JPH0360721A - 金属蒸気の生成方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、加熱により目的とする金属を蒸発させる方法
に係り、特に該金属蒸気のイオン化を阻止し得る方法お
よびそのための装置に関する。

［従来の技術］ ウランのレーザ濃縮技術などでは金属蒸気を発生させる
必要があり、このために金属を高温に加熱している。例
えば米国特許第３，９６３，９２１号明細書には、目的
金属の蒸気を高密度で得るために、目的金属であるウラ
ンにウランよりも高沸点の金属を添加してウランとの金
属間化合物を作らせ、この金属間化合物を加熱すること
により、ウラン単独の場合よりも高密度の金属蒸気を得
る方法が開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ウランのようなイオン化ポテンシャルの
低い目的金属を高温に加熱すると、目的金属の一部が熱
電離によりイオン化する。特に前記米国特許に開示され
ている技術では、目的金属と金属間化合物を作る金属と
して、目的金属よりもイオン化ポテンシャルの高い金属
が用いられており、か力する金属が目的金属と共存する
ので目的金属のイオン化はより激しくなる。目的金属が
イオン化するとイオンと中性原子とでは電場及び磁場に
対する応答が異なり、また分光学的性質も異なるので、
目的金属蒸気の工業的な利用に問題が生じる。

この問題を排除するため、イオン化後の蒸気に電界をか
けてイオンを中性原子から分離することも考えられるが
、イオン化と同時に電子も生成プラズマ状態になってお
り、電界をかけてもシースが生じ、電界が内部まで深く
入らず、除去効率が低くなるので実用的ではない。

したがって、本発明は高温に加熱するにもかかわらず、
目的金属のイオン化を抑制して中性の目的金属蒸気を生
成させる方法およびそのための装置を提供することを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を遠戚するために、目的金属を加熱
してその金属蒸気を生成させるに際し、該目的金属より
もイオン化ポテンシャルの低い他の金属を共存させた状
態で加熱を行うものである。

［作　　　用］ 本発明では、加熱により金属蒸気を得る際に、目的金属
よりイオン化ポテンシャルの低い金属を共存させるので
、イオン化ポテンシャルの低い金属の方がより多く熱電
離し、これに伴い電子濃度が増加し、したがって、目的
金属がイオン化するのが抑制され、目的金属の中性原子
の蒸気が得られる。

この事を理論的に説明する。単体の金属の熱電離は質量
作用の法則に従う。すなわち、高融点食ＪＵの熱電離は
、次のように表わすことができる。

Ｋｉ Ｕ；±Ｕ”＋　ｅ−”（１） ここでＫｉは定数であり、金属の種類と温度が定まると
一定値になり、一般に次に示すＳ　ａｈａの式から求め
ることができる。

・・（３） ここでＥｉはイオン化ポテンシャル、Ｔは温度。

Ｐ　Ｍ　ｔ　Ｐ　Ｍ”　＋　Ｐ　、−は統計型率を表わ
す。単体の場合、温度が一定であればＫｉの値は一定と
なる。

上記の（１）式から明らかなように、電子ｅ−の濃度が
高くなると平衡は左辺に移動し、その結果、目的金属Ｕ
のイオン化が抑制できることになる。

その様にするためには、単体の場合は外部から電子を供
給する以外に方法がないが、現状の技術では非効率で、
工業的な実施は難しい。

これに対し本発明においては、目的金／４Ｕよりもイオ
ン化ポテンシャルの低い金属Ｍを共存せしめるので、同
一温度では次式（４）のような熱電離が生じて、外部よ
り電子を供給するのと同じように電子ｅ−の濃度が高く
なる。

Ｍ−＋Ｍ”　＋　ｅ−・・・（４） したがって、式（１）にて平衡が左辺にずれ、目的金属
Ｕのイオン化が抑制される。

［実　施　例］ 本発明の実施に際して、例えば目的金属に、該金属より
もイオン化ポテンシャルの低い他の金属を共存させる形
態としては、金属間化合物もしくは固溶体を作らせる方
法、又は気体、液体等として目的金属に供給する方法が
ある。しかし後述する図示の実施例では、金属間化合物
を用いる実施例と、液体として供給する実施例のみが示
されている。

以下の説明では、目的金属としてウランを例にとる。ウ
ランは融点１１３３℃、沸点３８１８℃であり、イオン
化ポテンシャルが５，１ｅＶと低く、高密度の蒸気を得
ようとすると熱電離を生じ易い金属の代表例である。

ウランよりもイオン化ポテンシャルの低い金属元素とし
ては次の１８元素を挙げることができる。

すなわち５リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウ
ム、セシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウム、
アルミニウム、ガリウム、インジウム、ランタン、サマ
リウム、ユーロピウム、エルビウム、ツリウム、プルト
ニウム、アメリシウムである。

これらの金属をウランとの親和性に基づいて種々の適切
な形態でウランと共存させて本発明を実施することがで
きる。すなわちこれらの元素はウランとの親和性を基に
３種類のグループに区分することができる。一つのクル
ープはウランと金属間化合物を作る元素であり、アルミ
ニウム、ガリウム、インジウムを挙げることができる。

もう一つのグループはウランと金属間化合物は作らない
が、固溶体を作り易い元素であり、サマリウム、ユーロ
ピウム、エルビウム、ツリウムを挙げることができる。

残りのグループは金属間化合物も固溶体も作り難いウラ
ンとの親和性の低い化合物であり、アルカリ金属元素と
アルカリ土類元素を挙げることができる。

ウランと金属間化合物を作る上記元素はいずれも低融点
であるからウランとの金属間化合物を製造し易い。しか
も、この金属間化合物はウラン単体よりも高融点となる
ので、高温での蒸発操作が可能となり大きな蒸気密度を
得易い、アルミニウム、ガリウム、インジウムの中では
インジウムがイオン化ポテンシャルが最も低く（イオン
化ポテンシ’ｒ　／Ｌ／Ｅ　１＝５．８ｅＶ）　、　Ｕ
　Ｉ　ｎ３として蒸発させると、ウラン単体の場合と比
べて同一温度でイオン化を１０％程度に低減できる。し
たがって、第１図に示す実施例では、インジウムの金属
間化合物を使用した例が示されている。

一方、ウランとの親和性の低いアルカリ金属やアルカリ
土類金属はイオン化ポテンシャルの低い元素が多く、少
量の共存でもウランのイオン化を抑制する効果が大きい
が、ウランと固溶体や金属間化合物を作らないので、そ
の様な形態でウランと共存させることには困難がある。

しかし、電子ビームによる加熱蒸発を考えると、ウラン
の蒸発はウランの表面近傍のみから生じるから、ウラン
の表面に連続的にこれら元素を気体又は液体の形態で供
給することによってウランと共存させることができ、こ
れによりウランのイオン化を効果的に抑制し得る。特に
セシウムはイオン化ポテンシャルが最も低い（３，９ｅ
Ｖ）元素であり、同一温度において０．１％共存すれば
ウラン単体の場合の１％程度にまでウランのイオン化を
抑制でき、また沸点が６９０℃であるためウラン加熱表
面に気体として連続的に供給することで大きなウランの
イオン化抑制効果が期待できる。セシウムの代りにルビ
ジウムを用いても同様である。なお、生成した後の蒸気
をウランの融点以上、沸点以下で且つセシウム（又はル
ビジウム）の沸点以上の温度に曝すことによって、液体
状になったウランからセシウム（又はルビジウム）を気
体状で分離して再使用できる。他方、バリウムはイオン
化ポテンシャルが５，２ｅＶと比較的低いので、↓：１
の割合でウランと共存すれば、同一温度でウラン単体の
場合の６％程度にまでウランのイオン化を抑制できる。

バリウムは融点７２５℃、沸点１６３７℃であり、液体
金属としてウラン表面に供給すると比重が３．５である
ためウラン（比重は１８）の表面に浮き、加熱表面では
ウランに多量のバリウムを共存させることができ、大き
なウランのイオン化抑制効果が期待できる。これらの金
属元素はウランとは混じり合わないので、回収後、比重
差を用いて容易にウランと分離して再使用することがで
きる。

ウランと共存金属元素とが金属間化合物や固溶体を形成
している場合、加熱蒸発するときには夫々単体として蒸
発するが、回収時には冷えて再び金属間化合物や固溶体
になり、これから化学分離により、共存させた金属元素
を回収して再使用することにより廃棄物発生量を低減し
、資源の有効利用をはかることができる。

ウランに、それよりもイオン化ポテンシャルの低い金属
を共存させて高温に加熱すると、イオン化ポテンシャル
の低い共存金属元素はイオン化される。蒸気発生後、電
界をかけるとイオン化した共存金属元素を選択的に回収
することができ、後段工程での悪影響を低減することが
可能となる。

なお加熱蒸発した蒸気にウラン同位体分離のためにレー
ザ光を照射してウラン同位体を選択的にイオン化させる
場合には、電界をかけると共存金属元素とウラン同位体
とが一緒に回収されるが、これは後に化学的に容易に分
離することができる。

以下、第工図によって１本発明の一実施例を説明する。

装置の内部は減圧され、その内部に金属間化合物である
ＵＩｎ３を収容するルツボ１、電子銃３．イオンを回収
する電極板６、この電極板６に連なっている回収用流路
８、回収容器９、蒸着板１１等が収納されている。ルツ
ボ１内のＵＩｎ３に電子銃３からの電子ビームを当てる
と、インジウムの一部が電離し、電子が発生する。この
ためウランのイオン化が抑制される。蒸気流４中には。

ウランイオンが抑制されて、主として中性ウラン。

中性インジウム及びインジウムイオンと電子が存在する
。この蒸気流にレーザ光５を照射し、ウラン同位体によ
る吸収スペクトルの差によりウラン−２３５を選択的に
励起し、イオン化する。そこで電極板６に電圧を印加し
て、イオン（インジウムイオンとウラン−２３５のイオ
ン）を該電極板６上に捕集する。電極板６はヒーターに
より約２００℃程度に加熱されている。インジウムは融
点が１５７℃であり、捕集されるウラン−２３５の割合
は非常に小さいので、ウラン−２３５はインジウム中に
溶解し、液体金属７として電極板６の表面を流下し、回
収用流路８を伝わって流れ、回収容器９中にインジウム
合金１０として回収される。回収された合金は後に化学
的にウラン−２３５とインジウムとに分離される。イオ
ン化しなかった残りのウラン−２３８と中性のインジウ
ムは蒸着板１工に付着して液体または固体となり、劣化
ウラン１２として回収され、後にそれからインジウムが
化学的に分離される。

本実施例によれば中性ウラン蒸気を発生させ、ウラン中
にｗ量に含まれるウラン−２３５だけを選択的に分離す
ることができる。

次に第２図により他の実施例を説明する。本実施例はウ
ランと共存させる金属としてバリウムを用い、これを液
体の形でウランに連続的に供給するものである。第２図
において、ルツボ１３中には金属ウラン１４が入れられ
ており、その上面を液体バリウム１５が覆っている。電
子銃１６で電子ビームエフを発生させ、ルツボ１３中の
内容物の中央部を加熱して蒸発させる。バリウムは電子
ビーム加熱による高温で熱電離し、電子漉度が高くなる
のでウランのイオン化が抑制される。バリウムはウラン
よりも蒸発し易いが蒸発すると後記の如く周囲から即座
にバリウムが供給される。ウランを効率良く蒸発させる
ためにはバリウムの層はできるだけ薄くする。発生した
蒸気流１８中にレーザー光を照射し、ウラン同位体によ
る吸収スペクトルの差を利用して、ウラン中のウラン−
２３５だけを選択的にイオン化し、回収電極板１９によ
り電界をかけて、ウラン−２３５のイオンとバリウムイ
オンを回収電極板１９で捕集する。

回収電極板１９はヒーター２０により約１５００Ｋに保
たれており、電極板１９に捕集されたウラン−２３５及
びバリウムは液体２１の状態で回収電極板１９に沿って
流下する。そして液体２１は比重差分離槽２７に滴下し
、比重の軽い液体バリウム２９と比重の重い液体ウラン
３０に分離される。比重差分離槽２７はヒーター３１に
より約１５００Ｋに保持され、液体バリウム２９はオー
バーフローしてルツボ１３に戻る。一方、液体ウラン３
０は次の槽に連結管の下部を通して移り、貯槽２８に濃
縮ウラン３２として貯留される。

一方、イオン化しなかったウラン−２３８とバリウムの
蒸気は蒸着板２２に捕集される。蒸着板２２は、ヒータ
ー２３により約１０００Ｋに保持されており、ウランは
固体２４として付着し、バリウムは液体２５として蒸着
板２２に沿って流れ、同じく約１０００Ｋに保たれてい
る還流壁２６を伝わってルツボ１３に還流される。

本実施例によると、ウランのイオン化抑制のために共存
金属として用いられたバリウムを容易にウランから分離
して有効に再びルツボ内のウラン表面に供給できる利点
がある。なお、バリウムの代りにストロンチウムを用い
てもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように１本発明によれば金属を加熱蒸発さ
せて金属蒸気を発生させる際に、目的金属よりもイオン
化ポテンシャルの低い他の金属を目的金属と共存させる
ので、目的金属が高温に加熱されても、共存金属が熱電
離を起こし、その結果、電子が供給されて目的金属のイ
オン化が防止される。したがって、本発明によると、中
性の目的金属蒸気を高密度で発生させることができる。

また、共存金属のイオンは電界をかけることによって容
易に除去・回収できる。また、共存させた金属と目的金
属が一緒に回収されても、それらは化学的性質も物理的
性質も相違するので、目的金属と該共存させた金属との
分離を化学的に又は物理的手段で容易に行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の、また第２図は第２実施
例の模式説明図である。 １・・・ルツボ　　　　　　２・・・金属間化合物３・
・・電子銃　　　　　　４・・・蒸気流５・・・レーザ
光　　　　　６・・電極板９・・・回収容器　　　　　
１１・・・蒸着板３・・・ルツボ　　　　　１４・・・
金属ウラン５，２５，２９・・・液体バリウム ９・・・回収電極　　　　２３・・・蒸着板７・・・比
重差分離槽 （他１名） ｌ　ルツボ ２：金属間化合物 ３：電子銃 ４：Ｆ／Ａ気流 ５：レーサー光 ６、電極板 １１、蒸着板

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　金属を高温に加熱して金属蒸気を発生させる方法に
   おいて、目的金属よりもイオン化ポテンシャルの低い他
   の金属を共存させて高温に加熱することを特徴とする金
   属蒸気の生成方法。 ２　請求項１記載の金属蒸気の生成方法において、蒸気
   として発生させる目的金属がウランであり、共存させる
   他の金属がリチウム、カリウム、ルビジウム、セシウム
   、ストロンチウム、バリウム、ラジウム、アルミニウム
   、ガリウム、インジウム、ランタン、サマリウム、ユー
   ロピウム、エルビウム、ツリウム、プルトニウム、アメ
   リシウムのうちの一種または複数種であることを特徴と
   する金属蒸気の生成方法。 ３　請求項１記載の金属蒸気の生成方法において、目的
   金属と該目的金属よりもイオン化ポテンシャルの低い他
   の金属との金属間化合物を高温に加熱することを特徴と
   する金属蒸気の生成方法。 ４　請求項３記載の金属蒸気の生成方法において、金属
   間化合物がウランと、アルミニウム、ガリウムまたはイ
   ンジウムとの金属間化合物である金属蒸気の生成方法。 ５　請求項１記載の金属蒸気の生成方法において、目的
   金属がウランであり、共存させる金属がセシウムまたは
   ルビジウムであり、加熱されているウランの表面にセシ
   ウムまたはルビジウムを気体の形で供給することを特徴
   とする金属蒸気の生成方法。 ６　請求項１記載の金属蒸気の生成方法において、目的
   金属がウランであり、共存させる金属がストロンチウム
   またはバリウムであり、加熱されているウランの表面に
   ストロンチウム又はバリウムを液体の形で供給すること
   を特徴とする金属蒸気の生成方法。 ７　請求項１〜６のいずれかの項に記載の金属蒸気の生
   成方法において、生成した蒸気に電界をかけてイオンを
   除去することを特徴とする金属蒸気の生成方法。 ８　請求項１〜７のいずれかの項に記載の金属蒸気の生
   成方法において、生成した蒸気を再び液体または固体と
   して回収した後に、目的金属に共存させた他の金属を目
   的金属から化学的に分離することを特徴とする金属蒸気
   の生成方法。 ９　請求項５記載の金属蒸気の生成方法において、生成
   した蒸気をウランの融点以上、沸点以下で且つセシウム
   又はルビジウムの沸点以上の温度に曝すことにより、物
   理的にウランとセシウムまたはルビジウムとを分離する
   ことを特徴とする金属蒸気の生成方法。 １０　請求項６記載の金属蒸気の生成方法において、生
   成した蒸気を液体状で回収した後に液体状態で静置して
   ウランとストロンチウムまたはバリウムとを物理的に比
   重差分離することを特徴とする金属蒸気の生成方法。 １１　金属を高温に加熱して金属蒸気を発生させる装置
   であって、目的金属と該目的金属よりもイオン化ポテン
   シャルの低い他の金属との金属間化合物を収容したルツ
   ボ、該ルツボ内の上記金属間化合物を加熱蒸発させるた
   めの加熱手段、該ルツボから蒸発した金属蒸気流からイ
   オン化した金属を捕集する捕集板、該捕集板上に捕集さ
   れた金属を回収する手段、からなる金属蒸気の生成装置
   。 １２　金属を高温に加熱して金属蒸気を発生させる装置
   であって、目的金属を収容したルツボ、該ルツボ内の上
   記目的金属の表面に該目的金属よりもイオン化ポテンシ
   ャルが低く且つ比重が軽い他の金属を液体状態で供給す
   るための供給流路、上記ルツボ内のこれら金属を加熱蒸
   発させるための加熱手段、該ルツボから蒸発した金属蒸
   気流からイオン化した金属を液体状態にて捕集する捕集
   板、該捕集板に捕集された液体状態の金属を受け入れ上
   記目的金属の液と上記他の金属の液とを比重差で上下に
   分離し、後者を上記供給路八オーバーフローさせる比重
   差分離槽。 からなる金属蒸気の生成装置。