイオン化し２］Ｓ　Ｕイオン９になったとす
る。中性の２ＪＩＩ　Ｕ原子５は磁場の影響を受けずそ
のまま直進する。しかし２３′Ｕイオン９は磁場にトラ
ップされラーモア（Ｌａｒｍｏｒ）運動（回転運＋１３
）を行う。ラーモア運動の半径Ｒは１次式％式％ ここで９ｍは２３５Ｕの質量、υ工は磁場に垂直な速度
成分、Ｂは磁束密度、ｅは電気素量である。

例えばｖ、　−＝　５００　ｍ　／　ｓとするとＢ＝０
．ＩＴ（テスラ）の場合、Ｒ−約１ｃｍとなる。

磁場中の荷電粒子の磁気モーメントμは、不変であるか
ら２次式が成立する。

ここでＢ５．υ。工はそれぞれレーザ照射によりイオン
化した位置での磁束密度、磁場に垂直な速度成分であり
、Ｂ、υ上は、運動中、今考えている場所でのそれらで
ある。

いま、　Ｂ１１）Ｂとすると０式よりυ。□〉υ工とな
ることがわかる。一方２粒子のエネルギー保存則より次
式が成立する。

υ０工２＋υ。／／””ｆ”十叶２　　・・■ここでυ
。７．υ〃は、それぞれイオン化された位置及び現時点
での磁場に平行な速度成分である。いまの場合υ。／／
二〇である。

■■より υ７．＝υｏＪＬｆ丁−Ｂ／Ｂ丁・・■例えば、Ｂ＝０
．１テスラ、Ｂ０＝０．２テスラとし。

ミラー比Ｂ。／Ｂ＝２とするとυ。工”＝５００ｍ／ｓ
であるのでυ７７　＝＝３５０ｍ／ｓの捕集板へ向う速
度が得られることがわかる。捕集時間Ｔ（イオン化され
てから捕集板に到達するまでに要する時間）とイオン化
位置と捕集板位置との間の距離Ｑとは次式の関係がある
。

いま＋　Ｑ＝ｌＯｃｕ＋＋　Ｂ（ｘ）／Ｂｏ＝１−−＋
υ。工＝５００ｍ／ｓとするとＴ＝６００μｓとなり充
分な捕集速度をもつことがわかる。以上の原理は電子に
ついても同じでありその結果、プラズマとして捕集板に
速やかに捕集される。なお、ミラー磁場は、径の異なる
一組のコイルに同一の電流を流しても、径の同じ一組の
コイルに異なる電流を流しても作り出すことができる。

実際には第３図（ｂ）に示すようにレーザ光の光路を長
くとるために、一方向に長いコイルが用いられる。以上
が本発明の原理である。

次に第４図〜第９図を用いて本発明の他の実施例を説明
する。

第４図はレーザ光の照射方向とミラー磁場の磁力線の方
向とが一致するようにコイルを配した例である。第４図
（ａ）は、レーザ光の方向に垂直な方向からの断面を示
し、第４図（ｂ）はレーザ光の入射方向に見た断面図で
ある。レーザ光はミラー磁場の強い側から照射される。

レーザ光照射により電層されたイオンは、イオン化され
た位置から磁場の強い側（レーザ光の入射側）に逆流す
ることはない。これは０式においてＢ＞Ｂｏとするとυ
、７が虚数になるためである。したがってイオンは、必
ずイオン化された位置から磁場の弱い側すなわち捕集板
２１の側に押しやられて捕集される。この実施例ではイ
オンがレーザ側に逆流しレーザを損傷することなくかつ
コイルの数も少なく配置も容易であり、レーザ光の光路
も充分確保できる利点がある。

レーザ光により２ＪｓＵｙＫ子６のみを選択電離できる
のは、２３′″Ｕ原子と２′］１１　Ｕ原子のわずかな
Ｉｔの違いによるエネルギー準位の差があるためである
。磁場が存在するとゼーマン効果により、これらの準位
にボケが生じ選択電離できなくなる可能性があり、でき
るだけ磁場は弱い方が好ましい。

第５図は、この問題点を解決する方法を示している。第
５図（ａ）のごとく同心円上に２組のコイルを配するこ
とにより、第５図（ｂ）のごとく互いに逆向きの電流を
流すことにより中心部で互いに消し合い、その外側では
強め合う中空のミラー磁場を形成することができる。こ
の中空の領域にレーザ光を照射し、ゼーマン効果を受け
ずに選択電離した後、ミラー磁場で捕集できる。もちろ
ん。

本実施例によらずゼーマン効果を避ける方法としては、
蒸気流がミラー磁場に入る前の磁場が無視できる上流側
でレーザー照射する方法も有効である。

選択電離をした場合のもう一つの問題として分離すべき
２　、’ｌ　′Ｕイオンと中性２Ｊ８０原子の荷電交換
がある。分離すべき２３５Ｕ原子に比べて２３８　Ｕ原
子は圧倒的に多いので２３ｓＵイオンが２＋１ｌｌＵ原
子と荷電交換し２：ＩＮ　Ｕイオンが捕集される可能性
がある。

第６図はこの問題点を解決する方法を示している。

レーザ７．８と゛市子銃３とを同期回路２８により同期
をとり、レーザ光を照射により選択電離された″′Ｕイ
オン９が捕集されるまでの時間、電子＠３のグリッドに
負電圧を印加し電子ビームをとめる。このことにより蒸
気発生を抑え、新らたに多量の中性２３８Ｕ原子６が捕
集系に来るのを防ぐことになり２３ｓＵイオン９とＺ、
ｌＩＩ　Ｕ原子６の荷電交換を防止できる。

第７図及び第８図も同様に上記の荷電交換破を減少し濃
縮度を高めるための力先を示している。

第７図では、ミラー磁場の強い磁場側にイオン源２９を
配し、磁力線に沿って、キャリアイオン。

例えば、アルゴンイオン（Ａｒ″″）を照射し、中性１
３８Ｕ原子に衝突させることなく、２３ＳＵイオンに衝
突せしめ　２ｆｆＳ　Ｕイオンに捕集板側への初速度を
与えることにより速やかに２３ｓＵイオンを捕集する方
法である。このことは、イオンとイオンの衝突断面積は
、クーロン衝突によるためイオンと中性原子の衝突断面
積より約３桁高いことを利用している（例えば「プラズ
マ物性工学」関口著。

オーム社ｐ　４３　（１９７３））。したかっ−Ｃ分離
すべき２″′Ｕイオン９の密度が中性２３８　Ｕ原子５
の密度より２桁低くてもキャリアイオンとの衝突は約１
０倍あり１選択的な衝突が可能であることを示している
（目標とする濃縮度は５％以下である。）。

第８図は９例えばヘリウム（Ｈｅ）のように電離電圧が
高＜、２］ＳＵイオンと荷電交換を起こさない核種の原
子流を中性ガス供給系３０からふきつけ、中性２３Ｉ′
Ｕ原子５流のみ速やかに排除する方法を示している。

第７図、第８図で示した例では第６図で示した例のよう
に蒸気流をパルス化する必要がなく連続的に蒸気を発生
させることができるので分離作業量を多くすることがで
きる利点がある。

第９図は、第６図で示した実施例の効率をさらに高める
ための応用例を示している。レーザ照射と同期をとり電
子ビームを停止するだけでなく。

同時に中性パルスガス供給系３１から例えばヘリウム（
Ｈｅ）のような電離電圧が高＜２３’Ｕイオンと荷′市
交換しないガスをミラー磁場の強磁場側からノズル３２
を介して吹きつけることにより磁場にトラップされた２
］ＳＵイオンを速やかに捕集することができる。

以上、ミラー磁場により捕集する方法及びその装置につ
いて述べたが、類似した方法として第１Ｏ図に示すよう
に、蒸気流の流れの方向に対して角度を有した磁場配置
により捕集する方法も有効である。蒸気原子の有してい
た速度υをイオン化し磁場にトラップすることにより磁
場しこ垂直な成分υ工と平行な成分υ７　に分解し、υ
Ｉにより捕集する方式である。この実施例ではコイルの
配置設計等が簡便になる利点がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザ照射により選択的に電離された
同位体イオン（２３Ｓｕイオン）の形成するプラズマの
電場遮蔽に無関係な磁場により捕集できるので２分離効
率を向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の鳥職図、第２図は第１図の
Ａ−Ａ’線断面における構成図、第３図は本発明の原理
説明図、第４図〜第１０図は本発明の他の実施例を示す
構成図、第１１図は従来例の構成図、第１２図は従来例
の問題点を説明する説明図である。 １・・・・・・ルツボ、２・・・・・・金属ウラン、３
・・・・・・電子銃。 ３′・・・・・・電子ビーム、４・・・・・・偏向コイ
ル系。 ５・・・・・ウラン２３８ｆＭ子、６・・・・・ウラン
２３５原子。 ７・・・・励起用レーザ、８・・・・電層用レーザ。 ９・・・・・・ウラン２３５イオン、１０・・・・・陽
極。 １１・・・・・・陰極（捕集板）、１２・・・・・・回
収板。 １３・・・−・・光学チェンバモジュール、１４・・・
・・・分離チェンバモジュール、１５・・・・・・真空
容器、　　。 １６．１６’・・・・・・磁場コイル、１７・・・・・
・真空排気系。 １８・・・・・・レーザ光、１９・・・・・レーザ照射
領域。 ２０・・・・・・保護板、　２１．２１’、２１”・・
・・・（濃縮ウランまたは製品ウラン）捕集板、２２・
・・・・・（劣化ウラン）回収板、２３・・・・・・プ
ローブ、２４・・・・・・信号処理系、２５・・・・・
・レーザ電源、２６・・・・・・質量分析器、２７・・
・・・磁場コイル電源、２８・・・・・・同期回路系、
２９・・・・・イオン源、３０・・・・・中性ガス供給
系。 動 ］／ −２０＝ 第４０ 第　≦　囚 （ｂ） め乙の ７・　ｙｊｆＪ＆ｌｔ−プ ８　宙ｊ論用ドブ ２８　同期回路 寮ゴ圀 蔓Ｓ囚 第１０囚 Ｚ’ｌ　　　　　　　　（ａ　） 竿７１固 第１２図 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２種類以上の同位体を含む同位体材料にエネルギを
   与えて２種類以上の同位体を含む中性同位体蒸気流を生
   成し、 該中性同位体蒸気流にレーザ光を照射して分離すべき同
   位体を選択的に電離し、 該選択的に電離された同位体イオンを前記中性同位体蒸
   気流の通過位置に形成されたミラー磁場により捕捉しミ
   ラー磁場の弱磁場側に捕集することを特徴とするレーザ
   同位体分離方法。 ２、特許請求の範囲第１項において、前記選択的に電離
   された同位体のイオンと電子により形成されたプラズマ
   の密度を計測し、該計測値に基づき前記同位体材料に与
   えるエネルギ、前記レーザ光の出力、前記ミラー磁場形
   成用のコイル電源の出力を制御することを特徴とするレ
   ーザ同位体分離方法。 ３、特許請求の範囲第１項において、前記弱磁場側に捕
   集された同位体の原子の核種を質量分析することにより
   濃縮度を測定し、該測定値に基づき前記レーザ光の出力
   と前記ミラー磁場形成用のコイル電源の出力を制御する
   ことを特徴とするレーザ同位体分離方法。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記中性同位体蒸
   気流にレーザ光を照射して同位体を選択的に電離し該同
   位体イオンをミラー磁場により捕集している間、同位体
   材料へのエネルギ供給を止めることを特徴とするレーザ
   同位体分離方法。 ５、２種類以上の同位体を含む同位体材料にエネルギを
   与えて２種類以上の同位体を含む中性同位体蒸気流を生
   成する装置と、 前記中性同位体蒸気流にレーザ光を照射して分離すべき
   同位体を選択的に電離する装置と、前記中性同位体蒸気
   流の通過位置にミラー磁場を形成すべく設けられた少な
   くとも一対の弱磁場形成用のコイルおよび強磁場形成用
   のコイルと、前記弱磁場形成用のコイルの前方に設けら
   れた前記選択的に電離された同位体イオンの捕集板と、
   を有することを特徴とするレーザ同位体分離装置。 ６、特許請求の範囲第５項において、前記強磁場形成用
   のコイルの前方にコイル保護板を有することを特徴とす
   るレーザ同位体分離装置。 ７、２種類以上の同位体を含む同位体材料にエネルギを
   与えて２種類以上の同位体を含む中性同位体蒸気流を生
   成する装置と、 前記中性同位体蒸気流の通過位置にミラー磁場を形成す
   る磁場コイルと、 前記中性同位体蒸気流に前記ミラー磁場の強磁場側から
   レーザ光を照射して分離すべき同位体を選択的に電離す
   る装置と、 前記弱磁場形成用のコイルの前方に設けられた前記選択
   的に電離された同位体イオンの捕集板と、を有すること
   を特徴とするレーザ同位体分離装置。 ８、特許請求の範囲第７項において、前記磁場コイルは
   、弱磁場形成用のコイルおよび強磁場形成用のコイルと
   を有し、かつ前記弱磁場形成用のコイルおよび強磁場形
   成用のコイルは、それぞれ同心円上に二組のコイルを配
   置して成り、該同心円上の外側のコイルと内側のコイル
   に逆向きの電流を流すとともに前記レーザ光を前記強磁
   場形成用のコイルの中心部を通して照射することを特徴
   とするレーザ同位体分離装置。 ９、２種類以上の同位体を含む同位体材料にエネルギを
   与えて２種類以上の同位体を含む中性同位体蒸気流を生
   成する装置と、 前記中性同位体蒸気流にレーザ光を照射して分離すべき
   同位体を選択的に電離する装置と、前記中性同位体蒸気
   流の通過位置にミラー磁場を形成すべく設けられた弱磁
   場形成用のコイルおよび強磁場形成用のコイルと、 前記弱磁場形成用のコイルの前方に設けられた前記選択
   的に電離された同位体イオンの捕集板と、前記強磁場形
   成用コイルの中心部を通して前記ミラー磁場内にキャリ
   アイオンを照射する装置と、を有することを特徴とする
   レーザ同位体分離装置。 １０、２種類以上の同位体を含む同位体材料にエネルギ
   を与えて２種類以上の同位体を含む中性同位体蒸気流を
   生成する装置と、 前記中性同位体蒸気流にレーザ光を照射して分離すべき
   同位体を選択的に電離する装置と、前記中性同位体蒸気
   流の通過位置にミラー磁場を形成すべく設けられた弱磁
   場形成用のコイルおよび強磁場形成用のコイルと、 前記弱磁場形成用のコイルの前方に設けられた前記選択
   的に電離された同位体イオンの捕集板と、前記ミラー磁
   場を形成すべく設けられた磁場コイルの上流側から前記
   ミラー磁場に向けて電離電圧の高い核種の原子流を照射
   する装置と、 を有することを特徴とするレーザ同位体分離装置。