DE2656152C2

DE2656152C2 -

Info

Publication number: DE2656152C2
Application number: DE2656152A
Authority: DE
Inventors: Jozef Willem Los Angeles Calif. Us Eerkens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-06-14
Filing date: 1976-12-10
Publication date: 1990-09-20
Also published as: NL7613767A; WO1991014488A1; AU6660781A; JPS5837011B2; US5108566A; FR2334407A1; US5015348A; NL186222B; AU7769591A; US4082633A; JPS5293897A; DE2656152A1; GB1573507A; NL186222C; AU1283276A; AU520228B2; FR2334407B1; GB1554230A; AU537265B2; GB1573508A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen von Isotopen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 43.

In vielen Anwendungen ist es oft wünschenswert, ein isotopen- angereichertes Element zu haben. In der Natur existieren nämlich viele Elemente in mehreren voneinander verschiedenen Isotopen und es ist wünschenswert, ein einzelnes Isotop zu isolieren, um eine wesentlich höhere Konzentration des Isotops zu haben, als dem natürlichen Vorkommen entspricht. Eine solche Anwendung ist natürlich die Schaffung hoher Konzentrationen des Isotops U²³⁵. U²³⁵ macht nur 0,7% des natürlichen Urans aus. Die restlichen 99,3% sind U²³⁸.

Bisher wurden die verschiedensten Techniken zur Abtrennung des Isotops U²³⁵ aus dem natürlichen Uran vorgeschlagen und/ oder angewandt. Unter diesen Techniken waren Diffusion durch poröse Sperrmaterialien, elektromagnetische Abtrennung, Zentrifugierung, thermische Diffusion, chemischer Austausch und, in jüngerer Zeit, Ultrazentrifugen- und Strahldüsentechniken. Von diesen Techniken ist die am häufigsten verwendete die Gasdiffusion, die jedoch leider relativ unzulänglich und vergleichsweise teuer ist und mehrfache Durchgänge von gasförmigem Uran durch die Sperrmaterialien erforderlich macht, um das U²³⁵ in hoher Konzentration zu erhalten.

Andere Isotopentrenntechniken wurden bei Elementen mit niedrigem Siedepunkt eingesetzt. Es wurde beispielsweise eine auf Quecksilber anwendbare Isotopentrenntechnik vorgeschlagen (US-PS 27 13 025), bei welcher eine Quecksilberdampflampe mit isotopenreinem Quecksilber zur Bestrahlung eines auf niedriger Temperatur befindlichen Dampfes aus natürlichem Quecksilber verwendet wird. Die Photonen aus der Quecksilberdampflampe mit isotopenreinem Quecksilber regen nur die Atome des gleichen Isotops in dem Quecksilberdampf an und verursachen photoneninduzierte Übergänge zwischen ihren Energiezuständen. Im angeregten Zustand verbindet sich das Quecksilber mit Wasser zu Quecksilberoxid. Da die Photonen von einem einzigen Quecksilberisotop herrührten, wurde nur das entsprechende Isotop im Quecksilberdampf angeregt, so daß sich über die nachfolgende Weiterverarbeitung des Quecksilberoxids isotopeneines Quecksilber gewinnen ließ. Diese Technik läßt sich zwar auf einige Elemente mit niedrigem Siedepunkt anwenden, nicht aber ohne weiteres ohne ernsthafte verfahrensökonomische Nachteile auf Isotope mit höherem Siedepunkt, wie etwa Uran, übertragen. Dies liegt daran, daß die Erzeugung von Urandampf vergleichsweise hohe Temperaturen erfordern würde. Um eine übermäßige Druck- und Dopplerverbreiterung der Absorptions/ Emissionslinien des Uranatoms zu vermeiden, die dazu führen würde, daß sich die Absorptions/Emissionslinien des U²³⁸- Atoms mit denen des U²³⁵-Atoms wesentlich überlappen, sind kostspielige Verfahrensweisen bei Drucken der Größenordnung von 10^-2 Torr und Temperaturen von 2000 bis 3000 K notwendig. In der US-Patentschrift 36 73 406 ist lediglich eine Verbesserung gegenüber der US-Patentschrift 27 13 025 aufgezeigt, sie gibt jedoch in keiner Weise an, wie die obengenannten Nachteile überwunden werden könnten.

Eine weitere bislang vorgeschlagenen Technik unter Ausnützung photoneninduzierter Übergänge (US-PS 34 05 045) beinhaltet die Bestrahlung organischer Monomerer mit kohärenter Strahlung eines Lasers, um eine Photodissoziation des Monomers in freie Radikale zu bewirken. Die freien Radikale werden dann dazu benutzt, eine Polymerkettenreaktion in Gang zu setzen, wodurch die gewünschte Polymerisation bewirkt wird. Eine solche Lehre erscheint als für die Isotopentrennung nicht allgemein anwendbar.

Eine andere Technik (US-PS 34 43 087), die speziell auf die Isotopentrennung von Uranhexafluorid (UF₆) ausgelegt ist, um am Ende isotopenangereichertes U²³⁵F₆ zu erhalten, beinhaltet die Bestrahlung eines Stromes von UF₆ mit zwei getrennten Bündeln elektromagnetischer Strahlung. Das erste Bündel elektromagnetischer Strahlung hebt die innere Energie nur des U²³⁵F₆ vom Grundzustand in einen höheren, angeregten Zustand. Das zweite Bündel elektromagnetischer Strahlung wirkt nur auf die angeregten U²³⁵F₆-Moleküle und hebt sie über das Ionisationspotential hinaus, um auf diese Weise ionisierte U²³⁵F₆-Moleküle zu schaffen. Danach wird ein magnetisches und/oder elektrisches Feld auf die ionisierten U²³⁵F₆-Moleküle angewandt, um sie aus der Bahn der nicht angeregten U²³⁸F₆-Moleküle abzulenken und so die Trennung zu versuchen. Es wurde zwar die Verwendung von Lasern zur Gewinnung der Photonen vorgeschlagen, jedoch nicht wirklich eine Technik zur selektiven Gewinnung von Photonen für das erste Bündel elektromagnetischer Strahlung mit nur Energien, die den U²³⁵F₆-Übergängen und nicht auch den U²³⁸F₆-Übergängen entsprechen. Darüber hinaus begrenzt die teilweise Verwendung von angeregten Elektronenzuständen und/oder ionisierten Zuständen die Reaktionszeiten, da die Zerfallzeiten der angeregten Elektronenzustände und der ionisierten Zustände sehr kurz sind. Schließlich, und das ist der wichtigste Punkt von allen, überlappen sich die Spektrallinien von U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ bei den praktischen Verfahrensbedingungen, die eine wesentliche Ionisation und/oder Elektronenanregung in gasförmigem UF₆ gestatten, in erheblichem Maße, was dieses Isotopentrennverfahren ziemlich unzulänglich macht.

Bei einer weiteren Isotopentrenntechnik unter Verwendung eines Fluorwasserstoff-Lasers, wie sie in Applied Physics Letters, Band 17, Nr. 12, 15. Dezember 1970, "Isotope Separation with the CW Hydrogen Fluoride Laser" beschrieben ist, wird eine Trennung von leichten Molekülen zur Trennung von Deuterium und Wasserstoff vorgeschlagen. Bei dieser Technik wird eine Gaskombination aus Methanol H₃COH, Deutero- Methanol D₃COD und Brom Br₂ bestrahlt. Das Methanol soll selektiv mit dem Brom reagieren und das Deutero-Methanol in der Gasphase lassen. Das Deuterium ist natürlich das Isotop, dessen Konzentrierung gewünscht wird. Das Methanol absorbiert also die Strahlung des Fluorwasserstoff-Lasers und reagiert mit dem Brom. Es wird weder eine Filterung noch eine Feinabstimmung der Laserstrahlung abgewandt, da die Absorptionslinien des Methanols H₃COH und des Deutero-Methanols D₃COD sehr weit auseinanderliegen. Schwere Isotope andererseits haben sehr eng beieinander liegende Absorptionslinien, die optisch praktisch nicht auflösbar sind, es sei denn bei sehr tiefen Temperaturen und/oder Drucken. Folglich ist die direkte ungefilterte und/oder unabgestimmte Verwendung von Laserstrahlung zur Erzielung einer Isotopentrennung bei schweren Molekülen nicht brauchbar.

Die US-PS 37 72 519 zeigt lediglich eine Trenntechnik für Atome unter Verwendung von Lasern für bevorzugte Isotopenanregungen und nachfolgende Ionisation zusammen mit einer elektromagnetischen Trennung.

Die DE-PS 19 59 767 und die GB-PS 12 84 620 (Erfinder ist Karl Gürs) erwähnen einige allgemeine Konzepte für die isotopenselektive Anregung von Molekülen in Schwingungs- und/oder Rotationsmoden mit einem CO₂-Laser und der chemischen Umsetzung mit einem angeregten Molekül. Über das hinaus, was schon bekannt war (vergleiche zum Beispiel J. de Chim. Physique 60, 205 [1963]), ist jedoch in diesen Patenten keine neue Methode oder zufriedenstellende Technik offenbart. Es wird keine zufriedenstellende Konstruktion gezeigt oder beschrieben, die eine einsetzbare Vorrichtung abgeben würde, mit welcher beispielsweise die Isotope des Urans unter Einbeziehung einer Laser-Anregung von Uranhexafluorid getrennt werden könnten. Darüber hinaus scheinen die physikalischen Parameter und Bedingungen, die dort angegeben sind, nicht im richtigen Bereich zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses zu liegen. (Vergleiche beispielsweise den Bereicht über die Gürsschen neuesten Versuche zur Bewirkung der Isotopentrennung von Uranhexafluorid in einer neueren Veröffentlichung: "Uranium Isotope Separation Using IR Lasers", J. Hetter und K. Gürs, Paper No. 4, International Conference on Uranium Isotope Separation, London, 5. bis 7. März 1975.) Der Erfinder berichtete, daß unter Verwendung der von Gürs vorgeschlagenen Techniken keine zufriedenstellende Trennung erreicht werden konnte.

Aus der FR-PS 11 39 091 ist ein Isotopentrennverfahren bekannt, bei dem ein Gemisch aus Molekülen zweier Isotopenarten und einem aus Zusatzstoff dienenden Reagenz mit einer selektiven elektromagnetischen Strahlung bestrahlt wird, wodurch die Moleküle der zweiten Isotopenart selektiv zu einem höheren Rotationsschwingungszustand angeregt werden, aus dem sie heraus mit dem Zusatzstoff zu einem Reaktionsprodukt reagieren, während die Moleküle der ersten Isotopenart unverändert bleiben. Die Isotopentrennung kann durch dieses Verfahren auf eine chemische oder physikalische Trennung der Reaktionsprodukte und der Moleküle der ersten Isotopenart zurückgeführt werden.

Aus der DE-OS 19 59 767 ist ein ähnliches Isotopentrennverfahren bekannt, wobei die Übergänge zwischen den Rotationsschwingungszuständen der Isotopenmoleküle durch einen Photonenstrahl eines Lasers induziert werden. Zusätzlich kann gemäß dieser Druckschrift eine höhere Umsetzungsrate der Moleküle der zweiten Isotopenart mit dem Zusatzstoff dann erreicht werden, wenn die Verfahrenstemperatur erhöht wird, und zwar auf einen Wert, der gerade noch keine merkliche Umsetzung ablaufen läßt.

Gemäß der DE-OS 21 50 232 kann das vorgenannte Trennverfahren für Isotopenmoleküle des Molekülgases UF₆ angewandt werden, wobei hierzu spezielle Laser eingesetzt werden.

Auch diese drei genannten Verfahren zur Isotopentrennung sind bezüglich der Ausbeute nicht zufriedenstellend, insbesondere wegen der strengen Selektivität bezüglich der isotopenspezifischen Anregung und isotopenspezifischen Reaktion mit dem Zusatzstoff.

Aus den JETP Letters, Band 21, Nr. 6, 1975, Seiten 171 bis 172, ist ein Verfahren zur Trennung bestimter Isotopen aus einem Isotopengemisch, in diesem Falle SF₆ offenbart, bei welchem das Isotopengemisch mit Impulsen eines CO₂-Lasers bestrahlt wird. Das zu separierende Isotopenmolekül erfährt bereits durch diese Bestrahlung mit Laserimpulsen eine chemische Änderung, nämlich eine Dissoziation in SR*₅ und in atomares Fluor F. Das freie Fluoratom geht mit dem Zusatzstoff, in diesem Falle H₂, NO oder HBr, eine chemische Reaktion ein, nicht dagegen das mit dem zu separierenden Isotop behaftete Molekül. Die Ausbeute dieses Trennverfahrens, also das Verhältnis des zu separierenden Isotopenmoleküls zum nicht zu separierenden Molekül kann gemäß dieser Druckschrift durch eine Druckänderung verändert werden. Es wird allerdings nicht angegeben, in welche Richtung und in Abhängigkeit welcher Parameter der Druck eingestellt werden soll, um eine dann gegebenenfalls höhere Ausbeute zu erreichen.

In Applied Physics Letters, Band 27, Nr. 2, Juni 1975, Seiten 87 bis 89, ist für ein Trennverfahren der hier in Rede stehenden Art die Abhängigkeit des Anreicherungsfaktors vom Gesamtdruck eines SF₆-H₂-Gemisches bekannt. Außerdem ist dort auf die Temperaturabhängigkeit der Absorption der CO₂-Laserlinien durch SF₆ aufmerksam gemacht. Ein Hinweis darauf, in welche Richtung und in Abhängigkeit welcher Parameter die Temperatur zur Einstellung einer optimalen Abtrennungsrate eingestellt werden soll, ist dieser Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.

In der nicht vorveröffentlichten DE-OS 24 58 563 ist ein Verfahren zur Isotopentrennung angegeben, bei dem ein Gemisch aus Isotopenmolekülen und einem Zusatzstoff durch adiabatische Entspannung unterkühlt wird und anschließend die Isotopenmoleküle in diesem Gasstrahl selektiv mit Hilfe eines Lasers angeregt werden. Die angeregten Moleküle reagieren mit dem Zusatzstoff und werden anschließend physikalisch oder chemisch aus dem Gemisch abgetrennt.

Eine Abkühlung des Molekülgases mit Hilfe adiabatischer Entspannung ist auch aus dem nicht vorveröffentlichten deutschen Patent 24 47 762 bekannt.

Eine adiabatische Entspannung zur Abkühlung von Molekülgasen ist darüber hinaus bereits aus der Zeitschrift Nucleonics, April 1960, Seiten 68 ff., bekannt. In dem dortigen Aufsatz von M. Levoy mit dem Titel Uranium Isotope Separation by Nozzles wird das Molekülgas adiabatisch beim Ausströmen aus einer Düse entspannt und abgekühlt. Die Trennung der Isotopenmoleküle erfolgt jedoch nicht über die Reaktion mit einem Zusatzstoff, sondern rein mechanisch: Da sich die leichteren Komponenten des Molekülgases in den peripheren Bereichen des aus der Düse austretenden Gasstrahles und die schwereren Komponenten im Kernbereich konzentrieren, können diese mit Hilfe einer Abstreifdüse voneinander getrennt werden. Da diese mechanische Trennung jedoch nur einen geringen Wirkungsfaktor aufweist, erfolgt die Trennung in einer Vielzahl solcher Trennstufen.

Auch dann, wenn, wie bei den beiden vorhergenannten Verfahren die Trennung der Isotopenmoleküle physiko-chemisch erfolgt, ist die Abkühlung des Molekülgases auf adiabatischem Wege mit anschließender Reaktion problematisch. Die Abkühlung des Molekülgases und die dabei auftretende Druckverminderung beim adiabatischen Prozeß ist ein dynamischer Vorgang, der nicht eindeutig kontrollierbar ist. Die dabei erzielten niederen Temperaturen und geringen Drücke weisen wegen des dynamischen Prozesses Fluktuationen ihrer Werte auf. Da eine selektive Anregng der Isotopenmoleküle jedoch nur bei ganz bestimmten, annähernd stabilen Kriterien möglich ist, kann die Ausbeute bei diesem bekannten Verfahren nur gering sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 43 angegebenen Art zu verbessern, so daß ein hoher Anreicherungsfaktor und eine hohe Trennrate bei jeweils reproduzierbaren Bedingungen erreicht werden.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung für ein Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung ist durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 43 angegeben.

Demgemäß werden die Temperatur und/oder der Gesamtdruck des Gemisches aus Isotopenmolekülen und Zusatzstoff auf Werte eingestellt, derart, daß das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte der Isotopenmoleküle maximal wird. Das Gemisch aus Isotopenmolekülen und Zusatzstoff wird in der Reaktionskammer auf diesen Werten für die Temperatur und den Druck und gegebenenfalls für das elektrische Feld, das Magnetfeld und andere Konditionierparameter gehalten. Erst eine solche Einstellung der Funktionsparameter und das Halten der Systemwerte ermöglicht einen hohen Anreicherungsfaktor und eine hohe Trennrate, die über den Werten für vergleichbare bekannte Verfahren liegen. Mit der Erfindung wird insbesondere ein wirtschaftliches Verfahren zur Abtrennung des U²³⁵-Isotops aus natürlichem Uran mit hoher Ausbeute angegeben.

Das Molekülgemisch in der Reaktionskammer wird auf ausgewählten Werten für die Temperatur, den Druck, das elektrische Feld, das Magnetfeld, und was sonst noch an Konditionierparametern zur Beeinflussung des ursprünglichen Gesamtenergiezustands der Moleküle verwendet werden kann, gehalten. Der Ausgangszustand eines Moleküls soll unterer Energiezustand heißen. Die Moleküle sind in der Lage, in sich zusätzliche Energie in diskreten Beträgen über die drei Mechanismen der elektronischen Anregung, der Schwingungsanregung und der Rotationsanregung, in beliebiger Kombination, zu speichern. Jeder dieser zusätzliche Energie erfordernden Energiezustände soll höherer Energiezustand heißen, und wenn ein besonderer betrachtet wird, so wird dieser der obere Energiezustand genannt. Beispielsweise können bei Verwendung von UF₆ die ausgesuchten Bedingungen so gewählt werden, daß der untere Energiezustand der UF₆-Moleküle den Elektronengrundzustand (d. h. den niedrigst möglichen), eine bestimmte Verteilung von niedrigen Schwingungszuständen und eine bestimmte Verteilung von Rotationszuständen, bestimmt durch die Temperatur, umfaßt, während der obere Energiezustand den Elektronengrundzustand, eine ganz bestimmte Kombination von höheren Schwingungszuständen und die gleiche Verteilung von Rotationszuständen wie der untere Zustand umfassen kann.

Der chemisch reaktive Stoff wird hier in seinem breitesten Sinn definiert und obwohl er, in bevorzugten Anwendungen, nach der gewünschten chemischen Reaktion verändert ist, gibt es auch einige Anwendungen, in denen er nur zur Unterstützung, Katalysation oder Beschleunigung der gewünschten chemischen Reaktion dient und sich dabei selbst chemisch nicht verändert.

Der chemisch reaktive Stoff ist praktisch inaktiv in bezug auf die Moleküle im unteren Energiezustand, reagiert jedoch mit den Molekülen oder beschleunigt die gewünschte Reaktion, wenn sich die Moleküle in einem gewissen höheren Energiezustand, der bestimmte Schwingungszustände enthält, befinden. Wenn der chemisch reaktive Stoff mit den im höheren Energiezustand befindlichen Molekülen wechselwirkt, entsteht eine chemische Verbindung, und diese chemische Verbindung befindet sich in einem zweiten physikochemischen Zustand, der sich von dem ersten physikochemischen Zustand unterscheidet, auf dem das Gemisch gehalten wird. Wenn beispielsweise der chemisch reaktive Stoff gasförmiger Chlorwasserstoff ist, kann das UF₆ mit ihm vermischt und in einem gasförmigen Zustand am unteren Energiezustand gehalten werden, ohne daß mehr als eine sehr schwache chemische Reaktion stattfindet, während nach Anregung der UF₆-Moleküle in den die ν₃-Schwingung enthaltenden oberen Energiezustand eine nennenswerte Umsetzung mit dem Chlorwasserstoff stattfindet, die gasförmiges UF₅Cl und HF als erwünschte Reaktionsprodukte liefert. Die gewünschte chemische Verbindung UF₅Cl ist von UF₆ chemisch verschieden und läßt sich aus dem gasförmigen UF₆/Chlorwasserstoff-Gemisch durch einfaches Differentialgefrieren abtrennen. Bei der Bildung von UF₅Cl wird ein Molekül des chemisch reaktiven Stoffes HCl für jedes gebildete UF₅Cl-Molekül verbraucht.

In einem anderen Beispiel kann gasförmiges UF₆ mit gasförmigem Helium oder Argon gemischt werden, und nach Anregung der UF₆-Moleküle dissoziieren diese zu ausscheidbarem UF₅ oder UF₄ und gasförmigem F₂ als erwünschte Reaktionsprodukte. Bei diesem Fall hindern die Helium- oder Argonatome die dissoziierten Fluoratome F an einer Wiederassoziierung mit UF₅ zur erneuten Bildung des ursprünglichen UF₆ und beschleunigen statt dessen die Bildung von molekularem F₂ aus den F-Atomen. Der chemisch aktive Stoff in Form der Helium- oder Argonatome bleibt in diesem Fall unverändert. Die gebildete gewünschte chemische Verbindung UF₅ befindet sich im festen Zustand und fällt aus dem gasförmigen UF₆/Helium- oder UF₆-Argon-Gemisch aus und kann auf diese Weise physikalisch abgetrennt werden.

Wenn die chemische Verbindung im gleichen physikalischen Zustand wie das Ursprungsgemisch erzeugt wird, kann die Trennung im allgemeinen durch chemische Standardabtrenntechniken, wie Lösungsmittelextraktion, Destillation, Verdampfen, Gefrieren oder andere bewirkt werden, während, wenn der physikalische Zustand des Produkts verschieden ist, vom physikalischen Zustand des Ursprungsgemischs, eine einfache physikalische Trennung des Produkts von den Reaktionspartnern durchgeführt werden kann. Eine Änderung des physikochemischen Zustands kann also eine Änderung des physikalischen Zustands, eine Änderung des chemischen Zustands oder beides sein.

Um die selektive Reaktion von hauptsächlich dem bestimmten Isotopenmolekül, welches das abzutrennende Isotop enthält, zu bewirken, ist es notwendig, den Übergang von hauptsächlich dem bestimmten Isotopenmolekül vom unteren Energiezustand in einen gewissen höheren Energiezustand zu bewirken. Die selektive Isotopenanregung wird erreicht, indem man den Inhalt der Reaktionskammer einem Photonenstrahl aussetzt, der seine Energie bei einer bestimmten Frequenz hat, bei der eine vergleichsweise starke Absorption stattfindet, welche den Übergang von einem unteren Energiezustand in einen ganz bestimmten höheren Energiezustand des bestimmten Isotopenmoleküls, der eine bestimmte Schwingung enthält, bewirkt, wobei bei dieser Frequenz vergleichsweise schwache Absorptionen, die Energieübergänge bei den anderen der Reaktionskammer befindlichen isotopisch unterschiedlichen aber chemisch identischen Molekülen bewirken, auftreten.

Deshalb werden hauptsächlich die bestimmten Isotopenmoleküle selektiv angeregt. In diesem angeregten Zustand können die bestimmten Isotopenmoleküle mit dem chemisch reaktiven Stoff zur Schaffung der chemischen Verbindung wechselwirken. In Anwendungen, bei denen der reaktive Stoff bei der Reaktion selbst chemisch verändert wird, wird dieser im Überschuß vorgesehen, so daß die Mehrzahl der bestimmten angeregten Moleküle die gewünschte Reaktion erfährt, bevor sie über mögliche Austauschstöße mit anderen Molekülen, einschließlich derer, die das andere Isotop enthalten, ihre Anregungsenergie verlieren. Da bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung hauptsächlich die bestimmten Isotopenmoleküle durch die Photonen angeregt werden und der Großteil von ihnen zur Reaktion gebracht wird, bevor ein Stoß mit Energieaustausch auf die anderen Isotopenmoleküle stattfinden kann, enthält die gebildete chemische Verbindung überwiegend Atome des bestimmten Isotops. Bei Anwendungen, bei denen der chemisch reaktive Stoff selbst chemisch nicht verändert wird, sondern die gewünschte Reaktion zur katalysiert oder beschleunigt, wird dieser im Überschuß vorgesehen, um Dissoziationsprodukte daran zu hindern zur ursprünglichen Zusammensetzung zu rekombinieren. Wenn die gewünschte chemische Produktverbindung in einem anderen physikalischen Zustand ist als die Moleküle des Gemischs sind, kann die chemische Produktverbindung physikalisch aus der Reaktionskammer entfernt werden, wie beispielsweise in dem Fall, daß in einem Gasgemisch ein festes Präzipitat gebildet wird. Das Präzipitat kann dann auf herkömmliche Weise weiterverarbeitet werden, um das bestimmte angereicherte Isotop zu gewinnen. Falls sich die neue chemische Produktverbindung im gleichen physikalischen Zustand befindet wie das Ausgangsgemisch (wenn beispielsweise beide gasförmig sind), kann die abschließende Abtrennung durch Lösungsmittelextraktion, Destillation, Kondensation/ Verdampfung oder andere chemische Standardtrennverfahren bewerkstelligt werden.

Der Photonenstrahl kann mit Hilfe eines abgestimmten Lasers gewonnen werden, der extern oder intern gefiltert sein kann, um Photonen mit unerwünschten Frequenzen zu beseitigen oder ihre Erzeugung zu unterdrücken. Es wird also ein Laser ausgewählt, dessen Ausgabe Photonen in dem allgemeinen Frequenzbereich enthält, der zu einem bestimmten photonenaktiven Übergang der Moleküle des Gemischs aus dem ursprünglichen unteren Energiezustand in einem bestimmten oberen Energiezustand gehört. Wegen des als Isotopieverschiebung bekannten Phänomens unterscheiden sich die genauen Frequenzen, die zu starken photoneninduzierbaren Übergängen zwischen dem unteren Energiezustand und dem oberen Energiezustand gehören, etwas für die verschiedenen Isotope und für die die verschiedenen Isotope enthaltenden Moleküle.

Die Filterung der Laserstrahlung wird erreicht, indem man die Laserphotonen intern oder extern eine Filterzelle durchlaufen läßt, wobei mit intern gemeint ist, daß die Filterzelle im Inneren des Lasers zwischen den Endspiegeln des Resonatorsystems angeordnet ist, und mit extern, daß die Filterzelle außerhalb des Lasers im Laserstrahl sitzt. Die Filterzelle enthält eine Ansammlung derjenigen in der Reaktionskammer enthaltenen Isotopenmoleküle, die sich von dem bestimmten Isotopenmolekül unterscheiden, und ist natürlich mit Fenstern versehen, die den Durchtritt des Photonenstrahls des Lasers durch die Zelle gestatten. Sie kann außerdem eine Spiegelanordnung enthalten, um einen langen optischen Weg zu erzielen. Beispielsweise enthält, wenn in der Reaktionskammer U²³⁵F₆- Moleküle und U²³⁸F₆-Moleküle vorhanden sind, die Filterzelle im wesentlichen reine U²³⁸F₆-Moleküle, wenn U²³⁵F₆ zur Reaktion gebracht werden soll. Bei Verwendung eines Infrarot- Lasers mit intern angeordneter Filterzelle werden diejenigen Photonen, deren Energie starken Übergängen der U²³⁸F₆-Moleküle aus dem unteren in einen bestimmten oberen Schwingungszustand entspricht, absorbiert und auf diese Weise am Lasern gehindert, während diejenigen Photonen, deren Frequenzen geringfügig verschieden sind und die einen starken Übergang der U²³⁵F₆-Moleküle, in diesem Beispiel, aus einem unteren Rotationsschwingungszustand in einen oberen Rotationsschwingungszustand entsprechen, die Filterzelle durchlaufen können und den Photonenstrahl bilden, der notwendig ist, um die selektive Anregung der U²³⁵F₆-Moleküle, in diesem Beispiel, in der Reaktionskammer zu bewirken.

Bei obigem Beispiel war angenommen, daß es wünschenswert ist, U²³⁵F₆ zur Reaktion zu bringen. Bei manchen Anwendungen kann es vorzuziehen sein, die Reaktion von U²³⁸F₆ in der Reaktionskammer anstelle derjenigen von U²³⁵F₆ zu beschleunigen. Bei solchen Anwendungen müssen für das hier beschriebene Verfahren die Bezeichnungen U²³⁵ und U²³⁸ vertauscht werden.

Temperatur, Druck und andere Zustandsbedingungen des UF₆-Gases in sowohl der Filterzelle als auch in der Reaktionskammer müssen bei diesem Beispiel so gewählt werden, daß bei der angewandten Laserfrequenz ein hohes Verhältnis der mikroskopischen Absorptionsquerschnitte von U²³⁸F₆, σ₂₃₈, und von U²³⁵F₆, s₂₃₅, vorliegt. Für UF₆ tritt ein hohes Verhältnis der mikroskopischen Absorptionsquerschnitte der Isotopenmoleküle in der Regel an den Rändern der mittleren Spitze der Rotationsschwingungsabsorptionsbande auf, wo die Absorptionsintensität des Kontinuums der Q-Zweige der Heißbanden auf die vielen strukturierten P-Zweige oder R-Zweige der Heißbanden, für das eine der Isotopenmoleküle abzufallen beginnt. Die Lage des höchsten Isotopenquerschnittverhältnisses auf diesen Q-Abfällen bzw. Q-Rändern ist sehr temperaturempfindlich. In der Tat können geringfügige Veränderungen der Temperatur, d. h. die "Temperaturabstimmung", dazu verwendet werden, das optimale Querschnittsverhältnis so hinzuschieben, daß das Absorptionsverhältnis für eine bestimmte angewandte Laserfrequenz maximiert wird. Im allgemeinen gilt, je tiefer die Temperatur des Moleküls, desto steiler die Q-Ränderabfälle und um so höher das Isotopenabsorptionsquerschnittverhältnis.

Das Nichtentdecken dieses Phänomens bzw. das Nichterkennen der damit zusammenhängenden Probleme sowie das Nichtentdecken der oben dargelegten weiteren Einzelheiten der UF₆-Absorptionsbandenstrukturen durch Forscher wie etwa Gürs (siehe oben) sind die Gründe dafür, warum die bekannten Lehren vollkommen unzureichend sind.

Für UF₆ erfolgt die Durchauswahl in der Regel unter Berücksichtigung der gewählten Temperatur, die eine Grenze für den maximal zulässigen Druck, nämlich den Dampfdruck von UF₆, setzt. Dieser Druck ist in der Regel in der Größenordnung von 1 Torr, bei welchem sich benachbarte Rotationsschwingungslinien in den Gebieten der P-Zweige und R-Zweige nicht ganz überlappen. Wenn dies der Fall ist, kann ein "Loch" zwischen benachbarten Rotationsschwingungslinien beispielsweise im Bereich der P-Zweige des U²³⁸F₆-Absorptionsbandenspektrums vorhanden sein, das frequenzmäßig mit der Spitze von einer oder mehreren Rotationsschwingungslinien des U²³⁵F₆ zusammenfällt, was ein hohes Verhältnis der Absorptionsquerschnitte von U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ schafft. Querschnittsverhältnisse an solchen Spitze/Loch-Koinzidenzen können in einigen Banden des UF₆, etwa in der ν₃-Bande, das maximale Querschnittsverhältnis an den oben erwähnten Q-Abfällen übersteigen. Typischerweise können für die ν₃-Bande von UF₆ Querschnittsverhältnisse von 10 oder mehr für die Spitze/Loch abgestimmte Isotopentrennung erreicht werden, während bei einem Arbeiten mit den Q-Abfällen dieses Verhältnis in der Größenordnung von 3 bis 5 liegt.

Für UF₆ können die ν₃-, (ν₁+ν₃)-, (ν₂+ν₃)- und (ν₃+ν₅)- Banden bei Temperaturen unter ungefähr 350 K und Drucken unter ungefähr 3,999 mbar in den Bereichen der P- und R-Zweige mit der Spitze/Loch-Technik betrieben werden. Dreifachkombinations- Banden des UF₆, wie etwa 3ν₃ und (ν₃+n₄+ν₆) haben ihre Q-Zweige jedoch infolge anharmonischer Intervibrationswechselwirkungen so weit ausgebreitet, daß sie selbst in den Bereichen der P- und R-Zweige beherrschend sind, was dazu führt, daß die gesamte Bande im wesentlichen ununterteilt bzw. dicht wird. Daher kann in der Praxis beim Arbeiten auf UF₆-Dreifachkombinationsbanden die A-Abfall-Technik wirkungsvoll zur Isotopentrennung herangezogen werden.

Für weniger schwere Moleküle, wie etwa SeF₆ oder MoF₆, existieren weniger heiße Banden und die Absorptionsbanden-Einhüllende ist weniger vollständig kontinuierlich als diejenige von UF₆. Vielmehr sind die P-Zweige und R-Zweige von SeF₆ bzw. MoF₆ stärker strukturiert mit breiteren Zwischenräumen zwischen angrenzenden Rotationsschwingungslinien (bei hinreichend niedrigen Drucken) und der Überlapp von den ununterteilten Q-Zweigen ist geringer. In diesem Fall, d. h. im Falle mittelschwerer Moleküle, findet man das beste und höchste Querschnittsverhältnis für eine wirksame Isotopentrennung selbst für Kombinationsbanden in der Regel im Bereich der P-Zweige oder R-Zweige an einer Spitze/ Loch-Koinzidenz. Temperatur und Druck sollten so gewählt werden, daß die Rotationsschwingungslinien in den P- und R-Zweigen der Rotationsschwingungsbande im wesentlichen getrennt sind und so, daß in einigen Bereichen des Spektrums in diesen Zweigen die Rotationsschwingungslinien des ausgewählten Isotopenmoleküls sich mit den Rotationsschwingungslinien der anderen Isotopenmoleküle nicht wesentlich überlappen und im wesentlichen zwischen die Rotationsschwingungslinien der anderen Isotopenmoleküle fallen. Man kann daher hohe Absorptionsquerschnittsverhältnisse und eine wirkungsvolle Isotopentrennung erwarten, wenn die Anregung bei den Frequenzen dieser am wenigsten sich überlappenden Rotationsschwingungslinien passiert.

Gewöhnlich wird die Molekülansammlung in der Filterzelle an oder nahe dem gleichen unteren Energiezustand wie die in der Reaktionskammer gehalten.

Neben der Frequenzabstimmung durch die Filterzelle, durch welche eine starke Absorption in der Reaktionskammer durch das unerwünschte Isotop vermieden wird, kann die Laserfrequenz statt dessen oder zusätzlich durch eine Abstimmung mit Hilfe von Resonatorspiegeln so fein abgestimmt und verriegelt werden, daß die genaue Laserfrequenz mit der Frequenz der UF₆-Absorptionsbande dort zusammenfällt und verbleibt, wo das Verhältnis der mikroskopischen Absorptionsquerschnitte von U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ für die Isotopentrennung optimal ist. Dabei können die verschiedensten Mittel der Resonatorspiegelabstimmung zur Verbesserung der Isotopentrennung eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein justierbarer Gitterendspiegel verwendet werden, der die Laserfrequenz so festheftet, daß sie innerhalb der Einhüllenden einer bestimmten laserbaren Linie des Lasermediums, die nahe am Frequenzbereich des UF₆-Absorptionsspektrums liegt, dort verbleibt, wo das Querschnittsverhältnis optimal ist. Eine weitere Feinabstimmung läßt sich dann durch Veränderung des Laserspiegelabstands erreichen, die feine Änderungen in der genauen Frequenz der Laserausgangsstrahlung verursacht.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine weitere Spiegel-Feinabstimmung durch ein Doppelresonatorsystem erreicht, bei welchem das Laserrohr und das Filterrohr innerhalb des optischen Resonatorraums der zwei Laserspiegel, die in weitem Abstand voneinanderliegen, und ein langes Resonatorbein A bilden, so angeordnet sind, während einer dieser zwei Laserspiegel, der teildurchlässig ist, mit einem zweiten Spiegel gekoppelt ist, der in einem kurzen Abstand davon liegt, wodurch ein kurzes Resonatorbein B gebildet wird. Das kurze Resonatorbein B und das lange Resonatorbein A bilden ein gekoppeltes Doppelresonatorsystem, dessen erlaubte optische Frequenzen durch den Abstand der Spiegel des kurzen Resonatorbeins B des Doppelresonatorsystems bestimmt werden. Durch Schwingenlassen des äußeren Spiegels des langen Resonatorbeins A mit beispielsweise 120 Perioden pro Sekunde und durch Halten und Festsetzen des Abstands der Spiegel des kurzen Resonatorbeins B auf einen festen Wert gestattet das Doppelresonatorsystem 120mal pro Sekunde einen Laserausbruch mit einer sehr genauen Frequenz, die durch den Wert des Spiegelabstands des kurzen Resonatorbeins B bestimmt wird. Durch Änderung des Werts des Spiegelabstands des kurzen Resonatorbeins B mit einer üblichen piezoelektrischen Mikropositionieranordnung beispielsweise kann auf verschiedene sehr genaue Laserfrequenzen abgestimmt werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Filterzelle zwischen den Endspiegeln des Laserresonators angeordnet, und man erhält im Betrieb einen höheren Gesamtwirkungsgrad, weil die Filterzelle die Erzeugung von Laserphotonen unerwünschter Frequenzen unterdrückt und hauptsächlich die Erzeugung von Laserphotonen der am meisten erwünschten Frequenz im Laserhohlraum fördert. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Filterzelle außerhalb der Laserendspiegel angeordnet ist, wird die gesamte Laserausgangsenergie, die von Laserphotonen mit unerwünschten Frequenzen getragen wird, entfernt und ist verloren. Trotz des niedrigeren Gesamtwirkungsgrads bei der Anordnung mit einer externen Filterzelle im Vergleich zu der mit einer internen Filterzelle kann manchmal erstere Anordnung vorzuziehen sein, weil sie eine größere Unabhängigkeit zwischen dem Betrieb des Lasers und dem der Filterzelle bietet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann überhaupt keine Filterzelle verwendet und die Reaktionskammer innerhalb des Laserhohlraums angeordnet sein, wo sie gleichzeitig sowohl als Filterrohr als auch als Reaktionskammer wirkt. Schließlich kann in einer noch anderen Anordnung ein mit Hilfe eines Doppelresonators abgestimmter und verriegelter Laser ohne irgendein Filterrohr verwendet werden.

Einzelheiten der Erfindung, der genannten und weiterer Ausführungsbeispiele ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der gleiche Bezugszeichen durchgängig gleiche Teile bezeichnen. Auf der Zeichnung ist bzw. sind:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3A bis 3F sind graphische Darstellungen einiger zu einer Ausführungsform der Erfindung gehöriger physikalischer Charakteristika,

Fig. 4 eine graphische Darstellung einiger zu einer weiteren Ausführung der Erfindung gehöriger physikalischer Charakteristika,

Fig. 5 eine dritte graphische Darstellung einiger zu einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gehöriger physikalischer Charakteristika,

Fig. 6 ein schematisches und Flußdiagramm zu einer Betriebsanlage auf den Grundlagen der Erfindung, welches das Abziehen von Produkt und Abfall und das In-den- Kreislauf-Zurückführen unverbrauchter Chemikalien in einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher das Produkt gasförmiges isotopenangereichertes UF₅Cl ist,

Fig. 7 und 8 schematische Darstellungen einer für die Durchführung der Isotopentrennung zweckmäßigen Konstruktion gemäß den Grundlagen der Erfindung und

Fig. 9 ein schematisches Flußdiagramm einer Betriebsanlage gemäß den Grundlagen der Erfindung, welches den Abzug von Produkt und Abfall und das Rückführen unverbrauchter Chemikalien in den Kreislauf bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher das Produkt ein festes isotopenangereichertes UF₅- oder UF₄-Präzipitat ist,

Fig. 10 und 11 zeigen Einzelheiten der Anordnung eines bei einigen Ausführungsformen verwendeten Katalysators in der Reaktionskammer.

Der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird zunächst eine kurze Diskussion der mit der Durchführung der Erfindung verbundenen physikalischen Vorgänge vorangestellt, um ein umfassenderes Verständnis der mit der Durchführung der Erfindung verbundenen Techniken zu vermitteln, damit sie sich dem Fachmann besser erschließt.

Bei einem Molekül in der Gasphase existieren 3 Haupttypen von Mechanismen zur Speicherung von innerer Energie, von denen jeder diskrete Energiebeträge aufnehmen oder abgeben kann. Diese sind: Der elektronische, der Schwingungs- und der Rotations-Mechanismus zur Speicherung von innerer Energie. Jeder dieser Typen von Energiespeichermechanismen besitzt gewisse diskrete Energieniveaus, wobei der gespeicherten Energie entweder durch Energietransfer beim Stoß mit einem anderen Molekül oder durch Absorption bzw. Emission eines Photons Energie in Beträgen, die Differenzen zwischen diesen Energieniveaus entsprechen, zugeführt oder abgezogen werden können.

Die Energiemengen (sogenannte Quanten), die bei Übergängen zwischen Elektronenniveaus ausgetauscht werden, sind in der Regel um eine Größenordnung größer als die Quanten, die bei Übergängen zwischen Schwingungsniveaus erzeugt werden, während die bei Rotationsübergängen ausgetauschten Quanten Energien haben, die wiederum um eine Größenordnung kleiner sind, als diejenigen der Schwingungsübergänge. Bei übergängen unter Absorption oder Emission von Photonen liegt die Wellenlänge des zu einem elektronischen Übergang gehörigen Photons im allgemeinen im ultravioletten und sichtbaren Teil des Spektrums, die Photonenwellenlänge für Schwingungsübergänge liegt im Infraroten, während durch Rotationsübergänge Photonen entstehen, deren Wellenlängen im Mikrowellenbereich liegen.

Je größer die Anzahl der Atome in einem Molekül ist, um so mehr schwingende Bindungen können im allgemeinen zwischen Atomen und Atomtruppen vorliegen und um so größer ist die Anzahl der sogenannten Normalschwingungen. Jede Normalschwingung besitzt eine Reihe diskreter Energieniveaus, und im allgemeinen kann ein Übergang im Schwingungszustand eines Moleküls gleichzeitige Änderungen in den Niveaus einer beliebigen Kombination von Normalschwingungen beinhalten.

Im Hinblick auf die Energie, die notwendig ist, um einen Übergang von einem Elektronen-Energiezustand in einen anderen Elektronen-Energiezustand mit Hilfe von Molekülstößen, bei denen eine Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie stattfindet, zu bewirken, werden, da die benötigten Energieaustauschquanten vergleichsweise groß sind, bei den meisten Molekülen die höheren elektronischen Energiezustände erst bei Temperaturen erreicht, die sich den Plasmatemperaturen von der Größenordnung 3000 K oder mehr nähern. Eine kinetische Anregung der höheren Schwingungszustände unter Verbleib des Elektronenzustands im Grundzustand läßt sich typischerweise bei Temperaturen von 200 bis 2000 K erreichen. Bei niedrigeren Temperaturen, wie etwa Raumtemperatur, bei ungefähr 300 K, können im allgemeinen nur kinetische Anregungen und Entregungen stattfinden, die über Übergänge zwischen Rotations- und Schwingungsenergieniveaus gehen.

Die kinetischen Anregungen, bei welchen während eines Stoßes zwischen zwei Molekülen kinetische Übergangsenergie ausgetauscht wird und elektronische, Schwingungs- oder Rotationsenergie ausgetauscht wird und elektronische, Vibrations- oder Rotationsniveaus geändert werden, sind zu unterscheiden von Molekülwechselwirkungen mit Photonen, bei welchen unter Absorption oder Emission eines Photons Rotationsniveaus, Schwingungsniveaus und/oder Elektronenniveaus angeregt oder entregt werden. Die Absorption eines Photons hebt die innere Energie eines Moleküls an, die Emission eines Photons vermindert die innere Energie.

Bei Photon-Molekülwechselwirkungen sind nicht alle möglichen Übergängen zwischen tieferen und höheren Rotations-, Schwingungs- oder Elektronenniveaus erlaubt. Es sind vielmehr nur gewisse Übergänge erlaubt, die durch die sogenannten Auswahlregeln bestimmt werden. Die bei photoneninduzierten Prozessen möglichen angeregten Rotations-, Schwingungs- oder elektronischen Übergänge sind also auf die durch die Auswahlregeln definierten beschränkt. Indem die Auswahlregeln die zulässigen Übergänge definieren, definieren sie ferner auch die zur Erreichung eines gewissen Übergangs, der ein elektronischer, Schwingungs- oder Rotationsübergang oder irgendeine Kombination davon sein kann, von einem tieferen in einen höheren Energiezustand notwendige Photonenenergie. Übergänge, bei welchen sowohl ein elektronischer als auch ein Schwingungszustand gleichzeitig geändert werden, nennt man vibronische Übergänge, während man Übergänge, bei welchen sich unter Beibehaltung des Elektronenzsutands sowohl der Schwingungszustand als auch der Rotationszustand ändern, Rotationsschwingungsübergänge nennt. Da während Änderungen des Schwingungszustands immer Änderungen des Rotationszustand auftreten, nennt man die Rotationsschwingungsübergänge im allgemeinen Schwingungsübergänge. Die Begriffe Schwingungsenergieänderungen und Rotationsschwingungsenergieänderungen beziehen sich daher auf die gleiche Zustandsänderung. Ein vibronischer Übergang ist auch von einem gleichzeitigen Rotationsübergang begleitet, jedoch ist die Wirkung des letzteren auf den vibronischen Übergang im allgemeinen unbedeutend und wird daher nicht besonders erwähnt.

Das Strahlungsemissionsspektrum eines vibronischen Übergangs besteht in der Regel aus einer Reihe von Banden, wobei sich innerhalb jeder Bande eine Struktur wiederfindet, die sich aus den einzelnen Rotationslinien zusammensetzt, deren Abstand und Ordnung durch die Auswahlregeln für die Strahlungsübergänge bestimmt werden. Das Strahlungsemissionsspektrum aus einem Rotationsschwingungsübergang ist im allgemeinen eine einzelne Bande. Für schwere Moleküle sind viele Schwingungszustände niedriger Energie bereits kinetisch angeregt, d. h., der untere Energiezustand des Übergangs enthält verschiedene niedrige Schwingungszustände. In diesem Fall setzt sich eine Schwingungsbande aus einer Überlagerung von vielen sogenannten "Heißbanden" zusammen, deren Umrisse gleich sind, deren Intensitäten jedoch variieren und deren Frequenzen sich infolge anharmonischer Verschiebungen unterscheiden, wobei diese Verschiebungen für jeden Schwingungszustand niedriger Energie, auf welchen das Molekül bereits thermisch angeregt war, eine andere ist.

Typische Lebensdauer für die spontane Emission von Strahlung durch Moleküle in elektronisch angeregten Zuständen oder ionisierten Zuständen liegen in der Größenordnung von 10^-6 bis 10^-8 Sekunden. Aus diesem Grund lassen sich chemische Reaktionen mit Molekülen in angeregten Zuständen nur schwer erreichen, es sei denn, daß die Reaktionszeiten schneller als 10^-6 bis 10^-8 Sekunden sind. Ein Beispiel solch schneller Reaktionen sind dissoziative Reaktionen, bei welchen das Molekül durch die vibronische Anregung auseinanderbricht.

Strahlungslebensdauern von vibronisch angeregten Zuständen liegen in der Umgebung von 1 bis 10^-3 Sekunden. Es existiert daher ausreichend Zeit für eine chemische Reaktion über eine Wechselwirkung mit Reaktionspartnern, welche bei typischen Drucken von 1,013 · 10^-4 bis 1,013 · 10^-2 bar gewöhnlich 10^-7 bis 10^-3 Sekunden pro Molekülreaktion benötigt. Rotationszustände haben Strahlungslebensdauern, die üblicherweise im Bereich zwischen 10 und 10⁴ Sekunden liegen.

Neben der Abregung eines angeregten Schwingungszustands durch Photonenemission ist ein weiterer wichtiger Verlustmechanismus die kinetische oder Kollisionsabregung, die auch Vibrations-Translations-Relaxation (VT-Relaxation) genannt wird. Für eine wirkungsvolle chemische Reaktion von laserangeregten Isotopenmolekülen muß die chemische Reaktionsgeschwindigkeit von der Größenordnung der und vorzugsweise größer als die VT-Relaxations- und Photoemissionsgeschwindigkeiten sein. Im allgemeinen ist die VT-Geschwindigkeit um so langsamer je schwerer das Molekül ist. Die Reaktion:

UF₆* (ν₃) + HCl → UF₅Cl + HF* (v = 1 oder 2) (1)

beispielsweise genügt diese Bedingung, weil die chemische Reaktion von HCl mit angeregtem UF₆ (UF₆*), das auf den angeregten Schwingungszustand ν₃ angeregt ist, schneller als die VT-Abregungsgeschwindigkeit der ν₃-Schwingung durch andere UF₆-Moleküle ist. Der sogenannte Schwingungs-Schwingungs- bzw. Vibrations-Vibrations- oder VV-Transfer der ν₃- Schwingung von etwa U²³⁵F₆* auf U²³⁸F₆ ist aus den gleichen Gründen, nämlich wegen der hohen Masse des UF₆, langsam, verglichen mit der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit. Die Reaktion (1) erfordert, daß UF₆ auf eines oder mehrere Niveaus der ν₃-Schwingung angeregt wird. Andere Schwingungen, wie etwa ν₅ oder ν₆, können keinen aktivierten Komplex erzeugen, der zu Reaktion (1) führt.

Es hat sich experimentell gezeigt, daß Reaktion (1) bei einem Gesamtdruck von 3 Torr und einer Temperatur von 295 K mit einer Quantenausbeute von ungefähr 25% abläuft. Die Reaktion ist exotherm mit einer Energiefreisetzung von ungefähr 1±0,5 eV und nahezu thermoneutral, wenn das erzeugte HF ein- oder zweimal schwingungsangeregt wird (hn _e = 0,513 eV). Von den thermoneutralen Reaktionen weiß man, daß sie mit hohen Geschwindigkeiten ablaufen. Die Anregung der ν₃-Schwingung in UF₆ hat sich als wesentlich für die chemische Reaktion mit HCl herausgestellt. Bei Raumtemperatur ist UF₆ bereits in wesentlichem Maße auf viele Schwingungszustände, einschließlich des ν₃-Zustands, angeregt, aber die meisten dieser angeregten Zustände sind die tieferliegenden Schwingungen ν₆, ν₅ und ν₄. Wenn UF₆ mit einem geeigneten Laser, etwa einem ClF-Laser, auf das ν₃-Niveau gepumpt wird, dann wird die n₃-Population von UF₆ auf einen Wert gezwungen, der das thermische Populationsniveau von ν₃ in erheblichem Maße überschreitet. Wegen der langsamen VT- und VV-Relaxation der ν₃-Schwingung (im wesentlichen wegen der großen Masse von UF₆) ist der Aufbau einer hohen ν₃-Population möglich, und die chemische Reaktion mit HCl in einem UF₆/HCl-Gemisch wird erheblich über die thermische Reaktionsgeschwindigkeit hinaus gesteigert.

Bei Betrachtung der Energieübergänge, die bei der Durchführung der Erfindung nützlich sind, darf das Augenmerk nicht nur auf die erlaubten Energieübergänge der Moleküle, sondern muß auch auf die Mittel zur Erzeugung der Photonen mit Energien, die den gewünschten Energieübergängen entsprechen, gerichtet werden.

Eine Schwingungs-Absorptionsbande, ob sie nun Teil der Reihe von Banden in einem vibronischen Spektrum oder eine Bande aus einem Rotationsschwingungsspektrum ist, weist eine Einhüllende auf, die sich über einen bekannten Bereich von Photonenfrequenzen erstreckt, und innerhalb dieser Einhüllenden befinden sich nahezu diskrete Frequenzen, auch Linien genannt, die den erlaubten Rotations- und Schwingungs- Übergängen (Rotationsschwingungs-Übergänge) entsprechen. Die Rotationsschwingungslinien unterliegen einer Druck- und Temperaturverbreiterung. Das heißt, daß mit Anhebung der Temperatur der Moleküle die geringe Variation in erlaubten Frequenzen, die zu einer Rotationsschwingungslinie gehören, zunimmt. Bei ausreichend hoher Temperatur kommt es zu einer wesentlichen Überlappung der Linien und es ist kein Zwischenraum zwischen den Linien mehr vorhanden. Dieser Verbreiterungseffekt auf die Rotationsschwingungsliniein wird oft "Temperaturverbreiterung" genannt. Ein anderer Effekt, der zu einer Verbreiterung der Linien führt, tritt auf, wenn man den Druck oder die Dichte der Moleküle erhöht. Dies nennt man "Druckverbreiterung".

Die meisten Schwingungsbanden kann man in drei verschiedene Bereiche unterteilen, nämlich den P-, den Q- und den R-Zweig. Die Rotationsschwingungslinien der P- und R-Zweige (die den linken und den rechten Flügel der Bande umfassen) liegen bei geeignet niedrigen Drucken ziemlich weit auseinander, in dem in der Mitte liegenden Q-Zweig überlappen sich jedoch benachbarte Rotationsschwingungslinien stets, so daß der mittlere Q-Zweig in einer Rotationsschwingungsbande stets als eine breite ununterteilte starke Emissions- oder Absorptionsbande erscheint. Bei ausreichend hohen Normalfrequenzen (n _α ≳ 1000 cm^-1) existiert in der Regel eine einzige Schwingungs-Emissions- oder Absorptionsbande, wenn diese jedoch niedrig sind (ν _α ≲ 1000 cm^-1), überlagern sich eine Anzahl von sogenannten "Heißbanden" bei Raumtemperatur, von denen jede aus einer einzelnen P-, Q-, R-Zweig-Folge zusammengesetzt ist. Da jede Heißbande verglichen mit der Kaltbande infolge von anharmonischen Effekten geringfügig in der Frequenz verschoben ist, führen die überlagerten Heißbanden in ihrer Gesamtheit dazu, daß der mittlere Abstand der Rotationsschwingungslinien in den P- und R-Zweigen erheblich verringert wird, während die heißen Q-Zweige dazu führen, daß der Mittelteil der Bande ein erheblich ausgebreiteter Kontinuum-Absorptionsbereich (oder Emissionsbereich) wird.

Ein Heißbandenübergang ist ein Übergang, bei welchem das untere Schwingungsniveau des betrachteten grundlegenden Übergangs nicht der absolute Grundzustand ist, sondern ein Zustand, bei welchem eine oder mehrere Normalschwingungen niedriger Frequenz angeregt sind. Im allgemeinen sind die Schwingungsfrequenzen um so niedriger, je schwerer die Atome in einem Molekül sind, und um so reichlicher ist daher die Heißbandenbildung. Die Zahl der existierenden Heißbanden ist auch um so größer, je höher die Temperatur ist. Für UF₆ gibt es bei Raumtemperatur einige tausend wirksame Heißbanden, während bei 235 K diese Zahl ungefähr 300 beträgt.

Wegen der Dominanz der vielen verteilten Q-Zweige ist infolgedessen ein weiter Bereich des Absorptionsspektrums in der Mitte einer Vibrationsbande des UF₆ kontinuierlich. Es treten jedoch einige Bereiche mit aufgelockerter Struktur weit draußen im Bereich der P-Zweige und in einem begrenzten Abschnitt des Bereiches der R-Zweige auf, wenn die Gasdrucke im allgemeinen unter ungefähr 3,999 mbar liegen.

Je niedriger die Temperatur, desto kompakter wird im allgemeinen der Bereich der Q-Zweige und desto mehr aufgelockerte Struktur befindet sich in den Bereichen der P- und R-Zweige. Auch hat eine Grundbande (ν₃ oder ν₄ bei UF₆) eine geringere Dominanz durch Q-Zweige als die Zweifach- oder Dreifachkombinationsbande, wie etwa 3ν₃. Für letztere ist die anharmonische Intervibrationsverschiebung größer. Für die (ν₃+ν₄+ν₆)- und die (3ν₃)-Dreifachkombinationsbanden von UF₆ beispielsweise sind die Q-Zweige bei Raumtemperatur über mehr als 12 cm^-1 des Frequenzraums ausgebreitet, was im wesentlichen dazu führt, daß die gesamte Bande eine einzige ununterteilte bzw. dichte Bande ohne offene bzw. aufgelockerte Struktur wird. In diesen Fällen läßt sich eine Isotopentrennung mit guter Ausbeute im allgemeinen bei Frequenzen an den Rändern der Einhüllenden der Q-Zweige, sowohl auf der Niederfrequenz- als auch auf der Hochfrequenzseite, durchführen.

Dieser spektrale Lösungsweg wird "Q-Abfall-Methode" genannt, zum Unterschied vom "Spitze-Loch"-Verfahren in den offenstrukturierten Bereichen der P- oder R-Zweige, das weiter unten diskutiert wird.

Für die (ν₃+n₄+ν₆)- und (3ν₃)-Banden von UF₆, deren Frequenzen nahe bei den CO₂- und CO-Laseremissionslinien liegen, dominieren die heißen Q-Zweige selbst bei niedrigen Temperaturen die gesamte Bande. In diesen Fällen ist also die "Q-Abfall-Methode" angezeigt. Der Abfall der Q-Ränder wird steiler mit abnehmender Temperatur, weshalb für zwei Isotopenmoleküle, deren Spektren eine Isotopieverschiebung aufweisen, die Möglichkeiten für eine Isotopentrennung bei niedrigeren Temperaturen besser (d. h. höher) werden, weil das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte der Isotopenmoleküle größer wird. Am Hochfrequenzrand variiert der Abfall der Einhüllenden der Q-Zweige theoretisch ungefähr mit dem Kehrwert der Temperatur, wenn man den Logarithmus des Absorptionsquerschnittes gegen die Frequenz aufträgt. Je niedriger daher die Temperatur, desto steiler der Abfall und desto besser daher die Möglichkeit für eine gute Isotopentrennung durch die Q-Abfall- Methode wegen des höheren Absorptionsquerschnittsverhältnisses.

Für die ν₃-Grundbande des UF₆ nehmen die dichten Q-Zweige im Mittelbereich nur ungefähr 5 cm^-1 bei einer Temperatur von 300 K ein, und 3 cm^-1 des Frequenzraums bei 230 K. Im Gegensatz zu den 3ν₃- und (ν₃+ν₄+ν₆)-Banden dominieren die heißen Q-Zweige von ν₃ nicht vollständig die gesamte Absorptionsbande. Für ν₃ können Bereiche der P- und R-Zweige mit Spitzen und Löchern existieren, wenn der Druck unterhalb von ungefähr 1,333 mbar liegt.

Als Ergebnis der obigen Überlegungen ist eine echte Einstufenisotopentrennung möglich, indem man eine geeignete Laserlinie eines ClF-Lasers beispielsweise auf eine Spitze der P-Zweige oder R-Zweige von U²³⁵F₆ abstimmt, die mit einem Loch im U²³⁸₆-Spektrum, oder vice versa, zusammenfällt, wie weiter unten in Verbindung mit Fig. 3 diskutiert wird. Dieser spektrale Lösungsweg wird "Spitze-Loch-Verfahren" genannt, im Gegensatz zum oben diskutierten Q-Abfall-Lösungsweg.

Im allgemeinen lassen sich für den Q-Abfall-Lösungsweg Frequenzen finden, bei welchen das Verhältnis der Isotopenabsorptionsquerschnitte (s₂₃₅/σ₂₃₈ oder σ₂₃₈/σ₂₃₅) 2 bis 5 beträgt, während bei dem Spitze-Loch-Verfahren ein Verhältnis von ungefähr 10 oder mehr bei UF₆ möglich ist.

Wenn nur gewisse Rotationsschwingungsübergänge des einen Isotops in den P- oder R-Zweigen einer Schwingungsbande induziert werden sollen und nicht auch solche von angrenzenden überlappenden Linien anderer Isotope, und vorausgesetzt, daß die Ausbreitung der heißen Q-Zweige begrenzt ist und dieses zulassen, ist es notwendig, daß die Temperatur und der Druck der Moleküle vergleichsweise niedrig gehalten werden, so daß die Frequenzbreiten der Rotationsschwingungslinien klein und wenigstens kleiner als die Frequenzdifferenz zwischen den Mitten zweier aufeinanderfolgender Rotationsschwingungslinien, die man auch den Linienabstand nennt, sind. Eine tiefe Temperatur minimalisiert ferner die Bildung von Heißbanden und damit eine mögliche Dominierung der strukturierten P- und R-Zweige durch die kontinuierlichen Q-Zweige.

Ein anderes physikalisches Merkmal, das zum Verständnis der Grundlagen der Erfindung wichtig ist, ist die sogenannte Isotopie-Frequenzverschiebung von Übergängen zwischen Schwingungszuständen. Da die Frequenz des zu bestimmten Übergängen zwischen Schwingungszuständen gehörigen Photons von der Masse des Moleküls abhängt, sind die Mittenfrequenzen der Schwingungsbanden zweier chemisch identischer aber isotopisch verschiedener Moleküle etwas voneinander verschieden. Eine Isotopieverschiebung existiert auch für elektronische Übergänge, jedoch ist diese Verschiebung wesentlich kleiner als die zu Übergängen zwischen Schwingungsniveaus gehörige Isotopieverschiebung.

Da die Frequenzen der Schwingungsbanden von zwei chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen in dieser Weise verschoben sind, können die Rotationsschwingungslinien der P- und R-Zweige der Bande eines der Isotopenmoleküle im wesentlichen zwischen die Rotationsschwingungslinien in gewissen Bereichen der P- und R-Zweige der Bande des anderen Isotopenmoleküls fallen, und zwar unter Bedingungen, unter denen und in Bereichen, wo heiße Q-Zweige nicht dominieren. Wenn also unter solchen Bedingungen eine Isotopentrennung in einem Isotopengemisch von Molekülen bewirkt werden soll, wird das Gemisch mit extrem monochromatischen Photonen bei einer Frequenz bestrahlt, die mit der Spitze von irgendwelchen 1 bis 20 überlappenden Rotationsschwingungslinien in der Rotationsschwingungsbande von nur einem der zwei Isotopenmoleküle und mit keiner oder wesentlich weniger Rotationsschwingungslinien des anderen Isotopenmoleküls zusammenfällt. Im allgemeinen können unter den allgemein verfügbaren Lasern die Infrarotlaser Photonen mit der Monochromasie liefern, die notwendig ist, um die scharfen Spitzen von einer bis 20 zusammenfallenden Rotationsschwingungslinien in einer Rotationsschwingungsbande anzuregen, während Ultraviolett- Laser solche Spitzen in einer vibronischen Bande anregen können. Deshalb wird in den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ein Laser als Photonenquelle verwendet. Es versteht sich jedoch, daß, falls verfügbar, an seine Stelle auch irgendeine andere Quelle treten kann, die solche Photonen liefert.

Wenn kontinuierliche heiße Q-Zweige im größten Teil der Absorptionsbande eines Moleküls mit zwei oder mehr Isotopenarten dominieren, liegt die für die Isotopentrennung optimale Frequenz gewöhnlich dort, wo der Abfall der Einhüllenden für den mikroskopischen Absorptionsquerschnitt der Q-Zweige (aber nicht der Transmissionskurve der Q-Zweige) für eines der Isotopenmoleküle am höchsten ist. Der Bereich, wo die Einhüllende für die Q-Zweige am steilsten ist, tritt in den meisten Fällen an den linken und rechten Rändern der Einhüllenden der Q-Zweige auf, wo die Intensität der Gesamtheit der heißen Q-Zweige auf das Niveau der Linienintensitäten der P- oder R-Zweige abfällt. In einem solchen Q-Abfall- Bereich ist das Verhältnis von dem Absorptionsquerschnitt des ausgewählten Isotopenmoleküls zu demjenigen des anderen Isotopenmoleküls am höchsten und somit die Isotopentrennung optimal. Wiederum werden Photonen mit einem hohen Grad an Monochromasie zur Wahrung eines hohen Verhältnisses der Isotopenabsortionsquerschnitte benötigt.

Da die Schwingungs-Isotopieverschiebung von Molekülen gewöhnlich erheblich größer als die zu Atomen gehörige elektronische Isotopieverschiebung ist, ergibt die Verwendung von Molekülen und die Ausnützung ihrer Schwingungs-Isotopieverschiebung gemäß der Erfindung eine wesentlich wirkungsvollere Isotopentrennung, als wenn Atome, in elementarer Form, vewendet würden und eine Isotopentrennung über die elektronische Isotopieverschiebung, wie bisher vorgeschlagen, versucht würde. Dies gilt insbesondere für hochsiedende Elemente, die ein Molekül mit niedrigem Siedepunkt bilden können. Je höher die Masse der Isotopenelemente ist, desto schwieriger ist es, eine Isotopentrennung über die reine elektronische Isotopieverschiebung bei elementaren Atomen anzuwenden. Deshalb erweist sich eine molekulare Isotopentrennung, die auf die Schwingungs-Isotopieverschiebung baut, als brauchbarer.

Um sicherzustellen, daß die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Laserphotonen eine Frequenz haben, die so genau wie möglich eine Frequenz in der Absorptionsbande, wo das unerwünschte Isotop ein Loch oder Linie/Loch hat (Spitze-Loch-Verfahren), trifft, oder einen Bereich, wo die Absorptionsintensität des abzutrennenden Isotopenmoleküls verglichen mit der Absorptionsintensität des anderen Isotopenmoleküls hoch ist (Q-Abfall-Verfahren), kann die Frequenz der Laserphotonen mit Hilfe einer Filterzelle, die intern oder extern bezüglich des Laser-Resonatorsystems angeordnet ist, abgestimmt werden. Eine solche Filterzelle ist gewöhnlich für das Spitze-Loch-Verfahren wesentlich, kann jedoch bei dem Q-Abfall-Verfahren weggelassen werden. Die Filterzelle enthält Moleküle mit Atomen eines Isotops, die von den Molekülen mit den anzuregenden und abzutrennenden Isotopenatomen verschieden sind. Daher werden Laserphotonen mit Frequenzen, die auf die Frequenzen starker Rotationsschwingungslinien der in der Filterzelle befindlichen Moleküle passen, unterdrückt bzw. durch Absorption beseitigt, und nur Photonen mit Frequenzen zwischen den Spitzen der Linienfrequenzen können erzeugt bzw. vom Laser weitergegeben werden. Da in bestimmten Spektralbereichen die Moleküle mit dem anzuregenden und abzutrennenden Isotop starke Rotationsschwingungslinien oder andere Absorptionsgebiete mit Spitzen in Lagen zwischen den Linien der in der Filterzelle befindlichen Molekül haben, können die Laserphotonen Frequenzen haben, die auf diese starken Absorptionsfrequenzen des anzuregenden und abzutrennenden Isotopenmoleküls passen oder nahezu passen.

Zusätzlich erreicht man eine Spiegelabstimmung der Laserphotonenfrequenzen zur Erzielung einer besseren Koinzidenz mit einer Frequenz, bei welcher man das höchste Absorptionsquerschnittsverhältnis zwischen dem anzuregenden und abzutrennenden Isotopenmolekül und dem anderen Isotopenmolekül oder den anderen Isotopenmolekülen erhält, indem man ein drehbares Gitter als einen Endspiegel zur Grobabstimmung verwendet und den Abstand zwischen zwei zusätzlichen, teildurchlässigen und eng beeinanderliegenden Laserspiegeln zur Feinabstimmung variiert. Das Resonatorsystem zur Feinabstimmung, welches 3 Spiegel- bzw. Teilspiegelelemente umfaßt, wird oft "Doppelresonatorsystem" oder "gekoppeltes Resonatorsystem" genannt.

Für das Spitze-Loch-Verfahren ist gewöhnlich eine Spiegelgrob- und -feinabstimmung wesentlich, für die Q-Abfall- Methode ist eine Grobabstimmung nur mit einem drehbaren Gitter im allgemeinen ausreichend.

Unter manchen Bedingungen kann die Schwingungs-Isotopieverschiebung dazu führen, daß viele der in wiederkehrenden Abständen liegenden Rotationsschwingungslinienfrequenzen in den P- und R-Zweigen der Rotationsschwingungsbande des einen Isotopenmoleküls mit Rotationsschwingungslinienfrequenzen des anderen Isotopenmoleküls zusammenfallen. Da jedoch die Abstände der Rotationsschwingungslinien nicht vollständig linear sind und da bei allen Linien infolge von intramolekularen Strömungen auch Aufspaltungen vorhanden sind und da es ferner viele nichtproportionale anharmonische Verschiebungen der Heißbanden gibt, hat sich im Falle sehr schwerer Moleküle, wie etwa UF₆, gezeigt, daß es Gebiete im interessierenden Frequenzbereich gibt, wo einige Rotationsschwingungslinienfrequenzen des einen Isotopenmoleküls im wesentlichen zwischen Rotationsschwingungslinienfrequenzen des anderen Isotopenmoleküls in den Frequenzbereichen der P- und R- Zweige fallen. Durch Wahl eines Infrarot-Lasers mit einer Ausgangsfrequenz in einem solchen Bereich kann die Laserfrequenz dann durch Filterung und/oder Spiegelabstimmung, wie oben beschrieben, so einjustiert werden, daß sie im wesentlichen mit einem Übergewicht an Linien des einen Isotopenmoleküls zusammenfällt. Selbst für Bedingungen, bei welchen die heißen Q-Zweige das Bandenspektrum dominieren, erzeugt die Schwingungs-Isotopieverschiebung Bereiche im Spektrum, wo ein hohes Verhältnis des Absorptionsquerschnitts des einen Isotopenmoleküls in bezug auf den des anderen Isotopenmoleküls existiert. Solche Bereiche treten in der Regel an den seitlichen Abfällen der Einhüllenden der Q-Zweige auf. Ein Infrarot-Laser, bei welchem die Frequenz der ausgehenden Photonen auf solche Bereiche, wie beschrieben, abgestimmt werden kann, läßt sich für eine wirkungsvolle Isotopentrennung heranziehen.

Wenn die Filterzelle innerhalb des Lasers-Resonators, d. h. zwischen den Endspiegeln, angeordnet ist, und wenn dieser Laser ferner mit Hilfe der Gitterspiegeljustierung so abgestimmt ist, daß er mit seiner Frequenz auf einen Bereich mit geringstem Überlapp bzw. höchstem Absorptionsquerschnittsverhältnis, je nachdem, ob die Spitze-Loch-Technik oder die Q-Abfall-Technik herangezogen wird, fällt, können nur diejenigen Photonen lasern, die von der Filterzelle am wenigstens absorbiert werden, d. h. diejenigen Photonen mit der für die Anregung des gewünschten Isotopenmoleküls am wünschenswertesten Frequenz. Falls die Filterzelle außerhalb des Lasers angeordnet wird und die Laserfrequenz mit Hilfe des Gitters grobabgestimmt wird, muß diese mit Hilfe einer Abstandsjustierung der Spiegel weiter feinabgestimmt werden, bis ein Maximum am gefilterten Photonen die Filterzelle durchläuft und starke Absorption für das gewünschte Isotopenmolekül auftritt. Für einen solchen Zustand liegt die Laserphotonenfrequenz bzw. liegen die Laserphotonenfrequenzen vorzugsweise zwischen den Frequenzen starker Rotationsschwingungslinien bzw. in Bereichen niedriger Absorption der Moleküle in der Filterzelle und fallen mit den starken Absorptionslinien bzw. -bereichen des gewünschten anzuregenden und abzutrennenden Isotopenmoleküls zusammen.

Vor dem Hintergrund obiger Ausführungen wird nun auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine schematische Darstellung einer insgesamt mit 10 bezeichneten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Bei der Ausführungsform 10 ist eine Reaktionskammer 12 vorgesehen, deren Wände einen Hohlraum 14 definieren. In der Reaktionskammer ist ein Fenster 16 vorgesehen, durch welches ein Photonenstrahl 18 eintreten kann, dessen Photonen eine Energie in ausgewählten Frequenzen haben, wie weiter unten im einzelnen noch diskutiert wird.

Eine Quelle chemisch identischer aber isotopisch verschiedener Moleküle 20 ist an eine Pumpe 22 angeschlossen, die die chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküle in eine Mischkammer 24 pumpt. Aus einer Quelle 26 wird ein chemisch reaktiver Stoff mit Hilfe einer Pumpe 28 in die Mischkammer 24 gepumpt. Das Verhältnis der Mengen von chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen einerseits und des chemisch reaktiven Stoffes andererseits wird, wie weiter unten noch im einzelnen beschrieben, so gewählt, daß sich eine geeignete Reaktion zwischen ihnen ergibt.

Der Inhalt der Mischkammer 24 wird durch eine Pumpe 30 in den Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 gepumpt. Es versteht sich natürlich, daß die Mischkammer 24 weggelassen werden kann und daß der chemisch reaktive Stoff und das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen direkt in den Hohlraum 14 der Reaktionskammer gepumpt werden können. Falls der chemisch reaktive Stoff in fester Form vorliegt und bei der Reaktion nicht verbraucht wird, kann er direkt im Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 angeordnet werden.

Eine Abtrenneinrichtung 32 für festes Produkt und/oder eine Abtrenneinrichtung 82 für gasförmiges Produkt sind bzw. ist mit der Reaktionskammer 12 zum selektiven Abführen eines ausgewählten chemischen Produkts aus dem Hohlraum 14 nach Ingangsetzen der gewünschten chemischen Reaktion verbunden. Eine Pumpe 34 kann dazu verwendet werden, aus dem Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 dessen Inhalt abzuführen, während eine Pumpe 80 dazu verwendet werden kann, das Produkt über Einrichtung 82 abzuführen.

Es ist eine insgesamt mit 36 bezeichnete Einrichtung zur Erzeugung eines Photonenstrahls 18 vorgesehen, wobei diese in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung im allgemeinen einen Laser 38 mit zwei Spiegeln 40 und 42 zur Erzielung von Laseraktivität innerhalb einer Laserzelle 44 und mit einem Gitter 46 zur Grobabstimmung der Laserfrequenz umfaßt. Der Laserspiegel 42 hat entsprechend den Laserbetriebstechniken auch einen gewissen Prozentsatz an Transmission, so etwa 2 bis 30% Transmission, damit der durch die Laseraktivität erzeugte Laser-Photonenstrahl 18 aus dem Laser 38 austreten kann.

Gegebenenfalls kann ein Frequenzverdoppler 76 zwischen den Laser-Endspiegeln angeordnet werden, um die natürliche Laserfrequenz der Photonen zu verdoppeln. Wenn ein Laser für fernes Infrarot verwendet wird, kann es sich bei dem Frequenzverdoppler zur Erzielung von Photonen mit Energien in den Frequenzen, die zur Erreichung der selektiven Isotopentrennung gemäß der Erfindung notwendig sind, um einen Cadmiumgermaniumarsenid- Kristall (CdGeAs₂-Kristall) handeln.

Zwei Spiegel 48 und 50 können dazu verwendet werden, den Photonenstrahl 18 durch das Fenster 16 in die Reaktionskammer 12 bzw. ihren Hohlraum 14 zu lenken. Im Hohlraum 14 können zwei etwas geneigte Spiegel 52 und 54 vorgesehen und so angeordnet sein, wie es nötig ist, um die für eine wirkungsvolle Absorption der Photonen des Photonenstrahls 18 im Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 nötige Gesamtweglänge zu liefern. Anstelle der beiden geneigten Spiegel 52 und 54 kann auch irgendeine andere Anordnung, wie etwa ein einfaches langes Rohr, "White"-Spiegel und/oder verschiedene Kombinationen von Spiegeln und/oder Reflektoren, zur Erzeugung der für eine Absorption erforderlichen Weglänge verwendet werden.

Eine Filterzelle 58, die als Teil der Einrichtung 36 zur Erzeugung des Photonenstrahls 18 betrachtet werden kann, hat Wände 60, die einen Filterhohlraum 62 definieren. Der Filterhohlraum 62 enthält ein Filtergemisch, wobei das Filtergemisch so ausgewählt ist, daß es aus dem im Laser 38 erzeugten Photonenstrahl diejenigen Photonen aussondert, deren Frequenzen sich von den im Photonenstrahl 18 zur Erzielung der selektiven Isotopentrennung in der Reaktionskammer 12 notwendigen Frequenzen unterscheiden. Der Photonenweg in der Filterzelle 58 kann, falls nötig, mit Hilfe von Standardanordnungen aus Paaren geneigter ebener Spiegel oder mit Hilfe von Anordnungen aus gekrümmten White-Spiegeln verlängert werden. Darüber hinaus kann der Photonenstrahl 18 durch ein abstimmbares Fabry-Perot-Filter 78 geleitet werden, um irgendwelche Restphotonen mit unerwünschten Frequenzen zu entfernen.

Wie man Fig. 1 entnimmt, liegt die Filterzelle 58 im optischen Weg zwischen den Spiegeln 40 und 42 des Lasers 38. Diese Anordnung wird in der Regel bevorzugt, weil sie die Erzeugung von Laserenergie bei ungewollten Frequenzen auf ein Minimum herabsetzt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Filterzelle 58 außerhalb der zum Laser 38 gehörigen Spiegel anzuordnen. Beispielsweise kann die Filterzelle 58 außerhalb des zwischen den Spiegeln 40 und 42′ verlaufenden optischen Weges, wie durch die gestrichelt eingezeichnete Lage des Spiegels 42′ in Fig. 1 angedeutet, angeordnet sein, so daß die Filterzelle 38 nicht im Laser-Resonatorsystem, welches die Spiegel 40 und 42′ sowie die Laserzelle 44 umfaßt, liegt. Diese Anordnung gestattet eine größere Unabhängigkeit in der Betriebssteuerung zwischen dem Laser 38 und der Filterzelle 58, ist aber unter Umständen weniger effizient als die oben beschriebene interne Anordnung, da eine bei unerwünschten Frequenzen liegende Laserenergie aus dem Laserstrahl durch Absorption entfernt wird und nachfolgend verloren ist. Durch Spiegelabstimmung der Laserfrequenz und durch Verwendung eines abstimmbaren Fabry-Perot-Filters 78 kann dieser Verlust jedoch auf ein Minimum herabgesetzt werden.

Die Spiegelabstimmung des Lasers 38 läßt sich durchführen, indem man das Reflexionsgitter 46 auf den Winkel einstellt, der für die Frequenz der gewünschten Laserlinie resonanzgebend ist und indem man beispielsweise den Laserspiegel 40 in die durch den Doppelpfeil 66 angegebenen Richtungen einstellbar vorsieht. Die Spiegel 40 und 46 bilden das kurze Bein, die Spiegel 46 und 42 (oder 42′) das lange Bein des in Fig. 1 dargestellten gekoppelten Doppelresonatorsystems. Das Bewirken von Änderungen der Länge des kurzen Beins, d. h. des Relativabstandes der Spiegel 40 und 46 mit Hilfe von auf den Spiegelhalterungen befindlichen piezoelektrischen Antrieben 92 ergibt eine Ultrafeinabstimmung. Ferner können die Spiegel 42 und 42′ durch geeignete Einrichtungen piezoelektrisch vor und zurück bei 50 Hz oder mehr in die durch die Doppelpfeile 64 bzw. 64′ angedeuteten Richtungen in Schwingungen versetzt werden, um ein sich wiederholendes Zusammenfallen der ausgewählten ultrafeinabgestimmtes Laserresonatorlinie in den zwei Beinen des Doppelresonatorsystems sicherzustellen. Schließlich kann zur Vermeidung eines Driftens der Spiegelstellungen eine automatische Regelung durch Überwachung der Laserausgabe mit Hilfe eines Strahlenteilers 86 und eines Meßgeräts 88, welches die piezoelektrisch angetriebene Spiegelhalterung 92 steuert, verwendet werden. Natürlich kann in einigen Ausführungsformen der Erfindung anstelle eines Doppelresonatorsystems ein Einzelresonatorsystem wünschenswert und ausreichend sein, in welchem Fall dann der Spiegel 40 weggelassen und ein bezüglich des Spiegels 42 geeignet ausgerichteter Gitter-Endspiegel 46 mit nahezu totaler Rückreflexion angewandt wird. Der oben beschriebene, in Fig. 1 schematisch dargestellte Aufbau wird bei einem Verfahren zur Trennung eines bestimmten Isotopenmoleküls aus einem Gemisch von chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen eingesetzt, um auf diese Weise eine Konzentration des bestimmten Isoptols zu erhalten, die erheblich größer ist als die Konzentration in dem in der Natur vorkommenden Element. Beispielsweise kann obiger Aufbau in einem Verfahren zur Erzielung einer Konzentration von U²³⁵ eingesetzt werden, die weitaus größer ist als die 0,7% U²³⁵, die in natürlichem Uran vorhanden sind.

Als veranschaulichendes Beispiel kann die Quelle chemisch identischer aber isotopisch verschiedener Moleküle gasförmiges UF₆ umfassen, welches die bestimmten Isotopenmoleküle U²³⁵F₆ und andere chemisch identische aber isotopisch verschiedene Moleküle U²³⁸F₆ enthält. Der chemisch reaktive Stoff in der Quelle 26 des chemisch reaktiven Stoffes kann gasförmiger Chlorwasserstoff sein. Das UF₆ und der Chlorwasserstoff können in der Mischkammer 24 in einem Verhältnis von beispielsweise 1 Teil UF₆ und 5 Teilen Chlorwasserstoff gemischt werden, um einen Überschuß an Chlorwasserstoff zu haben, damit die induzierte chemische Reaktion, wie unten beschrieben, mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auftritt.

Das Gemisch aus UF₆ und Chlorwasserstoff wird mit Hilfe der Pumpe 30 in den Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 gepumpt und wird darin gemäß einer Ausführungsform bei einer Temperatur von ungefähr 295 K und einem Gesamtdruck von im allgemeinen zwischen 1,333 und 133,3 mbar gehalten, welche Parameter den unteren Energiezustand des Uranhexafluorids gemäß den Grundlagen der Erfindung definieren. In einer anderen Ausführungsform, die etwas höhere Isotopentrennfaktoren ergibt, liegt die Temperatur anstelle bei 295 K zwischen 200 und 235 K und der Gesamtdruck wird auf einem Wert zwischen 0,067 und 6,666 mbar gehalten. Die selektive Anregung der U²³⁵F₆-Moleküle wird durch Absorption von Photonen aus dem Photonenstrahl 18 erreicht, welche im U²³⁵F₆ Übergänge von dem unteren Schwingungszustand in einen oberen Schwingungszustand bewirkt, welcher die bestimmte wünschenswerte ν₃-Schwingung enthält, die die Reaktion mit HCl fördert. Der Photonenstrahl 18 verursacht vergleichsweise wenige Anregungen des U²³⁸F₆- Moleküls.

Zur Erreichung dieser selektiven Anregung, d. h. zur Erzielung von photoneninduzierten Übergängen von hauptsächlich U²³⁵F₆- Molekülen und von wesentlich weniger Übergängen von U²³⁸F₆- Molekülen, ist die Filterzelle 58 mit einem Filtergas im Filterhohlraum 62 versehen, das im wesentlichen reines gasförmiges U²³⁸F₆ enthält. Aus Gründen, die weiter unten im einzelnen beschrieben sind, kann die Temperatur des Filtergases ungefähr 290 K betragen und der Druck zwischen 0,1 und 10 Torr liegen. In einer anderen Ausführungsform, die bessere Anreicherungsfaktoren ergibt, befindet sich der Inhalt der Filterzelle auf einer Temperatur zwischen 200 und 235 K, anstelle der 290 K, und wird auf einem Druck von deutlich unter 2,666 mbar gehalten.

Wenn in der Laserzelle 44 erzeugte Photonen das U²³⁸F₆-Filtergas durchlaufen, werden diejenigen Photonen, deren Frequenzen gleich den Frequenzen sind, die zu starken photoneninduzierten Übergängen zwischen dem unteren Schwingungszustand und dem oberen Schwingungszustand von U²³⁸F₆ gehören, absorbiert und damit, im Falle einer internen Filterzellenanordnung, am lasern gehindert. Um die stärkstmögliche Absorption durch U²³⁵F₆ und das höchste molekulare Absorptionsquerschnittsverhältnis von U²³⁵F₆ zu U²³⁸F₆ sicherzustellen, kann, wie beschrieben, eine zusätzliche Spiegelabstimmung durchgeführt werden. Es wird also in dem gefilterten Photonenstrahl 18 ein im wesentlichen reiner Strahl von Photonen mit einer Energie geschaffen, die Übergänge mit hohen Absorptionsquerschnitten für U²³⁵F₆ aber mit vergleichsweise niedrigen Absorptionsquerschnitten für U²³⁸F₆ verursacht. Wenn dieser Photonenstrahl den Hohlraum 14 der Reaktionskammer 12 durchläuft, werden meistens die U²³⁵F₆- und weniger die U²³⁸F₆- Moleküle diese Photonen absorbieren, und meistens werden die U²³⁵F₆-Moleküle aus dem unteren Schwingungszustand in den höheren Zustand ang 75854 00070 552 001000280000000200012000285917574300040 0002002656152 00004 75735ehoben. Das Chlorwasserstoffgas kann Photonen der bestimmten, in den Rotationsschwingungs- Absorptionsbanden des UF₆ liegenden Frequenzen nicht absorbieren. Im höheren Energiezustand, der die reaktionsfördernde ν₃-Schwingung enthält, sind die U²³⁵F₆-Moleküle in bezug auf das Chlorwasserstoffgas chemisch reaktionsfreudig, und die folgende Reaktion findet statt:

U²³⁵F₆(g) + HCl(g) → U²³⁵F₅Cl(g) + HF(g) (2)

Da gasförmiges U²³⁵F₅Cl in einem Zustand ist, in welchem es sich von dem in der Reaktionskammer 14 enthaltenen gasförmigen UF₆ chemisch unterscheidet, und da UF₅Cl einen viel niedrigeren Dampfdruck als UF₆ hat, läßt es sich, wie weiter unten in Verbindung mit den Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 noch diskutiert wird, in der Abtrenneinrichtung 82 durch Differenzialgefrieren abtrennen, wenn der Inhalt der Reaktionskammer 12 aus ihr mit Hilfe der Pumpe 34 abgezogen wird.

Das verbleibende gasförmige UF₆, der gasförmige Fluorwasserstoff (HF) und der gasförmige Chlorwasserstoff (HCl) können durch die Pumpe 34 zur weiteren Trennung, zum Rückführen in den Kreislauf und Wiederverwendung abgezogen werden.

Sowohl das Abtrennen des U²³⁵F₅Cl-Produkts als auch das Abführen des verbleibenden Gasgemischs aus UF₆, HF, HCl kann entweder kontinuierlich oder chargenweise durchgeführt werden.

Bei manchen Anwendungen der Erfindung bleiben alle Vorgänge so, wie sie beschrieben wurden, nur daß in allen Angaben U²³⁸ durch U²³⁵ und U²³⁵ durch U²³⁸ ersetzt werden müssen. Solche Anwendungen führen zu einer chemischen Reaktion der angeregten U²³⁸F₆-Moleküle und lassen die U²³⁵F₆-Moleküle vergleichsweise unreagiert. Dieser Typ von Vorgang wird dort angewandt, wo das Absorptionsquerschnittsverhältnis σ₂₃₈/σ₂₃₅ < 1 ist.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die insgesamt mit 10′ bezeichnet ist. Anstelle des Paares von geneigten Spiegeln 52 und 54 wie in Fig. 1 zeigt die Anordnung der Fig. 2 einen anderen Spiegelzug zur Zerstreuung der Laserphotonen in der Reaktionskammer 12′, nämlich Spiegel 56, 68 und 70. Natürlich lassen sich auch viele andere lange, absorbierende optische Wege, wie etwa die Whiteschen sphärischen Spiegel, verwenden, und das geneigte Spiegelpaar der Fig. 1 und die zerstreuuende Spiegelanordnung der Fig. 2 sind nur Beispiele.

In Fig. 2 ist ferner ein Frequenzwandlerkristall 72, im Weg des Laserstrahls zwischen dem Laserausgangsspiegel 42′ und einer extern liegenden Filterzelle 58′ angeordnet und eine Quelle 74 für eine Idler-Strahlung, außerhalb des Lasers 38′ angeordnet, gezeigt. Der Frequenzwandlerkristall 72 und die Quelle 74 für die Idler-Pumpstrahlung können in Fällen angewandt werden, wo die Frequenz eines gegebenen Lasers so verschoben werden soll, daß sie in den Frequenzbereich einer Rotationsschwingungs- bzw. Schwingungs-Absorptionsbande des abzutrennenden Isotopenmoleküls fällt.

Ein weiteres in Fig. 2 gezeigtes Merkmal ist eine Variante unter den möglichen Doppelresonatoranordnungen. Ein teildurchlässiger Spiegel 84′ koppelt das lange Resonatorbein an das kurze Resonatorbein, und anstelle der in Fig. 1 verwendeten alles reflektierenden Optikanordnung des kurzen Beins wird in Fig. 2 als Endspiegel ein Reflexionsgitter 46′ verwendet. Jede der beiden Anordnungen kann in jeder Ausführungsform der Erfindung verwendet werden. Die externe Filterzelle 58′ dient der gleichen Funktion wie die Filterzelle 58 der Fig. 1, und ein Optimum an erwünschten Filterphotonen läßt sich erzielen, indem man den Laser 38′ durch Drehung des Gitters 46′ so, daß sich der Einfallswinkel ändert, und durch Einstellen des Abstands zwischen dem Endspiegel 46′ des Laserhohlraums und dem teildurchlässigen Spiegel 84′, ohne oder mit Verwendung eines automatischen Regelkreises mit Strahlenteiler 86′, Meßinstrumenten 88′ und 98′ und piezoelektrischem Antrieb 92′, abstimmt. Der übrige in Fig. 2 schematisch gezeigte Aufbau kann ähnlich dem in Fig. 1 gezeigten entsprechenden Aufbau sein.

Wegen der Massendifferenz zwischen zwei isotopisch verschiedenen aber chemisch identischen Molekülen tritt zwischen den beiden eine Isotopieverschiebung der Rotationsschwingungs- und vibronischen Absorptionsspektren auf. Die Fig. 3A und 3B zeigen dieses Phänomen für die fundamentalen ν₃-Rotationsschwingungsabsorptionsbanden von U²³⁸F₆ bzw. U²³⁵F₆, deren Mittenfrequenzen ungefähr bei 626,4 bzw. 627,1 cm^-1 liegen und damit im Frequenzbereich der in Fig. 3C gezeigten Emissionslinien des ClF-Lasers. Der schräg schraffierte Bereich der U²³⁵F₆- und U²³⁸F₆-Bandenspektren der Fig. 3A und 3B besteht aus vielen einander überlappenden dichten Q-Zweigen aus vielen Heißbanden, während die senkrecht schraffierten Bereiche aus einander teilweise überlappenden getrennten Rotationsschwingungslinien der vielen überlagerten heißen P-Zweige und R-Zweige auf den kontinuierlichen Ausläufern der heißen Q-Zweige bestehen. Der "Dschungel" von Rotationsschwingungslinien führt dazu, daß das Feinspektrum in diesem Bereich entsprechend den Kurven der Fig. 3D und 4E aussieht. Der Grundabstand von Rotationsschwingungslinien beträgt ungefähr 0,13 cm^-1. Wegen der Überlagerung der vielen Heißbanden, die aufgrund von Anharmonizitätseffekten gegeneinander verschoben sind, und infolge der 6fachen Coriolis-Aufspaltung der Rotationsschwingungslinien liegt jedoch der mittlere Linienabstand in der Größenordnung von 0,0005 cm^-1, wie in der Kurve der Fig. 3D, die eine Ausschnittsvergrößerung eines kleinen Teils des linken Flügels der Kurve der Fig. 3A darstellt und in Kurve der Fig. 3E, die eine Ausschnittsvergrößerung desselben Teils der Kurve an der Fig. 3B darstellt, gezeigt ist. Die Linienbreiten der Rotationsschwingungslinien ändern sich mit Druck und Temperatur und betragen ungefähr 0,0004 cm^-1 bei einem Druck von 2 Torr und einer Temperatur von 290 K. Für andere Drucke und Temperaturen ist die Linienbreite infolge der Druckverbreiterung ungefähr durch die folgende Gleichung gegeben:

Linienbreite = 0,00015p (T/290)^-1/2 + 0,0002 (T/290)^1/2 cm^-1 (3)

wobei p der Gasdruck in mbar und T die Temperatur in Grad- Kelvin ist.

Die sogenannten "heißen" Banden gehen auf Übergänge zurück, deren unterer Energiezustand nicht der Null- bzw. Grundschwingungszustand ist, sondern ein niedriger angeregter Schwingungszustand, der thermisch angeregt ist. Jede Heißbande hat die gleiche Linienserie wie die "kalte" oder grundzustandsbezogene Bande, nur daß alle Frequenzen leicht gegenüber der kalten Bande verschoben sind. Die Folge davon ist, daß man anstelle einer Rotationsschwingungslinie alle 0,13 cm^-1 im P- und R-Zweig, was der Zustand ist, wenn nur eine Kaltbande vorliegt, in Wirklichkeit viele Rotationsschwingungslinien innerhalb dieser Abstände infolge der vielen überlagerten Heißbanden, die UF₆ hat, findet. Dazu kommt, daß die Wechselwirkung der Molekülschwingungen mit den Molekülrotationen eine sogenannte Coriolis-Aufspaltung jeder Absorptionslinie in 6 Linien verursacht, von denen in der Regel eine oder zwei mehrere Male intensiver sind als die anderen.

Bei einem der Isotopentrennverfahren werden, wie oben erwähnt, Laserfrequenzen verwendet, die mit den seitlichen Abfällen des dichten Q-Zweigbereichs der UF₆-Absorptionsbande zusammenfallen. Eine gute Isotopentrennung wird insbesondere dort begünstigt, wo dieser Abfall am steilsten ist, weil bei diesen Frequenzlagen wegen der Isotopieverschiebung die größte Differenz zwischen den Absorptionsquerschnitten von U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ existiert. Insbesondere Banden mit einer hohen Isotopieverschiebung, wie etwa 3ν₃ (Δν _{i. s.} ≈ 1,8 cm^-1) wären ebenfalls günstig, obwohl der Gewinn aus einer solchen verstärkten, durch Kombinationsschwingungen verursachten Isotopieverschiebung etwas durch die Tatsache abgeschwächt wird, daß die Abfälle der Einhüllenden der Q-Zweige um so sanfter (weniger steil) werden, je höher der Grad der Kombination ist. Für eine gegebene Bande werden die Abfälle der Einhüllenden der Q-Zweige um so steiler, je tiefer die Temperatur ist, weshalb ein Arbeiten bei der tiefstmöglichen, mit anderen Zweigen verträglichen Temperatur im allgemeinen bevorzugt wird.

Für die Dreifachkombinationsbanden 3ν₃ und (ν₃ + ν₄ + ν₆) von UF₆, welche in den Emissionsbereichen CO- bzw. CO₂- Laser liegen, dominieren die heißen Q-Zweige fast die gesamte Absorptionsbande selbst bei tiefen Temperaturen, wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist. In diesem Fall läßt sich eine vernünftig gute Isotopentrennung im allgemeinen nur bei Laserfrequenzen erreichen, die auf den Abfällen der Einhüllenden der Q-Zweige arbeiten. Mit dem UF₆/HCl-Gemisch auf einer Temperatur von 235 K beispielsweise gibt Fig. 4 an, daß die X-9 (v = 10 v = 9; J = 8 J = 9) Laserlinie von CO bei einer Frequenz von ungefähr 1874 cm^-1 eine gute Anreicherung von U²³⁵ in dem Produkt UF₅Cl mit einem Absorptionsquerschnittsverhältnis von σ₂₃₅/s₂₃₈ ≈ 4 ergibt. Die X-11 (v = 10 v = 9; J = 10 J = 11) Linie von CO kann ebenfalls verwendet werden, wenn es wünschenswert ist, eine Verarmung von U²³⁵ in dem Produkt UF₅Cl zu haben; das Querschnittsverhältnis ist in diesem Fall σ₂₃₈/σ₂₃₅ ≈ 4.

Ähnlich zeigt Fig. 5, daß die P-14 Laserlinie von CO₂ bei ungefähr 999,3 cm^-1 eine gute Isotopentrennung ergeben kann und dabei das Produkt UF₅Cl an U²³⁵ mit einem Querschnittsverhältnis von ungefähr σ₂₃₅/σ₂₃₈ ≈ 2,75 bei einer Temperatur von 295 K anreichert.

Neben einem hohen Querschnittsverhältnis ist ein weiterer Parameter, der eine wirtschaftliche Isotopentrennung begünstigt, eine vernünftige Absorptionslänge. Beispielsweise haben die in der Q-Abfall-Technik auf der grundlegenden ν₃- Bande verwendeten XII-11 Cl³⁵F¹⁹-Laserphotonen eine Absorptionslänge in UF₆ (unter optimalen Trennbedingungen) von ungefähr 3 m, und ein solches Arbeiten erscheint attraktiver als ein Arbeiten auf der 3ν₃-Bande mit X-9 Laserphotonen des CO, deren Absorptionslänge in UF₆ ungefähr 125 m beträgt, oder ein Arbeiten mit P-14 CO₂-Laserphotonen auf der (ν₃+ ν₄+ν₆)-Bande des UF₆ mit einer UF₆-Absorptionslänge von 800 m, wie auf den Fig. 3, 4 und 5 angegeben ist. Es können jedoch Überlegungen wie Zuverlässigkeit, Kosten, Ausbeute oder andere Faktoren, den CO- oder CO₂-Laser gegenüber dem ClF- Laser trotz der besseren Betriebsparameter des letzteren unter praktischen Betriebsbedingungen begünstigen.

Die Fig. 3, 4 und 5 zeigen ferner die Temperaturempfindlichkeit der Q-Randabfälle. Wenn eine bestimmte Laserlinie nahe des Randes der Einhüllenden der Q-Zweige einer bestimmten wünschenswerten UF₆-Absorptionsbande liegt, läßt sich manchmal eine kleine Temperaturänderung dazu verwenden, die Frequenz, bei welcher ein optimales Querschnittsverhältnis auftritt, näher an die verfügbare Laserlinienfrequenz zu bewegen.

Die andere obenerwähnte Anordnung zur selektiven Isotopentrennung, die sogenannte Spitze-Loch- oder Linie-Loch-Methode, benutzt eine Abstimmung, die auf den in den Fig. 3 und 3A bis 3F dargestellten charakteristischen Merkmalen beruht. Wie oben bemerkt, ist die Absorptionsbande der U²³⁵F₆-Moleküle, die einen Teil des Inhalts der Reaktionskammer ausmachen, bezüglich der Absorptionsbande der in der Filterzelle enthaltenen U²³⁸F₆-Moleküle isotopieverschoben. Bei 235 K oder einer anderen geeigneten Temperatur und bei einem Druck unter 1,333 mbar, wo sich die Rotationsschwingungslinien in den Bereichen der P- und R-Zweige der ν₃-Bande von UF₆ nicht überlappen, besetzen die zu U²³⁵F₆ gehörigen Linien nicht den gleichen Frequenzraum wie die Rotationsschwingungslinien von U²³⁸F₆, und in vielen Bereichen des Spektrums fallen starke Rotationsschwingungs-Absorptionslinien von U²³⁵F₆ im wesentlichen in die Löcher zwischen den Linien des U²³⁸F₆-Spektrums. Daher kann ein ClF-Laser, der mit einer im wesentlichen nur U²³⁸F₆-Moleküle enthaltenden internen Filterzelle ausgestattet ist, so betrieben werden, daß seine Ausgangsfrequenz im wesentlichen in das Loch des Bereichs der P- oder R-Zweige von U²³⁸F₆ fällt. Wenn diese Laserfrequenz ferner durch Feinabstimmung oder zufällig mit einer Spitze des U²³⁵F₆-Spektrums zusammenfällt, dann fördert eine solche Spitze-Loch-Koinzidenfrequenz ebenfalls eine gute Isotopen trennung.

Die Kurven der Fig. 3A stellen das Absorptionsspektrum im Bereich von 615 bis 635 cm^-1 für U²³⁸F₆-Moleküle, die in dem in der Filterzelle 58 bzw. 58′ enthaltenen Gas überwiegend vorhan den sind, bei einer typischen Temperatur von ungefähr 235 K und einem Druck von 0,1333 bis 1333 mbar dar. Die Kurven der Fig. 3B zeigen die Absorptionskurven der ν₃-Rotationsschwingungsbande für U²³⁵F₆-Moleküle unter den gleichen Bedinungen wie bei den Kurven der Fig. 3A. Die Absorptionskurven der Fig. 3B der U²³⁵F₆-Moleküle, die in dem in der Reaktionskammer 12 bzw. 12′ enthaltenen Gasge misch vorhanden sind, hüllt im wesentlichen die gleichen Rotationsschwingungslinien wie diejenigen ein, die die Kurven der Fig. 3A abdeckt, nur das alle Linien in der Frequenz um ungefähr 0,68 cm^-1 nach oben verschoben sind. Der Abstand und die Breite der unter den Kurven der Fig. 3B liegenden Rotations schwingungslinien sind im wesentlichen ähnlich dem Abstand und der Breite der unter den Kurven der Fig. 3A liegenden Rotations schwingungslinien. Die Kurve der Fig. 3E zeigt eine Ausschnitts vergrößerung der Kurven der Fig. 3B im gleichen Frequenzintervall wie dem für Kurven der Fig. 3D. Die Kurven der Fig. 3F welche ein wünschenswertes "Lisosep" (ein Acronym für "Laser Isotope Separation") darstellt zeigt die verschiedenen möglichen ultrafeinen abstimmbaren Laserresonatorlinien, die innerhalb der Linieneinhüllenden eines einzelnen laserbaren Übergangs des ClF-Lasers (der XII-12 lasernbaren Linie von Cl³⁷F¹⁹ in der Darstellung der Fig. 36) verfügbar sind, und von denen sich jede beliebige über eine Feinjustierung der Länge des durch die Spiegel 40 und 46 in Fig. 1 oder 46′ und 84′ in Fig. 2 gebildeten kurzen Laser-Resonatorbeins erhalten läßt. In den Fig. 3A bis 3F sind solche Resonatorlinien aus dem 7-XII(12) Übergang als auf eine Spitze der zu U²³⁵F₆ gehörigen Kurven der Fig. 3E und ein Loch der zu U²³⁸F₆ gehörigen Kurve der Fig. 3D ultrafein ab gestimmt gezeigt.

Die resonatorerlaubten Laserlinien sind extrem monochromatisch und haben überschlägig berechnete Linienbreiten von weniger als 10^-8 cm^-1. Bei jeder der Rotationsschwingungslinienfre quenzen des Cl³⁵F¹⁹- oder Cl³⁷F¹⁹-Lasers, beispielsweise bei der 7-XII(12)-Linie von Cl³⁷F¹⁹ bei 621,770 cm^-1, läßt sich die resonatorerlaubte Laserlinienfrequenz gemäß den Grundlagen der Erfindung um ungefähr 0,003 cm^-1 zu einer höheren oder einer niedrigeren Frequenz hin innerhalb der druckverbreiterten ClF-Rotationsschwingungs-Laserlinienbreite, die unter typi schen Arbeitsbedingungen von p = 33,325 mbar und T = 200 K un gefähr 0,006 cm^-1 breit ist, feinabstimmen und verschieben. Die ClF-Laserlinienfrequenz bei 621,770 cm^-1 läßt sich also durch Feinabstimmung verändern, die sich, wie oben erwähnt, durch kleine Änderungen im Abstand zwischen den Spiegeln 40 und 46 der Fig. 1 oder 84′ und 46′ der Fig. 2 des kurzen Beins des Laser-Resonatorsystems erreichen läßt. Da der effektive mittlere Rotationsschwingungslinienabstand in den Bereichen der P- und R-Zweige von UF₆ von der Größenordnung 0,0006 cm^-1 ist, kann eine solche Ultrafeinabstimmung die Laser-Resonatorlinie tatsächlich von einer Absorptionsspitze auf ein Loch, oder umgekehrt, des UF₆-Spektrums bewegen.

Wie angegeben, stellt die innerhalb des Laserhohlraums (im langen Resonatorbein) angeordnete Filterzelle sicher, daß nur diejenigen Resonatorlinien lasern und im Photonenstrahl 18 emittiert werden können, die im wesentlichen zwischen die Rotationsschwingungs-Absorptionslinien von U²³⁸F₆ fallen. Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Doppelresonatorsystem wird da zu verwendet, die gefilterten Laserlinienfrequenzen im Photonen strahl 18 in Koinzidenz mit einer Spitze in der U²³⁵F₆-Ab sorption zu zwingen, und die Laserresonatorfrequenz wird auf eine Stelle innerhalb der druckverbreiterten Rotations schwingungsemissionslinien-Einhüllenden feinabgestimmt, wo experimentell eine maximale Absorption durch U²³⁵F₆ und die geringste Absorption durch U²³⁸F₆ festgestellt wird. Die Resonatorfrequenz wird dann an dieser Stelle mit Hilfe des Lage-Regelsystems 88 und 92 der Fig. 1 oder 88′ und 92′ der Fig. 2 verriegelt. Die optimale Frequenz wird durch Ver wendung eines Strahlenteilers 86 oder 86′ bestimmt, welcher vom Laser ausgesandte Photonen durch zwei kleine Absorptions zellen leitet, die bei einem Druck von p ≈ 0,1333 mbar mit U²³⁵F₆ bzw. U²³⁸F₆ gefüllt sind und einen Teil des Meßinstruments 88 bzw. 88′ bilden. Der Unterschied in der Absorption durch die zwei Hilfsabsorptionszellen wird kontinuierlich mit Hilfe eines Photosensors in 88 oder 88′ überwacht und jedes Driften von der maximalen Absorptionsdifferenz weg elektronisch abge fragt und das Signal zum Antreiben des piezoelektrisch ar beitenden Spiegel-Mikropositionierers 92 bzw. 92′ verstärkt. Der Mikropositionierer 92 bzw. 92′ verursacht Änderungen im Resonatorzwischenraum des kurzen Resonators durch axiale Verschiebungen der Endspiegel 40 bzw. 46′, so daß die ge naue Laserresonatorfrequenz auf den Wert, wo eine maximale Absorptionsdifferenz existiert, zurückgetrieben wird.

Die im obigen Beispiel angegebenen Druckwerte dienen nur der Veranschaulichung, eine gute Trennung läßt sich bei an deren Druckwerten ebenfalls erzielen. Die Hauptüberlegung bei der Wahl eines Druckes für das Arbeiten nach der Spitze- Loch-Methode besteht darin, daß die Rotationsschwingungsli nienbreite in den Bereichen der P- und R-Zweige nicht so breit sein sollen, daß sie sich wesentlich überlappen. Das heißt, daß der Wert für den Druck, mit dem die Rotations schwingungslinienbreite ungefähr linear variiert, so gewählt werden muß, daß die Rotationsschwingungslinienbreite den Rotationsschwingungslinienabstand nicht wesentlich über schreitet.

Natürlich sind in manchen Anwendungen die U²³⁵- und U²³⁸- Isotope vertauscht, das Filtergas wird ein Gas enthalten, das sich überwiegend aus U²³⁵F₆-Molekülen anstelle der U²³⁸F₆- Moleküle zusammensetzt, und alle Angaben, die U²³⁵ und U²³⁸ betreffen, sind zu vertauschen.

Im allgemeinen erfordert das Spitze-Loch-Verfahren eine strengere Kontrolle der Laserfrequenz als das Q-Abfall- Verfahren. Höhere Querschnittsverhältnisse und damit eine höhere Isotopenanreicherung ist jedoch im allgemeinen mit Hilfe der Spitze-Loch-Methode möglich. Wenn die Erreichung des maximal möglichen Absorptionsquerschnittsverhältnisses nicht wesentlich ist, wie das bei manchen Anwendungen der Fall sein kann, ist die Q-Abfall-Methode oft vorzuziehen. Bei der Q-Abfall-Methode kann in der Regel ein höherer Arbeitsdruck hingenommen werden als bei dem Spitze-Loch- Verfahren, und der Optimaldruck kann auf der Basis einer optimalen Chemie, Quantenausbeute und des temperaturab hängigen Dampfdruckes von UF₆ ausgewählt werden, anstelle von Überlegungen hinsichtlich offener Zwischenräume zwi schen Rotationsschwingungslinien. Das Isotopen-Absorptions querschnittsverhältnis für die 3n₃-Bande von UF₆ infolge der Isotopieverschiebung ist an den Rändern der Bereiche der dichten Q-Zweige (bei einer Temperatur von 235 K oder weniger) beispielsweise von der Größenordnung 4, was einer Erzeugung von niedrig angereichertem Uranbrennstoff für Kernreaktoren in einer Verfahrensstufe angemessen ist.

Für die ( ν₃ + ν₄ + ν₆)-Bande ist ein Maximalverhältnis von ungefähr 2,75 erreichbar (bei einer Temperatur von 265 K oder niedriger), während die ν₃-Grundbande, wenn im Hin blick auf die Q-Abfall-Methode betrachtet, ein Verhältnis von 5 (bei 235 K oder weniger) bringen kann.

Zusätzlich zu Überlegungen zur Sicherstellung niedriger thermischer Reaktionsgeschwindigkeiten im unteren Zustand wird die Arbeitstemperatur des in der Filterzelle 58 bzw. 58′ und in der Reaktionskammer 12 bzw. 12′ enthaltenen UF₆-Gases so gewählt, daß:

(A) das UF₆ in der Gasphase verbleibt;
(B) ein gutes Absorptionsquerschnittsverhältnis im interessierenden Frequenzbereich existiert; und
(C) für die Ausführungsformen, die von der Spitze-Loch- Methode Gebrauch machen, die Linienverbreiterung klei ner als der Linienabstand ist.

In dem oben angegebenen, der Veranschaulichung dienenden Beispiel, wo die Temperatur des UF₆ in der Filterzelle und in der Reaktionskammer zu 235 K gewählt war, ist die Tem peratur hoch genug, um das UF₆ bei einem Partialdruck von 1333 mbar oder weniger im gasförmigen Zustand zu halten. Die anderen in der Reaktionskammer befindlichen Gase, HCl und HF, sind bei 235 K ebenfalls gasförmig, falls ihre Partial drucke 1333 bzw. 79,98 mbar nicht überschreiten, während das Produktgas UF₅Cl bei einem Partialdruck von 0,01333 mbar bei 235 K auskondensiert.

Natürlich können anstelle der in den obigen Beispielen ver wendeten Temperaturen irgendwelche anderen Temperaturen ver wendet werden, vorausgesetzt daß sich für die Isotopentrennung günstige Bedingungen aufrechterhalten lassen. Beispielsweise kann der Betrieb der Reaktionskammer auf einem Druck von 7,998 mbar UF₆ + 24 Torr HCl bei einer Temperatur von ungefähr 290 K mit einem CO-Laser, der auf eine Absorption bei einem maximalen Absorptionsquerschnittsverhältnis auf dem Q-Abfall der 3ν₃- Bande des UF₆ abgestimmt ist, eine Isotopentrennung mit einem Querschnittsverhältnis von ungefähr 2,5 ergeben, was für ei nige Anwendungen angemessen sein kann. Der Vorteil des Arbeitens bei höheren Drucken liegt vom Standpunkt der Verfahrenstechnik aus natürlich in einem höheren Stoffdurchsatz.

Für die Isotopentrennung von U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ kann der Laser 38 der Fig. 1 daher ein ClF-Laser sein, der auf einer Reihe von laserbaren Rotationsschwingungslinienfrequenzen des Cl³⁵F¹⁹ Moleküls im Bereich von 614 bis 635 cm^-1, wie durch Kurve C in Fig. 3 gezeigt, arbeiten kann. Die stärksten Linien, die ein mit flüssigem Stickstoff gekühlter, strömender, über eine elektrische Entladung gepumpter ClF-Laser aussendet, stammen von den Übergängen v = 13 auf v = 12, v = 12 auf v = 11 und v = 11 auf v = 10. Die Rotationslinien mit J = 11 → J = 12 liegen in der Regel an der Spitze des Rotationsschwingungs bandenumrisses, falls die ClF-Temperatur ungefähr 200 K be trägt. Die Linienbreiten der laserbaren Rotationsschwingungs linien des ClF betragen typischerweise 0,006 cm^-1, während die der Laserresonatorlinien von der Größenordnung 10^-8 cm^-1 sind, wie in Kurve F der Fig. 3 gezeigt, die eine Vergrößerung einer der laserbaren Rotationslinien des ClF im gleichen Fre quenzintervall wie dem der Kurven der Fig. 3D und Fig. 3E darstellt. Klarer weise lassen sich die Laserresonatorlinien als wirkliche monochromatische Linien betrachten.

Für das Arbeiten auf der 3ν₃-Bande des UF₆ im Spektralbereich von 1860 bis 1880 cm^-1 kann der Laser 38 der Fig. 1 ein über eine elektrische Entladung gepumpter, mit flüssigem Stick stoff gekühlter strömender Kohlenmonoxid-Laser (CO-Laser) sein. Dieser Laser hat starke Emissionslinien von J = 11 → J = 12, J = 10 → J = 11, J = 9 → J = 10, J = 8 → J = 9 und J = 7 → J = 8 der v = 10 → v = 9 Vibrationsbande und von J = 15 → J = 16, J = 14 → J = 15 und J = 13 → J = 14 der v = 9 → v = 8 Vibrationsbande des CO im Bereich zwischen 1860 und 1880 cm^-1, wie im oberen Teil der Fig. 4 gezeigt ist.

Schließlich kann der Laser 38 der Fig. 1 ein über eine elektri sche Entladung gepumpter, wassergekühlter strömender CO₂-Laser sein, der auf allen Linien zwischen P-2 und P-38 und R-2 und R-38 der P- und R-Zweige der n₃ → ν₁ Schwingungsübergangsbande des CO₂, die sich von 927 bis 985 cm^-1 erstreckt, gelasert werden kann. Die CO₂-Laseremissionslinien zwischen P-10 und P-30, die ungefähr 1,82 cm^-1 auseinanderliegen, fallen in den Bereich von 935 bis 953 cm^-1 der ( ν₃ + ν₄ + ν₆)-Absorp tionsbande des UF₆, wie im oberen Teil der Fig. 5 gezeigt ist. Zusätzliche UF₆-Absorptionsbanden im Bereich von 927 bis 985 cm^-1 des CO₂-Lasers sind die ( ν₂ + ν₃ - n₅)-, die ( ν₃ + ν₅ + ν₆)- und die ( ν₂ + ν₃ - ν₄)-Banden, die ihre Mitten ungefähr bei 958, 968 bzw. 972 cm^-1 haben. Diese letzteren drei Kombinationsbanden des UF₆ können durch Wahl einer geeigneten CO₂-Laserlinie ebenfalls zu Isotopen trennung herangezogen werden. Zusätzliche CO₂-Laserlinien werden im Bereich von 1010 bis 1080 cm^-1 aus dem Vibrations übergang des CO₂ ν₃ → 2ν₂ emittiert. Auch hier, unter Ver wendung einer der CO₂-Laserlinien im Bereich zwischen 1010 und 1080 cm^-1 des Spektrums, ist eine Isotopentrennung des UF₆ möglich.

Für das Arbeiten auf der Zweifachkombinationsbande ( ν₂ + ν₃) des UF₆, die ihre Mitte bei 1292 cm^-1 hat, kann ein über eine elektronische Entladung gepumpter gasdynamischer oder chemi scher BF-Laser verwendet werden, der im Frequenzbereich zwi schen 1150 und 1300 cm^-1 aufgrund derselben Prinzipien wie der CO-Laser lasert. Einige Laserlinien des BF-Lasers kön nen auch mit einem Teil der ( ν₂ + ν₃)-Bande des UF₆, die ihre Mitte bei 1157 cm^-1 hat, zusammenfallen. Der O¹⁸C¹²S³⁶-Laser und der CS-Laser haben ebenfalls Emissions linien, die mit der ( ν₂ + ν₃)-Bande des UF₆ zusammenfallen. Ein mit geschlossenem Kreislauf arbeitender, mit einer elek tronischen Entladung gepumpter, gasdynamischer O¹⁸C¹²S³⁶-, O¹⁶C¹³S³⁶-, O¹⁸C¹³S³⁴- oder O¹⁸C¹³S³⁶-Laser mit laserbaren Emissionen zwischen 1150 und 1200 cm^-1 aus ν₃ → ν₁ Über gängen arbeitet auf den gleichen Prinzipien wie der CO₂- Laser. Ein Schlüssel für das erfolgreiche Arbeiten eines CS- oder OCS-Lasers ist die Reinigung des OCS und CS, so daß die H₂S-Verunreinigung weniger als 1 ppm ist. Ein che mischer CS-Laser, bei welchem CS durch Dissoziation von OCS oder CS₂ oder über eine chemische Reaktion erzeugt wird, kann am wirkungsvollsten sein, wenn ein solcher Laser für das Arbeiten auf der ( ν₂ + ν₃)-Bande des UF₆ benötigt wird. Ein wirkungsvoller, über eine elektronische Entladung ge pumpter, gasdynamischer CS-Laser kann ebenfalls für diesen Zweck entwickelt werden. Der CS-Laser mit Emissionen zwischen 1050 und 1200 cm^-1 arbeitet auf den gleichen Prinzipien wie der CO-Laser.

Die Werte für die Schwingungsfrequenzen, die Isotopiever schiebungen und die mittleren Linienabstände bei UF₆, die in obigen veranschaulichenden Beispielen verwendet werden, sind nur ungefähre Werte und sind im Rahmen des Bekannten bisher nicht genau gemessen worden.

Der Grundabstand der Rotationsschwingungslinien in den P- und R-Zweigen jeder Heißbande beispielsweise der ν₃-Schwingung des UF₆ ist nicht konstant, sondern ändert sich langsam (we gen eines quadratischen Terms), und zwar nimmt er von der Bandmitte weg im P-Zweig zu und im R-Zweig von der Bandmitte weg ab. Als Folge davon fallen in gewissen Teilen der Bereiche der P- und R-Zweige immer einige Rotationsschwingungslinien der ν₃-Schwingungsbande des U²³⁵F₆ zwischen die Rotations schwingungslinien des U²³⁸F₆. Wegen des nicht konstanten Linienabstands und den nicht konstanten Heißbandenverschie bungen besteht auch kein Risiko, daß alle Linien der U²³⁵F₆- Bande alle Linien der U²³⁸F₆-Bande zufällig überlappen, wenn die Isotopieverschiebung ein ganzzahliges Vielfaches des Li nienabstands ist. Da die meisten Infrarot-Laser, wie etwa ClF, ein Lasern auf einigen 30 oder mehr möglichen Rotationsschwin gungsspektrallinien gestatten, die durch Abstandwerte von einander getrennt sind, welche typischerweise im Bereich von 0,5 bis 2,5 cm^-1 liegen, fallen gewisse dieser Laserlinien mit Sicherheit zwischen die Spitzen des Bereichs der P- oder R-Zweige von U²³⁸F₆ und auf eine oder in die Nähe einer Ab sorptionsspitze von U²³⁵F₆, wie durch die Kurven in Fig. 3A, 3E und 3F erläutert ist.

Bei Anwendungen, in denen die Q-Abfall-Spektraltechnik anstelle der Spitze-Loch-Technik herangezogen wird, ist in der Regel ein einzelnes Resonatorsystem mit einem Gitter an dem einen Ende und einem teilreflektierenden Ausgangsspiegel am anderen hinreichend, da eine Feinabstimmung und Verriegelung der Laser frequenz, die nur mit einem Doppelresonatorsystem möglich ist, nicht notwendig ist. Eine Filterzelle wird in der Regel eben falls nicht gebraucht. Eine Grobabstimmung mit dem Gitter des Einzelresonatorsystems reicht aus, um das Lasern auf einer gewünschten Frequenz auf einem Q-Abfall zu erzwingen.

Faßt man die Vorgänge beim Spitze-Loch-Spektralverfahren zusammen, bei welchem eine Filterabstimmung und eine Fein abstimmung mit einem Doppelresonatorsystem angewandt wird, dann ergeben sich im wesentlichen drei Schritte:

1. Der Gitterspiegel des Doppelresonatorsystems wird so gesetzt, daß eine einzelne erwünschte laserbare ClF- Linie ausgewählt wird;
2. die Filterzelle erzwingt einen Laservorgang auf denjenigen Resonatorlinien innerhalb dieser lasernden ClF-Linie für welche U²³⁸F₆ am wenigsten absorbiert, während
3. die schließlich Ultrafeinabstimmung einer bestimmten Resonatorlinie innerhalb der laserbaren ClF-Rotations schwingungslinie auf eine U²³⁵F₆-Spitze durch Einstellen des Spiegelabstands im kurzen Bein, vermittelt durch Ab sorptionsdifferenzmessungen und ein Regelsystem, geschieht.

Es hat sich gezeigt, daß es Fälle gibt, wo der Zwang durch die Fil terzelle zum Lasern auf einer mit einem Loch des Spektrums von U²³⁸F₆ zusammenfallenden Resonatorlinie auch zu einem Zusammenfallen oder Nahezuzusammenfallen mit einer Spitze des Spektrums von U²³⁵F₆ führt. In diesem Fall wird nur eine Filterzelle benötigt und das Doppelresonatorsystem zur Fein abstimmung und das Regelsystem sind überflüssig.

Da der Absorptionsquerschnitt des anderen Isotopenmoleküls, etwa von U²³⁸F₆, niemals vollständig Null sein kann, wird auch eine gewisse Anzahl von U²³⁸F₆-Molekülen durch den La serstrahl in den oberen Rotationsschwingungszustand angehoben, die dann auch mit dem Chlorwasserstoff reagieren. Dies führt zur Erzeugung von U²³⁸F₅Cl-Molekülen, die natürlich die U²³⁵- Anreicherung in dem UF₅Cl-Produkt stets kleiner als den Idealwert (100%) machen und sie proportional zu dem Quer schnittsverhältnis bzw. Grenzanreicherungsfaktor halten. Zusätzlich zur direkten Laseranregung von U²³⁸F₆ kann an geregtes U²³⁸F₆ auch durch Schwingungs-Schwingungs-(Vi brations-Vibrations-) Transfer (VV-Transfer) bei Stößen mit laserangeregtem U²³⁵F₆ gebildet werden. Dieses so genannte VV-"Isotopenverwürfeln" ("isotope scrambling") hat sich jedoch als langsam erwiesen, wenn HCl als kon kurrierender (schneller) Reaktionspartner verwendet wird, und wird teilweise durch Isotopenverwürfeln in die ent gegengesetzte Richtung, d. h. von U²³⁸F₆ nach U²³⁵F₆ aus geglichen.

Zusätzlich zu den ν₃-, 3ν₃- und ( ν₃ + ν₄ + ν₆)-Rotations schwingungsbanden, die beziehentlich in die Frequenzbe reiche der ClF-, CO- und CO₂-Laser fallen, existieren für Uranhexafluorid noch viele andere Rotationsschwin gungsbanden in anderen Frequenzbereichen, wo andere La ser emittieren.

Tabelle I weiter unten zeigt mehrere zusätzliche Mittel frequenzen von UF₆-Rotationsschwingungsabsorptionsbanden und ihnen am nächsten liegende Laserfrequenzen heute bekannter Laser. Einige der in Tabelle I aufgeführtenn Laserfrequenzen sind "gedoppelte" Frequenzen, die sich erhalten lassen, in dem man zusätzlich einen Frequenzdoppler 76 innerhalb eines Laser-Resonatorsystems, wie oben beschrieben, vorsieht. Die natürliche Frequenz des Lasers ist in diesem Fall ebenfalls aufgeführt. Wie aus Tabelle I zu entnehmen, liefert in man chen Fällen die gedoppelte Frequenz, die zur Verwendung bei UF₆ gewünschte Frequenz der Laserphotonen. Natürlich können diese Laser entweder kontinuierlich oder gepulst betrieben werden, und ihre Strahlen können zur Schaffung irgendei ner gewünschten Photonenintensität fokussiert oder un fokussiert sein.

Eine Tabelle ähnlich Tabelle I läßt sich auch für die vi bronischen Energieübergänge des UF₆ zusammenstellen. Der Laser muß in einem solchen Fall so ausgewählt werden, daß er am Ende eine Photonenfrequenz entsprechend dem gewünsch ten vibronischen Energieübergang liefert.

Neben den in Tabelle I aufgeführten ClF-, CO-, CO₂-, SO₂-, BrF-, BBr-, CS-, BF-, F₂O-, Cl₂O-, OsO₄-, BCl-, HCP-, OCS-, H₂O- und HF-Lasern können beispielsweise Laser wie DF-, I₁-, NO-, HCl-, CS₂-, H₂Se-, HCN-, N₂O-, NH₃-, BCl₃-, SF₆-, UF₆- und andere Molekularlaser sowie Argon-Ion oder -Excimer-, Krypton-Ion- oder -Excimer-, Xenon-Ion- oder -Excimer-, Jod-, Farbstoff- und andere Laser verwendet werden. Die bestimmte ausgegebene Photonenfrequenz jedes dieser Laser kann, ungedoppelt, gedoppelt verschoben oder abgestimmt entweder direkt zur Erzielung der selektiven An regung des ausgewählten in der Reaktionskammer 12 bzw. 12′ enthaltenen Isotopenmoleküls verwendet werden, oder in direkt nach Frequenzverschiebung mit Hilfe des Wandler kristalls 72 und der Idler-Strahlungsquelle 74. Die Aus wahl eines bestimmten Lasers und einer bestimmten Frequenz linie oder von bestimmten Frequenzlinien dieses Lasers hängt natürlich von den photoneninduzierbaren Rotations schwingungs- oder vibronischen Energieübergängen des in der Reaktionskammer 12 bzw. 12′ enthaltenen Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen ab. Ähnlich wird auch das Filtergas oder -material so ausgewählt, daß es Photonen im wesentlichen beseitigt oder unterdrückt, die zur Absorptionsenergie des anderen che misch identischen aber isotopisch verschiedenen Moleküls gehören, so daß der Strahl aus gefilterten Photonen im wesentlichen rein genau diejenigen Photonen enthält, deren Energie bei Frequenzen liegt, die starken Übergängen des ausgewählten Isotopenmoleküls und schwachen oder keinen Übergängen des anderen Isotopenmoleküls entsprechen.

Wie oben erwähnt, ist die Erzeugung einer Anreicherung von U²³⁵, die weitaus größer ist als die in natürlichem Uran, eines der Hauptanwendungsgebiete der Erfindung. Die Erfin dung ist jedoch nicht auf die Verwendung von Uranhexafluorid als das Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch ver schiedenen Molekülen beschränkt. Vielmehr können viele andere Uranverbindungen vorteilhaft zur Schaffung angereicherten U²³⁵ verwendet werden. Allgemein hat sich bei einigen An wendungen gezeigt, daß es vorteilhaft ist, mit uranhaltigen Molekülen zu arbeiten, bei welchen alle Atomarten mit Aus nahme des Urans monoisotop sind. Monoisotope Elemente sind natürlich solche, bei welchen nur ein stabiles Isotop in der Natur vorkommt. Die Isotopieunterschiede sind daher durch die verschiedenen Isotope des Urans, nämlich U²³⁵ und U²³⁸, gegeben. Ferner ist es allgemein vorteilhaft, eine uranhal tige Molekularverbindung mit niedrigem Schmelzpunkt und niedrigem Siedepunkt zu haben, damit sie in flüssigem oder gasförmigem Zustand gehalten werden kann, mit der Möglich keit das Reaktionsprodukt in einem leicht abtrennbaren Zu stand, wie etwa in einem unterschiedlichen chemischen Zu stand, der durch Differenzialgefrieren oder -destillation aus dem Ursprungsgemisch der Reaktionsteilnehmer abgetrennt werden kann, oder in einem unterschiedlichen physikalischen Zustand, wie etwa dem festen Zustand, welcher aus dem Gas gemisch der Reaktionsteilnehmer ausfällt und auf diese Weise von ihnen getrennt werden kann, zu erhalten. Niedrige Arbeits temperaturen sind im allgemeinen, wie oben erwähnt, wegen der Verbreiterung der Spektralabsorptionslinien wünschens wert.

Um große Isotopieverschiebungen in der Frequenz der Photonen absorptionsbanden zwischen den U²³⁵-haltigen Molekülen und den U²³⁸-haltigen Molekülen zu erhalten, hat sich ferner ge zeigt, daß die kombinierte Masse der anderen in den Molekülen enthaltenen Atome so hoch wie möglich sein sollte. Entsprechend
hat sich gezeigt, daß neben UF₆ beispielsweise UCl₆, UBr₆, UF₅Cl, UF₅I, UF₅Br, UI₄, UCl₄, UI₃, UI₂F₂, UClF₃, UIF₃, UO₂, US₂, U(BH₄)₄, Uranphosphide, Uranarsenide, Uranantimonide, Uranse lenide, Urantelluride und andere gemischte Uranhalogenide als die bereits erwähnten ebenfalls Moleküle sind, die sich bei der Anwendung der Erfindung zur Trennung der U²³⁵-haltigen Moleküle von den U²³⁸-haltigen Molekülen vorteilhaft ver wenden lassen.

Ferner läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Trennung eines oder mehrerer bestimmter Isotopenmoleküle aus einem Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschie denen Molekülen außer auf Uran ebenso gut auf gewisse andere Elemente anwenden. Tabelle II beispielsweise listet das Element, das Molekül und die zugehörigen Isotope auf, die zur Erzielung einer Anreicherung dieses Isotops gemäß den Grundlagen der Erfindung abgetrennt werden können. Natürlich können neben den in Tabelle II gezeigten Isotopen auch viele andere Isotope gemäß der Erfindung getrennt werden. Insbe sondere läßt sich jedes andere Hexafluorid XF₆, wie etwa SF₆, SeF₆, TeF₆, TcF₆, RuF₆, RhF₆, WF₆, OsF₆, PtF₆, NpF₆, XeF₆ und KrF₆, gemäß der hierin beschriebenen Verfahren handhaben, wenn eine Trennung der verschiedenen Isotope des Atoms X gewünscht wird.

Tabelle II

Im oben angegebenen Beispiel wurde zwar Chlorwasserstoff als der chemisch reaktive Stoff zur Erzielung einer che mischen Reaktion mit UF₆ verwendet, es lassen sich jedoch viele andere chemisch reaktive Stoffe ebenfalls verwen den. Beispielsweise können anstelle von HCl, HBr, HI, H₂, I₂, Cl₂, Br₂, NH₃, CH₄, verschiedene gasförmige Kohlen wasserstoffe und He, Ne, Ar, Kr, Xe, N₂, O₂ entweder ein zeln oder in beliebiger Kombination dazu verwendet wer den, die gewünschte Reaktion von UF₆ oder einer anderen Isotopenverbindung in Ausführungsformen zu beschleunigen, die gasförmige Halogenidverbindungen oder andere gas förmige Verbindungen anderer zu trennender Isotope, wie etwa der in Tabelle II gezeigten, verwenden.

Beispielsweise können die folgenden isotopenselektiven laserinduzierten Reaktionen ebenfalls ein Ökonomisches Verfahren zur Isotopentrennung von Uran liefern:

UF₆** + H₂ → UF₄ + 2HF (4)
2UF₆** + H₂ → 2UF₅ + 2HF (5)

In diesen Reaktionen fällt festes UF₄ bzw. UF₅ so aus, daß das ausgefallene UF₄ bzw. UF₅ an U²³⁵ entweder ange reichert oder verarmt ist. Die isotopenselektive Laser anregung und Reaktion wird in diesem Fall durch Pulsen und Fokussieren des einfallenden Laserstrahls erreicht, so daß Mehrphotonenabsorption gefördert wird. Das hochangeregte UF₆ (UF₆**) wird durch Stöße mit H₂ dissoziiert, das gleich zeitig die naszierenden F-Atome durch Reaktion mit ihnen be seitigt. In der Regel fördern leichte Moleküle, wie etwa H₂, am besten solche Dissoziationen von hochangeregten UF₆-Mole külen.

Sowohl der chemisch reaktive Stoff als auch die bestimmte Isotopenhalogenidverbindung, mit der der Stoff in nennens wertem Maße reagieren muß, oder dessen chemische Reaktion er fördern muß, wenn sich die Halogenidverbindung im ange regten Zustand befindet, bestimmen den Druck und die Tem peratur, bei welchem die Halogenidverbindung und der che misch reaktive Stoff in der Reaktionskammer 12 bzw. 12′ gemischt werden. Druck und Temperatur des in der Reaktions kammer 12 bzw. 12′ befindlichen Gemischs werden so gewählt, daß sich im wesentlichen keine chemische Reaktion der Ha logenidverbindung mit dem reaktiven Stoff im Anfangszu stand des Gemischs ergibt und die Reaktion erst nach An regung der Halogenidverbindung durch Lasereinstrahlung stattfindet. Bei der Auswahl bestimmter Kombinationen von Isotopenverbindungen und reaktiven Stoffen sollten die Pa rameter der chemischen Reaktionskinetik für die Paare von Reaktionsteilnehmern zur Bestimmung der optimalen Mischungs drucke und -temperaturen bekannt sein. Bei manchen Anwen dungen kann sowohl das Isotopenmolekül, dessen Isotope ge trennt werden sollen, als auch der chemische Reaktions partner laserangeregt werden, beide durch den gleichen Laser oder aber durch zwei verschiedene Laser. Der laser angeregte chemische Reaktionspartner sollte jedoch nicht in nennenswertem Maße mit dem nicht-laserangeregten Isotopen molekül reagieren können, weil sonst die Isotopentrennung nicht gut sein würde.

Für eine wirkungsvolle Isotopentrennung ist es wichtig, daß die Vibrations-auf-Translations- und Vibrations-Vibrations relaxationsgeschwindigkeiten (VT-Relaxationsgeschwindig keiten und VV-Relaxationsgeschwindigkeiten) langsam sind, verglichen mit der chemischen Reaktionsgeschwindigkeit, mit welcher das gewünschte Isotop entfernt wird. Für UF₆ bei spielsweise hat sich experimentell gezeigt, daß die stoß bedingten VT- und VV-Abregungsgeschwindigkeiten der ν₃- Schwingung des UF₆ ausreichend langsam sind und daß die Beschleunigung der Reaktion von UF₆ mit HCl zur Bildung von UF₅Cl ausreichend schnell gemacht werden kann, daß die Quantenausbeute der laserangeregten photochemischen Reaktion

UF₆* ( ν₃) + HCl → UF₅Cl + HF (6)

ungefähr 25% bei Zimmertemperatur beträgt. Ähnliche Be dingungen sollten für andere Isotopenmoleküle unter Ver wendung anderer chemischer Reaktionsstoffe herrschen.

In den bislang angegebenen Beispielen wurden in erster Linie reine Rotationsschwingungsanregungen von UF₆ und anderen Isotopenverbindungen betrachtet. Manchmal kann jedoch auch eine vibronische Anregung von UF₆, das ist eine Anregung, bei welcher sowohl eine Änderung des Elek tronenzustands als auch des Schwingungszustands stattfin det, in Betracht gezogen werden. Beispiele hierfür sind die vibronischen Anregungs- oder Emissionsbanden von UF₆, die ihre Mitten bei einer Frequenz von ungefähr 27 410 cm^-1, 27 490 cm^-1 und 28 415 cm^-1, im nahen Ultraviolett, haben. Laser, die in diesen Banden emittieren, sind der Xenon- Ion-Laser, der bei einer Frequenz von 27 400 cm^-1 emittiert, und der Argon-Ion-Laser, der bei den Frequenzen 27 485 cm^-1 und 28 465 cm^-1 emittiert. Ähnlich können auch die Strahlun gen des Krypton-Ion-Lasers bei Frequenzen von 28 480 cm^-1 und 28 000 cm^-1 im Zusammenhang mit der Anregung der vibroni schen Absorptionsbanden des UF₆, die um die Mitte von 28 415 cm^-1 und 28 080 cm^-1 liegen, verwendet werden. Schließlich können abstimmbare Farbstoff- und Jodlaser oder Edelgas-Excimer- Laser verwendet werden, deren Frequenzen über das ganze Ultraviolett-Absorptionsspektrum von UF₆ durchgestimmt wer den können.

Beschreibung einer Isotopentrennanlage für die Anreicherung von Uranisotopen:

Fig. 6 ist eine schematische Darstellung und ein Flußdiagramm für eine insgesamt mit 99 bezeichnete, auf den Grundlagen der Erfindung arbeitende Laser-Isotopentrennanlage für Uran. Mit der Anlage kann das im natürlichen Uran mit einer Häufigkeit von 0,7% vorkommende U²³⁵ auf einen Wert zwischen 2,5% und 7% (Anreicherungsfaktor von ungefähr 4-10) oder höher in ei nem Schritt und bei Kosten angereichert werden, die auf 100mal bis 1000mal weniger als die Kosten geschätzt werden, die zur Erzielung von Anreicherungsfaktoren in diesem Bereich bei spielsweise mit einer das Diffusionsverfahren ausnützenden Diffusionsanlage aufgewendet werden müssen. Natürliches UF₆ in gasförmigem Zustand aus Tank 100 wird mit gasförmigem HCl aus Reservoir 102 in einem Mischtank 104 gemischt, von wo es mit Hilfe einer Pumpe 106 durch das Absperrventil 108 und durch das Verteilerrohr 112 in die Reaktionskammer 110 gepumpt wird. Die Reaktionskammer 110 ist mit einem geeigne ten Fenster 114 für den Durchtritt der gewünschten Laserstrah lung zur Absorption in der Reaktionskammer 110 durch ein ausgewähltes Isotopenmolekül, entweder U²³⁸F₆ oder U²³⁵F₆, abhängig vom Frequenzgehalt der Laserphotonen, versehen.

Einrichtungen zur Erzeugung von Laserphotonen bei einer Frequenz, die hohen Isotopenabsorptionsquerschnittsver hältnissen von U²³⁵F₆ zu U²³⁸F₆ oder, falls gewünscht, von U²³⁸F₆ zu U²³⁵F₆ entsprechen, sind oben beschrieben.

Bevorzugt wird, wie oben diskutiert, ein ClF-, BF-, OCS-, CS-, CS₂-, CO- oder CO₂-Laser, während das bevorzugte Reaktionsgemisch UF₆ mit HCl in einem Molverhältnis zwi schen 1/20 und 1/1 ist, wobei ein typisches Molverhältnis für das Gemisch UF₆/HCl = 1/4 ist. Anstelle von HCl können auch die Halogenide HBr oder HI verwendet werden. Ein ty pischer Druck für das UF₆/HCl-Gemisch ist 2,66 mbar, während die Temperatur typischerweise 235 K beträgt. Jedoch kön nen auch Drucke und Temperaturen ober- oder unterhalb die ser auf den oben dargelegten Grundlagen ausgewählten Werte eine wirkungsvolle Trennung ergeben. Die Nennwerte von 2,666 mbar für den Druck und von 235 K für die Temperatur des Gas gemischs lassen sich durch in der chemischen Verfahrensin dustrie verwendete Standardmaßnahmen, wie Kälteerzeugung, Düsenentspannung usw., unmittelbar vor dem Eintritt des Gemischs in die Kammer 110 erreichen.

Mit der Laserbestrahlung des UF₆/HCl-Gemischs in der Kammer 110 erfolgen die Reaktionen

U²³⁵F₆* ( ν ) + HCl → U²³⁵F₆Cl + HF (v = 0, 1 oder 2) (7)
U²³⁸F₆* ( ν ) + HCl → U²³⁸F₆Cl + HF (v = 0, 1 oder 2) (8)

mit einer typischen Quantenausbeute von ungefähr 25% bei einem Nenndruck von 2,666 mbar und einer Nenntemperatur von 235 K. Da die Absorptionsrate von Laserphotonen durch das ausgewählte Isotop U²³⁵F₆ (oder U²³⁸F₆, falls dieser Weg gewählt wird) höher ist, ist das Isotopenverhältnis U²³⁵F₅Cl/U²³⁸F₅Cl (oder U²³⁸F₅Cl/U²³⁵F₅Cl) größer als das ursprüngliche Iso topenverhältnis U²³⁵F₆/U²³⁸F₆ (oder U²³⁸F₆/U²³⁵F₆) des im Mischtank 104 befindlichen Gemischs. Typische Verweilzeiten des Gemischs für eine ClF-Laserbestrahlung mit 1000 Watt durch eine Reaktionskammer 110 mit einem Radius von 35 cm und einer Länge von 5 m betragen ungefähr 0,024 Sekunden.

Für eine Bestrahlung mit einem CO-Laser bei 1 Kilowatt durch eine Kammer 110 mit einem Radius von 35 cm und einer Länge von 280 m dürfte die Verweilzeit typischer weise 29 Sekunden betragen, während eine Bestrahlung mit einem CO₂-Laser durch eine Kammer 110, die 420 m lang und 35 cm im Durchmesser ist, typischerweise eine Ver weilzeit von 198 Sekunden erfordert. Höhere oder kürzere Verweilzeiten, unter Verwendung anderer Laserleistungen und/oder von 2 oder mehr Lasern und/oder anderen Arbeits drucken und Temperaturen mit anderen Kammerradien und -längen können ebenfalls mit Nutzen verwendet werden.

Eine typische Anordnung 130 mit zwei 500 Watt ClF-, BF-, OCS-, CS-, CS₂-, CO- oder CO₂-Lasern 132 und 134, einen an jedem Ende 136 bzw. 138 einer Kammer 140 mit einem Querschnitt von 1000 cm², durch Fenster 114′ und 114′′ einstrahlend, ist in Fig. 7 gezeigt. Wenn in der An ordnung der Fig. 7 ein ClF-Laser verwendet wird, sind folgende typische Verfahrensparameter: UF₆-Zufuhrge schwindigkeit durch Einlaßverteilerrohr 142 = 0,21 Mol/s; Reaktionskammerlänge = 5 m; UF₆-Druck = 0,16 mbar; Temperatur = 210 K; Verweilzeit = 0,024 s. Wenn statt dessen ein CO-Laser verwendet wird, beträgt die UF₆-Zu fuhrgeschwindigkeit 0,07 Mol/s und die Reaktionskammer parameter sind: Länge = 280 m; UF₆-Druck ≈ 1,27 mbar; Temperatur = 235 K; Verweilzeit ≈ 29 Sekunden. Schließ lich beträgt im Falle der Verwendung eines CO₂-Lasers die UF₆ Zufuhrgeschwindigkeit 0,14 Mol/s, während die Reaktionskammerparameter sind: Länge = 420 m; UF₆-Druck = 13,33 mbar; Temperatur = 265 K; Verweilzeit ≈ 198 Sekun den. In allen Fällen wird der "Schnitt" auf 10% genommen, d. h. das Verhältnis von erzeugtem UF₅Cl zu zugeführtem UF₆ beträgt ungefähr 0,1. Ein Molverhältnis für HCl/UF₆ von 4 wird als nominell angenommen, aber jedes beliebige Verhältnis zwischen 1 und 10 kann verwendet werden.

Für den ClF-Laser läßt sich ein effektiver Anreicherungs faktor von ungefähr 6 erhalten, während bei Anwendung der Spitze-Loch-Technik auf die ν₃-Bande, wie oben beschrieben, ein Faktor von ungefähr 10 bis 15 erhalten werden kann. Für die CO- und CO₂-Laser erscheint gegenwärtig die Q-Ab fallmethode am aussichtsreichsten. Ein effektiver Anrei cherungsfaktor von ungefähr 3,5 läßt sich mit einem CO- Laser erhalten, der auf der 3ν₃-Bande von UF₆ arbeitet, und ein Faktor von ungefähr 1,5 ist möglich, wenn ein CO₂- Laser verwendet wird, der auf der ( ν₃ + ( ν₃ + ν₄ + ν₆)-Bande ar beitet.

Da die Gasströmungsgeschwindigkeiten für den Fall des ClF- Lasers mittelhoch sind (Verweilzeit = 0,024 Sekunden), ist in Fig. 8 eine andersartige Anordnung 150 gezeigt, die eben falls eingesetzt werden kann. In der Anordnung 150 ist we niger Verweillänge vorhanden und niedrigere Strömungsge schwindigkeiten sind möglich. Die in Fig. 8 gezeigte An ordnung 150 macht von zwei 500 Watt ClF-Lasern 152 und 154 Gebrauch. Es wird eine 20 m lange, 2 m breite und 25 cm hohe Reaktionskammer 156 verwendet, in die die Strahlung des ClF-Lasers durch eine Reihe von in den Seiten der Kam mer 156 befindlichen Fenstern 158 eingeführt wird. Die Zu fuhrgeschwindigkeit von UF₆ in die Reaktionskammer 156 aus einer oberen Plenumkammer 160 beträgt für die in Fig. 8 ge zeigte Anordnung wiederum 0,2 Mol/s, während die Verweil zeit ungefähr 1,6 Sekunden beträgt. Die mit der Anordnung der Fig. 8 über den in der rohrförmigen Anordnung der Fig. 7 erforderlichen Wert von 0,024 Sekunden hinaus erzielbare Ver weilzeit erlaubt niedrigere Pumpgeschwindigkeiten, wodurch sich niedrigere Kosten im Zusammenhang mit der Pumpeinrichtung verwirkli chen lassen. Dieser Gewinn wird jedoch teilweise durch die Kosten eines zusätzlichen Zugs von Strahlenteilern 162 und Fenstern 158 ausgeglichen. In der Praxis würde die Wahl zwischen der in Fig. 7 gezeigten Anordnung 130 und der in Fig. 8 gezeigten Anordnung 150 von einer wirtschaftlichen Vergleichsstudie zwischen den zwei Kostenfaktoren abhängen.

Zurück zu Fig. 6. Beim Betrieb der Anlage setzt sich, nach dem die laserinduzierte isotopenspezifische Reaktion in der Reaktionskammer 110 stattgefunden hat, der durch das Auslaßverzweigerrohr 113 abgehende Gasstrom aus einem Gasgemisch mit einer typischen Zusammensetzung von 78% HCl, 2% HF, 18% UF₆ und 2% UF₅Cl zusammen. Falls der Laser bei einer Frequenz betrieben wurde, wo das Isoto penabsorptionsquerschnittsverhältnis σ₂₃₈/σ₂₃₅ 1 ist, ist das unreagierte UF₆ an U²³⁵ angereichert und das UF₅Cl verarmt, während für das Verhältnis s₂₃₅/σ₂₃₈ < 1 das Reak tionsprodukt UF₅Cl an U²³⁵ angereichert und das UF₆ verarmt ist. Wenn der zugeführte Stoff natürliches Uran (0,7% U²³⁵) ist, wird in der Regel ein Betrieb mit s₂₃₅/σ₂₃₈ < 1 bevor zugt, weil sich für praktische Werte des Schnitts (Produkt UF₅Cl)/(zugeführtes UF₆)) in einem kontinuierlichen Verfahren ein höherer effektiver Anreicherungsfaktor er zielen läßt.

Das behandelte Gasgemisch aus HCl/HF/UF₆/UF₅Cl wird in einem Kompressor 180 zuerst auf einen Druck von ungefähr 993 mbar und eine Temperatur von 350 K komprimiert und dann durch einen Differentialgefrierabschnitt 181, bestehend aus einer Reihe von Ausfrierkammern 182 und 182′, 184 und 184′, 186 und 186′ geleitet, wo jede der 4 Komponenten durch Differentialgefrieren abgetrennt wird und die zur Schaffung geeigneter Verbindungen notwendigen Rohrlei tungen, Ventile, Pumpen und dgl., wie in Fig. 6 gezeigt, vorgesehen sind. Dies ist möglich, weil jedes der 4 Gase einen anderen Dampfdruckverlauf in Abhängigkeit von der Temperatur hat. In Fig. 6 wird UF₅Cl, das den niedrigsten Dampfdruck hat, in Kammer 182 oder 182′ bei einer Tem peratur von ungefähr 295 K und einem Gesamtdruck von 629 mbar zuerst ausgefroren. In Fig. 6 sind zwei Aus frierkammern 182 und 182′ für UF₅Cl gezeigt, um ein dis kontinuierliches Sammeln des UF₅Cl-Produkts zu ermöglichen, während die Laser-Isotopentrennung ohne Unterbrechung wei tergehen kann. Während beispielsweise eine Ausfrierkammer für UF₅Cl gerade von gesammeltem UF₅Cl-Produkt (durch Heizen und Abpumpen) entleert wird, sammelt die andere Ausfrierkammer 182′ für UF₅Cl gerade neues UF₅Cl-Pro dukt.

Die verbleibenden Gase UF₆, HCl, HF können in den Kammern 182 und 182′ nicht ausfrieren, da ihre Partialdrucke deut lich unter ihren Dampfdrucken bei 295 K liegen. Sie wer den also durch die Sammelkammern 182 oder 182′ für UF₅Cl durchgepumpt und in die Kammern 184 und 184′ weitergeleitet, wo das nächstwenig flüchtige Gas, nämlich UF₆, bei einer Temperatur von ungefähr 222 K ausgefroren wird. Wie in Fig. 6 gezeigt, kann, wenn eine höhere Anreicherung ge wünscht wird, das Gemisch aus UF₆, HCl und HF teilweise oder ganz in die Mischkammer zurückgeführt und in der Kammer 110 der Laserstrahlung erneut unterworfen werden. Bei vielen Anwendungen wird nur eine einstufige Anreicherung benötigt, oder die weitere Anreicherung geschieht in einer nachfolgenden Stufe, die entfernt von der in Fig. 6 gezeig ten Anlage liegt, in welchem Fall dann das Rückführen nicht notwendig ist. Es sind wiederum zwei Kammern 184 und 184′ in Fig. 6 gezeigt, die einen kontinuierlichen Betrieb und diskontinuierliches Abtrennen des ausgefrorenen UF₆ ermög lichen.

Die Gase HF und HCl sind in denn Kammern 184 oder 184′ immer noch ungesättigt und werden daher weiter zu Kammern 186 oder 186′ durchgepumpt, wo HF bei einer Temperatur von ungefähr 175 K ausgefroren wird. Wiederum sind zwei Kammern 186 und 186′ vorgesehen, um einen kontinuierlichen Betrieb zu ge statten, während HF aus der wechselnden Sammelkammer abge zogen und gereinigt wird. Das verbleibende HCl wird schließ lich in den HCl-Tank 102 zur Wiederverwendung im Kreislauf zurückgeführt.

Das in den Kammern 182 oder 182′ gesammelte UF₅Cl ist an U²³⁵ verarmt, falls die Betriebsbedingungen so gewählt werden, daß σ₂₃₈/σ₂₃₅ < 1 ist. In diesem Falle kann das UF₅Cl in einem Reformer 189 zur Gewinnung von verarmtem U, F₂ und Cl₂ umgeformt werden, um den Gesamtbetrieb der Uran anreicherungsanlage auszubalancieren. Wird andererseits der Arbeitspunkt so gewählt, daß σ₂₃₅/σ₂₃₈ < 1 ist, dann ist UF₅Cl an U²³⁵ angereichert und kann, wie bei 193 angedeutet, zu einer Anlage zur Herstellung von Kernbrennstoffen trans portiert werden. Das F₂ und Cl₂ werden dann in der Anlage zur Herstellung der Kernbrennstoffe wiedergewonnen und an die Anreicherungsanlage zur Wiederverwendung zurückgesandt.

Für das in den Kammern 184 und 184′ gesammelte UF₆ trifft das Umgekehrte zu, d. h., wenn der Arbeitspunkt so ausge wählt ist, daß σ₂₃₈/σ₂₃₅ < 1 ist, dann ist das UF₆ an U²³⁵ angereichert, und in diesem Fall wird dieses Produkt in die Anlage zur Herstellung von Kernbrennstoffen trans portiert. Ist der Arbeitspunkt so, daß σ₂₃₅/σ₂₃₈ < 1, dann ist das in den Kammern 184 und 184′ gesammelte UF₆ an U²³⁵ verarmt und dieser Stoff bildet die "Abgänge" des Anreiche rungsvorgangs.

Mit dem in den Kammern 186 und 186′ gesammelten HF kann der UF₅Cl-Reformer beschickt werden oder ein Brennelementeherstel lungsvorgang, wo es dazu verwendet werden kann, Cl-Abfall wie derzugewinnen, um HCl zur Rückführung in den Kreislauf zu erhalten.

Es kann eine zentrale Kühlanlage 188 verwendet werden, die die Kühlmittel CF₄ (T_frier = 146 K), Kulene-131 (T_frier = 214 K), Freon-22 (T_frier = 233 K) und Wasser zur Bedienung der einzelnen Gefriereinheiten, wie in Fig. 6 gezeigt, ver wendet.

In Fig. 9 ist eine weitere, allgemein mit 190 bezeichnete Ausführungsform einer Aufbereitungsanlage gemäß den Grund lagen der Erfindung gezeigt, bei welcher die Reaktionspro dukte UF₅ (oder UF₄) + HF + 1/2 Cl₂ zusätzlich oder anstelle von UF₅Cl in der Reaktionskammer 192 gebildet werden können, wobei die Reaktionskammer 192 ähnlich der Kammer 110 ist, mit Ausnahme daß ein zusätzlicher chemisch reaktiver Stoff des Typs, der nicht verbraucht wird, in Form von Drähten, Ringen, Perlen, oder Plättchen, wie in den Reaktionskammern 192 a, 192 b und 192 c der Fig. 10 gezeigt, vorhanden ist und oberflächenkatalytisches Platin, Kobalt, Nickel, Aluminium oxid, Magnesiumoxid, Siliziumoxid oder dgl. oder einen gas förmigen Stoff wie H₂ oder He enthält, die bei der Reaktion des laserangeregten UF₆ mit HCl die Bildung von festem UF₅ (oder UF₄) anstelle von einfach dem Produkt UF₅Cl + HF för dern.

Fig. 10 zeigt mehrere Anordnungen für die Anwendung eines Oberflächenkatalysators in einer Reaktionskammer zur Förderung der Bildung von festem UF₄ oder UF₅. Die Reaktionskammer 192 a, die in der in Fig. 9 gezeigten Ausführungsform 190 als die Reaktionskammer 192 verwendet werden kann, ist in ihrem Inneren mit einem Spiraldrahtkatalysator 192 a′ versehen. Der Spiraldrahtkatalysator 192 a′ kann aus den oben beschriebenen festen Katalysatoren zusammengesetzt sein und weist eine Achse 192 a′ auf, längs derer der Laserstrahl so durchge leitet wird, daß keine gegenseitige Beeinträchtigung von Draht und Laserstrahl auftritt.

Die Reaktionskammer 192 b läßt sich ebenfalls als die in Fig. 9 gezeigte Reaktionskammer 192 verwenden und ist mit einer Anzahl von im Abstand voneinander angeordneten Ring elementen 220 versehen. Jedes Ringelement 220 umfaßt einen Perlenträgerdraht 222 mit einer Anzahl von darauf befestigten Perlen 224. Die Perlen 224 können aus den oben beschriebenen festen Katalysatoren hergestellt sein. Die Ringelemente 220 werden in ihren Abständen voneinander innerhalb der Kammer 192 b durch die sich in Längsrichtung erstreckende Trägerdrähte 226 gehalten. Der Laserstrahl wird frei von gegenseitiger Beeinträchtigung mit den Ringelementen 220 oder Träger drähten 226 in Richtung der Achse 192 b′ gelenkt.

Die Reaktionskammer 192 c kann ebenfalls als die in Fig. 9 gezeigte Reaktionskammer 192 verwendet werden und ist mit einem halbzylindrischen, doppelwandigen Teil 228 versehen, der einen ringförmigen Zwischenraum 230 zwischen den Wänden 232 und 234 definiert. Die Wände 232 und 234 sind aus einem maschenartigen oder siebartigen Material hergestellt und enthalten eine Anzahl von Katalysatorscheibchen 236 im ring förmigen Zwischenraum 230, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Die Scheibchen 236 können aus dem oben beschriebenen Kataly sator hergestellt sein, und der Laserstrahl wird ohne Ver letzung der Kammer 228 längs der Achse 238 geleitet.

In einigen Ausführungsformen wird das Zwischenprodukt UF₅Cl überhaupt nicht gebildet, und H₂ ersetzt HCl im Tank 193 vollkommen. In anderen Ausführungsformen wird im Tank 193 anstelle des reinen HCl ein H₂/HCl-Gemisch verwendet. Die Anregung wird durch Laser 194 und/oder 196 geliefert, die ähnlich wie die oben beschriebenen Laser 118, 132 oder 134 sein können. Natürliches UF₆ wird in die Kammer 192 aus Tank 191 nachgeliefert. Das in Kammer 192 schließlich ge bildete UF₅ ist nicht-flüchtig und fällt in der Reaktions kammer 192 aus, ebenso wie ein gegebenenfalls gebildetes UF₄ oder andere feste Reaktionsprodukte. Die verbleibenden flüchtigen Komponenten UF₆, HCl, HF, Cl₂ und restliches UF₅Cl (falls vorhanden) werden abgepumpt und in einem Differenzialgefrierabschnitt 196, ähnlich dem in Fig. 6 gezeigten Abschnitt 181, wiedergewonnen. UF₆ (und UF₅Cl (wenn welches vorhanden)) wird in Kammern 198 oder 198′ bei T = 235 K ausgefroren und abgetrennt; HF wird in Kam mern 200 oder 200′ bei T = 175 K gesammelt und HCl wird in Kammer 202 oder 202′ bei 148 K abgetrennt.

Das verbleibende Cl₂ wird in einen chemischen Reaktor 204 geleitet, wo es mit H₂ zu HCl umgesetzt wird, welches in die Kammer 193 zurückgeführt wird. Wie in Fig. 9 gezeigt, kann das H₂ für die HCl-Wiedergewinnungsreaktion aus Zelle 206 gewonnen werden, in welcher in den Kammern 200 oder 200′ gesammeltes HF in einer elektrolytischen Zelle mit KF zu H₂ und F₂ umgesetzt wird. Das in Zelle 200 gebildete F₂ wird in einen Speichertank 195 geleitet.

Bei Ausführungsformen, wo überhaupt kein HCl verwendet wird und nur reiner H₂ zur Anwendung gelangt, wird natürlich kein Cl₂ gebildet. Das Abtrennen von HCl über die Ausfrierein heiten 202 oder 202′ wird in diesem Fall übersprungen, und anstelle Cl₂ zur Einheit 204 laufen zu lassen, wird H₂-Gas in die Kammer 193 zurückgeführt.

Zur Entfernung des festen UF₅, UF₄ oder anderer fester Re duktionsprodukte von UF₆, die in der Reaktionskammer 192 ausfallen, wird der Laser-Isotopentrennvorgang in Abständen angehalten und F₂ aus Tank 195 zur Refluorierung von UF₅, UF₄ oder anderer fester UF₆-Reduktionsprodukte zu gas förmigem UF₆ bei leicht erhöhten Temperaturen eingelassen. Jeweils eine aus einer Batterie von 10 Einheiten 190 kann beispielsweise für diesen Wiedergewinnungsvorgang abge schaltet werden.

Wie im System 99 der Fig. 6 sind zwei Ausfrierkammern (198 oder 198′; 200 oder 200′; 202 oder 202′) im System 196 für die Differentialgefrierschritte, die UF₆, HF und HCl sammeln, vorgesehen. Während eine Kammer ausgeleert wird, sammelt die andere, so daß ein kontinuierliches Arbeiten möglich ist, wobei der Zustrom von einer Kammer auf die andere Kammer schaltbar ist. Wiederum ist das in 198 oder 198′ gesammelte UF₆ an U²³⁵ verarmt und das ausgeschiedene UF₅, UF₄ oder andere feste UF₆-Reduktionsprodukt in 192 an U²³⁵ angerei chert, falls das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte σ₂₃₅/σ₂₃₈ für den weiter oben beschriebenen laserinduzierten Reaktionsprozeß 1 überschreitet, während umgekehrt das in 198 oder 198′ gesammelte UF₆ angereichert und das Präzipitat in 192 an U²³⁵ verarmt ist, falls das umgekehrte Verhältnis σ₂₃₈/σ₂₃₅ < 1 ist.

Natürlich sind alle aufgeführten Verfahrensparameter nur Beispiele, und gleich gute oder bessere Anreicherungsvor gänge können möglicherweise mit leicht modifizierten Wer ten für die Arbeitsparameter und/oder leicht modifizierten Flußschemata erreicht werden. Die gezeigten Schemata lassen sich natürlich auf gleich gute Weise auch für die Trennung von anderen als Uranisotopen verwenden. Der Hauptunter schied würde darin bestehen, daß andere Ausfriertempera turen in der Folge der Differentialausfriervorgänge zur Trennung der einzelnen Produkte gewählte werden müssen, da andere gasförmige Verbindungen andere Dampfdrucke und Ge frierpunkte haben. Auch können andere Verfahren als das Differentialgefrieren, wie etwa Lösungsmittelextraktion, Absorption und andere bekannte Trenntechniken der che mischen Verfahrenstechnik angewandt werden.

Aus dem Obigen ergibt sich, daß die Erfindung nicht nur ein verbessertes Verfahren zur Erzielung einer Anreicherung eines bestimmten Isotops auf einen weit über dem natürli chen Wert liegenden Anreicherungsgrad vorschlägt, sondern ebenso eine verbesserte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also eine Isotopen trennanordnung zur Trennung eines bestimmten Isotops aus einem Gemisch aus chemisch identischen aber isotopisch verschiedenen Molekülen durch selektive photoneninduzierte reine entweder Rotationsschwingungs- oder vibronische An regung der die Atome des abzutrennenden Isotops enthalten den Moleküle aus einem unteren in einen höheren Energie zustand, und eine chemische Umsetzung der Moleküle im höheren Energiezustand mit einem chemisch reaktiven Stoff zu einer chemischen Verbindung, die in erster Linie die Atome des abzutrennenden Isotops in einem physikochemischen Zustand enthält, der vom physikochemischen Zustand des Gemischs aus chemisch identischen aber isotopisch verschie denen Molekülen verschieden ist. Die die Atome des abzu trennenden Isotops enthaltende chemische Verbindung kann nachfolgend zu Gewinnung des Isotops weiterverarbeitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung eines vorbestimmten Isotops aus einem Gemisch chemisch gleicher, isotopisch aber unterschiedlicher Moleküle mit unterschiedlichen Absorp tionsquerschnitten für bestimmte Frequenzen und fre quenzverschobenen Absorptionsbanden, wenigstens im Be reich ihrer photoneninduzierbaren Übergänge für Rota tions-Schwingungs-Spektren, bei welchem

a) dem Molekülgemisch ein Stoff zugesetzt wird, der bei den gemäß b) angeregten Molekülen rascher als bei den nicht-angeregten Molekülen eine physiko-chemische Verän derung bewirkt,
b) das so erhaltene Gemisch aus Isotopenmolekülen und Zusatzstoff einem mit einem Laser erzeugten Photonen strahl mit einer bestimmten Frequenz innerhalb eines be stimmten Bereiches einer frequenzverschobenen Absorp tionsbande ausgesetzt wird, wobei die Flußdichte des Photonenstrahles so eingestellt wird, daß die Übergangswahrscheinlichkeit in den angeregten Zustand größer als die stoßbedingte Rückrate in den nicht-ange regten Zustand ist,
c) die physiko-chemisch veränderten Moleküle und daraus dann die Isotope selektiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur und der Gesamtdruck des Gemischs aus Isotopenmolekülen und Zu satzstoff derart, eingestellt und gehalten werden, daß das Verhältnis der Absorptionsquerschnitte der Isotopenmoleküle maximal wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich zwischen 100 und 300 K einge stellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Bereich zwischen 0,013 und 1013 mbar einge stellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Bereich der Absorptionsbande eine kontinu ierliche Absorptionskontur und einen hohen Absorptions querschnitt der Isotopenmoleküle im Mittelteil sowie ei nen niedrigeren Absorptionsquerschnitt der Isotopenmolekü le im Abfall der Bande aufweist, wobei die Differenz zwischen der Größe des Absorptionsquerschnitts des anzu regenden Isotopenmoleküls und der Größe des Absorptions querschnitts des anderen Isotopenmoleküls bei einer be stimmten Frequenz auf den Abfällen größer als im Mittel teil ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁵F₆ in einem Gemisch aus U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ angeregt werden und daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz auf einem Abfalls der Einhüllen den der Q-Zweige der Heißbanden von UF₆ zwischen dem Mittelteil der Einhülenden der Q-Zweige und einem Be reich angrenzender heißer R-Zweige ist, bei der der Ab sorptionsquerschnitt von U²³⁵F₆ größer als derjenige von U²³⁸F₆ ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁸F₆ in einem Gemisch aus U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ angeregt werden und daß die bestimmte Fre quenz eine Frequenz auf einem Abfall der Einhüllenden der Q-Zweige der Heißbanden von UF₆ zwischen dem Mittel teil der Absorptionseinhüllenden und dem Bereich angren zender Q-Zweige ist, bei der der Absorptionsquerschnitt von U²³⁸F₆ größer als derjenige von U²³⁵F₆ ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q- Zweige in der ν₃-Absorptionsbande von UF₆ liegt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q- Zweige in der ( ν₁ + ν₃)-Absorptionsbande von UF₆ liegt.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q- Zweige in der ( ν₂ + ν₃)-Absorptionsbande von UF₆ liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q- Zweige in der ( ν₃ + ν₅)-Absorptionsbande von UF₆ liegt.

11. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q- Zweige in der 3ν₃-Absorptionsbande von UF₆ liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die bestimmte Frequenz auf dem Abfall der Q- Zweige in der ( ν₃ + ν₄ + ν₆)-Absorptionsbande von UF₆ liegt.

13. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsbande wenigstens eine kontinuierliche dichte Kontur heißer Q-Zweige im Mittelteil der Absorp tionsbande und daran angrenzend strukturierte Bereiche heißer P-Zweige und R-Zweige mit einer Anzahl von Spitzen hoher Absorption (Absorptionsmaxima) und Löchern tiefer Absorption (Absorptionsminima) aufweist, die den bestimmten Bereich der Absorptionsbande bilden, und daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz ist, bei welcher wenigstens ein Absorptionsmaximum des anzuregenden Iso topenmoleküls mit einem Absorptionsminimum des anderen Isotopenmoleküls zusammenfällt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Bereich zwischen 0,013 und 13 mbar einge stellt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁵F₆ in einem Gemisch aus U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ angeregt werden und daß die bestimmte Fre quenz eine Frequenz in wenigstens einem Bereich der P- Zweige und R-Zweige der ν₃-Absorptionsbande von UF₆ ist, bei der der Absorptionsquerschnitt von U²³⁵F₆ größer als der Absorptionsquerschnitt von U²³⁸F₆ ist.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁵F₆ in einem Gemisch aus U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ angeregt werden und daß die bestimmte Fre quenz eine Frequenz in wenigstens einem Bereich der P- Zweige und R-Zweige einer Kombinations-Schwingungsabsorp tionsbande von UF₆ aus einer Anzahl von Normalschwingun gen, von denen wenigstens eine die ν₃-Schwingung ist, darstellt, bei der der Absorptionsquerschnitt von U²³⁵F₆ größer als derjenige von U²³⁸F₆ ist.

7. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁸F₆ in einem Gemisch aus U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ angeregt werden und daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz in wenigstens einem Bereich der P-Zweige und R-Zweige der ν₃-Absorptionsbande von UF₆ ist, bei der der Absorptionsquerschnitt von U²³⁸F₆ größer als derjenige von U²³⁵F₆ ist.

18. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁸F₆ in einem Gemisch aus U²³⁵F₆ und U²³⁸F₆ angeregt werden und daß die bestimmte Frequenz eine Frequenz in wenigstens einem Bereich der P-Zweige und R-Zweige einer Kombinations-Schwin gungsabsorptionsbande von UF₆ aus einer Anzahl von Nor malschwingungen, von denen wenigstens eine die ν₃- Schwingung ist, darstellt, bei der der Absorptionsquer schnitt von U²³⁸F₆ größer als derjenige von U²³⁵F₆ ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 7, 15 oder 17, da durch gekennzeichnet, daß der Photonenstrahl der be stimmten Frequenz durch Induzieren einer Photonenemis sion aus einem ClF-, BrF-, BCl-, SO₂-, CO₂- oder SF₆- Laser erzeugt wird.

20. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonenstrahl der bestimmten Frequenz durch Indu zieren einer Photonenemission aus einem BF-Laser erzeugt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonenstrahl der bestimmten Frequenz durch Indu zieren einer Photonenemission aus einem O¹⁶C¹²S³⁶-, O¹⁶C¹³S³⁴-, O¹⁸C¹²S³²-, O¹⁸C¹²S³⁴-, O¹⁸C¹²S³⁶-, O¹⁸C¹³S³⁶-, CS- oder BF-Laser erzeugt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonenstrahl der bestimmten Frequenz durch Induzieren einer Photoemission aus einem CO-Laser erzeugt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Photonenstrahl der bestimmten Frequenz durch Induzieren einer Photonenemission aus einem CO₂-Laser erzeugt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selektive Abtrennung der physiko-chemisch verän derten Moleküle und die selektive Gewinnung des vorbestimmten Isotops unter fraktioniertem Ausfrieren der physiko-chemisch veränderten Moleküle, der unverän derten Isotopenmoleküle und des unveränderten Stoffes zur Trennung der Bestandteile erfolgt.

25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bestrahlte Gemisch aus Isotopenmolekülen und Zu satzstoff in einem Molverhältnis im Bereich zwischen 1 : 1 und 1 : 20 besteht.

26. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff Wasserstoff, Chlorwasserstoff, Bromwas serstoff oder ein Gemisch aus Wasserstoff und Chlorwas serstoff, Wasserstoff und Bromwasserstoff, Chlorwasser stoff und Bromwasserstoff oder Wasserstoff, Chlorwas serstoff und Bromwasserstoff ist.

27. Verfahren nach Anspruch 1 oder 25, dadurch gekennzeich net, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen UF₆ ist, daß der Zusatzstoff Chlorwasserstoff ist und daß die physiko-chemische Veränderung eine exotherme und ther moneutrale Reaktion von UF₆ mit Chlorwasserstoff unter Erzeugung von gasförmigen UF₅Cl und gasförmigen HF ist, bei der sich das HF in einem der Grund- oder ange regten Schwingungszustände befindet.

28. Verfahren nach Anspuch 1 oder 25, dadurch gekennzeich net, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen UF₆ ist, daß der Zusatzstoff Bromwasserstoff ist, und daß die physiko-chemische Veränderung eine exotherme und ther moneutrale Reaktion von UF₆ mit Bromwasserstoff unter Erzeugung von gasförmigen UF₅Br und gasförmigen HF ist, bei der sich das HF in einem der Grund- oder ange regten Schwingungszustände befindet.

29. Verfahren nach Anspuch 1 oder 25, dadurch gekennzeich net, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen UF₆ ist, daß der Zusatzstoff ein Gemisch aus Wasserstoff, Chlor wasserstoff und Bromwasserstoff ist, und daß die physiko-chemische Veränderung eine chemische Reaktion unter Erzeugung von UF₅Cl, UF₅Br und UF ist.

30. Verfahren nach Anspuch 5 oder 15, dadurch gekennzeich net, daß die physiko-chemische Veränderung die Disso ziation von UF₆ unter Bildung wenigstens eines der festen Reaktionsprodukte UF₅ oder UF₄ ist und die festen Reaktionsprodukte in Abständen entfernt werden.

31. Verfahren nach Anspuch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Isotopenmoleküle U²³⁵F₆ durch Mehrphotenenab sorption angeregt werden und der Photonenstrahl der be stimmten Frequenz durch Induzieren einer Photonenemis sion aus einem fokussierten, vorzugsweise gepulsten Laser erzeugt wird.

32. Verfahren nach Anspuch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff Wasserstoff oder Helium in Gasform ist.

33. Verfahren nach Anspuch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff ein oberflächenaktiver Katalysator aus Platin, Nickel, Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid in Form von Drähten, Plättchen oder Ringen ist.

34. Verfahren nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen und dem Zusatzstoff für eine bestimmte Verweilzeit in einer Reaktionskam mer gehalten wird, so daß die physiko-chemische Verän derung für 5 bis 99% der abzutrennenden Isotopenmole küle erfolgt und daß zum selektiven Abtrennen der phy siko-chemisch veränderten Isotopenmoleküle des vorbe stimmten Isotops der Inhalt der Reaktionskammer abge führt und einer Folge von Fraktionier-Ausfrierkammern mit ausgewählten unterschiedlichen Temperaturen zuge führt wird, in denen die einzelnen Bestandteile mit ihren unterschiedlichen Gefrierpunkten nacheinander ausgefroren, gesammelt und abgetrennt werden.

35. Verfahren nach Anspuch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer für die Photonen der bestimm ten Frequenz eine optische Weglänge derart hat, daß 10 bis 99% der Photonen durch das Gemisch aus Isotopenmo lekülen absorbiert werden.

36. Verfahren nach Anspuch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen und Zusatzstoff der Reaktionskammer kontinuierlich zugeführt wird, und daß das chemische Produkt und unreagierte Komponenten kontinuierlich aus der Reaktionskammer abgepumpt wer den.

37. Verfahren nach Anspuch 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen und Zusatzstoff der Reaktionskammer in bestimmten gemischten Mengen chargenweise zugeführt wird und daß das chemische Pro dukt und unreagierte Komponenten aus der Reaktionskam mer chargenweise abgeführt werden.

38. Verfahren nach Anspuch 30, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Teil der Reaktionskammer gekühlt wird und daß die festen Reaktionsprodukte in dem ge kühlten Teil der Reaktionskammer abgeschieden und in Abständen abgezogen werden.

39. Verfahren nach Anspuch 30, dadurch gekennzeichnet, daß das in Abständen erfolgende Entfernen des festen Reaktionsprodukts durch Wiederfluorierung des festen Reaktionsprodukts zu gasförmigem UF₆ und dessen Abpum pen aus der Reaktionskammer geschieht.

40. Verfahren nach Anspuch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen der Reaktionskam mer kontinuierlich zugeführt wird und daß die unrea gierten und anderen gasförmigen Produkte kontinuier lich aus der Reaktionskammer abgeführt werden.

41. Verfahren nach Anspuch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Isotopenmolekülen chargenweise der Reaktionskammer zugeführt wird und daß die unreagierten und anderen gasförmigen Produkte chargenweise aus der Reaktionskammer abgezogen werden.

42. Verfahren nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff frei von starker Absorption für Photo nen der bestimmten Frequenz ist.

43. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 mit

a) einer Reaktionskammer für das Gemisch aus Isotopen molekülen und Zusatzstoff,
b) Einrichtungen zur Einstellung der Temperatur und des Gesamtdrucks des Gemisches aus Isotopenmo lekülen und Zusatzstoff,
c) einer Lasereinrichtung zur Erzeugung eines Photonen strahls mit bestimmter Frequenz und ausreichender Fluß dichte und
d) einer Einrichtung zur Abtrennung von festem und/oder gasförmigem Produkt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinrichtung (36, 36′) aufweist:

e) ein gekoppeltes, aus zwei Beinen (Resonanzzweigen) bestehendes optisches Laser-Resonatorsystem mit einem kurzen Bein variabler Länge und einem langen Bein,
f) eine Gittereinrichtung (46; 46′) zur Grobabstimmung der Frequenz des Laserstrahls und
g) eine an das kurze Resonatorbein angeschlossene Re geleinrichtung (88, 92; 88′, 90′) zur Veränderung von dessen Länge, wobei durch diese Veränderung innerhalb eines bestimmten Längenbereiches die Frequenz des La serstrahls feinabstimmbar ist.

44. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An spruch 1 mit

a) einer Reaktionskammer für das Gemisch aus Isotopen molekülen und Zusatzstoff,
b) Einrichtungen zur Einstellung der Temperatur und des Gesamtdrucks des Gemisches aus Isotopenmo lekülen und Zusatzstoff,
c) einer Lasereinrichtung zur Erzeugung eines Photonen strahls mit der bestimmten Frequenz und ausreichender Flußdichte und
d) einer Einrichtung zur Abtrennung von festem und/oder gasförmigem Produkt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinrichtung (36) aufweist:

e) ein Paar von Endspiegeln (40, 42) und
f) eine zwischen den Endspiegeln (40, 42) angeordnete Filterzelle (58), welche das Gemisch aus Isotopenmole külen mit Ausnahme des abzutrennenden Isotopenmoleküls als Filtergas enthält.

45. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung zur Veränderung der Länge des kurzen Resonatorbeins eine Detektoreinrichtung (88; 88′, 90′) zum Nachweisen von Änderungen in der Frequenz der Photonen und zur Erzeugung eines ersten Regelsigna les auf eine Veränderung und eine piezoelektrische Mikropositioniereinrichtung (92, 92′) für den Empfang des ersten Regelsignals und zum Verändern der Länge des kurzen Resonatorbeins in Abhängigkeit vom Regelsig nal aufweist.

46. Vorrichtung nach Anspruch 43, gekennzeichnet durch eine Schwingungseinrichtung für das lange Resonator bein zur zyklischen Veränderung der Länge des langen Resonatorbeins mit einer Frequenz von wenigstens 50 Hz und mit einer Schwingungsamplitude von wenigstens so klein wie der halben Wellenlänge der Photonen des Pho tonenstrahls, wobei die Schwingungseinrichtung eine mit dem langen Resonatorbein verbundene piezoelektri sche Mikropositioniereinrichtung, eine Einrichtung zum Anlegen einer Spannung an die Mikropositioniereinrich tung und eine Einrichtung zur zyklischen Variation der Größe der Spannung aufweist.

47. Vorrichtung nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, daß die Lasereinrichtung (36) ein Paar von Endspiegeln (40, 42) aufweist und die Reaktionskammer zwischen den Endspiegeln (40, 42) der Lasereinrichtung (36) angeord net ist.