DE2447762C2

DE2447762C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Stoffgemischen und Anwendung desselben zur Herstellung chemischer Verbindungen

Info

Publication number: DE2447762C2
Application number: DE2447762A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. 8521 Neunkirchen Gregorius; Karl Dipl.-Phys. Janner; Dipl.-Chem. Dr. Hans-Joachim 8520 Erlangen Niemann; Eberhard Dipl.-Chem. Dr. Schuster
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1974-10-07
Filing date: 1974-10-07
Publication date: 1987-10-01
Also published as: IL47756A0; IL47756A; FR2287262B1; ZA756033B; FR2287262A1; AU501570B2; AU8519375A; CA1061744A; GB1506766A; DE2447762A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung desselben zum Trennen von !solopengemischen oder sonstigen schwer trennbaren Stoffgemischen durch Bestrahlung eines Gemisches aus den Ausgangsstoffen und einem chemischen Reaktionspartner mit einem Laser, der eine zur Anregung einer Komponente der Ausgangsstoffe abgestimmte Frequenz besitzt, und nachfolgende Trennung der entstehenden Reaktionsprodukte und der unveränderten Teile der Ausgangsstoffe auf physikalischem Wege. Das gleiche Verfahren kann aber auch zur Herstellung chemischer Verbindungen verwendet werden, die auf herkömmliche Weise nur schwer oder nur mit geringer Ausbeute erhalten werden könner Die

ίο Anregung wird mittels einer Laserstrahlung, deren Frequenz so eingestellt ist, daß sie von dem zu trennenden Isotop selektiv absorbiert wird, durchgeführt. Ein solches Verfahren ist z. B. aus der DE-OS 19 59 767 bekannt gewe-den. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß neben den durch die selektive Laseranregung ermöglichten chemischen Reaktionen, wie sie ebenfalls in dieser Offenlegungsschrift prinzipiell erwähnt sind, und die eine normale Abtrennung des nur das angeregte Isotop enthaltenden Reaktionsproduktes erlauben, auch andere Reaktionen stattfinden, die die Selektivität verschlechtern. Letztere werden verursacht durch Überlappung der Absorptionsbanden, Resonanzaustausch und thermisch aktivierte Reaktionen. Ein anderes Verfahren, das jedoch nicht von einer chemischen Reaktion Gebrauch macht, sondern den Lichtdruck zur Auslenkung isotopenspezifisch beeinflußter Teilchen vorschlägt, ist der US-PS 35 58 877 zu entnehmen. Die dort erwähnte Temperaturabsenkung soll die thermische Geschwindigkeitsverteilung einen-

gen.

Es stellte sich daher die Aufgabe, insbesondere das erstgenannte Verfahren so zu verbessern, daß einerseits die Selektivität erhöht und andererseits auch die Ausbeute wesentlich verbessert wird. Dies wird

η erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Ausgangsstoffe und der chemische Reaktionspartner vor der Bestrahlung mit dem Laser durch adiabatische Entspannung auf eine Temperatur unter 100 K abgekühlt werden und daß die Reaktionsprodukte und die unveränderten Teile der Ausgangsstoife kondensiert oder abgepumpt werden.

Zur weiteren Erläuterung soll dieses Verfahren an einem Beispiel der Trennung der Uranisotopen 235 und 238 näher erläutert werden.

Für dieses Beisp ' vird die Laserstrahlung hinsichtlich Bandbreite unü "requenzlage vorzugsweise so eingestellt, daß der C?-Zwei£ des Rotationsschwingiings Spektrums des anzuregenden Stoffes erfdßt wird Die Abkühlung wird da'jci soweit getrieben, daß du.·

in Molckülvibrationen weitgehend einfrieren und die Häufigkeitsverteilung der Rotationsenergien so ausgc bildet ist. daß der P- bzw /?Z.weig des mehl anzuregenden Isotopes mit dem t?-Zweig des anzure genden sich nicht stirk überlappen. Fine starke

r> At Kühlung durch F.ntspannung wurde zwar nach Sov IFfC. Band 37. Nr. 5. 1973. Seiten 772-777 fur spektroskopische I Iniersuchungen sowie bei gasilyna mischen Lasern angewandt Die Isotopentrennung wurde aber nirgends angesprochen, dir erwähnte

M) Temperaturabsenkung auf IbO K ware d.izu auch noch nicht ausreichend.

Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht aber in erster Linie auf einer Temperaturabsenkung unter 100 K. Dadurch wird mit anderen Worten eine sehr starke Verschmälerung der Absorptionsbanden des Isotopengemisches, in diesem Fälle von UF₆. erreicht. Normalerweise sind die Absorptionsbanden der beiden Isotopenverbindungen 235 UF₆ und 238 UF₆

seitlich gegeneinander nur wenig verschoben und überlappen sich daher. Durch Einstrahlung einer bestimmten Frequenz mit Hilfe eines Lasers werden daher beide Isotopenverbindungen durch Absorption angeregt, wenn auch unterschiedlich stark. Die auf diese Weise erreichbare Selektivität ist naturgemäß verhältnismäßig gering. Durch die infolge der starken Abkühlung jedoch erreichten Verschmälerungen, insbesondere des <?-Zweiges dieser Absorptionsbanden tritt praktisch keine Überlappung derselben mehr aui bzw. wird außerordentlich stark vermindert, so daß damit eine selektive Erfassung einzelner Absorptionsbanden durch eine Laserstrahlung der entsprechenden Wellenlängen möglich wird.

Vorteilhaft ist es dabei, eine stufenweise Anregung der abzutrennenden Isotopenverbindung vorzunehmen. Damit wird es möglich, mit den relativ niedrigen Frequenzen anzuregen, bei denen das Molekül eine starke Absorption aufweist (bei Infrarot-aktiven Grundschwingungen und einfachen Kombinationsschwingungen) und trotzdem die für eine selektive chemische Reaktion hohe Anregungsenergie zu erreichen. Dadurch und durch Anregen in einem Resonator Kommt man mit relativ kleiner Laserleistung aus. Diese kann um mehrere Größenordnungen kleiner sein als für die gleichstarke Anregung in einem Einquantenprozeß gleicher Endenergie, obwohl die stufenweise Anregung nur dann mit geringen Verlusten möglich ist, wenn die Leistungsdichte so groß gewählt wird, daß die Aktivierungsraten größer als die störenden Destiktivie- )o rungsraten (ohne stimulierte Emission) sind. Die Anregung erfolgt dabei vorzugsweise mit der Grundfrequenz Vj, die für 235 (JF₆ bei 624 cm-' liegt. Es können jedoch je nach Verfügbarkeit von Lasern auch andere Schwingungen, z. B. die Kombinationsschwingungen » γ\ + V) des 235 UF(, angeregt werden. Diese stufenweise Anregung mit Hilfe der Grundfrequenz ist möglich, weil die Energiedifferenzen zwischen den unteren Anregungsstufen wenig verschieden sind. Es werden bevorzugt die in Resonanz befindlichen 235 UfV₁ u\ Moleküle erfaßt. In Fällen, in denen dieser Anteil /u klein ist. wird durch geeignete Wahl der Dichte oder weniger divergenter Strömungsführung die Stoßzahl auf so hohe Werte eingestellt, daß die übrigen Mo'ektik· während des Aufenthalles in der Reaktionszone in de 4-, für Absorption notwendigen Zustand kommen {').<■ Beset/.ungsdichte der angeregten Zustande wird also vergrößert.

Zum weiteren \erstandnis dieser /us.iminenh.ingc sei nun die in den F :g 1—3 darg-'steHte Vorrichtung -,o zur Durchführung dieses Verfahrens naht ' K-schrieben

Wie bereits erwähnt, sullen Jn tlieic" Beispiel die beiden Isotopen-Uranverbindungt.1 2'~t I (. und 238 UFi, getrennt werden, und /w,ir in;i Hilfe einer chemischen Reaktior mn Wasscrstoffbromid ^

F.ntsprechend der in I 1 f. 1 sche:nalisch dargestellten Trenneinrichtung befindet sich die ' ranverbindtingen im Voi ratsbehälter 2 ure I de· Ri ,ikti.mspartner im Vorratsbehälter 3 Über V entile 31 und 21 werden sie Verieilerräumen 32 und 2? zugeführt und gelangen von <,n dort in einen Misthrai/n 23, an dem sich eine schlitzförmige Austriltsdu>e 24 anschließt. Diese bildet bereits einen Teil der Vakuumkammer 1, die_ mit Kühlwänden 14, 15 ufKj 16 versehen ist. Über angeschlossene Pumpen j und 6 können nichtver- μ brauchte Reaktionspartne'¹ sowie flüchtige Reaktionsprodukte abgesaugt wirden. Vor der Düse 24 durchsetzt der Laserstrahl <?den aus dieser austretenden Dampfstrahl, der ein Gemisch aus UF₆ und HBr darstellt Dieser Laserstrahl 4 wird in der eigentlichen Lasereinrichtung 41 erzeugt — siehe Fig.2 — und durch Spiegel 42 und 43 auf so hohe Werte aufgeschaukelt, bis die Verluste gleich der zugeführten Energie sind. Durch gestrichelte Linien 1 ist dabei die Lage der Wandungen des Vakuumbehälters 1 bzw. dessen Fenster angedeutet (siehe Fig.2). Im Inneren des Vakuumgefäßes befindet sich der Abschäler 11, der die Gestalt einer schlitzförmigen Düse hat und dafür sorgt, daß die aus dem Bereich der Laserstrahlung kommenden Teilchen von jenen, die dort nicht beeinflußt wurden, getrennt werden.

Der Dampfdruck des LIF₆ wird durch Temperaturregelung im Vorratsbehälter 2 auf einen geringfügig über den gesamten Druck in der Mischkammer 23 liegenden Wert von 3300 Torr eingestellt Die Temperatur des Reaktionspartners im Vorratsbehälter 3 sei so eingestellt, daß sich im Mischraum 23 eine Gemischtemperatur einstellt, die ein wenig über der Kondensationstemperatur beim gewünschten UF_b-Part"..<druck liegt. Bei 300 Torr Paniaidruck des UFe entsprechend einet Behältertemperatur von 314 K wird eine Gemischtemperatur von 320 K gewählt Dann muß das HBr-Gas mit einer Temperatur von 290 K zugeführt werden. Bei dieser T- mperatur hat HBr einen Dampfdruck von 15 000 Torr. Über die Ventile 31 und 21 wird das gewünschte Mischungsverhältnis, das Verhältnis der Molekülkonzentration UF₆ZHBr =1:10 eingestellt. Damit im Mischraum möglichst werstg thermische Reaktionen auftreten, wird dieser und damit — bei gegebenem Volumendurchsatz — die Aufenthaltsdauer möglichst klein gehalten. Letztere liegt in der Größenordnung von 10~^] Sekunden. Um Reaktionen an der Wandung zu vermeiden, werden diese Räume strömungstechnisch so aasgelegt, daß das richtige Mischungsverhältnis erst in der später durch den Laserstrahl zu erfassenden Zone des Dampfstrahles auftritt. Vor allem soll sich in den Randzonen mög/ichst wenig UFb befinden Durch eine Kunststoffauskleidung der Wandungen. /.. B. mit Polytetrafluoräthylen, wird dere.i katalytische Wirkung zur Auslösung chemischer Reaktionen weitgehend verhindert. Durch diese Maßnahmen wird ein Verstopfen des engen Austrntsspaltes vermieden und der vom Laserstrahl nicht erfaßte, abgeschälte L'Fh-Anteil vermindert

Die AustrittsdUse 24 stellt einen Schiit/ von etwa '/ ,«,mm Breite sowie 50cm Länge dar und mundet in die Vakuumbehalter 1 Der Ciemischstrahl entspannt sich dabei adiabatisch sehr stark bei gleichzeitiger starker räumlicher A'ifweitung. Da dabei eine Wandrei bung nicht auftreten kann, tritt eine erhebliche Abkühlung auf Bei einem Adiabaten-Koeffizienten fur HRr ν -1 !.42 genügt eine Drucksenkung um den Faktor 10\ um die Temperatur des Dampfstrahles auf ca. 20 K zu senken An diese Stelle sei darauf hingewiesen, daii es allgemein /weckmäßig ist. Reaktioitspartner mit möglichst großem Adiabaten Koeffizienten auszuwäh len. damit die notwendige niedrige Temperatur mn möglichst kleinen Drucksenkungen erreicht wird Dies kann natürlich auch mit Hilfe eines nicht an der Reaktion teilnehmenden Stoffes erreicht werden. Dabei tritt dann die bereits erwähnte starke Konzentrierung des C?'Zweiges des Rotatiorisschwingungsspektrumsein und als Folge davon die hohe Selektivität. Dieser Zustand tritt etwa 2,5 tnm hinter der Austrittsöffnung 24 ein, dort verläuft parallel zu der Düse 24 der etwa 3 mm dicke Laserstrahl, dessen Frequenzbereich auch den

ganzen (?-Zweig einschließlich der Verschiebung der Banden mil zunehmender Anregungsstufe überdecken soll. (Mit zunehmenden Zahlen der Anregungsstufen werden die Anregungsfrequenzen etwas kleiner.) Der Zentralteil des aus der Düse 24 austretenden Gasstrahles durchquert den Laserstrahl und wird dabei selektiv in Stufen angeregt. Da die durch stimulierte Emission erzeugten Quanten dem Laserstrahl wieder zugeführt werden, erfolgt die Anregung mit relativ hohem Wirkungsgrad* Die Energiedichte des Laserstrahles im Resonator wird dabei so gewählt, daß bei dem vorhandenen Wirkungsquerschnitt und ausreichend hoher Stoßzahl im Bereich des Laserstrahles (ca. 50 Stöße jedes Moleküls) gerade der wesentliche Teil des 235 UF₆ umgesetzt wird, infolge der großen Selektivität wird von der Isotopenverbindung 238 UFe nur ein kleiner Teil umgesetzt, da die reaktionsfähigen hohen Änregungsstufeh von Molekülen dieses Isotops nur schwäch besetzt sincL

Der bereits erwähnte Abschäler 11 läßt nur jenen Teil des Strahles durch, den der Laserstrahl durchsetzt hat, der übrige Teil wird entweder kondensiert — UF₆ an den Kühlwänden 14 oder abgepumpt — HBr über die Pumpe 5. Die durch den Abschäler hindurchfliegende Mischung aus Reaktionsprodukten und Ausgangsstoffen kann durch fraktionierte Destillation getrennt werden. Auf der Auffangplatte 16 schlagen sich angereicherte Reaktionsprodukte 7 nieder, diese bestehen z.B. aus angereichertem UFs oder UF4. Auf den kühlwänden 15 kondensieren dann hauptsächlich 238 UF₆- Die flüchtigen Produkte, z. B. HF und HBr, werden über die Pumpe 6 abgesaugt. Es wäre auch möglich, HBr auszufrieren und HFchemisch zu binden.

Wesentlich für das geschilderte Funktionieren dieser Vorrichtung ist, daß der Stoffstrahl im Bereich der Düse noch dampfförmig ist, also noch nicht kondensiert. Eine wesentliche Kondensation tritt erst beim Auftrefferi des

■> Stoffstrahles auf die gekühlte Wand ein, da die Kondensationswärme abgeführt werden muß, was durch die geringe Stoffstrahldichte im Bereich der Laserstrahlung, deren Leistungsdichte etwa 10³ Watt pro cm² beträgt, nicht gegeben ist.

In der F i g. 3 ist eine Laserahordnuhg, ähnlich wie in F i g. 2 dargestellt, bei der noch ein zweiter Laser 44 vorgesehen ist, dessen Strahlung 4' in dem durch die Spiegel 46 und 45 gebildeten Resonanzsystem gehalten wird. Die Laser 41, 44 und ihre Strahlungen 4, 4' sind praktisch gleichachsig angeordnet und nur zur Verdeutlichung des Strahlungsverlaufes gegeneinander versetzt gezeichnet.

Je nach Wahl der Strömuhgs- und Stfählungsparameler sind nach diesen Verfahren sehr hohe Anreicherungsgrade und sehr geringe Restgehalte erreichbar. Bei den angegebenen Parametern ergibt sich eine Anreicherung auf ca. 22%, ein Restgehalt von 0,08% sowie effektiver Durchsatz an UF6 von ca. 30 Tonnen pro Jahr.

Abschließend sei erwähnt, daß dieses am Beispiel der Ürananreicherung beschriebene Verfahren auch für andere Stoffe anwendbar ist, die Wahl der benötigten Reaktirhspartner sowie der Anregüngsfrequenzen liegt dann bei Berücksichtigung der hier erläuterten Zusammenhänge im Bereich des normalen Fachkönnens. Auf diese Weise ist es dann auch möglich, chemische Verbindungen herzustellen, die sonst nur schwer oder nur mit geringer Ausbeute erhalten werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen von Isotopengemischen oder sonstigen schwer trennbaren Stoffgemischen durch Bestrahlen eines Gemisches aus den Ausgangsstoffen und einem chemischen Reaktionspartner mit einem Laser, der eine zur Anregung einer Komponente der Ausgangsstoffe abgestimmte Frequenz besitzt, und nachfolgende Trennung der entstehenden Reaktionsprodukte und der unveränderten Teile der Ausgangsstoffe auf physikalischem Wege, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe und der chemische Reaktionspartner vor der Bestrahlung mit dem Laser durch adiabatische Entspannung auf eine Temperatur unter 100 K abgekühlt werden und daß die Reaktionsprodukte und die unveränderten Teile der Ausgangsstoffe kondensiert oder abgepumpt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abzutrennende Isotopenverbindung einer stufenweisen Anregung unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gemisch aus den Ausgangsstoffen und dem chemischen Reaktionspartner gemeinsam adiabatisch entspannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstoffe und der chemische Reaktionspartner getrennt voneinander adiabatisch entspannt werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nL-ht ar der chemischen Reaktion teilnehmende Zusatzgass beigemischt werden.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einer mit Pumpen versehenen Vakuumkammer, in die eine Elntspannungsdüse mündet, und mit einem Laser, dessen Strahlung den aus der Entspannungsdüse austretenden Dampfstrahl durchsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß Vorratsbehälter (2, 3) vorgesehen sind, die über Ventile (21, 31) mit Verteilerräumen (22, 32) und einem anschließenden Mischraum (23) verbunden sind, an den sich eine schlitzförmige Fntspannungsdüse (24) anschließt, daß die Vakuumkammer (1) mit Kühlwänden (14, 15, 16) versehen ist und in ihr ein Abschäler (11) in Gestalt einer schlitzförmigen Blende angeordnet ist und daß der Laser so ausgerichtet ist. daß dessen Strahlung parallel zur schlitzförmigen Entspannungsdüse (24) zwischen dieser und dem Abschäler (11) verlauft.

7 Vorrichtung nach Anspruch 6. .ladurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der schlitzförmigen F.ntspannungsdüse (24) mit einem Überzug aus Polytetrafluorethylen versehen sind.

8 Anwendung des Verfahrens nach den Anspru chen I bis 5 zur Herstellung chemischer Verbindun gen