PL69083B1 - Process and apparatus for the enrichment of isotopic mixtures[gb1211104a] - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: 17.01.1967 dla zastrz. 1—9, 14—19 20.02.1967 dla zastrz. 10, 11, 13, 20 i 2.1 07.08.1967 dla zastrz. 12 Francja Opublikowano: 20.05.1974 69083 KI. 12e,6 MKP BOld 59/26 Twórca wynalazku: Nicolas Inchauspe Wlasciciel patentu: Societe Nationale des Petroles d'Aquitaine, Courbe- voie (Francja) Sposób wzbogacania mieszaniny gazowej i urzadzenie do stoso¬ wania tego sposobu Przedmiotem wynalazku jest sposób wzbogaca¬ nia mieszaniny gazowej o skladnikach majacych zblizone masy czasteczkowe.Wiadomo, ze pewne substancje wystepuja w sta¬ nie naturalnym jako mieszaniny odmian izotopo¬ wych pierwiastków.Ze wzgledu na to, ze odmiany izotopowe wyka¬ zuja duze podobienstwo chemiczne i róznia sie tylko nieznacznie pewnymi wlasnosciami fizycz¬ nymi jest w zasadzie bardzo trudno oddzielic je od siebie.Niemniej jednak, dla specjalnych celów, wpro¬ wadzono w przemysle otrzymywanie odmian izo¬ topowych w stanie czystym, lub prawie czystym lub tez substancji wzbogaconych w zadana odmia¬ ne izotopowa.Dotyczy to zwlaszcza pierwiastków grupy 0, III, IV, V i VI ukladu okresowego Mendelejewa, a szczególnie izotopu 10 i 11 boru oraz izotopów ura¬ nu o masie 235 i 238. W celu przeprowadzenia ta¬ kiej segregacji izotopowej, stosowano w dotych¬ czasowej technice sposób polegajacy na dyfundo- waniu mieszaniny odmian izotopowych, przewaznie doprowadzonych do stanu gazowego, poprzez po¬ rowata scianke i wykorzystania przy tym róznicy pomiedzy szybkoscia dyfuzji dwóch izotopów, w celu uzyskania substancji wzbogaconej w dany izotop.Zgodnie z inna znana technika wzbogacania izo¬ topowego, mozna równiez stosowac urzadzenia od- 20 25 wirowujace w celu wzbogacania produktu z dana odmiana izotopowa, wykorzystujac fakt, ze sily od¬ srodkowe oddzialuja róznie na dwa izotopy, których masy nieznacznie sie róznia.Znane jest równiez wzbogacanie izotopowe na zasadzie zwanej wymiana izotopowa, gdzie dopro¬ wadza sie do równowagi dwufazowej miedzy dwie¬ ma postaciami chemicznymi. Nastepnie równowaga izotopowa, która zmienia warunki wyjsciowe, przy czym nastepuje zmiana temperatury i powstaje w ten sposób element bitermiczny.Te wszystkie sposoby wzbogacania sa zwykle malo wydajne, ale stwierdzono, ze zjawisko wzbo¬ gacania jest bezposrednio zwiazane ze zjawiskiem adsorpcji. Dwa rózne izotopy posiadaja rózne sta¬ le adsorpcje. Na przyklad dla dwóch róznych izo¬ topów o masie Mt i M2, istnieja dwie stale adsor¬ pcji A i A + A A. Stosunek ^A moze byc zmie- A rzony laboratoryjnie jako, ze jest równy wzglednej róznicy stosunku izotopowego R okreslonego przez p _l_ = r° + r . xak wiec dla przykladu zmie¬ rzmy stosunek ^_a dla izotopów 10 i 11 boru.A Stosunek ten wynosi okolo 0,02 w przypadku za¬ stosowania elementu bitermicznego trójfluorek bo¬ ru — siarczki organiczne, a dla izotopów 12 i 13 wegla pod postacia tlenku wegla wynosi 0,005.Stosunek ten zmienia sie ze zmiana temperatury.Znana jest równiez chromatografia adsorpcyjna, w której mieszanina gazowa jest wprowadzana 69 0833 do przestrzeni wypelnionej srodkiem adsorbuja- cym. W sposobie tym wprowadza sie najpierw roz¬ dzielana mieszanine do tej przestrzeni i zaraz zastepuje sie ja gazem silniej adsorbowanym przez osrodek adsorbujacy, niz skladniki mieszaniny ga- 5 zowej. Chromatografia ta jest zastosowana do roz¬ dzielania sztucznych mieszanin wodoru, a miano¬ wicie mieszaniny deuteru i trytu.Wynalazek dotyczy innego sposobu rozdzielania izotopów, w którym stosunek stalych adsorpcji jest 10 zwielokrotniony w znacznym stopniu, co pozwala na uzyskanie znacznego wzbogacenia. Wzbogacenie moze byc wielokrotnie powtarzane i doprowadzic do optymalnych wyników.Sposób wedlug wynalazku pozwala na ekono- 15 miczne otrzymywanie sztucznych mieszanin izoto¬ powych na skale przemyslowa i moze doprowadzic do otrzymania czystej odmiany izotopowej badz mieszaniny zawierajacej dany izotop w innej ilos¬ ci, niz w mieszaninie wyjsciowej. 20 Sposób wedlug wynalazku posiada te korzystna ceche, ze moze byc wykonany bardzo prosto i przy pomocy aparatury stosunkowo malo kosztownej, a przy tym mogacej przetwarzac znaczne ilosci mieszanin izotopowych. W konsekwencji, sposób 25 wedlug wynalazku jest szczególnie odpowiedni do rozdzielania izotopów na skale przemyslowa.Przedmiotem wynalazku jest wiec sposób wzbo¬ gacania mieszanin gazów, zawierajacych skladniki o masach czasteczkowych zblizonych, w jeden z 30 tych skladników, polegajacy na tym, ze mieszanine gazów wprowadza sie do przestrzeni wypelnionej srodkiem pochlaniajacym dopóki co najmniej jed¬ na frakcja, zwana frakcja czolowa, nie zbierze sie przy wyjsciu tej przestrzeni, a nastepnie wstrzy- 35 muje sie doprowadzenie rozdzielanej mieszaniny wprowadzajac natychmiast gaz, zwany gazem bu¬ forowym, obojetny wzgledem rozdzielanej mie¬ szaniny i srodka pochlaniajacego go, po czym po¬ zostale frakcje gromadzi sie oddzielnie przy wyj- 40 sciu przestrzeni zawierajacej sorbent.W sposobie wedlug wynalazku poszczególne ope¬ racje prowadzi sie w warunkach, w których zdol¬ nosc gromadzenia frakcji, uzalezniona od objetosci srodka pochlaniajacego i podstawowego mechaniz- 45 mu sorpcji, osiaga wysoka wartosc.Zgodnie z jedna z cech znamiennych wynalazku, stosunek zdolnosci sorpcyjnej srodka pochlaniaja¬ cego zawartego w przestrzeni, przez która prze¬ puszcza sie rozdzielane gazy, do objetosci zgroma- 50 dzonej frakcji czolowej jest wiekszy od dwóch.W efekcie stwierdzono, ze przy sorpcji miesza¬ niny skladników o zblizonych masach czasteczko¬ wych, takich jak na przyklad izotopy tego samego pierwiastka, wzbogacenie frakcji czolowej, uzyska- 55 ne w czesci mieszaniny, jest co najmniej równe 20%.Wedlug jednej z cech charakterystycznych wy¬ nalazku, mieszanina gazów zawierajaca skladniki o zblizonych masach jest mieszanina izotopów tego 60 samego pierwiastka. Wedlug innej cechy charak- terystyczej wynalazku, mieszanina izotopów tego samego pierwiastka jest mieszanina naturalna.Zgodnie z wynalazkiem, srodek pochlaniajacy jest zamkniety w przestrzeni majacej, korzystnie, 65 4 wydluzony ksztalt i posiadajacej otwór wlotowy i wylotowy.Przestrzen wypelniona substancja pochlaniajaca mozna zgodnie z wynalazkiem utrzymywac, pod¬ czas wprowadzania gazu buforowego w tempera¬ turze wyzszej, niz temperatura, w której ta prze¬ strzen sie znajduje podczas nasycania jej miesza¬ nina izotopów.Gaz buforowy jest, zgodnie z wynalazkiem, ga¬ zem obojetnym w stosunku do osrodka pochla¬ niajacego.Wedlug innej cechy charakterystycznej wyna¬ lazku, osrodek pochlaniajacy jest wypelniony ga¬ zem buforowym przed wprowadzaniem do tego osrodka mieszaniny izotopowej.W sposobie wedlug wynalazku, mieszanina izo¬ topowa jest wprowadzana do osrodka pochlania¬ jacego z taka predkoscia, ze przeplyw tej miesza¬ niny przez osrodek pochlaniajacy ma charakter przeplywu lepkiego.Przy wykonywaniu sposobu wedlug wynalazku, mieszanina izotopowa jest wprowadzana do osrod¬ ka pochlaniajacego ze stalym wydatkiem.Wedlug jednej z odmian sposobu wedlug wyna¬ lazku stosuje sie oczyszczona mieszanine izotopów gazowych to znaczy pozbawiona w jak najwiek¬ szym stopniu wszelkich mozliwych zanieczyszczen, które ta mieszanina moze zawierac.Przy wykonywaniu sposobu wedlug wynalazku gromadzi sie jednoczesnie i niezaleznie frakcje czolowa wzbogacona w odmiane izotopowa slabiej wiazaca sie z osrodkiem pochlaniajacym oraz frak¬ cje górna, to znaczy frakcje mieszaniny izotopowej wychodzacej z tego osrodka znajdujacego sie w kolumnie i zubozona w odmiane izotopowa slabiej wiazaca sie z osrodkiem.W dalszym rozwinieciu sposobu wedlug wynala¬ zku gromadzi sie kolejno i niezaleznie frakcje czo¬ lowa wzbogacona w odmiane izotopowa slabiej wiazaca sie z sorbentem, frakcje srodkowa, w któ¬ rej stosunek odmian izotopowych moze ulegac zmianie oraz frakcje górna wzbogacona w od¬ miane silniej wiazaca sie z sorbentem.Jeszcze w dalszym rozwinieciu sposobu wedlug wynalazku gromadzi sie kolejno i niezaleznie fra¬ kcje czolowa, frakcje srodkowa i frakcje górna, a nastepnie kazda z tych frakcji poddaje sie oczy¬ szczaniu, podczas którego oddziela sie od tych fra¬ kcji gaz buforowy, z którym moga byc one zmie¬ szane.Z cech charakterystycznych sposobu wedlug wynalazku wynika, ze odpowiedni wybór moment- tu w którym dokonuje sie zmiany frakcji gazowej doprowadzanej lub odprowadzanej z przestrzeni wypelnionej sorbentem, umozliwia regulacje sto¬ pnia wzbogacenia poszczególnych frakcji w izotopy w wystarczajaco szerokich granicach w stosunku do wartosci uzyskiwanej podczas frakcjonowania w momencie calkowitego nasycenia wypelnienia kolumny.W konkretnym przykladzie stosowania sposobu wedlug wynalazku mieszanine izotopowa przepusz¬ cza sie przez przestrzen zawierajaca czastki meta¬ lowe ochlodzone do temperatury, przy której prez¬ nosc par mieszaniny izotopowej jest bardzo mala69 083 a nastepnie, temperature te zwieksza sie do war¬ tosci, przy której mieszanina izotopowa uzyskuje postac gazowa.Zgodnie z wynalazkiem mozna wprowadzac przynajmniej jedna frakcje gazowej mieszaniny izotopowej wzbogacona w jedna z odmian izoto¬ powych i pochodzacej z jednej przestrzeni, do nastepnej i powtarzac to wielokrotnie. Poszcze¬ gólne przestrzenie sa polaczone ze soba odpo¬ wiednimi przewodami. W ten sposób mozna wiec prowadzic wzbogacenie w kolejnych etapach, przy uzyciu kolumn wypelnionych substancja po¬ chlaniajaca i rozmieszczonych kaskadowo.To kaskadowe wzbogacanie w izotopy prowadzi sie wedlug wynalazku nastepujaco: wprowadza sie do pierwszej przestrzeni pochlaniania strumien ga¬ zowej mieszaniny izotopowej przeznaczonej do wzbogacenia, odbiera sie z tej przestrzeni frakcje czolowa, wprowadza sie te frakcje do drugiej przestrzeni pochlaniania, gromadzac nastepnie fra¬ kcje srodkowa i wprowadzajac ja do pierwszej przestrzeni, z kolei gromadzi sie frakcje górna i wprowadza sie ja do trzeciej przestrzeni, przy czym frakcje odprowadzane do kazdej z przestrzeni traktuje sie zgodnie ze sposobem opisanym po¬ wyzej, jednakowym we wszystkich przestrzeniach.Nalezy zauwazyc, ze druga i trzecia przestrzen znajduja sie po obu stronach przestrzeni pierwszej i ze wykonane sa odpowiednie niezbedne polacze¬ nia pomiedzy tymi przestrzeniami.Przy takiej realizacji sposobu wedlug wynalazku do danej przestrzeni wypelnionej sorbentem wpro¬ wadza sie mieszanine izotopowa stanowiaca frak¬ cje czolowa pochodzaca z przestrzeni znajdujacej sie wyzej w ukladzie kaskadowym, mieszanine izo¬ topowa stanowiaca frakcje srodkowa pochodzaca z tej samej przestrzeni oraz mieszanine izotopowa stanowiaca frakcje górna pochodzaca z przestrzeni znajdujacej sie nizej w ukladzie kaskadowym. Ja¬ ko srodek pochlaniajacy okresla sie osrodek zdol¬ ny do zwiazania w pewien okreslony sposób pew¬ nej ilosci jednego ze skladników gazowych miesza¬ niny niezaleznie od tego jaki to bedzie sposób wia¬ zania skladnika gazowego przez ten osrodek.Wiazanie skladnika moze byc odwracalne w pew¬ nej okreslonej temperaturze. Moze byc ono rów¬ niez nieodwracalne w tej temperaturze, a stawac sie odwracalnym w temperaturze wyzszej.Jako etap nastepny w stosunku do etapu danego przyjmuje sie etap znajdujacy sie za danym eta¬ pem liczac w kierunku, w którym nastepuje wzrost wzbogacenia mieszaniny w izotop slabiej pochla- 5 niany.Jako etap poprzedni w stosunku do danego eta¬ pu przyjmuje sie etap znajdujacy sie przed danym etapem równiez liczac w kierunku zwiekszajacego sie wzbogacenia w izotop slabiej pochlaniany.Dla ustalenia pojec przed i za nalezy je od¬ niesc do kierunku zwiekszajacego sie wzbogaca¬ nia w izotop slabiej pochlaniany.Stopien wzbogacenia okresla sie róznic^ wzgled¬ na stosunków ilosciowych izotopów w danej frak¬ cji i w mieszaninie wyjsciowej. Stosunek ilosciowy izotopów jest to stosunek ilosci jednostek jednego izotopu do ilosci jednostek drugiej odmiany izo¬ topowej. Tak wiec, jesli pragnie sie rozdzielic obie odmiany izotopowe to w celu latwiejszego uzyska¬ nia tego rezultatu nalezy zwiekszyc stopien wzbo¬ gacenia.Zgodnie z jedna z odmian sposobu wedlug wyna¬ lazku wyjsciowa mieszanine izotopowa wprowadza sie do zawierajacej sorbent przestrzeni, umieszczo¬ nej mniej wiecej w srodku ukladu kaskadowego.Ten wariant pozwala w szczególnosci na coraz wieksze zubozenie w odmiane izotopowa, która pragniemy oddzielic, frakcji górnych, przepuszcza¬ nych kolejno przez przestrzen znajdujaca sie przed przestrzenia do której doprowadza sie mieszanine wyjsciowa.Tak wiec uklad kaskadowy jest rozdzielony przestrzenia, do której doprowadzamy mieszanine wyjsciowa, na dwie czesci. Jedna z tych czesci ukladu sluzy do wzbogacania w izotop slabiej po¬ chlaniany, a druga do wzbogacania w izotop sil¬ niej pochlaniany przez sorbent.Obie te czesci ukladu kaskadowego sa polaczone wedlug wynalazku nastepujaco: do przestrzeni pierwszego etapu, zwanego etapem zasilania, do¬ prowadza sie mieszanine wyjsciowa; frakcja czo¬ lowa otrzymywana z tego etapu, po oczyszczeniu, jest wprowadzana do przestrzeni etapu nastepne¬ go; frakcja srodkowa, po oczyszczeniu, jest pow¬ tórnie wprowadzana wraz z gazowym nosnikiem do przestrzeni tego samego etapu i wreszcie frak¬ cja górna zostaje, po uprzednim oczyszczeniu, do¬ prowadzona do przestrzeni etapu poprzedniego.W wybranej odmianie sposobu wedlug wynalaz¬ ku, gaz buforowy pochodzi z grupy zawierajacej rodzine gazów rzadkich, ze zwiazków halogeno¬ wych, korzystnie fluorków i z gazów takich jak azot lub-flugr.Zgodnie z wybrana odmiana sposobu wedlug wynalazku przy wyjsciu jednej z przestrzeni za¬ wierajacej sorbent odbiera sie frakcje czolowa, stanowiaca od 1 do 40% mieszaniny izotopowej nasycajacej sorbent, w celu wprowadzenia tej frakcji do nastepnej, w ukladzie kaskadowym, przestrzeni zawierajacej srodek pochlaniajacy.Zgodnie z wynalazkiem mozna równiez groma¬ dzic przy wyjsciu przestrzeni zawierajacej poro¬ wata substancje pochlaniajaca frakcje górna sta¬ nowiaca od 1 do 60% objetosciowo mieszaniny izo- Powtórnym przepuszczaniem nazwano operacje, 50 w której przenosi sie dowolna frakcje otrzymana z danej przestrzeni pochlaniajacej w celu powtór¬ nego wprowadzenia tej frakcji do tej samej prze¬ strzeni. W przeciwienstwie do tego kolejnym prze¬ puszczaniem nazwano operacje polegajaca na prze- 55 niesieniu dowolnej frakcji pochodzacej z pierw¬ szej przestrzeni w celu wprowadzenia tej frakcji natychmiast do drugiej przestrzeni znajdujacej sie przed ta pierwsza przestrzenia liczac w kie¬ runku, w którym nastepuje wzrost wzbogacania 60 w izotop slabiej pochlaniany.Przez oczyszczanie nazwano czynnosc oddzielania mieszaniny izotopowej od gazu buforowego, aby do nastepnego etapu wprowadzac tylko czysta mie¬ szanine izotopowa. 65 15 20 25 30 35 4069 083 topowej nasycajacej kolumne chromatograficzna w celu wprowadzenia tej frakcji do poprzedniej, w ukladzie kaskadowym, przestrzeni zawierajacej Lrodek pochlaniajacy.T\V sposobie wedlug wynalazku stosuje sie w celu ocdzie'enia róznych odmian izotopowych substan¬ cja pochlaniajaca majaca wlasciwosci pozwalajace n^ wprowadzenie czasteczek poszczególnych izo¬ topów w drgania. Mozna równiez stosowac do tego celu substancje stala, nasycona ciecza, której cza¬ steczki posiadaja co najmniej jeden atom zdolny do wymiany elektronów, zwany atomem wymia¬ ny elektronowej, to jest atom mogacy oddawac lub przyjmowac elektrony.W sposobie wedlug wynalazku porowata sub¬ stancje pochlaniajaca wypelniajaca przestrzen w kolumnie stanowi siec rozdrobnionych porowatych czasteczek o zasacniczo jednorodnym ziarnie, w której srednica porów w tych czasteczkach wyno¬ si od 3 do 100 A. Substancja ta jest stosowana korzystnie do oddzielania izotopów wegla, które to izotopy sa doprowadzone do postaci gazowej, na przyklad do tlenku wegla, przez zastosowanie obróbki wedlug wynalazku. Substancja ta moze miec równiez zastosowanie przy rozdziale izoto¬ pów neonu.W drugiej odmianie sposobu stosuje sie osrodek pochlaniajacy utworzony z substancji stalej o po¬ staci rozdrobnionej i zasadniczo jednorodnym ziar¬ nie. Substancja ta posiada ogólny wzór Hx My gdzie H reprezentuje zwiazek z rodziny halogen¬ ków, a M — metal x i y sa dowolnymi liczbami calkowitymi.Osrodek taki jest stosowany do oddzielania izo¬ topów uranu bedacego pod postacia szesciofluorku.W trzeciej odmianie sposobu wedlug wynalazku stosuje sie stale wypelnienie o postaci rozdrobnio¬ nej i zasadniczo jednorodnym ziarnie, które to wypelnienie jest zaimpregnowane ciecza.Jeden z wariantów tej trzeciej odmiany charak¬ teryzuje sie tym, ze ciecz impregnujaca stanowi zwiazek organiczny, zawierajacy przynajmniej je¬ den atom zdolny do oddawania elektronów. Ste¬ zenie wagowe tego zwiazku organicznego wynosi od 5 co 9C% ciezaru suchego wypelnienia. Atom oddajacy elektron pochodzi z grupy pierwiastków takich, jak siarka, tlen, azot, selen lub tellur.W konkretnym przykladzie stosowania tego wa¬ riantu, zwiazek organiczny zawiera atom oddajacy elektrony i pozostalosc czasteczki, zlozona z co najmniej jednej grupy alkilo-arylowej, w której ilosc atomów wegla zawiera sie pomiedzy 2 i 30.Wariant ten nadaje sie najkorzystniej do zastoso¬ wania przy oddzielaniu izotopów boru.Ponizej zostanie opisany przebieg wykonania sposobu wedlug wynalazku w zastosowaniu do mieszaniny gazowej, na przyklad izotopowej.Do osrodka pochlaniajacego umieszczonego w zamknietej przestrzeni i uprzednio wypelnionego gazem buforowym wprowadza sie sama mieszanine gazów w warunkach, w których nastepuje pochla¬ nianie skladników mieszaniny przez osrodek po¬ chlaniajacy i przy zachowaniu stalej predkosci przeplywu. Zalózmy, ze to wprowadzenie miesza¬ niny nastapilo w chwili O. W pierwszym okresie osrodek pochlaniajacy pochlania mieszanine gazo¬ wa wypychajaca przed soba gaz buforowy. Cza¬ steczki mieszaniny gazowej wiaza sie z wypelnie- 5 niem powodujac zmniejszenie cisnienia w kolum¬ nie. Ten pierwszy okres trwa do momentu dojscia skladników mieszaniny do wylotu kolumny. Chwi¬ la ta, oznaczona przez tR, zostaje wskazana na przyklad przez czujnik oporowy. Nastepnie pozwa¬ lo la sie na wyplyniecie z kolumny pewnej ilosci frakcji, az do chwili tc gromadzac frakcje wzbo¬ gacona w zadany izotop. W tej samej chwili tc przestaje sie doprowadzac do przestrzeni miesza¬ nine izotopowa i zastepuje sie ja gazem buforo- 15 wym. Przez pewien okres czasu pozwala sie na wyplyw mieszaniny wypychanej z kolumny przez gaz buforowy. Ta frakcja wypchnieta przez gaz buforowy nazywa sie frakcja srodkowa. Posiada ona stosunek zawartosci izotopów zblizony do mie- 20 szaniny wyjsciowej. Nastepnie w chwili tE, gdy wydatek mieszaniny izotopowej zmniejsza sie przy wylocie kolumny, laczy sie ten wylot z trzecim odbiornikiem, w którym gromadzi sie frakcje górna. 25 Stosunek stezenia skladników w fazie gazowej niezwiazanej do stezenia skladników w fazie po¬ chlonietej okresla stala sorpcji A.Zdolnosc zatrzymywania Vr kolumny okresla sie, w odniesieniu do jednego ze skladników gazo- 30 wych, jako objetosc nasycenia kolumny, okreslona w warunkach normalnej temperatury i cisnienia.Zdolnosc zatrzymywania Vr, mierzona w warun¬ kach normalnych, reprezentuje wiec ilosc sklad¬ nika gazowego doprowadzonego do kolumny do 35 momentu, gdy pojawil sie on juz u wylotu ko¬ lumny. Jesli teraz zamiast jednego tylko sklad¬ nika gazowego wprowadzimy mieszanine dwóch izotopów gazowych o masach M1 i M2 posiadaja¬ cych stale sorpcje A i A + A A, przy czym A A 40 jest wielkoscia niewielka, stwierdzimy wystepo¬ wanie dwóch zdolnosci zatrzymywania Vr i Vr-(- + A Vr. Wartosc srednia tych dwóch wielkosci jest okreslana dalej jako V.Tak wiec istnieje okres, w którym stezenie skla- 45 dnika majacego stala sorpcji A w mieszaninie wy¬ chodzacej z kolumny jest duzo wieksze, niz ste¬ zenie tego samego skladnika w mieszaninie do¬ prowadzanej do kolumny. Moze to byc sprawdzo¬ ne przy uzyciu spektrometru masowego. 50 W momencie, gdy stezenie wyjsciowe staje sie równe stezeniu wejsciowemu, zostaje zgromadzona objetosc V+ mieszaniny o stosunku izotopów skla¬ dowych R+, róznym od stosunku izotopów R0 w mieszaninie poczatkowej.Stopien wzbogacenia okresla sie wzgledna zmiana stosunku izotopów R i mozna go przedstawic jako: Rf— Ro 55 60 ? + = Ro V AA V+ A W innych sposobach oddzielania brano pod uwa- 65 ge stosunek -AA . Tutaj, przeciwnie, wprowadzo- A69 083 9 10 no sposób, w którym zjawisko elementarne jest zwiekszone poprzez wspólczynnik wzmocnienia _^_, który z kolei moze byc regulowany przez v + objetosc odbierana, objetosc substancji pochlania¬ jacej w kolumnie oraz przez mechanizm podsta¬ wowy sorpcji okreslajacy objetosc V+. Stwierdza sie jednoczesnie, ze frakcja górna jest zubozona w izotop M1? a wiec w efekcie wzbogacona w izo¬ top M2.Przedmiotem wynalazku jest równiez urzadze¬ nie przeznaczone do stosowania sposobu wedlug wynalazku.Urzadzenie do stosowania sposobu wedlug wy¬ nalazku sklada sie z przestrzeni zamknietej wy¬ pelnionej srodkiem pochlaniajacym i posiadaja¬ cej otwór wlotowy i wylotowy, umieszczone ko¬ rzystnie na dwóch przeciwleglych koncach tej prze¬ strzeni. Ponadto urzadzenie posiada elementy umo¬ zliwiajace kolejne wprowadzanie to tej przestrzeni mieszaniny izotopowej, przeznaczonej do rozdziele¬ nia oraz gazu obojetnego wzgledem tej mieszani¬ ny i wzgledem srodka pochlaniajacego, nazwanego wczesniej gazem buforowym, jak tez i elementy pozwalajace na kierowanie gazu wychodzacego ze wspomnianej przestrzeni badz do co najmniej jed¬ nego przewodu przeznaczonego do gromadzenia frakcji wzbogaconej w jeden z izotopów, badz do przewodu doprowadzajacego gaz buforowy lub ewentualnie do przewodu doprowadzajacego mie¬ szanine izotopowa.Urzadzenie wedlug wynalazku posiada równiez elementy umozliwiajace sterowanie w odpowied¬ nich momentach elementami poprzednio wymie¬ nionymi w celu kierowania w odpowiednich kie¬ runkach poszczególnych frakcji otrzymywanych z mieszaniny izotopowej.W jednej z odmian wykonania urzadzenia, ele¬ menty sluzace do wprowadzania mieszaniny i ga¬ zu buforowego maja postac zaworu rozdzielczego, który moze byc sterowany zdalnie na przyklad za pomoca zdalnego sterowania elektrycznego.Elementy sluzace do kierowania poszczególnych frakcji do odpowiednich przewodów moga miec równiez wedlug wynalazku postac zaworu roz¬ dzielczego sterowanego zdalnie i pozwalajacego, jak to bedzie dalej wyjasnione, na doprowadzanie gazu, pochodzacego z przestrzeni wypelnionej srodkiem pochlaniajacym do róznych przewodów.Elementy sterujace moga zawierac czujniki do¬ wolnego rodzaju umieszczone przy otworze wylo¬ towym przestrzeni wypelnionej srodkiem pochla¬ niajacym i reagujace na zmiany skladu frakcji wyplywajacych z tej przestrzeni.Czujnikiem takim moze byc korzystnie czujnik oporowy, zawierajacy przewód grzewczy umiesz¬ czony w strumieniu gazu, który to przewód zmie¬ nia swa opornosc odpowiednio do zmian tempe¬ ratury.Urzadzenia takie sa bardzo czule na zmiane ro¬ dzaju gazu, w którym sa umieszczone, poniewaz, rodzaj gazu wywiera znaczny wplyw na równo¬ wage termiczna przewodu.Zgodnie z wynalazkiem, elementy sterujace mo¬ ga zawierac równiez zegar polaczony z czujnikiem 25 mogacy sterowac róznymi polozeniami zaworu roz¬ dzielczego w uprzednio nastawionych odstepach czasu po zjawieniu sie mieszaniny izotopowej u wyjscia przestrzeni wypelnionej srodkiem po- 5 chlaniajacym.Czujnik moze byc równiez zastapiony przekaz¬ nikiem czasowym wlaczanym na skutek wprowa¬ dzenia mieszaniny izotopowej do wspomnianej przestrzeni. 10 Tak wiec okresowe wprowadzanie do przestrze¬ ni mieszaniny izotopowej na przemian z gazem buforowym moze byc sterowane za pomoca urza¬ dzenia zegarowego i regulowane w zaleznosci od zadanych warunków prowadzenia procesu roz- 15 dzialu.To urzadzenie zegarowe moze równiez sluzyc, wedlug wynalazku, do kierowania gazu, wyplywa¬ jacego z przestrzeni pochlaniajacej do poszczegól¬ nych przewodów, równiez w funkcji czasu liczo- 20 nego od momentu w którym czujnik zostal wzbu¬ dzony przez pojawienie sie frakcji czolowej mie¬ szaniny izotopowej.Przedmiotem wynalazku jest równiez uklad ka¬ skadowy urzadzen podstawowych, zawierajacy sze¬ reg przestrzeni wypelnionych substancja pochlania¬ jaca i rozmieszczonych tak, ze otwór wylotowy kazdej przestrzeni jest polaczony ukladem prze¬ wodów z urzadzeniem umozliwiajacym kierowa¬ nie frakcji wychodzacej ze wspomnianej przestrze- 30 ni badz do wejscia przestrzeni nastepnej, badz do tej samej przestrzeni badz tez do wejscia prze¬ strzeni poprzedniej lub tez ewentualnie do prze¬ wodu odprowadzajacego gaz buforowy. 35 Otwór wlotowy, wspomnianej przestrzeni, jest ponadto polaczony z urzadzeniem odbierajacym gaz buforowy i poszczególne frakcje pochodzace z róznych przestrzeni zgodnie z obiegiem opisanym wyzej oraz z centralnym organem kierujacym do- 40 Plyw gazów do tej przestrzeni w okreslonych mo¬ mentach cyklu pracy urzadzenia i w regulowanych odstepach czasu.Wymiary przestrzeni zawierajacej srodek po¬ chlaniajacy moga byc duze. Korzystne jest sto- 45 sowanie kolumn o ksztalcie cylindrycznym maja¬ cych wysokosc od 0,5 do 15 metrów, najkorzyst¬ niej od 1 do 5 metrów, których przekrój moze sie wahac od ulamka centymetra kwadratowego do kilku metrów kwadratowych. 50 W szczególnym przykladzie wykonania, urzadze¬ nia wedlug wynalazku, zespól oczyszczajacy, prze¬ znaczony do oddzielania mieszaniny izotopowej od gazu buforowego, jest umieszczony w kazdym z przewodów przenoszacych gaz i laczacych otwór 55 wylotowy kolumny z otworem wlotowym kolum¬ ny sasiedniej.W jednej z odmian urzadzenia dla róznych fraKCJi moze byc zastosowany jeden wspólny ze¬ spól oczyszczajacy. 60 W dalszym ciagu wynalazek zostanie opisany ponizej w powolaniu sie na zalaczony rysunek, na którym fig. 1 przedstawia podstawowy zespól od¬ dzielajacy urzadzenia wedlug wynalazku, to zna¬ czy kolumne wraz z instalacja doprowadzajaca 65 i odprowadzajaca, fig. 2 — wykres wydatku przy69 083 11 wyjeciu z kolumny z funkcji czasu, fig. 3 — wy¬ datek dwóch izotopów o masach Mt i M2 przy wyjsciu z kolumny, przedstawiony jako wykres w funkcji czasu, fig. 4 — wykres wzbogacenia mieszaniny w dany izotop, wystepujacego na sku¬ tek zjawiska desorpcji, fig. 5 — wykres wzbogace¬ nia mieszaniny w dany izotop oraz wykres wspól¬ czynnika wzmocnienia obu w funkcji powierzchni przekroju poprzecznego kolumny, fig. 6 — wykres zmiany wspólczynnika wzbogacenia w zaleznosci od srednicy ziarn substancji pochlaniajacej i fig. 7 — schemat polaczenia trzech zespolów podsta¬ wowych z lig. 1, stanowiacych czesc ukladu kas¬ kadowego.Opis dotyczy podstawowego zespolu oddzielaja¬ cego, dostosowanego do oddzielania izotopów boru, ale caly schemat polaczen odnosi sie do izotopów wszystkich pierwiastków, nie biorac pod uwage drobnych zmian i jest w wielu przypaaKach iden¬ tyczny z pokazanym na rysunku. Ilosc zespolów podstawowych w ukladzie kaskadowym jest zmien¬ na i zalezy od zadanej zawartosci koncowej da¬ nego izotopu w mieszaninie wychodzacej z ukladu.Na fig. 1 pokazano podstawowy zespól urzadze¬ nia wedlug wynalazku skladajacy sie z kolumny i o przekroju cylindrycznym, wykonanej na przy- klau ze stopu Monela. Wymiary te^kolumny, któ¬ re moga byc rózne, w tym przykladzie wynosza: srednica 15 cm, dlugosc 3 m. Wnetrze kolumny 1 jest wypelnione srodkiem pochlaniajacym, którym moze byc terrakota odwodniona w 200°C w at¬ mosferze helu, z która z kolei jest zwiazany siar¬ czek dwuoktylu w ilosci 30% wagowo.Kolumna ta jest polaczona z jednej strony z przewodem doprowadzajacym 2, w którym jest umieszczony zawór rozdzielczy 3, polaczony z dwo¬ ma przewodami 4 i 5, sluzacymi do doprowadzania odpowiednio gazu buforowego i mieszaniny izo¬ topowej przeznaczonej do rozdzielania.Srodek pochlaniajacy 6 znajdujacy sie wewnatrz kolumny jest polaczony z przewodem odprowadza¬ jacym 7, którego drugi koniec jest polaczony z urzadzeniem rozdzielczym 8 i zaworem odcinaja¬ cym 9. Wylot zaworu 9 jest polaczony z czujni¬ kiem oporowym 10. Urzadzenie rozdzielcze 8 po¬ siada cztery oprowadzajace przewody 11, 12, 13 i 14. Przewód odprowadzajacy 14 moze byc prze¬ znaczony na przyklad dla gazu buforowego i po¬ laczony z przewodem 15 doprowadzajacym ten gaz do kolumny, w który to przewód jest wlaczona pompa 17 utrzymujaca obieg tego gazu. Czujnik oporowy jest polaczony z drugiej strony z zega¬ rem 16 i uruchamia ten zegar. Zegar 16 steruje polozeniem urzadzenia rozdzielczego 8, kierujac przeplyw róznych frakcji wyplywajacych z ko¬ lumny przez przewód odprowadzajacy 7 do odpo¬ wiednich przewodów 11, 12, 13 lub 14.Dzialanie urzadzenia wedlug wynalazku jest na¬ stepujace: W okresie poprzedzajacym chwile 0, gaz bufo¬ rowy doplywa poprzez przewód 4, zawór rozdziel¬ czy 3 i przewód 2 do kolumny 1 i wypelnia pory w tej kolumnie. Gaz ten przeplywa przez kolumne i przewód 7 do urzadzenia rozdzielczego 8 i prze- 12 wodu 14 wracajac ponownie do obiegu zamknie¬ tego. W chwili 0, odcina sie doplyw gazu buforo¬ wego przez przelaczenie zaworu 3 i wprowadza sie mieszanine izotopowa, przeznaczona do rozdzie- 5 lenia przy zachowaniu wydatku rzedu 200 cm3/sek.Mieszanina ta wyplywajac z przewodu 5, przeply¬ wa przez zawór rozdzielczy 3 i przewód doprowa¬ dzajacy 2, a nastepnie przechodzi do wnetrza ko¬ lumny 1 nasycajac srodek pochlaniajacy i wypy- 10 chajac przed soba gaz buforowy.Przeplyw mieszaniny gazowej przebiega zasadni¬ czo jednolitym frontem, który przemieszcza sie wewnatrz kolumny tworzac rodzaj tloka gazowego wypychajacego przed soba gaz buforowy. Miesza¬ nina izotopowa nasyca srodek pochlaniajacy, przez który przeplywa. Ulatwia to wiec przebieg zja¬ wiska wymiany czasteczek odmiany izotopowej slabiej pochlanianej przez czasteczki odmiany izo¬ topowej silniej pochlanianej, przy czym zjawisko to wystepuje do momentu, w którym nastepuje calkowite nasycenie kolumny to znaczy dopóki czasteczki mieszaniny izotopowej nie zaczna wy¬ plywac z kolumny 1 przez przewód 7. Pojawienie sie tych czasteczek w przewodzie jest sygnalizo- 25 . ., .. _ wane przez czujnik oporowy 10.W chwili gdy czasteczki mieszaniny zostana wy¬ kryte przez czujnik 10, czujnik ten uruchamia ze¬ gar 16. Zegar ten podaje natychmiast sygnal do 30 urzadzenia rozdzielczego 8, które na skutek tego sygnalu laczy przewód 7 z przewodem 11. Po pe¬ wnym czasie, uprzednio okreslonym, zegar 16 prze¬ lacza zawór rozdzielczy 3 wlaczajac ponownie obieg gazu buforowego. Nastepnie, po uplywie okre- 35 slonego uprzednio czasu, zegar 16 zmienia znowu polozenie zaworu urzadzenia rozdzielczego 8, laczac przewód 7 z przewodem 12. Po uplywie kolejnego odstepu czasu, zegar 16 powoduje przelaczenie urzadzenia rozdzielczego 8 i przewód 7 zostaje po- 40 laczony z przewodem 13 i wreszcie po pewnym czasie nastepuje polaczenie przewodu 7, poprzez urzadzenie rozdzielcze 8, z przewodem 14.W omawianym przykladzie wykonania urzadze¬ nia wedlug wynalazku w momencie gdy czujnik 45 10 zasygnalizuje obecnosc pierwszych czasteczek mieszaniny gazowej w przewodzie 7, zawór odci¬ najacy 9 zostaje zamkniety w celu oddzielenia czujnika 10 od przeplywajacych gazów. Zawór 9 zostaje ponownie otwarty, gdy urzadzenie rozdziel- 50 cze 8 polaczy przewód 7 z przewodem 14. Te zmiany polozenia zaworu 9 sa sterowane przez ze¬ gar 16.Poszczególne etapy przelaczania zostana opisane przy okazji omawiania nastepnych figur. 55 Na fig. 2 przedstawiono wydatek poszczególnych faz gazowych w poblizu czujnika 10. Przyjmuje sie za punkt wyjsciowy chwile 0 to znaczy chwile, w której zostalo dokonane polaczenie kolumny z przewodem doprowadzajacym mieszanine izoto- 60 powa. Mieszanina ta przez pewien czas nasyca wypelnienie kolumny wypychajac jednoczesnie gaz buforowy. Pierwsze czasteczki mieszaniny izotopo¬ wej doplywaja do czujnika 10 w chwili tR, sygna¬ lizujac tym calkowite wypelnienie kolumny mie- 65 szanina. Chwila tR jest momentem przerwania v69 083 13 14 przez urzadzenie rozdzielcze 8 polaczenia przewo¬ dów 7 i 14 i polaczenia przewodu 7 z przewodem 11. Od chwili tej, stezenie mieszaniny izotopowej wt gazie wzrasta az dó maksimum i utrzymuje sie przez pewien czas na tym poziomie. To maksy- 5 malne stezenie zostaje osiagniete w chwili tF. Po pewnym czasie, urzadzenie rozdzielcze 8 laczy przewód 7 z przewodem 12. Nastepuje w dalszym ciagu wyplyw mieszaniny izotopowej, ale jej ste¬ zenie w gazie buforowym zmniejsza sie poczyna- 10 jac od chwili tD. W chwili tej urzadzenie roz¬ dzielcze 8 laczy przewód 7 z przewodem 13. Mie¬ szanina gazowa o skladzie wyjsciowym wyplywa calkowicie z kolumny w chwili tN. Jest to chwila, w której nastepuje polaczenie przewodu 7 z prze- 15 wodem 14.Na fig. 3 przedstawiono fragment wykresu z fig. 2, odnoszacy sie do czasu pomiedzy chwila tR i tF, przedstawiony bardziej szczególowo. Chwila 0 odnosi sie odpowiednio, tak samo, jak na fig. 2, do 20 momentu rozpoczecia wprowadzania mieszaniny izotopowej. Chwila lR odpowiada pojawieniu sie pierwszych czasteczek mieszaniny izotopowej na poziomie czujnika 10. Pierwsza krzywa Mj odnosi sie do pierwszego frontu czasteczek odmiany izo¬ topowej Mj, która moze byc na przyklad izotop 11 boru.Drugi pojawiajacy sie front oznaczony M2 doty¬ czy czasteczek odmiany izotopowej M2, która mo- ft ze na przyklad stanowic izotop 10 boru. Pomie¬ dzy chwila tR i chwila tF nastepuje wyplyw fra¬ kcji czolowej do chwili tc. Ma to miejsce w czasie polaczenia przewodu 7 z przewodem 12 poprzez urzadzenie rozdzielcze 8. Chwila tc moze byc re¬ gulowana, co umozliwia uzyskanie frakcji mniej lub bardziej wzbogaconej. Jezeli chwila tc znaj¬ dzie sie na wykresie w poblizu chwili tR, otrzy¬ mamy mieszanine silnie wzbogacona w izotop Mlf ale w niewielkiej ilosci, natomiast gdy chwile tc ^ zblizymy do chwili tF, wzbogacanie mieszaniny jest niewielkie, ale ilosc jej jest znacznie wieksza.Na fig. 4 przedstawiono czesc wykresu z fig. 2, zawarta miedzy chwila tD i tN. Krzywa 21 na tej czesci wykresu przedstawia stezenie mieszaniny izo- 45 topowej, która wyplywa sama do chwili tD, a na¬ stepnie zmieszana z gazem buforowym pomiedzy chwilami tD i tN.Chwilowa ilosc mieszaniny izotopowej wyplywa¬ jacej z kolumny zmniejsza sie wedlug przebiegu 50 funkcji wykladniczej. We frakcji górnej miesza¬ niny izotopowej daje sie zauwazyc zubozenie w da¬ na odmiane, zobrazowana na rysunku krzywa 22.Zubozenie to, okreslone doswiadczalnie, waha sie w granicach od 0 do6fl/o. 55 Wartosci te sa naniesione kolejno na wykresie i przedstawione w procentach, w odniesieniu do tlenku wegla.Na fig. 5 przedstawiono wykres sporzadzony na 6Q podstawie doswiadczen z tlenkiem wegla. Prosta 23 przedstawia zmiany stopnia wzbogacenia frakcji czolowej okreslanego przez: P+=R,--R° w funkcji powierzchni przekroju poprzecznego kolumny.Prosta ta jest zasadniczo równolegla do osi rzed¬ nych i wskazuje, ze stopien wzbogacenia frakcji fl czolowej jest w zasadzie niezalezny od powierzch¬ ni przekroju kolumny. Punkty wykresu przedsta¬ wiono w postaci kóleczek, które znajduja sie w poblizu prostej 23. Prosta 24 przedstawia zmiany wspólczynnika wzmocnienia -^-, który wynika z wzoru: przedstawione w funkcji powierzchni przekroju po- 15 przecznego kolumny.Na wykresie oznaczono krzyzykami wartosci wspólczynnika wzmocnienia zajwiska podstawowe¬ go, wyznaczone doswiadczalnie przy zastosowaniu sposobu wedlug wynalazku. Wspólczynnik ten jest 20 zasadniczo niezalezny od przekroju poprzecznego kolumny.Fig. 6 przedstawia krzywa 26 obrazujaca zmiany wspólczynnika wzbogacenia w funkcji srednicy ziaren wypelnienia kolumny. Z wykresu widac, 25 ze wspólczynnik wzbogacenia pozostaje staly dla ziaren o srednicy mniejszej niz 0,5 mm, a nastepnie znacznie sie zmniejsza.Na fig. 7 pokazano uklad kaskadowy, zlozony z trzech zespolów podstawowych urzadzenia we- 30 dlug wynalazku. Poszczególne zespoly sa oznaczo¬ ne odpowiednio przez p, q i r.W kompletnym ukladzie kaskadowym, zespoly te beda polaczone z zespolem „o", umieszczonym wy¬ zej i drugim zespolem umieszczonym nizej. Gaz 35 buforowy jest wprawiany w ruch w przewodzie 41 za pomoca pompy 46. Mieszanina izotopowa jest wprowadzana przewodem zasilajacym 42. Przewód ten dochodzi do krócca wlotowego pompy 36q.Króciec wylotowy tej pompy jest polaczony z za- 40 worem redukcyjnym 37 q, z zaworem odcinaja¬ cym 38 q i zaworem rozdzielczym 45 q, który ma bezposrednie polaczenie z kolumna 27 q, zawiera¬ jaca srodek pochlaniajacy. Przy wyjsciu kolumny 27 q znajduje sie czlon 28 q. 45 Zawór 38 q zostaje otwarty przez urzadzenie zegarowe, uruchamiane od czujnika, jak to zostalo opisane odnosnie zespolu podstawowego, przedsta¬ wionego na fig. 1. Zawór ten jest polaczony z za¬ worem rozdzielczym 45 q, który z kolei jest po- 50 laczony z kolumna 27 q. Jednoczesnie zawór 45 q jest polaczony z przewodem 41 doprowadzajacym gaz buforowy za posrednictwem zaworu 40 q.Zawory 38 q i 40 q dzialaja w sposób zsynchroni¬ zowany, to znaczy jesli jeden z nich jest otwarty, 55 to drugi jest zamkniety i odwrotnie.W pierwszej fazie procesu, zawór 38 q jest ot¬ warty i do kolumny 27 q jest wprowadzana mie¬ szanina izotopowa. Po pewnym czasie pierwsze czasteczki mieszaniny izotopowej doplywaja do 60 czlonu 28 q, gdzie zbiera sie frakcja czolowa wy¬ plywajaca z kolumny 27 q. Frakcja ta zostaje natychmiast odprowadzona do urzadzenia oczysz¬ czajacego 34 r, gdzie nastepuje oddzielenie gazu buforowego, który wraca przewodem 39 r do glów- 65 nego przewodu 41 doprowadzajacego gaz buforowy. 15 20 25 30 35 40 45 5069 0 15 W chwili tc zamkniety zostaje zawór 30 q i otwiera sie zawór 31 q. Nastepuje wtedy odpro¬ wadzenie frakcji srodkowej mieszaniny izotopowej poprzez urzadzenie oczyszczajace 34 q w celu po¬ nownego wprowadzenia tej frakcji do zespolu „q". 5 W chwili tE, zawór 31 q zostaje zamkniety, a ot¬ wiera sie zawór 29 q. W tym momencie rozpoczyna sie odprowadzanie pozostalej frakcji mieszaniny izo¬ topowej poprzez przewód 32 do urzadzenia oczy¬ szczajacego 34 p i dalej do drugiego zespolu „p". 10 W chwili tc zostaje równiez zamkniety zawór 38 q, a jednoczesnie otwarty zawór 40 q, dzieki cze¬ mu mieszanina izotopowa znajdujaca sie w kolum¬ nie 27 q zostanie wypchnieta przez gaz buforowy, lo co pozwala na zcbr?nie dwóch frakcji: srodkowej i górnej.Po chwili tM zamyka sie zawór 29 q i otwiera zowór 48 q który laczy czlon 28 q poprzez przewód 47 q z przewodem glównym 41 doprowadzajacym 20 gaz buforowy. Strumien gazu buforowego przeply¬ wa wiec przez kolumne przez okres czasu miesz¬ czacy sie w granicach kilku minut.Podstawowe czynnosci zespolu q zostaja na tym zakonczone. Czynnosci zespolów p i r przebiega¬ ja w ten sam sposób. Praca wszystkich trzech ze¬ spolów p, q i r moze przebiegac synchronicznie.Wstepne czynnosci nowego cyklu pracy polegaja na podgrzaniu urzadzen oczyszczajacych 34p, 34q, 34r, a nastepnie, gdy mieszanina izotopowa jest juz w postaci gazu, zostaja otwarte zawory 35p, 35q i 35r. Mieszanina izotopowa zostaje wtedy sprezona za pomoca pomp 36p, 36q i 36r i wtry- snieta do kolumny w nowej, kolejnej chwili „0", która oznacza poczatek kolejnego cyklu wzboga¬ cania. Chwila ta ma miejsce w momencie otwar¬ cia zaworów 38p, 38q i 38r i zamkniecia zaworów 40p, 40q i 40r. Nastepnie, gdy dzialanie ukladu ka¬ skadowego ustabilizuje sie, to znaczy po kilku cyklach napelnienia kolumn, w przewodach 43 i 44 znajdujacych sie na dwóch przeciwnych koncach ukladu kaskadowego gromadza sie frakcje odpo¬ wiednio: wzbogacona i zubozona w jeden z dwóch izotopów. 45 Zawartosc zadanego izotopu w kazdej z tych dwóch frakcji jest zalezna od ilosci podstawowych zespolów w ukladzie kaskadowym, czasu pobiera¬ nia, to znaczy czasu uplywajacego pomiedzy chwila tR a chwila tc oraz czasu uplywajacego od chwili 50 tE do chwili tN. Przez odpowiednia regulacje tych dwóch czasów, to jest czasu pobierania frakcji czo¬ lowej i frakcji górnej, uzyskuje sie optymalna wydajnosc ukladu kaskadowego. Pozwala to, zna¬ jac stosunek skladników mieszaniny izotopowej 55 wprowadzanej do ukladu i zadany stosunek sklad¬ ników mieszaniny odbieranej z ukladu kaskado¬ wego, na okreslenie wydajnosci jednego zespolu, ilosci zespolów w ukladzie kaskadowym, koniecz¬ nej dla uzyskania zadanych efektów oraz calko- 60 witej objetosci ukladu.W celu zilustrowania sposobu wedlug wynalazku opisano tytulem przykladu wzbogacania szeregu róznych mieszanin izotopowych.Tak wiec przeprowadzono wzbogacanie izotopowe 65 16 tlenku wegla. Do tego celu zuzyto wypelnienia ko¬ lumny o porowatosci drobinowej rzedu 5 A. Wy¬ pelnienie to bylo rozdrobnione do wielkosci ziaren od 0,14 co 0,28 mm, nastepnie odwodnione w cza¬ sie 15 godzin w atmosferze helu przy tempera¬ turze 200°C. Wypelnienie to umieszczono w kolum¬ nie miedzianej o srednicy wewnetrznej 4 mm i dlu¬ gosci 3 metrów. Kolumna byla utrzymywana w temperaturze 22°C. Kolumne wypelniono najpierw helem, a nastepnie w chwili „0" wprowadzono tlenek wegla w ilosci 1 cm3/sek.Przy tym stanie rzeczy, wydatek ulegal samo¬ rzutnie niewielkim wahaniom. Wydatek ten mozna regulowac zmieniajac wielkosc otworu doplywo¬ wego. Po uplywie 550 sekund stwierdzono, za po¬ moca czujnika oporowego umieszczonego przy wy¬ locie kolumny, pojawienie sie telnku wegla, któ¬ ry wypchnal z kolumny hel. Ilosc wyplywajacego z kolumny tlenku wegla ustalila sie po uplywie 565 sekund od momentu rozpoczecia wprowadza¬ nia go co kolumny. Uzyskano zdolnosc zatrzymy¬ wania kolumny wynoszaca 426 cm3.Poczynajac od chwili +550 sekund, stwierdzo¬ no przez analize przeprowadzona za pomoca spek- tometru masowego, wzbogacenie wyplywajacych frakcji w izotop 12 wegla. Zmiana stopnia wzbo¬ gacenia nastepowala od chwili +550 do chwili + 590 sek. Po tej chwili nastapil spadek stosunku skladników izotopowych ponizej wartosci wyjscio¬ wej.Zmierzone w tym przykladzie wielkosci charak¬ terystyczne byly nastepujace: stopien wzbogacenia p + = 7%; ilosc substancji wzbogaconej v+=30 cm3; wspólczynnik wzmocnienia -^ =14,2.Nastepnie nastapila desorpcja 370 cm3 tlenku wegla, w którym stosunek skladników izotopowych nie ulegal zmianie po zebraniu 150 cm3 frakcji czolowej zubozonej w wegiel 12. Stopien zuboze¬ nia tej frakcji, wynosil okolo 1%, a wspólczynnik wzmocnienia 2.Mozna przytoczyc równiez inne przyklady wzbo¬ gacania izotopowego tlenku wegla na tym samym wypelnieniu przy zmianie temperatury i pozosta¬ wienia pozostalych warunków takich samych. Obje¬ tosc zatrzymana i, równolegle czas zatrzymywania zmieniaja sie w funkcji odwrotnosci logarytmu temperatury absolutnej powyzej 30°C, a nastep¬ nie, wedlug tego samego prawa, lecz przy innym spadku, niz wyzej wymieniony. Pracowac mozna w granicach od —100°C do 100°C. W tych granicach wspólczynnik wzmocnienia zmienia sie nieznacz¬ nie od 13,5 przy 100°C do 15 przy —100°C, a na¬ stepnie prawie ze liniowo wzrasta przy spadku temperatury.Stosujac takie samo wypelnienie przy rozdziela¬ niu tlenku wegla, mozna zmieniac srednice kolum¬ ny przy zachowaniu stalej jej dlugosci, dlugosc ko¬ lumny przy zachowaniu stalego przekroju, potem jednoczesnie zmieniac dlugosc i srednice przy za¬ chowaniu stalej objetosci i wreszcie zmieniac wy¬ datek doprowadzanego do kolumny tlenku wegla.Dlugosc kolumny zmieniano od 0,75 m do 9 m przy predkosci przeplywu tlenku wegla u wyj-19 69 083 20 no z tego zespolu 1,6 litra gazu w ciagu 25 minut, a z zespolu crugiego doprowadzono do pierwszego J ,08 litra w ciagu 25 minut. Odebrano w ciagu 5 minut 1,6 litra frakcji czolowej wzbogaconej do 25°/o. Stosunek skladników izotopowych zmienil sie z 4,3 na 5,3.Z pierwszego zespolu odprowadzono do drugiego 1,6 litra. Powtórnie wprowadzono do tego zespo¬ lu 9,5 litra. Z drugiego zespolu do zespolu pierw¬ szego odprowadzono 1,08 litra. Z zespolu trzeciego co drugiego doprowadzono 0,54 litra. Odebrano 1,08 litra frakcji czolowej, w której stosunek sklad¬ ników izotopowych zmienil sie z 5,3 na 6,5.Do trzeciego zespolu doprowadzono z drugiego 1.08 litra frakcji czolowej. Powtórnie doprowadzo¬ no 4,75 litra gazu pochodzacego z trzeciego zespo¬ lu. Z zespolu trzeciego do drugiego odprowadzono 1,08 litra. Otrzymano 0,54 litra frakcji czolowej o stosunku skladników izotopowych zmienionym z 6,5 na 8.Otrzymano wiec 540 cm3 trójfluorku boru, w którym zawartosc obu izotopów wynosi odpowied¬ nio 89% boru 11 i 11% boru 10. Czas trwania cy¬ klu wynosil 1 godz. i 30 minut, z czego przez 30 minut doprowadzano mieszanine gazowa i podczas ostatnich pieciu minut z tych trzydziestu odbierano frakcje czolowa, przez 15 minut odbierano frakcje srockowa, wypychana przez wtryskiwany w tem¬ peraturze 50°C azot jako gaz buforowy, przez 25 minut przepuszczano frakcje powtórnie przy 50°C przez inne zespoly i przo^ 20 minut chlodzono urza¬ dzenie da temperatury 10°C.Jako jeszcze jeden przyklad moze sluzyc wzbo¬ gacanie izotopowe uranu.Kolumne o srednicy 4 mm i dlugosci 3 m wy¬ pelniono fluorkiem sodu o srednicy ziarn od 0,3 do 0,5 mm. Wtryskiwanie mieszaniny prowadzono przy 70°C. Cisnienie wejsciowe absolutne wyno¬ silo 1,1 bara, a wydatek 0,5 cm3 na sekunde.Wtryskiwanie mieszaniny trwalo okolo 1000 sekund.Pojemnosc zatrzymywania kolumny wynosila 450 cm3. Przy wyjsciu kolumny odebrano 40 cm3 szesciofluorku uranu i stwierdzono, ze wspólczyn¬ nik wzmocnienia wynosil 11, a wzbogacenie bylo powyzej 6%. Jako gazu buforowego uzyto mie¬ szaniny azotu i fluoru. Frakcje srodkowa odbierano przy 400°C i tak samo frakcje górna.Powyzszy przyklad stanowi charakterystyke ukladu kaskadowego-, w którym z naturalnego ura¬ nu wytwarza sie uran wzbogacony do 3,5% w izo¬ top 235. Zawartosc tego uranu 235 we frakcjach odpadowych z tego ukladu wynosi 0,23%.Wspólczynnik odplywu, to znaczy stosunek obje¬ tosciowy frakcji górnej do frakcji czolowej wy¬ nosi w czesci wzbogaconej 1,17, a w czesci zubo¬ zonej 0,95. W omawianym ukladzie kaskadowym zastosowano 30 stopni dzielac je nastepujaco: 15 stopni dla czesci wzbogaconej mieszaniny i 14 stopni dla czesci zubozonej. Obie te czesci pola¬ czono z jednym stopniem, do którego doprowadza¬ na jest mieszanina. Objetosc czesci wzbogacaja¬ cej jest oklo 300 razy wieksza od objetosci kolum¬ ny ostatniego stopnia, a objetosc czesci, w której nastepuje zubozenie jest okolo 460 razy wieksza od objetosci kolumny tego ostatniego stopnia. PL PL

Claims (21)

1. Zastrzezenia patentowe 5 1. Sposób wzbogacania mieszaniny gazowej o skladnikach majacych zblizone masy czasteczkowe w jecen z tych skladników, znamienny tym, ze mieszanine tych gazów wprowadza sie do prze- io strzeni wypelnionej substancja pochlaniajaca, uprzednio wprowadzajac do tej przestrzeni gaz zwany gazem buforowym, obojetny wzgledem sub¬ stancji pochlaniajacej i mieszaniny gazów, przy czym mieszanine te wprowadza sie do momentu, 15 dopóki nie zbierze sie przynajmniej jedna frakcja, zwana frakcja czolowa, a gdy ta frakcja zostaje zebrana wstrzymuje sie wprowadzanie wzbogacanej mieszaniny gazów i wprowadza sie natychmiast gaz buforowy, a nastepnie zbiera sie oddzielnie 20 pozostale frakcje mieszaniny gazowej.

2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze poszczególne operacje prowadzi sie w warunkach, w których pojemnosc zatrzymywania substancji pochlaniajacej, zalezna od objetosci zajmowanej 25 przez substancje pochlaniajaca i od podstawowych mechanizmów zjawiska sorpcji, osiaga najwyzsza wartosc.

3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze pojemnosci zatrzymywania substancji pochlania- 30 jacej dobiera sie tak, aby stosunek tej pojemnosci do objetosci zebranej frakcji czolowej byl wyzszy od 2.

4. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze mieszanine gazowa wprowadza sie do substancji 35 pochlaniajacej w stanie lepkim.

5. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze do przestrzeni wypelnionej substancja pochlania¬ jaca wprowadza sie mieszanine gazów o skladni¬ kach majacych zblizone masy czasteczkowe, przy 40 czym skladniki te sa izotopami tego samego pier¬ wiastka.

6. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze jako mieszanine gazowa izotopów tego samego pierwiastka stosuje sie mieszanine naturalna tych 45 izotopów.

7. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze podczas wprowadzania mieszaniny gazowej zbiera sie tylko jedna frakcje tej mieszaniny, a po ze¬ braniu' tej frakcji wprowadza sie, do wejscia prze- 50 strzeni wypelnionej substancja pochlaniajaca, gaz buforowy.

8. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze gromadzenie pierwszej frakcji mieszaniny prowa¬ dzi sie rozpoczynajac od momentu pojawienia sie 55 u wylotu przestrzeni, wypelnionej srodkiem po¬ chlaniajacym pierwszych czasteczek mieszaniny.

9. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze u wylotu przestrzeni, wypelnionej srodkiem pochla¬ niajacym gromadzi sie niezaleznie trzy frakcje 60 mieszaniny izotopowej, to znaczy frakcje czolowa wzbogacona w jeden z izotopów, frakcje srodko¬ wa, której sklad jest zblizony do skladu miesza¬ niny wyjsciowej oraz frakcje górna zubozona w izotop, którego stezenie we frakcji czolowej jest 65 podwyzszone.69 083 21 22

10. Sposób wedlug zastrz. 9, znamienny tym, ze frakcje czolowa poddaje sie kolejnemu cyklowi wzbogacania w przestrzeni wypelnionej substancja pochlaniajaca znajdujacej sie za przestrzenia, z któ¬ rej zebrano te frakcje, frakcje srodkowa wprowa¬ dza sie powtórnie do tej samej przestrzeni, z któ¬ rej ja odebrano, a frakcje górna wprowadza sie do innej przestrzeni znajdujacej sie przed prze¬ strzenia, z której ona pochodzi.

11. Sposób wedlug zastrz. 10, znamienny tym, ze do danej przestrzeni, wypelnionej substancja po¬ chlaniajaca wprowadza sie frakcje czolowa pocho¬ dzaca z innej przestrzeni znajdujacej sie przed nia w ukladzie kaskadowym, frakcje srodkowa po¬ chodzaca z tej samej przestrzeni oraz frakcje górna pochodzaca z przestrzeni znajdujacej sie w ukla¬ dzie kaskadowym za dana przestrzenia.

12. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze jako pierwiastek wzbogacany w jeden z jego izo¬ topów, stosuje sie pierwiastek z grupy III A ukla¬ du okresowego, a zwlaszcza bor.

13. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze jako pierwiastek wzbogacony w jeden z jego izo¬ topów stosuje sie pierwiastek z grupy V b ukladu okresowego, a zwlaszcza uran.

14. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze jako pierwiastek wzbogacany w jeden z jego izo¬ topów stosuje sie pierwiastek z grupy IV, a zwla¬ szcza wegiel.

15. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze jako pierwiastek, wzbogacany w jeden z jego izo¬ topów stosuje sie pierwiastek z rodziny gazów rzadkich.

16. Urzadzenie do stosowania sposobu wedlug zastrz. 1, znamienne tym, ze sklada sie z kolumny (1) zawierajacej substancje pochlaniajaca (6), po¬ siadajacej przewód doprowadzajacy (2) i odprowa¬ dzajacy (7), umieszczone na dwóch przeciwnych koncach kolumny; z urzadzenia rozdzielczego (3), umozliwiajacego kolejne wprowadzanie do kolum¬ ny (1) mieszaniny izotopowej przeznaczonej do wzbogacenia i gazu, zwanego gazem buforowym, obojetnego wzgledem substancji pochlaniajacej i mieszaniny izotopowej z urzadzenia rozdzielcze¬ go (8) pozwalajacego na kierowanie gazów wyply¬ wajacych przewodem (7) z kolumny (1) badz co najmniej jednego przewodu (11) przeznaczonego do odprowadzania frakcji wzbogaconej w jeden z izotopów, badz do co najmniej jednego przewodu (15) doprowadzajacego gaz buforowy, badz tez do przewodu doprowadzajacego do kolumny miesza¬ nine izotopowa oraz z urzadzenia (10, 16) steruja¬ cego w odpowiednich momentach przelaczaniem 5 urzadzen rozdzielczych (3, 8) w celu odpowiedniego kierowania przeplywem mieszaniny izotopowej, jej poszczególnych frakcji oraz gazu buforowego.

17. Urzadzenie wedlug zastrz. 16, znamienne tym, ze pierwsze urzadzenie rozdzielcze (3) stanowi za¬ wór rozrzadczy sterowany zdalnie na przyklad za pomoca zdalnego sterowania elektrycznego.

18. Urzadzenie wedlug zastrz. 16, znamienne tym, ze drugie urzadzenie rozdzielcze (8) stanowi za¬ wór rozrzadczy zdalnie sterowany.

19. Urzadzenie wedlug zastrz. 16, znamienne tym, ze urzadzenie sterujace sklada sie z czujnika (10), umieszczonego przy wylocie kolumny, czulego na zmiany skladu gazów wyplywajacych z kolumny (1) oraz mechanizmu zegarowego (16), polaczonego z tym czujnikiem, przy czym czujnik (10) reagujac na pojawienie sie u wylotu kolumny czasteczek mieszaniny izotopowej wlacza mechanizm zega¬ rowy (16) dajacy w odpowiednich odstepach czasu sygnaly sterujace urzadzeniami rozdzielczymi (3, 8).

20. Odmiana urzadzenia do stosowania sposobu wedlug zastrz. 9, znamienna tym, ze zawiera po¬ laczone szeregowo kolumny (27p, 27q, 27r), wypel¬ nione substancja pochlaniajaca i rozmieszczone ka¬ skadowo, przy czym wylot kazdej kolumny jest polaczony ukladem przewodów z wlotem kolumny znajdujacej sie w ukladzie kaskadowym bezposred¬ nio za nia patrzac w kierunku wzrastajacego wzbo¬ gacenia w izotop slabiej pochlaniany, ze swoim wlasnym wlotem, z wlotem kolumny znajdujacej sie przed nia patrzac w kierunku wzrastajacego wzgogacenia w izotop slabiej pochlaniany oraz z przewodem odprowadzajacym gaz buforowy, a wlot kazdej kolumny jest polaczony z przewo¬ dem doprowadzajacym gaz buforowy, zas przy wlocie i wylocie kazdej kolumny znajduja sie za¬ wory rozrzadcze (45 p, q, r; 28 p, q, r), pozwalaja¬ ce na kierowanie strumieni gazów do odpowiednich przewodów.

21. Urzadzenie wedlug zastrz. 20, znamienne tym, ze zawory rozrzadcze sa wyposazone w elektro¬ magnetyczny organ uruchamiajacy sygnaly pocho¬ dzace z mechanizmu zegarowego i powodujace za¬ dane przelaczanie zaworów. 15 20 25 30 35 40KI. 12e,6 69 083 MKP BOld 59/26 73 /2 V fleKS ^Flcr.S U tFKI. 12e,6 69 083 MKP BOId 59/26 ^jr-4KI. 12e,6 69 083 -18F MKP BOld 59/26 Cena 10 zl ERRATA lam 22 wiersz 37 jest: wzgogacenia winno byc: wzbogacenia RZG — 1959/74 125 egz. A4 PL PL