JPS60156535A - 同位元素富化方法及び装置 - Google Patents

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】 本発明は、同位元素の富化方法及び富化装置に関し、レ
ーザからの光線を用いて同位元素化合物の混合物の形で
存在している元素の１種間位元素の化合物を励起し、励
起された化合物をガス状スカベンジャ−（ｓｃａｖｅｎ
ｇｅｒ）と反応させて上記同位元素を除去し、他の同位
元素類の化合物は安定なまま保持され、ガス状スカベン
ジャーとの反応生成物の分離により，１種間位元素を他
の同位元素類から分離する方法及び装置に関する。

他種の同位元素が持たない特定の特性を１種の同位元素
が持つ場合に、元素の１種間位元素を他の同位元素から
分離すること、すなわち１種間位元素を富化することを
か望まれる．たとえばジルコニウムの場合には、天然に
産出するジルコニウムは、ジルコニウム８０、ジルコニ
ウム８ｌ、ジルコニウム８２、ジルコニウム９４及びジ
ルコニウム８６というジルコニウム同位元素の混合物で
ある．ジルコニウムを原子燃料棒の被覆に使用する場合
、ジルコニウム９０同位元素の熱中性子捕捉断面積が小
さい。従って、天然に産出するジルコニウム中のジルコ
ニウム８０の含有率である５１．５Ｘよりもジルコニウ
ム９０同位元素の含有率の高いジルコニウムから被覆体
をつくるのが望ましい。

レーザ技術を利用して、各種元素の同位元素を富化させ
ることは公知の技術である。この種の公知技術では、一
般に、レーザを担体ガスと組み合わせ用いて、富化すべ
き元素の化合物を搬送し冷却する。しかしながら、この
種の方法は、実施上及び経済的な多くの難点を持つ。−
例を挙げると、富化すべき元素を含有する化合物は高い
蒸気圧を持つものでなければならず、更に化合物はほど
ほどの価格で製造されなければならない。また、担体ガ
スが超音波ノズル中で冷却される際に惹き起こされる核
形成の問題のために、富化される元素の濃度を極めて低
い水準に保つ必要がある。その結果、担体ガスを処理す
るために非常に大型のコンプレッサが必要となり、投下
資金及び運転コストが高くなる。更に、活性元素の濃度
が低いので、ノズル製造の困難性及び鏡及び窓での損失
により、レーザ・ビームの大部分を利用することが極め
て困難になってしまう。上記の難点に加えて、ガスが超
音波ノズル中で冷却されるので、対象同位元素を選択的
に励起してスカベンジャー・ガスと反応させるというス
カベンジャ一方式の反応の利用はほとんど問題外となっ
てしまう。従って、出口ガスは分子衝突が極めて少ない
ものであり、同様にスカベンジャーと励起された分子と
の衝突も非常に少ない。

最近開発されたレーザ誘起同位元素分離方式の例として
は、米国特許第４，０３２，４１９号明細書が化合物中
でＵ　−２３８からＩＪ　−２３５を分離する方法を教
示しているが、この方法においては、固体相の結晶形態
の化合物にＵ　−２３５を励起状態にするがＩＩ　−２
３８は励起しない第一周波数のレーザが照射される。固
体相の結晶形態の化合物は、次に、Ｕ　−２３５を解離
またはイオン化させる第二の周波数のレーザで照射され
、照射された化合物を偏熱してＵ　−２３８を蒸発させ
かつＵ　−２３５は蒸発させないで分離が行なわれる。

米国特許第４，１８８，９５１号明細書の教示する方法
においては、基板上に材料物質を原子表面密度が１以下
の臨界密度になるように沈積させて、沈積物をレーザに
より選択的に照射して１種間位元素を励起し、該同位元
素を基板から逸散させ、逸散した富化物質を集めること
により、同位元素の富化を行なっている。

従って、本発明は、同位元素類の類似の化合物類の混合
物中に存在する元素のうち１種間位元素を他の同位元素
類から分離する方法であって、独立した小さな球状粒子
であって前記１種の同位元素を含有する化合物を励起す
ることができ他種同位元素類の化合物は安定に保持され
る波長の光を透過する複数の前記球状粒子に前記混合物
を単一層状に塗布し、前記の１種間位元素を含有する化
合物が励起されたときに前記１種間位元素含有化合物と
反応するスカベンジャー・ガスを含有する担体ガス中に
前記の複数の塗布粒子を入れて、前記担体ガス中に入れ
た前記の複数の塗布粒子を１種間位元素含有化合物が励
起される波長の光に露光して、１種間位元素含有化合物
を前記スカベンジャー・ガスと反応さ−１を反応生成物
を形成させて、他種同位元素類を含有する安定な化合物
類から前記反応生成物を分離することを特徴とする方法
を提供せんとするものである。

本発明は、更に、上の段落に記載した方法の実施に用い
る装置であって、独立した小さな球状粒子に化合物混合
物の単一層を塗布する手段と、スカベンジャｍ−ガスを
含有する担体ガスに塗膜を施された球状粒子を随伴させ
る手段と、担体ガスに随伴された前記の塗膜を施された
粒子を導入する反応容器と、前記反応容器内において担
体ガスに随伴された前記の塗膜を施された球状粒子に所
要波長の光を当てる光源と、安定な化合物類から反応生
成物を分離する手段とから成ることを特徴とする装置を
も含む。

本発明の一実施例の実施の第一工程においては、複数の
小さな独立した球状粒子に特定元素の同位元素類の混合
物を含有する化合物の単一層を塗布する０球状物は、処
理対象化合物と反応しないものであるとともに使用する
スカベンジャーとも反応しないものであり、同位元素化
合物類のうちの１種化合物を励起するために使用する波
長の光を透過するものでなければならない。ガラス球を
用いることができ、二酸化珪素の球状体が好ましい。

球状粒子の大きさは、処理対象化合物の単一層を塗布す
ることができ、しかも担体ガスに随伴させて反応器を通
って搬送して光によって同位元素化合物類の１種を励起
させることができる大きさにする８球状粒子の直径は約
１ミクロン以下でなければならない、直径０．１〜１．
０ミクロンの球状粒子が好ましい。

揮発性の化合物を昇華温度以上の温度に加熱して球状物
を入れたカラムの内部に化合物を昇華させて送り込み、
カラム内部で球状物上に化合物の単一層塗膜を形成させ
る等の方法により、小さな独立した球状粒子に化合物の
単一層を塗布する０本明細書中で用いる「単一層」なる
語句は、球状物上に塗布された化合物分子の単一の層（
単一分子層）から成る塗膜を意味する０表面上に処理対
象化合物の単一層を持つ塗布透明球状物を使用すること
により、本発明方法の後の工程段階で同位元素化合物類
の１種を励起する光を使用することが可能になる。

処理対象化合物は、複数の同位元素類を含有し、同位元
素の１種が分離すべき同位元素である化合物である０本
明細書では、特にジルコニウムの同位元素について説明
するが、ウラニウムや硼素などの他の同位元素のある元
素の分離に本発明方法を応用することもできる。処理で
きる元素類の化合物は、同位元素類の１種が特定の波長
の光で励起され得るものであってガス状スカベンジャー
と反応し、他の同位元素類が安定な状態で保持されるよ
うな化合物類である。ジルコニウムの場合について言え
ば、揮発性である故に四塩化ジルコニウム（ＺｒＣ１４
）が特に有用な化合物である。有用な硼素化合物の例は
、メトキシ化硼素［Ｂ（ＯＣＨ３）３１及びエトキシ化
硼素［Ｂ（ＱＣ，Ｈｓ月であり、有用なウラニウム化合
物の例としては六弗化ウラニウム（ＩＦ６）を挙げるこ
とができる。

球状粒子に同位元素類を含有する化合物の単一層を塗布
した後、熱い粒子を少なくとも室温にまで冷却するのが
好ましい０次に、ガス状スカベンジャーを含有する担体
中に塗布された球状物を随伴させて随伴塗布球状物反応
器（ｅｎｔｒａｉｎｅｄ　ｃｏａｔｅｄ　ｂｅａｄ　ｒ
ｅａｃｔｏｒ）に導入して、光源によって照射する。

担体ガスは化合物の反応に関与しないものであり、球状
粒子とも反応しないヘリウム、ネオン、アルゴン及びク
リプトン等の１ｍである。ヘリウムが担体ガスとして好
ましいものである。担体ガスの量及び流量は、塗膜を施
された球状物を随伴して独立した単位体として反応器に
運び、塗膜を施された球状物を反応器の内部に同位元素
類の１種を励起してスカベンジャー・ガスと反応させ両
者の間で反応生成物を形成させるに充分な時間保持する
最及び流量にする。

担体ガスとともに随伴塗布球状物反応器内に導入される
スカベンジャー・ガスは、反応器の内部で励起された同
位元素化合物と反応して反応生成物を形成し、しかも反
応器内部の条件下ではスカベンジャー譬ガスと他の同位
元素化合物類との反応は生じないガスから成る。スカベ
ンジャー・ガスの好ましい例としては、水（水蒸気）、
酸素及びメタンを挙げることができる０反応生成物とし
ては水を用いた場合には酸化物及び水酸化物が生成し、
酸素を用いた場合には酸化物が生成し、メタンを用いた
場合には炭化物が生成する。少なくとも励起された同位
元素化合物類の全量と反応して反応生成物を形成するに
充分な量のスカベンジャー・ガスが存在していなければ
ならない。。

２　担体ガスに随伴された塗膜を施された球状粒子は、
ガス状スカベンジャーの存在下テ、同位元素の１種とス
カベンジャーとを反応させるけれども混合物中の他の同
位元素は安定な状態のまま保持される波長の光に露光さ
れる。この特定の波長の光はレーザから発せられる。使
用するレーザは、励起に必要な光の波長及び強度によっ
て変わる。強度１〜５ジュールＩＣ−のレーザを使用す
ることができ、好ましい強度は１．５〜２ジユール／Ｃ
■１である光の波長は、必要な励起周波数によって変わ
り、処理される化合物によっても変わる。

四塩化ジルコニウム化合物中のジルコニウム８０同位元
素を他のジルコニウム同位元素類から分離する例につい
て述べると、炭酸ガスのラーマン転移レーザ（ｃａｒｂ
ｏｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ、　Ｒａｍａｎｓｈｉｆｔｅｄ　
１ａｓｅｒ）から発する波長４００〜５００　ｃ　ｍ−
’のレーザを使用することができる。

塗膜を施した球状粒子を光に露光する時間は、所望の同
位元素化合物をガス状スカベンジャーとともに励起させ
るに充分な時間であり、同位元素化合物をガス状スカベ
ンジャーと反応させた後に、塗膜を施した球状粒子を随
伴塗膜法反応器から抜き取り、反応生成物を安定な状態
に保たれていた他種同位元素の化合物から分離する０本
発明方法のこの段階における塗膜を施された球状粒子は
、反応生成物と他の安定な同位元素の化合物類との混合
物が塗布された状態にある。

反応生成物を他の安定な同位元素化合物から分離し易く
するためには、四塩化ジルコニウム９０の励起の例につ
いては、反応生成物のほうが他の安定な化合物よりも揮
発性が低い場合には、他の同位元素類の四塩化ジルコニ
ウムを加えて混合した状態でジルコニウム８０を酸素と
反応させて二酸化ジルコニウムを形成させるのがよい０
次いで、塗膜を施した球状物を球状物加温器に送り担体
ガスから分離し、担体ガスは、冷却後に系中のガラス球
冷却工程等に還流することができる０次いで、塗膜を施
したガラス球を揮発物昇華器に導入し、たとえば熱空気
等で加熱して揮発性の化合物を球状物から揮発させ、揮
発性の低い反応生成物は珠玉に保持させる。かくして、
安定な他種同位元素の化合物の分離ができ、これらの同
位元素の化合物を集める。

他の安定な同位元素化合物を分離した後の塗膜を施され
た傾状粒子は、反応生成物のみを保持するものとなる０
次に、これらの粒子を処理して球状粒子から反応生成物
を除去し、球状粒子は工程に還流させて処理対象化合物
を塗布して再使用することができる。たとえばジルコニ
ウム同位元素の分離の場合には、前述のように、揮発性
の四塩化物類を除去した後には塗膜を施した球には二酸
化ジルコニウム８０のみが保持されている。二酸化ジル
コニウムが塗布された状態の球状物を反応系に供し、二
酸化ジルコニウムを水素及び塩素と反応させて揮発性の
四塩化ジルコニウム９０を生成させる０球状物を加熱す
ると、四塩化ジルコニウム８０が球状物から昇華して、
四塩化ジルコニウム８０製品が得られ、きれいになった
球状物は工程に還流される。

本発明をより明確に理解できるよう、添付の図面を参照
しつつ、以下に本発明の好ましい実施例について説明す
る。

図面を参照して説明を始めると、ジルコニウム８０、ジ
ルコニウム８１、ジルコニウム９２、ジルコニウム８４
及びジルコニウム９６を含有する四塩化ジルコニウム１
を加熱して昇華させ、流路３を介して二酸化珪素球のよ
うな独立した球状粒子を入れた塗布カラム５に昇華した
化合物を送り、塗布カラム５で、球状粒子上に四塩化ジ
ルコニウムの単一層を塗布する。塗膜を施された熱い球
状物は流路７を介してガラス球冷却器８に送られ、塗膜
を施された球状物は冷却器で冷却されて、四塩化ジルコ
ニウムの単一層を塗布された冷却された球状供給物とな
る。冷却された塗膜を有する球状物は、次に、流路１１
を介して随伴塗布球状物反応器１３に送られる。随伴塗
布球状物反応器１３で冷却された塗膜を有する球状物は
、酸素等のスカベンジャーφガスを含有するヘリウム等
の担体ガスに随伴して運ばれるわけであるが、上記のス
カベンジャー・ガス及び担体ガスは流路１５を介して塗
布球状物反応器１３に導入される。四塩化ジルコニウム
の単一層を塗布され冷却された球状物は、担体ガス流に
随伴して運ばれスカベンジャー〇ガスと接触しつつ、四
塩化ジルコニウム９０を励起してスカベンジャー・ガス
（酸素）と反応させかつ球状物上の他種のジルコニウム
同位元素の四塩化物は安定なままに保持する波長を持つ
レーザ２７からの光ビーム１９に露光される。四塩化ジ
ルコニウム３０を励起させてスカベンジャーと反応させ
る時間、随伴塗布球状物反応器内に保持した後、担体ガ
スによって運ばれている冷たい塗膜保持球状物は流路２
１を介して抜き取られて、球状物加温器２３に送られる
。球状物加温器２３の内部で、二酸化ジルコニウム８０
と他のジルコニウムの同位元素の四塩化物との混合物が
塗布された状態になった塗膜を有する球状物から担体ガ
スが分離される。分離された担体ガスは流路２５を通っ
てガス冷却器２７に送られ、充分に冷却された後に、流
路２８を介してガラス球冷却器に送られ、ガラス球冷却
器の内部でガラス球を更に冷却するために使用される。

ガラス球冷却器８の内部の担体ガスは、更に熱い塗膜と
施されたガラス球と接触して、流路３１を介して球状物
加温器２３に戻されて更に塗膜を施された球状物を加温
する。二酸化ジルコニウム８０とジルコニウムの他種同
位元素の四塩化物とから成る層を有する加温された塗膜
保有ガラス球は流路３３を介して揮発性四基化物昇華器
３５に送られ、流路３７を介して導入されてレコる熱空
気によって加熱される。揮発性、四項化物昇華器３５の
内部で球状物は該球状物から四塩化ジルコニウムを昇華
させるに充分な温度に加熱され、ジルコニウム８１、ジ
ルコニウム９２、ジルコニウム８４及びジルコニウム８
８を含むジルコニウムの四塩化物は流路３８を介して抜
き取られて集められ、二酸化ジルコニウムθ０のみが塗
布された状態となった熱い球状物が残る。二酸化ジルコ
ニウム８０のみが塗布された状態の熱い塗膜を有する球
状物は、次に、帽１１を介して塩素化装置４３に送られ
る。塩素化装置の内部で、二酸化ジルコニウム８ｏが塗
布された状態の熱い球状物は、流路４５からの水素及び
流路４７からの塩素と接触して、二酸化ジルコニウム８
０は四塩化ジルコニウム８ｏに変わる。形成された四塩
化ジルコニウムは形成と同時に熱い球状物から昇華し、
流路４θを介して抜き取られて製品として集められる。

もはや、表面上に塗膜がない状態になった熱い球状物は
、流路５１を介して還流されて塗布カラム５で再使用さ
れ、更に粗製四塩化ジルコニウムを塗布され、同位元素
分離システムで再使用される。

複数の同位元素を含有する化合物を球状物上の塗布して
、同位元素の１種を励起してガス状スカベンジャーと反
応させることにより、元素の１種間位元素を他の同位元
素類から分離する方法及び装置について説明した。同位
元素化合物を球状物上に単一層の形で存在させて固体相
で励起することにより、気体状態での同位元素類のレー
ザにより励起に伴う諸問題を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

添付の図面は、ジルコニウムの同位元素の分離方法及び
装置を概略的に示す説明図である。 １・・・・粗製ＺｒＣ１昇華器 ５・・・・塗布カラム ８・・・・ガラス球冷却器 １３・・・・随伴塗布球状物反応器 １７・・・・レーザ ２３・・・−供給物加温器 ２７・・・・ガス冷却器 ３５・・・・揮発性塩化物昇華器 ４３・・・・塩素化装置

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、同位元素類の類似の化合物類の混合物中に存在する
   元素のうち１種間位元素を他の同位元素類から一分離す
   る方法であって、独立した小さな球状粒子であって前記
   １種の同位元素を含有する化合物を励起することができ
   他種同位元素類の化合物は安定に保持される波長の光を
   透過する複数の前記球状粒子に前記混合物を単一層状に
   塗布し、前記の１種間位元素を含有する化合物が励起さ
   れたときに前記１種間位元素含有化合物と反応するスカ
   ベンジャー・ガスを含有する担体ガス中に前記の複数の
   塗布粒子を入れて、前記担体ガス中に入れた前記の複数
   の塗布粒子を１種間位元素含有化合物が励起される波長
   の光に露光して、１種間位元素含有化合物を前記スカベ
   ンジャｍ−ガスと反応させて反応生成物を形成させ、他
   種同位元素類を含有する安定な化合物類から前記反応生
   成物を分離することを特徴とする方法。 ２、独立した小さな球状粒子が直径１　ミクロン以下の
   二酸化シリコン球状体であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の方法３、担体ガスがヘリウム、ネ
   オン、アルゴンまたはクリプトンであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項または第２項に記載の方法４、
   スカベンジャー・ガスがメタン、酸素または水であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項または第
   ３項に記載の方法。 ５、安定な化合物類から前記反応生成物を分離し、反応
   生成物及び安定な化合物類を除去した後に、球状粒子を
   還流させて、再び更に塗布することを特徴とする特許請
   求の範囲第１項〜第４項の何れかに記載の方法。 ６、反応生成物が安定な化合物類よりも揮発性が低いも
   のであり、前記反応生成物を除去する前に球状物から安
   定な化合物類を揮発させることにより分離を行なうこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項〜第５項の何れかに
   記載の方法。 ？１元素がジルコニウム、ウラニウムまたは硼素である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項〜第６項の何れ
   かに記載の方法。 ８、元素がジルコニウムであり、化合物が四塩化ジルコ
   ニウムであることを特徴とする特許請求の範囲第７項に
   記載の方法。 ８、元素がウラニウムであり、化合物が六弗化ウラニウ
   ムであることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載
   の方法。 １０、元素が硼素であり、化合物がメトキシ化硼素また
   はエトキシ化硼素であることを特徴とする特許請求の範
   囲第７項に記載の方法。 １１．１種間位元素がジルコニウム８０であることを特
   徴とする特許請求の範囲第８項に記載の方法。 １２、スカベンジャー・ガスが酸素である場合において
   、反応生成物が水酸化ジルコニウム８０であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１１項に記・載の方法。 １３、前記球状体から揮発する化合物を形成する物質と
   化学反応させることにより、反応生成物を球状粒子から
   除去することを特徴とする特許 １４、同位元素類の類似の化合物類の混合物中に存在す
   る元素のうち１種間位元素を他の同位元素類から分離す
   る装置であって、複数の独立した小さな球状粒子に化合
   物混合物の単一層を塗布する手段と、スカベンジャｍ１
   ガスを含有する担体ガスに塗膜を施された球状粒子を随
   伴させる手段と、担体ガスに随伴された前記の塗膜を施
   された粒子を導入する反応容器と、前記反応容器内にお
   いて担体ガス　□に随伴された前記の塗膜を施された球
   状粒子に前記１種の同位元素を含有する化合物を励起す
   ることができ他種同位元素類の化合物は安定に保持され
   る波長の大を当て前記１種の同位元素含有化合物を前記
   スカベンジャー●ガスと反応させて反応生成物を形成さ
   せるための光源と、安定な化合物類から前記反応生成物
   を分離する手段とから成ることを特徴とする装置。 １５、前記の塗膜を施された球状粒子を前記随伴手段（
   担体）ガスに送る前に、冷却する手段を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の装置。 １Ｂ．安定な化合物類から反応生成物を分離する手段が
   、塗膜を施された球状粒子を加熱して反応生成物を球状
   粒子から揮発させる手段であることを特徴とする特許請
   求の範囲第１４項または第１５項に記載の装置。 １７、＠許請求の範囲第１６項に記載の装置において、
   加熱手段から担体ガスを還流させて冷却する手段を有す
   ることを特徴とする装置。