DE2324779A1

DE2324779A1 - Verfahren zur trennung von vorzugsweise gasfoermigen stoffgemischen

Info

Publication number: DE2324779A1
Application number: DE2324779A
Authority: DE
Inventors: Arno Kersting; Eberhard Dipl Chem Dr Schuster
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1973-05-16
Filing date: 1973-05-16
Publication date: 1975-04-30
Also published as: US4158614A; DE2324779B2; FR2306005B1; AU495879B2; AU8029575A; GB1496125A; DE2324779C3; FR2306005A1

Description

Verfahren zur Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoffgemischen

Bie vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoff-, insbesondere Isotopengeais chen unter Verwendung von Laserstrahlen zur Eraöglichung einer gezielten chemischen Reaktion eines Gemischanteiles mit einem Reaktionspartner.

Es ist bekannt, daß Moleküle, die aus Bindestens 2 verschiedenen Elementen aufgebaut sind, im Infrarotbereich liegende elektromagnetische Strahlung absorbieren. Die Infrarot-Absorptionsspektren spiegeln dabei die Feinheit im Bau der Moleküle wider und haben ihre Ursache in den Energieübergängen der Rotations-Schwingungszustände. Da die Schwingungsenergie eines Moleküles wesentlich von der Masse der beteiligten Atome abhängt, besitzen Moleküle, die eine Elementsorte mit verschiedenen Isotopen enthalten, auch unterschiedliche Infrarot-Absorptionslinien. Diese Feinstruktur der Rotations-Schwingungsspektren kann zur Isotopentrennung oder ganz allgemein zur Stofftrennung ausgenützt werden wenn die Emmissionslinie eines Lasers mit der Rotations-Schwingungslinie des betreffenden Moleküles der abzutrennenden Atomsorte in Resonanz gebracht und damit angeregt wird. Das auf diese Weise angeregte Molekül kann dann aus seinem höheren Energieniveau heraus mit geeigneten Partnern zur chemischen Reaktion gebracht werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, stellt die Absorption eines Lichtquants durch ein solches Molekül eine Energiezufuhr dar, die in bezug auf die' Einleitung bestimmter chemischer Reaktionen einen ähnlichen Effekt, wie z.B. eine Temperaturerhöhung hat.

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Nach diesem Prinzip wurde z.B. "bereits eine Mischung von Methanol und deuteriertem Methanol durch Bromierung des normalen Methanols getrennt, siehe "Applied Physics Letters", Volume 17, Number 12, Seiten 516 Ms 519. Nach dem gleichen Prinzip wird außerdem in der Offenlegungsschrift 1 959 767 vom 3. Juni 1971 die Trennung von Uranisotopen vorgeschlagen. Die Durchführung dieses bekannten Verfahrens zur Isotopentrennung ist jedoch an drei Bedingungen geknüpft, erstens müssen Laseranordnungen vorhanden sein, die sich auf die gewünschten Molekülseliwingungsfrequenzen abstimmen lassen, zweitens muß die Energie dieser Strahlung genügend hoch sein, damit die chemische Reaktion ausgelöst werden kann und drittens muß der Reaktionspartner so gewählt werden, daß eine Trennung des neuentstandenen St off gemisches in der Reaktionseinrichtung möglich ist. Da die im Infrarotgebiet, z.B. mit Lasern zuführbare Energie jedoch verhältnismäßig klein ist, ist die Durchführbarkeit des bekannten Verfahrens sehr beschränkt. Es stellte sich daher die Aufgabe, dieses bekannte Verfahren so weiter zu entwickeln, daß derartige energetische Beschränkungen an Bedeutung verlieren. Eine Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß die Moleküle des abzutrennenden Stoffes in an sich bekannter Weise durch schmalbandige Lichtquellen angeregt werden und . dem anderen Reaktionspartner die zur Ermöglichung der chemischen Reaktion benötigte Restenergie zugeführt wird. Im Gegensatz zu dem bisher beschriebenen Verfahren wird also auch dem für die chemische Reaktion benötigten Realrtionspartner auf verschiedene Weise Energie zugeführt und damit erst die gewünschte chemische Reaktion ermöglicht. Dieser Energiebetrag wird dabei so bemessen, daß nur die angeregten Moleküle des einen Isotopes mit diesem Realrtionspartner reagieren, nicht aber die niehtangeregten Moleküle der anderen Isotopen oder Stoffe. Zur Erzielung einer möglichst großen Trennungsausbeute sollte der Reaktionspartner dabei im Überschuß vorhanden sein, damit die für die chemische Reaktion notwendigen Molekularstöße vorzugs-

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weise zwischen den Reaktionspartnern und weniger zwischen den Molekülen des Isotopen- oder Stoffgemisches stattfinden. In letzteren Falle würde die zugeführte Energie größtenteils für den Trenneffekt verloren gehen und der Trenneffekt selbst sich verschlechtern.

Die Zuführung der Restenergie für den Reaktionspartner kann auf verschiedene Weise erfolgen, z.B. durch Aufheizen desselben, bevor er in die Trennkammer eingeführt wird oder durch Energiezufuhr innerhalb der Trennvorrichtung mit Hilfe von Lasern, Infrarotlichtquellen, Ultraviolettlichtquellen usw.

Wenn auch die Durchführbarkeit dieses Trennverfahrens nicht auf spezielle Isotopen- oder Stoffgemische beschränkt ist, so kommt ihm doch besondere Bedeutung auf dem Gebiet der Kerntechnik zu. Hier ist es insbesondere die Trennung der Uranisotopen U 238 und U 235» wie sie zur Anreicherung der Kernbrennstoffe an spaltbaren Uran 235 für die verschiedenen Reaktortypen in unterschiedlichem Maße notwendig ist. Die bisherigen angewandten Verfahren der Gasdiffusion oder der Ultrazentrifuge sind technisch außerordentlich aufwendig und benötigen zudem einen außerordentlich hohen Energieaufwand. Diese Nachteile haften dee erfindungsgemäßen Verfahren nicht mehr an.

Wie bereits erwähnt, ist zur Durchführung dieses Verfahrens auch ein geeigneter Reaktionspartner notwendig. Für die Trennung der Uranisotopen können beispielsweise folgende Reaktionen Verwendung finden, aus denen die Ausgangβpartner sowie die chemischen Reaktionspartner zu entnehmen sind:

UP_{6 +} SF₄ *- UF₄ + SF₆

2 UF₆ + SiCl₄ *► 2 UF₄ + SiF₄ + 2

UF₆ + 2 HCl >- UF₄ + 2 HF

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2 UP₆ + SO₂ *- 2 UP₅ +

Als weiteres Beispiel aus der Kernreaktortechnik sei die Trennung von Borisotopen genannt, siehe die nachstehende chemische Reaktion:

3 (BH₅) 2 + 6 NH₅ *■ 2 B₅N₅H₆ + 12

Alle diese Reaktionen laufen normalerweise erst "bei erhöhter Temperatur ab. Durch die spezifische Anregung bestimmter Uranbzw. Borisotope findet die chemische Reaktion nur zwischen diesen statt, die anderen Isotopenverbindungen bleiben unberührt .

Die für die Durchführung dieser chemischen Reaktionen notwendigen Vorrichtungen werden nachstehend beispielsweise anhand der Pig. 1 bis 3 besprochen. Vorher sei jedoch noch auf einige Verfahrensdaten eingegangen.

Pur die beispielsweise genannte Reaktion UPg + 2 HCl->-UP. + 2 HP + Cig kann z.B. zur Anregung des UP₆ ein mit einem CO-Laser gepumpter abstimmbarer Raman-Spin-Plip-Laeer (RSP)-Laser eingesetzt werden. Dieser laser wird auf eine der zwischen 5»2 und 6,4 /um liegenden Absorptionsbanden des UP₆ abgestimmt. Die für den Reaktionspartner HCl benötigte Restenergie wird durch Anregung dieses Moleküles bei 3,46 yua mit Hilfe z.B. eines abstimmbaren Parbstofflasers aufgebracht.

In ähnlicher Weise wird die Anregung zur Durchführung der bereits genannten Bor-Reaktionen durchgeführt. Pur die Anregung des Diborane wird wieder ein RSP-Laaer verwendet und auf die Absorptionsbande des Diborane bei 5>4 oder 6 /um eingestellt. Die Absorptionsbande des Ammoniaks liegt bei 3 /um, die Rest-

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energie wird durch Anregung mit Hilfe einer entsprechenden Frequenz durch einen abstimmbaren Färbstofflaser aufgebracht.

Zur Trennung der Uranisotopen nach der Reaktion UFg + SP.

—^UF. + SFg kann beispielsweise durch Anregung des 235 UFg Moleküles mit einen abstimmbaren Leistungelaser, z.B. CO-Laser bei einem der zwischen 5 und 6 /um liegenden Rotationsschwingungslinien erfolgen. Die Aufbringung der Restenergie bei* Reaktionspartner SFg wird durch Aufheizen desselben vor seiner Einspeisung in die Trennkammer auf ca. 500⁰C aufgebracht.

Der Gesaatdruck der Reaktionspartner sollte im Trennrau»

2 zwischen 10 und 760 Torr liegen, vornehmlich zwischen 100 Torr. Die Temperatur der Trennkammer kann dabei zwischen -50 und

betragen

2 zwischen 10 und 760 Torr liegen, vornehmlich zwischen 1 und

-50 und + 20O⁰C liegen, vorzugsweise jedoch etwa Raumtemperatur

Da für die Beurteilung eines solchen Trennverfahrens nicht zuletzt auch die Kenntnis des benötigten Energieaufwandes von Bedeutung ist, sei erwähnt, daß unter Einbeziehung auftretender Verluste für die Abtrennung von 1 kg U 235 ca. 300 Kilowettstunden elektrischer Energie benötigt werden.

In den Fig. 1 bis 3 sind schematisoh drei verschiedene Ausführungsbeispiele von Trenneinrichtungen dargestellt, die nach dem beschriebenen Prinzip arbeiten. Einander funktionsmäßig entsprechende Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen. Die Fig. 1 zeigt eine Einrichtung, bei der dem Reaktionspartner die benötigte Restenergie in Form von Wärme zugeführt wird. Diese besteht zunächst aus einem Reaktionsrohr 1, das auf seiner einen Seite mit verschiebbaren Sammelbehältern H und 15 für die abgetrennten Stoffe versehen ist. Für die Abdichtung ist dabei in an sich bekannter Weise eine Teflonscheibe 16 vorgesehen« An seinem anderen Ende ist der Reaktionsbehälter 1-durch eine strahlungsdurchlässige Soheibe 17 aus z.B. BaF₂ abgeschlossen. Außerhalb dieser Scheibe be-

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findet sich in axialer Richtung ein Hochleistungslaser 4, dessen Strahlung durch das Fenster 17 in den Reaktionsraum eintritt. Das zu trennende Stoff- oder Isotopengemiseh befindet sich in einem durch einen Thermostaten 22 auf konstanter Temperatur gehaltenen Sammelbehälter 2 und wird über ein Ventil sowie entsprechende Rohrleitungen in den Reaktionsraum geführt. Ein Manometer dient nach dem Ventil zur Druckkontrolle. Im Reaktionsraum tritt das Stoffgemisch durch eine beispielsweise- langgestreckte schlitzförmige Düse 21 aus und wird dabei vom Laserstrahl 5 durchlaufen. Gegenüber der beispielsweise schlitzförmigen Austrittsdüse 21 ist eine gleichartige Austrittsdüse 31 angeordnet, die von dem aus der Vorrats einrichtung 3 entnommenen Reaktionspartner gespeist wird. Vor seinem Eintritt in die Düse durchströmt dieser ein Ventil sowie eine rohrofenförmige Heizeinrichtung 32, die mit einem Temperaturregler 35 und einem Temperaturmeßgerät 33 versehen ist. Zur Kontrolle des Druckes ist ein Manometer 34 vorgesehen. Beim Zusammentreffen der gasförmigen Stoffe im Reaktionaraum tritt die bereits beschriebene Reaktion ein, der abzutrennende Stoff bzw. das abzutrennende Isotop reagiert chemisch mit dem zugeführten Reaktionspartner 3 und ergibt mit diesem eine neue Verbindung, die sich vorzugsweise in fester Form im Sammelbehälter 14 bzw. 15 ablagert. Die Abgase, bestehend aus den nichtverbrauchten Stoffanteilen des zugeführten Gemisches 2, dem Überschuß am Reaktionspartner 3 und nicht Uran enthaltenden Reaktionsprodukten, gelangen über die Leitung 12 in die Kühlfalle 19. An diese Leitung ist auch die Vakuumpumpe 6 angeschlossen. Die Kühlfallen dienen dabei der Abscheidung der Reaktionspartner und sind von Dewargefäßen 61 umschlossen. Zur Kontrolle des Druckes im Reaktionsbehälter 1 ist ein Manometer 11 vorgesehen, eine nicht dargestellte Regeleinrichtung sorgt für die Konstanthaltung des gewünschten Druckes.

Die in Pig. 2 dargestellte Einrichtung entspricht im wesentlichen der Fig. 1, mit dem Unterschied, daß dem Reaktionspartner 3 die Restenergie über einen Laser oder über eine

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andere Lichtquelle 6 durch das Fenster 17 zugeführt wird. Di· Sammelbehälter 14 und 15 sind hier nicht seitlich verschiebbar zum Zwecke des Auswechselns angeordnet, sondern um eine Achse 13 drehbar. Pie nichtdargestellten Elemente entsprechen jenen der Fig. 1. Sie Länge der Schlitzdüeen beträgt dabei mehrere Meter, damit eine möglichst große Menge der Reaktionspartner von der Strahlung 5 und 6 erfaflt wird. Wegen der Abscheidung der vorzugsweise festen Reaktionsprodukte sind die Anordnungen nach Fig. 1 und 2 vertikal aufgebaut.

Im Gegensatz dazu ist die in Fig. 3 dargestellte Anordnung horizontal angeordnet. Die auf der linken Seite über das Fenster 17 eintretende Strahlung 5 und 6 wird durch ein Spiegel 18 am anderen Ende des Reaktionsraumes 1 reflektiert und durchlaufen also die über die Schlitzdüsen 21 und 31 eintretenden Reaktionspartner wenigstens zweimal. Wird eine optische Faltung des Lichtweges mit Spiegeln 18 vorgesehen, so ergibt sich durch eine mehrfache Reflektion der Strahlen 5 und 6, eine erhebliche Wirkungsgradverbesserung. Dieser ermöglicht auBerdem eine wesentliche Verkürzung der gesamten Einrichtung.

Die Sammelbehälter 14 und 15 für die Reaktionapartner befinden sich dabei unterhalb der horizontal angeordneten Schiitzdüsen 21 und 31, deren gegenseitige Zuordnung beispielsweise aus der Nebenfigur 3a zu entnehmen ist.

Selbstverständlich aind noch weitere Varianten im Aufbau solcher Einrichtungen möglich. Auch Kombinationen hinsichtlich der Einbringung der Restenergie für den Reaktionspartner können vorteilhaft sein.

Abschließend sei nochmals betont, daß sioh dieses Trennverfahren auch für normale Stoffgemische - also nicht nur für Isotopengemische - eignet, vorzugsweise dann, wenn ein· Trennung mit rein chemischen oder physikalischen Mitteln auf erhebliehe Schwierigkeiten stößt.

6 Patentansprüche 3 figuren

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Claims

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Patentansprüche

:Vj, Verfahren zur Trennung von vorzugsweise gasförmigen Stoff-, insbesondere Isotopengemischen unter Verwendung von Laserstrahlen zur Ermöglichung einer gezielten chemischen Reaktion eines Gemischanteiles mit einem Reaktionspartner, dadurch gekennzeichnet, daß die Moleküle des abzutrennenden Stoffes in an sich bekannter Weise durch schmalbandige Lichtquellen angeregt werden und dem anderen Reaktionspartner die zur Ermöglichung der chemischen Reaktion benötigte Restenergie zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restenergie dem Reaktionepartner über eine elektromagnetische Strahlung zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung entsprechend einer Eigenschwingungsfrequenz des Resonanzpartners eingestellt bzw. über Filter aus einem Frequenzgemisch ausgesondert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung eines natürlichen Isotopengemisches von UF₆ und ^ UF₆ als Reaktionspartner SF. verwendet wird,

wobei eine der zwischen 5 und 6 /um liegenden Reaktions-

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Schwingungslinien des ^v UFg - Moleküles durch einen abstimmbaren Leistungslaser, z.B. einen CO gepumpten RSF-Laser in einer Trennkammer angeregt und der Reaktionspartner vor seinem Eintritt in die Trennkammer auf ca. 300⁰C aufgeheizt wird.

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5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Reaktionspartner SiCl₄, HCl oder SO₂ verwendet *rird und die Restenergie durch eine elektromagnetische Strahlung und/oder Aufheizung zugeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der Isotopen B und B die Borverbindung (BH* )p verwendet und mit einem CO-Laser gepumpten RSF-Laser auf den Schwingungslinien 3,4 oder 6,2 /ua angeregt sowie als Reaktionspartner Ammoniak vorgesehen wird, das durch einen abstimmbaren Farbstofflaser auf seiner Absorptionslinie bei 3 yum angeregt wird.

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