DE2458563A1

DE2458563A1 - Verfahren zur isotopentrennung mittels laser

Info

Publication number: DE2458563A1
Application number: DE19742458563
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Englisch; Karl Prof Dipl Phys Dr Guers; Heinz Leonhard Dipl Phy Jetter
Original assignee: Uranit GmbH; Uranit Uran Isotopen Trennungs GmbH
Current assignee: Uranit GmbH
Priority date: 1974-12-11
Filing date: 1974-12-11
Publication date: 1976-06-16
Also published as: GB1524538A; FR2293967A1; NL185395C; US4025790A; JPS5185098A; FR2293967B1; CA1044640A; BR7508190A; AU8720975A; JPS5518541B2; AU499893B2; NL7513720A

Description

388-26 / KDB/URE 3_O Dezember 1974

BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt/Main

Verfahren zur Isotopentrennung mittels Laser

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung verschiedener Isotope eines Atoms, bei dem aus Molekülen der betreffenden Atomsorte ein Molekülgas gebildet wird und bei dem die Moleküle dieses reinen oder mit einem Zusatzgas vermischten Molekülgases mit Hilfe eines Lasers selektiv angeregt werden; anschließend werden die angeregten Moleküle physikalisch oder chemisch abgetrennte

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co 2 —

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Es ist zwar schon bekannt, daß eine Isoxopentrennung durch selektive Anregung mit Laserlicht erreicht werden kann, doch wurde ein Verfahren auf Basis dieser Erkenntnis bisher noch nicht großtechnisch verwirklichte Bei den bisher tatsächlich genutzten Trennverfahren (Diffusion, Zentrifuge) beruht der Trennvorgang direkt auf dem kleinen Massenunterschied zwischen den verschiedenen Isotopen,, Da dieser Massenunterschied sehr gering ist, muß die Anreicherung in zahlreichen Schritten erfolgen, um eine für die Anwendung ausreichende Konzentration des betreffenen Isotops zu erzielen«, So sind z_oB„ bei der Urananreicherung nach dem Diffusionsverfahren über 1000 Stufen erforderlich, um das als Kern-

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brennstoff geeignete Isotop U von der natürlichen Konzentration, die etwa 0,7 % beträgt, auf die im Reaktor erforderliche Konzentration von 3 % anzureichern»

Demgegenüber bietet die Isotopentrennung durch selektive Anregung mittels Laser die Möglichkeit, eine ausreichende Anreicherung schon in einem oder in wenigen Schritten zu erreichen ο Im Prinzip kann man dabei zur Isotopentrennung von den Atomen des betreffenden Elementes oder von aus diesen Atomen hergestellten Molekülen ausgehen; nach der selektiven Anregung kann man die angeregten Atome oder Moleküle von den nicht angeregten mit verschiedenartigen physikalischen oder chemischen Verfahren trennen_o

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ORIGINAL INSPECTED

Zur Isotopentrennung mit Hilfe von Lasern wurde auch schon vorgeschlagen (US=PS 3 443 087^ Jo Robieux, J₀Mo Auclair), in einer beispielsweise mit UF-»Gas gefüllten Vakuumkammer

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die Moleküle U mit dem Laserlicht selektiv anzuregen, diese Moleküle dann durch Einstrahlung von UV-Licht zu ionisieren und danach die ionisierten Moleküle durch elektrische oder magnetische Felder aus dem Gas herauszulenken«, Hierbei ergibt sich jedoch die Schwierigkeit, daßi für den ersten Schritt der selektiven Anregung eine vergleichsweise sehr kleine Energie von nur 0,06 eV bis 0_?2 eV benötigt wird und daß die für den zweiten Schritt erforderliche lonisierungsenergie keinen scharf definierten Wert besitzt_o Dies erklärt sich aus dem Umstand, daß die zugeführte Energie nicht nur für die Ionisierung verbraucht wird, sondern sich auf viele Freiheitsgrade des Mpleküls verteilt und zudem noch eine Dissoziation bewirken kann_o Durch Einstrahlung von monochromatischem UV-Licht werden daher auch bei günstiger Wahl der Wellenlänge nicht nur die angeregten, sondern in beträchtlichem Ausmaß auch die nicht angeregten Moleküle der anderen Isotopensorte ionisierte Um diese Schwierigkeiten zu mindern, muß man die Anregung in mehreren Stufen ausführen, was jedoch mit großen Verlusten an Läserenergie und entsprechend mit einem großen apparativen Aufwand verbunden ist_o

Nach einem anderen bekannten Isotopentrennverfahren durch selektive Anregung mittels Laser (DT-OS 1 959 767, K₀ Gürs)

ORIGINAL INSPECTED

werden die Moleküle, Z₀B₀ UF_fi, im öereieh der Rotations-= Schwingungs-Zustände isotopenspezifisch angeregt und dann in einem geeigneten Reaktionsgemisch chemisch umgesetzt_o Infolge der Anregung reduziert sich die für die chemische Reaktion erforderliche Aktivierungsenergie, und die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht sich unter bestimmten Voraus-Setzungen um den Boltzmannfaktor e , wobei δ Ε zugeführte Quantenenergie darstellt= Für Quanten des COg-Lasers hat der Boltzmannfaktor bei Zimmertemperatur (T=300 K) einen Wert von 100_β

Beide vorgenannten Verfahren der Isotopentrennung mittels Laser erfordern als ersten Schritt eine selektive Anregung der Moleküle» Diese ist wegen der großen Breite der Rotations-Schwingungs-Banden relativ zur Isotopenverschiebung nur möglich, wenn die Banden in die einzelnen Rotations-Schwingungs-Linien getrennt sind₀ Selbst bei kleinem Druck überlappen sich jedoch die Einzellinien je nach Temperatur und Wellenlänge mehr oder weniger stark, so daß gleichzeitig mit den Molekülen der gewünschten Isotopensorte stets auch andere Moleküle angeregt werden*, Dabei läßt sich die Temperatur nicht wesentlich unter die Zimmertemperatur senken, weil anderenfalls das UFg-Gas praktisch völlig ausfrieren würde und daher im technischen Verfahren keine ausreichende Gasmenge bei der Isotopentrennung umgesetzt werden könnte„

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Durch die nicht vollständige Trennung der Rotations-Schwingungs-Linien ist somit die Leistungsfähigkeit auch des zuletzt beschriebenen Verfahrens der Isotopentrennung das auf Selektiver Anregung der Moleküle und nachfolgender chemischer Reaktion der angeregten Moleküle beruht, begrenzt; der Trennfaktor ist reduzierte

Ferner wurde auch schon auf die Möglichkeit hingewiesen, bei der Isotopentrennung mit Laser von Uranatomen auszugehen (DT-OS 2 312 194, J_a Nebenzahl, M„ Levin und DT-OS 2 353 002, Ro Levy, G₀S₀ Jones)_o Nach diesen Vorschlägen wird eine mehrstufige Photoionisation von Uranatomen durchgeführte Hierzu wird Urandampf hergestellt und dieser mit einem abstimmbaren schmalbandigen Farbstofflaser und einer weiteren Lichtquelle bestrahlte Die Quantenenergie des Farbstofflasers und der zusätzlichen Lichtquelle sind geringer als die Ionisationsenergie des Uranatoms; jedoch ist ihre Summe größer als diese„ Die Wellenlänge des Färbstofflasers soll

235 nun so gewählt werden, daß nur das Isotop U angeregt wird_o Absorbiert ein solches angeregtes Atom ein Quant der zweiten Lichtquelle, so wird es dadurch ionisierte Da diese Ionisation isotopenspezifisch ist, kann die Trennung der Isotopen durch Ablenkung der Ionen in einem elektrischen oder magnetischen Feld erfolgen,, Aufgrund der geringeren Lebensdauer des im ersten Schritt angeregten Niveaus und der kleinen Übergangswahrscheinlichkeit in das Ionisationskontinuum ist die Quantenausbeute für die Photoionisation klein_o Da außerdem der

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.- 6 ·=■

Wirkungsgrad der benötigten Lichtquellen (Farbstofflaser und Hochdrucklampen) ebenfalls gering ist, läßt sich mit solchen Verfahren keine wesentliche Verringerung des Energiebedarfs gegenüber dem bereits technisch eingesetzten Gaszentrifugen-Verfahren erzielen_o Hinzu kommt der Nachteil, daß das Uran in der Dampfphase vorliegen mußo Die hierfür erforderlichen hohen Temperaturen von über 2300°C bereiten große technologische Schwierigkeiten_β Bisher ist kein Werkstoff bekannt, der bei diesen hohen Temperaturen chemisch resistent gegen Uranmetall ist»

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die beschriebenen Nachteile bekannter Trennverfahren zu beseitigen und die potentiellen Möglichkeiten, die in der Isotopentrennung mit Hilfe von Laserlicht liegen, voll auszuschöpfen« Insbesondere sollten die mit den herkömmlichen Verfahren verbundenen Trennkosten erheblich reduziert werden=,

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe in überraschend einfacher Weise mit dem im beigefügten Anspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst werden kann_o Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mit dem Molekülgas ein durch adiabatische Expansion in einer Düse unterkühlter Gasstrahl erzeugt und die Anregung der Moleküle mit Hilfe des Lasers im Gasstrahl herbeigeführt« Dabei läßt sich die Temperatur so einstellen, daß sich eine für die selektive Anregung der Moleküle ausreichende Separation der Moleküllinien einer-

fiü9ö2b/UA90

seits und im Fall der chemischen Trennung ein genügend großer Unterschied in der Reaktionsgeschwindigkeit zwischen den angeregten und den nicht angeregten Molekülen andererseits ergibt ο Das erfindungsgemäße Verfahren ist unter anderem für die Trennung der Uranisotope U und U hervorragend geeignete

Nach einer vorteilhaften Ausführungsart der Erfindung werden die Randbereiche des unterkühlten Gasstrahls mit Hilfe von Blenden abgeschält, wodurch die Breite der Geschwindigkeitsverteilung und die Dopplerbreite der Absorptionslinien reduziert werden«,

Des weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Düse derart auszubilden und das Expansionsverhältnis derart zu wählen, daß sich in dem Gasstrahl eine möglichst niedrige Temperatur mit starker Abkühlung der inneren Freiheitsgrade (Rotation und Schwingung) ergibt, ohne daß jedoch eine störende Kondensation (Dimerenbildung) einsetzte

Erfindungsgemäß kann außerdem dem Molekülgas, wenn es sich ZoB. um UFg handelt, zum Erreichen einer stärkeren Abkühlung bei gleichzeitiger Unterdrückung der Kondensation (Dimerenbildung) ein Zusatzgas mit großem Adiabatenkoeffizienten ^ = CL/C ^zuS^ese*zt werden. Als Zusatzgas ist ein Edelgas besonders geeignet„

r> U 9 ö 2 b / U Λ 9 Cl

_ 8 =■

Eine noch vorteilhaftere Ausführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Absorptionsspektrum des Molekülgases unter Ausnutzung des Dopplereffektes durch Anpassung der Geschwindigkeit des Gasstrahls und durch Ausrichtung des Laserstrahls relativ zu dem Gasstrahl soweit in der Frequenz verschoben wird, daß eine Absorption im wesentlichen nur durch die Moleküle mit der abzutrennenden Isotopensorte erfolgte Andererseits kann jedoch auch zur selektiven Anregung ein Laser mit fester Emissionsfrequenz verwendet werden und die Wellenlänge dieses Lasers mit Hilfe eines opto-akustischen Modulators auf einen für die selektive Absorption günstigen Wert gelegt werden_o

Wird zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Molekülgas UF ~ verwendet, dann kann vorteilhafterweise zur selektiven Anregung entweder ein Wasserstoff (Deuterium)-Halogen-Laser, wie ein HF- oder HCL-Laser, oder ein Laser des Typs verwendet werden, der mit einer gasförmigen Kohlenstoff-Verbindung, wie CO, OCS oder CS₂, als laseraktivem Material arbeitete

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Abtrennung der angeregten Moleküle durch chemische Umsetzung herbeigeführte Hierzu kann der Reaktionspartner für die chemische Umsetzung mit einem zusätzlichen Gasstrahl dem unterkühlten Gasstrahl, der die anzuregenden Moleküle enthält,

U y « 2 b / U A 9 Q

— Q —

zugeführt werden,, Andererseits läßt sich jedoch auch der die anzuregenden Moleküle enthaltende Gasstrahl in einen gasdynamischen Verdichter einführen, in dem sich der Reaktionspartner für die chemische Umsetzung befindete Falls der Gasstrahl sich nicht frei ausbreiten, sondern in einem Rohr geführt wird, kann man den Reaktionspartner durch Düsen in den Gasstrahl einströmen lassen»

Bei Verwendung von UF_ß als Molekülgas ist ferner erfindungsgemäß vorgesehen, für die chemische Umsetzung dieses Molekülgases Ammoniak, Chlorwasserstoff oder Bromwasserstoff als Reaktionspartner einzusetzen,, Die bei der chemischen Umsetzung entstehenden Reaktionsprodukte können anschließend nach einem herkömmlichen Verfahren, vorteilhafterweise durch fraktionierte Kondensation, abgetrennt werden_o

In einem anderen Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, die das abzutrennende Isotop enthaltenden Moleküle in dem unterkühlten Gasstrahl selektiv durch optische Anregung in zwei oder mehreren Stufen zu dissoziieren,,

Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch auch möglich, die das betreffende Isotop enthaltenden Moleküle in dem unterkühlten Gasstrahl selektiv durch optische Anregung in zwei oder mehreren Stufen zu ionisieren» In diesem Fall können dann

die ionisierten Moleküle durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes aus dem Gasstrahl separiert werden.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung sowie aus der beigefügten schematischen Abbildung hervor_β

Nach der beigefügten Abbil ung, die ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung verkörpert, läßt man das UFg-Gas oder ein Gemisch, das dieses UFg und ein Zusatzgas enthält, aus einem Behälter 1 mit relativ hohem Druck durch eine Düse 2 in einen Bereich 3 niederen Drucks unter adiabatische Expansion austreten»

Mit Hilfe eines Abschälers 15 wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Durchmesser des Gasstrahls 4 begrenzte Dadurch erhält man einen unterkühlten Überschallgasstrahl 4, in dem die Moleküle weitgehend eine einheitliche Translationsgeschwindigkeit besitzen

Zur selektiven Anregung dient hier ein Halogen-Wasserstoff-Laser 5, dessen Laseremission auf einem reinen Rotationsübergang des Schwingungszustandes erfolgt« Der Laserstrahl trifft unter einem Winkel θ auf den unterkühlten Gasstrahl Die Absorption erfolgt im Bereich der VW-Schwingungsbande

_ 11 ..

des UFg-MolekülSo Der Winkel θ, die Gasstrahlgeschwindigkeit und der Druck im Bereich 3 sind so gewählt, daß unter Berücksichtigung der auftretenden Dopplerverschiebung bei

235 der festen Laseremissionsfrequenz nur die Moleküle UF~ angeregt werden=

Durch eine weitere Düse 7 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ein zweiter Überschall-Gasstrahl 8 erzeugt, der als Reaktionspartner z_oB_ö Ammoniak (NH-) enthält_o Dieser Gasstrahl 8 trifft unter einem kleinen Winkel auf den unterkühlten Gasstrahl 4_O Die Parameter der beiden Strahlen sind so gewählt, daß nur eine geringe aber definierte Relativgeschwindigkeit zwischen ihnen besteht«, Dabei brauchen die beiden Gasstrahlen und der Laserstrahl 16 nicht in einer Ebene zu liegen_o

Ohne Laseranregung reagiert der Reaktionspartner mit dem UFg nur unmerkliche Dagegen wird bei Lasereinstrahlung die Reaktionsgeschwindigkeit für die angeregten Moleküle stark erhöhte Daher wird in der beschriebenen Anordnung das Isotop

U im Reaktionsprodukt angereicherte

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit der in der beigeten Abbildung wiedergegebenen Anlage kontinuierlich ausführen» Zur Aufrechterhaltung eines niedrigen Drucks im Bereich 3 wird die anfallende Gasmenge in diesem Ausführungsbeispiel über eine Anlage 9 zur fraktionierten Kondensation

durch Vakuumpumpen 10 abgesaugt» In dieser Anlage 9 wird
das Reaktionsprodukt 5 das hier im wesentlichen aus UF₄ besteht, abgetrennt und die nicht umgesetzte Gasmenge wieder in ihre Komponenten zerlegt, An den Ausgängen 11, 12, 13 und 14 werden die entsprechenden Bestandteile entnommene Die
nicht umgesetzten Komponenten werden komprimiert und entweder - hier in Form von abgereichertem UF_fi - in Lagerbehälter gegeben oder wieder den Behältern 1 und 6 zugeführt_o Das Reaktionsprodukt kann gegebenenfalls wieder zu UF- um» gesetzt und einer weiteren Trennstufe zugeführt werden,,

Das erfindungsgemäße Trennverfahren, bei dem ein Laser zur selektiven Anregung der Moleküle verwendet und auf einen
unterkühlten Molekülgasstrahl gerichtet wird, besitzt also den für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblichen
Vorteil, daß eine kontinuierliche Arbeitsweise möglich ist und daß bei diesem Verfahren auch unter den für die Laseranregung erforderlichen Bedingungen ein großer Durchsatz erzielt wird»

Außerdem ist von Bedeutung, daß bei der adiabatischen Expansion des Molekülgases, z_oB. des UFg-Gases, in der Düse der größte Teil der ungerichteten Translationsenergie und der
inneren Energie in die gerichtete Bewegungsenergie des Gasstrahls 4 überführt wird_o Die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle wird dadurch hoch, die Geschwindigkeitsverteilung

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jedoch schmalο Dies bedeutet eine Reduzierung der Translationstemperatur gegenüber der Ausgangstemperatur_o Nun wird jedoch bei dem im Strahl herrschenden geringen stationären Druck die Linienbreite durch den Dopplereffekt bestimmte Aufgrund der schmalen Geschwindigkeitsverteilung im Strahl wird folglich die Dopplerbreite entsprechend reduziert_o Durch geeignete Wahl der Strahlparameter und Ausblenden der Randzonen des Gasstrahls 4 mit Hilfe der Blenden 15 läßt sich nun die Geschwindigkeitsverteilung soweit reduzieren, daß die Dopplerbreite nur noch Bruchteile ihres ursprünglichen Wertes beträgt„

Aufgrund des großen Trägheitsmomentes und der niederfrequenten Eigenschwingungen sind im UFg-Molekül sehr viel Rotationsund Schwingungsniveaus bereits bei Zimmertemperatur besetzt. So weist ZoBo das Rotationsniveau mit der Quantenzahl J=IOO noch ein Drittel der maximalen Besetzung auf, die beim Niveau mit J=40 liegt ο Gemäß der Boltzmann-Statistik wird nach Maßgabe der Relaxationszeiten bei einer Temperaturerniedrigung die Besetzungszahl der energetisch hohen Niveaus verringert und die der niederen Niveaus entsprechend erhöhte Im Vergleich zu einem stationären Gas bei Zimmertemperatur bestehen die Absorptionsbanden im unterkühlten Gasstrahl nur aus wenigen Linien, die außerdem noch größere Intensität und geringere Haltwertbreite besitzen,, Die Anregung einer Isotopensorte kann folglich erfindungsgemäß mit der geforderten, im Vergleich zu bekannten Verfahren wesentlich höheren Selektivität durchgeführt werden_o

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Durch die Anregung von Molekülschwingungen wird die Aktivierungsenergie für eine chemische Reaktion um einen Betrag AE reduziert» Die damit verbundene Erhöhung der Reaktions-

Δ E/kT

geschwindigkeit um den Faktor e ist stark temperaturabhängig; sie kann viele Zehnerpotenzen betragene Daher wird die Selektivität der durch Laser-Anregung gesteuerten chemischen Reaktion bei tiefer Temperatur größere

Bei Verwendung der beschriebenen Gasstrahltechnik im Rahmen des erfindungsgemäßen Isotopentrennverfahrens ergibt sich also die Möglichkeit, die Überlappung von Emissionslinien günstiger Moleküllaser mit geeigneten Absorptionslinien des UFg-Moleküls zu erzwingen. Aufgrund des Dopplereffektes verschieben sich die Absorptionsfrequenzen der Moleküle im Gasstrahl 4, Maßgebend ist die Geschwindigkeitskomponente dieses Gasstrahls 4 in Richtung des Laserstrahls 16_o Durch Änderung des Winkels zwischen Gas- und Laserstrahl und/oder durch entsprechende Wahl der Strahlgeschwindigkeit läßt sich ohne prinzipielle Einschränkung der erzielbaren Abkühlung in weiten Grenzen die Überlappung von Laser- und Absorptionsfrequenz herbeiführen. Der Abstimmbereich ist geC

Gasstrahls bestimmt.

mäß 4V= V^(Ii =7 ) durch die maximale Geschwindigkeit des

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Wie bereits angedeutet wurde, besteht eine vorteilhafte
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß dem Molekülgas, z.B. dem UFg-Gas, ein oder mehrere Zusatzgase beigefügt werden und aus diesem Gasgemisch der unterkühlte Gasstrahl 4 hergestellt wird» Zusatzgase können in mehrfacher Weise das Verfahren vorteilhaft beeinflussen=,
Durch den Zusatz von Edelgasen läßt sich eine besonders niedrige Translationstemperatur und damit eine besonders geringe Dopplerbreite erzielen. Helium oder andere leichte
Gase, z.Bo H₂, beschleunigen die Schwingungsrelaxation und ermöglichen daher eine starke Abkühlung der Schwingungsfreiheit sgrade» Durch den Zusatz von Xenon wird dagegen die

Schwingungsrelaxation und infolge des Verdünnungseffektes

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auch die Energieübertragung von UFg auf . UFg reduziert.

Auch läßt sich durch die Verwendung von Zusatzgasen die
Kondensation von UFg (Dimerenbildung) in dem unterkühlten Gasstrahl 4 unterdrücken,,

Weiterhin kann man zur Anregung des UFg-Gases verschiedene Laser benutzen. Im Bereich der V*--Bande kann die Anregung mit einigen Wasserstoff(Deuterium)-Halogenid-Lasers (HCL, HF) erfolgen. Für die Kombinationsbanden 3 V-, 2 yi + vT und
V^ + Vn + V£ kann ein CO-Laser verwendet werden, während für die Banden ( V₁ + V₄) und ( V₃ + V₃) der CS₂-Laser bzw. der OCS-Laser zur Verfügung steht_o

υ U b « 2 b / U A 9 Ü

Auch lassen sich zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weitere chemische Stoffe, wie ζ»Β. HBr oder HCl, als Reaktionspartner benutzen» Die Wahl des Reaktionspartners wird weitgehend durch die im Gasstrahl 4 erzeugte Temperatur bestimmt, da vorteilhafterweise solche chemischen Umsetzungen benutzt werden, bei denen die Reaktion ohne Laser-Anregung nicht zu schnell abläuft, bei Anregung jedoch eine möglichst vollständige Umsetzung der angeregten Moleküle erfolgt_o

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung kann auf den den Reaktionspartner enthaltenden zweiten Gasstrahl 8 verzichtet werden. In diesem Fall läßt man den UF_g-Strahl in einem gasdynamisehen Verdichter einlaufen, der den Reaktionspartner enthält,,

Zu den durch Laser-Anregung induzierten chemischen Reaktionen sollen auch die Zersetzungsreaktionen gezählt werden, bei denen das angeregte Molekül dissoziierte Da eine Absorption von Quanten im Bereich der Rotations-Schwingungs-Linien nur in seltenen Fällen direkt eine Dissoziation bewirkt, wird durch Einstrahlung von kurzwelligem Licht weitere Energie zugeführt_o Während die im zweiten Anregungsschritt zugeführte Energie: allein kleiner als die Dissoziationsenergie sein muß, soll mit der Gesamtenergie auf beiden Anregungsprozessen die Dissoziationsgrenze erreicht oder übertroffen werdenο

Das erfindungsgemäße Verfahren, bei dem die Moleküle in einem unterkühlten Gasstrahl angeregt werden, bringt nicht nur die
in Bezug auf die Anregung im Bereich der Rotations-Schwingungs-Linien genannten Vorteile, sondern erlaubt es in Verbindung mit der Methode der Doppleranregung und Dissoziation auch, die
Quantenenergie der Strahlung für den zweiten Anregungsschritt im Sinne einer besseren Selektivität genauer festzulegen=, Das Verfahren bringt in dieser Ausgestaltung eine wesentliche Verbesserung des von Ambartsumyan u_oa_e (RoV* Ambartsumyan,
VS₀ Letokhov, G.N. Makarov, A.A. Puretskii ZhETF Pis. Red.r7, 2, Seite 91-94o) zur Isotopentrennung von Stickstoff benutzten Verfahrens und gestattet überhaupt erst dessen Anwendung
auf die Trennung von Uran_o

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Claims

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Patentansprüche

1« Verfahren zur Trennung verschiedener Isotope eines Atoms, bei dem aus Molekülen der betreffenden Atomsorte ein Molekülgas gebildet wird und bei dem Moleküle dieses Gases mit Hilfe eines Lasers selektiv angeregt werden, wonach die angeregten Moleküle physikalisch oder chemisch abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem reinen oder mit einem Zusatzgas vermischten Molekülgas durch adiabatische Expansion in einer Düse ein unterkühlter Gasstrahl (4) erzeugt wird und daß die Anregung der Moleküle in diesem Gasstrahl (4) vorgenommen wird.

ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randbereiche des unterkühlten Gasstrahls (4) mit Hilfe von Blenden (15) abgeschält werden.

3«, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (2) derart ausgebildet und das Expansionsverhältnis derart gewählt wird, daß sich in dem Gasstrahl (4) eine möglichst niedrige. Temperatur mit starker Abkühlung der inneren Freiheitsgrade (Rotations und Schwingung) der Moleküle ergibt, ohne daß eine störende Kondensation (Dimerenbildung) einsetzt.

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4_β Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzgas ein Gas verwendet wird, das einen großen Adiabatenkoeffizienten ^= ^c _p/^c _v aufweist und dadurch eine stärkere Abkühlung des Molekülgases im Gasstrahl (4) bei gleichzeitiger Unterdrückung der Kondensation (Dimerenbildung) herbeiführte

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzgas ein Edelgas verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß das Absorptionsspektrum des Molekülgases unter Ausnutzung des Dopplereffektes durch Anpassung der Geschwindigkeit des Gasstrahls (4) und durch Ausrichtung des Laserstrahls (16) relativ zu dem Gasstrahl (4) soweit in der Frequenz verschoben wird, daß eine Absorption im wesentlichen nur durch die Moleküle mit der abzutrennenden Isotopensorte erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet ,.daß zur selektiven Anregung ein Laser (5) mit fester Emissionsfrequenz verwendet wird und daß die Wellenlänge dieses Lasers mit Hilfe eines optp-akustisehen Modulators auf einen für die selektive Absorption günstigen Wert gelegt wird«

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φ Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Molekülgas UF₆ und zur selektiven Anregung ein Wasserstoff(Deuterium)-Halogen-Laser, wie
ein HF- oder HCL-Laser, verwendet werden_o

ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Molekülgas UFg und zur selektiven Anregung ein Laser, der mit einer gasförmigen Verbindung von Kohlenstoff, wie CO, OCS oder CS₂, als laseraktivem Material arbeitet, verwendet werden»

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung der angeregten Moleküle durch chemische Umsetzung erfolgt und daß der Reaktionspartner für die chemische Umsetzung mit einem oder mehreren zusätzlichen Gasstrahlen (8) dem die anzuregenden Moleküle enthaltenden Gasstrahl (4) zugeführt wirdo

Ho Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtrennung der angeregten Moleküle durch chemische Umsetzung erfolgt und daß der unterkühlte Gasstrahl (4) in einem gasdynamischen Verdichter einläuft, in dem sich der Reaktionspartner für die chemische Umsetzung befindet.

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12o Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, das als Molekülgas UF~ verwendet wird und daß für die chemische Umsetzung dieses Gases Ammoniak (NH-), Chlorwasserstoff (HCl) oder Bromwasserstoff (HBr) als Reaktions partner eingesetzt werden.

13ο Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch ge~ kennzeichnet, daß die bei der chemischen Umsetzung entstehenden Reaktionsprodukte anschließend durch fraktionierte Kondensation abgetrennt werden.

14β Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die das abzutrennende Isotop enthaltenden Moleküle in dem unterkühlten Gasstrahl (4) selektiv durch optische Anregung in zwei oder mehreren Stufen dissoziiert werden.

ο Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die das betreffende Isotop enthaltenden Moleküle in dem unterkühlten Gasstrahl (4) selektiv durch optische Anregung in zwei oder mehreren Stufen ionisiert werden.

16ο Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die ionisierten Moleküle durch Anlegen eines elektrischen oder magnetischen Feldes aus dem Gasstrahl separiert werden,

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