SE435457B - Forfarande for separering av uranisotoper i uranhexafluorid - Google Patents

Description

7901877-6 10 15 20 25 30 35 40 medelst en IR-laser på isotopiskt selektivt sätt svängnings- inciterade föreningarna förenas med termiska elektroner för att bilda negativa joner, vilka sönderfaller till ett ur isotop- blandningen avskiljbart jonbrottstycke. Emellertid är det ur litteraturen känt ( J.L. Beauchamp Journ. Chem. Phys. Nr. 64 (1976) 7l8), att bildningen av stabila negativa UF6-joner endast sker under inverkan av extremt långsamma elektroner och med mycket litet verkningstvärsnitt. Genereringen av dylika långsamma elektroner är tekniskt mycket besvärlig och på grund av rumsladdningseffekter begränsad till strömmar på några pA/cmz. Dessutom uppträder vid sidan om den önskade reaktionen ett icke önskat sönderfall av UF6 till UFG + e".

Föreliggande uppfinning har till uppgift att vid ett förfarande av det inledningsvis beskrivna slaget öka joniseringssannolik- heten hos de genom laserstrålarna till ett isotopspecifikt för- ändrat svängningstillstånd överförda molekylerna samt att underlätta resp. förenkla det därefter följande separeringsför- loppet.

För att lösa denna uppgift föreslås den i patentkravets l kännetecknande del beskrivna åtgärden. Underkraven utgör för- delaktiga utföringsformer och vidareutvecklingar av förfarandet enligt uppfinningen.

Förfarandet enligt uppfinningen möjliggör att på relativt enkelt sätt, t.ex. medelst en elektronstrâle eller en lâgtrycks- gasurladdning bringa molekylerna i kontakt med elektroner ovanför den erforderliga joniseringsenerginivån. För UF6- molekyler måste i motsvarighet till den erforderliga joniserings- energin elektronenergin inställas på mer än 14 e V för att positiva joner såsom UF +, UF J", UF J", vrf, UFJ, UF* och u+ samt uF5++, uF4++, uF3+ , ur2â+, uF$+ och U++ skall bildas.

Ett utföringsexempel av uppfinningen förklaras närmare nedan i anslutning till bifogade ritningar. Därvid visar fig. 1 ett diagram, som visar den relativa joniserings- 7 sannolikheten rel.Ion för molekylen UF6 i relation till den absoluta temperaturen T(K), fig. 2 schematiskt en anordning för utövande av förfarandet enligt uppfinningen. l0 15 20 30 35 40 7901877-6 Det har visat sig att totalverkningstvärsnittet för jonbildning är beroende av svängningstillstândet och därmed av UF6-molekylens temperatur. I fig. 1 visas det relativa jonisationstvärsnittet som funktion av temperaturen, sådan den konstaterats i en genom adiabatisk expansion avkyld UF6-gasstrâle. Jonisationstvärsnittet förblir till en början konstant vid avsvalningen och avtager sedan mycket snabbt under T = 500 K med fallande temperatur.

Eftersom tvärsnittet i svängningsgrundtillståndet är väsentligt mindre än i de inciterade (tyska:angeregten) nivåerna, återspeg- lar detta förlopp grundtillståndets beläggning (tyzßesetzung).

I den avkylda gasstrålen minskas således genom selektiv inci- tering genom bestrålning med smalbandigt laserljus, såsom det t.ex. beskrives i den tyska patentansökan 28 08 955.6, grund- tillståndets beläggning för molekyler av en bestämd isotopisk sammansättning. Detta innebär en ökning av jonisationstvär- snittet. vid bombardering med energi som ligger över l4 ev bildas således joner av ifrågavarande inciterade isotopsort med avsevärt större sannolikhet än joner av den icke inciterade isotopsorten.

I fig. 2 visas schematiskt en anordning, vid vilken tillämpas förfarandet för uranisotopseparering. Genom ett munstycke l får en blandning av UF6 och en bärgas, t.ex helium, expandera till en zon med lägre tryck. I den därvid bildade gasstrålen 2 svalnar UF6-gasen så mycket, att i det närmaste alla molekyler föreligger i svängningsgrundtillstånd. I och med detta förelig- ger förutsättningarna för isotopselektiv incitering av molekyl- svängningar. Denna incitering sker genom laserstrålen 3. På fördelaktigt sätt är lasern avstämd på Q-gren-absorptionslinjen för den den intressanta isotopen innehållande molekylen 235UF Efter laserinciteringszonen passerar gasstrålen en joniseringg- zon 4. Här bombarderas den med elektroner som emitteras från en katod 5 och fram till anodgallret 6 accelereras till energier på mer än 14 eV. De bildade positiva jonerna avlänkas med ett mellan plattor 7 och 8 påfört elektriskt fält i rät vinkel mot strâlningsriktningen och träffar en kyld negativ elektrod 8.

Där neutraliseras de och kondenserar i form av UF6, UF5, eller 'UF . Efter det att en tillräcklig mängd anrikat material avskilts, 4 avbrytes separeringsprocessen och den på elektroden 8 bildade 7901877-6 10 15 20 25 30 35 40 utfällningen omvandlas genom uppvärmning och fluorering åter till UF6. Denna gas kan därefter i förekommande fall ännu en gång underkastas separeringprocessen.

Jämfört med kända metoder för separering av selektivt inciterade molekyler erbjuder detta förfarande avgörande fördelar: a) Eftersom vid UF6 verkningstvärsnittet för jonisation i grundtillståndet är mer än faktorn 10 mindre än i enkelt inciterat svängningstillstånd, räcker redan en absorption av ett eller ett fåtal infraröttkvanta för att kraftigt öka jonutbytet. Förfarandet kräver därför endast relativt svaga laseraggregat (wattområde) och utnyttjar mycket effektivt de alstrade fotonerna. b) De för jonisation erforderliga elektronerna kan i till- räcklig omfattning alstras utan större tekniska problem och med ringa energibehov. c) Det föreligger endast i mycket ringa omfattning processer, som åter upphäver jonselektiviteten vid jonbildningen. 235 + UF6 och Detta utbyte är resonant och En sådan effekt är laddningsutbytet mellan jonen den neutrala molekylen 238UF6. således stort verkningstvärsnitt. UF6+-jonen bildas emellertid endast i mycket ringa utsträckning vid elektronkollisionen. Mer än 95% av jonerna föreligger såsom fragment UFn+ (n = 0 - 5).

Laddningsutbytet mellan dessa fragment och neutrala UF6- molekyler är icke resonant och har således endast litet verk- ningstvärsnitt.

Eftersom gasstrålen förutom UF6 även innehåller en bärgas (t.ex. helium), bildas vid avpassad elektronenergi även joner av bärgasen. Även mellan dessa joner och neutrala UF6-molekyler kan ske ett laddningsutbyte, som leder till icke specifik bildning av UF6-joner. Detta kan förhindras om elektronenergin väljes så, att den visserligen räcker till för att jonisera UF6 molekyler. Vid exemplet med UF6-helium-blandning innebär detta -molekyler men inte för att jonisera bärgasens atomer eller att elektronenergin skall ligga inom ett område mellan 14 eV och 25 eV.

Slutligen kan även genom kollision med joner bildas ytterligare 10 15 20 25 '7901877-6 joner, om de primära jonerna i det elektriska fältet mellan plattorna 7 och 8 accelereras till mer än 14 ev. För jonernas avlänkning ur gasstrålen räcker emellertid redan en spänning på mindre än 14 V, varför denna process kan undvikas.

Jonernas avlänkning ur gasstrålen kan även ske genom ett i rät vinkel mot strålen förlöpande magnetiskt fält. Vidare kan joni- seringen ske genom lågtrycksurladdning, som matas med högspänning eller mikrovâgor.

Det beskrivna förfarandet medger att genomföra uranisotopsepa- reringen på speciellt enkelt och effektivt sätt. Jämfört med hittills tekniskt tillämpade metoder uppvisar det fördelen, att en för en lättvattenreaktorbränsle tillräcklig anrikning kan uppnås i ett steg. Eftersom endast en relativt liten laser och en enkel elektronkälla erfordras, kan en dylik anläggning byggas med relativt ringa kostnader. Energibehovet är mindre än vid alla kända förfaranden och bestämmes i huvudsak genom det kom- pressionsarbete, som måste uträttas för den adiabatiska expan- sionen.

Eftersom vid samtliga molekyler med kulsymmetri totaljoniserings- tvärsnittet är speciellt starkt beroende av svängningstill- ståndet, låter sig detta förfarande med fördel även användas för separering av talrika andra element, exempelvis av hexa- fluorider av elementen svavel, selen, tellur, volfram, molybden och plutonium.

Claims (7)

'7901877-6 10 15 20 25 30 PATENTKRAV

1. Förfarande för separering av uranisotoper i uran- hexafluorid, vars molekyler befinner sig i gasformigt aggregattillstånd, k ä n n e t e c k n a d genom en kombination av följande steg: a) blandning av uranhexafluoriden med en inert tillsatsgas, b) nedkylning av den erhållna blandningen genom adiabatisk expansion till en temperatur under 500 K, c) incitering av uranhexafluoridmolekylerna med laserstrålar med en frekvens som är selektiv för en i förväg vald uranisotop, d) behandling av nämnda uranhexafluoridmolekyler med elektroner med en energi över 14 eV, varvid posi- tiva joner bildas genom elektronbombardemang och e) separering av nämnda joniserade uranhexafluo- ridmolekyler från de icke joniserade molekylerna.

2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att laserstrâlarnas frekvens svarar mot Q-absorptionslinjen av 235UF6-molekylen som innehåller nämnda valda isotop.

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att bildade positiva joner är av typen UFn+, varvid n är ett heltal mellan 0 och 6 samt UFm++, varvid m är ett heltal mellan 0 och 5.

4. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att arbetsmomentet att separera nämnda joniserade uranhexafluoridmolekyler från de andra icke joniserade molekylerna i den gasformiga blandningen ut- föres genom användning av ett elektriskt fält.

5. Förfarande enligt något av föregående krav, k ä n n e t exc k n a t därav, att arbetssteget att behandla de gasformade uranhexafluoridmolekylerna med elektroner utföres genom att de gasformade molekylerna penetreras av en elektronstråle. 7901877-6

6. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att den inerta tillsatta gasen utgöres av helium.

7. Förfarande enligt något eller några av föregå- ende krav, k ä n n e t e c k n a t därav, att nämn- da uranhexafluorid behandlas med elektroner som har en elektronenergi i storleksordningen 14 - 25 eV.