JPH0638893B2 - レーザー光による同位体分離及び気相物質合成法 - Google Patents

レーザー光による同位体分離及び気相物質合成法

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JPH0638893B2
JPH0638893B2 JP23564488A JP23564488A JPH0638893B2 JP H0638893 B2 JPH0638893 B2 JP H0638893B2 JP 23564488 A JP23564488 A JP 23564488A JP 23564488 A JP23564488 A JP 23564488A JP H0638893 B2 JPH0638893 B2 JP H0638893B2
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    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザー光による同位体分離法とレーザー光を
熱又はエネルギー源とする気相物質合成法を組み合わ
せ、任意の同位体組成を有する化合物を高純度かつ制御
性よく連続的に製造することができるプロセスに係わ
り、核燃料製造・加工、超電導材製造、ウラン濃縮、セ
ラミックス製造、原子炉材料、材料光学等に広く適用可
能なレーザー光による同位体分離及び気相物質合成法に
関するものである。
〔従来の技術〕
従来、同位体分離法としてガス拡散法、ガス遠心分離
法、化学交換法等が用いられている。
ガス拡散法は、例えば235 UFと238 UFの混合ガスを
容器に入れ、それに多孔質隔膜を境に圧力差をつけ、ガ
スを高圧側から低圧側に隔膜を通して移動させると、ガ
ス分子の平均自由工程が圧力差に比例するため細孔を透
過するに際して圧力が十分低ければ個々の分子は互いに
衝突することなく独立に運動しながら移動する。その場
合、分子の速度は系が熱平衡にあれば軽い分子の方が重
い分子より速いので、移動流速は軽い分子の方が大きく
低圧側では軽い分子の濃度が高くなり、同位体の分離を
行うことができる。
ガス遠心分離法は、混合ガスを円筒容器に入れ、それを
回転させると粘性によってガスもまた同じ角速度で回転
する。この場合、ガス分子には遠心力が働き、軽い分子
は回転の中点に近いところ、重い分子は周辺に近い所に
より多く集まる。即ち、回転胴内部に半径方向に遠心力
と釣り合う圧力勾配ができ、圧力拡散によって分子の移
動が起きる。こうして生じる半径方向の濃度変化がある
程度進むと逆に濃度勾配に基づく質量拡散が起き、ある
ところで平衡な濃度分布がつくられる。この濃度分布を
利用して回転中心に近いところから濃縮流、周辺に近い
ところから減損流をとり出し、同位体分離を行うことが
できる。
化学交換法は、同位体の間では化学的性質は変わらない
とされているにしても厳密には原子核構造や質量数の差
によってわずかながら化学平衡や反応速度に相違がみら
れるので、原料をイオン交換速度の非常に速いイオン交
換樹脂を詰めた充填塔を通して還流させることにより塔
頂から製品を、塔底から廃棄材を得ることができる。
また気相物質合成法は、主として反応容器内に原料物質
を封じ、加熱及び加圧することにより合成することが行
われている。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、従来の同位体分離法であるガス拡散法、
ガス遠心分離法、化学交換法等はいずれも一段当たりの
分離係数が小さく、そのため所要の濃縮度を得るにはカ
スケードを組む必要があり、生産に大規模な分離プロセ
スを必要とするという問題があった。
また、従来の物質合成法は、主に反応容器内で加熱、加
圧することにより合成するプロセスが中心であるため、
反応の開始及び停止に時間が長くかかり、また、反応容
器内壁から不純物が混入するなどの欠点があった。
これら従来法に対して、レーザー光を利用する同位体分
離法は、同位体選択性が高く、1回の照射により高い分
離係数が得られ、原料の同位体組成を幅広く、任意に変
えることができる。
またレーザーをエネルギー又は励起源として用いる気相
合成法は、空間中でレーザー光のみを取り合いとする非
接触プロセスであるため高純度の製品が得られる他、反
応の立ち上がり及び停止時間が格段に短く、かつ、レー
ザー光の強度を任意にかつ短時間に制御できるため、反
応の制御性の良い物質合成法であり、天然の同位体組成
を変化させた物質の特性を利用した産業分野における物
質合成法として非常に有望であり、その実現が強く望ま
れていた。
本発明はかかる事情に鑑みなされたもので、同位体選択
性が高く、大きな分離係数が得られるレーザー同位体分
離法とレーザーの光を熱又はエネルギー源として利用す
る物質合成法を組み合わせ、それぞれ独立していたプロ
セスの長所を引き出すことにより、任意の同位体組成を
もつ化合物を高純度で制御性良く、かつ連続的に製造す
ることができるレーザー光による同位体分離及び気相物
質合成法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〕
そのために本発明のレーザー光による同位体分離及び気
相物質合成法は、特定の同位体を含む気体状化合物の特
定分子を第1のレーザー光照射により選択的に励起する
段階、選択的に励起後精製して中間製品を得る段階、中
間製品を反応ガスと混合する段階、混合したガス、に第
2のレーザー光を照射して化学反応を生じさせる段階か
らなることを特徴とし、また第1のレーザー光照射によ
り特定分子を選択的に励起するに際し、原料ガスに反応
補助ガスを混合すること、第1のレーザー光は、パルス
炭酸ガスレーザーまたはラマンレーザー光であること、
第2のレーザー光は、CW炭酸ガスレーザー光であるこ
とを特徴とする。
〔作用〕
本発明は、同位体選択性が高く、大きな分離係数が得ら
れるレーザー同位体分離法と、レーザーの光を熱又はエ
ネルギー源として利用する物質合成法を組み合わせ、そ
れぞれ独立していたプロセスの長所を引き出すことによ
り、任意の同位体組成をもつ化合物を高純度で制御性良
く、かつ連続的に製造することができ、また小規模のプ
ロセスが可能であり、これによりプロセス規模が小さ
く、かつ経済的な同位体物質合成プロセスが可能とな
る。
〔実施例〕
以下、実施例を図面に基づき説明する。
第1図は本発明のプロセス構成を示すブロック図であ
る。図中、は原料ガス、はスカベンジャーガス、
はガス混合槽、は分離用照射セル、はガス精製器、
は廃品ガス、はガス混合槽、は反応ガス、は反
応用セル、は製品回収槽、は真空ポンプ、は廃ガ
ス、は同位体分離用レーザー、は化学反応用レーザ
ーである。
図において、原料ガスとスカベンジャーガスとをガ
ス混合槽で混合し、分離用照射セルに移す。スカベ
ンジャーガスは、同位体の選択的化学反応を促進するた
めの反応補助ガスとして添加し、反応の収率を高めるた
めのものであり、必要に応じて添加すればよく、場合に
よっては省略してもよいセルに入れた原料となる特定
の同位体を含む気体状化合物に対し、レーザーにより
気体状化合に発振波長を同調させた第1のレーザ光を照
射することにより、目的の分子のみ励起させ、同位体選
択的な解離又は化学反応を促す。第1のレーザー光の波
長、フルエンス、照射時間を調節することにより、原
料、又は解離及び化学反応の生成物中の特定同位体の組
成比を制御することが可能である。第1のレーザー光を
照射する段階で、原料は特定の同位体が調整され、原料
とは異なった化学形態に変化する。次にガス精製器で
精製して廃品ガスを分離し、中間製品となる。こうし
て得られた中間製品に反応ガスを加えてガス混合槽
で混合し、反応用セルへ移す。反応用セルに収納し
た状態で化学反応用レーザーにより第2のレーザー光
を照射し、そのエネルギーを利用して中間製品と反応ガ
スとの反応を生じさせる。反応の結果得られた製品は製
品回収槽に移され、ポンプにより廃ガスを排出して
目的の製品を得ることができる。なお、レーザー光照射
を受ける混合ガスの流量、混合比等を変化させることに
より、得られる固体状化合物の粒子径、密度、化合物組
成等を容易に制御することが可能である。
次に本発明の具体的適用例について以下に説明する。
第2図は10Bの同位体組成を富化したB4C製造プロセ
スを示す図である。
硼素(ボロン)の同位体(天然存在比11B:19.8
%、10B:80.%)の中で、10Bは中性子吸収断面積
が大きいため、耐熱耐食性に優れたセラミックス(ボロ
ンカーバイトB4C)の形で原子炉制御材に使われてい
る。原料としてBCl3(三塩化硼素)、スカベンジャ
ーガスとしてF2(ふっ素)、反応ガスとしてC2H4
(エチレン)及びB2H6(ジボラン)を使用し、同位
体分離用レーザーにパルス炭酸ガスレーザー、化学反応
用レーザーにCW炭酸ガスレーザーを使用する。
まず、天然存在比のBCl3とフッ素ガスをガス混合槽
へ導入して混合し、混合ガスを分離用照射セルへ供
給する。次に、同位体分離用レーザーのレーザー光を
11BCl3の吸収ラインに合わせて分離用セルに照射
することにより、混合ガスの中から11BCl3のみ選択
的に励起する。この結果、11BCl3は以下の反応を起
こし、フッ素と化合し、11BCl3Fとなる。11 BCl3+hν+F2 →11BCl3F+1/2F2 …(1) この時、11BCl3の反応率を調整することにより、相
対的に10BCl3の組成比を調整することが可能であ
る。
次に、BCl3とBCl3Fの蒸気圧等の物性の違いを
利用してBCl3を精製する。精製したBCl3をガス
混合槽へ導入し、B2H6、C2H4及びAr等の混
合した後、反応用セルへ供給する。
化学反応用レーザーを反応用セルに照射することに
より、以下の反応からボロンカーバイドが生成する。
2BCl3+3B2H6+C2H4 →2B4C+6HCl+8H2…(2) 反応生成物のうち、HCl及びH2は気体であるため、
フィルタ等により分離除去する。こうしてB4Cを容易
に製造することができる。
第3図は235 Uの同位体組成を富化したUO2(固体)
を製造するプロセスを示す図である。
ウランの同位体(天然存在比235 U:0.7%、238
U:99.3%)の中で、235 Uは、核分裂核種として
3%程度に濃縮したものが、UO2(二酸化ウラン)の
形態で原子炉の燃料として使われている。
原料として六フッ化ウランUF6、スカベンジャーガス
として塩化水素HCl、反応ガスとして二酸化炭素CO
2を使用し、同位体分離レーザーにパルス炭酸ガスレー
ザー及びラマンレーザー、化学反応用レーザーにCW炭
酸ガスレーザーを使用する。
まず、天然存在比のUF6と塩化水素ガスをガス混合槽
に導入して混合し、混合したガスを分離用照射セル
へ供給する。
次に、同位体分離用レーザのレーザー光を235 UF6
の吸収ラインに合わせて分離用照射セルに照射し、混
合ガスの中から235 UF6のみ選択的に励起する。この
結果、235 UF6は以下に示すような反応を起こして塩
化水素と化合し、235 UF5Clとなる。235 UF6+hν+HCl →235 UF5Cl+HC …(3) この時、235 UF6の反応率を調整することにより、U
F5Cl中の235 U組成比を調整することが可能であ
る。
次に、UF6とUF5Clの蒸気圧等の物性の違いを利
用してUF5Clを精製する。
精製したガス混合槽へUF5Clを導入し、CO2及
びAr等と混合した後、反応用セルへ供給する。
化学反応用レーザーを反応用セルに照射することに
より、以下の反応から二酸化ウランが生成する。
UF5Cl+2CO2 →UC2+C2F5Cl+O2…(4) 反応生成物のうち、C2F5Cl(クロロフルオロエタ
ン)、O2は気体であるためフィルタ等により分離除去
し、UO2を得ることができる。
〔発明の効果〕
以上のように本発明によれば、次のような効果を達成す
ることができる。
(1)任意の同位体組成及び粉体物性をもつ化合物を、製
品として得ることができる。
(2)非接触プロセスであるため、高純度の製品を得るこ
とができる。
(3)連続プロセスであるため、製造コストを低くでき
る。
(4)コンパクトな製造装置が可能である。
(5)安全性、能率、保守性、精度、確実性等を改善する
と共に、簡易化、省力、大(小)型化等の改善を行うこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のプロセス構成を示すブロック図、第2
図は10Bの同位体組成を富化したB4C製造プロセスを
示す図、第3図は235 Uの同位体組成を富化したUO2
(固体)を製造するプロセスを示す図である。 ……原料ガス、……スカベンジャーガス、……ガ
ス混合槽、……分離用照射セル、……ガス精製器、
……廃品ガス、……ガス混合槽、……反応ガス、
……反応用セル、……製品回収槽、……真空ポン
プ、……廃ガス、……同位体分離用レーザー、…
…化学反応用レーザー。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】特定の同位体を含む気体状化合物の特定分
    子を第1のレーザー光照射により選択的に励起する段
    階、選択的に励起後精製して中間製品を得る段階、中間
    製品を反応ガスと混合する段階、混合したガスに第2の
    レーザー光を照射して化学反応を生じさせる段階からな
    るレーザー光による同位体分離及び気相物質合成法。
  2. 【請求項2】第1のレザー光照射により特定分子を選択
    的に励起するに際し、原料ガスに反応補助ガスを混合し
    た請求項1記載のレーザー光による同位体分離及び気相
    物質合成法。
  3. 【請求項3】第1のレーザー光は、パルス炭酸ガスレー
    ザーまたはラマンレーザー光である請求項1記載のレー
    ザー光による同位体分離及び気相物質合成法。
  4. 【請求項4】第2のレーザー光は、CW炭酸ガスレーザ
    ー光である請求項1記載のレーザー光による同位体分離
    及び気相物質合成法。
JP23564488A 1988-09-20 1988-09-20 レーザー光による同位体分離及び気相物質合成法 Expired - Lifetime JPH0638893B2 (ja)

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