JPH0478423A

JPH0478423A - 光照射式混合成分分離方法

Info

Publication number: JPH0478423A
Application number: JP19146590A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Wada; 一洋和田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-07-19
Filing date: 1990-07-19
Publication date: 1992-03-12

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、混合成分の分離方法に関し、特に３４５や２
３ＳＵのような存在比の極端に小さい同位体の効率よい
濃縮分離、使用済み核燃料の再処理における有用物質の
回収や高放射性物質等の除去、薬品等化合物全般の精製
等、有用物質の分離・回収や不純物の除去・精製を光の
照射により効率良く行なうのに適した分離方法に関する
。

〔従来の技術〕

従来からあるレーザー等の光を用いて濃縮分離する方法
は、濃縮すべき成分の化学種を光で励起させ、その成分
だけに選択的反応を起こさせて、原料とは異なる化学形
態にして分離することを目的としている。従って、ウラ
ンの濃縮を例にとって説明すると、分離過程においては
、原子法では注目成分をイオン化させ、また、分子法で
は解離させるため、注目成分を高いエネルギー状態にま
で励起する必要がある。存在比の小さい注目成分を選択
的に励起させても、励起されないで多量に存在する主成
分原子・分子との衝突により、励起状態にある注目成分
から基底状態にある主成分へのエネルギー移乗が生じ、
選択性の低下が避けられない。この無用の衝突を少なく
するために、希釈材やスキャベンジャ−と称する気体状
物質を混入させるのであるが、不必要なエネルギー移乗
を防止することは容易ではなく、高い分離係数を得にく
いのが実状である。

レーザー同位体分離の過程で用いられる励起光は通常パ
ルス光であり１、パルス間には有限の休止期間がある。

上記ウラン濃縮における標的の性状は、原子法及び分子
法で、それぞれ真空中を高速で飛行する高温のウラン原
子（蒸気）のビーム及びＵＦ、分子のビームであり、レ
ーザー光が休止している間には原料の無駄が生じる。こ
の無駄を省くためには、原料の供給もパルス状１こする
等の方法を講じる必要があるが、パルス光の幅が狭（・
こととウラン原子を高温にするためには有限の時間を必
要とするため、原料の流れとパルス光との間に適正な整
合を得るのは容易ではない。

不純物の除去あるいは精製においては、一般に複数の不
純物を除去する場合が多く、従来法ではそれぞれの不純
物が吸収するような波長の光源を複数個用意するか、分
離操作をいくつかの段階に分けて行なう必要があり、分
離のコストが高くつく。

分離過程の生産性については、一般に原料および製品が
同じ相の流体である場合、装置の設計製作並びに運転か
容易となる。従来の原子法では、原料であるウラン金属
を真空容器中で高温で蒸気にし、これを光によりイオン
化させ、電場等で捕集して製品とする。製品は捕集器内
で金属となったウランであり原料と製品は共に固体であ
る。また、従来からある分子法では、原料であるＵＦ。

気体を真空中で光により解離させ固体状のＵＦ。

として回収する。このように従来法では、原料と製品の
化学形態を変えることを分離の原理としてし・るので、
原料と製品が最終的に同じであっても固体であるか、原
料が気体であっても製品が固体であるので、真空を保ち
ながら原料供給と製品回収を連続的に行なうのは容易で
はない。

〔発明か解決しようとする課題〕

Ｓの同位体”５（９５％）　、’３Ｓ　（０，７６％）
、”Ｓ　（４，２２％）の内３２Ｓと３４５に注目し、
これらを相互に濃縮分離する場合を例にとり、本発明の
技術的背景を説明する。

Ｓの化合物Ｓ　Ｆ　ａはＣＯ２レーザー発振域に吸収ピ
ークを持っている。Ｆはｌ′Ｆ以外に同位体がないので
、ＳＦ、の同位体存在比はＳの同位体存在比と同じにな
る。分離すべき同位体混合物ＳＦ。

を３５に程度の低温のＧｅ板上に吹き付けて凝固させる
と、ＳＦ、固体が得られる。このＳＦ、固体の赤外吸収
スペクトルは第５図（ａ）に示す通りで３２ＳＦ、のシ
、振動による吸収は９０３．４ｃｍ−寡にピークを持ち
、短波長側（大波数側）に裾を引く形をしている。ＣＯ
オレーザーは　９〜１１μ−（１１１０〜９１０　ｃｍ
−’）帯に約９０本の発振線を有し、実用上の最大波長
（ｊ’を小波数）発振線はＬＯＰ（４，８）線（１０，
９１１０μ鑑、９１６゜５１　ｃｍ−’）なので、この
発振線を用いると固体状３２５ＦａのνＳ振動を励起で
きる。固体状”ＳＦａはほぼ８８５　ｃｍ−’にシ、振
動による吸収を有する筈でＣＯ，レーザーでは励起でき
ないが、他の光源、例えば放射光等を用いればもちろん
励起することができる。同じ第５図の（ｂ）に、参考試
料としてＫｒで希釈したＳＦ、の赤外吸収スペクトルを
示す。この試料では５２ＳＦ、及び３４３Ｆ、のν。

振動による吸収が９３５．８及び９１７．３　ｃｖ−’
に現われ、それぞれはＣＯ２レーザーの１０　Ｐ（３０
）線（１０，６９６５ｐｍ、　９３４−８８＋、ｍ−’
）及び１０Ｐ（４８）線で励起できることが分かる。

固体内の分子を振動励起させると、固体から分子が放出
される。その機構には大別して、（１）スパッタリング
Ｉこよる放出、と（２）試料の温度上昇による昇華、の
２種類がある。前者は分子同志の衝突による運動量の伝
達が原因となるもので、励起種と非励起種との間に放出
量の相違が期待できるのに対し、後者は熱的な反応であ
るため、このような励起の選択性は期待できない。

分子間には、第６図に示すようｌ二距離の近いところで
は斥力が、また、遠いところでは引力が働く。この分子
間相互作用は、分子が基底状態にあるか励起状態にある
かで若干具なり、励起状態では、基底状態に比べて衝突
直径が大きくなり、また、平衡位置でのポテンシャルも
深くなる。固体内のある分子が振動励起されると、上述
の分子間相互作用の変化により、励起分子と周囲の分子
との間１こ力が働く。この力により分子間に衝突が誘起
され、粒子衝突によるスパッタリングと同様に、励起分
子から周囲分子への運動量と運動エネルギの伝達が生じ
る。

固体内の分子間衝突により、励起分子が放出されるか非
励起分子か放出されるかは、（１）励起分子が固体表面
にあるか内部にあるか、（２）励起分子が非励起分子に
比べて濃度が高いか低いか、（３）ｇ超分子と非励起分
子との間に物理化学的特性の相違があるか否か、等の条
件によって大きく異なる。ａ超分子か固体の表面にある
と、この分子が周囲の分子に及ぼす力は等吉凶でないた
め、励起分子はその反作用で固体表面から直接放出され
る。励起分子が固体表面より幾分内部にある場合は、励
起分子は周囲の分子を弾き飛ばし２、自身も何回かの衝
突（カスケード的スパンタリング）を経て、やはり固相
から放出される。その際、注目混合物を希ガス等で希釈
し凝固させた試料では、励起分子より固体表面側には希
ガス分子の存在する確率が高く、従って、希ガス分子が
放出され、励起分子はその反作用で凝固相内部へ押し込
まれる。励起分子が固体表面より十分深い位置にある場
合には、励起分子に及ぼす力は等吉凶となるため、励起
分子自身は動かず、そのエネルギーは周囲分子間の結合
を崩すか、固体の温度を上昇させる結果となる。固体温
度が上昇すると、昇華圧の相違により、蒸気圧の高い分
子から固相より放出される。

次に、励起種の濃度の大小と放出傾向との関係について
述べると、光の吸収量は吸収する分子の濃度に比例して
増加するので、濃度の高い成分の分子か励起される場合
には、光は主として固体の表面層で吸収され、直接的ス
パッタリングが支配的になり、従って、励起種が放出さ
れ易い。逆に、濃度の低い成分分子が励起される場合は
、光は深部まで到達し、間接的（カスケード的）スパッ
タリングあるいは試料温度の上昇を招くので、励起種が
選択的に放出される効果は殆ど無くなる。

このような固体内分子の振動励起による放出機構から、
励起分子を選択的に放出させるためには、濃度の高い成
分の分子を光により固体の表面側から励起させるのが効
果的であることが分かる。

以１述べた、光による固体内分子の放出現象は、赤外線
により固体内分子を振動励起させる場合に関するもので
あるが、同様な現象は、赤外線に限らず可視光線や紫外
線を用いて固体内の原子や分子の電子状態を励起するこ
とによっても起こすことができる。

本発明は、上述の技術的背景のもとに、前述の従来の技
術の問題点の解決をはかろうとするもので、分離すべき
混合物を固体状にし、その中の主成分分子を光で励起す
ることにより固体層より放出させ、その放出気体を試料
とは別の場所で回収することにより分離濃縮することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上述の目的を達成するため、本発明の光照射式混合成分
分離方法は、複数の成分を混合して含むガス状の物質に
ついて、その成分相互の分離を行なうに際し、上記ガス
状の物質を低温の保持板上に凝固させ固体層としてから
、同固体層に、その含有率の多い特定成分を励起させう
る光をパルス状に照射し、同照射を受けて励起し化学形
態を変えることなく遊離した上記特定成分を回収するこ
とにより、上記固体層における他の成分を上記特定成分
から分離することを特徴としている。

〔作　　　用〕

在来法では、励起種をイオン化あるいは解離させ、非励
起種と化学形態を変化させることにより分離するにの対
し、本発明では、励起種の化学形態は変化させずに固体
層より放出さぜるという、非励起種との空間的な（場所
的な）相違を生じさせて分離させる作用が行なわれる。

〔実　施　例〕

本発明の実施例として、ＳＦ、の同位体”ＳＦｉ及び！
４ＳＦ、をＣＯ２レーザーのパルス光を用いて分離濃縮
する場合について述べる。第１図に示すような装置にお
いて、Ｇｅのような励起光に関して透明な固体を試料用
保持板１とし、これを冷凍機等により低温（約３５Ｋ）
に冷やして、ノズル２より原料気体ＳＦ、を保持板１上
に吹き付は凝固さ仕ることにより、ＳＦ、の固体層を形
成する。

これに、ＣＯ２レーザーのＬＯＰ（４ｇ）線の、フルエ
ンス数十ｍＪ、、／ｃｍ２、輻７００！Ｉｓ程度のパル
ス光３を照射して３２ｓＦ、を振動励起させ、ＳＦ。

を凝固相より放出させる。放出されたＳＦ、中のゝ”Ｓ
Ｆ、及び３４ｓｐ６の量を、２本の分析管４及び５を１
つの分析室６に内臓する、２チャンネル質量分析装置７
で測定する。実験例では、チャンネルｌで”ＳＦ、を３
２ｓｐ５″’　（Ｍ、／ｅ　＝　１２７）で、また、チ
ャンネル、２Ｔ”ＳＦ、を”ＳＦａ（Ｍ／ｅ＝１２９）
で、それぞれ測定することにし、予め原料のＳＦ、をノ
ズル８より分析装置に導入して、各チャンネルの出力信
号が丁度同じ大きさになるように感度を調整しておく。

レーザーパルス光照射により放出される”ＳＦ、と３４
ｓｐ６の質量分析信号の時間依存波形をディジタルオフ
シロスコープ９上に記録し、放出量の比はそれぞれの波
形の高さあるいは時間積分を割り算することにより求め
る。

光照射による同位体放出量の相違を、次式の選択性すな
わち放出量比の比Ｓ、として、次のとおり定義する。

ただし、Ｉ＝Ｈはスパイクのピーク高さ、Ｉ＝Ｑは波形
の面積積分を、また、添字の１は励起種、２は非励起種
を表す。このように定義するとＳ。

〉１は励起種が放出され易いことを、また、Ｓ〈■は非
励起種が放出され易いことを意味し、共に値か１より大
きく異なる程、その効果か大きいことになる。

第２図に、低温のＳＦ、固体にＣＯ，レーザーの１０　
Ｐ（４ｇ）線のパルス光を照射して、”ＳＦ。

を振動励起させた場合に放出される３２ｓＦ６及び３４
ＳＦ、の質量分析波形を示す。図中２本の波形は、それ
ぞれ、第１図のプロッター１０に描かせた（ａ）　３２
ＳＦ、”及び（ｂ）”ｓｐ５＋のものでおり、図中に挿
入された（ａ゛）及び（ｂｏ）は、そオ］、それ（ａ）
及び（ｂ）の時間軸を拡大したものである。なお励起種
に対応するイオンには＊を付した。

これら質量分析波形は大別して、（１）最初のスパイク
状ピーク、及びそれにｆｆｌ＜　（２）なだらかなピー
クから成っている。最初のスパイク状の気体放出は、固
体表面にある分子が振動励起されて直接放出されたもの
、なだらかなピークは固体内部の分子の振動励起により
衝突のカスケードが誘起されて分子が放出されたものに
対応すると考えられる。

スパイク状の放出については、ピーク高さで比較した選
択性ＳＨが３．３となり、励起種が相対的に多く放出さ
れていることが分かる。しかし、スパイク状の放出Ｉこ
絖くカスケー：：的スパッタリングによるなだらかなピ
ークの部分では、選択的放出の効果が余り大きくないの
で、時間軸５０＋＋ｓまでの質量分析波形の面積で比較
した選択性ＳＱは１．１と低下する。このカスケード的
Ｚバッタリングによル放出は、レーザーパルスのフルエ
ンスを下げ、時間幅を短くして、ピークパワーを上げれ
ば改普される。

参照実験として行なった、ＳＦ、を希ガスで希釈して凝
固させた試料に関する実験結果を、第３図及び第４図に
示す。第３図は、ＳＦ、を１００倍のＫｒで希釈して凝
固させた試料にＣＯ，レーザー　１０　Ｐ（３０）線の
パルス光を照射して、３２３Ｆ、を振動励起させた場合
の質量分析波形で、（ａ）。

（ｂ）及び（ａ″）、（ｂ’）の表わす対象は第２図と
同様である。この場合、励起種３２５Ｆａは固体表面よ
り幾分内部に存在する確率が高く、選択性Ｓ８は０．３
１となり、励起種の方が放出されにくい結果となってい
る。第４図は、第３図の場合と同様の試料にｌ０Ｐ（４
８）線のパルス光を照射して３４５Ｆａを励起させた場
合の質量分析波形で、Ｓイは０．７１となり、やはり励
起種が放出されにくいことを示しているゎこの場合は　
＄４５ｐ６の存在比が小さいため光は固体試料の深部ま
で到達し、選択性はゝ”ＳＦ、を励起させた場合より低
下し、かつ、試料の昇温による破壊や昇華が生じている
。（ａ）及び（ｂ）に見られるバースト状の気体放出が
そのことを物語っている。

これらの結果から、分離を効果的に行なうにはＳＦ、の
みを固体状にし、主成分の”ＳＦ、を励起するのかよい
ことか分かる。

本発明の原理により行なう濃縮分離の方法を具体的１こ
述べると、第１図に示すような装置において、ＳＦ、を
低温の試料用保持板ｌ上に凝固さセ、弁１１を閉じ弁１
２を開いて、弁１１の透明な弁体を通して光３をパルス
状に照射し、主成分の３２ＳＦ６を励起させて、放出さ
れるＳ　Ｆ　ａをコールドトラップ１３に捕集する。放
出気体は１２５Ｆａに富んでいるため、コールドトラッ
プ１３には１２５Ｆ、が濃縮され、逆に、保持板ｌ上に
残った固体試料には３４Ｓｐ６が濃縮される。この保持
板上の試料は、弁１１及び１２を閉じた状態で弁１４を
開き、電子銃、赤外光源、ヒーター等の加熱器１５で保
持板を加熱することにより放出させ、コールドトラップ
１６に捕集することができる。

これまで述べてきた説明は、分離すべき混合物か気体状
の化合物である場合についてであるが、原料が常温で固
体状の化合物であっても化学反応ｌこより目的とする化
合物を生成するような複数の原料気体を用い、そちらを
反応させながら低温保持板上に凝固させることにより、
本発明の利点でおる、原料及び製品を流体の状態で扱う
という分離操作を行なうことができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれは、混合
物の特定成分としての主成分を励起させることにより微
量成分を分離することかできるので、吸収スペクトルが
測定し易く光照射が容易である。反応を起こさせるエネ
ルギーは光により試料内に注入されるのであるが、光の
吸収量は濃度に比例するので、主成分を励起させる本分
離法はエネルギー効率か非常に高くなる。このように本
発明では、主成分を励起させて分離を行なうため、複数
の極く微量の不純物の除去が１種類の波長の光を用いる
だけで効率よく行なえることも大きな長所である。

また、本発明では、凝固相にある原料に光を照射して、
ある成分を凝固相に残しつつ他の成分を真空容器中に放
出させるというように、作業物質の化学形態を変えるこ
となく、ただその存在する場所を変えるだけで分離する
ので、原料に気体を用いると製品も気体状で得られ、装
置の設計製作か容易で生産性も高くなる。さらに、標的
が固体状で時間的空間的に固定されているため、パルス
状の励起光を照射しても試料の無駄がなく、また、照射
そのものが容易である。これらのことは、ＵＦ、を原料
とするウラン濃縮において特に大きな利点となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての光照射式混合成分分
離方法に用いられる装置の模式図、第２図は純粋ＳＦ、
固体に光を照射した場合の質量分析計出力を示すグラフ
、第３図は希ガスで希釈して凝固させたＳＦ、固体に光
を照射した場合の質量分析計出力を示すグラフ、第４図
は希ガス希釈固体を用（・た他の例の場合の質量分析計
出力を示すグラフであり、第５図はＳＦ、固体の赤外吸
収スペクトルを示すグラフ、第６図は分子間距離に対応
して相互作用ポテンシャルを示すグラフであ１・・・試
料用保持板、２・・・ノズル、３・・・パルス光、４．
５・・・分析管、６・・・分析室、７・・・２ナヤンネ
ル質量分析装置、８・・・ノズル、９・・・ディジタル
オツシロスコ−７’、１０・・・プロッター、１１．１
２・・・弁、１３・・・コールドトランプ、１４・・・
弁、１５・・・加熱器、１６・・・コールドトラップ。代理人　弁理士　飯　沼　　義　彦

Claims

【特許請求の範囲】

複数の成分を混合して含むガス状の物質について、その
成分相互の分離を行なうに際し、上記ガス状の物質を低
温の保持板上に凝固させ固体層としてから、同固体層に
、その含有率の多い特定成分を励起させうる光をパルス
状に照射し、同照射を受けて励起し化学形態を変えるこ
となく遊離した上記特定成分を回収することにより、上
記固体層における他の成分を上記特定成分から分離する
ことを特徴とする、光照射式混合成分分離方法。