JPH0487628A

JPH0487628A - 同位体分離システム

Info

Publication number: JPH0487628A
Application number: JP20115290A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Ueda; 博章上田; Tadashi Yoshida; 正吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-07-31
Filing date: 1990-07-31
Publication date: 1992-03-19
Anticipated expiration: 2014-01-27
Also published as: JP2851144B2

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】〔発明の目的〕（産業上の利用分野）本発明は核燃料物質、核燃料被覆材料、中性子吸収材料
および核燃料再処理生成物においてレーザー光を用いて
特定物質または特定同位体を分離するための同位体分離
システムに関する。

（従来の技術）核燃料物質をレーザーを使用して同位体分離するシステ
ムとしてはウラン濃縮に関するものが知られている。ウ
ラン濃縮は軽水炉の燃料として使用することを目的とし
て天然のウラン中に０．７％含まれている”’Ｕの濃度
を３〜５％まで増加させるプロセスである。

従来使用されているウラン濃縮システムを第６図により
説明する。システムはレーザー族［［１０１と分離セル
装置１０４が主構成要素である。レーザー装置１０１は
銅蒸気レーザー１０１ａ、　１０１ｂ、　１０１ｃと色
素レーザー１０２ａ、　１０２ｂ、　１０２ｃからなっ
ている。

色素レーザーは波長が可変であり、その波長帯域は５５
０ｎｍ〜６５０ｒｖ＋である。色素レーザーは自ら発振
することができないため励起用レーザーとして銅蒸気レ
ーザーを用いる。色素レーザー１０２ａは２３５Ｕの吸
収スペクトルに合わせ、この同位体のみを励起させるた
めに用いられる。また、色素レーザー１０２ｂ、　１０
２ｃは２３５Ｕを中間励起、また電離ルヘルに到達させ
るために用いられる。このように銅蒸気レーザーと色素
レーザーとの組み合わせではウランを電離させるために
３本のレーザー光が必要である。３本のレーザーはビー
ム合成器１０３で１本のビームに重ねられ分離セル装置
１０４に送り込まれる。

分離セル装置１０４の内部の模式図を第７図および第８
図に示す。分離セル装置１０４は密封容器２を主体とし
、この密封容器２内はつぎのように構成され、はぼ真空
に維持されている。すなわち、密封容器２内に設置され
たるつぼ４内に金属ウラン３を装荷し、これに電子銃５
から引き出された電子ビーム６をコイルにより偏向して
照射する。

この照射により金属ウラン３は加熱されて液化し、電子
ビーム６の照射面からウラン蒸気７が発生し、矢印のよ
うに上昇する。このウラン蒸気７はコリメータ８で絞ら
れた後、光反応部に導入される。

このウラン蒸気にレーザー光９を照射すると、２３５Ｕ
　のみがレーザー光を吸収し、３本の光により最終的に
電離ウランになる。電離した２３５Ｕは製品回収電極１
０に印加された電圧により電極１０に回収される。一方
、レーザー光と反応しない２３８Ｕ　は中性のウラン原
子のまま飛行し、上部に設置された廃品回収板１１に付
着する。第８図は第７図におけるニーＩ矢視図である。

以上のシステムにより２３ＳＵと２３’　ｔＪの同位体
を分離することができる。

（発明が解決しようとする課題）上述したウラン濃縮装置と同様なシステムは他の核燃料
物質、被覆管材料、中性子吸収材料、また核燃料再処理
生成物における元素の分離、さらに同位体の分離に使用
することができる。しかしながら、ウラン濃縮装置をそ
のまま適用すると色素レーザーはそれに使用する色素に
よって発振する波長帯域が限定するため、色素の交換が
必要になる。また、ウランのように大量に同位体の分離
を必要としない他の物質については、それぞれウラン濃
縮におけるようなレーザー装置を用意することは経済的
に成り立たない課題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ウ
ランと上記他の核燃料サイクルに関連する物質の分離髪
共用のレーザー装置を用い、かつ容易に切り替え可能な
同位体分離システムを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段）本発明は自由電子レーザーと、核燃料物質、核燃料被覆
材料、中性子吸収材料および核燃料再処理生成物の特定
物質ないしは特定同位体を前記自由レーザーからのレー
ザー光により分離する複数個の分離セルと、前記レーザ
ー光を前記分離セルのうち所定のものに分配するレンズ
系とを具備したことを特徴とする。

また、自由電子レーザー光からのレーザーの一部を分岐
して波長を測定することによってレーザー光が導入され
る分離セルの着目物質の共鳴波長に制御する機能を有し
、さらにウランの同位体分離の保守時間を他の物質の同
位体分離に使用するように構成したことを特徴とする。

（作用）本発明は波長可変レーザーの一つである自由電子レーザ
ーを使用し、この広範な波長制御性を利用することによ
り核燃料物質、被覆管材料、中性子吸収材、また核燃料
生成物の分離を適切に時間を配分して行う。

自由電子レーザーは第１図に示すように電子加速器２１
とウィグラー磁石列２２とから構成される。

電子加速器２１によって生じた高速の電子ビーム２３を
ウィグラー磁石列２２の変動磁場によって同期的に蛇行
させることにより放射光を放出させる。これを全反射ミ
ラー２５と出力ミラー２６の光共振器によりレーザー光
２４を発振することができる。レーザー光の光の波長λ
８は入射電子ビームのエネルギーγ、ウィグラーの磁界
の強度、およびピッチをλ。、ａｏとするとの関係があり、以上のパラメータを変化させることによ
り必要とするレーザー光波長λ５を得ることができる。

このうち、入射電子ビームのエネルギーは加速器の電圧
制御により変えることができ、またウィグラーの磁界の
強度も構造上の変更なしに変えることができる。

以上のように自由電子レーザーを使用することにより銅
蒸気レーザーと色素レーザーの組み合わせのような色素
交換のような長時間にわたる作業を必要とせず複数以上
の分離セルに交互に要求される異なる波長を送ることが
できる。

自由電子レーザーは色素レーザーより短い１００〜２０
０ｎｍの波長も発振することができる。したがって、多
くの元素について１本の波長で電離させるエネルギーが
あるため、銅蒸気レーザーと色素レーザーの組み合わせ
のように３本以上のレーザー光を重ねる必要がなく、よ
り効率的なシステムの構成が可能である。一方、自由電
子レーザーのシステムは、多くの元素の分離に対し一つ
の自由電子レーザーセットで済むため、分離セル装置を
集約することにより相対的に安価なシステムとすること
ができる。

（実施例）本発明に係る同位体分離システムの各実施例を図面によ
り説明する。

第２図は本発明の第１の実施例を示す。第２図（ａ）に
おいて電子加速器２１とウィグラー磁石列２２によりレ
ーザー光を発振させる。核燃料物質ウランの同位体を分
離するためのセル（１）２７と、プルトニウムの同位体
を分離するためのセル（ＩＩ）２８とがＳｔされたプラ
ントにおいて第２図（ａ）では反射ミラー２９により分
離セル（１）へレーザー光を導入する。この場合、スプ
リットミラー３３によって一部分岐されたレーザー光な
用いて波長計３１により波長を測定する。このレーザー
光の波長をウランの２３＆Ｕを選択的に電離させるため
の共鳴吸収波長に合わせるよう電圧制御盤３２により電
子ビームのエネルギーを制御する。次に第２図（ｂ）に
示すようにプルトニウムの同位体を分離する場合には反
射ミラー２９をレーザービームの光路から外し分離セル
（ＩＩ）へレーザー光が導入できるようにする。また、
この時レーザー光の波長はプルトニウム同位体２３９ｐ
ｕの共鳴吸収波長に合わせなければならない。

第３図は本発明の第２の実施例として核燃料物質、核燃
料被覆材料、中性子吸収材料および核燃料再処理生成物
において特定物質、特定同位体を分離する装置を集約し
たシステムを示している。

ウランは軽水炉燃料とするため０．７％ある同位体２３
５Ｕを３〜５％濃縮することが目的である。

プルトニウムは高速炉用燃料に用いられるが、２：３９
ｐｕは核分裂断面積が大きく寿命も長いので、これを濃
縮することによる燃料の高性能化が目的とされる。ジル
コニウムは中性子吸収断面積の大きい９１２ｒの同位体
を約１１％から数％まで減少させることにある。ガドリ
ニウムの場合、１５７ｃｄを濃縮すると燃焼が進んでも
中性子吸収の起こり難い燃料化が目的である。Ｓｍは１
４９８ｍが熱中性子の捕獲断面積が大きいので、この濃
縮が有益である。

核燃料再処理工場の中で生成した不溶解残渣はルテニウ
ム、ロジウム、パラジウムからなっている。

この中から特定の物質を抽出することにより有益に活用
することが可能となる。以上の元素の電離に要するエネ
ルギーをもつレーザー波長はウラン２００ｎＬ　プルト
ニウム２１４ｎｍ、ジルコニウム１８７ｎｍ。

ガドリニウム２０２ｎｍ、ルテニウム１６８ｒｖ＋であ
る。このように必要な波長帯域は約１７０〜２２０ｎｍ
であり、一つの自由電子レーザーで十分制御可能な範囲
内である。第３図の場合には分離セル装置は６個用意さ
れており、反射ミラー２９ｄによってＧｄの同位体と分
離するセルにレーザーな導いている。

第４図は第３図の同位体分離システムを運転した場合の
波長の切り換えの状況を示したものである。すなわち、
第４図はたて軸に波長を、よこ軸に時間をとり、ウラン
同位体分離を行っている間に波長を変えてプルトニウム
、ガドリウム、ジルコニウムなどの同位体を分離する工
程を示している。需要の多いウランの同位体分離を中心
として運転し、他の元素の分離を所定の計画に沿って波
長を切り換えることにより実施する。ウランの分離セル
の保守時間を有効に活用することができる。

第５図には本発明の同位体分離システムの配置の概念図
を示している。それぞれの分離セルはプルトニウムおよ
び核燃料生成物のような放射能の高いものも扱うため、
それぞれ障壁によって隔離している。

すなわち、第５図において第１の隔壁３５内に電子加速
器、ウィグラー磁石列２２、ビーム偏向器３４、全反射
ミラー２５、出力ミラー２６および電圧制御盤３２を配
置し、第２の隔壁３６内に反射ミラー２９ａ。

２９ｂ、　２９ｃ、　２９ｄを配置し、第３の隔壁３７
内に分離セル２７ａ、　２７ｂ、　２７ｃ、　２７ｄを
配置している。

ここで、分離セル２７ａはウラン同位体用、２７ｂはプ
ルトニウム同位体用、２７ｃはジルコニウム同位体用、
２７ｄは核燃料再処理生成物用のものである。

これらの分離セル２７ａ〜２７ｄに自由電子レーザーを
用い光学系を切り換えて各々の物質を分離する。

〔発明の効果〕

本発明によれば自由電子レーザーを使用しその波長を適
切に制御することにより集約される核燃料被覆管、中性
子吸収材、また核燃料再処理生成物のそれぞれの分離セ
ルにおいて特定物質、または特定同位体の分離が効率的
に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の詳細な説明するための自由電子レーザ
ーの概念図、第２図（ａ）および第２図（ｂ）はそれぞ
れ本発明に係る２元素の分離を目的にした装置を示す構
成図、第３図は同しく多目的なプラントとした場合の例
を示す構成図、第４図は第３図の運転パターンを示すグ
ラフ図、第５図は本発明に係るシステムの装置配置を示
す概念図、第６図は従来の銅蒸気レーザーと色素レーザ
ーの組合せによる分離システムを示す構成図、第７図は
第６図における分離セルの内部を示す概略的断面図、第
８図は第７図のＩ−Ｉ矢視線に沿った断面図である。２１・・・電子加速器２２・・・ウィグラー磁石列２３・・・電子ビーム２４・・レーザービーム２７・・・分離セル２９・・・反射ミラー３１・・・波長計３２・・・電圧制御盤（８７３３）代理人弁理士　猪　股　祥　晃（ばか１名
）３０尺−Ｃゴ二Ｘ２８第　１　図第　２　又２９ｅ−ヘー一（］冨ト２７ｅ箒図第図第図第乙図

Claims

【特許請求の範囲】

自由電子レーザーと、核燃料物質、核燃料被覆材料、中
性子吸収材料および核燃料再処理生成物の特定物質ない
しは特定同位体を前記自由電子レーザーからのレーザー
光により分離する複数個の分離セルと、前記レーザー光
を前記分離セルのうち所定のものに分配するレンズ系と
を具備したことを特徴とする同位体分離システム。