NL8320093A - Werkwijze en inrichting voor isotopenscheiding. - Google Patents

Description

, , NL 32.042 WO-Pf/vdM 8 ó Z 0 B 9 3 - 1 -

Werkwijze en inrichting voor isotopenscheiding.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op verbeteringen van werkwijzen en inrichtingen voor isotopenscheiding in een dicht plasma van het type dat in algemene zin bijv. in het Amerikaanse octrooischrift 4.059.761 wordt ge-5 openbaard. Dit octrooi is er ëén van een aantal, dat is verleend op de moederaanvrage met het serienummer 562.993, ingediend op 27 maart 1975, die thans is ingetrokken. In dit verband wordt ook verwezen naar de samenhangende octrooiaanvrage met het serienummer 860.421, ingediend op 5 december 1977, die 10 een voortzetting is van een vroegere aanvrage met het serienummer 761.939, ingediend op 24 januari 1977 en die nu is ingetrokken. De boven genoemde octrooien en octrooiaanvragen zijn overgedragen aan de rechthebbende van de onderhavige octrooiaanvrage.

15 De regering van de Verenigde Staten bezit rechten op deze uitvinding op basis van contract nr. DE-AC03-77ET33006 aangegaan door het U.S. Ministerie voor Energiezaken.

Verwezen wordt ook naar een artikel van Dawson en anderen met de titel "Isotope Separation in Plasmas by Use 20 of Ion Cyclotron Resonance", dat verschijnt in Physical Review Letters, Volume 37, No. 23, van 6 december 1976, biz. 1547-1550 en op de volgende samenhangende octrooischriften: het Amerikaanse octrooischrift 4.208.582 ten name van Arnush en anderen en het Amerikaanse octrooischrift 4.093.856 ten 25 name van Stenzel.

Sinds de verlening van deze octrooien en de in-dieningsdata van de boven genoemde voortgezette octrooiaanvrage is aanzienlijk werk verricht met betrekking tot plasma's met gelijkmatige dichtheid en rustige plasma's met hoge dicht-30 heid. In het bijzonder zijn pogingen gedaan de bron van ionen van een te scheiden element, alsmede de wijze waarop differentiële kinetische energie wordt verleend aan uitgekozen isotopen van het element bevattende ionen, te verbeteren. Dit maakt het mogelijk meer kinetische energie te verlenen aan een 35 gewenst isotoop dan aan het andere. Tenslotte zijn verbete- 8320093 t * - 2 - ringen bereikt bij de differentiële verzameling van het gewenste isotoop, waardoor een toegenomen verrijking van het gewenste isotoop werd verkregen.

De onderhavige uitvinding gaat uit van en omvat 5 verscheidene verbeteringen in de werkwijze voor isotoopverrij- king als beschreven in de boven genoemde publikatie van Dawson e.a. en de verscheidene genoemde octrooien,* welke alle door verwijzing hierin worden opgenomen. Deze oudere publikaties beschrijven de plasmascheidingswerkwijze met een aantal onder- 10 scheiden trappen: allereerst het tot stand brengen van een magnetisch veld, dat zich overwegend evenwijdig aan een vooraf bepaalde as uitstrekt en een grote doorsnede heeft, d.w.z.

dimensies in dwarsrichting, die aanzienlijk groter zijn dan de diameter van de banen van ionen met het geselecteerde isotoop 15 binnen het magnetische veld. Ten tweede het verschaffen binnen het magnetische veld van een plasmamassa met ionen, die atomen van een element dat tenminste twee isotopen heeft, bevatten.

Wanneer uraniumverrijking beoogd wordt bevatten deze ionen uraniumatomen en kan het plasma bijv. in wezen bestaan uit 20 geïoniseerde uraniumatomen en vrije electronen. Ten derde het differentiëel verlenen van kinetische energie aan ionen met geselecteerde isotopen (bijv. de in het plasma aanwezige 235 U-ionen) door het aanbrengen van een electrisch wisselveld op het plasma op een zodanige wijze, dat ionen met het gese-25 lecteerde isotoop differentiëel versneld worden tot het met verhoogde snelheid doorlopen van een kringbaan in het plasma. En tenslotte het preferentiëel verzamelen van de ionen met het geselecteerde isotoop op basis van ofwel hun hogere kinetische energie ofwel hun wijdere kringbaan, ofwel beide.

30 De onderhavige uitvinding heeft betrekking op en omvat verbeteringen in de tweede en derde van de genoemde trappen. Overeenkomstig een eerste aspect van de onderhavige uitvinding worden in een werkwijze en inrichting voor isotopenscheiding een verbeterde werkwijze en een verbeterd sub-35 systeem voor vorming van een plasmamassa met grote doorsnede en hoge dichtheid binnen een intens magnetisch veld verschaft. Meer in het bijzonder leert de onderhavige uitvinding een techniek en een inrichting, waarmee een plasma met hoge dicht- 8320093 , 1 - 3 - heid continu kan worden gevormd binnen een divergerend gedeelte van het magnetische veld, welk plasma van die plaats naar een aangrenzende zone van uniforme intensiteit van het magnetische veld stroomt. Dit zorgt voor een stroom met grote dia-5 meter van plasma met vrijwel uniforme dichtheid, die in de lengterichting stroomt op alle incrementele locaties over een vooraf bepaald dwarsoppervlak van een magnetisch veld met grote diameter. Hoewel de nieuwe werkwijze en inrichting voor de vorming van het plasma in het bijzonder gunstig zijn voor 10 toepassing bij de boven beschreven werkwijze voor plasma-isotoopscheiding, zijn zij niet daartoe beperkt, maar kunnen zij telkens en overal gebruikt worden waar behoefte bestaat aan de vorming van een brede, uniforme en rustige massa of stroom van dicht plasma. Plasmabronnen overeenkomstig de onder-15 havige uitvinding kunnen bijv. worden gebruikt voor veel van de in "Q Machines" door Motley, Robert W., Academie Press,

New York (1975) beschreven systemen en doeleinden.

Voorts worden een verbeterde werkwijze en een verbeterde inrichting geopenbaard voor het onderwerpen van een 20 dicht plasma met grote diameter aan een electrisch wisselveld met een frekwentie die overeenkomt met de baanfrekwentie van ionen met het geselecteerde isotoop, of met een harmonische van die baanfrekwentie. Hiertoe wordt een langwerpig samenstel van inductiewindingen voorgesteld, dat speciaal geconstrueerd 25 en ingericht is om een alternerend magnetisch veld op te wekken bij de gewenste differentiële excitatiefrekwentie, waarbij de magnetische vector van de wisselstroom zich in algemene zin, maar niet exact, loodrecht op de as van de plasmakolom uitstrekt. Dit magnetische veld induceert in de plasmakolom een 30 alternerend electrisch veld met een component normaal tot de as en een andere component evenwijdig aan de as. Deze laatste component heeft een belangrijk gunstig effect: in alle in dwarsrichting naast elkaar liggende gedeelten van de plasmakolom doet deze electronen met de ion-cyclotron-resonantie-35 frekwentie in de lengterichting terug- en voorwaarts bewegen. Dit heen-en-weer-bewegen van electronen doet een potentiaal-gradiënt ontstaan dwars over elk incrementeel gedeelte van het plasma. Hoewel het plasma dicht en sterk geleidend is, zullen zo zelfs de buitengedeelten ervan de binnengedeelten niet af- 8320093 i ii - 4 - schermen van het aangebrachte wisselveld. Het effect van het heen-en-weer-bewegen van de electronen doet het geïnduceerde electrische wisselveld doordringen tot alle gedeelten van het dichte plasma, zelfs wanneer een plasmakolom met een diameter 5 van de orde van 3 m wordt gebruikt.

De nieuwe kenmerken die voor de onderhavige uitvinding karakteristiek worden beschouwd worden in het bijzonder in de nog volgende conclusies uiteengezet. De uitvinding zelf zal echter zowel wat betreft zijn organisatie als wer-10 kingswijze, alsmede bijkomende doelen en voordelen ervan, het best worden begrepen uit de volgende beschrijving wanneer deze wordt gelezen in samenhang met de bijgaande tekening.

Figuur 1 is een schematische doorsnede van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding voor de verrij-15 king van een gewenst isotoop, waarbij de behuizing van de inrichting is weggelaten; figuur 2 is een zijaanzicht van een monolithische of in segmenten verdeelde plaat, die een warmtewisselaar en een schematisch afgebeelde steunstructuur omvat en dient voor 20 het verschaffen van neutrale atomen door sputtering; figuur 3 is een eindaanzicht van de vier stuur-windingen voor het verlenen van kinetische energie aan ionen met het geselecteerde isotoop binnen het plasma; figuur 4 is een schematisch perspectivisch aan-25 zicht van de vier stuurwindingen en hun electrische verbindingen met voedingslijnen voor bekrachtiging ervan; figuur 5 is een blokschema van een schakeling voor voeding van het vier-fasige wisselstroomvermogen aan de stuurwindingen; 30 figuur 6 is een zijaanzicht van een enkele col lector, waarbij de banen van twee ionen met resp. een gewenst en ongewenst isotoop worden getoond; figuur 7 is een vergroot aanzicht van een serie collectorplaten en hun afschermingen; en 35 figuur 8 is een vooraanzicht van het samenstel van figuur 7 en toont een scherm of afscherming uit grafiet voor remming van het opvangen van electronen.

Figuren 9a-9d zijn vectordiagrammen, die de toe- 8320093 I ι - 5 - stand van het electrische veld in het plasma laten zien.

Zoals reeds opgemerkt heeft de uitvinding specifiek betrekking op verbeterde werkwijzen en inrichtingen, die in het bijzonder bruikbaar zijn bij de plasma-isotopenschei-5 ding als beschreven door Dawson e.a., voor het opwekken van een grote massa van dicht plasma binnen een magnetisch veld en voor het differentiëel versnellen en preferentiëel verzamelen van ionen met het geselecteerde isotoop binnen het plasma.

Het is wellicht nog belangrijker dat de onderhavige uitvinding 10 een continue werkwijze mogelijk maakt voor isotopenscheiding binnen een langwerpige plasmakolom met grote diameter door te zorgen voor continue vorming van vers plasma bij één einde van de plasmakolom en binnen het magnetische veld, dat magnetisch de plasmakolom begrenst tot een vooraf bepaalde stromingsbaan 15 van het plasma. Deze baan omvat aan één einde een bronzone, waarin dicht plasma continu overeenkomstig de onderhavige uitvinding wordt opgewekt. De baan van het plasma omvat tevens (1) een excitatiezone, die tussen de uiteinden inligt, waarin het plasma wordt onderworpen aan een electrisch wisselveld 20 voor differentiële versnelling van ionen met het geselecteerde isotoop en (2) een verzamelzone, die zich stroomafwaarts van de excitatiezone bevindt, waarin ionen met hogere energie preferentiëel worden verzameld, onder oplevering van een iso-topisch verrijkt produkt.

25 Voor kwantitatieve produktie van verrijkt mate riaal, bijv. verrijkt uranium, is het in hoge mate gewenst een plasmakolom te gebruiken met een grote doorsnede. De voorkeur gaat bijv. uit naar een overwegend cylindrische kolom met een diameter van ca. 1 m of meer en het is zeer gewenst dat het 30 plasma wat betreft dichtheid overwegend uniform is over deze grote doorsnede.

Uraniumionen binnen het plasma worden als geladen deeltjes gedwongen in verschillende, transversaal op afstand liggende kringbanen rond magnetische veldlijnen te gaan; zij 35 kunnen niet in een richting dwars op het magnetische veld migreren of diffunderen. Derhalve heeft het geen praktische betekenis een plasma met uniforme dichtheid op te wekken met technieken die generatie van ionen buiten het magnetische veld 8320093 • « - 6 - behelzen en daarop deze in het veld te injecteren. Bovendien hebben de meeste technieken voor het genereren van vrije ionen binnen het magnetische veld de neiging ongelijkmatigheden van dichtheid te creëren in de vorm van dichtheidsstrepen, die 5 zich langs de plasmakolom uitstrekken. Deze moeilijkheden worden met de uitvinding overwonnen door een werkwijze te verschaffen, waarbij niet-geïoniseerde metallische damp gelijkmatig over een groot oppervlak binnen het magnetische veld wordt gevormd, deze vrij in richtingen dwars op de magnetische 10 veldlijnen diffundeert en ter plaatse geïoniseerd wordt binnen het magnetische veld, pas nadat een gelijkmatige verdeling van de dichtheid gerealiseerd is over een vooraf bepaalde grote doorsnede. Zo wordt bij ionisatie in situ van de uranium bevattende damp continu een lopende stroom van plasma gevormd 15 met een dichtheid die overwegend hetzelfde is over de gehele gemagnetiseerde plasmakolom.

Onmiddellijk grenzend aan de bronzone wordt een excitatiezone verschaft, waarin de magnetische veldsterkte overwegend gelijkmatig is in lengte- en dwarsrichting en waar-20 in een electrisch wisselveld wordt aangebracht op het plasma voor differentiële versnelling van ionen met het geselecteerde isotoop tot relatief hoge energieniveaus, waardoor deze ionen in geëxpandeerde rotatiebanen door het grote gebied met plasma gaan bewegen. Een bepaald aspect van de onderhavige uitvinding 25 betreft verbeterde werkwijzen en inrichtingen voor het aanbrengen van dit electrische wisselveld op alle in dwarsrichting naast elkaar gelegen gedeelten van het plasma binnen de excitatiezone.

Wanneer de onderhavige uitvinding wordt toegepast 30 op isotoopscheidingssystemen, omvat de plasmabaan tevens een verzamelzone, die zich stroomafwaarts bevindt van de excitatiezone, en waar ionen met hogere energie prefereniëel worden verzameld, onder oplevering van een isotopisch verrijkt pro-dukt. Zo is een volgend aspect en doel van de onderhavige uit-35 vinding het verschaffen van verzamelmiddelen voor doelmatige verzameling binnen het plasma van ionen met het geselecteerde isotoop op basis van hun hogere kinetische energie en/of hun grotere kringbanen.

8320093 I l - 7 -

In figuur 1 wordt enigszins schematisch een totaalbeeld gegeven van een uitvoeringsvorm van een inrichting voor de uitvoering van de onderhavige uitvinding. De inrichting omvat een plaat 10, die monolithisch kan zijn of uit seg-5 menten kan bestaan. Deze vormt een bron van materiaal, waaruit een damp wordt verkregen, die moleculen bevat die geïoniseerd kunnen worden onder vorming van een plasma, dat atomen van een element met tenminste twee isotopen bevat. Bij wijze van voorbeeld kan de plaat 10 bestaan uit uraniummetaal. Bij de gehele 10 volgende beschrijving zal bij de specificatie van de te gebruiken parameters moeten worden verstaan dat gesproken wordt over uraniumverrijking. De onderhavige uitvinding is echter niet beperkt tot uranium; door een juiste modificatie van deze parameters kan het concept van de onderhavige uitvinding worden 15 gebruikt voor verrijking van vrijwel elk element, dat een plasma kan vormen dat ionen bevat, die atomen van het betrokken element bevatten.

De plaat 10 is bevestigd aan en in thermisch contact met een warmtewisselaar 11, die gekoeld wordt door een 20 door een verdeelstuk 12 aangevoerd koelmiddel, zoals vollediger zal worden beschreven in samenhang met figuur 2. Een aantal magnetische windingen 15 omsluit langs de omtrek de inrichting voor het opwekken van een magnetisch veld B, dat met de pijlen 16 is aangegeven. De windingen 15 kunnen bestaan uit 25 een supergeleidend materiaal, dat gekoeld wordt met vloeibare helium. Supergeleidbaarheid is echter niet een wezenlijk kenmerk van de uitvinding.

Zoals boven opgemerkt wordt met het onderhavige systeem continu vers plasma in de bronzone opgewekt aan het 30 ene einde van het magnetische veld en stroomteen stroom dicht plasma langs het B-veld door de excitatiezone. Produktie op commerciële schaal van verrijkt produkt vereist dat het systeem een hoge doorvoercapaciteit heeft, bij voorkeur voldoende om van de orde van 0,5-1 kg natuurlijk voorkomend uranium 35 per seconde te kunnen verwerken. Dienovereenkomstig verschaft de plasmabron bij voorkeur een uraniumionenflux van de orde 14 2 van 10 ionen/cm /s. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding wordt deze doelstelling bereikt door continue sput- 8320093

i I

- 8 - tering van niet-geïoniseerd materiaal van de plaat 10 aan het stroomopwaartse einde van de bronzone, onder vorming van een wolk van niet-geïoniseerde uraniumdamp met gelijkmatige dichtheid dwars over de baan van het plasma. In deze damp aanwezige 5 uraniumatomen worden in situ binnen het magnetische veld geïoniseerd, onder oplevering van de gewenste stroom plasma, die ionen van het isotopische te verrijken element bevat.

Sputtering van materiaal van de plaat 10 wordt bereikt door ionenbombardement; meer specifiek wordt de plaat 10 10 een negatieve voorspanning gegeven tot een potentiaal, die ten opzichte van een collectorsamenstel 30 voldoende is om elk ion uit een inert gas dat de plaat 10 treft, verscheidene neutrale atomen van het te verrijken materiaal (bijv. uranium) te doen uitstoten. De verkregen damp wordt na uniforme diffun-15 dering dwars over de magnetische veldlijnen ter plaatse geïoniseerd, onder continue vorming van een plasma, dat ionen bevat die atomen van het te verrijken materiaal omvatten. Hiertoe worden vrije electronen, die doorgaans aanwezig zijn in het divergerende gedeelte van het magnetische veld bij de 20 plaat 10, geëxiteerd of verwarmd door toepassing van micro-golfenergie met de voor electroncyclotronresonantie vereiste frekwentie, door middel van microgolfantenne 18. Deze geëxi-teerde eletronen botsen met en ioniseren daardoor uraniumatomen in alle gedeelten van een doorsnede van de plasmakolom in 25 de zone met het divergerend veld, zoals wordt aangegeven met lijn 47. Wat dit betreft is een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding het feit dat electroncyclotronresonantie-verwarming (ECRH) vrijwel uitsluitend optreedt langs de dunne doorsnede 47, in de zone met divergerend veld, waar de inten-30 siteit van het magnetische veld zodanig is, dat de electron-cyclotronresonantiefrekwentie overeenstemt met de frekwentie van de aan de antenne 18 gevoede microgolfenergie. Zo levert het onderhavige plasmabron-subsysteem continu een stroom met grote diameter (bijv. 3 m) plasma op, die een dichtheid van 8 3 35 tenminste 10 ionen/cm en een stroomsnelheid of flux van ten- 1 8320093 2 minste ca. 10 ionen/cm /s heeft. Een belangrijk voordeel van dit subsysteem is het feit dat de plasmadichtheid overwegend uniform (vrij van dichtheidsstrepen) over de diameter van de plasmabaan is.

• » - 9 -

Voor de preferentiële verlening van kinetische energie aan ionen met het geselecteerde isotoop binnen het plasma wordt een gedeelte van het plasma onderworpen aan een electrisch wisselveld, dwars op de as van de plasmakolom, met 5 een frekwentie die overeenkomt met de baanfrekwentie van de ionen met het geselecteerde isotoop, of met een harmonische van deze frekwentie. Overeenkomstig de onderhavige uitvinding wordt dit bereikt met een multifasesysteem 20 van spiraalwin-dingen, dat windingen 21, 22, 23 en 24 omvat. Bij voorkeur be-10 vinden de windingen 21-24 zich buiten de grenzen 25 van de plasmakolom, maar in een gebied waar het magnetische veld overwegend uniform is. De structuur, werking en significante voordelen van dit systeem van windingen worden nog later nader uiteengezet in samenhang met figuren 3, 4 en 9 van de tekening. 15 Het subsysteem voor verzameling van ionen met het geselecteerde isotoop wordt in algemene zin getoond met 30.

Het omvat een aantal collectorschermen of afschermingen 31. Deze schermen worden op een voorspanning gebracht om de plas-ma-electronen te ontvangen. Het subsysteem 30 omvat verder op 20 een voorspanning gebrachte produktverzamelplaten 32, die zich op enige afstand bevinden van en geïsoleerd zijn van keer-schotten 33. De bedoeling van de keerschotten 33 is de platen 32 te beschermen tegen de sputtering van materiaal van een eindvangplaat 34. Dit zal nader worden uiteengezet in samen-25 hang met figuren 6-8.

Isotopenscheiding, d.w.z. de verrijking van een gewenst isotoop, wordt bij voorkeur uitgevoerd in een plasma met gelijkmatige dichtheid; d.w.z. een massa plasma die overwegend vrij is van ruimtelijke variaties in dichtheid en/of 30 electrische potentiaal. De reden van de noodzaak een binnen bepaalde grenzen overwegend uniform plasma te verschaffen is dat anders lijnverbreding zal optreden. Dit betekent dat de cyclotronresonantiefrekwentie van een eerste isotoop, die van een andere isotoop kan overlappen. Dit zou natuurlijk ertoe 35 neigen de differentiële versnelling van de ionen met het geselecteerde isotoop uit te sluiten en zou daarom isotopenscheiding (d.w.z. verzameling) op basis van preferentiële verzameling van ionen met hogere kinetische energie onmogelijk 8320093 - 10 - maken. Dit kan het gevolg zijn van variaties in de plaatselijke potentiaal, die leiden tot de frekwentieverschuiving, d.w.z. lijnverbreding. De grootte van dit effect hangt af van de amplitude van de potentiaalvariaties en de ruimtelijke af-5 stand van dergelijke variaties. De potentiaalvariaties moeten klein genoeg worden gehouden om de lijnverbreding de scheiding van de isotopen niet te laten beïnvloeden. Indien de variaties over uiterst korte afstanden, waar de afstand kort is in verhouding tot de ioncyclotronkringbaan, optreden kunnen hogere 10 storingsniveaus worden verdragen, maar dezelfde beperkende voorwaarden zijn van toepassing. Wanneer zo — de breedte van ω de lijn is, dan moet deze bij benadering gelijk zijn aan . , 2 jC 6 d) -% , waarin m de massa van het deeltje is, ω de toegepaste

2maT

excitatiefrekwentie is, φ de amplitude van de potentiaalvaria- 2 π 15 ties is en k = y , waarin λ de golflengte voor de potentiaal- storingen is en e de electronenlading van het ion is. Deze lijnbreedte ~ moet klein worden gehouden ten opzichte van het massaverschil van de te scheiden ionen. D.w.z. — moet kleiner ω zijn dan —.

m 20 Neem bijv. een plasma dat uraniumionen met massa

235 en 238 bevat. Indien potentiaalvariaties van φ= 0,1 V

zouden optreden met een karakteristieke golflengte van 0,0254 m, bij een magnetisch veld van 20.000 Gauss, zou de door deze potentiaalvariaties veroorzaakte lijnbreedte zijn van de orde 2 25 van: 'Δω _ k Οφ ω 2ιηω2 waarbij k = 2 x

φ = 0,100 V

-19 e = 1,6 x 10 C m = 235 x 1,67 x 10 kg 30 ω = 8,11 x 105 s"1 en dus dat = 0,0018 of 0,18 %.

Voor uranium bedraagt het percentuele verschil in massa, —, tussen de isotopen 22~*U en 22®U 0,013 of 1,3 %. De m 35 zo beschreven omstandigheden staan voor een gelijkmatig plasma dat geschikt is voor het differentiëel verlenen van kinetische 8320093 - 11 - energie aan ionen met het geselecteerde isotoop. In de praktijk zullen lijnbreedten van de orde van het massaverschil aanvaardbaar zijn voor toepassingen gericht op een bescheiden verrijking. Voor het beschouwde geval, dat van uranium, zou 5 het plasma grotere ongelijkmatigheden kunnen vertonen en toch nog selectieve energeticiteit kunnen verschaffen. Het voorbeeld toont een voldoende uniform plasma voor zeer doelmatige verrijking van uranium.

In voorkeursuitvoeringsvormen van de onderhavige 10 uitvinding is het plasma niet alleen gelijkmatig, zoals boven besproken, maar is het tevens rustig (zoals meer specifiek gedefinieerd is in de Amerikaanse octrooiaanvrage met het serienummer 860.421) en is het een dicht plasma met een dichtheid 8 3 van tenminste ca. 10 ionen/cm en bij voorkeur groter dan 10 3 15 10 uraniumionen/cm . Voor isotopenverrijking van andere elementen en/of bij hogere intensiteiten van het magnetische veld kan men zelfs hogere plasmadichtheden gebruiken.

Overeenkomstig de onderhavige uitvinding wordt het rustige plasma met gelijkmatige dichtheid opgewekt door de 20 combinatie van twee aparte opvolgende trappen: allereerst wordt een dichte damp van niet-geïoniseerde uraniumatomen opgewekt door bombardering van de plaat 10 met zeer snelle ionen, die uraniumatomen uit het oppervlak van de plaat 10 sputteren; energierijke ionen die botsen op het oppervlak van de plaat 10 25 dragen hun kinetische energie over op uraniumatomen of -moleculen, die daardoor voldoende energie verkrijgen om uit het oppervlak te ontsnappen. Zo wordt er in de buurt van de plaat 10 een wolk uraniumdamp gevormd, die in richtingen dwars op de magnetische veldlijnen kan diffunderen, onder vorming van een 30 overwegend gelijkmatige dichtheid over een doorsnede overeenkomstig die van de plaat 10. Vervolgens wordt deze damp met gelijkmatige dichtheid in situ binnen het magnetische veld geïoniseerd door electronen met hoge energie te laten botsen met grote aantallen uraniumatomen en daardoor deze te doen ionise-35 ren, die aanwezig zijn in het plasma met gelijkmatige dichtheid. Op deze manier wordt een dicht rustig plasma met gelijkmatige dichtheid gevormd binnen het magnetische veld 16 met grote diameter.

8320093 > » - 12 -

Een inrichting voor de uitvoering van de hiervoor genoemde trappen wordt in figuur 2 getoond. Deze inrichting bestaat uit een monolitische of uit segmenten bestaande plaat 10 uit uraniummetaal. Het uranium moet gekoeld worden en hier-5 toe wordt gezorgd voor een warmtewisselaar 40. De warmtewisselaar kan in thermisch contact bevestigd zijn aan de uranium-plaat 10. Dit kan bijv. worden bereikt door vernikkeling van de uraniumplaat 10. De warmtewisselaar 40 kan door soldering of op andere wijze zijn bevestigd aan de met nikkel beklede 10 achterkant 41 van de plaat 10 en zijn voorzien van een aantal inwendige buizen 42, waardoor een koelmiddel via leiding 43 kan worden geleid. Een steunstructuur voor de plaat 10 en de warmtewisselaar 40 kan op de schematisch bij 48 in figuur 2 getoonde wijze zijn aangebracht. De dikte van de uraniumplaat 15 ligt bij voorkeur tussen 6 en 10 cm, waarbij de dikte begrensd wordt door de noodzaak van conductieve overdracht naar warmtewisselaar 40 van de thermische energie, die bij de botsing van energierijke ionen op de voorkant vrijkomt. Wanneer de plaat 10 te dik zou zijn zou anders zijn voorkant zo sterk 20 worden opgewarmd, dat een fase-overgang van het uranium zou worden teweeggebracht, met als resultaat dat de plaat de neiging zou hebben krom te trekken. Bovendien zou bij een te dikke plaat het voorvlak smelten en zou materiaal zonder gesputterd te worden verloren gaan. De plaat 10 wordt bij voorkeur 25 op een voorspanning gebracht, ten opzichte van verzamelsysteem 30 op een negatieve spanning van tenminste 400 tot 500 V door middel van bijv. een voorspanningsbron 45. Het zal duidelijk zijn dat de grootte van deze voorspanning af zal hangen van het materiaal dat uit de plaat 10 moet worden gesputterd en 30 dat isotopisch moet worden verrijkt. In het algemeen moet de voorspanning hoog genoeg zijn om elk inert gasion dat de plaat 10 treft een aantal atomen van het te verrijken materiaal te laten uitstoten, d.w.z. sputteren. Het sputteren van materiaal, bijv. uraniumdamp, uit de plaat 10 vereist een zekere voorraad 35 positieve ionen binnen het magnetische veld grenzend aan de plaat 10. Bij het opstarten zijn er genoeg inerte gasionen (bijv. argon) aanwezig in de kamer voor initiëring van de sputtering van plaat 10, zodra de negatieve voorspanning is 8320093 - 13 - aangebracht. Wanneer het systeem bedrijfscondities van de blijvende toestand bereikt zorgt het dichte plasma voor een overvloedige toevoer van positieve ionen (bijv. uraniumionen) in de nabijheid van de plaat 10; en een voldoende aantal van deze 5 uraniumionen botst op de plaat 10 voor een overvloedige pro-duktie van damp. Zo domineert onder bedrijf in de blijvende toestand zelf-sputtering en bestaat er geen behoefte aan aanwezigheid van ionen van een inert gas binnen de plasmabaan.

De sputtering van het uranium kan bijv. geïnitiëerd worden 10 door positieve argonionen of ionen van een ander inert gas, die doorgaans aanwezig zijn in de plasmakolom. De energie van 2 de sputtering kan van de orde van 100 W/cm zijn.

Neutrale uraniumionen worden in situ geïoniseerd binnen het magnetische veld door electronenbombardement. Hier-15 toe wordt microgolfenergie gevoed uit een bron 46 (zie figuur 1) door middel van een microgolfpoolhoorn 18 naar het divergerende gedeelte van het magnetische veld. Een kromme lijn 47 geeft een gebied met een magnetisch veld van constante intensiteit aan. De poolhoorn 18 geeft een frekwentie af die over-20 eenkomt met de electroncyclotronresonantie langs de lijn 47.

De electronen worden kinetisch geënergetiseerd (d.w.z. verwarmd) door electroncyclotronresonantieverwarming langs de lijn 47, waar de intensiteit van het magnetische veld zodanig is, dat de baanfrekwentie van de electronen (rond de magneti-25 sche veldlijnen) is afgestemd op de frekwentie van de toegepaste microgolfenergie. Verwarming van de electronen is een stochastisch proces, hetgeen wil zéggen dat elk en ieder electron dezelfde kans heeft een toegenomen kinetische energie te verkrijgen en het energieniveau (d.w.z. electrontempera-30 tuur) heeft in de nog volgende tekst de betekenis van de gemiddelde energie van de electronen in een dunne doorsnede langs het oppervlak 47. Bij het gebruik van de onderhavige uitvinding voor een doelmatige uraniumverrijking moet het plasma bij voorkeur bestaan uit primaire of enkelvoudig ge-35 ioniseerde uraniumatomen—d.w.z. atomen waarvan slechts één electron is weggenomen. Voor uranium is ca. 6 electronvolt (eV) aan energie nodig voor de produktie van enkelvoudig geladen ionen en ca. 12 eV voor de produktie van dubbel geladen 8320093 - 14 - ionen. De te gebruiken optimale gemiddelde electrontemperatuur is een compromis tussen hun aanvaardbare ionisatie-effectivi-teit en een aanvaardbaar minimum aan dubbel geladen ionen.

Voor uraniumverrijking ligt de te gebruiken gemiddelde elec-5 trontemperatuur in het gebied van 1-2 eV. Als gevolg van de Boltzmann-verdeling van electronenenergieniveaus zijn er, wanneer de gemiddelde electrontemperatuur in dit gebied is, genoeg electronen bij 6 eV voor de produktie van enkelvoudig geladen ionen met een doelmatige snelheid en voldoende weinig 10 bij 12 eV, om het aantal dubbel geladen ionen te verhinderen in significante mate de differentiële versnelling van de U+-ionen te benadelen. De gemiddelde electrontemperatuur kan geregeld worden door variatie van de microgolfvermogeninvoer en het voorspanningsvoltage op de plaat 10. De betrokken verban-15 den zijn significant afwijkend van wat intuïtief zou mogen worden verwacht, aangezien een toename in het voorspanningsvoltage en in het microgolfvermogen beide leiden tot een lagere gemiddelde electrontemperatuur. Dit gebeurt zo omdat een toename van het voorspanningsvoltage het aantal neutrale 20 atomen dat van de plaat 10 wordt gesputterd doet toenemen en deze extra atomen extra energie absorberen van de geëxciteerde electronen, als gevolg van een toegenomen aantal botsingen tussen electronen en ionen, waardoor de gemiddelde electron-energïe wordt verlaagd. Verhoging van het microgolfvermogen 25 zal de plasmadichtheid doen toenemen (en daarom de frekwentie van onelastische botsingen), hetgeen opnieuw leidt tot een lagere gemiddelde electrontemperatuur.

Samenvattend moet men voor een effectieve isotopenscheiding het gevoede microgolfvermogen instellen op een 30 zodanig niveau, dat een grote meerderheid van de plasmaionen enkelvoudig geïoniseerd wordt en dat de partiële populatie aan ü -ionen niet zo hoog is dat deze in significante mate de differentiële versnelling van de enkelvoudig geïoniseerde deeltjes door middel van ioncyclotronresonantieverwarming in 35 de excitatiezone verstoren. Op dit moment wordt aangenomen, dat het wenselijk is de electronen te verwarmen tot een gemiddeld kinetisch energieniveau tussen 0,1 en 0,3 maal de ionisatiepotentiaal van het specifiek isotopisch te verrijken materiaal.

8320093 - 15 -

De hiervoor gaande alinea's zijn toegespitst op een specifieke uitvoeringsvorm, waarbij enkelvoudig geladen 235 ü-ionen differentieel worden versneld (door ioncyclotron-resonatieverwarming in de excitatiezone) en daarom is het ge-5 wenst de partiële populatie van dubbel geladen ionen tot een minimum te beperken. De uitvinding is echter niet daartoe beperkt; in bredere zin omvat deze tevens isotopenscheiding door differentiële verwarming van zo goed als alle ionen met een geselecteerd isotoop, die atomen bevatten van een element 10 met tenminste twee isotopen. Men kan zich bijv. richten op een dicht plasma, waarin in hoofdzaak dubbel geladen uranium- ionen aanwezig zijn en de signaalgenerator 61 instellen op de 235 ioncyclotronresonantiefrekwentie van dubbel geladen U- ionen. Anderzijds kan men een signaalgenerator gebruiken, die 15 hoog-frekwent vermogen oplevert bij twee aparte frekwenties, 235 +

waarvan de eerste overeenkomt met de baanfrekwentie van U

en de tweede overeenkomt met de baanfrekwentie van dubbel geladen ionen. In dit geval zullen zowel de enkel als dubbel 235 geladen ionen die U omvatten meer versneld worden dan de 238 20 overeenkomstige U-ionen; en zo kan een verhoogde schei- 235 dingseffectiviteit gerealiseerd worden doordat U-ionen pre-ferentiëel verzameld kunnen worden, zowel die welke enkelvoudig als die welke dubbel geladen zijn. Zoals reeds opgemerkt zijn dezelfde principes van toepassing op elementen 25 anders dan uranium. De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot uranium of tot zware metalen of zelfs tot elementaire materialen; het concept van de onderhavige uitvinding kan bijv. worden toegepast op de isotopenscheiding door middel van differentiële versnelling van complexionen, die atomen bevat-30 ten van enig element met tenminste twee isotopen. Binnen de omvang van de uitvinding kan bijv. uraniumverrijking worden uitgevoerd door toepassing van een plasma, dat in wezen bestaat uit uraniumfluoride-ionen; en met de geschikte modificaties kunnen de werkwijze en inrichting gebruikt worden voor 35 isotopenscheiding van materialen als molybdeen, palladium, rhodium en ruthenium, alsmede voor de afzondering van verschillende radioactieve isotopen, die gebruikt worden voor medische diagnose en/of therapie, voor industriële metingen, 8320093 - 16 - voor niet-destructieve testmethodes en radiografie en voor radiofarmaceutische doeleinden.

Zoals boven opgemerkt wordt de frekwentie van het door de bron 46 geleverde microgolfvermogen ingesteld op 5 de electroncyclotronresonantiefrekwentie in een uitgekozen doorsnede (bijv. oppervlak 47) van het gebied met divergerend veld dicht bij, maar niet rakend aan de plaat 10. Zo hangt de juiste microgolffrekwentie af van de intensiteit van het B-veld dat in een specifieke opstelling wordt gebruikt. Indien bijv.

10 de gekozen magnetische veldsterkte 20.000 Gauss bedraagt, moet de frekwentie van de microgolfbron 46 56 GHz (gigahertz) zijn. Wanneer een magnetisch veld van 22.000 Gauss wordt gekozen is een frekwentie van ca. 60 GHz vereist. De microgolfvermogen-bron 46 kan bestaan uit iedere geschikte microgolfgenerator 15 met het vereiste uitvoervermogen. Zo'n geschikte inrichting is een Gyrotronbuis, die verkrijgbaar is met vermogens tot aan 200 kW per buis bij Varian Associates, als hun model VGA 8006. Anderzijds kan met geschikte aanpassing van het systeem en de werkparameters zeer hoog frekwent vermogen gebruikt worden 20 voor ECR-verwarming van electronen in het gebied met divergerend veld.

Het uiteindelijke doel van de onderhavige werkwijze en inrichting is isotopisch verrijkt materiaal te verschaffen door preferentiële verzameling van ionen met het 25 geselecteerde isotoop op basis van de hogere energieniveaus waarop deze ionen worden gebracht. Een daarvoor noodzakelijk tussenliggend doel is ionen die het geselecteerde isotoop bevatten differentieel te energetiseren ten opzichte van de energetisering van ionen met andere isotopen en andere deel-30 tjes, indien deze aanwezig zijn. Overeenkomstig de onderhavige uitvinding wordt deze differentiële energetisering bereikt door op de plasmakolom met grote doorsnede een electrisch wisselveld aan te brengen met een zodanige frekwentie, dat ionen met het geselecteerde isotoop preferentiëel versneld 35 worden in expanderende schroefbanen rond magnetische veldlij-nen in het plasma. Isotopenscheiding (d.w.z. produktie van verrijkt materiaal) kan daarop worden bereikt door preferentiële verzameling van de ionen met het geselecteerde isotoop 8320093 • » - 17 - met iedere beschikbare techniek, die afhangt van de hogere snelheid, kinetische energie of hogere baandiameters van de ionen met het geselecteerde isotoop.

Differentiële energetisering van ionen met het 5 geselecteerde isotoop wordt bereikt met twee paren stuurwin- dingen, d.w.z. met twee paren inductors. De vier windingen worden dichtbij de ioncyclotronresonantiefrekwentie van het 235 geselecteerde isotoop, bijv. U, bekrachtigd.

Zoals in het bijzonder in figuren 3 en 4 wordt 10 getoond, lopen de vier windingen 21, 22, 23 en 24 in telkens over een kwadrant verschoven fase, d.w.z. 90° van elkaar. Zo kunnen de vier geleiders 21-24, respectievelijk de fasen 0°, 90°, 180° en 270° hebben. Ieder van de vier geleiders kan bestaan uit een geleidende plaat of uit een bundel van draden. 15 Zoals in figuur 4 getoond zijn zij aangesloten op een set van voedingslijnen, resp. 54, 55, 56 en 57, die worden gevoed met wisselstroomvermogen met de voorgeschreven frekwentie uit een schakeling als getoond in figuur 5. De vier stuurwindingen 21-24 kunnen electrisch verbonden zijn door een ring 60, die 20 is aangebracht aan het uiteinde van de stuurwindingen. De vier stuurwindingen kunnen met de klok mee, of tegen de klok in, zijn gewonden.

De electrische fasering van de windingen moet worden gekozen In samenhang met de richting van het magneti-25 sche veld om het electrische veld in het plasma te genereren, dat preferentieel ionen zal versnellen. Door variatie van de fasering van de windingen kan de rotatierichting van het electrische veld rechts draaiend of links draaiend zijn ten opzichte van de magnetische veldlijnen. De configuratie van 30 de windingen als beschreven genereert een electrisch veld van bij benadering constante grootte, dat in de tijd met een frekwentie roteert die overeenkomt met de baanfrekwentie van de ionen met het geselecteerde isotoop. Juist deze rotatierichting moet geschikt worden gekozen. De rotatierichting van het 35 electrische veld kan eenvoudig worden omgekeerd door het aanleggen van de 9Ö°-fase op geleider 24 en het 270°-signaal op de geleider 22. Dit kan worden uitgevoerd door verwisseling van de invoeren op de voedingslijnen 57 en 55.

8320093 - 18 -

Zoals in het bijzonder wordt getoond in figuren 1 en 3 bevindt de plasmakolom 19 zich binnen de vier stuur-windingen 21-24. Het plasma 19 vormt in het algemeen een cy-lindrische kolom, die begrensd wordt door het magnetische veld 5 en binnen die kolom moet het magnetische veld zo gelijkmatig mogelijk zijn. Door middel van de vier stuurwindingen worden ionen met het geselecteerde isotoop binnen het plasma 19 pre-ferentiëel versneld in een schroefbaan met steeds toenemende diameter. Anderzijds zijn de ionen met het ongewenste isotoop 10 niet in resonantie met de op de stuurwindingen aangebrachte frekwentie. Daardoor zullen zij kleine kringbanen vormen, die periodiek variëren in diameter, waardoor zij niet continu in diameter kunnen toenemen. Als resultaat verkrijgen de ionen met het geselecteerde isotoop meer kinetische energie en heb-15 ben zij een baan met grotere diameter.

De doorsnede van de plasmakolom binnen het gelijkmatige magnetische veld moet tenminste aanzienlijk groter zijn dan de maximale diameter van de schroefbanen van de ionen met het geselecteerde isotoop; en bij voorkeur is de diameter 20 tenminste een orde van grootte groter dan deze banen, waardoor gelijktijdige versnelling van ionen in banen rond een vrijwel oneindig aantal op enige afstand van elkaar liggende assen in het plasma mogelijk wordt gemaakt.

Figuur 5 toont een blokschema van een schakeling 25 voor besturing van de stuurwindingen 21-24. Zij worden gestuurd door een signaalgenerator 61. Hoogfrekwent vermogen uit generator 61 kan worden opgesplitst door een faseverschui-ver 62, zodat leiding 63 bij 0° en leiding 64 bij 90° is. De twee fasen worden versterkt door versterkers 65, resp. 66.

30 Impedantie-aanpassingsnetwerken 67 en 68 zijn aanwezig voor de effectieve koppeling van vermogen aan de stuurwindingen.

Het aanpassingsnetwerk 67 voedt twee evenwijdige resonatie-schakelingen 70 en 71, welke beide een condensator en een smoorspoel hebben. De aansluiting tussen de twee condensatoren 35 en de twee smoorspoelen is geaard, waardoor twee fasen van 0° en 180° kunnen worden verkregen voor voeding van de windingen 20, resp. 22, via voedingslijnen 54, resp. 56. Op eendere wijze voedt het aanpassingsnetwerk 68 twee resonantieschake-lingen 72 en 73, die hij voorkeur identiek zijn aan de reso- 8320093 - 19 - nantieschakelingen 70 en 71. Zo wordt uit schakelingen 72 en 73 electromagnetische energie met fasen 90° en 270° verkregen voor voeding van de twee stuurwindingen 21 en 23 via de voe-dingslijnen 55, resp. 57.

5 De door signaalgenerator 61 opgewekte frekwentie moet overeenkomen met de baanfrekwentie van rotatie van de ionen met het geselecteerde isotoop, die differentieel ge- . 235 energetiseerd moeten worden, bijv. de U-ionen, ofwel een harmonische van deze baanfrekwentie. Over het gedeelte van de 10 plasmakolom, waarbinnen differentiële versnelling van ionen met het geselecteerde isotoop moet worden bereikt door toepassing van het electrische wisselveld op het plasma, moet de magnetische veldsterkte bij voorkeur overwegend gelijkmatig en invariant in de tijd zijn; derhalve heeft het magnetische 15 veld bij voorkeur een geringe spiegelverhouding van ca. 4 %. Hiermee wordt verzekerd dat het electrische wisselveld dat op het plasma wordt aangebracht, een frekwentie heeft die overeenkomt met de baanfrekwentie van ionen met het geselecteerde isotoop, die een baan beschrijven rond magnetische veldlijnen 20 over de gehele lengte en breedte van de plasmakolom binnen de excitatiezone.

Dankzij het samenstel van stuurwindingen volgens de uitvinding kan het electrische wisselveld binnendringen tot alle incrementele gedeelten van het plasma binnen de exci-25 tatiezone. Hoe dit wordt bereikt kan meer volledig worden begrepen door beschouwing van de in figuren 9(a)-9(d) getoonde diagrammen. Beschouwd wordt een langwerpige plasmakolom met een diamter van bijv. 1 m, die zich bevindt binnen en langs zijn omtrek is omgeven door het samenstel van stuurwindingen 30 21-24. Deze inductoren produceren in de plasmakolom een magnetisch wisselveld met de roterende magnetische vector vrijwel loodrecht op de as van de plasmakolom; en een electrisch wisselveld wordt geïnduceerd in het plasma met de roterende vector van het electrische veld overwegend loodrecht op zowel 35 de magnetische vector en de as. Zoals boven opgemerkt lopen de inductoren 21-24 volgens een schroeflijn rond de plasmakolom en wel met een hoek van 40°. Deze hoekverplaatsing of wringing van 40° in het samenstel van windingen is eveneens 8320093 - 20 - in figuur 3 aangegeven. Dit betekent dat de vector van het geïnduceerde electrische veld op iedere twee in de lengterichting op enige afstand van elkaar liggende doorsneden van het plasma een hoekverplaatsing ten opzichte van elkaar hebben 5 die in verhouding staat tot de afstand tussen de twee doorsneden; in een vacuum (d.w.z. in afwezigheid van het geleidende plasma) zou bijv. de vector van het geïnduceerde electrische veld aan het rechtereinde van figuur 4 in fase over 180° zijn verschoven ten opzichte van die aan het linkereinde. 10 Dit wordt toegelicht in figuren 9(a) en 9(b), die een segment van een halve golflengte van het gebied binnen het samenstel van stuurwindingen toont, waarbij eerst vacuumomstandigheden worden aangenomen, figuur 9(a) en vervolgens een kolom van dicht plasma wordt aangenomen, figuur 9(b). Dit cylindrische 15 segment wordt getoont met het constante magnetische veld,

Bdc, loodrecht op de as en met een hoekverschuiving van 180° bij het rechtereinde ten opzichte van het linkereinde; en natuurlijk is de vector van het geïnduceerde electrische veld Er aan het rechtereinde tegengesteld aan die aan het linker-20 einde. In een vacuum zouden deze twee tegengesteld gepolariseerde electrische velden in feite componenten van het electrische veld Ez, in de lengterichting verschaffen, die zich in tegengestelde richtingen uitstrekken aan de boven-, resp. onderkant, van de cylindrische excitatiezone. Bij een dicht, 25 sterk geleidend plasma veranderen echter de omstandigheden: de geleidbaarheid in de lengterichting van het plasma is aanzienlijk groter dan de geleidbaarheid dwars op het veld, omdat electronen vrijwel vrij kunnen bewegen in de lengterichting (waarbij zij slechts in geringe mate door botsings-30 effecten worden geremd), terwijl zij magnetisch worden tegengehouden in een richting dwars op het B-veld te stromen.

Zoals het beste in figuur 9(d) wordt getoond is het antwoord van het plasma op de geïnduceerde velden E_ en E„ electronen terug- en voorwaarts in de lengterichting van het magnetische 35 veld BDC te doen bewegen in alle in dwarsrichting naast elkaar gelegen gedeelten van de plasmakolom. Dit levert - E„ op, die vrijwel de oorspronkelijke E„ teniet doet. En de cyclisch u stromende electronen verschaffen een ladingsophoping, bijv.

8320093 - 21 - een negatieve lading bij de linkerbovenhoek in figuur 9(d) en een accumulatie van een positieve lading bij de linkerbenedenhoek. Deze ladingsophoping treedt natuurlijk cyclisch op met de frekwentie van het aangebrachte wisselveld, B^; maar op 5 een bepaald moment zorgt de ladingsdifferentiaal tussen de boven- en onderkant van figuur 9(d) aan de linkerkant voor een potentiaalgradiënt, waardoor E aan dat einde wordt ver- K.

sterkt.

De stroomdragende elementen 21-24 van het samen-10 stel van stuurwindingen kunnen bestaan uit zware metalen stroken (zoals getoond in figuur 1) , of ieder van hen kan bestaan uit een aantal geleiders, zoals getoond in figuur 4. De windingen kunnen dezelfde richting hebben of kunnen een combinatie zijn van rechtse en linkse windingen. De voorkeurswinding 15 wordt gekozen voor een maximale versnelling van de ionen met het geselecteerde isotoop, terwijl daarbij het ongewenste materiaal in minimale mate wordt verwarmd. Tenzij wat dit betreft zorgvuldig tewerk wordt gegaan zal het ongewenste materiaal in enige mate worden verhit als gevolg van Doppler-20 verschuiving van de frekwentie van het aangebrachte electri-sche veld, zoals dit wordt gezien door ionen met hoge snelheid. Dit Doppler-effect kan tot aanvaardbaar niveau worden verlaagd door met deze potentiaaleffecten rekening te houden bij het ontwerp van de specifieke configuratie van het samen-25 stel van stuurwindingen.

Samenvattend wordt dan een een schroeflijn beschrijvend samenstel van stuurwindingen 21-24 gebruikt voor de inductie van een in dwarsrichting alternerend electrisch veld, dat in fase wordt verschoven wat betreft de hoekcompo-30 nent bij beweging langs de lengte van de excitatiezone. Dit verschaft een longitudinale component van het electrische veld door het plasma, waardoor vrije electronen tot een terug- en voorwaartse beweging in de lengterichting in het plasma worden gebracht met de ion-cyclotron-resonantiefrekwentie. De daar-35 door optredende ladingsverplaatsing verhoogt het electrische veld in de dwarsrichting E , in alle dwars ten opzichte van elkaar liggende gedeelten van het plasma. En zelfs hoewel het plasma met grote doorsnede dicht en sterk geleidend is oefent 8320093 ft - 22 - daardoor de pompende hoogfrekwente energie een werking uit op alle gedeelten van het plasma binnen de excitatiezone. In machines op commerciële schaal zal de intensiteit van het electrische wisselveld bij het centrum van een plasmakolom met 5 grote diameter (bijv. 2-3 m) aanzienlijk geringer zijn dan bij de omtrek. Het is echter eenvoudig haalbaar deze intensiteit binnen een enkele orde van grootte te houden over de gehele diamter van het plasma. Het verzamel-subsysteem voor preferentiële verzameling van ionen met het geselecteerde 235 10 isotoop, zoals U-ionen, wordt getoond in figuur 6-8, waarnaar thans wordt verwezen. Zoals in het bijzonder in figuur 6 getoond is er een aantal verzamelplaten 75 voor verrijkt pro-dukt. De produktplaten 75 dienen voor verzameling van de verrijkte isotopen en zijn evenwijdig aan en op enige afstand van 15 elkaar opgesteld, als wordt getoond in figuur 7. Zij worden op een positieve voorspanning gebracht, bijv. met een batterij 76 tot een spanning tussen 20 en 200 V. Voor de produktplaten bevinden zich afschermingen of schermen 77, die als getoond op de grondpotentiaal kunnen worden gehouden. Zij krijgen 20 deze voorspanning voor het aannemen van plasma-electronen.

Een serie brede keerschotplaten 78 bevindt zich in het verlengde van en aan de rechterkant van de produktplaten 75. Zij worden eveneens op grondpotentiaal gehouden. Hun doel is niet-verrijkt materiaal weg te vangen, dat van de eindvang-25 plaat 80 kan worden afgesputterd, welke eveneens op de grondpotentiaal wordt gehouden. De effecten van het sputteren van materiaal van de eindvangplaat 80 wordt verlaagd door een aantal minikeerschotten 81, die zich van de eindvangplaat 80 evenwijdig aan en naar de produktplaten 75 uitstrekken. De 30 brede beerschotten 78 beschermen de produktplaat 75 verder tegen sputtering van de eindvangplaat.

Het verzamel-subsysteem, dat wordt getoond in figuren 6-8, werkt op grond van energie-onderscheid, d.w.z. dankzij het electrische veld tussen de produktplaat 75 ener-35 zijds en de afscherming 77, het keerschot 78, de eindvangplaat 80 en de minikeerschotten 81 anderzijds. Bovendien werkt het op grond van de verschillen in de diameters van de ionen-banen. Zo laat figuur 6 een preferentieel versneld U-ion 8320093 - 23 - zien met een vergrote baan 83, alsmede de schroefbaan 84 met 238 geringere diameter van een U bevattend ion. De afstand tussen naast elkaar gelegen verzamelplaten 75 (figuren 6 en 7) wordt zo gekozen dat statistisch een aanzienlijk groter per- 5 centage van de ionen met het geselecteerde isotoop, bijv.

235 U-ionen, de platen 75 zal treffen dan het percentage van verzamelde ionen met een ander isotoop. Deze preferentiële verzameling kan worden bewerkstelligd op basis van de grotere diameter van de banen van de ionen met het geselecteerde iso-10 toop en op basis van hun hogere kinetische energie (d.w.z.

snelheid). Zoals in het vervolg wordt uiteengezet kunnen beide grondslagen met voordeel in combinatie worden benut. De positieve voorspanning op de produktplaat 75 zorgt voor een selectieve verzameling op basis van de energie van de inval-15 lende deeltjes. Voor elk isotoop van belang kan de energiedistributie van de ionen van dat isotoop gekarakteriseerd worden met een gemiddelde energie. Indien de voorspanning zo wordt gekozen dat deze correspondeert met een energie die lager is dan de gemiddelde energie van ionen met het geselecteerde 20 isotoop, wordt de meerderheid van dit materiaal preferentieel verzameld op de produktplaten. Indien anderzijds de voorspanning groter is in vergelijking met de gemiddelde kinetische energie van ionen met een niet-geselecteerd isotoop, zal een grotere fractie van deze ionen met een ander isotoop worden 25 afgestoten. Het resultaat is een hoge mate van flexibiliteit die mogelijk is door verandering van zowel de geometrie als de voorspanning. In het bijzonder kan voor een gegeven set van condities een hogere verrijkingsfactor worden bereikt door verhoging van de voorspanning op de produktplaten. Indien 30 echter een hogere dcorvoersnelheid wordt gewenst, zij het met een geringere verrijkingsfactor, kan men de voorspanning op de platen 75 verlagen of deze zelfs geheel weglaten. De afscherming 77 die duidelijker wordt getoond in figuur 8, kan bestaan uit grafiet. De eindvangplaat 80 bestaat bij voorkeur 35 uit tantalium en de produktplaten 75 en de keerschotten 78 zijn bij voorkeur gevormd uit grafiet. Duidelijk zal zijn dat elk aantal produktplaten en keerschotten aanwezig kan zijn, naast de drie in figuur 7 getoonde paren. En de produktplaten 8320093 - 24 - kunnen op afstand van elkaar liggen door de gehele verzamel-zone, in lengterichting zowel als in dwarsrichting.

Voor een minimalisering van afstoting door de electrische gradiënt van ionen moet de spleet tussen de af- 5 schermingsplaten 77 en de produktplaten 75 kleiner worden gemaakt dan de spoedlengte van de schroefbanen van de ionen met het geselecteerde isotoop. Ook worden de produktplaten op een zodanige afstand van elkaar geplaatst, dat zij een meer-235 derheid van de U-ionen wegvangen en verzamelen, maar tege-238 10 lijkertijd de U-ionen laten passeren tot naar de eindvang-plaat; deze onderlinge afstand tussen naast elkaar gelegen platen 75 moet bij voorkeur geringer zijn dan de diameter van de schroefbanen van ionen met het geselecteerde isotoop, 235 238 bijv. U-ionen en langer zijn dan die van de U-ionen.

15 Samenvattend verzamelt het verzamelsamenstel preferentiëel de ionen met het geselecteerde isotoop op basis van de grotere diameter van hun banen en/of hun hogere kinetische energie.

Anderzijds kan men in samenhang met de onderhavige uitvinding het in het Amerikaanse octrooischrift 20 4.208.582 beschreven verzamel-subsysteem of iedere andere van de preferentiële verzameltechnieken die in de boven genoemde octrooien en octrooiaanvragen ten name van John M. Dawson zijn beschreven, gebruiken.

Zo is dus openbaar gemaakt een werkwijze en een 25 inrichting voor de scheiding van een gewenst isotoop van andere isotopen van een element. Een plasma wordt eerst gevormd door het verschaffen van een damp, die neutrale atomen van het te scheiden element bevat. Dit wordt bereikt door sputtering. De aanvankelijk neutrale atomen (d.w.z. niet-geïoniseer-30 de atomen) die in deze damp aanwezig zijn, worden vervolgens geïoniseerd door botsing met relatief energierijke electronen. De electronen worden tot een geschikt niveau van kinetische energie geënergetiseerd door het toepassen van microgolf-energie bij de electroncyclotronresonantiefrekwentie op vrije 35 electronen binnen een divergerend gedeelte van het magnetische veld, d.w.z. langs een lijn 47 met constante veldintensi-teit. De microgolfenergie wordt aangelegd via een microgolf-poolhoorn om de impedantie van de energiebron aan te passen 8320093 - 25 - 1 * aan die van het plasma. Aanvankelijk wordt het proces opgestart door energetisering van vrije electronen, die toevallig in het apparaat aanwezig zijn. Op deze manier wordt een gelijkmatig plasma gegenereerd, dat een hoge dichtheid heeft en 5 rustig is. Het plasma vult een cylindrische plasmaruimte en wordt daarin vastgehouden door een constant magnetisch veld met een overwegend constante magnetische veldsterkte door, tenminste, de excitatiezone van de plasmabaan.

Het dichte plasma dat langs deze baan stroomt, 10 wordt in de excitatiezone onderworpen aan een electrisch wis-selveld op zodanige wijze, dat het electrische veld doordringt tot alle naast elkaar gelegen incrementele gedeelten van het plasma. Dit wordt bereikt door middel van een samenstel van inductiewindingen, dat een vector van een magnetisch 15 wisselveld verschaft, die zich in het algemeen, maar niet exact, loodrecht op de lengte-as van de plasmakolom uitstrekt. Dit veld induceert in het plasma een electrisch wisselveld met een component loodrecht op de as en een component evenwijdig aan de as. Deze laatste component doet electronen 20 terug- en voorwaarts in de lengterichting bewegen met de toegepaste frekwentie. Dit heen-en-weer-bewegen van electronen creëert een potentiaalgradiënt dwars over elk incrementeel gedeelte van het plasma in de excitatiezone en daardoor wordt het electrische wisselveld effectief gekoppeld en toegepast 25 op alle gedeelten van het dichte plasma. Het samenstel van inductiewindingen omvat bij voorkeur twee paren van stuurwin-dingen, die inductief het noodzakelijke hoogfrekwente electrische veld op het plasma aanbrengen.

Een verzamelsamenstel is beschreven voor prefe-30 rentiële verzameling van de differentiëel geënergetiseerde ionen. De verzameleenheid werkt door een combinatie van geometrie en electrische voorspanning voor preferentiële verzameling en verwijdering uit het plasma van ionen met het geselecteerde isotoop. De voorkant van het verzamelsamenstel, 35 dat gericht is naar de plasmabron, is voorzien van afschermingen, die op een voorspanning zijn gebracht om de botsing van electronen met het plasma tot een minimum te beperken.

Het verzamelsamenstel omvat een serie produktplaten, die wordt 8320093 A * - 26 - gevolgd door een serie brede keerschotten. Materiaal dat uitgestoten (d.w.z. gesputterd) zou kunnen worden uit de eind-vangplaat door de botsing van zeer snelle deeltjes, wordt opgevangen door de brede keerschotten en door minikeerschotten 5 die zich op de eindvangplaat bevinden. De eindvangplaat, keerschotten en minikeerschotten worden op de grondpotentiaal gehouden, terwijl de produktplaten op een relatief hoge positieve potentiaal worden gehouden voor afstoting van ionen met een ander isotoop en met lage energie, terwijl een groot per-10 centage van de ionen met het geselecteerde isotoop wordt opgevangen en verzameld.

Hoewel slechts bepaalde specifieke uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn toegelicht en beschreven, zal het voor een deskundige duidelijk zijn dat de onderhavige 15 uitvinding niet beperkt is tot deze specifieke uitvoeringsvormen, maar vatbaar is voor uiteenlopende modificaties en veranderingen, zonder de ware geest en omvang ervan te buiten te treden. 1 8320093

Claims (22)

1. Werkwijze voor isotoopverrijking, waarbij een plasmamassa, die ionen bevat die atomen van een element met tenminste twee isotopen omvatten, wordt gehouden binnen een 5 magnetisch veld met een longitudinale as en wordt onderworpen aan een electrisch wisselveld met een frekwentie, die overeenkomt met de baanfrekwentie van ionen met het geselecteerde isotoop, of met een harmonische van die baanfrekwentie, voor preferentiële versnelling van de ionen met het geselecteerde 10 isotoop, zodat deze ionen in expanderende schroefbanen binnen het plasma en met een kinetische energie, die aanzienlijk groter is dan de energie van ionen met een ander isotoop, bewegen, met het kenmerk, dat men (a) plasma in de langsrichting van het magneti-15 sche veld laat stromen door een plasmabaan met afmetingen loodrecht op de as, die tenminste enige malen groter zijn dan de geëxpandeerde baan van een ion met een geselecteerd isotoop in het plasma en (b) veelfasig wisselstroomvermogen op het plasma 20 aanlegt voor inductie over een vooraf bepaald lengtegedeelte van de plasmabaan van een electrisch wisselveld met een component loodrecht op de as en een component evenwijdig aan de as, waarbij de laatst genoemde component electronen in de lengterichting binnen de plasmabaan doet heen-en-weer-bewegen en 25 daardoor de ruimteladingseffecten, die binnen het plasma neigen op te treden, verbetert.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het veelfasige vermogen wordt aangelegd met een aantal electrisch onderscheiden geleiders, waarbij 30 iedere geleider zich langs een schroeflijn uitstrekt rond een gedeelte van de plasmabaan.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk , dat wisselstroomvermogen met een over een kwadrant verschoven fase, resp. aan ieder van de geleiders 35 wordt gevoed.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk , dat het veelfasige vermogen op het plasma wordt aangelegd door middel van vier geleiders en dat ieder 8320093 « - 28 - van deze geleiders wordt gevoed met wisselstroom, waarvan de fase 90° is verschoven ten opzichte van die welke aan de volgende geleider wordt gevoed.

5. Inrichting voor isotoopverrijking, waarbij 5 een plasmalichaam dat ionen bevat, die atomen van een element met tenminste twee isotopen bevatten, wordt gehouden binnen een magnetisch veld met een lengte-as en wordt onderworpen aan een electrisch wisselveld met een frekwentie, die overeenkomt met de baanfrekwentie van ionen met het geselecteerde 10 isotoop, of met een harmonische van deze baanfrekwentie, voor preferentiële versnelling van de ionen met het geselecteerde isotoop, zodat deze electronen in expanderende schroefbanen binnen het plasma en met een kinetische energie die aanzienlijk groter is dan de energie van ionen met een ander isotoop, 15 bewegen, gekenmerkt door: (a) middelen om het plasma in de lengterichting van het magnetische veld te doen stromen door een plasmabaan met afmetingen loodrecht op die as, die tenminste enige malen groter zijn dan de geëxpandeerde banen van een ion met een 20 geselecteerd isotoop in het plasma; en (b) inductiemiddelen voor het aanleggen van een multifasig wisselstroomvermogen op het plasma, voor inductie over een vooraf bepaald lengtegedeelte van de plasmabaan van een electrisch wisselveld met een component loodrecht op de 25 as en een component evenwijdig aan de as, welke laatst genoemde component dient om electronen in de lengterichting binnen de plasmabaan heen-en-weer te doen bewegen en daardoor ruimteladingseffecten, die binnen het plasma neigen op te treden, te verbeteren.

6. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de inductiemiddelen bestaan uit een aantal electrisch onderscheiden geleiders, waarbij iedere geleider zich langs een schroeflijn rond een gedeelte van de plasmabaan uitstrekt.

7. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat een wisselstroomvermogen met een verschillende kwadrantenfase wordt gevoed aan respectievelijk ieder van de geleiders. 8320093 - 29 - i «

8. Inrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het aantal geleiders bestaat uit vier geleiders en dat ieder van de geleiders wordt gevoed met wisselstroom, waarvan de fase 90° is verschoven ten opzichte 5 van die welke wordt gevoed aan de volgende geleider.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de vier geleiders langs de omtrek van de plasmabaan liggen op gelijke hoekafstanden.

10. Werkwijze voor het teweegbrengen binnen een 10 magnetisch veld van een continue stroom overwegend electrisch neutraal plasma met een gelijkmatige dichtheid van tenminste 8 3 10 deeltjes per cm , met het kenmerk, dat (a) een magnetisch veld met grote diameter wordt verschaft, dat een eerste gebied heeft van overwegend gelijk- 15 matige magnetische veldintensiteit en een gebied met divergerend veld aan een einde van het eerste gebied; (b) een lichaam, dat atomen van een eerste element bevat, wordt geplaatst binnen het gebied met divergerend veld; 20 (c) tenminste een gedeelte van het lichaam wordt gebombardeerd met energetische ionen, waardoor niet-geïoni-seerde moleculen, die atomen van het eerste element bevatten, uit het lichaam worden gesputterd en een niet-geïoniseerde damp, die atomen van het eerste element bevat, wordt gevormd 25 binnen het gebied met divergerend veld, waarbij de damp de neiging heeft te diffunderen dwars op het magnetische veld en vrijwel gelijkmatig in dichtheid te worden dwars over een vooraf bepaald doorsnedegebied; (d) vrije electronen binnen het gebied met di-30 vergerend veld worden versneld tot relatief hoge energie- niveaus door toepassing op de damp van electromagnetische energie met een frekwentie die overeenkomt met de frekwentie, waarbij vrije electronen in kringbanen rond magnetische veld-lijnen binnen een gedeelte van het gebied met divergerend 35 veld bewegen; (e) deze moleculen in situ binnen het magnetische veld worden geïoniseerd door energie-overdrachtsinteracties tussen de moleculen en de energierijke electronen, waardoor 8320093 - 30 - een dicht plasma binnen het gebied met divergerend veld wordt geproduceerd, terwijl het plasma vrije electronen bevat, alsmede ionen die atomen van het eerste element bevatten, en het plasma een hoofdzakelijk gelijkmatige dichtheid heeft dwars 5 over een vooraf bepaald doorsnedegebied van het gebied met divergerend veld, en (f) continu dicht plasma doet stromen van het gebied met divergerend veld naar en langs het gebied, waar de intensiteit van het magnetische veld in hoofdzaak gelijkmatig 10 is.

11. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het lichaam een metallische plaat is met een hoofdzakelijk vlak oppervlak, die hoofdzakelijk loodrecht op de lengte-as van het magnetische veld is 15 opgesteld; het eerste element uranium is; en het dichte plasma in het gebied waar het magne- 235 tische veld hoofdzakelijk gelijkmatig is, ü-ionen en 238 235 U-ionen bevat, terwijl de 3U-ionen tussen 0 en ca. 0,7 % 20 van de in het plasma aanwezige uraniumionen uitmaken.

12. Werkwijze volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de plaat een negatieve voorspan-ning wordt gegeven ten opzichte van het plasma, waardoor ionen van het andere element worden versneld naar het lichaam en 25 deze ionen ertoe worden gebracht het lichaam te treffen en uraniumatomen uit het lichaam te sputteren in het gebied met divergerend veld.

13. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat de op de damp aangelegde energie 30 een frekwentie heeft die overeenkomt met de electroncyclo-tronresonantiefrekwentie van vrije electronen in het gebied met divergerend veld, of met een harmonische van deze ECR-frekwentie, waardoor vrije electronen in dit gebied worden verwarmd tot energieniveaus, die geschikt zijn voor ionisatie 35 van uraniumatomen in situ door energie-overdrachtsinteracties tussen de verwarmde electronen en niet-geïoniseerde uraniumatomen, die dat gebied doorlopen.

14. Werkwijze volgens conclusie 10, met 8320093 - 31 - i Jk het kenmerk, dat de snelheid waarmee plasma tot stroming wordt gebracht uit het gebied met divergerend veld, wordt gerelateerd aan het microgolfvermogenniveau, dat wordt aangelegd voor regeling van de energieniveaus tot waar vrije 5 electronen worden geëxciteerd.

15. Werkwijze volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het plasma hoofdzakelijk uniform in dichtheid is over dwarsafmetingen, die enige malen groter zijn dan de kringbanen van ionen met het geselecteerde isotoop 10 die langs de schroeflijn rond magnetische veldlijnen binnen het plasma bewegen.

16. Inrichting voor het genereren van een hoofdzakelijk neutraal, dicht en gelijkmatig plasma voor differentiële verwarming en verrijking van een gewenst isotoop van 15 een element ten opzichte van andere isotopen ervan, met het kenmerk, dat de inrichting omvat: (a) een orgaan met een hoofdzakelijk vlak oppervlak, dat een element met tenminste twee isotopen, waarvan één verrijkt moet worden, heeft; 20 (b) middelen voor het handhaven van dit orgaan op een negatieve spanning; (c) microgolfmiddelen voor injectie van een electromagnetische golf van microgolffrekwentie in een gebied dichtbij het orgaan; en 25 (d) middelen voor het verschaffen van een langs- gericht magnetisch veld, dat hoofdzakelijk loodrecht staat op het orgaan en divergerende magnetische veldlijnen heeft in de nabijheid van de microgolfmiddelen, waardoor electronen bij hun cyclotronfrekwentie worden geënergetiseerd, terwijl het 30 gebied ionen van een inert element bevat, die worden aangetrokken door het orgaan om atomen van het gewenste element eruit vrij te maken, terwijl de electronen de zo vrij gemaakte atomen ioniseren.

17. Inrichting volgens conclusie 16, met 35. e t kenmerk, dat de plaat uranium bevat.

18. Inrichting voor isotoopverrijking, waarbij een plasmamassa, die ionen bevat, die atomen van een element met tenminste twee isotopen omvatten, wordt gehouden binnen 8320093 ί ; + - 32 - een magnetisch veld met een lengte-as en wordt onderworpen aan een electrisch wisselveld met een frekwentie, die overeenkomt met de baanfrekwentie van ionen met het geselecteerde isotoop, of met een harmonische van deze baanfrekwentie, voor prefe-5 rentiële versnelling van de ionen met het geselecteerde isotoop, zodat deze electronen in expanderende schroefbanen binnen het plasma en met een kinetische energie, die aanzienlijk groter is dan de energie van ionen met een ander isotoop, bewegen, gekenmerkt door: 10 (a) middelen om een plasma in de lengterichting van het magnetische veld te doen stromen door een plasmabaan met afmetingen loodrecht op de as, die tenminste enige malen groter zijn dan de geëxpandeerde baan van een ion met het geselecteerde isotoop in het plasma; 15 (b) een aantal produktverzamelplaten, die op enige afstand van elkaar liggen binnen de plasmabaan en oppervlakken hebben, die hoofdzakelijk evenwijdig lopen aan de lengte-as, waarbij de tussenliggende ruimte tussen de platen geringer is dan de diameter van de geëxpandeerde banen van 20 ionen met het geselecteerde isotoop in het plasma en groter zijn dan de diameter van de banen van ionen met een ander isotoop, zodat ionen met het geselecteerde isotoop preferen-tiëel worden opgevangen door de platen op basis van de grotere diameter van hun baan; en 25 (c) eindvangmiddelen, die in de plasmabaan zich stroomafwaarts van de produktverzamelplaten bevinden, voor verwijdering van ionen met een ander isotoop uit het plasma.

19. Inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de produktverzamelplaten elec-30 trisch op een voorspanning zijn gebracht voor afstoting van ionen met een kinetische energie beneden een vooraf bepaald niveau van kinetische energie, waardoor preferentiëel ionen met het geselecteerde isotoop worden opgevangen, terwijl ionen met een ander isotoop worden afgestoten.

20. Inrichting volgens conclusie 18 of 19, met het kenmerk, dat de produktverzamelplaten gevormd zijn uit een koolstofhoudend materiaal.

21. Inrichting volgens conclusie 18 of 19, 8320095 * *· - 33 - met het kenmerk, dat de produktverzamelplaten gevormd zijn uit grafiet.

22. Inrichting volgens conclusie 19, met het kenmerk, dat de produktverzamelplaten op een 5 positieve voorspanning zijn gebracht ten opzichte van de eindvangmiddelen. 8320093