DE2805958C3 - Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen - Google Patents
Düse zur adiabatischen Entspannung von GasenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen bzw. Gasgemi- ι
»Chen mit Düsenspalten, die z. B. schlitzförmig wie in der
Uranisotopentrennung mit Hilfe der Lasertechnik ausgebildet sein können. Eine eingehende Beschreibung
dieser Technik befindet sich in der deutschen Offenlegungsschrift 24 47 762. Die Abtrennung der mit Hilfe *<
einer Laserstrahlung angeregten einen Isotopenvcrbn· dung — wie z. B. 235 UF6 - erfolgt dort mit Hilfe einer
chemischen Reaktion dieser Isotopenverbindung mit einem gleichzeitig zugeführten Reaktionspartner. Neben der chemischen Trennung von angeregten und nicht 4 ί
angeregten Isotopenverbindungen sind jedoch auch physikalische Verfahren durchführbar, wie sie /. B. in
der deutschen Offenlegungsschrift 23 11 584. beschrie
ben sind. Die adiabatische Entspannung bewirkt eine Temperaturabsenkung des isotopenselektiv anzuregen- vi
den !sotopengemisches. also z. B. der Verbindung UF6
— wodurch eine sehr starke Verschmälerung der Absorptionsbanden der Isotopenmischung erreicht
wird. Aut diese Weise ist erreichbar, daß sich die Q-Zweige der Absorptionsbanden der Isotopcnverbin- v>
dung nicht mehr überlappen und somit nur die eint
Isotopenverbindung mit Hilfe der Einstrahlung einer ihrem Q Zweig entsprechenden Frequenz einer Laserstrahlung selektiv angeregt wird, Mit Hilfe der
adiabatischen Entspannung ist somit eine wesentliche mi
Erhöhung des Trenneffektes bei der laserinduzierten Isotopentrennung möglich. Es ist dabei aber wichtig,
daß diese Selektivität nicht durch Rückwärmung des Gasstromes während der Entspannung über die
Düsenwand selbst verschlechtert wird. Diese Ver- μ
schlechterung wird verursacht durch die Reibungswärme in der Grenzschicht sowie durch die von der
Düsenwand dem Gasstrom zufließenden Wärme.
Es stellt sich daher die Aufgabe, von vornherein nach Maßnahmen zur Verhinderung einer solchen Rückwärmung des auf sehr tiefer Temperatur befindlichen
Gasstromes zu suchen.
> Eine Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Düse zur adiabatischep Entspannung
mit Einrichtungen zur Verringerung bzw. linkehrung des Wärmeüberganges zum Gasstrom versehen ist
Diese Einrichtungen können darin bestehen, daß die
hi Düsenwandung aus einem Material schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht und/oder konstruktiv so gestaltet
ist daß ihre Wärmeleitfähigkeit möglichst klein wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind noch in den Unteransprüchen 3 bis 6 dargelegL
ι "> Anhand der F i g. 1 —8 wird die vorliegende Erfindung
näher erläutert wobei die F i g. 1 schematisch ein mögliches Beispiel für die Anwendung einer Entspan
nungsdüse in einer Uranisotopentrennanlage darstellt und die übrigen Figuren verschiedene Ausführungsfor-
-3O men dieser Düse zeigen.
Nach F i g. 1 ist in die Wandung eines Vakuumgefäßes 1 eine Düse 24 eingebaut, die aus Verteilerräumen 22
und 32 mit einer Mischung aus UF6 Gas aus dem Vorratsbehälter 2 und dem Reaktionspartner, z. B.
-'> Wasserstoffbromir*, aus dem Vorratsbehälter 3 gespeist wird. Über die Ventile 31 und 21 wird das gewünschte
Mischungsverhältnis von UF6 zu HBr von z. B. 1 : 10 eingestellt. Durch die Temperaturregelung im Vorratsbehälter 2 wird dabei der Dampfdruck des UF6 auf etwa
ι» 300 Torr eingestellt.
Das Gasgemisch gelangt aus dem Mischraum 23 in eine spaltförmigc Austrittsdüse 24. Der aus dieser Düse
in die Vakuumkammer 1 austretende Dampfstrahl 8 ist bezüglich UF6 stark unterkühlt und wird dort von dem
'"■ Laserstrahl 4 durchsetzt, der in einer nicht dargestellten
Lasereinrichiung cr/cugt wird.
Die Ausirittsdüse 24 hat im Düsenhals 5 z. B. eine
Weite von einigen 1Z100 mm und etwa 50 cm Breite.
Durch die selektive Anregung nur der einen »> Isotopenverbindung des UF6. also z. B. der Verbindung
235 UFi,, reagiert nur diese mit dem zugeführten
Reaktionspartner, so daß diese Verbindung in 235 UF\
oder 235 UF4 umgewandelt wird. Die nicht angeregten
Teile des Gasstromes 8 werden durch die Wand Il abgeschalt und kondensieren an den Kühlwänden 14.
Die Reaktionsprodukte 17 schlagen sich auf dei Auffangplatte 16 nieder. An den Kühlwänden 15
dagegen kondensieren hauptsächlich die nicht an der Reaktion beteiligten Anteile 238 UF*. Die flüchtigen
" Produkte, wie /. B HF und HBr. werden über Pumpen
abgesaugt.
Beispiele für die konstruktive Ausfuhrung der Düse
24 sind in den F ι g. 2 — 8 veranschaulicht. Aus ihnen gehl
hervor, daß es viele Möglichkeiten gibt, die Rückwär
'· mung des Gassiromes innerhalb der Düse möglichst zu
verhindern. Diese Beispiele siellcn daher auch keine vollständige Auf/ählung dei Möglichkeiten dar \ inan
der enlsprechende Bauteile sind in s.imiliihen Beispielen mit gleichen ht/.ugs/eichen versehen.
Die einfachste Form einer solchen Düse ist in F i g. 2 dargestellt. Die engste Stelle des Düsenspaltes ist mit 5
bezeichnet, die Wandung des Düscnauslasses mit 6. Die Richtung der durch die Düse strömenden Gasmischung
ist durch einen Pfeil sowie das Be/.ugszeichcn 8 dargestellt. Der Düsenkörper 24 ist hier mit einem tiefen
Einschnitt 61 versehen, so daß die Düsenwand 6 an der Austrittsseitc eine geringere Wandstärke aufweist, als in
der Nähe des Düsenhalses 5. Durch diese Formi?eniinp
wird erreicht, daß die Wärmezufuhr nur vom Düsenhals
5 her möglich ist, wobei außerdem der Wärmeleitungswiderstand einstellbar ist Der Wärmeübergang durch
den Einschnitt ti kann durch Einfügung eines Wärmeschutzschiides 64 praktisch unterbunden werden.
Es sei aber darauf hingewiesen, daß die Düse 24 für Zwecke der Isotopentrennung im allgemeinen eine
schlitzförmige Gestalt aufweist Selbstverständlich gelten die erwähnten Prinzipien aber auch für rotationssymmetrisch
aufgebaute Düsen. Durch diesen Temperaturverlauf in der Düsenwandung, diese wird zum
Austritt zu immer kälter, ist sichergestellt daß der Wärmefluß von der Düsenwand durch die Grenzschicht
der Strömung zum Hauptgasstrom wesentlich verringert wird. Dieser Wärmefluß kann außerdem durch das
Düseninaterial beeinflußt werden, das eine möglichst
geringe Wärmeleitfähigkeit haben sollte.
Eine andere Möglichkeit zur Einstellung des Verlaufes
des Temperaturgradienten entlang der Düsenwandung 6 ist in der F i g. 3 dargestellt. F; er ist der
Düsenkörper mi: Hohlräumen 62 versehen, die untereinander und mit dem Düsenaußenraum verbunden sein
können. Diese Konstruktion hat gegenüber jener in Fig. 2 eine erheblich verbesserte mechanische Stabilität
Über die durch die Hohlräume 62 gebildeten Materialstege ist nur ein beschränkter Wärmefluß vom
Düsenkörper 24 her möglich, so daß in Verbindung mis der Kühlung durch den Hauptgasstrom 8 die Temperatur
der Düsenwandung 6 bis zu ihrem Austrittsrand immer geringer wird.
Die F i g. 4 zeigt einen Ausschnitt dieser Düse entsprechend F i g. 3 aus der Sicht von vorne, also gegen
den Gasstrahl. Hieraus ist zu ersehen, daß die Kammern
62 in der gesamten Düsenwandung 6 verteilt sind.
Diese Konstruktion mit den Hohlräumen 62 kann
Diese Konstruktion mit den Hohlräumen 62 kann
noch dadurch verbessert werden, daß entsprechend F ι g. 5 das F.nde der Düsenwandung 6 mit einem
Kühlkörper· 63 wärmeleitend verbunden ist. der z. B. von
einem entsprechenden Kältemittel ständig durchströmt wird. Dadurch kann erreicht werden, daß die in der
Grenzschicht entstehende Reibungswärme und evtl. sogar ein Teil der Restwärme des Hauptgasstromes 8
abgeführt werden. Die Grenze der zulässigen Wandabkühlung ist dabei in diesen Beispielen durch die
Kondensationsiemperatur des Grenzschichtgases gegeben,
die sich entlang der Düsenwand 6 infolge dos
abnehmenden Druckes bei der Entspannung stark ändert Die Anpassung 'les Temperaturverlaufes an die
örtliche Kondcnsationstcmperatut wird durch entsprechende
Anordnung und Dimcpsionierung der Hohlräume
62 sowie der Kühleinrichtung 6Ϊ er/ielt. Durch eine
zusätzliche Wärmeisolationsschichl 66 am Kühlkörper
63 kann cine dot t mögliche Kondensation vermieden
und der Wärmeübergang zwischen Umgebungsgas und Kühlkörper 63 reduziert werden.
Im Beispiel nach F i g. 6 ist eine Mehrfachdüse nach
diesem Prinzip dargestellt, bei der eine Vielzahl von Düsenspalten S parallel zueinander angeordnet sind.
Die benachbarten Düsen zugeordneten gemeinsamen Wände 65 sind ebenfalls mit Hohlräumen 62 versehen,
von denen jeweils nur einer eingezeichnet ist. Selbstverständlich könnten auch, wie in den anderen
Figuren, wabenförmige Hohlräume 6Z vorgesehen sein, von denen die der Düsenaustrittsseite am nächsten
liegenden zusätzlich mit Hilfe eines Kühlmittels av' die erforderliche niedrige Temperatur gehalten werden
können.
Zusätzlich zu den bisher beschriebenen konstruktiven Maßnahmen, aber auch für sich allein können
entsprechend F" i g. 7 auf der Düseneintrittsseite Zufuhrungseinrichtungen 7 für ein Zrir<tzgas vorgesehen
werden, das. wie dargestellt sozusagen als Grenzschicht die Düsenwandung bedeckt. Dieses Zusatzgas soll
möglichst geringe Wärmeleitung haben, also ζ. Β aus Argon oder Xenon, bestehen, wenn eine Fremdkühlung
des Hauptgasstromes nicht vorgesehen ist.
Dit in diesen Beispielen dargestellten Möglichkeiten
zur Temperaturbeeinflussung der Düsenwände 6 auf ein
durch die Wandkonzentration der durchtretenden Gasmischung begrenztes Maß, führt, infolge der
dadurch bedingten /ähigkeitsverminderung in der
Grenzschicht, zu einer erheblichen Minderung der Grenzschichtdicke. Dies wirkt sich wiederum auf die
mittlere Gastemperaiur und außerdem auf die evtl.
angewandte, an sich bekannte Druckrückgewinnung günstig aus.
Die F i g. 8 zeigt scnließhch eine Rntspannungsdüse 25
mit sozusagen aufgeklappten Wänden 6. die wieder mit
Hohlräumen 62 versehen sind. Der die Düse verl-issende
Gasstrom 8 weitet sich in der dargestellten Form auf
und durchsetzt die hier im Querschnitt halbringartig gestaltete Bestrahlungszone. Anschließend tritt er in
eine Anzahl kreisförmig um den Düsenaustritt angeordnete
Dilfusoren 9 ein, in denen die Strömung in den
Unterschallbereich überführt und damit in bekannter Weise cmc sogenannte Druckrückgtivinnung erzielt
wird. Die eigentliche Abschcideeinrichiung für die
Reaktionsprodukte ist nicht dargestellt, da diese mit der
Düse selbst nichts zu tun hat.
Die Anwendung der beschriebenen Maßnahmen zur besseren Abkühlung eines Gases durch Hntspannung in
einer Düse ist natürlich nicht auf die Urananreicherung beschränkt. Sie können /. B. auch bei Düsen gasdynamisch^
Laser angewendet werden /ur Vermeidung einer >tärKeten Besetzung Her unteren Knergieniveaus.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Düse zur adiabatischen Entspannung von Gasen bzw. Gasgemischen mit Düsenspalten, die z. B.
schlitzförmig wie in der Uranisotopentrennung mit Hilfe der Lasertechnik ausgebildet sein können,
dadurch gekennzeichnet, daß sie mit Einrichtungen (6, 61, 62, 7) zur Verringerung bzw.
Umkehrung des Wärmeüberganges zum Gasstrom (8) versehen ist
2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenwandung (6) aus einem Material
schlechter Wärmeleitfähigkeit besteht und/oder konstruktiv so gestaltet ist daß die Wärmeleitfähigkeit möglichst klein wird.
3. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Dicke der Düsenwand (6) zum
Düsenausgang zu verjüngt.
4. Düse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß die Düsenwand (6) mit Hohlräumen (62)
versehen ist.
5. Düse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Hohlräume (62) von einem Kühlmittel
durchströmt sind.
6. Düse nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sie vor ihrer engsten Stelle (5) auf der
Gaseintrittsseite mit Zuführungsöffnungen (7) für ein eine Grenzschicht (71) an der Düsenwandung (6)
bildendes Zusatzgas versehen ist.
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