DE2526054A1 - Verfahren zum trennen von borisotopen - Google Patents

Description

United States Energy Research And Development Administration, Washington, D.C. 20545, U.S.A.

Verfahren zum Trennen von Borisotopen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Trennen von Borisotopen und insbesondere auf ein Verfahren, welches auf der laserinduzierten selektiven Erregung und Photodissoziation von BClo-Molekülen basiert, die ein spezielles Borisotop enthalten.

Stark mit B angereichertes Bor hat eine wichtige Anwendung als Neutronengift in Kernreaktoren. Es sind zwei Verfahren zur Trennung von B und B bekannt. Das erste Verfahren verwendet die fraktionierte Destillation des Dimethyl- oder Diäthyl-Ätherkomplexes von BF_. Das zweite Verfahren verwendet die mit niedriger Temperatur arbeitende fraktionierte Destillation von BF_ selbst. Bislang gibt es kein Verfahren

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zur Trennung dieser Isotope durch selektive Erregung und Photodissoziation einer Bor enthaltenden Verbindung.

Gemäß der Erfindung können die Isotope der B und B ohne weiteres durch Bestrahlung von gasförmigem, beide Isotope enthaltendem BCl- getrennt werden, wobei selektiv diejenigen BCl,."Moleküle erregt werden, welche das gewünschte B-Isotop enthalten, worauf die Photodissoziierung des angeregten BCIt erfolgt und die Photodissoziationsprodukte mit einem geeigneten chemischen Desoxydationsmittel reagieren, und das nicht dissoziierte BCl₃ von den Reaktionsprodukten getrennt wird.

Die notwendige selektive Erregung wird durch Bestrahlung einer gasförmigen Mischung von dem BCl₃ und dem Desoxydationsmittel mit Licht aus dem P oder R Zweig eines CO₂~Lasers erreicht. Die gleichzeitige Bestrahlung der Mischung mit ultraviolettem Licht bei 213 oder215 nm hat dann die Photodissoziation von selektiv erregtem Bd ₃ zur Folge und bewirkt eine Reaktion der Photodissoziationsprodukte mit dem des Oxydationsmittels.

Vorzugsweise stammt die CO₂-Laserstrahlung vom P-Zweig, der selektiv oder mindestens vorzugsweise diejenigen BCl-MoIe-

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küle, die B enthalten, erregt. Das chemische Desoxydationsmittel kann irgendein gasförmiges Material sein, welches im wesentlichen weder infrarote noch ultraviolette Strahlung absorbiert und mit den Photodissoziationsprodukten von BCl₃ reagiert, aber mit BCl₃ selbst im wesentlichen nicht reagiert. Sauerstoff und verschiedene Alkene sind für diesen Zweck geeignet. Die erforderliche Ultraviolettstrahlung wird ohne weiteres durch die Ausgangsgröße von Xe oder D~ Blitzlampen erhalten, die durch unerregtes BCl₃ gefiltert sind.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere auch aus den Ansprüchen; Vorteile und Einzelheiten

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der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung ; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 das Infrarotabsorptionsspektrum von BCl₃/ welches einen natürlichen Überschuß an Borisotopen enthält;

Fig. 2 Ultraviolettabsorptionsspektren von BCl₃, welches einen natürlichen Überschuß an Borisotopen enthält;

Fig. 3 berechnete Ultraviolettabsorptionsspektren von BCl₃ im Grundzustand und im erregten Zustand;

Fig. 4 ein Reaktionsgefäß und Ultraviolettfilter, verwendet bei der Durchführung der Erfindung;

Fig. 5 die Anordnung der Ultraviolettquelle und des Reaktionsgefaßes innerhalb des Blitzlampenhohlraums;

Fig. 6 eine Darstellung der gemessenen Anreicherung abhängig vom Druck von BCl₃.

Es sei nunmehr das bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben. Der Isotopenüberschuß von natürlichem Bor ist 19,8 Atomprozent

B, wobei der Rest B ist. Die Verbindung BCl₃ hat einen Siedepunkt bei einer Atmosphäre von 12,5°C und absorbiert die

Strahlung eines CO_-Lasers. Diese Absorption erfolgt in

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der V Mode, die für BCl₀ eine Frequenz V^ = 995 cm und

1T -1 ^J

für ^BC13 eine Frequenz von V₃ = 956 cm aufweist. Das Infrarotabsorptionsspektrum von BCl₃ bei 0,5 Torr bei einem natürlichen Verhältnis von Borisotopen ist in Fig. 1 dargestellt. Die Isotopenverschiebung von 39 cm ist eine sehr große und sie ist innerhalb der Vielfalt von Rotationslinien angeordnet, die vom C0„-Laser verfügbar sind. Die CO₀ P-Zweig-

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linien fallen größtenteils mit der BCl-Absorptionsspitze zusammen, wohingegen die R-Zweiglinien im' großen Ausmaß mit der BCl₃-Absorptionsspitze zusammenpassen. Wie man in Fig. 1 erkennt, liegt die CO₀ P(20) Linie, die eine der stärksten

- 11 P-Zweiglinien ist, gut innerhalb der BCl-Absorptionsspitze.

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4 -1 Bortrichlorid dissoziiert in der Nähe von 3,8 χ 10 cm Die Dissoziationsprodukte sind nicht genau bekannt, sind aber recht wahrscheinlich die freien Radikale Cl und BC1_. Als freie Radikale sind beide äußerst reaktiv und werden ohne weiteres durch ein geeignetes chemisches Desoxydationsmittel verbraucht. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die ein spezielles Borisotop enthaltenden BCl₃-Moleküle mit der geeigneten Linie eines CO₂~Lasers erregt, die erregten Moleküle werden vorzugsweise durch Ultraviolettstrahlung dissoziiert, und die das spezielle Isotop enthaltenden Dissoziationsprodukte reagieren mit einem chemischen Desoxydationsmittel.

Die Ultraviolettabsorptionsspektren von natürlichem Überschuß-BCl-, bei Drücken von 4 und 2,1 Torr sind in Fig. 2 angegeben. Die Absorption ist bei 207,6nm zentriert und frei von jeglicher sichtbaren Struktur. Sie hat einen Spitzendämpfungskoeffizienten von °^= 0,014 cm Torr . Die Fig. 3 zeigt die 207,6 nm Ultraviolettabsorption zusammen mit einer 5,0 nm Gauss'sehen Fehlerkurve. Diese Absorption führt zur Dissoziation des BCl.,. Diese Bedingungen sind zu einem BCl^-Druck von ungefähr 2 Torr geeignet. Die Kurve (a) stellt die relative Größe und den Ort der Absorption durch 5O% der natürlich verfügbaren

BCl_-Moleküle dar, die durch einen Infrarotimpuls von geeigneter Wellenlänge zur V Mode befördert waren, wohingegen

11 die Kurve (b) die gleiche Information für angeregtes BCl₃ darstellt. Da die stärksten Linien des C0_o-Lasers durch

11 ^z

BCl₃ absorbiert werden, ist es vorzuziehen, vorzugsweise

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das BCl- zu dissoziieren und die Dissoziationsprodukte mit Desoxydationsmittel zu behandeln, wobei das Gas angereichert in ^BC13 übrigbleibt. Das B kann ohne weiteres durch die übliche Reduktion von BCl- mit H_ gewonnen werden. Alternativ

kann, wenn gewünscht, das BCl₃ vorzugsweise entsprechend diesem Verfahren dissoziiert werden. Die zur Dissoziation des angeregten BCl₃ erforderliche Ultraviolettwellenlänge hängt von der Wellenlänge der Infrarotstrahlung ab_T die zur Erzeugung der Erregung verwendet wurde. Es handelt sich um die

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Spektralzone von 213-215 nm. Es sind derzeit keine Laser mit Ausgangsgrößen in diesem Wellenlängenbereich verfügbar; es kann jedoch eine Quelle mit intensivem Kontinuum verwendet werden, wie beispielsweise Xe oder D„ Lampen, wenn dabei eine Filterung durch eine BCl-, enthaltende Quarzzelle erfolgt. Der Quarz läßt wenig Strahlung unterhalb ungefähr 190,0 nm hindurch und das unerregte, sich im Grundzustand befindliche BCl₃ dämpft die um 207,6 nm zentrierte und durch die ausgezogene Kurve in Fig. 3 dargestellte Strahlung stark. Infolgedessen kann durch diese Zelle gefilterte Strahlung nur angeregtes BCl., dissoziieren. Obwohl die Filterwirkung die Dissoziation von BCl-. in der Filterzelle zur Folge hat, erfolgt die Rekombination ziemlich schnell, so daß die Filterzelle nur eine geringe - wenn überhaupt - Alterung zeigt.

Das kritische Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht im Vorhandensein eines geeigneten chemischen Desoxydationsmittels, welches mit den Dissoziationsprodukten des selektiv angeregtenBCl-. reagiert. Ein geeignetes Desoxydationsmittel sollte gasförmig sein, wenig oder gar keine Ultraviolett- oder Infrarot-Strahlung absorbieren und ohne weiteres mit den Dissoziationsprodukten von BCl₃, aber nicht mit BCl₃ selbst reagieren. Geeignete Desoxydationsmittel schließen O„ und verschiedene Alkene ein.

Das erfindungsgemäße Verfahren wurde unter Verwendung der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Vorrichtung praktisch verwendet. Das Reaktionsgefäß 1 besitzt einen Durchmesser von 3 mm sowie Brewster-Winkelfenster 2, 2¹ und enthielt Mischungen von 1-6 Torr BCl₃ und 20-25 Torr 0 . Das Reaktionsgefäß 1 ist von einem Filtergefäß 3 von 25 cm Länge und 24 mm Durchmesser umgeben und enthielt BCl₃ bei 600 Torr. Reaktionsgefäß 1 und Filtergefäß 3 wurden an einem Brennpunkt eines elliptischen Blitzlampenhohlraums 4 angeordnet, wohingegen eine Xe-Blitzlampe 5 am anderen Brennpunkt angeordnet war. Die Blitzlampe 5 entlud sich mit 750 Joule elektrischer Energie in 250 Mikrosekunden. Das Ultraviolettfilter 8 erzeugte ein 12:1 Konstrast-

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verhältnis zwischen 207,6 nm und 215,0 nm. Die Infrarot-

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strahlung 6 mit 4 χ 10 W/cm wurde von einem (nicht gez C0_-Laser geliefert, der auf der P(20)-Linie arbeitete.

Die Infrarotstrahlung 6 wurde axial durch das Reaktionsgefäß fortgepflanzt, welches eine gewünschte (BCl-. ,0_?) Mischung an der Spitze des Ultraviolettimpulses enthielt. Fünf Impulse aus kombinierter Ultraviolett- und Infrarot-Strahlung dissoziierten ungefähr die Hälfte der Anfangsmenge von BCl₃, die im Reaktionsgefäß 1 vorhanden war. Infrarotstrahlung allein würde keinerlei BCl₃ dissoziieren, wohingegen 15 Impulse von gefilterter Ultraviolettstrahlung erforderlich waren, um die gleiche Reaktion hervorzurufen wie ein einziger kombinierter Ultraviolett- und Infrarot-Impuls. Es wird angenommen, daß das Erzeugnis der Reaktion zwischen dem Desoxydationsmittel 0~ und den Dissoziationsprodukten (BOCl)₃ ist.

Die Ergebnisse der Massenspektrometeranalyse des Rest-BCl., in bestrahlten Mischungen von 1-6 Torr an BCl₃ und 20-25 Torr O₂ sind in Fig. 6 dargestellt. Die in Fig. 6 gezeigten Anreicherungsfaktoren können dadurch erhöht werden, daß man den Leistungspegel der Ultraviolettquelle erhöht.

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Claims (11)

PATENTANS P RÜCHE

1. Verfahren zur Trennung von Borisotopen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Vorsehen einer gasförmigen Mischung aus BCl-./ die sowohl Borisotope als auch ein Desoxydationsmittel enthält, welchletzteres mit BCl₃ im wesentlichen nicht reagiert, mit Photodissoziationsprodukten von BCl., aber heftig reagiert;

b) Bestrahlung der Mischung mit einer Strahlung aus den P- oder R-Zweiglinien eines CO_o-Lasers, um Vorzugsweise die ein spezielles Borisotop enthaltenden BCl₃-MoIekiile anzuregen;

c) gleichzeitige Bestrahlung der Mischung mit Ultraviolettstrahlung bei einer Wellenlänge, die die durch die CC^-Laserstrahlung angeregten BCl₃-MoIeMiIe photodissoziiert, aber nicht diejenigen BCl₃~Moleküle, die nicht durch die CO₂~Laserstrahlung angeregt sind;

d) Trennung des undissoziierten BCl₃ von den Reaktionsprodukten der Photodissoziation und des Desoxydationsmittels.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraviolettstrahlung eine Wellenlänge im Bereich von 213 bis 215 nm hat.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraviolettstrahlung gefiltert ist, und zwar durch Hindurchlauf durch nicht angeregtes BCl₃, bevor die Mischung bestrahlt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das das BCl₃ in der Mischung sich auf einem Druck von ungefähr 2 Torr befindet.

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5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die CCU-Laserstrahlung aus dem P-Zweig des CO₂ -Lasers stammt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die CO₂-Laserstrahlung aus dem P(2O)-Zweig des CO₂-Lasers stammt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Desoxydationsmittel O- ist.

8. Verfahren, insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, zur Trennung von Borisotopen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) Vorsehen einer gasförmigen Mischung aus BCl₃, die sowohl Borisotope und O₃ enthält, wobei die Mischung 1-6 Torr BCl₃ und 20-25 Torr O₂ enthält;

b) Bestrahlung der Mischung mit 1o,6 Mikrometer Strahlung

vom P-Zweig eines CO^-Lasers zur vorzugsweisen Anregung

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derjenigen BCl.,-Moleküle, die B enthalten;

c) gleichzeitige Bestrahlung der Mischung mit Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge zwischen 213 und 215 nm zur Photodissoziation angeregter Moleküle von BCl₃, und

d) Trennung des undissoziierten BCl₃ von den Reaktionsprodukten der Photodissoziation und dem O₂·

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraviolettstrahlung durch unerregtes BCl₃ gefiltert wird, bevor die Mischung bestrahlt wird.

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