DE2037030C1

DE2037030C1 - Einrichtung zur Trennung von Isotopen durch Zentrifugalkräfte

Info

Publication number: DE2037030C1
Application number: DE2037030A
Authority: DE
Inventors: Mujeeb Dr. Hashmi; Adriaan Julius Van Der Dr. Houven Van Oordt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1970-07-25
Filing date: 1970-07-25
Publication date: 1975-08-07
Also published as: BE770460A; GB1385325A

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Trennung von Isotopen durch Zentrifugalkräfte, mit einer vakuumdichten Trennkammer, in der ein Plasma, das Ionen der zu trennenden Isotopen enthält, durch ein radiales elektrisches und ein axiales magnetisches Feld in Rotation um eine Achse versetzt wird, ferner mit mindestens einer auf der Achse angeordneten Elektrode und mit einer Vorrichtung zur Entnahme von Fraktionen, die mit leichten bzw. schweren Isotopen angereichert sind, aus einem achsnahen bzw. achsfernen Bereich der Trennkammer.

Zur Trennung von Isotopen sind unter anderem das Gasdiffusionsverfahren, das Trenndüsenverfahren und das Gaszentrifegenverfahren bekannt. Von diesen bekannten Verfahren ergibt das Gaszentrifugenverfahren den größten elementaren Trenneffekt. Trotzdem sind bei praktischen Anwendungen immer noch verhältnismäßig viele Trennstufen erforderlich, da die Trommelumfangsgeschwindigkeit durch die Festigkeit der zur Verfugung stehenden Rotorwerkstoffe begrenzt ist. Eine kurze Zusammenfassung der bekannten Verfahren zur Isotopentrennung findet

sich in dem Buch von Riezler und Walcher, »Kerntechnik«, B. G. Teubner Verlagsgesellschaft, Stuttgart, 1958, S. 227 bis 261.

Es ist ferner aus der DT-AS 12 59 603 eine Einrichtung zur Erzeugung einer Rotation einer Gasmenge zur Isotopentrennung bekanntgeworden, die eine von einem axialen Magnetfeld durchsetzte Trennkammer enthält, in der sich eine in der Nähe der Achse angeordnete erste Elektrodenanordnung und eine diese im Abstand umgebende ringförmige zweite Elektrode angeordnet sind, zwischen denen durch ein elektrisches Feld eine Gasentladung erzeugt wird. Durch die Wechselwirkung des radialen elektrischen Feldes mit dem axialen magnetischen Feld entsteht eine Rotation des durch die Gasentladung erzeugten Plasmas um die zum Magnetfeld parallele Achse. Um die elektrische Entladung zu stabilisieren, ist die achsnahe Elektrode in Sektoren unterteilt.

Die Erzeugung einer stabilen radialsymmetrischen Entladung ist trotz der im bekannten Falle getroffenen Maßnahmen problematisch, außerdem sind bei den Drücken, die für einen Lichtbogen erforderlich sind, keine sehr hohen Rotationsgeschwindigkeiten möglich. Schließlich bringt die hohe Temperatur des »s Lichtbogens wegen störender Diffusionseffekte und starkem Verschleiß der Elektroden weitere Probleme mit sich.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Isotopentrennung durch Zentrifugalkräfte anzugeben, die mit geringem Aufwand ein stabiles Arbeiten gewährleistet und sich durch einen hohen Massendurchsatz und einen hohen elementaren Trenneffekt auszeichnet.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Elektrode zumindest an einem aktiven Teil ihrer Oberfläche aus einem Material besteht, das im erhitzten Zustand Elektronen emittiert und die zu trennenden Isotope durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag; daß der aktiven Oberfläche der Elektrode durch eine Zuführungsvorrichtung Atome der zu trennenden Isotopen zuführbar sind und daß die Zuführungsvorrichtung, die Heizvorrichtung und die Materialzusammensetzung der Elektrode so ausgebildet sind, daß sich der Betrag der Differenz zwischen der Dichte der von der aktiven Oberfläche der Elektrode thermisch emittierten Elektronen und der Dichte der an der Elektrodenfläche durch Kontaktionisation erzeugten Ionen mit zunehmender Entfernung von der Achse stetig ändert und das radiale elektrische Feld entsteht.

Mit einer solchen Einrichtung ist es möglich, hohe Rotationsgeschwindigkeiten in einem ruhigen und stabilen Plasma zu erreichen, insbesondere wenn die Verhältnisse durch geeignete Wahl des Dichteprofils der der Elektrodenfläche zugeführten Atome und der Temperaturverteilung der Elektrodenfläche in noch zu beschreibender Weise optimiert werden.

Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung ist an Hand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung und

F i g. 2 einen Axialschnitt des Teiles eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das eine etwas andere Elektroden- und Verdampferkonstruktion enthält.

Die Einrichtung gemäß Fig. 1 enthält ein im wesentlichen zylindrisches Vakuumgefäß 10, das aus einem unmagnetischen Material, wie Quarz, Geräteglas oder Edelstahl bestehen kann und von einer zylindrischen Magnetspule 12, die ein axiales Magnetfeld B liefert, koaxial umgeben ist. Im Vakuumgefäß 10 sind zwei heizbare Elektroden 14 a, 14 & angeordnet, die jeweils eine kreisförmige Endplatte 16 σ, 166 enthalten, welche einander gegenüberliegende, ebene Elektrodenflächen 18 a, 18 & bilden. Hinter den Endplatten 16 a, 166 sind toroidförmige Glühkathoden 20 a, 206 angeordnet. Die Anschlüsse der Glühkathoden und der Elektroden sind mittels Durchführungen isoliert durch die Wand des Vakuumgefäßes 10 nach außen geführt und, wie es am Beispiel der Elektrode 14a dargestellt ist, mit einer Heizspannungsquelle 22 bzw. einer Beschleunigungsspannungsquelle 24 so verbunden, daß die Glühkathode auf Emissionstemperatur geheizt und die emittierten Elektronen zur Rückseite der Endplatte 16 hin beschleunigt werden, so daß letztere durch Elektronenbeschuß auf ihre Betriebstemperatur erhitzt wird.

Im Vakuumgefäß 1· ist außerdem eine stark vereinfacht dargestellte Verdampfervorrichtung 26 angeordnet, die mit einer elektrischen Heizeinrichtung 30 versehen ist und einen Atomstrahl auf die Elektrodenfläche 18 β richtet.

Die Endplatten 16 a und 166 bestehen aus einem Material, das die auftreffenden Atome der zu trennenden Isotope durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag. Die Ionisierungsspannung der zu trennenden Isotope muß also vergleichbar mit dem Austrittspotential des Materials der Endplatte 16a sein. Geeignete Materialien für die Endplatte sind z.B. W, Re, Ta, wenn Uranisotope oder Isotope von Alkali- und Erdalkalimetallelementen getrennt werden sollen. Wenn die Endplatte aus Kohlenstoff besteht, können auch Isotope mit noch höheren Ionisationsspannungen ionisiert und getrennt werden.

Im Betrieb der Einrichtung wird die Magnetspule 12 mit Gleichstrom gespeist, so daß in dem von der Vakuumkammer 10 umschlossenen Trennraum ein axiales Magnetfeld zwischen beispielsweise 2 und 8kG herrscht. Die Endplatten 16 a und 16 & werden durch Elektronenbeschuß auf eine Temperatur in der Größenordnung von 2500° K erhitzt, und die Heizeinrichtung 39 der Verdampfervorrichtung 2t, die vorher mit einem die zu trennenden Isotope enthaltenden Material 34 gefüllt worden war, wird in Betrieb gesetzt, so daß die Verdampfervorrichtung 26 einen breiten Atomstrahl 32 auf die Elektrodenfläche 18 a richtet. Die Atome des Atomstrahls werden beim Auf treffen auf die Elektrodenfläche 18 a durch Kontaktionisation ionisiert und bilden mit den von der Fläche 18 a thermisch emittierten Elektronen ein Plasma, das durch das Magnetfeld B in den Raum zwischen den Endplatten 18 a, 186 eingeschlossen wird. Die andere Endplatte 18 6 wird ebenfalls auf Betriebstemperatur erhitzt, so daß an der Fläche 186 ebenfalls Elektronen emittiert werden und eine Kontaktionisation, z. B. von durch Rekombination neutralisierten Atomen, stattfinden kann.

Das Dichteprofil des Atomstrahls 32 wird nun bezüglich der radialen Temperaturverteilung der End-

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platte 16 α so gewählt, daß sich der Betrag der Diffe- Weise, z. B. durch direkten Stromdurchgang, heizbar renz der Dichten der Ionen bzw. Elektronen in Ra- ist. Das verdampfte Material tritt durch öffnungen dialrichtung, also mit zunehmender Entfernung von 44 in der Endplatte 16«' und wird bei der Berühder Achse 36, stetig ändert und dementsprechend rung mit den Wänden dieser Öffnungen ionisiert. Die ein bezüglich der Achse 36 radial gerichtetes elektri- S Endplatte 16 a' ist durch direkten Stromdurchgang sches Feld E auftritt. Vorzugsweise sind die Verhält- heizbar und hierfür durch einen Mittelanschluß 46 nisse so gewählt, daß das Feld nach innen gerichtet und einen Außenanschluß 48 mit einer Heizspanist, d. h., daß das Verhältnis von Ionendichte zu nungsquelle 22' verbunden. Die Ionen- und Elektro-Elektronendichte mit zunehmendem Abstand von der nendichten sind wieder so bemessen, daß sich vor der Achse 36 zunimmt. Die Einrichtung ist jedoch auch io Endplatte 16 a' ein radiales elektrisches Feld ergibt, dann funktionsfähig, wenn dieses Verhältnis mit zu- das zusammen mit dem axialen Magnetfeld B die Ronehmendem Abstand von der Achse abnimmt. Ent- tation des Plasmas bewirkt. Die Achse 36 steht bei sprechende Verhältnisse können auch an der Fläche diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise senkrecht. 18b erhalten werden, wenn man die radiale Tempe- Im übrigen kann die Einrichtung gemäß Fig. 2 wie raturverteilung und/oder gegebenenfalls die Mate- 15 die gemäß F i g. 1 aufgebaut sein,
rialzusammensetzung der Endplatte 16 & m radialer Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen Richtung entsprechend wählt. sich z. B. dadurch abwandeln, daß eine der Endplat-

Auf das Plasma wirken also im Bereich einer ge- ten kalt ist und aus einem beliebigen Material be-

wissen Schicht vor einer oder beiden Elektroden 14 α steht, oder sogar ganz fehlt, insbesondere wenn der

und 14 & das aus der Differenz der Ionen- und Elek- so Trennraum in Axialrichtung verhältnismäßig lang ist.

tronendichte resultierende radiale elektrische Feld E₁. Zusätzlich kann zur Verstärkung des radialen elek-

und das axiale Magnetfelds, so daß das Plasma in trischen Feldes eine die Plasmasäule umgebende

Rotation um die Achse 36 versetzt wird und der ge- zylindrische Elektrode vorgesehen sein, die je nach

wünschte Trenneffekt eintritt. Infolge der Rotation der Richtung des radialen elektrischen Feldes positiv

der Plasmasäure reichern sich die leichtere bzw. 25 oder negativ bezüglich der oder den geheizten Ioni-

schwerere Komponente im Bereich der Achse 36 sierungselektroden vorgespannt ist. Diese zylin-

bzw. im Bereich ' des Umfanges der rotierenden drische Elektrode kann z. B. auch durch einen Teil

Plasmasäule art. Die leichtere Komponente kann der Gefäßwand gebildet werden, der aus einem un-

durch eine Öffnung 38 und einen Kanal 42 entnom- magnetischen Metall oder aus einer leitenden Schicht

men werden, deren Durchmesser größer als der dop- 30 bestehen kann.

pelte Gyrationsradius der Ionen sein soll. Die Ionen Die Ionisierungselektrode kann z. B. auch aus

wandern zwischen den Endplatten 16 a und 166 hin einem heizbaren Hohlkörper bestehen, der gleichzei-

ünd her, und die schwereren Ionen gelangen schließ- tig die Verdampfereinrichtung bildet, das zu ionisie-

lich über den Umfang der Endplatte 166 nach außen rende und verdampfende Material enthält und Öff-

und treten dann durch einen Ringkanal 40 aus. Wenn 35 nungen entsprechend den öffnungen 44 (F i g. 2) auf-

nur an einer Stirnseite der Trennkammer 10 ein sol- weist, aus denen das verdampfte Material bei gleich-

cher Ringkanal vorgesehen ist, wird vorzugsweise die zeitiger Ionisierung an den Wänden austritt. Der

bei diesem Ringkanal angeordnete Elektrode 16 & im Hohlkörper kann auf irgendeine Weise, z. B. durch

Durchmesser etwas kleiner gemacht als die andere Elektronenbeschuß oder durch Stromdurchgang, heiz-

Elektrode 16 a, damit keine Ionen an der Seite der 40 bar sein.

Elektrode 16 a verlorengehen. Der Durchmesser der vorzugsweise kreisförmigen

Wenn verhältnismäßig schwere Isotope, wie Uran- Flächen 16 der Elektroden beträgt vorzugsweise minisotope, zu trennen sind, kann die Rotationsgeschwin- destens 3 bis 10 cm, er kann jedoch auch noch erdigkeit dadurch erhöht werden, daß man ein Plasma heblich größer sein. Die Länge der Trennkammer, in verwendet, das zusätzlich in an sich bekannter Weise 45 Fig. 1 also im wesentlichen der Abstand der Elek-Ionen eines leichten Elementes, z.B. Lithiumionen, trodenflächenl8a, 18 b, beträgt vorzugsweise mindeenthält. Die leichten Ionen können dabei im Über- stens etwa 0,3 bis 0,5 m, sie kann jedoch auch 3 m schuß vorhanden sein und nehmen die zu trennenden und mehr betragen.

schweren Isotopen bei der Rotation mit. Statt Li- Um die gewünschte Dichteverteilung der Elektro-

thiüm kann auch ein anderes leichtes Trägergas ver- 50 nen und Ionen an der aktiven Elektrodenfläche 18 a,

wendet werden, um die Rotationsgeschwindigkeit zu 18 & und 18 α' zu erreichen, kann auch eine Elektrode

erhöhen. verwendet werden, deren Materialzusammensetzung

Die Einrichtung gemäß F i g. 2 unterscheidet sich sich in Radialrichtüng ändert, z. B. so, daß sich die

von der gemäß Fig. 1 vor allem darin, daß die Ver- Ionisierungsfähigkeit bzw. Emissionsfähigkeit der

dampfervorrichtung 26'hinter der Endplatte 16 a' an- 55 Elektrodenfläche in Radialrichtung trotz im wesent-

geordnet ist. Die Verdampfervorrichtung enthält z.B. liehen gleicher Temperatur der Elektrodenfläche in

ein ringförmiges Schiffchen, das auf irgendeine der gewünschten Weise ändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Trennung von Isotopen durch Zentrifugalkräfte, mit einer vakuumdichten Trennkammer, in der ein Plasma, das Ionen der zu trennenden Isotopen enthält, durch ein radiales elektrisches und ein axiales magnetisches Feld in Rotation um eine Achse versetzt wird, ferner mit mindestens einer auf der Achse angeordneten Elektrode und mit einer Vorrichtung zur Entnahme von Fraktionen, die mit leichten bzw. schweren Isotopen angereichert sind, aus einem achsnahen bzw. achsfernen Bereich der Trennkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (14a, 14') zumindest an einem aktiven Teil ihrer Oberfläche aus einem Material besteht, das Im erhitzten Zustand Elektronen emittiert und die zu trennenden Isotope durch Kontaktionisation zu ionisieren vermag; daß der ao aktiven Oberfläche der Elektrode durch eine Zuführungsvorrichtung Atome der zu trennenden Isotopen zuführbar sind und daß die Zuführungsvorrichtung, die Heizvorrichtung und die Materialzusammensetzung der Elektrode so ausgebildet sind, daß sich der Betrag der Differenz zwischen der Dichte der von der aktiven Oberfläche der Elektrode thermisch emittierten Elektronen und der Dichte der an der Elektrodenfläche durch Kontaktionisation erzeugten Ionen mit zunehmender Entfernung von der Achse stetig ändert und das radiale elektrische Feld (E_r) entsteht.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennkammer eine weitere auf der Achse angeordnete heizbare Elektrode (14 b) enthält, deren aktive Oberfläche (166) der aktiven Oberfläche (16 a) der einen Elektrode (14 a) gegenüberliegt und koaxial zur Achse (36) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine (14 b) der Elektroden (14 a, 14 b) eine koaxiale Öffnung (38) aufweist, die mit einem Entnahmekanal (42) für die leichtere Komponente verbunden ist, und daß bei einer der Elektroden ein radial außerhalb ihres Außenrandes angeordneter Entnahmekanal (40) für die schwerere Komponente vorgesehen ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Entnahmekanal (40) für die schwerere Komponente gegenüberliegende Elektrode in Radialrichtung über den Entnahmekanal (40) hinausreicht.

5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (20, 22, 24; 48) eine Temperaturverteilung mit einem radialen Temperaturgradienten in der Elektrodenfläche (18) erzeugt.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (20, 22, 24; 48) so ausgebildet ist, daß die Temperatur der Elektrodenfläche (18) mit zunehmendem Abstand von der Achse (36) abnimmt.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (26, 30) einen auf die Elektrodenfläche (18 a) gerichteten Atomstrahl (32), der die zu trennenden Isotope enthält, liefert (Fig. 1).

8. Einrichtung nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung (26, 30) einen breiten Atomstrahl (32) liefert, dessen Dichte in den achsfernen Bereichen der Elektrodenfläche (18 a) mindestens annähernd gleich der Dichte im Bereich der Achse (36) ist.

9. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungsvorrichtung eine hinter der Elektrodenfläche (18 a) angeordnete Verdampfereinrichtung (26') für die zu trennenden Isotope enthält und daß die Elektrodenfläche Durchbrechungen (44) aufweist, durch die die verdampften und durch Berührung mit den Wänden der Durchbrechungen ionisierten Isotope in den Raum zwischen den Elektroden gelangen.

10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfläche eben ist und senkrecht auf der Achse (36) steht.

11. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Anordnung zum Einführen von Ionen eines Elements, das wesentlich leichter als die zu trennenden Isotope ist, in das Plasma.

12. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von den zu ionisierenden Atomen getroffenen Flächen (18) der Elektroden (14) mindestens zum Teil aus C, W, Re oder Ta bestehen.

13. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine den Trennraum koaxial umgebende Elektrode, die zur Unterstützung des radialen elektrischen Feldes bezüglich der oder den heizbaren Elektroden vorspannbar ist.

14. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Materialzusammensetzung der aktiven Oberfläche (18) der heizbaren Elektrode (14) in Radialrichtung stetig oder stufenweise ändert.