NO144096B - PROCEDURE AND APPARATUS FOR SEPARATION OF ISOTOPES - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse befatter seg med forholds- The present invention deals with relative

regler til separasjon av isotoper av et kjemisk element. Den befatter seg særlig med, men er dog ikke begrenset til separa- rules for the separation of isotopes of a chemical element. It deals in particular with, but is not limited to, separate

sjon av isotoper av elementet uran med atomvekt 235 og 238. tion of isotopes of the element uranium with atomic weights 235 and 238.

Der er idag kjent flere fremgangsmåter som kan benyttes Several methods are known today that can be used

til separasjon av isotopene av kjemiske elementer. Det dreier seg her i første rekke om massespektrometri og herav avledede metoder, metoder med bitermisk utveksling, selektiv eksi- for the separation of the isotopes of chemical elements. This is primarily about mass spectrometry and methods derived from it, methods with bitermic exchange, selective excitation

tering av en isotop med laser og påfølgende utseparering ved fysiske prosesser, samt. separasjonsteknikker med ultrasentri-fugering. Flere av disse metoder har vært benyttet gjennom lengre tidsrom og til forskjellige formål, men har alle endel ulemper og er under enhver omstendighet meget kostbare og vanskelige å gjennomføre så snart man tar sikte på en produk- tering of an isotope with a laser and subsequent separation by physical processes, as well as. separation techniques with ultracentrifugation. Several of these methods have been used over a longer period of time and for different purposes, but all have certain disadvantages and are in any case very expensive and difficult to implement as soon as one aims at a product

sjon i industriell målestokk av kjemiske elementer som i merk- tion on an industrial scale of chemical elements as in mark-

bar grad er anriket med en av de isotoper som inngår i det opprinnelige naturlige element. bare degree is enriched with one of the isotopes that form part of the original natural element.

I det meget viktige tilfelle av separasjon av uranisotoper In the very important case of separation of uranium isotopes

blir bare en eneste teknikk, nemlig anrikning ved gassdiffusjon, i dag utnyttet industrielt. Det er vel kjent blant spesialister at denne teknikk, som gir bemerkelsesverdige resultater, allikevel er både meget kinkig å benytte fra et teknologisk synspunkt og meget kostbar fra et økonomisk synspunkt på grunn av det meget store antall av mikroporøse barrierer som det er nødvendig å la uranheksafluorid UFg passere for å tillate en påtagelig foretrukken diffusjon av isotopen 235 i forhold til isotopen 238. For øvrig er det også velkjent at der også knytter seg mange vanskeligheter til selve arten av den eneste gassformede uranforbindelse som kan benyttes til dette formål, nemlig heksafluoridet UF,,, idet denne forbindelse er sterkt korroderende og ytterst giftig og først ved temperaturer over ca. 65°C befinner seg i gassformet tilstand. only one technique, namely enrichment by gas diffusion, is used industrially today. It is well known among specialists that this technique, which gives remarkable results, is nevertheless both very complicated to use from a technological point of view and very expensive from an economic point of view due to the very large number of microporous barriers that it is necessary to allow uranium hexafluoride UFg pass through to allow a distinctly preferred diffusion of the isotope 235 in relation to the isotope 238. Furthermore, it is also well known that many difficulties are also linked to the very nature of the only gaseous uranium compound that can be used for this purpose, namely the hexafluoride UF, ,, as this compound is strongly corrosive and extremely toxic and only at temperatures above approx. 65°C is in a gaseous state.

Den foreliggende oppfinnelse går ut på en fremgangsmåte til separasjon av isotoper av et kjemisk element ved suksessive filt-reringer av en sverm av positive eller negative ioner, en metode som blir meget enklere å utføre enn separasjonsteknikkene med gassdiffusjon og gir minst like godt økonomisk utbytte. The present invention is based on a method for separating isotopes of a chemical element by successive filtration of a swarm of positive or negative ions, a method that is much easier to carry out than the separation techniques with gas diffusion and gives at least as good an economic yield.

Denne separasjonsmetode er i første rekke karakterisert vedThis separation method is primarily characterized by

at der frembringes en sverm av positive eller negative primære that a swarm of positive or negative primaries is produced

ioner av minst en forbindelse av elementet, at denne ionesverm akselereres for å bringes til å passere et visst antall kolli- ions of at least one compound of the element, that this ion swarm is accelerated to be made to pass a certain number of collisions

sjonsbokser som er fylt med en nøytral målgass under et trykk av størrelsesorden 10 ^ torr og er åpne i begge ender og anbragt i rekke etter hverandre, at der i hver av kollisjonsboksene ved uelastiske støt åv de nevnte ioner mot molekylene av den nøytrale målgass som fyller boksene, suksessivt bevirkes dissosiasjon av en viss prosentandel av primærionene i minst to fragmenter hvorav det ene er et sekundært ion som opptrer i form av minst to forskjellige isotopvarianter når det gjelder elementet som skal separeres, og at det potensial som kollisjonsboksene bringes på, velges slik at den ene av de nevnte isotopvarianter blir preferert innfanget i de enkelte bokser for så å kondenseres i disse, hvorunder valget skjer ut fra på forhånd eksperimentelt innhentede informasjoner om beliggenheten og arealet av de forskjellige energitopper som tilsvarer hvert sitt av de i boksene dannede sekundærioner, under hensyntagen til at den kjemiske natur og andel av de sekundærioner som innfanges i hver boks, er bestemt ved tilstedeværelsen og arealet av disse topper eller deler av topper i området for spenninger med lavere absolutt verdi enn den som er valgt for spenningen V,,. collision boxes that are filled with a neutral target gas under a pressure of the order of 10 ^ torr and are open at both ends and arranged in a row one after the other, so that in each of the collision boxes the aforementioned ions collide with the molecules of the neutral target gas that fill the boxes, dissociation is successively effected by a certain percentage of the primary ions into at least two fragments, one of which is a secondary ion which appears in the form of at least two different isotopic variants in terms of the element to be separated, and that the potential to which the collision boxes are brought is chosen as follows that one of the aforementioned isotopic variants is preferably captured in the individual boxes and then condensed in them, whereby the choice is based on previously experimentally obtained information about the location and area of the different energy peaks corresponding to each of the secondary ions formed in the boxes, taking into account that the chemical nature and proportion of the secondary ions captured in each box, is determined by the presence and area of these peaks or parts of peaks in the range of voltages with a lower absolute value than that chosen for the voltage V,,.

I en interessant variant av fremgangsmåten anbringer man In an interesting variant of the procedure, one places

midler til å oppsamle sekundærionene av hver isotop mellom på hinannen følgende bokser, slik at hver isotop dermed blir kondensert i en egen tilleggsinnretning. Nærmere bestemt kan en slik tilleggsinnretning frembringe et tversgående elektrisk felt som avbøyer ionene med liten energi og gjør det mulig å trekke dem ut sidelengs i forhold til svermen. means to collect the secondary ions of each isotope between successive boxes, so that each isotope is thus condensed in a separate additional device. More precisely, such an additional device can produce a transverse electric field which deflects the ions with little energy and makes it possible to extract them laterally in relation to the swarm.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen beror vesentlig på følgende fysiske prosess: Hvis man med en sverm av primærioner av en forbindelse av det element hvis isotoper man vil separere, bom-barderer en nøytral målgass under lavt trykk inneholdt i en kollis jonsboks, blir en viss prosentandel av disse primærioner dissosiert ved uelastisk støt mot molekylene av den nøytrale målgass, og de således dannede sekundære ioner tar med seg en kinetisk energi som praktisk talt er proporsjonal med deres masse. Kjenner man den elektriske ladning av de således dannede sekundærfragmenter, The method according to the invention depends essentially on the following physical process: If one bombards a neutral target gas under low pressure contained in a collision box with a swarm of primary ions of a compound of the element whose isotopes one wants to separate, a certain percentage of these primary ions dissociated by inelastic impact against the molecules of the neutral target gas, and the thus formed secondary ions take with them a kinetic energy that is practically proportional to their mass. If one knows the electrical charge of the thus formed secondary fragments,

kan man således velge potensialet V med motsatt fortegn til denne ladning og med tilstrekkelig stor absolutt verdi til at disse sekundære ioner ikke får den nødvendige kinetiske energi til å forsere barrieren med tilsvarende potensial ved utgangen fra boksen hvor de ble dannet, med den følge at de blir fanget i det indre. one can thus choose the potential V with the opposite sign to this charge and with a sufficiently large absolute value that these secondary ions do not get the necessary kinetic energy to force the barrier with a corresponding potential at the exit from the box where they were formed, with the consequence that they gets trapped inside.

Det menes således at det i tilfellet av at visse av disse dis-sosiasjonsfragmenter bærer samme elektriske ladning og har form av flere isotoper, vil være mulig å velge den spenning V ? som kollisjonsboksene bringes på, med en slik verdi at de fragmenter som tilsvarer en av isotopene (den tyngste) slipper ut, og at de fragmenter som tilsvarer en annen isotop (den letteste), derimot blir tilbakeholdt i det indre av boksen. Det blir dermed tilstrekkelig å benytte en flerhet av kollisjonsbokser som anbringes på rad etter hverandre og alle bringes på samme potensial V^, for ut fra en sverm av primærioner med gitt energi å oppnå en spaltning og deretter en innfangning i serie i hver boks av et visst antall sekundærioner, som dermed blir separert avhengig av sine respektive masser, altså i det foreliggende tilfelle av vedkommende isotop. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har meget generell rekkevidde når det gjelder gjennomførelsen. De benyttede primærioner kan være positive eller negative, og man kan også oppsamle den tunge eller den lette isotop, alt etter hva som ønskes. Er den opprinnelige forbindelse lettere enn den man vil oppsamle, kan man således lettvint få den rett og slett ved kondensasjon i de bokser hvor den innfanges. Dreier det seg derimot om den tunge forbindelse, gjen-finner man den i den sverm som trer ut av hver boks, hvor den kan trekkes ut rett og slett ved elektrostatisk avbøyning. Den benyttede nøytrale målgass kan være vilkårlig. F.eks. er edel-gasser som argon og helium utmerket egnet. It is thus believed that in the event that certain of these dissociation fragments carry the same electrical charge and have the form of several isotopes, it will be possible to choose the voltage V ? on which the collision boxes are brought, with such a value that the fragments corresponding to one of the isotopes (the heaviest) escape, and that the fragments corresponding to another isotope (the lightest), on the other hand, are retained in the interior of the box. It is thus sufficient to use a plurality of collision boxes which are placed in a row one after the other and all brought to the same potential V^, in order from a swarm of primary ions with a given energy to achieve a splitting and then a capture in series in each box of a certain number of secondary ions, which are thus separated depending on their respective masses, i.e. in the present case of the relevant isotope. The method according to the invention has a very general scope when it comes to implementation. The primary ions used can be positive or negative, and you can also collect the heavy or the light isotope, depending on what is desired. If the original compound is lighter than the one you want to collect, it can thus easily be obtained simply by condensation in the cans where it is captured. If, however, it is about the heavy connection, it can be found in the swarm that emerges from each box, where it can be extracted simply by electrostatic deflection. The neutral target gas used can be arbitrary. E.g. noble gases such as argon and helium are excellently suitable.

Ved gjennomførelsen av fremgangsmåten velger man som nevnt spenningen V"2 ut fra informasjoner som på forhånd er innhentet eksperimentelt angående beliggenheten og overflaten av de forskjellige energito<p>per som tilsvarer hver sin av de sekundærioner som dannes i boksene, under hensyntagen til det forhold at den kjemiske natur og andelen av de i hver boks innfangede sekundærioner er definert ved tilstedeværelsen av de nevnte topper eller deler av topper innen området for spenninger med absolutt verdi mindre enn den verdi som er valgt for spenningen When carrying out the method, as mentioned, the voltage V"2 is chosen based on information obtained experimentally in advance regarding the location and surface of the different energy peaks corresponding to each of the secondary ions formed in the boxes, taking into account the ratio that the chemical nature and the proportion of the secondary ions trapped in each box are defined by the presence of the mentioned peaks or parts of peaks within the range of voltages with an absolute value less than the value chosen for the voltage

V V

Man innser uten videre en vesentlig forskjell mellom fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og separasjonsteknikkene med gassdiffusjon. Ved de sistnevnte skjer anrikningen således fremad-skridende og foregår meget langsomt trinn for trinn gjennom hundre-tusener av barrierer anbragt i serie. I tilfellet av den foreliggende oppfinnelse gjentar derimot den fysiske separasjon seg kvalitativt på stadig samme måte i hver av boksene som inngår i et felles system, ved at alle boksene til dette formål blir bragt på samme potensial V^, idet de ioner som ikke er blitt dissosiert i en boks med nummer, forlater denne boks for å trenge inn i den etter-følgende boks med nummer p+1. I hver av disse bokser kommer man samtidig og i ett eneste trinn til samme endelige anrikningsgrad som man har tatt sikte på. Det er nok deretter å kondensere på veggene av hver boks det materiale som tilsvarer de fraskilte sekundærioner som er innfanget der, for direkte å få den kjemiske forbindelse anriket på en av sine bestanddeler, eller en blanding som inneholder den. One immediately realizes a significant difference between the method according to the invention and the separation techniques with gas diffusion. In the case of the latter, the enrichment thus occurs progressively and takes place very slowly step by step through hundreds of thousands of barriers arranged in series. In the case of the present invention, on the other hand, the physical separation repeats itself qualitatively in the same way in each of the boxes that are part of a common system, in that all the boxes for this purpose are brought to the same potential V^, the ions that have not been dissociated in a box with number, leaves this box to enter the following box with number p+1. In each of these boxes, you arrive simultaneously and in a single step to the same final degree of enrichment that you have aimed for. It is then enough to condense on the walls of each box the material corresponding to the separated secondary ions that are trapped there, in order to directly obtain the chemical compound enriched in one of its constituents, or a mixture containing it.

En elementær beregning gjør det mulig å bestemme spaltningsutbyttet av den innfallende sverm av primærioner og dermed samtidig få en forestilling om utbyttet av fremgangsmåten. Hvis de opprinnelige ioner bare følger ett eneste spaltningskjerna, og hvis graden av denne spaltning utgjør r % av den sverm som trer inn i hver boks, vil den opprinnelige ionesverm forlate n-te boks med et intensitetsforhold (1 - r)<n> i forhold til den sverm som kom inn i den første boks. (For å være helt nøyaktig forutsetter denne beregning at man ser bort fra den spredningseffekt på svermen som skyldes romladningen, såvel som den uunngåelige utveksling av ladninger mellom ionene i svermen og molekylene av den nøytrale målgass, men erfaringer har bekreftet at denne tilnærmelse er berettiget når det gjelder å bestemme korrekt størrelsesorden.) An elementary calculation makes it possible to determine the fission yield of the incident swarm of primary ions and thus simultaneously get an idea of the yield of the method. If the initial ions only follow a single fission nucleus, and if the degree of this fission constitutes r% of the swarm entering each box, the original ion swarm will leave the nth box with an intensity ratio (1 - r)<n> i compared to the swarm that entered the first box. (To be completely accurate, this calculation assumes that one ignores the scattering effect on the swarm due to the space charge, as well as the inevitable exchange of charges between the ions in the swarm and the molecules of the neutral target gas, but experience has confirmed that this approximation is justified when it is necessary to determine the correct order of magnitude.)

Hvis f.eks. r = 0,05, n = 20 og den fra n-te boks uttredende sverm utgjør 35,85% av den opprinnelige sverm, er spaltningen i boksene 64,5%. Tar man n = 40, utgjør den sverm som forlater den, bare 12,85%, og spaltningen utgjør 87,15%. If e.g. r = 0.05, n = 20 and the swarm emerging from the nth box constitutes 35.85% of the original swarm, the split in the boxes is 64.5%. Taking n = 40, the swarm leaving it is only 12.85%, and the split is 87.15%.

I betraktning av systemets enkelthet kan man som midlere avstand mellom midtpunktene av boksene f.eks. velge 8-10 cm og få et apparat med diameter 20-25 cm og en lengde av størrelsesorden 2m med 20 bokser forsynt med en utskiftbar innvendig foring til lettvint å oppsamle de innfangede og kondenserte ioner på sin innervegg. Er dissosiasjonsutbyttet over 5%, kan man redusere antallet av bokser. Er utbyttet derimot bare 2-3%, kan man øke antallet. In consideration of the system's simplicity, the average distance between the center points of the boxes can be e.g. choose 8-10 cm and get a device with a diameter of 20-25 cm and a length of the order of 2m with 20 boxes provided with a replaceable inner lining to easily collect the captured and condensed ions on its inner wall. If the dissociation yield is over 5%, the number of cans can be reduced. If, on the other hand, the yield is only 2-3%, the number can be increased.

Ved anvendelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen When using the method according to the invention

kan de sekundærioner som ikke er oppfanget i en kollisjons- can the secondary ions that are not captured in a collision

boks, forlate denne med meget liten kinetisk energi, nær null, box, leaving it with very little kinetic energy, close to zero,

siden deres masse ut fra de anførte forutsetninger er meget nær massen av den isotop som man har villet oppfange. Det blir dermed meget lett å trekke deift ut fra svermen av primærioner som fortsetter sin gang gjennom de følgende kollisjonsbokser, ved en enkel elektrostatisk avbøyning ved hjelp av et svakt felt som praktisk talt blir uten virkning på selve svermen av primærioner. since their mass, based on the stated assumptions, is very close to the mass of the isotope that you wanted to capture. It thus becomes very easy to extract deft from the swarm of primary ions which continues its course through the following collision boxes, by a simple electrostatic deflection with the help of a weak field which practically has no effect on the swarm of primary ions itself.

For øvrig er den ovennevnte formel ikke lenger gyldig i det Incidentally, the above formula is no longer valid in it

mer generelle tilfelle at der forekommer flere skjemaer for dissosia-sjonen a<y> primærioner i sekundærioner, idet fenomenene blir mer komplekse, og man kan dermed selv uten noen nærmere studium fore-stille seg at det endelige utbytte av den ønskede isotopseparasjon blir redusert. more general case that there are several schemes for the dissociation of <y> primary ions into secondary ions, as the phenomena become more complex, and one can therefore even without any closer study imagine that the final yield of the desired isotope separation will be reduced.

Det anbefales også å velge trykket av den nøytrale gass i It is also recommended to select the pressure of the neutral gas i

hver av kollisjonsboksene på en slik verdi at dissosiasjonsfenomenene på den ene side blir fordelt på hver av de kollisjonsbokser som inngår i et system, og ladningsutvekslingen mellom innfallende sverm av primærioner og molekyler av nøytralgass på den annen side ikke blir for betydelig. Under enhver omstendighet kan den sistnevnte foreteelse aldri helt unngås, men den er i alminnelighet ikke generende, da det bare vil dreie seg om en liten brøkdel av de innfallende ioner. Disse blir således omdannet til nøytrale molekyler og fortsetter sin gang gjennom alle boksene som inngår i serie i samme system, idet de selvsagt går tapt for disossiasjons-reaksjonen og isotopseparasjonen. each of the collision boxes at such a value that, on the one hand, the dissociation phenomena are distributed among each of the collision boxes that form part of a system, and the charge exchange between incident swarms of primary ions and molecules of neutral gas, on the other hand, does not become too significant. Under any circumstances, the latter phenomenon can never be completely avoided, but it is generally not a nuisance, as it will only concern a small fraction of the incident ions. These are thus converted into neutral molecules and continue their course through all the boxes that are included in series in the same system, as they are of course lost to the dissociation reaction and isotope separation.

Enda mer spesielt går oppfinnelsen ut på en fremgangsmåte til separasjon av isotoper av kjemiske elementer hvor man, idet de innfallende primærioner med ladning e og masse M trer inn i hver kollisjonsboks med energien eV^ i hver boks tilbakeholder i det minste en del av de dannede sekundærioner med masse m og ladning e som tilsvarer en isotop som man vil fraskille, ved å bringe hver kollisjonsboks på et potensial V2 som har motsatt fortegn til ladningen e og en absolutt verdi minst lik mV^/(M-m) på avvik nær som skyldes fordelingen av ionenes dissosiasjonsenergier omkring denne verdi. Even more specifically, the invention concerns a method for the separation of isotopes of chemical elements where, as the incident primary ions with charge e and mass M enter each collision box with the energy eV^ in each box, at least a part of the formed secondary ions with mass m and charge e corresponding to an isotope that one wants to separate, by bringing each collision box to a potential V2 that has the opposite sign to the charge e and an absolute value at least equal to mV^/(M-m) on deviations due to the distribution of the ions' dissociation energies around this value.

Således blir fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i virkeligheten i det hyppigste tilfelle gjennomført ut fra en sverm av primærioner som alle har samme ladning (oftest positiv enhetsladning) og også samme energi, noe som praktisk talt er uomgjengelig hvis man vil få resultater som kan utnyttes industrielt. Thus, in reality, the method according to the invention is in the most frequent case carried out from a swarm of primary ions that all have the same charge (usually positive unit charge) and also the same energy, which is practically unavoidable if you want to obtain results that can be used industrially.

Betrakter man således et primærion med masse M og ladning e Thus, one considers a primary ion with mass M and charge e

og med en kinetisk energi eV^ svarende til dets ekstraksjonspotensial V^, blir dets kinetiske energi e (V^ - V,,) når det trer inn i en kollis jonsboks som er bragt på potensialet V^ a. Betrakter man et sekundærion som har masse m og bærer samme ladning e, og som er dannet ut fra det nevnte ion med masse M, kan man - noe erfaringen fullt ut har bekreftet - som første tilnærmelse anta at det bærer med seg en kinetisk energi lik (m/M)e(V^ - V"2) . Betingelsen for at et slikt sekundærion med masse m ikke skal kunne forlate den kollisjonsboks det er dannet i, er at denne sistnevnte verdi av dets kinetiske energi er mindre enn ekstraksjonsarbeidet for de elektriske krefter ved dets utgang fra boksen, hvor det får å forsere en barriere med potensial -V2. Betingelsen for innfangning av et slikt sekundærion med masse m kan dermed uttrykkes som and with a kinetic energy eV^ corresponding to its extraction potential V^, its kinetic energy becomes e (V^ - V,,) when it enters a collision ion box which is brought to the potential V^ a. If one considers a secondary ion which has mass m and carries the same charge e, and which is formed from the aforementioned ion with mass M, one can - which experience has fully confirmed - as a first approximation assume that it carries with it a kinetic energy equal to (m/M)e (V^ - V"2) . The condition for such a secondary ion of mass m not to be able to leave the collision box in which it was formed is that this latter value of its kinetic energy is less than the extraction work for the electric forces at its exit from the box, where it has to force a barrier with potential -V2. The condition for trapping such a secondary ion with mass m can thus be expressed as

dvs. : i.e. :

Teoretisk foregår således det hele som om der for et sekundært ion som har en gitt masse m og dermed svarer til en bestemt isotop av det kjemiske element man vil skille ut, hadde eksistert en kritisk potensialverdi V"2 som man bringer de forskjellige kollisjonsbokser på, og ovenfor hvilken alle sekundærioner svarende til denne masse blir tilbakeholdt i de tilsvarende bokser. I det spesielle, men meget hyppige tilfelle at den separasjon man ønsker å realisere, består i en separasjon av to isotoper av samme kjemiske element, skulle det teoretisk være mulig å separere dem ved for potensialet V2 av de forskjellige kollisjonsbokser å velge en verdi beliggende mellom de kritiske verdier som svarer til de enkelte isotoper i forbindelsen som utgjør sekundærionene med masse m. I virkeligheten forholder det seg ikke slik, og saken er ikke så enkel, for på grunn av fordelingen av de forskjellige mulige dissosiasjonsenergier av ett og samme primærion med masse M omkring den teoretiske midlere verdi er de ovennevnte fenomener ikke bestemt ved potensiallinjer, men ved spaltningsenergitopper som har en viss bredde, og hvis respektive arealer for øvrig tilnærmelsesvis tilsvarer prosentandelene av massene av de forskjellige isotoper av vedkommende element. Man kan derfor tenke seg at der vil kunne forekomme et stort antall mulige konfigurasjoner: a) I det teoretiske tilfelle at et sekundært ion med masse m har bare to isotoper hvis tilsvarende spaltningsenergitopper er full- .. stendig adskilt innbyrdes, kommer man til det ovennevnte tilfelle, hvor separasjonen kan oppnås nøyaktig og fullstendig, ved å velge en spenning V 2 beliggende mellom de to topper. Theoretically, the whole thing thus takes place as if for a secondary ion which has a given mass m and thus corresponds to a specific isotope of the chemical element you want to separate out, there existed a critical potential value V"2 to which you bring the various collision boxes, and above which all secondary ions corresponding to this mass are retained in the corresponding boxes. In the special but very frequent case that the separation one wishes to realize consists in a separation of two isotopes of the same chemical element, it should theoretically be possible to separate them by choosing for the potential V2 of the different collision boxes a value located between the critical values that correspond to the individual isotopes in the compound that make up the secondary ions with mass m. In reality, this is not the case, and the matter is not so simple, for due to the distribution of the different possible dissociation energies of one and the same primary ion with mass M around the theoretical mean value i, the above-mentioned phenomena are not determined by potential lines, but by fission energy peaks which have a certain width, and whose respective areas otherwise approximately correspond to the percentages of the masses of the different isotopes of the element in question. One can therefore imagine that there will be a large number of possible configurations: a) In the theoretical case that a secondary ion of mass m has only two isotopes whose corresponding fission energy peaks are completely separated from each other, one arrives at the above case, where the separation can be achieved accurately and completely, by choosing a voltage V 2 located between the two peaks.

b) Hvis de energitopper som svarer til to naboisotoper, dekker hverandre partielt, noe som er det mest generelle tilfelle, eller b) If the energy peaks corresponding to two neighboring isotopes partially overlap, which is the most general case, or

hvis skjemaet for spaltning i sekundærioner fører til en blanding if the scheme of splitting into secondary ions leads to a mixt

av flere fragmenter av isotoper med forskjellige masser hvis topper til og med kan gå over i hverandre, noe som ofte forekommer, må man på empirisk vei søke den gunstigste verdi av spenningen V^, avhengig av akkurat den totale anrikningsgrad som man ønker å komme frem til. of several fragments of isotopes with different masses whose peaks can even merge into each other, which often occurs, one must empirically seek the most favorable value of the voltage V^, depending on exactly the total degree of enrichment that one wishes to achieve to.

I visse tilfeller kan dette forhold at energitoppene dekker hverandre partielt, være en fordel, for ved å velge verdien av kollisjonsboksenes spenning V"2 nøyaktig blir det undertiden mulig fra først av å oppnå en sammensetning av materiale tilbakeholdt i boksene, med et bestemt isotopforhold, dvs. å realisere en bestemt anrikningsgrad direkte i ett eneste trinn. In certain cases, this fact that the energy peaks partially cover each other can be an advantage, because by choosing the value of the collision boxes' voltage V"2 exactly, it is sometimes possible from the start to obtain a composition of material retained in the boxes, with a certain isotopic ratio, i.e. to realize a specific degree of enrichment directly in a single step.

I tilfellet av at der bare finnes et eneste slags sekundærioner som inneholder elementet som skal separeres, i to isotopformer med masser, henholdsvis m^ og m2, er det i praksis hensiktsmessig for utførelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mellom de to verdier In the event that there is only one kind of secondary ions containing the element to be separated, in two isotopic forms with masses, respectively m^ and m2, it is in practice appropriate for carrying out the method according to the invention between the two values

å velge den verdi av V2 som gir den ønskede anrikning på en av isotopene. to choose the value of V2 that gives the desired enrichment on one of the isotopes.

Den tilsiktede anrikning kan likeledes om nødvendig gjennom-føres i flere trinn og i økende grad for sluttelig å resultere i en gitt anrikningsgrad slik at anrikningen ikke blir ledsaget av noe tap av betydning i den isotop som interesserer, noe som ville kunne inntreffe dersom man hadde satt seg som mål å oppnå den samme anrikningsgrad i ett eneste trinn. Dette gjør det mulig f.eks. å benytte primærioner som selv utgjøres av dobbelte isotopblandinger (f.eks. UBr4, UBr^I, UC14, UC13I osv....) og hvis resulterende energitopper er tallrike og gir et komplisert bilde. The intended enrichment can also, if necessary, be carried out in several steps and in increasing degrees to finally result in a given degree of enrichment so that the enrichment is not accompanied by any loss of significance in the isotope of interest, which could occur if one had set itself the goal of achieving the same degree of enrichment in a single step. This makes it possible, e.g. to use primary ions which themselves consist of double isotope mixtures (e.g. UBr4, UBr^I, UC14, UC13I etc...) and whose resulting energy peaks are numerous and give a complicated picture.

Undertiden kan det være av interesse å tilveiebringe svermen av primærioner ikke ved hjelp av en enkelt forbindelse av elementet som skal anrikes, men av flere. I alle tilfeller når det gjelder utførelsen av fremgangsmåten, er det selvsagt en nøyaktig undersøkelse av skjemaet for spaltningen i sekundære ioner og av de tilsvarende energitopper som gjør det mulig for eksperimentatoren å avgjøre om en slik metode er av interesse, og bestemme den spenning som man bør velge for å oppnå en gitt anrikningsgrad. Sometimes it may be of interest to provide the swarm of primary ions not by means of a single compound of the element to be enriched, but by several. In all cases where the method is carried out, it is of course an accurate examination of the pattern of the splitting into secondary ions and of the corresponding energy peaks which enables the experimenter to decide whether such a method is of interest, and to determine the voltage at which should choose to achieve a given degree of enrichment.

Sluttelig kan det ifølge en interessant variant av fremgangsmåten være hensiktsmessig å bringe visse bokser i samme system på litt forskjellige potensialer for på en gang å oppsamle blandinger med forskjellige anrikningsgrader, eksperimentelt bestemt '-på grunnlag av det forutgående studium av energitoppene. Finally, according to an interesting variant of the method, it may be appropriate to bring certain boxes in the same system at slightly different potentials in order to simultaneously collect mixtures with different degrees of enrichment, experimentally determined '-on the basis of the previous study of the energy peaks.

Sammenholdt med de hittil anvendte gassdiffusjonsteknikker, Compared with the gas diffusion techniques used to date,

har fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen et stort antall særegne fordeler, hvoriblant særlig de følgende kan anføres: - Utførelsen av fremgangsmåten blir særlig enkel fordi den vesentlig krever en rekke metalliske kollisjonsbokser som alle holdes på samme elektriske potensial og eventuelt kjøles til en bestemt temperatur. Disse bokser mates med en nøytral målgass med lavt trykk og befinner seg i en omslutning, hvori man holder et sekundært vakuum. Man får således ikke å løse noe nytt teknologisk problem for å utføre en slik innretning, og for øvrig kan et separasjonsanlegg for utnyttelse av fremgangsmåten utføres suksessivt, noe som gjør det mulig å fordele investeringene i tid. Således frembringer hver kollisjonsboks en kvantitet av anriket materiale i et enkelt trinn til en på forhånd bestemt ønsket grad, og fler-doblingen av kollisjonsboksene har bare til virkning å øke den produserte mengde av anriket materiale. Fremgangsmåten gjør det mulig å oppnå uran eller en uranforbindelse med en gitt anrikningsgrad, f.eks. beliggende mellom 1 og 70% i en eneste operasjon. Anskaffelsesprisen for anrikningsanlegget blir stort sett proporsjonal med anrikningsgraden. Bestemmer man seg for å gå over fra en grad av 1% til en grad av 70%, behøver man ikke å forandre apparatet. the method according to the invention has a large number of distinctive advantages, among which the following can be mentioned in particular: - The execution of the method is particularly simple because it essentially requires a number of metallic collision boxes which are all kept at the same electrical potential and optionally cooled to a specific temperature. These cans are fed with a neutral target gas at low pressure and are located in an enclosure, in which a secondary vacuum is maintained. One thus does not have to solve any new technological problem in order to carry out such a device, and furthermore, a separation plant for utilization of the method can be carried out successively, which makes it possible to distribute the investments in time. Thus, each collision box produces a quantity of enriched material in a single step to a predetermined desired degree, and the multiplication of the collision boxes only has the effect of increasing the quantity of enriched material produced. The method makes it possible to obtain uranium or a uranium compound with a given degree of enrichment, e.g. located between 1 and 70% in a single operation. The acquisition price for the enrichment plant is largely proportional to the degree of enrichment. If you decide to go from a degree of 1% to a degree of 70%, you do not need to change the device.

Med utgangspunkt i uran anriket til noen prosent er det mulig å få uran anriket til 99%. Det er også mulig å utnytte separasjons-avfallene og få uran anriket til f.eks. 3%. Starting from uranium enriched to a few percent, it is possible to get uranium enriched to 99%. It is also possible to utilize the separation waste and get uranium enriched to e.g. 3%.

- Uhell som i et system til isotopseparasjon kunne ramme - Accidents that could occur in a system for isotope separation

enten visse enkelte kollisjonsbokser eller et system av slike bokser i serie, blir uten innflytelse på resten av anlegget. For hver kollisjonsboks virker uavhengig av naboboksene, og i et anlegg med flere systemer av seriekoblede bokser er hvert system either certain individual collision boxes or a system of such boxes in series, will have no influence on the rest of the plant. For each collision box works independently of the neighboring boxes, and in a system with several systems of series-connected boxes, each system is

selvstendig og avhenger på ingen måte av nabosystemene. Dette er likeledes en enorm fordel i forhold til metoden med suksessiv anrikning i serie. independent and in no way dependent on neighboring systems. This is also a huge advantage compared to the method of successive enrichment in series.

I visse særlig gunstige tilfeller kan separasjonen oppnås In certain particularly favorable cases, the separation can be achieved

totalt i ett eneste trinn, idet den isotop som ikke holdes tilbake i boksene, rett og slett, hvis det ønskes, blir gjenvunnet ved slutten av ionesvermens vei. total in a single step, with the isotope not retained in the cans simply being recovered, if desired, at the end of the ion swarm's path.

- Det er mulig i hvert særskilt tilfelle å velge de forbindelser hvormed man fremstiller svermen av primærioner, og dermed arbeide med forbindelser som er mer bekvemme å håndtere enn uran-heksofluorid, hvis mange ulemper der allerede ble henvist til. - Det er ikke nødvendig å gå ut fra forbindelser som allerede har høy renhetsgrad, da fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen sørger for å sondre ut bestanddelene i avhengighet av deres forskjellige masser, og forurensningene ikke forandrer utbyttet mer enn svarende til sin egen konsentrasjon. - Anleggene kan bygges i enkle metallskur, og nødvendig jav: anleggsareal blir ikke særlig stort. Der behøves ingen spesiell forholdsregel like overfor omgivelsene, og farene for forurensning er alt etter den kjemiske natur av de forbindelser man gjør bruk av, generelt sett uhyre sterkt redusert i forhold til tilfellet av en håndtering av uranheksafluorid. - It is possible in each particular case to choose the compounds with which the swarm of primary ions is produced, and thus to work with compounds that are more convenient to handle than uranium hexofluoride, whose many disadvantages have already been referred to. - It is not necessary to start from compounds that already have a high degree of purity, as the method according to the invention ensures that the components are separated out depending on their different masses, and the impurities do not change the yield more than corresponding to their own concentration. - The plants can be built in simple metal sheds, and the required JAV: the plant area will not be very large. There is no need for special precautions in relation to the environment, and the dangers of pollution are, depending on the chemical nature of the compounds used, generally speaking enormously reduced compared to the case of handling uranium hexafluoride.

Oppfinnelsen vil forstås bedre ved lesning av den følgende beskrivelse av forskjellige utførelseseksempler på fremgangsmåten ifølc oppfinnelsen, anvendt på separasjon av isotoper av et kjemisk element, samt på innretningen til dens utførelse. I beskrivelsen av disse eksempler vil der bli henvist til tegningen. Fig. 1 viser som funksjon av det potensial V"2 som hver kollisjonsboks.bringes på, de energitopper som representerer endringen i masse dm/dV tilbakeholdt i hver boks. Fig. 2 viser partielle vertikalsnitt av et apparat til isotopseparasjon i samsvar med oppfinnelsen, idet fig. 2a viser hoveddelen av apparatet og fig. 2b viser utførelsen av en av kollisjonsboksene mer detaljert. Fig. 3 viser i aksialsnitt et anlegg med tolv parallellkoblede systemer av kollisjonsbokser i samme vakuumbeholder. Fig. 1 gjør det mulig på en praktisk måte å belyse ved et spesielt tilfelle de ovenstående betraktninger om valget av den spenning V2 som hver kollisjonsboks bringes på, i avhengighet av den grad av isotopseparasjon man ønsker å oppnå. I det spesielle eksempel på fig. 1 har man valgt tilfellet av to forbindelser med The invention will be better understood by reading the following description of different embodiments of the method according to the invention, applied to the separation of isotopes of a chemical element, as well as the device for its implementation. In the description of these examples, reference will be made to the drawing. Fig. 1 shows, as a function of the potential V"2 to which each collision box is applied, the energy peaks that represent the change in mass dm/dV retained in each box. Fig. 2 shows partial vertical sections of an apparatus for isotope separation in accordance with the invention, with Fig. 2a showing the main part of the apparatus and Fig. 2b showing the design of one of the collision boxes in more detail. Fig. 3 shows in axial section a plant with twelve parallel-connected systems of collision boxes in the same vacuum container. Fig. 1 makes it possible in a practical way to illustrate with a special case the above considerations regarding the choice of the voltage V2 to which each collision box is brought, depending on the degree of isotope separation one wishes to achieve. In the special example of Fig. 1, the case of two compounds with

nærliggende isotopsammensetning og svarende til spaltningsenergi-toppene henholdsvis 1 og 2, som er sentrert om spenningsverdiene henholdsvis V'2 og V"2 og delvis overlapper hverandre. Dette er f.eks. tilfellet når det gjelder separasjon av ioner av urantriodid nearby isotopic composition and corresponding to the fission energy peaks 1 and 2 respectively, which are centered on the voltage values V'2 and V"2 respectively and partially overlap each other. This is, for example, the case when it comes to the separation of uranium triiodide ions

2 35 2 38 2 35 2 38

med formel henholdsvis UI^ og UI3' Pa fig- 1 nar man me& vilje overdrevet flateinnholdet av toppen S, i forhold til toppen S2 for å gjøre tegningen tydeligere, men i virkeligheten står de to arealer i forhold til hverandre som de naturlige isotopiske komponenter. Det er til og med, når forholdet er meget lite, with formulas respectively UI^ and UI3' In Fig. 1, the area content of the peak S is deliberately exaggerated in relation to the peak S2 to make the drawing clearer, but in reality the two areas are in relation to each other as the natural isotopic components. It is even, when the ratio is very small,

under tiden mulig at man ikke gang tydelig skjeldner toppen for den ene av forbindelsene, idet den innskrenker seg til en mer eller mindre tydelig enkel uregelmessighet i isotopseparasjonskurven for den isotop som utgjør den største andel. meanwhile, it is possible that one does not even clearly distinguish the peak for one of the compounds, as it is reduced to a more or less clear simple irregularity in the isotope separation curve for the isotope that makes up the largest proportion.

Den verdi V av spenningen som man virkelig velger for matning av kollisjonsboksene, er på tegningen avmerket ved den vertikale midtlinje 3, som sammen med toppene 1 og 2 begrenser arealene henholdsvis S, og S2. Isotopforholdet mellom forbindelsene i den blanding som tilbakeholdes i de forskjellige kollisjonsbokser, The value V of the voltage that is really chosen for feeding the collision boxes is marked on the drawing by the vertical center line 3, which together with the peaks 1 and 2 limit the areas S and S2 respectively. The isotopic ratio between the compounds in the mixture retained in the different crash boxes,

er lik forholdet mellom de to arealer S. og S2 som tilsvarer hver sin av de to isotoper som skal separeres. Det er dermed lett å se at man alt etter den valgte plasering av linjen 3, altså i virkeligheten verdien av kan få enten den første isotop i ren tilstand eller en blanding av disse to isotoper i bestemte mengdeforhold. Det sier seg for øvrig selv at man ikke har noen interesse av å gi V2 en verdi høyere enn den verdi V'"2, ovenfor hvilken man ville oppfange begge isotopene i boksene, m.a.o. til slutt ville få igjen den opprinnelige isotopsammensetning. is equal to the ratio between the two areas S. and S2 which correspond to each of the two isotopes to be separated. It is thus easy to see that, depending on the chosen placement of line 3, i.e. in reality the value of can get either the first isotope in its pure state or a mixture of these two isotopes in certain quantitative ratios. It also goes without saying that one has no interest in giving V2 a value higher than the value V'"2, above which one would capture both isotopes in the boxes, i.e. eventually regain the original isotopic composition.

Fagfolk vil lett kunne utvide den betraktning som er anført om fig. 1, til det generelle tilfelle at energitoppene av de forskjellige masser foreligger i antall større enn to og eventuelt referer seg til flere kjemiske forbindelser av ett og samme element som foreligger i form av flere isotoper. I virkeligheten er det nok å ta i betraktning at de samlede masser som tilbakeholdes i hver boks, har en kjemisk natur og en andel i den samlede blanding representert ved tilstedeværelsen av de forskjellige spaltnings-topper såvel som summen av flateinnholdene av disse forskjellige topper til venstre for linjen 3 på fig. 1. I hvert spesielt tilfelle vil en fagmann som har studert spaltningsskjemaet og bestemt diagrammet for separasjonstoppene, kunne velge abscissen V2 for linjen 3, altså potensialet av kollisjonsboksene,i avhengighet av det søkte resultat. Those skilled in the art will easily be able to extend the consideration given about fig. 1, to the general case that the energy peaks of the different masses exist in numbers greater than two and possibly refer to several chemical compounds of one and the same element that exist in the form of several isotopes. In reality, it is enough to consider that the total masses retained in each box have a chemical nature and a proportion in the overall mixture represented by the presence of the different splitting peaks as well as the sum of the surface contents of these different peaks to the left for line 3 in fig. 1. In each particular case, a person skilled in the art who has studied the cleavage diagram and determined the diagram of the separation peaks will be able to choose the abscissa V2 for line 3, i.e. the potential of the collision boxes, depending on the sought result.

Under henvisning til fig. 2 vil der nå bli gitt en mer detaljert beskrivelse av et apparat som er utført i samsvar med oppfinnelsen og benyttes ved utførelsen av fremgangsmåten. Apparatet omfatter vesentlig, montert på et fundament 4, en rørformet omslutning 5 som ved sin ene ende er tett tilsluttet en ionekilde 6 og ved sin annen ende er tett lukket med et avtagbart deksel 7. Denne rørformede omslutning 5 har en vid sideåpning 8 som gjør det mulig å sette den i forbindelse med et sekundært vakuumpumpesystem som omfatter en første, primær vakuumpumpe 9 supplert med en annen, sekundær vakuumpumpe 10. De to pumper 9 og 10, som er antydet skjematisk på figuren, gjør det mulig å vedlikeholde et vakuum av størrelsesorden 10 ^ torr i omslutningen 5. With reference to fig. 2, a more detailed description will now be given of an apparatus which is made in accordance with the invention and is used in carrying out the method. The apparatus essentially comprises, mounted on a foundation 4, a tubular enclosure 5 which at one end is tightly connected to an ion source 6 and at its other end is tightly closed with a removable cover 7. This tubular enclosure 5 has a wide side opening 8 which makes it is possible to connect it to a secondary vacuum pump system comprising a first, primary vacuum pump 9 supplemented by another, secondary vacuum pump 10. The two pumps 9 and 10, which are indicated schematically in the figure, make it possible to maintain a vacuum of order of magnitude 10 ^ torr in the enclosure 5.

I denne rørformede omslutning 5 er der i samsvar med oppfinnelsen avtagbart og glidbart anbragt en sylindrisk foring 11 hvori de forskjellige kollisjonsbokser 12, 13, 14, 15, 16 med flere er fastgjort aksialt på linje. Disse forskjellige kollisjonsbokser er metalliske og holdes på samme potensial V» via en elektrisk leder som mater dem parallelt. Videre blir disse kollisjonsbokser 12-16 likeledes matet i parallellkobling fra en rørledning 18 med en nøytral gass, f.eks. argon eller helium, under et lavt trykk av størrelsesorden 10 torr. Sluttelig er der mellom de enkelte på hinannen følgende bokser 12-16 montert en og en elektrostatisk avbøyningselektrode, hvorav fem ses på tegningen og er betegnet med henholdsvis 19, 20, 21, 22 og 23. Disse avbøyningselektroder er som forklart ovenfor bestemt til å avbøye de isotopforbindelser med masse m som ikke innfanges i kollisjonsboksene, mot den sylindriske foring 11, som de kondenserer seg på. Til dette formål er, som allerede forklart ovenfor, en meget liten elektrisk spenning tilstrekkelig, siden disse sekundære ioner ifølge forutsetningene går ut med en kinetisk energi som er meget liten eller nær null, In this tubular enclosure 5, in accordance with the invention, a cylindrical liner 11 is removable and slidably arranged in which the various collision boxes 12, 13, 14, 15, 16 and more are fixed axially in line. These different collision boxes are metallic and are held at the same potential V» via an electrical conductor which feeds them in parallel. Furthermore, these collision boxes 12-16 are likewise fed in parallel connection from a pipeline 18 with a neutral gas, e.g. argon or helium, under a low pressure of the order of 10 torr. Finally, between the individual boxes 12-16 following each other, one electrostatic deflection electrode is mounted, five of which can be seen in the drawing and are denoted by 19, 20, 21, 22 and 23 respectively. As explained above, these deflection electrodes are intended to deflect the isotopic compounds with mass m that are not captured in the collision boxes, against the cylindrical liner 11, on which they condense. For this purpose, as already explained above, a very small electric voltage is sufficient, since these secondary ions, according to the assumptions, exit with a kinetic energy that is very small or close to zero,

og det således er mulig å skille dem fra hovedstrømmen av ioner uten at denne derved blir påtagelig forstyrret. and it is thus possible to separate them from the main flow of ions without this being noticeably disturbed thereby.

I visse tilfeller er det av interesse å bedre utbyttet av kondensasjonen av de innfangede sekundære ioner, som på grunn av utilstrekkelig retardasjon vil ha tilbøyelighet til å forlate kollisjonsboksene. Til dette formål kan man i henhold til oppfinnelsen anordne midler til oppsamling av sekundærioner mellom på hinannen følgende bokser. Som illustrerende eksempel kan disse midler bestå av en rekke gitre (i et antall lik antall isotoper som skal separeres) som holdes på litt positive potensialer (det In certain cases, it is of interest to improve the yield of the condensation of the captured secondary ions, which, due to insufficient retardation, will have a tendency to leave the collision boxes. For this purpose, according to the invention, means can be arranged for collecting secondary ions between successive boxes. As an illustrative example, these means can consist of a series of grids (in a number equal to the number of isotopes to be separated) which are held at slightly positive potentials (the

dreier seg om positive ioner) som tiltar i strømningsretningen, involves positive ions) which increase in the direction of flow,

noe som gjør det mulig nøyaktig å beherske retardasjonen av ionene som skal innfanges. Hver variant av sekundærioner kan da innfanges i en egen tilleggsinnretning, særlig en som frembringer et lokalt tversgående elektrisk felt, for å trekke ut ionene med liten energi sidelengs i forhold til ionesvermen. which makes it possible to precisely control the retardation of the ions to be captured. Each variant of secondary ions can then be captured in a separate additional device, in particular one that produces a local transverse electric field, to extract the ions with low energy laterally in relation to the ion swarm.

Fig. 2b viser i større målestokk detaljene ved en kollisjonsboks 12 utført med en mantelvegg 24 og to skrulokk 25 og 25 med sentral åpning 27 resp. 28 for gjennomstrømning av ionesvermen. Mantelen 24 bærer også et tilkoblingsøre 29<1> hvormed boksen kan holdes på det ønskede elektriske potensial , og en nippel 30' Fig. 2b shows on a larger scale the details of a collision box 12 made with a casing wall 24 and two screw lids 25 and 25 with a central opening 27 resp. 28 for flow of the ion swarm. The mantle 24 also carries a connection ear 29<1> with which the box can be held at the desired electrical potential, and a nipple 30'

som tilsluttes rørledningen 18 så det indre av boksen 12 kan holdes på lavt trykk av den nøytrale gass. Denne nøytrale gass unnviker dermed til stadighet gjennom åpningene 27 og 28 i hver kollisjonsboks ut i den omgivende omslutning 5, hvorfra den stadig suges ut av pumpene 9 og 10. which is connected to the pipeline 18 so that the interior of the box 12 can be kept at low pressure by the neutral gas. This neutral gas thus constantly escapes through the openings 27 and 28 in each collision box into the surrounding enclosure 5, from where it is constantly sucked out by the pumps 9 and 10.

På fig. 2b er der på utgangssiden av boksen 12 vist et prinsippskjerna for en innretning som i visse spesielle tilfeller er av interesse for å bedre kondensasjonen av sekundærioner i den utstrekning hvori disse, på grunn av utilstrekkelig retardasjon, måtte ha tendens til å forlate boksen. I dette øyemed setter avbøyningsorganet 19 seg sammen av to gitre 33 og 34 som holdes på retarderende potensialer, og mellom hvilke der ved kjente midler, som f.eks, elektrodeplater 35 vedlikeholdes tversgående elektriske felter og E 2 som sikrer sidelengs ekstraksjon av sekundærionene med liten energi. Disse felter med liten styrke er praktisk talt uten virkning på de ikke spaltede primærioner. In fig. 2b there is shown on the output side of the box 12 a principle core for a device which in certain special cases is of interest to improve the condensation of secondary ions to the extent that these, due to insufficient retardation, may tend to leave the box. To this end, the deflection member 19 is composed of two grids 33 and 34 which are held at retarding potentials, and between which transverse electric fields are maintained by known means, such as, for example, electrode plates 35 and E 2 which ensures lateral extraction of the secondary ions with small Energy. These low-strength fields have practically no effect on the uncleaved primary ions.

Det er likeledes, når det viser seg nødvendig, mulig å kjøle veggene av hvert av kamrene 12-16 for å bevirke kondensasjonen av det gassformede materiale som tilsvarer de dannede sekundære ioner som tilbakeholdes i det indre av hver kollisjonsboks. Slike kretser, som lett lar seg realisere, er for enkelhets skyld ikke vist på fig. 2. It is likewise possible, when necessary, to cool the walls of each of the chambers 12-16 to effect the condensation of the gaseous material corresponding to the formed secondary ions retained in the interior of each collision box. Such circuits, which can easily be realized, are not shown in fig. for the sake of simplicity. 2.

For å gi en forestilling om de mulige størrelsesordener av To give an idea of the possible orders of magnitude of

et anlegg som beskrevet under henvisning til fig. 2, så benytter man ofte et system av 10 kollisjonsbokser, hver med en diameter av 3 cm og en lengde av 6-12 cm. Mellom på hinannen følgende bokser levnes et mellomrom på 2 cm, og den sylindriske foring 11 har en diameter av 15 cm. a plant as described with reference to fig. 2, a system of 10 collision boxes is often used, each with a diameter of 3 cm and a length of 6-12 cm. A space of 2 cm is left between successive boxes, and the cylindrical liner 11 has a diameter of 15 cm.

Når apparatet har vært i drift i tilstrekkelig tid til ved kondensasjon i hver kollisjonsboks å frembringe de forlangte mengder av den rene eller anrikede isotopiske forbindelse, behøver man bare å fjerne den avtagbare sylindriske foring 11 fra den rørformede omslutning 5 ved rett og slett å trekke ut, og deretter å avta det oppnådde materiale direkte fra innerveggene av hver kollisjonsboks. Det skal bemerkes at apparatet likeledes gjør det mulig å gjenvinne den del av massen som tilsvarer de sekundærioner som ikke er innfanget i boksene, og som i prosessens løp avsetter seg på de kalde innervegger av den avtagbare sylindriske foring 11. When the apparatus has been in operation for a sufficient time to produce by condensation in each collision box the required quantities of the pure or enriched isotopic compound, it is only necessary to remove the removable cylindrical liner 11 from the tubular enclosure 5 by simply pulling out , and then to remove the obtained material directly from the inner walls of each collision box. It should be noted that the apparatus also makes it possible to recover the part of the mass corresponding to the secondary ions which are not captured in the boxes, and which in the course of the process are deposited on the cold inner walls of the removable cylindrical liner 11.

Fig. 3 viser innenfor en sylindrisk omslutning 29 sammensatt av to halvskåler 29a og 29b, et sett av tolv separasjonssystemer 30 som holdes på plass av metalliske strevere 31. Denne anordning gjør det mulig å få plass til et apparat med flere systemer på optimal måte på minst mulig volum. De to halvskåler 29a og 29b kan åpnes ved svingning om et hengsel 32 for tømningsoperasjonene. Fig. 3 shows within a cylindrical enclosure 29 composed of two half bowls 29a and 29b, a set of twelve separation systems 30 which are held in place by metallic struts 31. This device makes it possible to accommodate an apparatus with several systems in an optimal way minimum possible volume. The two half bowls 29a and 29b can be opened by swinging about a hinge 32 for the emptying operations.

Som eksempel kan man benytte det beskrevne apparat for å separere isotopene av uran ut fra urantetrajodid med formel UI^ ved å gjøre bruk av de to følgende spaltningsskjemaer, som i det hyppigste tilfelle viser seg å opptre samtidig: As an example, the described apparatus can be used to separate the isotopes of uranium from uranium tetraiodide with the formula UI^ by making use of the two following splitting schemes, which in the most frequent case appear to occur simultaneously:

med utbytter på henholdsvis 8,3 og 1,2% av dannede sekundærioner UI^ og UI2, regnet i forhold til primærionene UI4. Under disse forhold benyttes en kilde for primærioner UI^ til å skaffe den sverm som strømmer gjennom de forskjellige kollisjonsbokser, som er fylt med en inert gass som argon eller helium. Sekundærionene Ul* opptrer da i to forskjellige former, nemlig som 235 U*~3 H 0<3 238UI3~3 som svarer tu spaltningsforhold m/M med verdier av henholdsvis with yields of 8.3 and 1.2% respectively of formed secondary ions UI^ and UI2, calculated in relation to the primary ions UI4. Under these conditions, a source of primary ions UI^ is used to provide the swarm that flows through the various collision boxes, which are filled with an inert gas such as argon or helium. The secondary ions Ul* then appear in two different forms, namely as 235 U*~3 H 0<3 238UI3~3 which correspond to tu splitting ratios m/M with values of respectively

For å gjennomføre separasjonen av disse to ioner ved preferert innfangning av ionene 2 35 UI+3 i de forskjellige kollisjonsbokser er det tilstrekkelig å påtrykke hver boks en spenning beliggende mellom de to beregnede verdier V'2 og V"2 som er gitt ved følgende formler: In order to carry out the separation of these two ions by preferential capture of the ions 2 35 UI+3 in the various collision boxes, it is sufficient to apply to each box a voltage located between the two calculated values V'2 and V"2 which are given by the following formulas :

noe som i virkeligheten vil si en spenning mellom -4,8503 V, og which in reality means a voltage between -4.8503 V, and

-4,8740 V.. , hvorav den første svarer til toppen av spissen for -4.8740 V.. , the first of which corresponds to the top of the tip of the

235 235

forbindelsen UI^ og den annen til toppen av spissen for forbindelsen ^<**>UIg. the compound UI^ and the other to the top of the tip of the compound ^<**>UIg.

Hvis spaltningen og de parasittiske fenomer ikke er for If the splitting and the parasitic phenomena are not for

sterke, blir energitoppene fullstendig adskilt, men i de fleste tilfeller kan der på grunn av spaltningsenergien forekomme overlagring av de to topper. Avhengig av den anrikningsgrad man ønsker, strong, the energy peaks are completely separated, but in most cases, due to the splitting energy, superposition of the two peaks can occur. Depending on the level of enrichment desired,

velger man som spenning på boksen B2 en verdi mellom de to verdier V 2 og V" . a value between the two values V 2 and V" is chosen as the voltage on box B2.

Velger man V^ = 2000 volt, lar man således spenningen V2 variere mellom -9700 volt og -9748 volt. Man vet at det med kjennskap til spaltningsforholdene er mulig å fastlegge spenningen V2 på empirisk vei for å oppnå en bestemt anrikningsgrad. If one chooses V^ = 2000 volts, the voltage V2 is thus allowed to vary between -9700 volts and -9748 volts. It is known that, with knowledge of the splitting conditions, it is possible to determine the voltage V2 empirically in order to achieve a certain degree of enrichment.

Benytter man 10 kollisjonsbokser i serie, vil den totale dekomposisjon av ionesvermen bli 1 - (1 - r)<10> = 1 - £l - (0,083 + 0,012).7<10> = 1 - (0,905)<10> = 1 - 0,369 = 0,631. If you use 10 collision boxes in series, the total decomposition of the ion swarm will be 1 - (1 - r)<10> = 1 - £l - (0.083 + 0.012).7<10> = 1 - (0.905)<10> = 1 - 0.369 = 0.631.

I virkeligheten har man under vanlige forsøksbetingelser In reality, one has under normal experimental conditions

funnet en ikke uanseelig andel av UI^ (nær 20% i svermen fra kilden), hvis spaltningsskjemaer er som følger: found a not inconsiderable proportion of UI^ (close to 20% in the swarm from the source), whose decomposition schemes are as follows:

Spaltningsutbyttet i forhold til den ionesverm som opprinnelig trer inn i hver kollisjonsboks, blir henholdsvis 0,7 og 0/3%. The fission yield in relation to the ion swarm that initially enters each collision box is 0.7 and 0/3% respectively.

Det blir derfor nødvendig å ta hensyn til disse parallelle spftltningsprosesser for å fastlegge spenningen V2« I det foreliggende tilfelle fører såvel erfaringen som undersøkelsen av energitoppene for Ul,, Ul* og Ul til at man velger V = - 9720 volt istedenfor f.eks. -9724 volt (verdi svarende til xv n 2 + V1"2 ) hvis man ønsker å oppnå en anrikning pa 3% i ett eneste tri 1nn. It is therefore necessary to take these parallel spftltning processes into account in order to determine the voltage V2« In the present case, experience as well as the examination of the energy peaks for Ul,, Ul* and Ul leads to choosing V = - 9720 volts instead of e.g. -9724 volts (value corresponding to xv n 2 + V1"2 ) if one wishes to achieve an enrichment of 3% in a single tri 1nn.

I dette utførelseseksempel kan man om nødvendig kjøle kollisjonsboksene til ca. 150°C for å bevirke kondensasjon av UI^ In this design example, if necessary, the collision boxes can be cooled to approx. 150°C to effect condensation of UI^

på veggene. on the walls.

Andre halogenforbindelser av uran egner seg likeledes godt Other halogen compounds of uranium are also suitable

for separasjon av isotopen 235 U ved fremgangsmåoten ifølge opp- for separation of the isotope 235 U by the procedure according to

finnelsen. F.eks. kan nevnes bromidene UBr., UBr,I og UBr,I„ såvel the invention. E.g. mention may be made of the bromides UBr., UBr,I and UBr,I„ as well

4 3 3 2 2 4 3 3 2 2

som kloridene UC14, UCl3Br og UC13I. such as the chlorides UC14, UCl3Br and UC13I.

I tilfellet av derivatene UBr4, UBr3I eller UC13I ytrer dannelsen av sekundærioner seg ved tapet av et Br-atom i det første tilfelle og ved tapet av et jod-atom i de to siste tilfeller, og de tilsvarende energitopper blir ofte komplekse. Under disse forhold bør man ved det nøyaktige valg av spenningen V» søke et optimum som et kompromiss mellom to stort sett motstridende ønsker, nemlig å oppnå en gitt, forholdsvis høy anrikningsgrad i et enkelt trinn eller ikke å miste for meget U2 35 i forbindelsene med større masse enn dem som tilbakeholdes i boksene. In the case of the derivatives UBr4, UBr3I or UC13I, the formation of secondary ions manifests itself by the loss of a Br atom in the first case and by the loss of an iodine atom in the last two cases, and the corresponding energy peaks often become complex. Under these conditions, the exact choice of the voltage V» should seek an optimum as a compromise between two largely conflicting desires, namely to achieve a given, relatively high degree of enrichment in a single step or not to lose too much U2 35 in the compounds with greater mass than those retained in the boxes.

I tilfellet av bromidet UBr4 svarer den benyttede spaltnings-prosess til skjemaet: In the case of the bromide UBr4, the cleavage process used corresponds to the form:

m. i»i m. i»i

for isotopen 238 av U, x, «= jj=- |^ =0,8589 for the isotope 238 of U, x, «= jj=- |^ =0.8589

for isotopen 235 av U, x = ^ 4^1= 0,8584i for the isotope 235 of U, x = ^ 4^1= 0.8584i

fly fly

Velger man V, = 2000 V, får man'" If you choose V, = 2000 V, you get'"

Velger man V» = -12 120 volt, viser studiet av energitoppene 235 If one chooses V» = -12 120 volts, the study of the energy peaks shows 235

at man anriker med 10% av U. Da sannsynligheten for tilstede-81 79 that one enriches with 10% of U. Then the probability of present-81 79

værelsen av forbindelsen U Br3 Br er 3/16 i isotopblandingen UBr4, blir den virkelige anrikning bare 3/16 x 10% = 1,875%. Hvis det endelige mål man tar sikte på, er å få en reell anrikning på 3%,.må der således to suksessive operasjoner til for å nå frem til den. the room of the compound U Br3 Br is 3/16 in the isotopic mixture UBr4, the real enrichment is only 3/16 x 10% = 1.875%. If the ultimate goal is to achieve a real enrichment of 3%, two successive operations are thus required to reach it.

I hvert spesielt tilfelle bestemmer bare det mål man tar sikte på, valget når det gjelder å benytte en, to eller flere operasjoner. In each particular case, only the goal that is aimed at determines the choice when it comes to using one, two or more operations.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte til separasjon av isotoper av et kjemisk element, karakterisert ved at der frembringes en sverm av positive eller negative primære ioner av minst en forbindelse av elementet, at denne ionesverm akselereres for å bringes til å passere et visst antall kollisjonsbokser som er fylt med en nøytral målgass under et trykk av størrelsesorden 10 _3 torr og er åpne i begge ender og anbragt i rekke etter hverandre, at der i hver av kollisjonsboksene ved uelastiske støt av de nevnte ioner mot molekylene av den nøytrale målgass som fyller boksene, suksessivt bevirkes dissosiasjon av en viss prosentandel av primærionene i minst to fragmenter hvorav det ene er et sekundært ion som opptrer i form av minst to forskjellige isotopvarianter når det gjelder elementet som skal separeres, og at det potensial som kollisjonsboksene bringes på, velges slik at den ene av de nevnte isotopvarianter blir preferert innfanget i de enkelte bokser for så å kondenseres i disse, hvorunder valget skjer ut fra på forhånd eksperimentelt innhentede informasjoner om beliggenheten og arealet av de forskjellige energitopper som tilsvarer hvert sitt av de i boksene dannede sekundærioner, under hensyntagen til at den kjemiske natur og andel av de sekundærioner som innfanges i hver boks, er bestemt ved tilstedeværelsen og arealet av disse topper eller deler av topper i området for spenninger med lavere absolutt verdi enn den som er valgt for spenningen V^.1. Method for the separation of isotopes of a chemical element, characterized in that a swarm of positive or negative primary ions of at least one compound of the element is produced, that this ion swarm is accelerated to be made to pass a certain number of collision boxes that are filled with a neutral target gas under a pressure of the order of 10 _3 torr and are open at both ends and placed in a row one after the other, so that dissociation is successively effected in each of the collision boxes by inelastic impacts of the aforementioned ions against the molecules of the neutral target gas filling the boxes of a certain percentage of the primary ions in at least two fragments, one of which is a secondary ion that appears in the form of at least two different isotopic variants in terms of the element to be separated, and that the potential to which the collision boxes are brought is chosen so that one of the mentioned isotopic variants are preferably captured in the individual boxes and then condensed in these, during which the selection takes place from previously experimentally obtained information about the location and area of the different energy peaks corresponding to each of the secondary ions formed in the boxes, taking into account that the chemical nature and proportion of the secondary ions captured in each box is determined by the presence and area of these peaks or parts of peaks in the range of voltages with a lower absolute value than that chosen for the voltage V^. 2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at der mellom på hinannen følgende bokser anbringes organer til oppfangning av sekundær ionene av hver isotopvariant, og hver slik variant således blir kondensert i en egen hjelpeinnretning.2. Method as stated in claim 1, characterized in that organs are placed between successive boxes for capturing the secondary ions of each isotopic variant, and each such variant is thus condensed in a separate auxiliary device. 3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at der fra de i hver kollisjonsboks innfallende primærioner med ladning e og masse M i hver boks tilbakeholdes i det minste en del av de dannede sekundærioner med masse m og ladning e, idet hver kollisjonsboks bringes på et potensial V2 med motsatt fortegn til ladningen e og med en absolutt verdi minst lik mV1/(M-m) på de avvik nær som skyldes fordelingen av ionenes dissosiasjonsverdier omkring denne verdi.3. Method as stated in claim 1, characterized in that from the primary ions of charge e and mass M falling into each collision box in each box, at least a part of the formed secondary ions of mass m and charge e is retained, as each collision box is brought on a potential V2 with the opposite sign to the charge e and with an absolute value at least equal to mV1/(M-m) on the deviations due to the distribution of the dissociation values of the ions around this value. 4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at der fra de med ladning e og masse dels M 1 dels innfallende primærioner som trenger inn i hver kollisjonsboks med energi eV^ og ved dissosiasjon frembringer et sekundært ion som har ladning e og foreligger i to isotopvarianter med masse henholdsvis og m2 (n^ ^ m2) ' i hver boks preferert innfanges i det minste en del av ionene med masse m^ ved at hver kollisjonsboks bringes på et potensial med fortegn motsatt ladningen e og med en absolutt verdi mellom på de avvik nær som skyldes fordelingen av ionenes dissosiasjonsenergier omkring disse to verdier.4. Method as stated in claim 1, characterized in that from there primary ions with charge e and mass M 1 partly incident which penetrate into each collision box with energy eV^ and upon dissociation produce a secondary ion which has charge e and exists in two isotopic variants with mass respectively and m2 (n^ ^ m2) ' in each box preferably at least a part of the ions with mass m^ is captured by bringing each collision box to a potential with sign opposite to the charge e and with an absolute value between on the near deviations due to the distribution of the ions' dissociation energies around these two values. 5. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karak- ..terisert ved at de ikke innfangede sekundærioner innfanges fra ionesvermen mellom på hinannen følgende bokser ved hjelp av et svakt elektrostatisk felt som praktisk talt er uten virkning på strømmen av primærioner.5. Method as stated in one of claims 1-4, characterized in that the uncaptured secondary ions are captured from the ion swarm between successive boxes by means of a weak electrostatic field which has practically no effect on the flow of primary ions. 6. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at kollisjonsboksene kjøles for å sikre innfangning av de tilbakeholdte ioner ved kondensasjon på veggene.6. Method as stated in one of claims 1-4, characterized in that the collision boxes are cooled to ensure capture of the retained ions by condensation on the walls. 7. Fremgangsmåte som angitt i et av kravene 1-4, karakterisert ved at målgassen er en edelgass bestående av argon og/eller helium.7. Method as stated in one of claims 1-4, characterized in that the target gas is a noble gas consisting of argon and/or helium. 8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 til separasjon av uran-isotopene 238 og 235, karakterisert ved at en sverm av ioner av uranjodid UI<+>4 bringes til å gjennomstrømme et visst antall kollisjonsbokser fylt med argon under lavt trykk, idet man utnytter spaltningsreaks jonen Ul 4 «m^UI 3 + I og velger potensialet V„ av hver av kollisjonsboksene slik at i det o 235 + .„ minste en del av de således produserte ioner yl ikke far tilstrekkelig kinetisk energi til å forlate den respektive boks hvori de dannes.8. Method as stated in claim 1 for the separation of the uranium isotopes 238 and 235, characterized in that a swarm of ions of uranium iodide UI<+>4 is caused to flow through a certain number of collision boxes filled with argon under low pressure, using the splitting reaction Ul 4 «m^UI 3 + I and choosing the potential V„ of each of the collision boxes so that in o 235 + .„ at least a part of the ions thus produced yl do not have sufficient kinetic energy to leave the respective box in which they are formed. 9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 til separasjon av uran-isotopene 238 og 235, karakterisert ved at man lar en sverm av uranjodid-ioner UI<+>4 gjennomstrømme et visst antall kollisjonsbokser fylt med argon under lavt trykk, idet man utnytter spaltningsreaksjonen Ul . ui"% + I og regulerer graden av anrikning av de innfangede ioner med 2 35U i hver boks ved å velge V„ med en verdi beliggende mellom de energitopper som 235+ 218 + svarer til innfangning av henholdsvis Ul 3 og Ul ^.9. Method as stated in claim 1 for the separation of the uranium isotopes 238 and 235, characterized by allowing a swarm of uranium iodide ions UI<+>4 to flow through a certain number of collision boxes filled with argon under low pressure, utilizing the fission reaction Ul. ui"% + I and regulates the degree of enrichment of the captured ions with 2 35U in each box by choosing V„ with a value situated between the energy peaks which 235+ 218 + correspond to the capture of Ul 3 and Ul ^ respectively. 10. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,til separasjon av uran-isotopene 238 og 235, karakterisert ved at der som primærioner anvendes halogenforbindelser av uran valgt blant bromidene UBr4, UBr3I, UBr2I2 og kloridene UC14 og UCl3Br.10. Method as stated in claim 1, for separation of the uranium isotopes 238 and 235, characterized in that halogen compounds of uranium selected from among the bromides UBr4, UBr3I, UBr2I2 and the chlorides UC14 and UCl3Br are used as primary ions. 11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at man utnytter spaltningsreaksjonen 235U 81Br3 79Br<+>^# <2>35U 81Br3 + 7<9> Br.11. Method as stated in claim 10, characterized in that one utilizes the cleavage reaction 235U 81Br3 79Br<+>^# <2>35U 81Br3 + 7<9> Br. 12. Apparat til utførelse av en fremgangsmåte til separasjon av isotoper av et kjemisk element som angitt i et av kravene 1-5, karakterisert ved at det omfatter innenfor et sylindrisk hylster (11) et system av metalliske kollisjonsbokser (12-16) som er rettet inn langs en felles akse og hver har en inngangsåpning (27) og en utgangsåpning (28) for en sverm av positive eller negative ioner av minst en kjemisk forbindelse av elementet, anordninger (18, 30') til å mate de enkelte bokser i parallellkobling med en nøytral _3 gass under et trykk av størrelsesorden 10 torr, anordninger (17, 29') til å bringe boksene i parallellkobling på et felles elektrisk potensial V2, anordninger til å kjøle boksene samt en og en avbøyningselektrode (19-23) mellom på hinannen følgende bokser, at det nevnte hylster (11) er montert forskyvbart ved glidning i en fast rørformet omslutning (5) som ved sin ene ende er tilsluttet en ionekilde (6) hvis akse faller sammen med kollisjonsboksenes (12-16) felles akse, og ved sin annen ende er lukket med et tett, avtagbart deksel (7), og at denne rørformede omslutning (5) via en vid sideåpning (8) kommuni-serer med et sekundært vakuumpumpesystem (9, 10).12. Apparatus for carrying out a method for separating isotopes of a chemical element as stated in one of claims 1-5, characterized in that it comprises within a cylindrical casing (11) a system of metallic collision boxes (12-16) which are aligned along a common axis and each having an entrance opening (27) and an exit opening (28) for a swarm of positive or negative ions of at least one chemical compound of the element, means (18, 30') for feeding the individual boxes in parallel connection with a neutral _3 gas under a pressure of the order of 10 torr, devices (17, 29') to bring the cans into parallel connection at a common electric potential V2, devices to cool the cans and one deflection electrode (19-23) between successive cans, that said sleeve (11) is mounted displaceably by sliding in a fixed tubular enclosure (5) which is connected at one end to an ion source (6) whose axis coincides with the common axis of the collision boxes (12-16), and at its other end is closed with a tight, removable cover (7), and that this tubular enclosure (5) communicates via a wide side opening (8) with a secondary vacuum pump system (9, 10).