DE2517828A1

DE2517828A1 - Verfahren zur trennung bzw. anreicherung von isotopen

Info

Publication number: DE2517828A1
Application number: DE19752517828
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Dipl Chem Niemann
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1975-04-22
Filing date: 1975-04-22
Publication date: 1976-11-18
Also published as: AU1319476A; US4096046A; IL49430A0; ZA762319B; IL49430A; FR2308402B1; GB1517071A; FR2308402A1; CA1072489A; AU503290B2

Description

KRAFTWERK UNION AKTIENGESELLSCHAFT Erlangen,

Hammereacherstr. 12 u. H

Unser Zeichen:

VPA 75 P 9313 BRD Mü/Ant

Verfahren zur Trennung "bzw. Anreicherung von Isotopen

Die vorliegende Erfindung "betrifft ein Verfahren zur Trennung "bzw. Anreicherung von Isotopen, die an isotopenreine Stoffe gebunden sind und mit diesen ein gas- "bzw. dampfförmiges Verbindungsgemisch "bilden, mit Hilfe von intensiven Lichtquellen. Zu intensiven Lichtquellen gehören insbesondere Laser. Die Verwendung solcher Geräte zur Isotopentrennung ist bereits mehrfach vorgeschlagen worden, so z.B. in den deutschen Offenlegungsschriften 1 959 767 und 2 I50 232. Die dort entlialtenen Vorschläge zur Urananreicherung gehen von Uranhexafluorid aus, das einen besonders hohen Dampfdruck besitzt. Durch selektive Anregung, z.B. der ^ UPg-Verbindung mittels Laserlicht einer Frequenz, welche einer Rotationsschwingungslinie dieser Isotopenverbindung entspricht, wird eine selektive Anregung erreicht, so daß diese angeregten' Moleküle mit einem geeigneten Reaktionspartner reagieren, also eine andere Verbindung bilden, welche auf chemisch oder chemisch-physikalischem Wege dem Gemisch der Ausgangsstoffe entnommen werden kann. Da einerseits die Frequenzverschiebung zwischen den Rotationsschwingungslinien der Uranisotope nverb indungen nur gering ist und andererseits sehr viele Rotationsschwingungslinien vorhanden sind, ist die Auffindung besonders gut geeigneter Frequenzen mit Schwierigkeiten verbunden.

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Es wäre nun die Möglichkeit gegeben, andere Uranverbindungen auf ihre Brauchbarkeit hinsichtlich der Isotopentrennung mit Laserstrahlen in Erwägung zu ziehen. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, z.B. UCIg oder UiV Gl für diesen Zweck zu verwenden. Diese Verbindungen bergen jedoch eine weitere Schwierigkeit in sich, da die mit dem Uran verbundenen Elemente für sich nicht isotopenrein sind, d.h. da von ihnen mehrere Isotope existieren, ergeben sich zusätzliche Rotationsschwingungslinien, die die erstgenannten Schwierigkeiten weiter erhöhen.

Es stellte sich daher die Aufgabe, die genannten Schwierigkeiten durch eine andere Ausgangsverbindung des Urans zu ersetzen, die folgende Bedingung erfüllt:

1) sie muß gasförmig sein,

2) sie darf außer Uran nur solche Atome enthalten, die in der Natur nicht als verschiedene Isotope vorkommen, also Reinisotope darstellen,

3) das optische Absorptionsspektrum muß so beschaffen sein, daß bei mindestens einer Wellenlänge überwiegend oder ausschließlich eine der beiden möglichen Uranverbindungen absorbiert werden.

Als eine geeignete Uranverbindung wurde nun das Uranpentafluorid UPc gefunden, das wie das UPg außer Uran nur ein Reinisotop enthält. Es hat jedoch den großen Nachteil, daß es bei Raumtemperatur praktisch keinen Dampfdruck besitzt. Dieser Nachteil wird bei dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren dadurch umgangen, daß es während des Bestrahlungsprozesses erst gebildet und noch bevor es zu einer Kondensation kommt, selektiv angeregt und chemisch umgewandelt wird. Im einzelnen ist dieses erfindungsgemäße Verfahren durch folgende Schritte gekennzeichnet:

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a) Bestrahlung des Verbindungsgemisches durch eine erste Lichtquelle zur photochemischen Umwandlung desselben,

b) Bestrahlung dieses neuen Verbindungsgemisches mit einer zweiten Lichtquelle, vorzugsweise einem laser, deren Frequenz so eingestellt wird, daß nur eine Verbindung des Gemisches selektiv angeregt wird,

c) gleichzeitige Zuführung eines Reaktionspartners zur chemischen Umsetzung mit der angeregten Verbindung des Gemisches,

d) Abtrennung dieses an einem der Ausgangsisotope angereicherten Umsetzungsproduktes nach an sich bekannten Methoden.

Dieses selbstverständlich nicht auf die Trennung von Uranisotopen beschränkte Verfahren sei weiterhin am Beispiel des Urans erläutert, da speziell diesem Anwendungsbereich besonders große Bedeutung zukommt.

Durch den Schritt a) wird das Ausgangsisotopengemisch UFg in Ui¹C umgewandelt. Dieses Verbindungsgemisch ist in der Entstehungsphase gas- bzw. dampfförmig und kondensiert anschließend zu einem festen Stoff. Es ist also nur kurzlebig. Diese kurze Zeitspanne reicht aber aus, um durch eine weitere Bestrahlung gemäß Schritt b) die eine der beiden darin vorliegenden Verbindungen, nämlich UiV oder UiV selektiv anzuregen und mit einem weiteren Reaktionspartner chemisch in Ui¹, umzusetzen. In dieser Verbindung ist entweder das 235 Uranisotop oder das 238 Uranisotop enthalten.

Im einzelnen läuft das erfindungsgemäße Verfahren - bezogen auf UFg - folgendermaßen ab:

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1) UPg wird bei Temperaturen in der Größenordnung der Raumtemperatur mit dem Licht einer Wellenlänge von etwa 300 nm ( j- *) "bestrahlt. Das dadurch angeregte Uranhexafluorid, also beide Isotopenverbindungen - spaltet entweder ein Fluoratom ab oder reagiert mit einem zugesetzten Reaktionspartner R. In beiden Fällen entsteht Uranpentafluorid, das im Augenblick seines Entstehens gasförmig ist, etwa nach folgenden Funktionsgleichungen:

UF₆ ^hv1_: UF₅ + F (1)

UF₆ + R ^nv1 _> UFc + F . R (2)

Der in Gleichung (1) dargestellte Vorgang wird auch als Photodissoziation bezeichnet, er muß nicht selektiv sein. Zur Bindung des entstehenden Fluors muß ein Abfangreagenz zugesetzt werden, das z.B. Hp, CH, oder ein anderer Kohlenwasserstoff sein kann. Die in Gleichung (2) genannten Reaktionspartner R bestehen praktisch aus den gleichen Stoffen. Für den Verfahrensablauf spielt es aber keine Rolle, welchen Anteil die beiden genannten Funktionsabläufe haben, da sie zum gleichen Endergebnis, nämlich dem kurzlebigen UF₅, kommen.

Dieses Reaktioneprodukt UF₅ würde nach kurzer Zeit kondensieren, da sein Gleichgewichtedampfdruck bei Raumtemperatur sehr niedrig ist. Innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne, die einigen Molekül stößen entspricht, wird nun entsprechend Verfahrensschritt b) eine weitere Bestrahlung mit dem Licht einer zweiten Strahlungsquelle, z.B. einem abstimmbaren Farbstofflaser, vorgenommen. Die

235 Wellenlänge ist so eingestellt, daß sie selektiv nur UF _c

238
oder selektiv nur UF,- erfaßt und anregt. Diese Wellenlänge liegt zwischen 100 und 500 nm.

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Durch das Licht dieser Strahlungsquelle wird entweder eine Prädissoziation entsprechend folgendem Funktionsschema erreicht:

+ hv₂ ^ UF₄ + F (3)

oder eine Eeaktion des angeregten Uranpentafluorids mit einem zugesetzten Eeaktionspartner entsprechend den FunktionsSchemen (4) und (5) erzielt.

vUP*, (4)

UF*₅ + E >^ÜP4 ^P#E (5)

Der Eeaktionspartner E bindet die entstehenden Fluoratome, er besteht beispielsweise aus CO, COp oder SOp. Ss können jedoch auch die oben für die Funktionsgleichung (2) genannten Stoffe Verwendung finden.

Das nach beiden Funktionsabläufen entsprechend Gleichung (3) bzw. Gleichung (4) und (5) entstehende Eeaktionsprodukt UF₄ ist fest, es enthält praktisch nur das angereicherte Uran und kann chemisch oder physikalisch-chemisch abgetrennt werden, z.B. durch Auflösen des in fester Form vorliegenden UF₅ in Salpetersäure, in der sich UF₄ nicht löst.

Zur Durchführung dieses Trennverfahrens gibt es verschiedene apparative Möglichkeiten, einige seien anhand der Figuren 1-4 näher erläutert. Im ersten Beispiel wird als erste intensive Lichtquelle ein Quecksilber-Hochdruckstrahler, speziell mit den Hg-Linien 313 nm oder 366 nm verwendet und als zweite Strahlungsquelle ein abstimmbarer Farbstofflaser. Als Abfang-

6 0 9 b U 7 / f) 3 9 k

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reagenz und auch Reaktionspartner findet in diesen Beispielen Wasserstoff Verwendung.

Das erste Ausführungsbeispiel ist in den Pig. 1 und 2 dargestellt. Mit 1 ist eine rohrförmige Reaktionsküvette bezeichnet, die an beiden Enden mit Brewaterfenatern aus Calciumfluorid CaP₂ 11 und 12 abgeschlossen ist. Diese Küvette 1 ist zwischen zwei Resonatorepiegeln 5 und 6 für die Strahlung aus dem Laser 8 angeordnet. Über die Rohrstutzen 13 und 14 werden die Ausgangsstoffe, nämlich das UF/--Isotopengemisch und der Re akt ions partner Hg zugeführt bzw. die nicht umgesetzten Anteile dieser Stoffe sowie die Reaktionsprodukte HP, UP₅ und UP. abgeführt. Über die Stutzen 15 und 16 wird zur Verhinderung einer Ablagerung fester Reaktionsprodukte, wie UP₅ und UP., auf den Brews te rf ens tern 11 und 12 Stickstoff eingeblasen.

Die Reaktionsküvette 1 ist von einem Flüssigkeitsfilter 4 innerhalb eines durchsichtigen Gehäuses umgeben, der Filterstoff besteht z.B. aus einer wässrigen Lösung von Nickel- und Cobaltsulfat, die über die Stutzen 41 und 42 zu- und abgeführt wird. Damit ist die Möglichkeit gegeben, diese Lösung auf einer für die Filterwirkung günstigen konstanten Temperatur zu halten. Das Reservoir für die Filterflüssigkeit sowie entsprechende Pumpen und Temperaturkonetanthaltungseinrichtungen sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Die Reaktionsküvette 1 befindet sich nun am Ort der Brennlinie eines hochspiegelnden elliptischen Zylinders 3. Am Ort der anderen Brennlinie dieses Zylinders befindet sich ein Quecksilber-Hochdruckbrenner 2 als erste Lichtquelle entsprechend dem Verfahrensschritt a). Durch diese Anordnung, die im Querschnitt in Fig. 2 dargestellt ist, wird das gesamte von dem Quecksilber-Hochdruckbrenner 2 kommende Licht auf die Beatrahlungsküvette 1 konzentriert und dabei beetmöglich ausgenützt. Das Filter 4

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sorgt dafür, daß nur jene Strahlung in die Küvette 1 eindringen kann, die für die Umwandlung des UFg benötigt wird.

Das mit dieser Vorrichtung durchgeführte Verfahren läuft also nach folgendem Reaktionsschema ab: Durch die Strahlung des Quecksilber-Hochdruckbrenners 2 wird das Isotopengemisch UF,-angeregt und dadurch in die Lage versetzt, mit dem Reaktionspartner Hp zu reagieren. Es bildet sich ein Gemisch von UIV sowie Fluorwasserstoff und Wasserstoff. Dieser atomare Wasserstoff reagiert erneut mit den Ausgangsisotopenverbindungen UFg, es entsteht wiederum UIV und Fluorwasserstoff. Während der kurzen Lebensdauer von UF,- wird nun über den Farbstofflaser 8 eingestrahlt und selektiv die Verbindung ^JJ' UF,- angeregt. Nur diese ist daher in der Lage, mit dem Reaktionspartner H₂ zu reagieren, es bildet sich *'-> uj> sowie Fluorwasserstoff und atomarer Wasserstoff. Letzterer reagiert wiederum, wie bereits erwähnt, mit dem Ausgangsstoff UFg und reduziert diesen zu UFc unter Bildung von wiederum Fluorwasserstoff.Da die Isotopenverbindung ²^⁸ UFc mit Wasserstoff bei Raumtemperatur nicht reagiert, und die Anregung auf die Verbindung . ^J UFp- beschränkt ist, enthält das Endprodukt UF. nur das angereicherte Uranisotop 235. Bis auf UFp- und UF. sind alle verwendeten und entstehenden Substanzen gasförmig, können also von ersteren leicht abgetrennt werden. Auch die Trennung des UF. und des UFp-, die Feststoffe darstellen, ist - wie bereits erwähnt - durch an sich bekannte Methoden leicht möglich.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei andere apparative Varianten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Entsprechend der Fig. 3 wird als erste Lichtquelle ebenfalls ein Laser 7 verwendet, der über beiderseits der Küvette angeordnete Spiegel 73 den Inhalt derselben mehrfach durchsetzt. Auch hier sind in an sich bekannter Weise Resonatorspiegel 71 und 72 zur Erhöhung des Wirkungsgrades vorgesehen.

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In der Vorrichtung entsprechend Fig. 4 wird ebenfalls als erste Lichtquelle die Strahlung eines Lasers 7 verwendet, dieser durchsetzt aber die Reaktionsküvette 1 mit Hilfe des Umlenkspiegels in axparalleler Richtung, wie der Strahl der zweiten Lichtquelle des Lasers 8.

Grundsätzlich wäre es möglich, die beiden Lichtquellen im Dauerbetrieb einzusetzen. Da es jedoch darauf ankommt, möglichst hohe Strahlungsenergien auf das Isotopengemisch einwirken zu lassen, ist es zweckmäßig, beide Lampen im Pulsbetrieb nacheinander wirken zu lassen. Dies gilt auch insbesondere für die erste Lichtquelle, die für die Bildung von UIV verantwortlich ist. Je höher die kurzzeitige Konzentration dieses Isotopengemisches ist, umso besser kann auch das Licht der zweiten Strahlungsquelle, also z.B. des Parbstofflasers 8, ausgenützt werden.

Selbstverständlich wäre es von zusätzlichem Vorteil, auch die erste Lichtquelle frequenzmäßig so abzustimmen, daß auch das OTg selektiv angeregt wird. Auch wenn keine 100 $ige Selektivität erreicht werden kann, also nur die eine Isotopenverbindung gegenüber der anderen bevorzugt angeregt wird, ist eine Erhöhung der Ausbeute zu erwarten.

10 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

*: -'Ι/ - 9 - VPA 75 P 9313 BRD Patentansprüche

1. Verfahren zur Trennung "bzw. Anreicherung von Isotopen, die an isotopenreine Stoffe gebunden sind und mit diesen ein gas-"bzw. dampfförmiges Verbindungsgemisch "bilden, mit Hilfe von intensiven Lichtquellen gekennzeichnet durch folgende Schritte:

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das durch Schritt a) gebildete Verbindungsgemisch in der gas- bzw. dampfförmigen Entstehungsphase nur kurzlebig und demzufolge unbeständig ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Lichtquelle nacheinander gepulst in das Verbindungsgemisch einstrahlen und Pulsdauer sowie zeitlicher Abstand den Geschwindigkeiten der ablaufenden Reaktionen angepaßt sind.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Bestrahlung mit der ersten Lichtquelle eine teilselektive Umwandlung des Verbindungsgemisches erzielt wird und das Umwandlungsprodukt durch die zweite Lichtquelle wenigstens teilselektiv angeregt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-

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zeichnet, daß das Verbindungsgemisch aus · UPg und UPg besteht und durch Bestrahlung mit einer ersten Lichtquelle, vorzugsweise einem Quecksilber-Hochdruckbrenner, unter Abspaltung von Fluor UIV entsteht.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Licht einer Wellenlänge größer als 100 nm und kleiner als 410 nm verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das entstehende Fluor durch Wasserstoff abgefangen und gebunden wird.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestrahlung s- und Reaktionsraum eine rohrförmige, mit Anschlüssen für die hindurchzuleitenden Reaktionspartner versehene Küvette vorgesehen und zwischen den Resonatorspiegeln eines Farbstofflasers als zweiter Lichtquelle angeordnet ist und daß sich diese Küvette am Ort der einen Brennlinie eines hochspiegelnden elliptischen Zylinders befindet, während am Ort der zweiten Brennlinie die erste Lichtquelle - ein Quecksilber-Hochdruckbrenner - angebracht ist.

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9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die "breit"bändige erste Lichtquelle zur Ausfilterung unerwünschter Wellenlängen von einem entsprechenden !Filtermaterial, beispielsweise einer wässrigen Lösung geeigneter Salze, umgeben ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Bestrahlungs- und Reaktionsraum eine rohrförmige, mit Anschlüssen für die hindurchzuleitenden Reaktionspartner versehene Küvette vorgesehen und zwischen den Resonatorspiegeln eines Farbstofflasers als zweiter Lichtquelle angeordnet ist und daß als erste Lichtquelle ebenfalls ein Laser vorgesehen ist,der die Küvette - wie der Farbstofflaser - in axialer Richtung durchstrahlt und auf eine Frequenz eingestellt ist, bei der nur die Ausgangsverbindung, nicht dagegen das Umwandlungsprodukt, vorzugsweise· teilselektiv absorbiert.

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