DE2349437A1

DE2349437A1 - Verfahren und vorrichtung zur isotopenabtrennung durch selektive ionisation

Info

Publication number: DE2349437A1
Application number: DE19732349437
Authority: DE
Inventors: Arthur Kantrowitz
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1973-10-02
Publication date: 1974-08-08
Also published as: FR2216007B1; JPS49105097A; ES420113A1; US3940615A; GB1460282A; IL43509A; AU6174473A; IT999136B; IL43509A0; SE409950B; BE807442A; NL7314882A; CA994010A; FR2216007A1; CH571884A5; JPS5713331B2

Description

DR. KARL TH. HEGEL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

PATENTANWÄLTE

~1 2OQO Hamburg BO

Große Bergstraße 223 Postfach SO 06 62 Telefon: (O41I) 3962 9S

Telegramm-Adresse: DoeUnerpatera

L J

Ihr Zeichen: Unser Zeichen: Datum

OKT. 13?3

Jersey Huclear-Avco Isotopes, inc,

777 106th Avenue, 17.E., Bellevue, Washington, Y₀St₀Ao

Verfahren und Vorrichtung zur Isotopenabtrennung durch selektive Ionisation

ule Erfindung bezieht sich auf Isotopenabtrennung durch selektive Ionisation und im besonderen auf ein Verfahren aur v/ir-tsciiaftliclien Nutzbarmachung einer Isotopenquelle«

iTahezu alle Spaltreaktionen, die das Uranisotop -Up₇C verwenden, machen eine Konzentration des Up-,j- erforderlich, die größer ist als in dem natürlich vorkommenden Stadium= Die Anreicherung, durch welche die Konzentration des U₀-,^ i:i. natürlichem oder bereits ausgebeutetem Uran bis zu einem gewünschten ITi ve au angehoben wird, wurde bislang-durch viele Verfahren bewerkstelligt, die im allgemeinen das Up-j- von den silieren Uranisotopen, im wesentlichen Up-,ο, aufgrund ih-.;sr 5ex-i:igen chsmischen Unterschiede oder Kassendifferenz en s.btrennen. Die Anreicherung ne.ch diesen Verfahren erfordert

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Pos:sciiä?ekfcoiUT>: IlnmbuPi; 2912 20 · Bank: Dresdner Bank AG. Eto.-Nr. S81SS97

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hintereinandergesclialtete ■ Vorgänge, wobei in einer ±^:Olge die gleichen Schritte wiederholt zur Anwendung kozsnen, während ,jeder Schritt einen kleinen Anstieg in der Konzentration des gewünschten ü~_%[--Isotops bedeutet,

Ein erfolgversprechendes Verfahren zur- wirkungsvollen Abtrennung des U„_--Isotops arbeitet nach der selektiven Ionisation dieses Isotops in einem Urandsiapf _s ohne daß- dabei gleichzeitig die Up₇olsotope in dem Dampf ionisiert werden» Qis Ionisation überträgt auf die gewünschten !!-,-^-Isotope elektrische Giiarabteristika, die eine Abtrennung "fen. den übrigen Eoapcneriten des ürandampfes gestatten» Das Uran wird verdäsipft» uia die Anwendung der lonisationsenergie in dsz- Sbrm -ich Lpserstr&Llung auf das Uran zu erleichtern und ein Yolunien reXs;i:i~ beweglicher Partikel zu schaffen₅ aus welchem die ionisisrtsn ürsnatome unter Verwendung eines querfeld-sagnethydrodjnaiaiseliSii Beschleunigers abgetrennt werden komieii« Bei den isZLreieheruiisrsTsriahren handelt es sich um ein kontinuis2?lieiies YerfsJir3ii_s bei welchem wiederholt die Laserstrahlung und die Eesslileunigungskräfte nacheinander in der ¥eise suia Tiusats komEeirij daß es wünschenswert erscheint, den Dampf kozi'üiiiuisirlicii, beispielswsise durcfc. Erhitzen des Urans zu erzeugen,, so daS ein SsEpfstrosL entsteht₃

Ss ist "bekannt 5 daß bei der 'iTerdsapfiiiig sinse I-IfÄ;^::::?ials in den gas= oder dampfförmigen Ziietaz,o, ein in alle Sdciruirigaii sicpandier®ndes Tolumeo. des Gases entstsiiUo EieiilJEdJsursiiigsr wir-d

ten Partikeln in eineia BaHrpf ode^ 2?lasaa in stLl'^szeir^r. ~/irtschaftlicher5 wenn die Biaensioiiss esa S-späirs.'üi-v:^^'. ^zelciies geringer werden. Dieses beruht aiimiziaest teilweiss auf den Be-

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grenzungen der mittleren freien Weglänge der beschleunigten Partikel. Se ist nämlich, erwünscht, die beschleunigten Partikel unter solchen Entfernungen au sammeln, wo nur eine geringe Wahrscheinlichkeit; von Partike-lkollisionen mit anderen Bestandteilen eintreten. Man möchte daaer einerseits den gesamten weiten Winkel des Dampfstromes, der erzeugt wird,, erfassen_s während andererseits die Theorie für relativ kleine Bereiche für das Querfela-AbtreBmmgsverfahren spricht»

Außerdem wird dort auf eine wirtschaftliche Weise die Abtrennung der ionisierten Partikel von dem Dampf erreicht, wo eine gleichmäßige lokale Partikelbewegiingsrichtung aufrechterhalten werden kann, so daß die ionisierten Partikel in einer hierzu senkrechtsn Sichtung "beschleunigt werden können, wobei die ionisierten Partikel nnä. die übrigen Dampfbestandteile getrennt voneinander aufgesammelt werden können, während gleichzeitig das Uran mit den entspreckenden Isotopenkonzentrationen angereichert wird. Biese wünschenswerten Abtrennungsbedingungen werden leichter erreicht, wenn man den Bereich und den Winkel des Dampfstroms begrenzt.

Hach der Erfindung wird nun ein Anreicherungssystem unter Verwendung der selektiven Ionisation geschaffen, bei welchem der erzeugte ürandampf als radial expandierender Dampfstrom über einen großen Winke!bereich in Richtung auf einen Vielkammerquerfeld-hydrodynamischen Beschleuniger gerichtet wird, der den radial expandierenden Dampf über einen entsprechenden Winkel aufnimmt und nach der selektiven Ionisation die Trennung der ionisierten und nichtionisierten Dampfpartikel durch zwei senkrecht aufeinanderstellende Bewegungen durchführt. Der Wirkungs-

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grad des Systems wird erheblich verbessert, indem der Ionenseparator so ausgestaltet wird, daß er die Urandampfexpansion über einen weiten Winkel aufzunehmen vermag. Darüber hinaus wird die Notwendigkeit für die periodische Keinigung der Dampfer Zeugungsvorrichtung, die sonst durch die Kreislaufführung des unbenutzten Dampfes erforderlich ist, vermindert.

Bei einer speziellen Ausführungsform wird ein Elektronenstrahl entlang einer Linie auf der Oberfläche des Uranmetalles gerichtet, wodurch ein lokales Verdampfen an den Einschlagpunkten entlang der Linie bewirkt wird. Das verdampfte Uran expandiert radial von der Aufschlaglinie in einem Bereich, wo der Einsatz von Laserenergie ein Plasma erzeugt, das selektiv ionisierte Atome des gewünschten Up^-Isotops, onne daß die Atome der anderen Bestandteile des Dampfes ionisiert sind. Eine Vielzahl von Ionentrenn- und-sammelkammern schließen den Ionisationsbereich ein und übertragen auf die Ionen des Plasmas eine Geschwindigkeit in einer Bewegungsrichtung, die im wesentlichen senkrecht zur radialen Expansion des Plasmas als ganzem steht. Hierdurch ist es möglich, die abgelenkten Partikel des Up35~ Isotops von dem verbleibenden Teil des Dampfes abzutrennen, den man auf seinem radialen Weg fortfahren läßt und schließlich sammelt und aus dem System abzieht.

Dieses Verfahren führt dazu, daß es möglich wird, den Wirkungsgrad bei der Erzeugung und Verwendung des Urandampfes erheblich zu vergrößern. Darüber hinaus vermag das System ohne Reinigung über größere Zeitabstände hinweg zu arbeiten und eine größere Anreicherungsausbeute zu erzielen, ohne daß erhöhte Verfahrensund Betriebskosten entstehen.

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Die Erfindung soll im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf eine "bevorzugte Ausführungsform anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

Pig. 1 ein Energieniveau-Diagramm zur Erläuterung des Ionisationsverfahrens ,

5¹Xg. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Isotopenabtrennung und

J¹Ig.3 einen Querschnitt durch einen Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 2 entlang den dort angezeigten Schnittlinien.

Die Erfindung ist allgemein auf die Abtrennung von Partikeln gerichtet unter Verwendung eines Partikelstromes, dessen Partikel sich in einem weiten Winkel radial oder in der J?orm eines üosinus bewegen, wobei im allgemeinen die Partikel Atome, Moleküle oder irgendwelche anderen Partikel sein können.

Die Erfindung eignet sich besonders für die Up^₁--Anreicherung unter Verwendung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur selektiven Ionisation des Op^c-Isotops in natürlich vorkommendem oder bereits ausgebeuteten Uran. Venn man den Dampf von elementarem Uran zur Erzeugung der selektiven Ionisation des gewünschten Up₅,(--Isotops einer Laserstrahlung aussetzt, vermittelt man den U„y.j--Partikeln eine Eigenschaft, die es ermöglicht, diese getrennt von dem Dampf aufzufangen. Wie in der I¹XgUr 1 angedeutet ist, kann man das Verfahren der selektiven Ionisation durch eins Erregung der Atome des gewünschten Isotops.in zwei Schritten durchführen, wobei es sich um die Energieschritte 12 und 14-haiidelt, bis in einen Ionisationsbereich 16, der für Uran ober-

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lial"b etwa 6,2 eV liegt. Bei einer typischen Ausführungsform gemäß Fig. 1 wird der Übergang 12 erzielt, indem man den Urandampf einer Laserstrahlung mit geringer Bandweite aussetzt, de ren Frequenz eine!"Absorptionslinie des gewünschten Up.,,--Isotops entspricht, die sich jedoch nicht mit entsprechenden Absorptionslinien anderer Isotope des Dampfes deckt. Eine zusätzliche Laserstrahlung mit einer entsprechend eingestellten

.„ bwwirkt ^₁, „, . -, _.,. ., .,„,--, Frequenz aen übergang 14- m den lonisatxozisberexch 16 aes in Fig. 1 dargestellten Energieniveaudiagramms hinein. Obwohl es eigentlich nicht für das Verständnis der 'vorliegenden Erfindung erforderlicny wird für weitere ¥erfahrensbetrachtungen auf das französische Patent 71.14007, erteilt am 10. Januar 1972 (Veröffentlichung ITr. 2 094 976) verwiesen und' Bezug genommen.

Ein System, bei welchem die selektiTe lonisationstechnik verwandt wird, wie sie in Fig. 1 angezeigt ist, besitzt üblicherweise einen Generator zur Erzeugung des Urandampfes sowie einen Separator zur Sammlung der ionisierten Isotope aus den nicht™ ionisierten Bestandteilen, die im Anschluß daran aus dem System abgezogen werden. Es ist hier erwünscht, daß die Dampfgeschwindigkeit die Dampfpartikel in den lonenkolle&tor hineinzieht,' während man die Richtung der lokalen Dampfpartikelbewegung gleichmäßig aufrechterhält. Strahlungsenergie mit einer oder mehreren Frequenzen läßt man auf den Dampf in dem loiienkollektor einwirken und erzeugt ein Plasma selektier ionisierter Up^c-Ionen. Durch einen querfeld-magnethydrodynamischen Beschleuniger innerhalb des lonenkollektors überträgt man auf die Ionen eine Geschwindigkeit in einer zweiten Eic-iitung, die normalerweise senkrecht auf der Escpansionsrichtung "^s Dsmpfes steht, so daß zwei aufeinander senkrechtstehend© Partilcelströine

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entstehen. Der eine "besteht zu einem wesentlich größeren Bestandteil aus dem gewünschten XL^c-Isotop, als dies in dem ursprünglichen Dampf der Fall ist, während der andere Strom den übrigen Teil des Dampfes enthält. So werden voneinander getrennte Ströme erzeugt, die unabhängig voneinander gesammelt werden können, i*as normalerweise auf Sammelplatten geschieht, von wo aus sie nachfolgend entfernt und der Verwendung zugeführt werden können.

In den Figuren 2, 3 ^η& 4- ist nun ein System zur Isotopentrennung dargestellt, die sich grundsätzlich nach den oben erläuterten Prinzipien vollzieht; wobei jedoch ein wesentlicher Anstieg des Wirkungsgrades durch die Ausbildung der lonensammelvorrichtung erreicht wird, so daß sich die Erzeugung des Urandampfes wirtschaftlicher durchführen läßt.

Die Figur 2 zeigt ein System zur Verdampfung des Uranmetalls zur selektiven Ionisation des Up-,,--Isotops in dem Dampf und zur Sammlung des ionisierten Isotops. Im einzelnen ist dort ein Lasersystem 20 vorgesehen mit einem abstimmbaren Farbstofflaser der ein Lasermedium 22, wie beispielsweise eine Farbstofflösung, und ein entsprechendes Abstimmsystem 24 enthält. Außerdem ist ein Erregersystem 26, ein Zeitgebersystem 28 mit dem Lasermedium 22 verbunden, um die Frequenz des Ausgangsstrahles 30 einzustellen, die Erregungsenergie für das Material 20 zu erzeugen und den Ausgangsimpuls zu bewirken. Falls es erforderlich ist, kann der Laserstrahl einmal oder mehrfach verstärkt werden.

Bei dem Lasersystem 20 kann es sich beispielsweise um den "Dial-A-Line"-Laser der Avco Everett Research Laboratory handeln, der

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in dem amerikanisehen. Patent 3 684- 979 beschrieben wird und so eingestellt ist, daß er eine enge Bandbreite des AusgangsStrahles entsprechend der Frequenz einer Absorptionslinie des Up-,^- Isotops abstrahlt, ohne daß dabei die anderen Isotope des Urandampfes ionisiert werden. Die Strahlung innerhalb des Strahles 30 wird normalerweise so eingesetzt, daß sie zu dem Energieschritt 12 gemäß Fig. 1 führt. Der Ausgangsstrahl ^Q kann erforderlichenfalls mit Hilfe eines Etalon-Filters auf die gewünschte enge Bandbreite eingestellt werden. Eine typische Absorptionslinie für das Up_,--Isotop, um den Übergang 12 von dem Ausgangs stadium des U035 bis zu einem Zwischenerregungsniveau durchzuführen, kann man aus der Literatur finden, wie beispielsweise aus LA-4-501 "Present Status of the Analyses of the First and Second Spectra of Uranium (UI and UII) as Derived from Measurements of Optical Spectra", Los Alamos Scientific Laboratory der Universität von Kalifornien, das vom National Technical Information Service, U.S. Department of Commerce, verfügbar ist.

normalerweise wird ein zweites Lasersystem 62 eingesetzt, um eine Strahlung innerhalb eines Strahles 34- mit einer hinreichenden Photonenenergie zu erzeugen, mittels welcher sich der Ionisationsschritt 14· durchführen läßt. Der Laserstrahl 32 von dem Lasersystem 32 wird mit dem Strahl 30 durch einen dichroischen Spiegel 36 vereinigt, um den zusammengesetzten Strahl zu erzeugen.

Der Laserstrahl 38 wird der Kammer 4-0 durch ein Fenster 4-2 innerhalb eines Rohres 44 zugeführt. Das Fenster 4-2 läßt die Frequenzen der Strahlung innerhalb des Strahles 38 hindurch, und

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das Bohr 44 schützt vor "Verschmutzung durch den Urandampf innerhalb der Kammer 40. Das Fenster 42 besteht üblicherweise aus einem Quarzkristall. Der Strahl 38 durchläuft die Kammer 40 und verläßt sie durch ein rückwärtiges Fenster 46 sowie ein Kohr 48 und kann einer weiteren oder mehreren Kammern 50 zugeführt xtferden, um die Energie des Strahles 38 besser auszunutzen.

Die Kammer 40 wird mit Hilfe eines Takuumsystems 52 evakuiert, um einen niedrigen Druck innerhalb der Kammer 40 aufrechtzuerhalten, womit eine Beeinflussung des Ionisations- und Sammlungsprozesses infolge von chemischen Reaktionen oder Partikelkollisionen verhindert werden soll. Wenn der Strahl 38 die Kammer 40 durchläuft, wird er durch ein Spiegelsystem 54 und 56 reflektiert, das vorzugsweise außerhalb der Kammer 40 angeordnet ist, um eine Uranverschmutzung zu verhindern. Mit Hilfe der Spiegel wird der Strahl mehrfach durch den Ionenseparator 58 hindurchgeleitet, wo der von der Quelle 60 erzeugte Urandampf zur selektiven Ionisation angestrahlt wird. Anschließend wird die Trennung durch die Einwirkung eines magnetischen Feldes, das koaxial zum Laserstrahl 38 liegt, sowie einen elektrischen Strom zwischen der Dampfquelle 60 und dem Ionenseparator 58 bewirkt. Das magnetische Feld wird durch die Spulen 62, 64 und 66, die koaxial zu dem Strahl 38 angeordnet sind, erzeugt, wo- ■ bei die Spulen durch eine Stromquelle 68 erregt werden, obwohl auch andere Anordnungen zur Erzeugung eines Feldes Verwendung finden können. Der elektrische Strom zwischen der DampfquelleöO und dem Separator 58 wird mittels einer Stromimpulsquelle 70 erzeugt. Ein herkömmlicher Zeitgeber 72 ist an das Zeitgebersystem 28 der Lasersysteme 20 und 32 sowie an die Impulsquelle 70 angeschlossen, um eine wiederholte Folge von Laserstrah-

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lung und elektrischem Strom zu erzeugen, wie nachfolgend noch "beschrieben werden soll.

Die Details der Kammer 40 versteht man am besten unter Betrachtung der Figur p. Die dort dargestellte Urandampfquelle 60 besteht aus einem langen Schmelztiegel 74-j in dessen Wandungen Durchlässe 76 vorgesehen sind, die mit einem Zirkulationssystem 78 in Verbindung stehen, das von einer Eühlflüssigkeit durchströmt wird. Der Schmelztiegel 74- enthält eine Uranmasse 80, die an der Oberfläche entlang der Linie 82 durch einen von einer Strahlungsquelle 86 stammenden Elektronenstrahl 84 angestrahlt wird, wobei die Strahlungsquelle normalerweise aus einer längen Wendel 88 und Beschleimigerplatten 90 besteht. Die Zentrierung wird durch das magnetische Feld 92 erreicht, das durch die Spulen 62, 64 und 66 erzeugt wird, um den Strahl 64 auf die Linie 82 auszurichten. Das Evakuieren der Kammer 40 verhindert eine Störung des Strahles 84 oder der Wendel 88. Es können auch andere Anordnungen zur Aufnahme oder zum Beheizen des Uranes oder eines anderen Materials eingesetzt werden.

Ein hinreichendes Aufheizen des Urans 80, wobei es zumindest teilweise verflüssigt wird, geschieht durch die Energie des Elektronenstrahles 84. Durch das lokale Erhitzen entlang der Linie 82 wird das Uran in der Hähe der Linie 82 verdampft, indem man den Elektronenstrahl 84 entsprechend stark macht.

Die Expansion des Urandampfes ist zweidimensional, radial von der Linie 82 weggerichtet und besitzt eine Yerteilung entsprechend dem Kosinus über einen Winkel 94· Sas verdampfende Uran expandiert, kühlt sich ab und erreicht eine beträchtliche Ge-

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schwindigkeit bei dem niedrigen Druck innerhalb der Kammer Die verdampften Uranpartikel bewegen sich in einiger Entfernung von der Linie 82 im wesentlichen radial über den verhältnismäßig großen Winkel 94. Im einzelnen ist die Geschwindigkeitsverteilung elliptisch um jede radiale Linie, wobei die kleinere elliptische Achse in der Umfangsrichtung liegt, so daß die Partikelgeschwindigkeit allgemein in radialen Ebenen liegt. Obwohl auch andere Dampfquellen verwendet werden können, zeigt sich allerdings, daß die Eigenschaften dieser Verdampfungstechnik die Schaffung einer im wesentlichen gleichen Geschwindigkeit srichtung für das expandierende Uran in jedem beliebigen Punkt erleichtert.

Der expandierende Urandampf strömt in Eichtung auf den Ionenseparator 58 zu, der, wie dargestellt, eine Elektrode 96 besitzt, die in der Form eines zylindrischen Bogens über den Winkel 94 sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckt. Eine Anzahl von Klappen 98 erstrecken sich radial nach innen in Richtung auf die Linie 82, wodurch der Ionenseparator 58 in eine Anzahl Kammern 100 aufgeteilt wird. Die Platten 98 durchlaufen der Länge nach die Kammer 40 und stehen in bezug auf Fig. 3 senkrecht zur Zeichenebene. Ein Wirkungsbereich 102, der die Form eines zylindrischen Bogens hat, erstreckt sich senkrecht zur Zeichenebene in einem Abschnitt, der das Innere der Kammern 100 einschließt. Der Laserstrahl wird mehrfach durch die Region 102, und zwar senkrecht zur Zeichenebene hindurchgeschickt, um mit Hilfe der Spiegel 54 und 56 nacheinander alle Kammern 100 auszuleuchten. Andererseits könnte auch eine Anzahl dieser Systeme bereitgestellt werden, um für jede Kammer 100 einen besonderen Strahl J8 zur Verfügung zu haben.

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Beim Betrieb der Anordnung gemäß Fig. 3 wird durch die kontinuierliche Anwendung des Elektronenstrahles 84 ein radial expandierender Dampf 92 kontinuierlich zur Verfügung gestellt. Das Zeitgebersystem 72 erregt periodisch beide Lasersysteme 20 und 32, so daß gleichzeitig Laserausgangsimpulse von einer Dauer erzeugt werden, die im Bereich eines Bruchteiles einer Mikrosekunde liegt, wobei die Wiederholungsgeschwindigkeit vorzugsweise ausreicht, um im wesentlichen alle Atome innerhalb des Dampfes anzustrahlen. Direkt im Anschluß an jeden Laserimpuls wird ein elektrischer Stromimpuls 110 zwischen der Elektrode 96 und dem Schmelztiegel 74- über die Impulsquelle 70 erzeugt, deren Ausgangsklemmen damit in Verbindung stehen. Der «Stromimpuls hat eine Dauer von etwa zwei MikroSekunden und eine

ρ Stärke im Bereich von etwa 1 bis 10 Ampere pro cm in der Nähe der Platten 98 zur Erzeugung einer Magnetfeldstärke von 100 bis 1000 Gauß. Vorzugsweise wird auch der Abstand zwischen den Platten so eingestellt, daß er geringer ist als die mittlere freie Weglänge des Plasmas, um eine Ablenkung der gewünschten --Atome zu verhindern.

Der Stromimpuls 110 ruft zusammen mit dem magnetischen Feld 92 ein umlaufendes elektrisches Feld 111 im Bereich zwischen den Platten 98 hervor. Der Strom 110, das elektrische Feld 111 und das Magnetfeld 92 bewirken eine querfeld-hydrodynamische Beschleunigung, die derart auf die Ionen des Up-,^, die durch den Laserstrahl 38 in dem Bereich 102 erzeugt werden, wirkt, daß diese in Sichtung auf die Platten 98 beschleunigt und dort gesammelt werden. Hierdurch wird ein Strom der gewünschten Atome in Richtung auf eine der Platten 98 in einer Richtung erzeugt, die senkrecht auf der örtlichen Bewegungsrichtung des

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radial expandierenden Dampfes steht. Der durch die Querfeld-Beschleunigung erzeugte Strom enthält eine Konzentration des gewünschten U -(--Isotops, die beträchtlich höher ist als diejenige innerhalb des Dampfes. Dieser senkrecht abgelenkte Strom ermöglicht es außerdem, sowohl das Up₇.^ einerseits sowie die übrigen Bestandteile des Dampfes andererseits auf den entsprechenden Platten 98.und der Elektrode 96 getrennt voneinander zu sammeln. In bestimmten zeitlichen Abständen können die Elektrode 96 und die Platten 98 gereinigt werden, um das angereicherte Uran Up-,j- und das ausgebeutete Uran unabhängig voneinander zu gewinnen.

Bezüglich der praktischen Durchführung des Verfahrens wäre noch auf folgendes hinzuweisen: Es ist bekannt, daß die Up-,,--Ionen eine Ladungsaustausehreaktion mit nichtionisierten Dampfatomen eingehen können, wobei ein ionisiertes Dampfatom entsteht und das gewünschte Up^-Atom wieder seine Ladungsneutralität besitzt. Es wird dementsprechend bevorzugt,, daß die guerfeld¹^^ drodynamische Beschleunigung durchgeführt wird, bevor Ladungsaustauschreaktionen in wesentlichem Umfang eintreten können, weshalb die Dauer des Stromimpulses 110 normalerweise zwei Mikrosekunden betragen soll, obwohl natürlich auch andere Zeiten eingesetzt werden können.

Während die Platten 98 parallel zur radialen Dampfexpansion angeordnet sind, um das Ansammeln nicht-ionisierter Dampfpartikel auf den Platte/n zu verhindern, können aus praktischen Erwägungen außerdem Schutzschirme 112 vor den Innenkanten der Platten angeordnet sein, um den Trennfaktor zu verbessern, indem eine zufällige Ansammlung von nichtionisierten Atomen auf

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den Platten 98 vermindert wird. Als Alternative zu dem Stromimpuls von der Elektrode 96 können getrennte Elektroden 114, wie in der Zeichnung dargestellt, jeweils zwischen den Platten 98 an dem radial äußeren Ende einer jeden Kammer 100 für diesen Zweck vorgesehen sein. In diesem Fall kann die Elektrode 96 als SammeIplatte dienen und kann weiter - entfernt von den Kammern 100 angeordnet sein, um ihre elektrischen Auswirkungen zu vermindern.

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Claims

Anmelder: Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc.

Patent an Sprüche

Λ. Verfahren zur Abtrennung von Isotopen aus einem mehrere Isotopen enthaltenden Material, dadurch gekennzeichnet, daß man das Material als Dampf radial über einen weiten. Winkel expandieren läßt, die Flugbahnen der Partikel des abzutrennenden Isotops in einer Richtung ablenkt, die von der Richtung der übrigen Bestandteile des Dampfstromes abweicht, und die Partikel des Isotops getrennt von den übrigen Bestandteilen des Dampfstromes sammelt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abzusondernde Isotop selektiv ionisiert und das selektiv ionisierte Isotop beschleunigt wird.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man das selektiv ionisierte Isotop einer Querfeldbeschleunigung aussetzt.
4-. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Oberfläche eines mehrere Isotopen enthaltenden Materials lokal erhitzt und eine radiale Dampfexpansion des Materials über einen weiten Winkel von der Erhitzungsstelle aus erzeugt, wobei die Dampfexpansion einen beträchtlichen Winkel bestreicht, während man den expandierenden Dampf einer Strahlungsenergie aussetzt und das abzutrennende Isotop innerhalb der Dampfexpansion se-

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lektiv ionisiert und anschließend die durch die Ionisation erzeugten Ionen getrennt von den übrigen Bestandteilen des Dampfes sammelt.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die lokale Erhitzung des die Isotopen enthaltenden Materials durch einen Elektronenstrahl bewirkt, der auf eine Linie auf der Oberfläche des Materials gerichtet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Dampfexpansion einer Querfeldbeschleunigung aussetzt und die Flugbahnen der selektiv ionisierten Bestandteile des Dampfes ablenkt.
7· Vorrichtung zur Abtrennung eines Isotops aus einer mehrere Isotopen enthaltenden Umgebung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, da3 eine Anzahl von Sammelplatten (98) zur Aufnahme von Dampfbestandteilen in Strömungsrichtung des gleichförmig radial expandierenden Dampfes angeordnet ist, während außerdem eine Anordnung (68) zur Ablenkung der Flugbahn der Isotopenpartikel aus der Flugbahn der übrigen Bestandteile des Dampfes vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß eine Sammelplatte (96) für die übrigen Bestandteile des Dampfes vorgesehen ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, da3 eine Anordnung (20, 32) zur selektiven Ionisation des Isotops vorgesehen ist, mittels welcher der Dampfstrom einer Strahlungsenergie aussetzbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9j dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie durch den gesamten Bereich (102) zwischen den Sammelplatten (93) hindurchführbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9> dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (68) zur Beschleunigung des ionisierten Isotops vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, da3-eine Anordnung (68) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen ist, dessen Richtung senkrecht zum Dampfstrom steht, während eine Anordnung (70) zur Erzeugung eines zum Magnetfeld senkrechten, elektrischen leides vorgesehen ist, mittels welcher die Ionen des abzutrennenden Isotops in Richtung auf die Sammelplatten (98) beschleunigbar sind.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 "bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Platten (98) im wesentlichen · parallel zu dem radial expandierenden Dampfstrom unter .Bildung einer oder mehrerer Kammern (100) angeordnet sind.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß an der der Dampfquelle (82) zugewandten Seite der Platten (98) Abschirmschilde (112) angeordnet sind.

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15. Vorrichtung nach. Anspruch 15, gekennzeichnet durch lev eile einer Kammer (100) zugeordnete Elektroden (114), eine weitere Elektrode (74) sowie eine Anordnung (70), die mit den Elektroden (114,74) in Verbindung steht und mitteln v.^reIcher in den Kammern (100) ein elektrischer Strom erzeugbar ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine erste Elektrode (96), die auf der Außenseite der oaimnelplatten (98) den -radial expandierenden Dampfsferom unrreifend angeordnet ist, sowie eine zweite Elektrode (74), die sich auf der Innenseite der .oammelplatteii (38) belir-lec, und außerdem eine Anordnung- zur Erzeugung eines elektrischen .Stromes zwischen, den Elektroden (95, 74) im Bereich zwischen den Platten (33).
17· Vorrichtung nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch eine Anordnung (68) zur Erzeugung eines Hagnetfeldes im Bereich der Platten (3S), das senkrecht zu der radialen Dampfströmung gerichtet ist.
18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 17, gekennzeichnet durch eine Anordnung (80, 82, 88, 30) zur Erzeugung eines radial expandierenden Dampfstromes, bestehend aus einem mehrere Isotopen enthaltenden E-laterials, eine Anordnung (20, 52, 36) zur seÄtiven Ionisierung der Partikel des abzutrennenden Isotops im 3ereich des sich radial expandierenden Dampfstromes sowie eine Anordnung (73, 70) zur Beschleunigung der selektiv ionisierten Partikel in einer Richtung, die sich von der Richtung des Dampfstromes unterscheidet.

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19· Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (9S) zur Unterbrechung der Bewegung und zur
Sammlung der beschleunigten Partikel derart angeordnet sind, daß eie nicht in der Bahn der übrigen Bestandteile des
Dampfstromes liegen.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine
Heizvorrichtung (85, 88, 90) zur Erzeugung eines radial
expandierenden Dampfstromes.
?A. Vorrichtung nach Anspruch. 20, dadurch gekennzeichnet, da3 die Heizvorrichtung aus einer Strahlungsquelle (86) besteht, während eine Anordnung (90) zur Zentrierung des Strahles
auf eine Linie (52) auf der Oberfläche des Haterials (80) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, da.3 die Anordnung (86) zur Erzeugung eines Strahles (8-4-) eine Wendel (88) zur Erzeugung von Elektronen aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, da3 mittels der Strahlungsquelle (36) eine Erhitzung der Oberfläche des Materials entlang einer Linie (82) durchführbar ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich oberhalb der Oberfläche des flüssigen i'iaterials (80/ kein Hindernis für den Dampfstrom aufweist.

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25· Vorrichtung nach. .Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Strahlungsquelle (86, 88, 90) das Material (80) verflüssigbar ist, während eine Anordnung (76) zur Kühlung des das flüssige Material (80) enthaltenden Behälters (74-) vorgesehen ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Anordnung (68) um einen querfeld-magnethydrodynamischen Beschleuniger handelt.
27· Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Anordnung (68) auf die ionisierten Partikel eine Bewegung übertragbar ist, die senkrecht auf dem Dampfstrom steht.
28. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die selektive Ionisation des abzutrennenden Isotops die Anordnung (70) zur Erzeugung des elektrischen Feldes sowie die Anordnung (68) zur Erzeugung des magnetischen Feldes während einer vorbestimmten Zeitdauer gleichzeitig erregbar sind.
29· Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (20, 32) zur selektiven Ionisierung der abzutrennenden Partikel wiederholt betätigbar ist.
30. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Zeit geringer ist als die für einen Ladungsaustausch zwischen den selektiv ionisierten Partikeln und dem Dampfstrom erforderliche Zeitdauer.

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Vorrichtung nach den Ansprüchen 7 bis 30» dadurch gekennzeichnet, daß die Urandampfquelle (60) aus einem sich in die Länge erstreckenden Schmelztiegel-(74)· zur Aufnahme des zu verdampfenden Materials (80) besteht, der mit Kühlöffnungen (76) versehen ist, die an ein Kühlsystem (78) angeschlossen sind.

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