DE1959767C2 - Verfahren zur Isotopentrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isotopentrennung, Insbesondere von Uranisotopen, bei dem die Isotopen In Verbindungen überführt werden, deren Moleküle eine Absorbtlonsllnle (Rotatlons-Schwingungsllnle) besitzen, die einer Emissionslinie eines Lasers entspricht, wobei die Isotopen an der Molekülschwingung beteiligt sind und bei dem die Moleküle einer Isotopenart durch Bestrahlung mit dem Laser selektiv angeregt werden und die Moleküle dieser Isotopenart auf chemischem Wege von den nicht angeregten Molekülen getrennt werden.

Im Prinzip Ist aus DE-AS 12 56 611 bekannt, daß man Moleküle Isotopenspezlflsch anregen und die unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten zur Trennung ausnutzen kann. In Spalte 1, Zellen 25-36 dieser Auslegeschrift wird beschrieben, daß bei Ausnutzung der unterschiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten des angeregten Moleküls auf der einen Seite und des nicht angeregten Moleküls auf der anderen Seite die zu erwartenden Trennungsfaktoren äußerst gering sind, well die Reaktionsgeschwindigkeiten des angeregten und des nicht angeregten Moleküls nur sehr wenig verschieden sind. Daher wird vorgeschlagen, die angeregten Moleküle zusätzlich zu ionisieren und die Ionisierten Moleküle aus dem Gemisch - durch Anlegen eines elektrischen Feldes - abzutrennen. Dies führt jedoch nicht zu einer zufriedenstellenden Isotopentrennung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Isotopen, insbesondere U²³⁵ und U²³⁸, In einfachster Welse zu trennen, als das mit den bisher bekannten Verfahren möglich Ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch Zuführung eines oder mehrerer Reaktionspartner ein Reak-Uonsgemlsch hergestellt und auf eine Temperatur gebracht wird, bei der ohne Laserbestrahlung gerade noch keine merkliche chemische Reaktion stattfindet, worauf das Reaktionsgemisch der Laserstrahlung ausgesetzt wird, und daß nach chemischer Reaktion der angeregten Teile ües Reaktionsgemisches die vorliegenden unterschiedlichen Stoffe voneinander getrennt werden. Zur Trennung von Uranisotopen wird vorzugsweise auf die Anwesenheit eines zusätzlichen Reaktionspartners verzichtet und eine Uranverbindung verwendet, die sich bei Energiezufuhr zersetzt.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß die Schwingungsenergie eines Moleküls wesentlich von der

ie Masse der beteiligten Atome abhängt. Für viele Moleküle gilt eine Formel der Art (dvlv) = d μ/2 μ), d. h. die relative Änderung der Frequenz Ist gleich V 2 der relativen Änderung der reduzierten Masse μ. Die Definition der reduzierten Masse μ hängt von der Art des Moleküls ab.

Man kann sich auch auf die Masse des betrachteten Isotops beziehen. Für bestimmte Normalschwingungen, bei denen sich das Isotop an der Schwingung beteiligt, gilt dann: Die relative Frequenzänderung ist In der Größenordnung annähernd gleich der relativen Massenänderung.

Die Dopplerbreite der Molekül-Spektrallinien (Absorptlonsllnlen) liegt je nach der Molekülmasse nur bei einigen zehn Megahertz. Das bedeutet z. B. für das Molekül UF₆, daß die Frequenzverschiebung bei Übergang zum anderen Uranisotop um zwei bis drei Zehnerpotenzen größer ist als die Linienbreite. Bei Einstrahlung monochromatischen Lichts In die eine Absorptlonsllnle werden also nur Moleküle mit der betreffenden Isotopemsorte angeregt, nicht jedoch die anderen Moleküle. Die Anregung ist somit Isotopenspezlflsch.

In dem betrachteten Spektralbereich (nahes bis m Ittleres Infrarot) stehen Laser mit mehr als 1000 Linien zur Verfügung. Allein der CO₂-Laser emittiert Im Spektralberelch zwischen 9 und 11,5 μπι über 300 Linien, wenn man die Möglichkeit In Betracht zieht, CO_rLaser aus verschiedenen Kohlenstoff- und Sauerstofflsotoperi für den Laser zu verwenden. Der Laser kann In geeigneter Anordnung selektiv auf jede dieser Linien abgestimmt werden.

Ferner besitzen die Moleküle, von denen ein bestimmtes Atom nach Isotopen getrennt werden soll, ebenfalls eine große Zahl Linien; es sind zahlreiche Übergänge zwischen den vielen Rotatlons-Schwlngungs-Nlveaus möglich. Ein bestimmtes Molekül hat je nach dem Aufbau bis zu einigen hundert Absorptlonsllnlen. Außerdem kann man für die erfindungsgemäße Isotopentrennung viele unterschiedliche Moleküle in Betracht ziehen, z. B.

UF₆ oder UF₅CI... oder UCl₆.

In Betracht kommen viele anorganisch: oder organl-

w sehe Moleküle. Insgesamt gilt, daß die Absorptionslinien aller möglichen Moleküle sehr dicht liegen. Der mittlere Abstand der Linien ist weit kleiner als das 300-fache der mittleren Linienbreite. Das bedeutet, daß mit Sicherheit einige Emlsslonsllnlen der Laser (Insbesondere des CO₂-Lasers) auf bestimmten Absorptlonsllnlen geeigneter Gase liegen.

Die Absorption eines Lichtquants stellt nun eine Energiezufuhr dar, und eine solche Energiezufuhr hat In bezug auf die Einleitung bestimmter chemischer Reak-Honen denselben Effekt wie eine Temperaturerhöhung. Absorption bedeutet Schwingungsanregung, Temperaturerhöhung die Zufuhr von kinetischer Energie. Die Absorption eines Lichtquants von 10,6 μπι Wellenlänge entspricht dabei einer Temperaturerhöhung von ca.

fei 1000 C. Bei Anwesenheit geeigneter Reaktionspartner erhöht sich die Reaktionsgeschwindigkeit. Dieser Prozeß betrifft dann nur die angeregten Moleküle und damit nur die Moleküle mit einer bestimmten Isotopensorte.

Erfindungsgemäß wird das Reaktionsgemisch vor Einstrahlen des Laserlichtes bereits auf eine definierte, z. B. erhöhte oder reduzierte Temperatur gebracht. Die Temperatur soil so gewählt werden, daß gerade noch keine merkliche Umsetzung stattfindet. Die Umsetzung wird dann durch die Lasereinstrahlung bewirkt und ist isotopenspezlflsch. Nach Trennung der Moleküle kann man In bekannter Welse wieder das Uranmetall zurückgewinnen.

Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens besteht darin, daß man auf die Beimischung eines Zusatzgases verzichtet und die Tatsache ausnutzt, daß sich die Moleküle bestimmter Uranverbindungen bei Energiezufuhr

zersetzen. Hler kommen z. B. Verbindungen aus der Gruppe der Uranyle In Betracht, d. h. Verbindungen der Forme! UO₂AB mit UQ₂ als zweiwertigem Kalicn und zwei eventuell gleichen anorganischen oder organischen Anlonen A und B, wobei zu dem Uranylmolekü! noch ein neutraler Llgand hinzutreten kann. Auch hier kann nach Trennung der zersetzten und nicht zersetzten Moleküle wieder das Uranmetall zurückgewonnen werden.

Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte Vorteil besteht insbesondere in einer Verbilligung der Anreicherung von Metallen bestimmter Isotopen, wie z. B. der Anreicherung von U²³⁵ für Brennelemente der Kernenerglegewlnnung.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Isotopentrennung, Insbesondere von Uranisotopen, bei dem die Isotopen In Verbindungen überführt werden, deren Moleküle eine Absorbtlonsllnie (Rotatlons-Schwlngungslinle) besitzen, die einer Emissionslinie eines Lasers entspricht, wobei die Isotopen an der Molekülschwingung beteiligt sind und bei dem die Moleküle einer Isotopenart durch Bestrahlung mit dem Laser selektiv angeregt werden und die Moleküle dieser Isotopenart auf chemischem Wege von den nicht angeregten Molekülen getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zuführung eines oder mehrerer Reaktionspartner ein Reaktionsgemisch hergestellt und auf eine Temperatur gebracht wird, bei der ohne Laserbestrahlung gerade noch keine merkliche chemische Reaktion stattfindet, worauf das Reaktionsgemisch der Laserstrahlung ausgesetzt wird, und daß nach chemischer Reaktion der angeregten Teile des Reaktionsgemisches die vorliegenden unterschiedlichen Stoffe voneinander getrennt werden.

2. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Trennung von Uranisotopen, dadurch gekennzeichnet, daß man auf die Anwesenheit eines zusätzlichen Reaktionspartners verzichtet und eine Uranverbindung verwendet, die sich bei Energiezufuhr zersetzt.