DE2740272C3

DE2740272C3 - Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes

Info

Publication number: DE2740272C3
Application number: DE2740272A
Authority: DE
Inventors: Georges Port Marly Mourier
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1981-10-08
Also published as: DE2740272B2; DE2740272A1; FR2363364A1; FR2363364B1; US4167668A

Description

in der die Buchstaben m die Masse, π die Anzahl pro Volumeneinheit und w_c die Zyklotronkreisfrequenz der jeweiligen Art von Ionen in dem Plasma bezeichnen, mit dem Index 1 für das Isotop mit der geringsten Häufigkeit, dem Index 2 für das andere Isotop und dem Index 3 für die dritte Spezies. μ

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß m und /13 gleich sind, während die Massen die Gleichung >n₃ = 2ni\ — tih erfüllen.

3. Verfahren nach Anspruch 2. bei dem die beiden Isotope 1 bzw. 2 U235 und L^g des Urans sind, dadurch gekennzeichnet daß die dritte Spezies Thorium Th232 ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionen der beiden Isotope und der dritten Spezies in einer einzigen Quelle erzeugt werden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiges Verfahren ist aus »Electromagnetic Separation of Isotopes in Commercial Quantities«, Edition Wakerling & Guthrie, Kapitel 12, »The Resonance Method«, von J. R. Richardson bekannt.

Das bekannte Verfahren nutzt die kombinierte Wirkung aus, die ein zeitlich konstantes, gleichförmiges Magnetfeld und ein sinusförmiges elektrisches Feld hoher Frequenz, das zu ihm senkrecht ist, auf ein die zu trennenden Isotope enthaltendes Plasma ausüben.

Unter der Wirkung dieser Felder laufen die ionisierten Atome der Isotope auf Bahnen um, die insbesondere von ihren Massen abhängig sind. Es ist auf diese Weise möglich, vorzugsweise eines von ihnen auf Elektroden aufzufangen, die manche dieser Bahnen schneiden.

Allgemein gilt für die Zyklotronfrequenz 4=y— B,

wobei /ndie Masse des Ions, e seine elektrische Ladung und ßdie magnetische Induktion bezeichnen.

Wenn die Frequenz /"des elektrischen Feldes gleich der vorgenannten Resonanzfrequenz f_e ist, beschreiben die Ionen Spiralbahnen, deren Radius ständig zunimmt Weicht dagegen die Resonanzfrequenz der Ionen von der Frequenz / ab, so folgen die Ionen Bahnen, deren Radius sich zwischen zwei Extremwerten periodisch ändert Die Vorrichtung, in der diese Bewegung stattfindet enthält typischer- und bekannterweise zwei Elektroden in Form von ebenen und parallelen Platten, an die eine sinusförmige Potentialdifferenz angelegt wird, welche das zu diesen Platten senkrechte elektrische Feld erzeugt und eine Ionenquelle, aus der die Ionen in den zwischen den Elektroden gelegenen Raum gelangen.

Es ist zu erkennen, daß es unter diesen Bedingungen möglich ist bevorzugt die eine Ionenart auf den genannten Elektroden aufzufangen, während die andere Ionenart die Elektroden nicht erreicht und auf einem getrennten Kollektor aufgefangen wird. Auf diese Weise werden die Ionen, von denen nur wenige vorhanden sind und die angereichert werden sollen, von den anderen Ionen getrennt

Diese Art von Trennung stößt jedoch auf Schwierigkeiten, wenn zur Erzielung industrieller Mengen höhere Teilchendichten im folgenden als Plasma bezeichnet, benutzt werden. Es ergibt sich dann ein Abschirmungseffekt, da sich das PUsma wie ein Leiter verhält in den das elektrische Feld schlecht eindringt Dieser Effekt hängt von der Zusammensetzung des Plasmas ab, d. h. von der Art und Anzahl der Teilchen, sowie insbesondere von dem Wert ihrer Zyklotronfrequenzen. Er ist auf die Polarisation zurückzuführen, die sich im Innern des Plasmas aufgrund des elektrischen Feldes ausbildet Für den Polarisationsvektor ~?gilt:

50

wobei die Summe auf alle ionisierten Teilchen ausgedehnt wird, die in dem Plasma vorhanden sind, wobei <7* ihre Ladung bezeichnet und wobei r* ihre geometrische Verschiebung unter der Einwirkung des elektrischen Feldes bezeichnet, während kder Index der Teilchen ist.

Wenn Gruppen von Teilchen mit gleichen Eigenschaften vorhanden sind, kann statt Formel (1) geschrieben werden:

wobei Λ,-die Anzahl von Teilchen einer Gruppe bedeutet und der Index /über alle Gruppen läuft.

Für die Polarisation nach Formel (2) ergibt sich aufgrund der Gleichung der Bewegung der Ionen in einem sinusförmigen Elektrischen Feld E= £bsin ω/, das in der x-Richtung senkrecht zu den Platten ausgerichtet ist, folgender Ausdruck

wobei ω» die Zyklotronkreisfrequenz der Teilchenart i bezeichnet und wobei q* mi und /7/ die elektrische Ladung bzw. die Masse bzw. die Anzahl pro Volumeneinheit ist. Dieser Ausdruck zeigt, daß die Polarisation des Plasmas, im folgenden mit /'bezeichnet, in der Nähe von air/stark von ω abhängt.

Zusätzlich m dem Absehirmungseffekt ändert sich infolge der natürlichen Instabilitäten des Plasmas, vor allem in der häufig vorhandenen lonenart, die Frequenz des elektrischen Feldes im Innern des Plasmas geringfügig. Diese Instabilitäten verursachen nämlich zeitliche Schwankungen des Maximalwertes E₀ des sinusförmigen elektrischen Feldes E₀ sin ωί, so daß gilt Ea=Eo (t). Jede Abweichung der Größe ω von der Zyklotronkreisfri-'quenz m_c\ der gewünschten Teilchenart reduziert aber deren Trenneffekt ι η

Aufgabe der Erfindung ist es, den störenden durch die Polarisation der häufig vorhandenen lonenart hervorgerufenen Abschirmeffekt zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in das Plasma die dritte Spezies in Form von Ionen in einem durch folgende Formel definierten Verhältnis injiziert wird:

Π₃ M₃ in_ci — W^₃ W₂ Wl₂ in _e2 — "'el

20

in der die Buchstaben m die Masse, π die Aii^ahl pro Volumeneinheit und ω_Γ die Zyklotronkreisfrequenz der jeweiligen Art von Ionen in dem Plasma bezeichnen, mit dem Index 1 für das Isotop mit der geringsten Häufigkeit, dem Index 2 für das andere Isotop und dem Index 3 für die dritte Spezies.

Gemäß der Erfindung ist also vorgesehen, mit den beiden zu trennenden Ionenarten eine dritte lonenart zu mischen, deren Masse und deren Konzentration in dem Plasma so gewählt wird, daß die Polarisation aufgrund dieser dritten lonenart im wesentlichen gleich der aufgrund der unerwünschten, am reichlichsten vorhandenen Ionenart, beispielsweise des Isotops 238 im Fall von Uran, ist und das entgegengesetzte Vorzeichen hat.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Konzentration dieser Ionenart in dem Plasma gleich der der unerwünschten Ionenart, während die Massen die Gleichung m₃ =2/ni — /n₂ erfüllen.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt ein Diagramm, welches die Verbesserung zeigt, die das Verfahren nach der Erfindung gegenüber dem bekannten Verfahren mit sich bringt.

Die Polarisation P im Innern des Plasmas setzt sich nach Formtl (3) aus der Summe der Polarisationen /Ί und Pi der beiden zu trennenden Isotope und aus der Polarisation P₃ aufgrund der hinzugefügten lonenart zusammen. Es gilt:

P-E(^-I ^b

(4)

a =

M₁O₁ ²

und c =

M₃O₃ ²

und mit:

25

JO

40

50

Ii = <h = ft ·

Gemäß der Erfindung werden b und cso gewählt, daß die Summe der beiden letzten Glieder, Pi und P% bei der

60 Zyklotronresonanz der Spezies 1, deren Anreicherung gewünscht wird, Null ist, was folgende Gleichung ergibt;

2 2 H Ϊ 2

«>a —<»c\ '"rf —'"ei

— ^U

n± _ m₃ «Ui —"'a

H₂ Wj !»α ""'"el

Vorzugsweise wird bei der Trennung von Uran als dritte Spezies Thorium mit der Atommasse 232 gewählt, das sehr langlebig und relativ reichlich vorhanden ist. In dem Plasma werden Ionen Th+332 mit einer Dichte erzeugt, die gleich der der Ionen U-* 238 ist.

Die Verbesserung, die durch die Erfindung erzielt wird, wird im folgenden für diesen Fall anhand des Diagramms ausführlich dargelegt.

Dieses Diagramm zeigt die P-'.irisation P in Abhängigkeit von der Kreäsfrequenz <a.

Die mit II bezeichnete Kurve stellt die Polarisation Pi dar. Die Polarisation P^ ist bei der Zyklotronresonanz der lonenart 1 gleich dem Ordinatenwert des Punktes A. Die Kurve III zeigt die Polarisation P₃, während die Kurve (C) die Summe von Pi und Pi darstellt.

Es ist zu erkennen, daß die Summe von P2 und P₃ in einem bestimmten Kreisfrequenzintervall Δω kleiner als Pi bleibt. Es ist daher möglich, durch Einführung der dritten !onenart in das Plasma Änderungen der Frequenz des elektrischen Feldes infolge von Plasmaschwankungen zu tolerieren, die sich über ein größeres Intervall erstrecken, als dies bei dem bekannten Verfahren möglich ist. Die Polarisation P\ aufgrund des leichten Isotops U235 bleibt im Absolutwert größer als die Summe der Polarisationen P₂ und P₃ aufgrund der beiden anderen Spezies U₂Je und Th₂j2 in einem Frequenzintervall, das mit Hilfe der Gleichung (4) berechnet werden kann. Dieses Intervall ist für das genannte Beispiel mit

m, — Jn₃ = In₁ — m, = 3 gleich

7,6
10000

Demgegenüber beträgt es für den Fall eines Plasmas, das nur die beiden Isotope des Urans enthält, nur

iÖÖÖÖ ' ^^{an νεΓ}'"8^ι daher über ein Frequenzintervall, das ungefähr achtmal größer ist. Die Trennung erweist sich daher in der Frequenz als weniger kritisch als bei den bekannten Verfahren. Umgekehrt erreicht man bei der genauen Frequenz eine effektivere Trennung als beim Stand der Technik.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung enthält eine Ionenquelle, in der die Ionen der drei Spezies erzeugt werden, zwei parallele ebene Platten, an denen eine Wechselspannung mit der Kreisfrequenz w_ci anliegt, und einen Kollektor, der mit dem Mittelpunkt d?r Wechselspannungsquelle verbunden ist. Auf den Platten wird an dem der Quelle abgewandten Ende die Spezies 1 gewonnen. Die Spezies 2 und 3 werden durch den Kollektor aufgefangen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

U Verfahren zum Trennen von zwei Isotopen eines Stoffes unter Verwendung eines Plasmas, das in sehr ungleichen Verhältnissen Ionen der Isotope enthält und auf das in Anwesenheit einer dritten Spezies ein zeitlich konstantes, homogenes Magnetfeld sowie ein zu diesem senkrechtes elektrisches Hochfrequenzfeld, dessen Frequenz im wesentlichen gleich der Zyklotronfrequenz in dem Plasma des Ions des am wenigsten vorhandenen Isotrops ist einwirken, wobei an zwei Elektroden, zwischen denen das Plasma eingeschlossen ist vorwiegend die Ionen des Isotops mit der geringsten Häufigkeit und auf einem getrennten Kollektor die Ionen des anderen Isotops aufgefangen werden, dadurch gekennzeichnet, daß in das Plasma die dritte Spezies in Form von Ionen in einem durch folgende Formel deflrierten Verhältnis injiziert wird:

"3 "b °'cl — °'c3

«2 /M₂ 01,2 — ">d