DE2640583C2 - Verfahren zum Trennen von Isotopen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen der Isotope eines Elements in einer gasförmigen Verbindung durch isotopisch selektive Anregung und Umwandlung, wobei die Umwandlung entweder eine Zersetzung oder eine Reaktion mit einem zweiten Gas ist, unter gleichzeitigem Bestrahlen der Verbindung mit zwei Strahlungen von unterschiedlicher Wellenlänge über weniger als 10~⁵ Sekunden, wobei die erste Strahlung eine IR-Strahlung mit einer Wellenlänge ist, die der Absorptionsbande einer Molekülschwingung der Verbindung entspricht, an der die Atome des Elements teilhabeti, wobei ferner die Intensität der ersten Strahlung ausreicht um das Molekül so anzuregen, daß es die zweite Strahlung zu absorbieren vermag, aber unterhalb der Intensität liegt, welche zu einer die Isotopenselektivität beeinträchtigenden Niveauverbreiterung führt, und durch anschließende Abtrennung und Isolierung der umgewandelten Moleküle von den nicht umgewandelten Molekülen. Das erfindungsgemäße Verfahjren eignet sich zur Auftrennung von Uran in dessen wichtige Isotope, ist hierauf jedoch nicht beschränkt.

Die Erfindung geht von der Lehre der US-PS 37 956 (DE-OS 24 49 424) sowie der US-PS 40 03 809 aus, d. h. von einem Isotopentrennverfahren, bei dem zuerst eine Isotopeiiart eines Isotopengemisches durch IR-Photonenabsorption selektiv angeregt und die angeregte Isotopenart anschließend in eine aus dem Ge

misch abtrennbaren Form umgewandelt wird.

Aus der US-PS 27 13 025 und der GB-PS 12 37 474 sind bereits fotochemische Iscitopentrennverfahren zum Trennen von Quecksilberisotopen bekannt Dabei müssen zunächst Bedingungen gefunden werden, unter denen die Atome oder Moleküle eines Isotops eines bestimmten Elements Strahlung stärker absorbieren als die Atome oder Moleküle eines anderen Isotops desselben Elements. Quecksilber ist ein flüchtiges Metall, das leicht Atomdampf bildet der ultraviolette Strahlung von 2537 Ä absorbiert Die AbsoTrtionslinie von Hg²⁰³ ist bezüglich der Absorptionslinie von Hg²⁰⁰ um etwa 0,01 Ä verschoben. Da die Absorptionslinien äußerst schmal sind, kann man entweder Hg²⁰⁰ oder Hg²⁰² mittels einer entsprechend schmalbandigen Strahlung anregen.

Weiter ist es bei der fotochemischen isotopentrennung erforderlich, daß die strahlungsangeregten Atome oder Moleküle einem Prozeß unterliegen, den die unangeregten Atome oder Moleküle nicht oder zumindest nicht so schnell durchlaufen. Ein Quant UV-Strahlung von 2537 Ä überträgt eine Anregungsenergie von 112,7 kcal/mol auf das diese Strahlung absorbierende Quecksilberatom. Die Anzahl der bei Raumtemperatur thermisch auf diese Energie angeregten Quecksilberatome ist verschwindend klein, so daß strahlungsangeregte Atome nicht mit thermisch angeregten Atomen verdünnt sind. Atome dieser hohen Anregungsstufe gehen leicht Reaktionen mit H₂O gemäß der US-PS 27 13 025 oder mit O₂, HCI oder Butadien gemäß der GB-PS 12 37 474 ein, wobei diese Reaktionen bei Raumtemperatur mit unangeregtem Quecksilber nicht ablaufen.

Hingegen ist Uran ein hoch-feuerfestes Metall, das einen äußerst hohen Siedepunkt hat Das bekannte Verfahren läßt sich somit nur schwer mit Uranatomen anstelle von Quecksilberatomen durchführen. Die flüchtigste Uranverbindung ist UF₆. Sowohl U²³⁵F₆ als au> H U²³⁸F₆ absorbieren UV-Strahlung in genau gleichem Maße und bei allen Wellenlängen des UV; UV-Anregung von UF₆ erfüllt somit nicht die erste Bedingung zur fotochemischen Isotopentrennung. UF₆ absorbiert jedoch IR-Strahlung im Bereich von 626 cm-¹ (der Vj-Bande) und 189cm-' (der V₄-Bande). Die V_r und Vi-Banden von U²¹⁵F₆ sind bezüglich der Vj- und Vt-Banden von U-¹⁸F₆ jeweils etwas gegen höhere Energie verschoben, die Größe dieser Verschiebungen ist jedoch klein im Verhältnis zur Breite der Banden; dies bedeutet, daß die infraroten Absorptionsspektren von U²³⁸Ft und U²³⁵F₆ nicht genau zusammenfallen, sondern SKh bei allen Wellenlängen derart überlappen, daß bei der Strahlungsabsorption eines Isotops auch das andere Isotop Strahlung in einem wesentlichen Maße absorbiert. Die Infrarotanregung von UF₆ durch Einzel-IR-Photonenabsorption ist somit ein Prozeß von begrenzter isotopischer Trennschärfe.

Da jedoch mehrstufige Isotopentrennverfahren bekannt sind, ist diese begrenzte Trennschärfe u. U. doch nützlich; aber auch die zweite Bedingung zur fotochemisehen Isotopentrennung bereitet für UF₆ Schwierigkeiten, und zwar unterscheiden sich die durch Einzel-IR-Photonenabsorption angeregten UF6-Moleküle nur geringfügig von den unängeregten Molekülen, da sie nur einen geringen Energiebetrag aufgenommen haben.

Will man lediglich die angeregten Moleküle ohne Beeinflussung der unängeregten Moleküle umwandeln, dann ist ein in bezug auf den Energiegehalt der Moleküle äußerst trennscharfes Umwandlungsverfahren erfor-

derlich.

Eine weitere Schwierigkeit liegt darin, daß die durch Photonenanregung zur Verfugung gestellte Energie äußerst gering ist und die Moleküle auch thermisch auf das gleiche Energieniveau angeregt sein können. Wenn eine Gruppe von Molekülen jeweils ein IR-Photon absorbiert, dann werden diese isotopisch selektiv fotoangeregten Moleküle mit unselektiv thermisch angeregten Molekülen verdünnt Die fotoangeregten Moleküle verschwinden schnell, während die thermisch angeregten Moleküle fortlaufend ergänzt werden. Je mehr Zeit nach der Anregung vergeht, desto stärker wird die Verdünnung der selektiv angeregten Moleküle durch unselektiv angeregte Moleküle, so daß es offensichtlich notwendig ist, die Zeitspanne zwischen Anregung und Umwandlung äußerst klein zu machen, um diese unerwünschte Verdünnung auf ein Mindestmaß zu begrenzen. Sind die Bestrahlungsbedingungen derart, daß ein Molekül mehr .Js ein IR-Photon absorbiert, dann wird dieses auf ein wesentlich höheres Energieniveau als die thermischen Energieniveaus angeregt In der Praxis kann das Molekül bis zur Dissoziationsgrenze angeregt werden.

Zur Mehrfachphotonenabsorption müssen zumindest zwei Bedingungen erfüllt werden: Erstens muß der Anregungsprozeß schneller als die verschiedenen molekularen Relaxationsprozesse sein, und zweitens muß ein Prozeß gewählt werden, der den anharmonischen Charakter von molekularen Oszillatoren, nämlich die Anharmonizität zu r-barwinden hilft. Zur Lösung des ersten Problems wird die Anregungsimpulsbreite kürzer als die entsprechenden Relaxationsztiten gewählt. Zur Lösung des zweiten Problems wird in der US-PS 39 37 956 und der US-PS 40 03 809 die Verwendung eines zweiten Gases vorgeschlagen, das die Rotationsrelaxation zwischen der Absorption von IR-Photonen fördert. Es kann auch ein Laser verwendet werden, der anstelle einer einzelnen exakten Wellenlänge einen begrenzten Wellenlängenbereich aussendet, so daß die Anharmonizität auf /7-Niveaus überwunden wird. Schließlich läßt sich Mehrfachphotonenabsorption durch Leistungsverbreiterung erreichen, die durch die Schwelle für den laserinduzierten Durchbruch in der bestimmten Gasart oder der Gasartenmischung und durch das Erfordernis, daß die Selektivität der Anregungsstrahlung bezüglich der Isotopen nicht beeinträchtigt werden darf, begrenzt wird.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Oberwindung der Anharmonizität zu schaffen, bei dem Mehrfachphotonenabsorption mit zusätzlicher Isotopenanreicherung im Vergleich zu Einzelphotonenabsorption erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Verfahren der eingangs erwähnten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Strahlung eine IR-Strahlung mit einer höheren Intensität als 10⁶ Watt/cm² ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit ein zweistufiger Prozeß, wobei der erste Schritt eine Kombination von isotopisch selektiver Anregung und Umwandlung ist und der zweite Schritt die Trennung und Isolierung der umgewandelten Moleküle von den nicht umgewandelten Molekülen auf an sich bekannte Weise umfaßt Die Kombination von Anregung und Umwandlung wird durch gleichzeitiges Bestrahlen der gasförmigen Moleküle, deren Isotope eines Elements getrennt werden sollen, mit einer Infrarotstrahlung von zwei unterschiedlichen Wellenlängen erreicht. Eine dieser Strahlungen wird als Resonanzstrahlung bezeichnet, da ihre Wellenlänge einer Absorptionsbande der Moleküle entsprechen muß, welche ihrerseits einer Schwingungsform entspricht, an der die Atome des Elements teilhaben. SiRd die gasförmigen Moleküle UFö, dann liegt eine bevorzugte Resonanzstrahlung in einem der folgenden Wellenlängenbereiche: 1888 bis 1852 cm-', 1300 bis 1280 cm-', 1170 bis 1143 cm-', 636 bis 613 cm-' und 196 bis 186cm-'. An die Resonanzstrahlung werden keine hohen Intensitätsanforderungen gestellt Die zweite Strahlung wird als verstimmte (nicht rescnante) Strahlung bezeichnet und erfordert eine hohe Intensität, insbesondere muß die Intensität der verstimmten Strahlung größer als 10⁷ Watt/cir·² und vorzugsweise größer jls 10⁸ Watt/cm² sein. Zwischen der Wellenlänge der verstimmten Strahlung und den Absorptionsbanden der Moleküle ist keine Abhängigkeit erforderlich, so daß jeder Hochleistungslaser verwendbar ist Vorzugsweise liegt jedoch die Frequenz der Hochleistungsstrahlung nahe bei einer Resonanzfrequenz des durch die Strahlun^CT niedriger Intensität an^re^en Moleküls. We^en ihres hohen Wirkungsgrades werden CO2-, CO-, HF- und DF-Laser bevorzugt verwendet Die Bestrahlungszeit ist kürzer als 10~⁵ Sekunden, vorzugsweise kürzer als IQ-⁶ Sekunden und besonders bevorzugt kürzer als 10-'Sekunden.

Die Umwandlung erfolgt vorzugsweise durch unimolekulare Zersetzung, d. h. die bestrahlten Moleküle nehmen so viel Energie auf, daß sie zerfallen. Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß die bestrahlten Moleküle eine Energie aufnehmen, die zu ihrem Zerfall nicht ausreicht, die sie jedoch mit einigen anderen in dem bestrahlten Volumen vorhandenen gasförmigen Molekülen reagieren läßt. Die US-PS 39 37 956 beschreibt verschiedene chemische Umwandlungsprozesse für selektiv angeregte Moleküle.

Am einfachsten läßt sich der kombinierte Anregungsund Uniwandlungsvorgang als aufeinanderfolgender Prozeß beschreiben. Die Resonanzs'-^hlung bewirkt eine isotopisch selektive Anregung der Moleküle. Die angeregten Moleküle haben eine höhere Dichte der zur weiteren Anregung verfügbaren Schwingungszustände als die unangeregten Moleküle, und sie unterliegen daher leichter der Absorption von verstimmter Hochintensitätsstrahlung, was zu ihrem Zerfall führt Unter verstimmter Hochintensitätsstrahlung wird hierbei die Anwendung einer Strahlung verstanden, die nicht vom molekularen Schwingungsgrundzustand absorbiert wird. Dies setzt jedoch voraus, daß die verstimmte Hochintensitätsstrahlung die Absorption der Resonanzstrahlung nicht beeinflußt. Es hegt aber außerdem im Rihmen der Erfindung, Verfahrensbedingungen auszuwählen, bei denen die verstimmte Hochintensitätsstrahlung bei der Absorption der Resonanzstrahlung wesentlich mitwirkt. Es liegt außerdem im Rahmen der Erfindung, daß die verstimmte Hochintensitäts-Laserstrahlung bei direkter Strahlungsabsorption unelastisch gemäß einem Raman-Prozeß streut, so daß die entsprechende Mehrphotonenschwingungsanregung erreicht wird. Bei einer großen Photonenanzahl führt dies zu einem stimulierten Streuprozeß mit einem größeren Querschnitt als bei kleinerer Photonenzahl. Aufgrund der hohen Zustandsdichte der Moleküle überwiegt resonante Raman-Streuung.

Demgegenüber beschreibt die US-PS 34 43 087 die Trennung von U²³⁵Fe von U²³⁸Fo durch.selektives Anregen einer der beiden Verbindungen mit einem IR-Laser und anschließendes Ionisieren der angeregten Moleküle mit UV-Strahlung sowie Regenerieren der Ionen mit

Hilfe von elektrischen und/oder magnetischen Feldern oder chemischen Reaktionen. In dem Artikel »Photochemical Isotope Separation as Applied to Uranium«, erschienen unter der Nummer K-L-3054, Revision 1, Seite 29 am 15. März 1972 in einer Veröffentlichung der Union Carbide Corporation Nuclear Division, Oak Ridge Gaseous Diffusion Plant, besprechen Farrar und Smith die obige Patentschrift und beurteilen die Brauchbarkeit der a's zweiten Schritt vorgeschlagenen Fotoionisation äußerst skeptisch. Statt dessen schlagen sie Fotodissoziation durch einzelne UV-Photonen vor.

D^;e GB-PS 12 84 620 und die DE-OS 19 59 767 sowie 21 50 232 beschreiben die Verwendung von infraroter Strahlung zur selektiven Anregung von Molekülen, die anschließend einer chemischen Reaktion unterworfen ',5 werden, der die unangeregten Moleküle nur langsamer unterliegen. Als einziges Beispiel für eine derartige Reaktion ist der thermische Zerfall von U(BH^ angegeben.

In allen genannten Druckschriften wird die auf die Moleküle bei der Fntoanregung übertragene Energie klar als die Energie eines einzigen IR-Phomns angegeben, während die erfindungsgemäß übertragene Energie die Energie mehrerer IR-Photonen ist.

Mehrfach-IR-Photonenabsorption ist beispielsweise in der US-PS 39 37 956 vorgeschlagen, wobei die Moleküle mittels einer infraroten Resonanzstrahlung isotopisch selektiv bei einer erforderlichen Intensität von zumindest 10⁴ Watt/cm² je Torr der gasförmigen Verbindung angeregt werden, die das Element enthält, deren Isotope getrennt werden sollen. Der isotopisch selektive Zerfall von SF6 durch Resonanzstrahlung bei Intensitäten von 10⁹ Watt/cm² wurde beobachtet und in Artikeln von Ambartzumian et al (erschienen in Soviet Physics JETP 21, Seite 375, 1975) und von Lyman et al (in Applied Physics Letters 27, Seite 87,1975) beschrieben. Alle diese Druckschriften verlangen die Verwendung eines eine Resonanzwellenlänge aussendenden Hochleistungslasers, d. h. eines Hochleistungslasers, der eine von den ..j trennenden Molekülen bestimmte Wellenlänge aussendet Demgegenüber kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in vorteilhafter Weise ein eine beliebige Wellenlänge aussendender Hochleistungslaser verwendet werden, was einen höchst wirksamen Laserbetrieb gestattet Es ist klar, daß der Wirkungsgrad und die Aufwendungen zur E beugung von infraroter Hochintensitätsstrahlung von der Wellenlänge abhängig sind, die der Laser aussenden muß. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Schwierigkeit wesentlich verkleben da die Resonanzstrahlung, also so die den Molekülen, deren Isotope getrennt werden sollen, ang; paßte Strahlung lediglich eine geringe Energie haben muß.

Beispiel

Es wurde Uranerz von natürlicher Isotopenverteilung auf bekannte Weise in UF₆ umgewandelt und das UF₆ gleichzeitig mit einer Infrarotstrahlung aus dem Wellenlängenbereich von 636 bis 613cm-' und mit der IR-Strahlung eines COYLasers kürzer als iO~^s Sekunden lang bestrahlt, wodurch das UFe isotopisch selektiv zerfiel. Die Intensität des CO₂-Lasers war größer als ΙΟ« Watt/crrA

Die Resonan^strahlung niedriger Intensität sollte günstigerweise ausreichend stark sein, um das Molekül so anzuregen, daß J^:e Absorption der verstimmten Strahlung hoher Intensität möglich wird. Die Intensität der Strahlung niedriger Intensität sollte die Werte nicht überschreiten, weiche zu einer solchen Niveauverbreiterung führen, daß die Selektivität bezüglich der Isotope verloren geht. Für den ^-Übergang von UF₆ im Bereich von 636 bis 613 cm-' ist diese Intensität auf den Bereich von 100 Watt/cm² bis 10⁶ Watt/cm² begrenzt

Die Strahlung hoher Intensität sollte geeigneterweise eine solche Frequenz und eine solche Intensität aufweisen, daß sie zu der Niveauverbreiterung zum Nachteil der durch die Strahlung niedriger Intensität allein erreichten Selektivität bezüglich der Isotope nicht beiträgt Vorzugsweise soll die Frequenz der Strahlung hoher Intensität nahe bei einer Resonanzfrequenz des durch die Strahlung niederer Intensität angeregten Moleküls liegen.

Die Wellenlängen, die Bandbreite, die Energie, die Impulsbreite sowie der Impulszeitcharakter sowohl der Strahlung niedriger Intensität als auch der Strahlung hoher Intensität müssen so eingestellt werden, daß eine maximale Ausbeute bei optimaler Isotopentrennung erreicht wird.

Die zerfallenen Moleküle wurden anschließend isoliert und von den unzerfallenden Molekülen abgetrennt, so daß isotopisch angereichertes und verarmtes Uran gebildet wurde. Die Trennung und Isolierung erfolgten nach .fgendeinem bekannten Verfahren. Weitere Verarmung des verarmten Urananteils oder stärkere Anreicherung des bereits angereicherten Urananteils lassen sich durcludie bekannte mehrstufige Isotopentrennung erzielen, wobei das Trennverfahren wiederholt durchgeführt wird.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen der Isotope eines Elements in einer gasförmigen Verbindung durch isotopisch selektive Anregung und Umwandlung, wobei die Umwandlung entweder eine Zersetzung oder eine Reaktion mit einem zweiten Gas ist, unter gleichzeitigem Bestrahlen der Verbindung mit zwei Strahlungen von unterschiedlicher Wellenlänge über weniger als 10-? Sekunden, wobei die erste Strahlung eine IR-Strahlung mit einer Wellenlänge ist, die der Absorptionsbande einer Molekülschwingung der Verbindung entspricht an der die Atome des Elements teilhaben, wobei ferner die Intensität der ersten Strahlung ausreicht, um das Molekül so anzuregen, daß es die zweite Strahlung zu absorbieren vermag, aber unterhalb der Intensität liegt welche zu einer die Isotopenselektivität beeinträchtigenden Niveauverbreiterung führt und durch anschließende Abtrennung und Isolierung der umgewandelten Moleküle von den nicht umgewandelten Molekülen, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strahlung eine IR-Strahlung mit einer höheren Intensität als 10⁶ Watt/cm² ist

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Verbindung eine Uranverbindung, vorzugsweise UF6, ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Strahlung von einem CO₂-Laser erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge der ersten Strahlung im Bereich von 636 bis 613 cm"¹ liegt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Strahlung eine Intensität zwischen 100 Watt/cm² und 10⁶ Watt/cm² aufweist