DE2839317A1

DE2839317A1 - Vorrichtung und verfahren zur trennung von isotopen

Info

Publication number: DE2839317A1
Application number: DE19782839317
Authority: DE
Inventors: Kohji Inada; Tetsuya Miyake; Norito Ogawa; Kunihiko Takeda
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1977-09-14
Filing date: 1978-09-09
Publication date: 1979-03-29
Also published as: US4280984A; GB2005648B; US4302424A; DE2839317C2; AU3980178A; GB2005648A; FR2403104B1; AU522777B2; NL7809333A; BE870426A; JPS5949052B2; FR2403104A1; JPS5444199A; CA1114530A

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Trennung von Isotopen

Die Erfindung betrifft eine Apparatur und ein Verfahren zur Isotopentrennung unter Verwendung einer Vielzahl von Entwicklungseinheiten, die an wenigstens eine Flüssigkeitshauptspeiseleitung angeschlossen sind.

Bei der Trennung und Anreicherung eines Isotops aus einem Isotopengemisch im großtechnischen Maßstab wird ein gewünschtes Ausmaß der Trennung und Anreicherung der Isotope itn allgemeinen erzielt, indem eine große Zahl von Trenneinheiten in Form eines "Kaskade" genannten Netzwerks zusammengeschaltet wird, da der Trennfaktor eines einzelnen Isotopenseparators im allgemeinen sehr niedrig ist. Beispielsweise stellt Kunio Higashi "Uranium Concentration" (herausgegeben 1971 von Nikkan Kogyo Shinbun Sha) fest, daß es zur Herstellung von 5% angereichertem Uran 235 unter Verwendung von natürlichem Uran als Ausgangsmaterial nach einem Gasdiffusionsverfahren notwendig ist, Trenneinheiten, die aus 902 Anreicherungsstufen und 500 Gewinnungsstufen bestehen, kaskadenartig hintereinander zu schalten. Ebenso ist es im Falle der Herstellung des Uranisotops im großtechnischen Maßstab durch Gaszentrifugieren notwendig, eine Kaskade zu bilden, indem mehrere hunderttausend Zentrifugen pro Anlage sowohl hintereinander als auch parallel geschaltet werden. Die für diesen Zweck verwendete gesamte Trennapparatur ist kompliziert und kaum zu regeln und zu beherrschen.

Beispielsweise wirkt sowohl die Kaskade von 1400 Stufen in der Gasdiffusionsanlage oder die Kaskade von mehreren hunderttausend Zentrifugen als eine Trennapparatur, in der der Strom von Uranhexafluoridgas in jeder Stufe

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genau geregelt werden muß, um einen maximalen Trennfaktor für das Uranisotop zu erzielen. Wenn ferner ein Teil einer großen Anzahl von Trenneinheiten zum Stillstand kommt, würde sich die hierbei entstehende Störung des Gasstroms oder der Anreicherung der Isotope durch die gesamte Kaskade fortsetzen. Zur Gewinnung unter optimalen Trennbedingungen sind komplizierte Berechnungen und eine komplizierte Verfahrensregelung erforderlich. Ferner muß für eine geringfügige Veränderung der Uranisotopenanreicherung eines Produkts durch die Operation die Anreicherung durch Regelung der Betriebsbedingungen jeder der zahlreichen Trenneinheiten verändert werden, während versucht wird, den Trennfaktor der Kaskade auf einen maximalen Wert zu bringen.

Bei der Isotopentrennung im großtechnischen Maßstab wurde allgemein festgestellt, daß mehrere tausend bis mehrere hunderttausend Trenneinheiten zu einer Kaskade zusammengestellt werden müssen, wodurch die verschiedensten Schwierigkeiten im Betrieb verursacht werden.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine neue Isotopentrennapparatur, mit der die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten in der Betriebskontrolle im wesentlichen ausgeschaltet werden können, verfügbar zu machen. Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Trennung verschiedener Arten von Isotopen unter Verwendung der neuen Apparatur gerichtet.

Die Isotopentrennapparatur gemäß der Erfindung umfaßt wenigstens zwei Entwicklungseinheiten, von denen jede wenigstens zwei mit einem Adsorptionsmittel gefüllte Kolonnen umfaßt, die einen kontinuierlichen Kreis bilden, wobei jede Entwicklungseinheit über Mengenregelvorrichtungen an wenigstens eine gemeinsame Flüssigkeitshauptspeiseleitung angeschlossen ist.

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Die Erfindung umfaßt ferner ein Isotopentrennverfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine Lösung eines Isotopengemisches jeder Entwicklungseinheit der vorstehend genannten Isotopentrennapparatur durch eine der vorstehend genannten gemeinsamen Flüssigkeitshauptspeiseleitungen zuführt.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Abbildungen beschrieben.

Fig.l zeigt eine typische Ausführungsform der Isotopentrennapparatur gemäß der Erfindung.

Fig.2 veranschaulicht als Beispiel die Anwendung der Erfindung unter Verwendung eines Aktivierungsmittels für ein Regenerierungsmittel und eines Elutionsmittels, die zusätzlich in der in Fig.l dargestellten Apparatur verwendet werden.

Fig.3 zeigt Beispiele von Druckreglern in den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen, die in der Apparatur gemäß der Erfindung verwendet werden.

Fig.4 zeigt ein Beispiel eines Systems zum Verbinden der Flüssigkeitshauptaustragsleitungen und der Entwicklungseinheiten im Rahmen der Erfindung.

Fig.5 veranschaulicht die Entwicklungseinheiten, die bei dem in Beispiel 1 beschriebenen Versuch verwendet wurden.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.

■ Zunächst wird ein Isotopentrennverfahren in einer einzelnen Entwicklungseinheit, die das grundlegende Mittel der Erfindung ist, ausführlich beschrieben. Anschließend werden eine großtechnische Isotopentrennapparatur, die eine Anzahl dieser Entwicklungsein-

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heiten enthält, und die Betriebsweise der Apparatur erläutert.

Es ist bekannt, eine Adsorptionszone eines Isotopengemisches in einer mit einem Adsorptionsmittel gefüllten Entwicklungskolonne zu bilden und die Isotopenadsorption mit einem geeigneten Elutionsmittel zu entwickeln, wodurch Isotope getrennt werden, während die Adsorptionszone durch die Säule wandert. Beispielsweise wird gemäß den Verfahren, die in den japanischen Patentanmeldungen (OPI) 12700/1972, 57297/1974 usw. beschrieben werden, eine mit einem Ionenaustauscherharz gefüllte Entwicklungskolonne zunächst mit einem geeigneten Oxydationsmittel oder Reduktionsmittel regeneriert, eine Uranadsorptionszone in der Säule ausgebildet, die Uranzone mit einem Elutionsmittel, z.B. einer wässrigen Lösung eines Oxydationsmittels, eines Reduktionsmittels usw., unter Bildung eines Konzentrationsgradienten der Uranisotone in der Uranadsorptionszone entwickelt und der Teil des adsorbierten Urans mit der gewünschten Zusammensetzung aus der Säule isoliert. Ferner beschreibt F.H.Spedding in "Laboratory Method of Nitrogen Ion Separation of Ion Exchange Resin" (J.Amer.Chem.Soc. 77 (1955) 6125 bis 6132) ausführlich ein Verfahren, bei dem eine wässrige Ammoniumhydroxydlösung, die Stickstoffisotope

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N und N enthält, durch eine mit einem Kationenaustauscherharz gefüllte Kolonne geleitet wird, die vorher mit verdünnter Mineralsäure gewaschen und regeneriert worden ist, wobei eine Ammoniumadsorptionszone gebildet wird, worauf die Adsorptionszone unter Verwendung von wässriger Natriumhydroxydlösung als Elutionsmittel unter Ausbildung eines Isotopenanreicherungsgradienten in der Adsorptionszone entwickelt wird.

Ferner haben die Untersuchungen der Anmelderin ergeben, daß Borisotope in der gleichen Weise getrennt werden

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können. Hierzu wird nach Regenerierung einer mit einem stark basischen Anionenaustauscherharz gefüllten Kolonne mit einer wässrigen starken Alkalilösung, z.B.

einer wässrigen Natriumhydroxydlösung, eine wässrige

10 11 Borsäurelösung, die Borisotope B und B enthält, durch die Säule geleitet, wobei eine Borsäure-Adsorptionszone ausgebildet wird. Dann wird die Borsäure-Adsorptionszone unter Verwendung einer wässrigen Lösung einer starken Säure als Elutionsmittel entwickelt, wodurch ein Konzentrationsgradient der Borisotope in der Adsorptionszöne ausgebildet wird. Bei diesem Verfahren wird die mit dem Anionenaustauscherharz gefüllte Säule nach der Verwendung für die Entwicklung und im Gleichgewicht mit der als Elutionsmittellösung dienenden wässrigen Lösung der starken Säure mit einer wässrigen Lösung eines starken Alkalis als Regeneriermittellösung regeneriert, so daß die Säule erneut für die Adsorption und Entwicklung eingesetzt werden kann.

Als Beispiele starker Alkalien, die als Regenerierungsmittel für die Zwecke der Erfindung verwendet werden können, sind Natriumhydroxyd, Kaliumhydroxyd und Ammoniaklösung zu nennen. Beispiele starker Säuren, die als Elutionsmittel für die Zwecke der Erfindung verwendet werden können, sind anorganische Säuren, z.B. Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure, und organische Säuren, z.B. Essigsäure und Ameisensäure.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, umfaßt das allgemeine Verfahren zur Trennung von Isotopen aus einem Gemisch der Isotopen unter Verwendung einer mit einem Adsorptionsmittel gefüllten Entwicklungskolonne die folgenden Arbeitsstufen:

1) Man regeneriert die gefüllte Kolonne bis zu einem für die Ausbildung einer Adsorptionszone des Iso-

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topengemisches geeigneten Zustand ,

2) bildet eine Adsorptionszone des Isotopengemisches an einem Ende der gefüllten Kolonne,

3) entwickelt die Adsorptionszone in der Kolonne mit einem geeigneten Elutionsmittel unter Ausbildung eines Konzentrationsgradienten des gewünschten Isotops in der Adsorptionszone und

4) isoliert dann den Anteil des adsorbierten Isotops mit der gewünschten Konzentration aus der Adsorptionszone.

Wenn die Isotopentrennung in der vorstehend beschriebenen Weise durchgeführt wird, muß die Adsorptionszone zur Anreicherung des Isotops bis zu einer gewünschten Konzentration auf Grund des sehr niedrigen Trennfaktors der Isotope über eine Strecke von mehreren Metern bis zu mehreren hundert Metern entwickelt werden. Ferner ist die in einer Operation erhaltene Isotopenmenge gewöhnlich sehr gering.

Es leuchtet ein, daß es schwierig ist, eine solche lange Entwicklungsstrecke mit einer einzelnen Kolonne, die mit dem Adsorptionsmittel gefüllt ist, auszubilden. Ferner ist bei der Trennung einer großen Isotopenmenge im großtechnischen Maßstab die Isotopenmenge, die bei einer Entwicklung isoliert werden kann, begrenzt, so daß es notwendig ist, eine große Anzahl von Entwicklungen wiederholt durchzuführen.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, werden mit Adsorptionsmittel gefüllte Kolonneneinheiten von geeigneter Länge, die durch Unterteilung einer Entwicklungsstrecke von gewöhnlich mehreren zehn bis zu mehreren hundert Metern erhalten werden, verwendet. Eine Entwicklungsapparatur kann erstellt werden, indem die mit

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Adsorptionsmittel gefüllten Kolonneneinheiten hintereinander durch Leitungen verbunden werden. Eine solche Entwicklungsapparatur aus hintereinandergeschalteten Einheiten wird in der nachstehend beschriebenen Weise betrieben.

Nachdem die gesamte Entwicklungsapparatur mit einer Regenerierungsmittellösung regeneriert worden ist, wird eine Isotopenadsorptionszone in der ersten Kolonneneinheit, die mit dem Adsorptionsmittel gefüllt ist, ausgebildet und mit einer Elutionsmittellösung entwickelt. Nachdem die Wanderung der Isotopenadsorptionszone zur zweiten Adsorptionskolonneneinheit beendet ist, wird die erste Adsorptionskolonneneinheit mit einer Regenerierungsmittellösung regeneriert, worauf erneut eine Isotopenadsorptionszone gebildet werden kann.

In der gleichen Weise wird die Isotopenadsorptionszone in der zweiten Adsorptionskolonneneinheit mit einer Elutionsmittellösung entwickelt. Die Isotopenadsorptionszone wandert nacheinander in die dritte, vierte und die folgenden Adsorptionskolonneneinheiten. Hierbei müssen die zweite, dritte und die folgenden Adsorptionskolonneneinheiten, durch die die anfängliche Isotopenadsorptionszone gewandert ist, mit der Regenerierungsmittellösung regeneriert werden. Durch Wiederholung dieser Arbeitsschritte ist es möglich, die Entwicklung innerhalb einer notwendigen oder gewünschten Strecke unter Verwendung von mit Adsorptionsmittel gefüllten Einheiten durchzuführen, indem eine große Zahl von Adsorptionszonen in Hintereinanderschaltung fortlaufend verbunden wird.

Wenn die vorstehend beschriebene Entwicklungsapparatur aufgebaut wird, verläuft die Entwicklungsstrecke über mehrere hundert Meter, und demgemäß werden mehrere

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zehn bis zu mehreren hundert Kolonnen, die mit Adsorptionsmittel gefüllt sind, verwendet. Es ist nicht leicht, eine solche große Zahl von mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen über Mehrwegehähne und -ventile hintereinander zu schalten und das gesamte System einwandfrei zu regeln und zu steuern. Da eine große Zahl von Adsorptionskolonneneinheiten hintereinandergeschaltet ist, beeinträchtigt ein Stillstand auch nur einer Adsorptionskolonneneinheit den Betrieb des gesamten Systems. Um eine solche Störung zu verhindern, muß jede Adsorptionskolonneneinheit beispielsweise mit einer Umgehungsleitung versehen sein. Natürlich wird die Entwicklungsapparatur, in der dieser Faktor berücksichtigt werden muß, komplizierter, und als Ergebnis wird ihr Betrieb und ihre Regelung und Steuerung schwieriger.

Gemäß der Erfindung kann die vorstehend beschriebene einzelne Adsorptionskolonne in mehrere Entwicklungs— einheiten mit zwei bis zu einigen zehn Adsorptionskolonnen unterteilt werden. Durch unabhängiges Arbeiten und Regeln jeder Entwicklungseinheit können Isotope einer gewünschten Konzentration getrennt und isoliert werden, während eine Isotopenadsorptionszone entwikkelt wird. Eine Entwicklungseinheit, in der eine solche Entwicklungsoperation durchgeführt wird, ist als Beispiel in Fig.l mit der Bezugsziffer 13 bzw.13' bezeichnet. Hier sind Kolonnen, die mit Adsorptionsmittel gefüllt sind, mit Mehrwegeventilen, Leitungen und Flüssigkeitsspeiseleitungen und Flüssigkeitsabflußleitungen verbunden. In einer solchen Entwicklungseinheit wird ein kontinuierlicher Entwicklungskreis unter den mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen der Entwicklungseinheit gebildet, wodurch in einer Kolonne Regenerierung stattfindet, während die Adsorption oder Entwicklung in anderen Kolonnen erfolgt. Wenn die

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Regenerierung beendet ist, wird die Kolonne für die anschließenden Adsorptions- und Elutionsstufen weiterverwendet, d.h. durch Durchführung der Regenerierungs-, Adsorptions- und Elutionsstufen in drei Kolonnen kann eine Isotopenadsorptionszone über eine unendliche Strecke durch den kontinuierlichen Entwicklungskreis in einer Entwicklungseinheit ausgebildet werden. Wenn die Adsorptionszone eines Isotopengemisches bei dieser Arbeitsweise entwickelt . wird, entsteht in der Zone auf Grund der Wechselwirkung zwischen den Isotopen und dem Adsorptionsmittel ein Isotopenkonzentrationsgra- ■ dient. Der Isotopenkonzentrationsgradient wird mit größer werdenden Entwicklungsstrecken stärker. Wenn der Isotopenkonzentrationsgradient der Adsorptionszone einen gewünschten Wert erreicht, nachdem die Adsorptionszone bis zu einer genügenden Strecke entwickelt ist, kann der Isotop einer gewünschten Zusammensetzung mit einem Elutionsmittel aus dem System in geeigneter Weise, z.B. durch Umschalten der Strömungsrichtungen durch Ventilbetätigung, aufgefangen werden. Die verbleibende Adsorptionszone mit ungenügender Isotopen— konzentration kann durch weitere Entwicklung der Adsorptionszone in der Entwicklungseinheit bis zu einem gewünschten Ausmaß weiter angereichert werden. Ferner kann durch Zuführung eines Isotopengemisches zur Adsorptionszone in der Kolonne in einer Menge, die derjenigen der aus der Kolonne abgezogenen Isotope entspricht, die Gesamtmenge des Isotopengemisches in der Adsorptionszone immer beim gleichen Wert gehalten werden. Mit anderen Worten, die in einem Teil einer Vielzahl von mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen der Entwicklungseinheit ausgebildete Isotopenadsorp— tionszone kann durch abwechselnde Wiederholung der Regenerierungs-, Adsorptions- und Elutionsoperationen in den mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen, die

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die Entwicklungseinheit bilden, längs einer unendlichen Strecke entwickelt werden, während der mit Isotopen angereicherte Teil mit der gewünschten Konzentration der Adsorptionszone in geeigneter Weise aus der Kolonne abgezogen und gleichzeitig ein Isotopengemisch in der gleichen Menge wie die abgezogene Menge der Adsorptionszone zugeführt wird. Das Isotop kann somit in einem in geeigneter Weise angereicherten Zustand vom Isotopengemisch abgetrennt werden.

Die Überlegenheit der Entwicklungseinheiten gemäß der Erfindung über die vorstehend beschriebene Entwicklungsapparatur aus mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonneneinheiten, die jeweils hintereinander geschaltet sind, ist offensichtlich. Bei Verwendung der Entwicklungseinheiten gemäß der Erfindung bildet jede Entwicklungseinheit durch einen kontinuierlichen Entwicklungskreislauf einen geschlossenen Kreislauf, wodurch die mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen miteinander verbunden werden, und eine vorbestimmte Menge von Isotopen kann durch unendliches Umlaufen— lassen einer Isotopenadsorptionszone im geschlossenen Kreislauf abgetrennt und aufgefangen werden. Daher kann jede der Entwicklungseinheiten unabhängig betrieben, gesteuert und geregelt werden, und als Ergebnis ist die Betriebsweise einfach, und eine Störung oder ein Stillstand in einer Entwicklungseinheit beeinträchtigt nicht die Operation anderer Entwicklungseinheiten. Die Entwicklungseinheiten können in Abhängigkeit von der Größe der Anlage nebeneinander angeordnet werden, und der Aufbau und die Konstruktion der Anlage zur Isotopentrennung wird sehr einfach. Diese Vorteile sind bei den vorstehend beschriebenen üblichen Entwicklungsapparaturen mit Hintereinanderschaltung nicht zu erwarten.

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Durch die Erfindung werden eine großtechnische Isotopentrennapparatur und ein Isotopentrennverfahren verfügbar, die durch Zusammenschalten einer Vielzahl von Entwicklungseinheiten in der vorstehend ausführlieh beschriebenen Weise leicht und einfach regelbar und steuerbar sind. Gemäß der Erfindung kann die Isotopentrennung durch Verbinden der vorstehend beschriebenen Entwicklungseinheiten mit Flüssigkeitshauptspeise] eitungen für eine Regenerierungsmittellösung, eine Isotopengemischlösung und eine Elutionsmittellösung über Mengenregler unabhängig in jeder Entwicklungseinheit durchgeführt werden, während ihnen die Lösung aus den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen zugeführt wird. In diesem Fall ist es nicht notwendig, Pumpen für jede Entwicklungseinheit für die Zuführung und Umwälzung der Lösungen vorzusehen, da jede Lösung der Entwicklungseinheit durch Flüssigkeitshauptspeiseleitungen zugeführt wird. Im Extremfall kann eine Isotopentrennapparatur aus einer Vielzahl von Entwicklungseinheiten betrieben werden, indem jeder Flüssigkeitshauptspeiseleitung eine Flüssigkeitslieferpumpe zugeordnet wird. Dies ist einer der bemerkenswerten Vorteile der Erfindung.

Die Vorteile der Erfindung werden durch Vergleich einer üblichen Isotopentrennapparatur mit der Isotopentrennapparatur gemäß der Erfindung weiter veranschaulicht. Zur Abtrennung von Uran-235 nach der vorstehend beschriebenen üblichen Gasdiffusionsmethode müssen etwa 1400 Trenneinheiten, von denen jede einen Kompressor und einen Diffusor oder eine Trenndüse umfaßt, hintereinandergeschaltet werden, so daß 1400 Kompressoren im gesamten Trennsystem erforderlich sind. Im Gegensatz hierzu ist im Rahmen der Erfindung nur eine Flüssigkeitsspeisepumpe für jede Flüssigkeitshauptspeiseleitung bei einer großen Zahl von Entwicklungs-

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einheiten erforderlich, die an die Flüssigkeitshauptspeiseleitungen angeschlossen sind, d.h. erfindungsgemäß sind nur drei Pumpen erforderlich, während im üblichen Gasdiffusionssystem 1400 Kompressoren erforderlich sind. Im allgemeinen hängt ein großer Teil der Instandhaltungsarbeiten in einer Anlage von der Anzahl vorhandener Rotationsmaschinen ab, so daß ohne jeden Zweifel durch die Erfindung ein Isotopentrennverfahren, das dem üblichen Trennverfahren weit überlegen ist, verfügbar wird. Dieser Vergleich gilt auch für das Gaszentrifugenverfahren. Die Überlegenheit der Erfindung ergibt sich eindeutig, wenn man das Gaszentrifugenverfahren, bei dem mehrere hunderttausend schneilaufende Zentrifugen verwendet werden, mit dem Isotopentrennverfahren gemäß der·Erfindung, bei dem nur wenige Flüssigkeitsspeisepumpen verwendet werden, vergleicht.

Gemäß der Erfindung ist die Entwicklungseinheit gewöhnlich an jede Flüssigkeitshauptspeiseleitung über einen Mengenregler angeschlossen. Wenn eine Adsorptionszone durch einen Strom einer Elutionsmittellösung entwickelt wird, ist die Entwicklungsgeschwindigkeit der Adsorptionszone proportional der Durchflußmenge der Elutionsmittellösung. Ferner wird der Isotopentrennfaktor mit steigender Entwicklungsgeschwindigkeit niedriger. Um den gleichen Trenngrad in jeder Entwicklungseinheit zu erreichen, läßt sich die Entwicklungsgeschwindigkeit der Adsorptionszone äußerst leicht durch den Mengenregler regeln und einstellen. Jede Entwicklungseinheit umfaßt im allgemeinen 2 bis 20 Kolonnen, die mit Adsorptionsmittel gefüllt sind, Verbindungsleitungen zwischen ihnen und Mehrwegeventile, so daß der Strömungswiderstand in jeder Entwicklungseinheit nicht immer gleichmäßig ist. Ferner ändert sich die Zahl der mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen,

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durch die ein Elutionsmittel während der Entwicklungsoperation läuft, von Fall zu Fall. Dies hat eine Schwankung der Durchflußmenge der Elutionsmittellösung zur Folge, obwohl das Elutionsmittel der Entwicklungseinheit von der Flüssigkeitshauptspeiseleitung bei konstantem Druck zugeführt wird. Um diese Schwankung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, jede Entwicklungseinheit mit einem Durchflußmengenregler auszustatten. Wie aus der vorstehenden Erläuterung hervorgeht, arbeitet der Durchflußmengenregler vorzugsweise so, daß die Durchflußmenge der zugeführten Flüssigkeit automatisch konstant gehalten wird. Zur Zuführung einer Lösung mit konstanter Durchflußmenge aus den Hauptleitungen zu jeder Entwicklungseinheit muß die Ausstattung jeder Entwicklungseinheit mit einer Dosierpumpe in Erwägung gezogen werden, jedoch ist es zweckmäßig, jede Entwicklungseinheit mit einem Durchflußmengenregler und nicht mit einer Dosierpumpe zu versehen.

Der Durchflußmengenregler, der für die Zwecke der Erfindung verwendet werden kann, eignet sich auch für andere Zwecke. Wenn zwei Gruppen A und B von Entwicklungseinheiten an die gleiche Flüssigkeitshauptspeiseleitung angeschlossen sind und die gleiche Isotopengemischlösung beiden Entwicklungseinheiten zugeführt wird, während das Isotop in verschiedenen Konzentrationen als Produkt anfällt, ist es am zweckmäßigsten, die Entwicklungsgeschwindigkeit in jeder Entwicklungseinheit durch Regelung der Durchflußmengen der EIu- tionsmittellösung in jeder Entwicklungseinheit zu verändern. In dem vorstehend beschriebenen System wird ein Isotopenprodukt mit hohem Trenngrad aus der mit niedriger Entwicklungsgeschwindigkeit arbeitenden Entwicklungseinheit erhalten, während ein Isotopenprodukt mit niedrigem Trenngrad aus der mit hoher

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Entwicklungsgeschwindigkeit arbeitenden Entwicklungseinheit erhalten wird. Selbstverständlich wird bei hoher Entwicklungsgeschwindigkeit eine größere Produktmenge erhalten. Die Entwicklungsgeschwindigkeit beeinflußt direkt die Konzentration des Isotops im Produkt, so daß es zweckmäßig ist, einen Durchflußmengenregler, bei dem Feineinstellung in Abhängigkeit von der Konzentration des Produkts möglich ist, zu verwenden. Wie nachstehend erläutert werden wird, wird der Trennwirkungsgrad der gesamten Trennapparatur durch Mischen verringert, wenn die Isotopenprodukte jeder Einheit, die durch eine gemeinsame Flüssigkeitsabflußleitung aufgefangen werden, verschiedene Konzentrationen haben. Wenn die Isotopenprodukte aus jeder Entwicklungseinheit in einer gemeinsamen Flussigkeitshauptabflußleitung aufgefangen werden, werden daher die Konzentrationen der durch jede Entwicklung erzeugten Isotopenprodukte zweckmäßig einheitlich beim gleichen Wert gehalten. Zu diesem Zweck wird die Installation eines Mechanismus, der zu jedem Zeitpunkt die Konzentration des Isotops für jede Entwicklungseinheit zu erfassen vermag, und die genaue Regelung der Durchflußmengen in Abhängigkeit von der in dieser Weise erfaßten Konzentration besonders bevorzugt. Im Falle einer Uranisotopen-Trennapparatur

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kann die Zusammensetzung von U und U durch Aufnahme der Gammastrahlspektren schnell bestimmt v/erden, wodurch die Durchflußmenge einer Elutionsmittellösung in Abhängigkeit von der ermittelten Konzentration automatisch geregelt werden kann.

Die Entwicklungsgeschwindigkeit einer Adsorptionszone ist ein wichtiger Faktor für die Regelung der Operation der gesamten Trennapparatur. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Flüssigkeitshauptspeiseleitung mit einem Druckregler ver-

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sehen, um die Schwankung der Durchflußmenge während des Betriebs möglichst gering zu halten, da die Entwicklungsgeschwindigkeit der Adsorptionszone ein wichtiger Faktor für die Regelung und Steuerung des Betriebs der gesamten Apparatur ist. Verschiedene Arten von Druckreglern können für diesen Zweck verwendet werden. Am einfachsten ist ein Druckregler, bei dem der Druck in der Hauptleitung konstant gehalten wird, indem ein Teil der durch die Hauptleitung fließenden Flüssigkeit durch einen am oberen Teil der Leitung angeordneten Druckkessel (header) umgeleitet wird. Der Druck in der Flüssigkeitshauptspeiseleitung muß jedoch gewöhnlich bei 9,8 bis 58,8 bar gehalten werden, so daß dieser einfache Weg nicht gangbar ist. Eine mögliche Ausführungsform des Druckreglers ist ein Druckregelventil, das in die Druckseite einer Flüssigkeitsspeisepumpe eingesetzt und durch Erfassen des Drucks in der Flüssigkeitshauptspeiseleitung gesteuert wird. Eine andere Ausführungsform des Druckreglers besteht aus einem System, bei dem überschüssige Flüssigkeit aus der Flüssigkeitsspeiseleitung durch das Druckregelventil geführt wird, das in der Umgehungsleitung zu einem Flüssigkeitsliefertank oder der Hauptaustragsleitung der Flüssigkeit angeordnet ist.

Im allgemeinen werden drei Flüssigkeitshauptspeiseleitungen für Lösungen wie Regenerierungsmittellösung, Isotopengemischlösung und Elutionsmittellösung verwendet. Die Lösungen werden jedoch nicht immer aus den drei Netzen der Flüssigkeitshauptspeiseleitungen zur gleichen Entwicklungseinheit geführt. Beispielsweise ist häufig der Massenstrom der Elutionsmittellösung viel größer als der Massenstrom der Regenerierungsmittellösung oder der Isotopengemischlösung. In einem solchen Fall können zuweilen zwei oder mehr Flüssigkeitszuführungssysteme für die Elutionsmittellösung pro Hauptleitung jeweils für die Regenerierungsmittel-

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lösung und die Isotopengemischlösung verwendet werden. Auch wenn eine große Anzahl von Entwicklungseinheiten in zwei Gruppen getrennt sind, die mit verschiedenen Isotopenzusammensetzungen als Ausgangsmaterialien betrieben werden, werden zwei Flüssigkeitshauptspeiseleitungen für eine Isotopengemischlösung von unterschiedlicher Zusammensetzung pro Flüssigkeitshauptspeiseleitung jeweils für die Regenerierungsmittellösung und die Elutionsmittellösung verwendet.

Ferner muß die Zahl der Flüssigkeitshauptspeiseleitungen, die an eine Entwicklungseinheit angeschlossen sind, nicht unbedingt drei betragen. Wenn eine mit Adsorptionsmittel gefüllte Kolonne, in der die Entwicklung beendet ist, regeneriert wird, indem eine Regenerierungsmittellösung durch die Kolonne geleitet wird, können zwei oder mehr verschiedene Regenerierungsmittel verwendet werden, um die für die Regenerierung erforderliche Zeit zu verkürzen. Beispielsweise wird bei einer Uranisotopentrennung unter Verwendung eines Anionenaustauscherharzes als Adsorptionsmittel die gefüllte Kolonne, in der die Entwicklung beendet ist, unter Verwendung einer wässrigen Lösung eines Oxydationsmittels regeneriert. Um in diesem Fall die Regenerierungszeit zu verkürzen, wird zuweilen eine Arbeitsweise angewandt, bei der eine Oxydationsmittellösung von hoher Konzentration zuerst kurzzeitig der Kolonne zugeführt wird, um den größeren Teil des Anionenaustauscherharzes zu regenerieren, worauf eine Oxydationsmittellösung von geeigneter Konzentration zugeführt wird, um die Regenerierung der gefüllten Kolonne zu vollenden. In einem solchen Fall werden als Flüssigkeitshauptspeiseleitungen an die Entwicklungseinheit zwei Hauptleitungen für die Regenerierungsmittellösungen, eine Hauptleitung für die Isotopengemischlösung und eine Hauptleitung für die Elutionsmittellösung angeschlossen.

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Es ist offensichtlich, daß das einzelne Betriebsregelschema jeder Entwicklungseinheit nicht grundlegend verändert wird, auch wenn die Zahl der Flüssigkeitshauptspeiseleitungen verändert wird.

Die Merkmale der Erfindung wurden vorstehend hauptsächlich im Zusammenhang mit den zu jeder Entwicklungseinheit führenden Flüssigkeitsspeisesystemen beschrieben. Auch für die Behandlung der aus jeder Entwick— lungseinheit ablaufenden ausgebrauchten Lösungen können verschiedene Methoden angewandt werden. Im allgemeinen werden die gebrauchte Lösung, die das Regenerierungsmittel enthält, und die gebrauchte Lösung, die das Elutionsmittel enthält, in einer Flüssigkeitshauptabflußleitung gesammelt und daraus verworfen oder nach entsprechender Behandlung im Kreislauf geführt. Beispielsweise werden bei der Trennung von Uranisotopen unter Verwendung von Adsorptionskolonnen, die mit einem Anionenaustauscherharz gefüllt sind, ein Oxydationsmittel und ein Reduktionsmittel, die als Regenerierungsmittel verwendet wurden, und ein Elutionsmittel nach der Entwicklung deaktiviert und aus der Entwicklungseinheit abgeführt. Sie werden in einer Flüssigkeitsaustragsleitung gesammelt und nach Aktivierung in einem Reaktivierungsprozess wiederverwendet. Ferner werden bei Verwendung von zwei verschiedenen Regenerierungslösungen für die Regenerierung einer Ionenaustauscherharzsäule in der oben beschriebenen Weise wenigstens fünf Flüssigkeitshauptabf lußleitungen verwendet, da zwei Flüssigkeitshauptabflußleitungen für die erste und zweite Regenerierungsmittellösung, eine Flüssigkeitshauptabflußleitung für das deaktivierte Regenerierungsmittel und das Elutionsmittel und wenigstens zwei Produktgewinnungs— hauptleitungen verwendet werden. Reaktiviertes Regenerierungsmittel und Elutionsmittel werden voneinander

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getrennt und können nach getrennter Aktivierung wiederholt verwendet werden. Die Operation der parallel zu den Flüssigkeitshauptabflußleitungen geschalteten Entwicklungseinheiten kann ohne jede besondere Begrenzung durch die Anzahl der verwendeten Leitungen durchgeführt werden. Diese Flüssigkeitshauptabflußleitungen können offene Rinnen sein, jedoch werden im allgemeinen geschlossene Rohre verwendet, um zu verhindern, daß die durchgeleitete Lösung verunreinigt oder verdampft wird, und um einen geeigneten Rückdruck auf die gefüllten Kolonnen zur Einwirkung zu bringen. Außerdem kann zur Stabilisierung und Aufrechterhaltung der Durchflußmenge in jeder Entwicklungseinheit ihr Rückdruck gleichmäßig gehalten werden, und daher wird, falls erforderlich, der Druck in den Leitungen mit Hilfe eines in die Flüssigkeitsabflußleitung eingesetzten Druckreglers aufrecht erhalten.

Zwei Flüssigkeitshauptabflußleitungen werden im allgemeinen zum Auffangen des an Isotopen angereicherten Produkts aus der Entwicklungseinheit verwendet. Ein Isotopengemisch aus Stickstoff, Bor oder Uran, d.h. ein

14 15 10 11 235 Gemisch, das N und ³N, B und B oder U und 238

U enthält, kann mit Hilfe der Isotopentrennapparatur

gemäß der Erfindung getrennt werden, wobei zwei Isotopenprodukte aus der Apparatur ausgetragen werden.

Ferner können gegebenenfalls zwei oder mehr verschiedene Produkte, die jeweils das gleiche Isotop in verschiedener Konzentration enthalten, gewonnen werden. Beispielsweise kann angereichertes Uran für einen Leichtwasser-Kernreaktor aus natürlichem Uran, das etwa

235
0,7% U enthält, als Ausgangsmaterial erhalten werden.

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^Die Konzentration von U im Produkt wird gemäß diesem Zweck im Bereich von 2 bis 4% gewählt. In einem solchen Fall wird eine gemeinsame Flüssigkeitshauptabflußleitung an jede Entwicklungseinheit angeschlossen, aus der

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Produkt mit der gleichen Analyse ausgetragen wird. Isotopenprodukte mit unterschiedlicher Analyse werden getrennt durch jede Flüssigkeitsabflußleitung gewonnen. Auch in diesem Fall können die Flüssigkeitsspeiseleitungen und die Flüssigkeitsabflußleitungen für das Regenerierungsmittel oder das Elutionsmittel an die gesamte Entwicklungseinheit angeschlossen werden. Die Isotopengemische, die gemäß der Erfindung getrennt werden können, sind nicht auf Stickstoff-, Bor- oder Uranisotope begrenzt. Die Erfindung ist auf beliebige Isotopengemische anwendbar, die bei einer vor der Regenerierung vorgenommenen Adsorption eine Adsorptionszone auszubilden vermögen und bei denen durch Verwendung eines geeigneten Elutionsmittels ein Isotopenkonzentrationsgradient in der Adsorptionszone ausgebildet werden kann. Als Beispiele solcher Isotope sind außer den vorstehend beschriebenen Isotopenge-

mischen ⁴⁶Ti und ⁴³Ti; ⁵⁴Fe und ⁵⁶Fe und^2O6Pb und ²⁰⁸Pb zu nennen.

Beliebige Adsorptionsmittel, die offensichtlich einen Teil eines Isotopengemisches in der Isotopenadsorp— tionszone selektiv zu adsorbieren vermögen, können als Adsorptionsmittel für die Zwecke der Erfindung verwendet werden. Beispiele solcher Adsorptionsmittel sind Kationenaustauscherharze, Anionenaustauscherharze und Adsorptionsmittel, die durch Aufbringen von Stoffen mit selektivem Adsorptionsvermögen, z.B. Kronverbindungen, flüssigen Ionenaustauschern usw., auf einen porösen Träger wie Siliciumdioxyd, Aluminiumoxyd, Zeolithe usw. erhalten werden. Kationenaustauscherharze, die für die Zwecke der Erfindung verwendet werden, unterliegen keiner Begrenzung. Geeignet sind beispielsweise stark saure Kationenaustauscherharze, die durch Einführung von Sulfogruppen in Styrol-Divinylbenzol-Copolymerisate hergestellt werden, und schwach

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saure Kationenaustauscherharze, die durch Einführung von Carbonsäuregruppen in Styrol-Divinylbenzol-Copolymerisate hergestellt werden und vorzugsweise einen Vernetzungsgrad von mehr als etwa 4% haben. Als Anionenaustauscherharze eignen sich für die Zwecke der Erfindung beispielsweise stark basische Anionenaustauscherharze, die quaternäre Ammoniumgruppen enthalten und durch Chlormethylierung von Styrol-Divinylbenzol-Copolymerisaten und anschließende Aminierung hergestellt werden, schwach basische Anionenaustauscherharze mit primären, sekundären oder tertiären Amingruppen und stickstoffhaltige heterocyclische Verbindungen, die vorzugsweise einen Vernetzungsgrad von mehr als etwa 4% haben.

.- Die Erfindung wird an Hand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Abbildungen ausführlicher erläutert.

Fig.l zeigt eine typische Ausführungsform der Isotopentrennapparatur gemäß der Erfindung, in der eine Ent-Wicklungseinheit aus drei mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen an drei Flüssigkeitshauptspeiseleitungen und vier Flüssigkeitshauptabflußleitungen angeschlossen ist.

Bei der in Gif.1 dargestellten Ausführungsform bezeichnen die Bezugsziffern 1 bis 3 Vorratsbehälter,4 bis 6 Flüssig keitsspeisepumpen,7 bis 9 Druckregler und 10 bis 12 Fluss ig keitshauptspeiseleitungen für eine Regenerierungsmittellösung, eine Isotopengemischlösung bzw. eine Elutionsmittellösung. Die Bezugsziffern 13 und 13' bezeichnen jeweils eine Gruppe von Entwicklungseinheiten, während mit 14, 15 und 16 Durchflußmengenregler, die in die Flüssigkeitszweigleitungen 17, 18 und 19 eingesetzt sind, bezeichnet sind.

Die Isotopentrennung wird unter Bezugnahme auf Fig.l

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erläutert. Es wird angenommen, daß in der Gruppe der drei Adsorptionskolonnen 23, 24 und 25 der Entwicklungseinheit 13 eine Entwicklung in der Adsorptionskolonne 24 und eine Adsorption in der Adsorptionskolonne 25 im Gang und die Entwicklungsoperation in der Adsorptionskolonne 23 gerade beendet ist. Da die anschließende Operation in der Kolonne 23 die Regenerierung des Adsorptionsmittels ist, wird der Kolonne durch die Zweigleitung 17 und das Mehrwegeventil 200 eine Regenerierungsmittellösung zugeführt, um das Adsorptionsmittel in der Kolonne 23 zu regenerieren. Die in der Kolonne 23 verbliebene Elutionsmittellösung wird durch ein Mehrwegeventil 260, eine Flüssigkeitsabflußzweigleitung 30 und eine Flüssigkeitshauptabflußleitung 35 in eine Vorlage 40 für gebrauchtes Elutionsmittel geführt. Wenn die Elutionsmittellösung in der Adsorptionskolonne 23 vollständig durch die Regenerierungsmittellösung aus der Kolonne verdrängt worden ist, wird das Mehrwegeventil 260 so betätigt, daß die Regenerierungsmittellösung durch eine Zweigleitung 29 und eine Hauptleitung 34 einer Vorlage 39₍ für gebrauchtes Regenerierungsmittel zugeführt wird.

Die Adsorptionskolonne 23, deren Regenerierung beendet ist, wird nun auf Adsorption geschaltet. Nachdem zwei verschiedene Isotopenprodukte aus der in der Adsorptionskolonne 25 gebildeten Isotopenadsorptionszone in die Produktvorlagen 41 bzw.42 durch ein Mehrwegeventil 280 geleitet worden sind, werden die in der Adsorptionszone verbliebenen Isotope durch einen geschlossenen Entwicklungskreis, der aus einem Ventil 280, einer durchgehenden Leitung 33 und einem Ventil 200 besteht, in die Kolonne 23 eingeführt. Eine Isotopengemischlösung wird in der gleichen Menge, die aus der Kolonne 25 abgezogen worden ist, durch eine Flüssigkeitszweigspeiseleitung 18 und das Ventil 200 auf die Kolonne 25

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aufgegeben. Die so zugeführte Lösung bildet zusammen mit den aus der Kolonne 25 zugeführten Isotopen eine Adsorptionszone in der Kolonne 23. Die Zulaufzeit des Isotopengemisches durch die Flüssigkeitszweigspeiseleitung 18 als Ausgangsmaterial wird so eingestellt, daß der Konzentrationsgradient der aus der Kolonne 25 zugeführten Isotope nicht gestört wird. Um diesen Zustand zu erreichen, bei dem keine Vermischung stattfindet, wird so gearbeitet, daß der Augenblick der Zuführung, in dem die Isotopenkonzentration der durch -\ das Ventil 200 strömenden Flüssigkeit die gleiche ist

wie die des Ausgangsmaterials, gewählt wird, während die Isotopenkonzentration sich von Fall zu Fall ändert. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, den Strom der aus der Kolonne 25 zugeführten Isotopenlösung im Augenblick der Einspeisung vorübergehend zu unterbrechen und dann frischen Einsatz in geeigneter Menge durch das Ventil 200 einzuspeisen. Nach der Zugabe von frischem Einsatz wird die Zuführung der Isotopenlösung aus der Kolonne 25 wieder aufgenommen.

Hierbei wird die bei einem solchen Adsorptionsverfahren in die Kolonne 23 eingefüllte Regenerierungsmittellösung durch das Ventil 260 und die Flüssigkeitsab-

"· flußleitungen 29 und 34 in die Vorlage 39 für gebrauch-

tes Regenerierungsmittel geleitet. Die in dieser Weise in der Kolonne 23 gebildete Adsorptionszone des Isotopengemisches wird mit der Elutionsmittellösung entwickelt, um die Isotope zu trennen. Hierbei wandert die in der Kolonne 23 gebildete Adsorptionszone unter dem Einfluß der Elutionsmittellösung, die durch die

Flüssigkeitshauptspeiseleitung 12, die Zweigleitung und das Mehrwegeventil 200 in die Kolonne 23 eingeführt wird, durch die Kolonne 23 langsam nach unten. Ein geringer Unterschied zwischen der scheinbaren Wanderungsgeschwindigkeit der Isotope erhöht den Konzen-

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trationsgradienten in der Adsorptionszone. Während der Entwicklungsoperation wird die RegenerierungsmittellÖsung oder ein Gemisch der Regenerierungsmittellösung und der Elutionsmittellösung, das aus der Kolonne austritt, in einer Vorlage 39 für gebrauchtes Regenerierungsmittel bzw. eine Vorlage 40 für gebrauchtes Elutionsmittel aufgenommen. Wenn die durch die Kolonne 23 nach unten wandernde Adsorptionszone den Boden der Kolonne 23 erreicht, wird das Isotopengemisch durch Betätigung der Mehrwegeventile 260 und 210 auf die Kolonne 24 aufgegeben, in der die Regenerierung beendet ist. Die Arbeitsgänge für die Adsorption und Entwicklung werden in dieser Weise fortgesetzt.

In der Entwicklungseinheit 13' in Fig.l hat jede Bezugsziffer mit einem zugefügten Strich (·) die gleiche Bedeutung wie die entsprechende Bezugsziffer ohne Strich in der Entwicklungseinheit 13. Beispielsweise bezeichnet die Bezugsziffer 23' eine mit Adsorptionsmittel gefüllte Kolonne, die das Gegenstück zur Kolonne 23 in der Entwicklungseinheit 13 ist.

Die Funktion jeder Entwicklungseinheit ergibt sich eindeutig aus der vorstehenden Beschreibung. Gemäß der Erfindung ist eine Anzahl solcher Entwicklungseinheiten über Durchflußmengenregler 14, 15 und 16$ 14', 15' und 16' usw. mit den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen nebeneinander geschaltet. Die Durchflußmengenregler regeln die Durchflußmengen der Regenerierungsmittellösung, der Isotopengemischlösung und der Elutionsmittellösung auf vorbestimmte Werte und sind besonders wichtig für die Gewährleistung stabiler Operation jeder Entwicklungseinheit. Insbesondere muß bei Betätigung des Mehrwegeventils jeder Kolonne mit Hilfe einer Zeitschaltvorrichtung die geeignete Umschaltzeit eingehalten werden, um die Durchflußmenge konstant zu halten. Ebenso sind die Druckregler 7, 8

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und 9 in den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen wichtig und wirksam für diesen Zweck.

Die Anzahl der mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen in jeder Entwicklungseinheit wird zweckmäßig aus dem Bereich von 2 bis 20 gewählt. Um eine stetige Entwicklungsoperation aufrecht zu erhalten, muß eine der mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen auf Regenerierung geschaltet und eine dieser Kolonnen nach Beendigung der Regenerierung in Wartestellung sein, und auch bei Durchführung der beiden Operationen in einer Kolonne sind wenigstens zwei gefüllte Kolonnen in der gleichen Entwicklungseinheit notwendig. Wenn die Anzahl der mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen größer ist, wird der Umfang der Entwicklungsoperation, d.h. der Anteil der für die Isotopentrennung verwendeten, mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen größer. Andererseits werden mit steigender Zahl von mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen die Mehrwegeventile, Rohrleitungen usw. komplizierter, so daß die Baukosten steigen. Aus diesen Gründen beträgt die Anzahl der in jeder Entwicklungseinheit verwendeten, mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen im allgemeinen 2 bis 20, vorzugsweise 3 bis 8.

Die mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen können in der gleichen Höhe oder Ebene angeordnet oder in Form einer einzelnen Kolonne ausgeführt sein. Kurz gesagt, die Konstruktion und Ausbildung der mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen kann unter Berücksichtigung der Verringerung von Konstruktionskosten und des Arbeitswirkungsgrades gewählt werden. Die Konstruktion und Ausbildung der mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen wird jedoch insbesondere so gewählt, daß die durchgehenden Leitungen zwischen der ersten Kolonne und der nächsten Kolonne möglichst kurz sind und gleichbleibende Lange haben. Wenn eine Isotopen-

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adsorptionszone durch die Entwicklungsoperation von eine, einer Adsorptionskolonne zur nächsten Adsorptionskolonne wandert, wird der Isotopenkonzentrationsgradient .in der Adsorptionszone durch die Störung des Flüssigkeitsstroms unvermeidlich verringert, jedoch kann die Verringerung durch entsprechende Konstruktion der Adsorptionskolonnen und Ausbildung der Verbindungsleitungen der beiden Kolonnen minimal gehalten werden. Um die Verringerung des Isotopenkonzentrationsgradienten minimal zu halten, werden die Adsorptionskolonnen zweckmäßig im gleichen Abstand und möglichst dicht beieinander angeordnet. Es ist zweckmäßig, die zu jeder Entwicklungseinheit gehörenden Adsorptionskolonnen kreisförmig mit gleichem Abstand oder in zwei oder mehr Reihen anzuordnen.

Fig.2 veranschaulicht als Beispiel die Anwendung der Erfindung, bei der Aktivierungseinheiten 43 und 44 für das Regenerierungsmittel und das Elutionsmittel zusätzlich zu der in Fig.l dargestellten Apparatur verwendet werden. Die gebrauchte Regenerierungsmittel— lösung, die in der Vorlage 39 aus der vorstehend beschriebenen Entwicklungseinheit gesammelt worden ist, wird in der Aktivierungseinheit 43 behandelt, wo Verunreinigungen und Wasser, die in der Lösung enthalten sind, entfernt werden, um die Konzentration der Lösung einzustellen, worauf die Regenerierungsmittellösung durch die Leitung 45 der Regenerierungsmittelvorlage zugeführt wird. Das in der Vorlage 40 für gebrauchtes Elutionsmittel gesammelte Elutionsmittel wird durch die Aktivierungseinheit 44 und eine Verbindungsleitung 47 in die Elutionsmittelvorlage 3 geführt. Häufig erfolgt während der Regenerierung oder Entwicklung eine Vermischung der gebrauchten Elutionsmittellösung mit der gebrauchten Regenerierungsmittellösung, jedoch werden in diesem Fall die beiden Komponenten getrennt, ge-

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reinigt und in der Aktivierungseinheit 44 aktiviert und dann in die Regenerierungsmittelvorlage 1 bzw. Elutionsmittelvorlage 3 geführt. Die Aktivierungseinheiten können in Abhängigkeit von der Betriebsweise der Entwicklungseinheit auch in verschiedener anderer Weise angeschlossen werden.

Fig.3 zeigt Beispiele von Druckreglern, die gemäß der Erfindung in den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen verwendet werden. In Fig.3 bezeichnet A ein System, in dem die der Hauptleitung zugeführte Flüssigkeitsmenge unter Verwendung eines Druckregelventils geregelt wird. Mit B ist ein System bezeichnet, bei dem eine überschüssige Flüssigkeitsmenge unter Verwendung eines Druckregelventils in einen Flüssigkeitsvorratsbehälter zurückgeführt wird. In Fig.3 bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Flüssigkeitsvorratsbehälter, 132 eine Flüssigkeitsspeisepumpe, 133 ein automatisches Regelventil, 134 einen Druckdetektor in der Hauptleitung, 135 ein automatisches Regelventil, 136 eine Flüssigkeitshauptspeiseleitung und 137 eine Rückflußleitung.

Fig.4 zeigt ein Beispiel eines Systems von Flüssigkeitshauptabflußleitungen, die an die Entwicklungseinheit gemäß der Erfindung angeschlossen sind. Bei dem in Fig.4 dargestellten System werden die verschiedenen Lösungen der Entwicklungseinheit 13 durch Flüssigkeitshauptspeiseleitungen 10, 11 und 12, Zweigleitungen 40, 50 und 60, Absperrventile 70, 80 und 90 und automatische Durchflußmengenregler 100, 110 und 120 zugeführt. Mit den Bezugsziffern 130, 140 und 150 sind Durchflußmengendetektoren und mit den Bezugsziffern 160, 170 und 180 automatische Regelventile bezeichnet. Die gebrauchten Lösungen werden aus der Entwicklungseinheit durch Flüssigkeitshauptabflußleitungen 34, 35, 36 und 37, Abflußzweigleitungen 201, 211, 221 und 231

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und Absperrventile 241, 251, 261 und 271 abgeführt.

Die Absperrventile in den Abflußzweigleitungen dienen dazu, die Entwicklungseinheit von den Flüssigkeitshauptabflußleitungen zur Überprüfung oder Behebung einer etwaigen Störung, die in der Entwicklungseinheit auftreten kann, abzusperren. Sie können von Hand oder durch Fernsteuerung betätigt werden. Ein bemerkenswertes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jede Entwicklungseinheit ohne jeden Einfluß auf den Betrieb der anderen Entwicklungseinheiten abgesperrt und stillgelegt werden kann.

Die Regelung und Steuerung des Betriebs bei der Trennung und Anreicherung von Isotopen im großtechnischen Maßstab unter Verwendung der Isotopentrennapparatur gemäß der Erfindung ist leicht, einfach und zuverlässig, Beispielsweise müssen zur Anreicherung des Uranisotops im großtechnischen Maßstab einige bis zu mehreren tausend Entwicklungseinheiten verwendet werden. In einem solchen Fall kann die Trennung und Anreicherung des Uranisotops in stabiler Weise durch gesonderte Regelung des Drucks in den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen und der Durchflußmenge zu jeder Entwicklungseinheit durchgeführt werden. Die Betätigung der Mehrwegeventile jeder Entwicklungseinheit kann in einfacher Weise durch Verwendung eines einfachen automatischen Reglers erfolgen, der an einen automatischen Analysator, einen integrierenden Anzeiger für die Durchflußmenge der Lösung, eine Zeitschaltvorrichtung usw. angeschlossen ist. Zu diesem Zweck können im Rahmen der Erfindung die verschiedensten Methoden zur Regelung und Steuerung des Betriebs jeder Entwicklungseinheit angewandt werden. Besonders zweckmäßig ist die Anordnung eines Konzentrationsdetektors zwischen einer Adsorptionskolonne und der anschließenden Adsorptionskolonne im kontinuierlichen Entwicklungskreis. Der

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Detektor tastet das vordere Ende und das hintere Ende einer Isotopenlösung ab, und das Mehrwegeventil vor dem Detektor kann durch die Signale des Detektors in die geeignete Stellung gebracht werden. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Zeitschaltvorrichtung durch die Signale des Detektors betätigt, und anschließend kann auch das Mehrwegeventil nach einer vorbestimmten Zeit nach Abtastung des vorderen Endes und des hinteren Endes der Isotopenlösung betätigt werden. Da die Durchflußmenge der Elutionsmittellösung genau proportional der Wanderungsstrecke der Isotopenadsorptionszone in einer Adsorptionskolonne ist, kann das Mehrwegeventil auch durch den Konzentrationsdetektor in Kombination mit einer integrierenden Durchflußmenge der Elutionsmittellösung betätigt werden. Die Regelmethode, bei der die integrierende Durchflußmenge der Elutionsmittelmenge verwendet wird, ist genauer als die Methode unter Verwendung einer Zeitschaltvorrichtung, besonders wenn die Durchflußmenge der Elutionsmittellösung schwankt.

Beliebige Typen von Konzentrationsdetektoren, die die Grenzfläche zwischen der Regenerierungsmittellösung und der Isotopengemischlösung oder die Grenzfläche zwischen der Isotopengemischlösung und der Elutionsmittellösung abzutasten vermögen, können für die Zwecke der Erfindung verwendet werden. Geeignet sind Konzentrationsdetektoren, die nach einem beliebigen Prinzip, z.B. auf der Grundlage der elektrischen Leitfähigkeit, Extinktion, des Brechungsindexes und des Oxydations-Reduktionspotentials, arbeiten. Von diesen Detektoren wird der Detektor, der nach dem Prinzip der Extinktion arbeitet, auf Grund seiner Präzision, kurzen Ansprechzeit und niedrigen Kosten bevorzugt. Da eine einzelne automatische Regelvorrichtung in jeder Entwicklungseinheit verwendet wird, ist eine zentrale

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automatische Steuervorrichtung zur Überwachung und Regelung der Gesamtanlage im Rahmen der Erfindung praktisch überflüssig. Dies ist ebenfalls ein bemerkenswertes Merkmal der Erfindung.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele ausführlicher erläutert.

Beispiel 1

Zwei Gruppen von Entwicklungseinheiten mit je vier Kolonnen, die mit Adsorptionsmittel gefüllt waren, wurden in der in Beispiel 5 dargestellten Weise erstellt. In Fig.5 bezeichnen die Bezugsziffern 1, 2 und 3 Vorratsbehälter für eine Isotopengemischlösung, eine Regenerierungsmittellösung bzw. eine Elutionsmittel— lösung. Die Bezugsziffern 4, 5 und 6 bezeichnen Flüssigkeitsspeisepumpen, 70 und 80 Rückschlagventile und 10, 11 und 12 Flüssigkeitshauptspeiseleitungen. An diese Flüssigkeitsspeisesysteme waren zwei Gruppen von Entwicklungseinheiten mit je vier mit Adsorptionsmittel gefüllten Kolonnen 23, 24, 25 und 26 und vier mit Adsorptionsmittel gefüllte Kolonnen 23·, 24', 25· und 26' über Durchflußmengenregelventile (Nadelventile) 120, 130 und 140 und 120·, 130· und 140· sowie Durchflußmengenmesser 15 und 16 sowie 15· und 16' angeschlossen. In Fig.5 bezeichnen die Bezugsziffern 200, 210, 220, 280, 290, 300 und 310 sowie 200', 210·, 220·, 230·, 280«, 290', 300· und 310· Mehrwegeventile, die Bezugsziffern 17, 18 und 19 sowie 17', 18' und 19' Flüssigkeitszweigspeiseleitungen, die Bezugsziffern 31, 32 und 33 sowie 31', 32· und 33· Abflußzweigleitungen und die Bezugsziffern 320, 330, 340 und 350 sowie 320·, 330·, 340' und 350' Verbindungsleitungen. Die Bezugsziffern 34, 35 und 36 bezeichnen Flüssigkeitshauptabflußleitungen, die beiden Entwicklungseinheiten gemeinsam sind. Die Hauptleitungen waren an einenProben-

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sammelbehälter 42, eine Vorlage 143 für gebrauchtes-Regenerierungsmittel und einen Vorratsbehälter 144 für gebrauchte Elutionsmittellösung angeschlossen.

Jede mit Adsorptionsmittel gefüllte Kolonne bestand aus einem mit Pyrexglasmantel versehenen Chromatographierohr mit einem Innendurchmesser von 30 mm und einer Höhe von 1200 mm und Verteilern an beiden Enden. Das Rohr war mit einem porösen, stark basischen Anionenaustauscherharz vom tertiären Amintyp mit einem Austauschvermögen von 0,7 Milliäquivalent/cm nasses Harz und einer Teilchengröße von 74 bis 149 um bis zu einer Höhe von 1000 mm dicht gepackt.

Die Isotopengemischlösung, die Regenerierungsmittellösung und die Elutionsmittellösung der nachstehend genannten Zusammensetzung wurden in den Vorratsbehältern 1, 2 bzw.3 auf 80°C erhitzt und den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen mit Hilfe der Speisepumpen 4, 5 bzw. 6 zugeführt. Die hierbei zugeführten überschüssigen Lösungen wurden durch die Rückschlagventile 70 und 80 in den jeweiligen Vorratsbehälter zurückgeführt. Die Drücke in den Flüssigkeitshauptspeiseleitungen wurden immer bei etwa 14,7 bar gehalten. In diesem Fall wurde jedoch die Flüssigkeitsspeisepumpe 4 für die Isotopengemischlösung nur eingeschaltet, wenn die Lösung den Adsorptionskolonnen zugeführt wurde.

Die einzelnen Lösungen hatten die folgende Zusammensetzung:

Isotopengemischlösung: wässrige Lösung von natürlichem Uran, die 0,025 Mol Uran(IV)-chlorid und 4,0 Mol Bromwasserstoffsäure enthielt;

Regenerierungsmittellösung: wässrige Lösung, die 0,05 Mol Eisen(III)-chlorid und 4,0 Mol Bromwasserstoffsäure enthielt;

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Elutionsmittellösung: wässrige Lösung, die 0,05 Mol Titantrichlorid und 4,0 Mol Bromwasserstoffsäure enthielt.

Unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Apparatür wurde die Entwicklung wie folgt durchgeführt:

Die Regenerierungsmittellösung wurde den harzgefüllten Kolonnen, die vorher ausreichend mit einer 4 Mol Bromwasserstoff säure enthaltenden wässrigen Lösung gewaschen worden waren, durch Ventil 130, Durchflußmengenmesser 15, Zweigspeiseleitung 18 und Mehrwegeventile 200, 210, 220 und 230 zugeführt, bis das Harz in den Kolonnen mit Eisen(Ill)-chlorid vollständig getränkt war. Die gebrauchte Regenerierungsmittellösung aus den Kolonnen wurde durch die Mehrwegeventile 280, 290, 300 und 310, Abflußzweigleitung 32 und Abflußhauptleitung 35 in den Vorratsbehälter 143 geführt und dort gesammelt. Dann wurde die Isotopengemischlösung oben auf die Adsorptionskolonne 23 durch die Ventile 120 und 200 aufgegeben, wodurch Uranisotope am Harz in der Säule unter Verdrängung von Eisen(III)-ionen unter Bildung einer Adsorptionszone adsorbiert wurden. Die Durchflußmenge der uranhaltigen Lösung wurde so geregelt, daß das vordere Ende der Uranadsorptionszone sich mit einer Geschwindigkeit von 30 cm/Stunde nach unten durch die harzgefüllte Kolonne bewegte. Wenn der vordere Teil der Uranadsorptionszone den Boden der Kolonne 23 erreichte, wurde die Uranlösung durch Betätigung der Mehrwegehähne und 210 durch die Verbindungsleitung 320 in die Kolonne 24 eingeführt, in der eine Adsorptionszone unter Verdrängung von EisenClII)-chlorid gebildet wurde. Sobald das vordere Ende der Uranadsorptionszone das untere Ende der Kolonne 24 erreichte,wurde die Zufuhr der Uranisotopengemischlösung abgebrochen. Während der Operation wurde die gebrauchte Regenerierungsmittel-

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lösung aus den Kolonnen 2 3 und 24 durch die Flüssigkeitshauptabflußleitung in den Vorratsbehälter 143 geführt und dort gesammelt.

Dann wurde die Elutionsmittellösung durch Nadelventil 140, Durchflußmengenmesser 16 und Mehrwegehahn 200 in die Adsorptionskolonne eingeführt, wobei die in der vorherigen Stufe gebildete Uranadsorptionszone in den Kolonnen 25 und 26 entwickelt wurde. Die Uranadsorptionszone wanderte durch die Verbindungsleitungen 330 und 340 nacheinander jeweils in die folgende Kolonne. Sobald das vordere Ende der Uranadsorptionszone den Boden der Kolonne 26 erreichte, wurde die Zone durch Verbindungsleitung 350 in die Kolonne 23 zurückgeführt. Während dieser Stufe wurde die Regenerierungsmittellösung durch die Speisezweigleitung 18 durch aufeinanderfolgende Betätigung der Mehrwegehähne 200 und 210 in die Kolonnen 23 und 24 eingeführt, in denen die Entwicklung beendet war. Hierdurch wurde die in den Kolonnen verbliebene Elutionsmittellösung durch die Regenerierungsmittellösung für die anschließende Entwicklung verdrängt. Zu diesem Zeitpunkt wurde die gebrauchte Elutionsmittellösung durch den Mehrwegehahn 290, die Abflußzweigleitung 33 und die Hauptabflußleitung 36 zum Vorratsbehälter 144 für gebrauchte Elutionsmittellösung geführt.

Nachdem somit die in den Kolonnen 23 und 24 gebildete Uranadsorptionszone zweimal pro Kolonne oder für insgesamt 8 Kolonnen entwickelt worden war, wurde die Uranadsorptionszone vom Boden der Kolonne 26 durch Betätigung des Mehrwegehahns 310 abgezogen. Die abgezogene Uranlösung wurde nacheinander in Fraktionen von je 200 ml aufgeteilt und durch die Austrittszweigleitung 31 und die Hauptabflußleitung 34 in der Fraktionsvorlage 42 gesammelt. Ein Teil dieser Lösung wurde der quantitativen Analyse auf Uran und Massenspektro-

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235 metrie der Isotopenanalyse von U unterworfen.

Die Uranmenge und das Häufigkeitsverhältnis in der ersten Fraktion und der letzten Fraktion der Uran enthaltenden Teile in den als Proben genommenen Fraktionen sind nachstehend genannt.

	Tabelle 1	Entwicklungseinheit
Ergebnisse des	Betriebs der ersten	Häufigkeitsverhältnis
	Uranmenge, mg	0,006829 0,007815
Erste Fraktion Letzte Fraktion	673 565

Das Häufigkeitsverhältnis U/ U im natürlichen Uran betrug 0,007252.

Während die vorstehend beschriebene Isotopentrennung in der ersten Entwicklungseinheit durchgeführt wurde, erfolgte die Entwicklungsoperation einer anderen Uranadsorptionszone gleichzeitig in der zweiten in Fig.5 dargestellten Entwicklungseinheit. In der zweiten Entwicklungseinheit hat jede mit einem Strich (·) versehene Bezugsziffer in Fig.5 die gleiche Bedeutung wie die Bezugsziffer ohne Strich in der ersten Entwicklungseinheit. Beispielsweise bezeichnet die Bezugsziffer 23' eine mit Adsorptionsmittel gefüllte Kolonne in der zweiten Entwicklungseinheit, die das Gegenstück der Bezugsziffer 23 in der ersten Entwicklungseinheit ist. In diesem Fall waren die Arbeitsbedingungen die gleichen wie in der ersten Entwicklungseinheit mit dem Unterschied, daß die Durchflußmengen der Uranisotopengemischlösung und der Elutionsmifctellösung so erhöht wurden, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der Uranadsorptionszone auf 20 cm/Stunde eingestellt wurde.

Nach Entwicklung der Uranadsorptionszone bis zu einer

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Gesamtstrecke von 8 m wurde die Uranadsorptionszone aus der Adsorptionskolonne 26' durch den Mehrwegehahn 310' abgezogen. Die abgezogene Uranlösung wurde in Fraktionen von je 200 ml unterteilt und in der Fraktionenvorlage 42 gesammelt. Ein Teil der Fraktionen wurde der quantitativen Analyse auf Uran und Massen-

235 spektrometrie der Isotopenanalyse von U unterworfen.

p O C Ο Ο Q

Die Uranmenge und das Häufigkeitsverhältnis U/ U in der ersten Fraktion und in der letzten Fraktion von Uran enthaltenden Teilen der Fraktionen, von denen Proben genommen wurden, sind nachstehend in Tabelle 2 genannt.

Tabelle 2 Ergebnisse des Betriebs der zweiten Entwicklungseinheit

Uranmenge, Häufigkeitsverhältnis

mg (Abundance Ratio)

²³⁵UZ²³⁸U

Erste Fraktion 741 0,006632 Letzte Fraktion 690 0,007981

Beispiel 2

Die Kolonnen 23, 24, 25 und 26 sowie 23', 24», 25· und 26' der in Beispiel 1 beschriebenen Isotopentrennapparatur wurden mit einem stark sauren Kationenaustauscherharz ("Amberlite 200", Hersteller Rohm & Haas Co.) einer Teilchengröße von 74 bis 149 um bis zu einer Höhe von lOOÖ nun dicht gefüllt. Dann wurden die Isotopengemischlösung, die Regenerierungsmittellösung und die Elutionsmittellösung mit der nachstehend genannten Zusammensetzung in die Vorratsbehälter 1, 2 bzw. 3 gefüllt und den Speisehauptleitungen mit Hilfe von Speisepumpen 4, 5 und 6 zugeführt. Die Lösungen hatten die folgende Zusammensetzung:

Isotopengemischlösung: wässrige Lösung, die 0,6 Mol Ammoniumhydroxyd enthielt.

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Regenerierunqsmittelosung: wässrige Lösung, die 2 Mol Salzsäure enthielt.

Elutionsmittellösung: wässrige Lösung, die 0,6 Mol Natriumhydroxyd enthielt.

Überschüssige Mengen der zugeführten Lösungen flössen durch Rückschlagventile 70 und 80 in den jeweiligen Vorratsbehälter zurück. Der Druck in den Hauptspeiseleitungen wurde immer bei etwa 14,7 bar gehalten. In diesem Fall wurde jedoch die Speisepumpe 4 für die Isotopengemischlösung nur eingeschaltet, wenn die Lösung den Adsorptionskolonnen zugeführt wurde, jedoch in anderen Fällen abgestellt.

14 15 Die Trennung der Stickstoffisotope N und N wurde in der vorstehend beschriebenen Apparatur wie folgt durchgeführt: Die mit dem Ionenaustauscherharz gefüllten Kolonnen wurden mit der Regenerierungsmittellösung ausreichend gewaschen. Dann wurde die Lösung des Stickstoffisotopengemisches, d.h. eine wässrige Lösung, die 0,6 Mol Ammoniumhydroxyd enthielt, durch die Ventile 120 und 200 in die Adsorptionskolonne eingeführt, wobei eine Stickstoffadsorptionszone gebildet wurde. Wenn das vordere Ende der Adsorptionszone den Boden der Kolonne erreicht hatte, wurde die Lösung des Isotopengemisches durch die Verbindungsleitung 320 in die Adsorptionskolonne 24 eingeführt, wobei auch in der Kolonne 25 eine Stickstoffadsorptionszone gebildet wurde. Während des Adsorptionsvorgangs wurde die Durchflußmenge der Isotopengemischlösung mit dem Ventil 120 so geregelt, daß das vordere Ende der Adsorptionszone mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 cm/Stunde durch die Säule wanderte,

Anschließend wurde die Elutionsmittellösung durch das Nadelventil 140, den Mengenmesser 16 und den Mehrwegehahn 200 in die Adsorptionskolonne 23 eingeführt, um

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die in der vorherigen Stufe gebildete Stickstoffadsorptionszone in die Kolonnen 25 und 26 zu entwickeln. In diesem Fall wanderte die Stickstoffadsorptionszone nacheinander durch Verbindungsleitungen 330 und 340 in die anschließenden Kolonnen. Sobald das vordere Ende der Adsorptionszone den Boden der Kolonne 26 erreicht hatte, floß die Adsorptionszone durch die Verbindungsleitung 350 in die Kolonne 23 zurück. Die Kolonne, in der die Entwicklungsoperation beendet war, wurde auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise der Regenerierung für die anschließende Entwicklung unterworfen.

Nachdem die Stickstoffadsorptionszone in der vorstehend beschriebenen Weise zweimal pro Kolonne oder für insgesamt 8 Kolonnen entwickelt worden war, wurde die Stickstoffadsorptionszone vom Boden der Adsorptionskolonne 26 abgezogen und nacheinander in Fraktionen von je 200 ml aufgeteilt und in der Fraktionsvorlage 42 aufgefangen. Die aufgefangenen Lösungen wurden als Proben für die quantitative Analyse auf Ammoniumhydroxyd und die Massenspektrometrie der Isotopenanalyse

15 von N Verwendet.

Die Ammoniumkonzentration und das Häufigkeitsverhält-

15 14
nis N/ N in der ersten Fraktion und der letzten Fraktion von Ammoniumhydroxyd enthaltenden Teilen der als Probe genommenen Fraktionen sind nachstehend genannt.

Tabelle 3 Ergebnisse des Betriebs der ersten Entwicklungseinheit

Erste Fraktion Letzte Fraktion

Ammoniumkonzentration

0,53 N
0,48 N

Häufigkeitsverhai tnis 15n/¹⁴N

■ 0,00043
0,0298

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15 14 Das Häufigkeitsverhältnis N/ N im verwendeten natürlichen Ammoniumhydroxyd betrug 0,00635.

Während der Durchführung der vorstehend beschriebenen Isotopentrennung in der ersten Entwicklungseinheit wurde gleichzeitig die Entwicklung einer anderen Stickstoffadsorptionszone in der in Fig.5 dargestellten zweiten Entwicklungseinheit durchgeführt. In diesem Fall waren die Arbeitsbedingungen die gleichen wie in der ersten Entwicklungseinheit mit dem Unterschied, daß die Durchflußmengen der wässrigen Ammoniumhydroxydlösung und der Elutionsmittellösung so erhöht wurden, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der Stickstoffadsorptionszone auf 75 cm/Std. eingestellt wurde. Nach Entwicklung der Stickstoffadsorptionszone bis zu einer Gesamtstrecke von 8 m wurde die Stickstoffadsorptionszone durch die Kolonne 26' aus dem System abgezogen, in Fraktionen von je 200 ml unterteilt und in der Fraktionsvorlage 42 aufgefangen. Die Ammoniumkonzen-

15 14 tration und das Häufigkeitsverhältnis N/ N in der ersten Fraktion und in der letzten Fraktion von Ammoniumhydroxyd enthaltenden Teilen der als Proben dienenden Fraktionen sind nachstehend genannt.

Tabelle 4 Ergebnisse des Betriebs der zweiten Entwicklungseinheit

Ammonium- Häufigkeitsverhältnis

konzentration 15.,,14

Erste Fraktion 0,49 N 0,00067 Letzte Fraktion 0,45 N 0,0195

Beispiel 3

In die Kolonnen 23, 24, 25 und 26 sowie 23·, 24', 25» und 26' der in Beispiel 1 beschriebenen Isotopentrennapparatur wurde ein stark basisches Anionenaustauscherharz ("Amberlite IRA-40", Hersteller Rohm & Haas Co.) einer Teilchengröße von 74 bis 149 um bis zu einer Höhe

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von 1000 mm dicht gefüllt. Dann wurden die Isotopengemischlösung, die Regenerierungsmittellösung und die Elutionsrnittellösung der nachstehend genannten Zusammensetzung in die Vorratsbehälter 1, 2 bzw. 3 gegeben und mit Hilfe von Speisepumpen 4, 5 und 6 in die Hauptspeiseleitungen eingeführt. Die Lösungen hatten die folgende Zusammensetzung:

Isotopengemischlösung: eine wässrige Lösung, die 0,5 Mol Borsäure enthielt, und eine wässrige Lösung, die 8 Gew.-% Glycerin enthielt.

Regenerierungsmittellösung: wässrige Lösung, die 1,0 Mol Natriumhydroxyd enthielt.

Elutionsmittellösung: eine wässrige Lösung, die 0,5 Mol Essigsäure enthielt, und eine wässrige Lösung, die 8 Gew.-% Glycerin enthielt.

Die Zuführung der Lösungen und die Druckregelung in den Hauptspeiseleitungen erfolgten auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise.

10 11 Die Trennung der Borisotope B und B wurde mit Hilfe der vorstehend beschriebenen Apparatur in der in Beispiel 2 beschriebenen Weise durchgeführt. Bei dieser Trennung wurden alle Lösungen bei 40°C gehalten. Auf die in Beispiel 2 beschriebene Weise wurde eine Borsäureadsorptionszone in den mit Ionenaustauscherharzen gefüllten Kolonnen 24 und 25 durchgeführt, die mit der Regenerierungsmittellösung ausreichend regeneriert worden waren, und anschließend mit der Elutionsmittellösung in den Adsorptionskolonnen 25 und 26 entwickelt. Die Kolonnen, in denen die Entwicklung beendet war, wurden nacheinander mit der Regenerierungsmittellösung regeneriert, um anschließend wieder eine Borsäureadsorptionszone darin zu bilden.

Nachdem die Borsäureadsorptionszone dreimal pro Kolonne bis zu einer Gesamtlänge von 12 m bei

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einer Wanderungsgeschwindigkeit von etwa 40 cm/Std. in der oben beschriebenen Weise entwickelt worden war, wurde die Borsaureadsorptionszone vom Boden der Füll— körperkolonne 26 abgezogen und nacheinander in Fraktionen von 100 ml aufgeteilt und in der Fraktionsvorlage 42 aufgefangen. Die aufgefangenen Lösungen wurden als Proben für die quantitative Analyse auf Borsäure

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und Massenspektrometrie der Isotopenanalyse von B unterworfen.

Die Borsäurekonzentration und das Häufigkeitsverhält-

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nis B/ B in der ersten Fraktion und letzten Fraktion der Borsäure enthaltenden Teile der als Probe dienenden Fraktionen sind nachstehend genannt.

Tabelle 5
Ergebnisse des Betriebs der ersten Entwicklunqseinheit

Borsäure- Häufigkeitsverhältnis konzentration 10_,ll_o

B/ ü

Erste Fraktion 0,34 Mol 0,1229 Letzte Fraktion 0,36 Mol 0,4837

10 11 Das Häufigkeitsverhältnis B/ B in der verwendeten natürlichen Borsäure betrug 0,243 8.

Während der Durchführung der vorstehend beschriebenen Isotopentrennung in der ersten Entwicklungseinheit wurde die Entwicklung einer anderen Borsäureadsorptionszone gleichzeitig in der in Fig.5 dargestellten zweiten Entwicklungseinheit durchgeführt. Hierbei waren die Arbeitsbedingungen die gleichen wie in der ersten Entwicklungseinheit mit dem Unterschied, daß die Durchflußmenge der Elutionsmittellösung so erhöht wurde, daß die Wanderungsgeschwindigkeit der Borsaureadsorptionszone auf 75 cm/Std. eingestellt wurde. Nach der Entwicklung der Borsaureadsorptionszone bis zu einer Gesamtlänge von 12 m wurde die Borsäure-Ad-

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sorptionszone durch die Kolonne 26' aus dem System abgezogen. Die Lösung wurde in Fraktionen von je 100 ml aufgeteilt und in der Fraktionsvorlage 42 aufgefangen. Die Borsäurekonzentrationen und das Häufigkeitsver-

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hältnis B/ B in der ersten Fraktion und in der letzten Fraktion der Borsäure enthaltenden Teile der als Probe dienenden Fraktionen sind nachstehend genannt.

Tabelle 6
Ergebnisse des Betriebs der zweiten Entwicklungseinheit

Borsäure- Häufigkeitsverhältnis konzentration 10 .11

Erste Fraktion 0,29 Mol 0,1476 Letzte Fraktion 0,33 Mol 0,4026

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Claims

VON KREISLER SCHÜNWAlD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreislur f 1973 Dr.-Ing. K. Schonwald, Köln Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Sodyn Dr. J. F. Fuw, Köln Dipl.-Chem. Alok von Kregler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selling, Köln 5 KÖLN 1 8· S0Pt- 1978 Df!_H;.VNNHAU5 AM HAUKo^HNhOF Fu/Ax Asahi Kasei Kogyo Kabushiki Kaisha, 2-6, Dojima-hama 1-chome, Kita-ku, Osaka, Japan Vorrichtung und Verfahren zur Trennung von Isotopen Patentansprüche

1) Isotopentrennapparatur, gekennzeichnet durch mehrere Entwicklungseinheiten (13, 13'), die nebeneinander geschaltet sind und wenigstens zwei mit einem Adsorptionsmittel gefüllte Kolonnen (23, 24, 25; 23«, 24«, 25') umfassen, die einen kontinuierlichen Entwicklungskreislauf bilden, wobei jede Entwicklungseinheit an wenigstens eine gemeinsame Flüssigkeitshauptspeiseleitung (10,11,12) über einen Durchflußmengenregler (14, 15, 16) angeschlossen ist.

2) Isotopentrennapparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entwicklungseinheit (13, 13«) an drei Flüssigkeitshauptspeiseleitungen (10, 11, 12) angeschlossen ist.

3) Isotopentrennapparatur nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Adsorptionsmittel ein Ionenaustauscherharz ist.

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Telefon: (02 21) 23 45 41 - Λ · Telex; 808 2307 dopa d · Telegramm: Dompolenl Köln

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4) Isotopentrennapparatur nach AnsDruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entwicklungseinheit (13, 13') an wenigstens eine gemeinsane Flüssigkeits— hauptabflußleitung (34, 35, 36, 37) angeschlossen ist.

5) Isotopentrennapparatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitshauptabflußleitung (34, 35] außerdem an eine Aktivierunqsvorrichtung (43, 44) für gebrauchte Lösungen angeschlossen ist.

6) Isotopentrennapparatur nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entwicklungseinheit

(13, 13·) 2 bis 20 Kolonnen (23, 24, 25 ), die mit

einem Adsorptionsmittel gefüllt sind, umfaßt.

7) Isotopentrennapparatur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entwicklunaseinheit (13, 13 ·) 3 bis 8 Kolonnen, die mit einem Adsorptionsmittel gefüllt sind, umfaßt.

8) Isotopentrennapparatur nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Flüssigkeitshauptspeiseleitung (10, 11, 12) ein Druckregler (7, 8, 9) angeordnet ist.

9) Isotopentrennverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Isotopengemischlösung jeder Entwicklungseinheit der Isotopentrennapparatur nach Anspruch 1 bis 8 durch eine der gemeinsamen Flüssigkeitshauptspeiseleitungen zuführt und das Isotopengemisch zur Trennung der Isotope kontinuierlich entwickelt«

10) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß jede Entwicklungseinheit an drei Flüssigkeitshaupt-r Speiseleitungen angeschlossen ist, von denen eine für die Zuführung einer Reqenerierungsmittellösung, eine für die Zuführung der Isotopengemischlösung und eine für die Zuführung der Elutionsmittellösung dient.

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11) Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Durchflußmenge der Eluticnsmittellosung in jeder Entwicklungseinheit ändert und hierdurch Produkte mit verschiedenen Isotopenzusammensetzungen bildet.

12) Verfahren nach Anspruch 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als Adsorptionsmittel ein Ionenaustauscherharz, als Regenerierungsmittellösung und Elutionsmittellösung jeweils eine Oxydationsmittellösung oder Reduktionsmittellösung und als Isotopengemischlösung eine Uranisotopenlösung verwendet.

13) Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Adsorptionsmittel ein Anionenaustauscherharz, als Regenerierungsmittellösung eine Oxydationsmittellösung, als Elutionsmittellösung eine Reduktionsmittellösung und als Isotopengemischlösung eine Uranisotopenlösung verwendet.

14) Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als Adsorptionsmittel ein Kationenaustauscherharz, als Isotopengemischlösung eine Stickstof fisotopengemischlösung, als Regenerierungsmittellösung eine wässrige Säurelösung und als Elutionsmittellösung eine wässrige Alkalilösung verwendet.

15) Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als Adsorptionsmittel ein stark basisches Anionenaustauscherharz, als Isotopengemischlösung eine Borisotopengemischlösung, als Regenerierungsmittel eine wässrige starke Alkalilösung und als Elutionsmittellösung eine wässrige Lösung einer starken Säure verwendet.

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