JPS63100920A - 同位体分離方法および装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、複数の同位体を含む混合物から特定の同位体
を分離する方法および装置に係り、特に不純物イオンの
混入を防止し同位体の分離性能を向上させた同位体分離
方法および分離装置に関する。

（従来の技術） 原子炉用燃料になどに使用されているウラン燃料は、ウ
ラン同位体の混合物の中から原子核反応を起こす特定の
ウランを分１１１濃縮して所定ＩＩ痕に調整後、原子炉
に装荷される。

天然に産出するウランは質■数２３５の軽い分子から成
るウラン（以下、Ｕ−２３５と略記する）が０，７％程
度含有され、残りの大部分が質量数２３８の重い分子か
ら成るウラン（以下、Ｕ−２３８と略記する）である。

このうち、原子核反応を起こすＵ−２３５は上記天然ウ
ランまたは使用済燃料から分離され、さらに通常２〜３
％程度まで濃縮された上で原子炉用燃料として使用され
る。

従来、Ｕ−２３５，Ｕ−２３８などの同位体の混合物か
らＵ−２３５を分離し、所定濃度レベルまで高めるウラ
ン濃縮方法としては、ガス拡散法、遠心分ｌｅｔ法、レ
ーザ法などがあり、各方法とも同位体の化学特性または
質量の相違を利用して分離濃縮操作を実施するものであ
る。

ガス拡散法は、微細小孔を多数有する隔膜にガス化した
同位体混合物をポンプで送給し、隔膜を通過する各同位
体の拡散速度の差異によって分離する方法である。拡散
速度は原子核が小型で軽いｔＪ−２３５の方が速く、ま
た透過ｍも多いので隔膜の二次側ではｔＪ−２３５の含
有割合が若干増加する。この工程をカスケード方式によ
って多段に繰り返すことによって、Ｕ−２３５の濃縮度
が徐々に増加する。しかしながら、この方法は、１段当
りに濃縮される割合が小さいため、段数を多く設けた大
規模な装置が必要となる欠点がある。

また遠心分離法には、例えばガス化した六フッ化ウラン
を回転円筒に導入し、これを高速回転することにより濃
縮度を高める方法などがある。

しかしながら、この方法では分離効率が低いため、やは
りカスケード方式によって多段に分離装置を連設して構
成する必要がある。

以上の従来法に加え、特に分離効率の点で有望視されて
いる分離方法として、レーザによる同位体分離方法があ
る。この分離方法は、例えば特開昭４９−１０５０９７
号公報および特開昭５４−１２６８９５号公報に開示さ
れているように、特定の同位体の原子核を励起する波長
を有するレーザ光を、同位体混合物の蒸気に照射するこ
とによって、目的とする同位体、例えばＵ−２３５のみ
を選択的にイオン化し、このイオン化した同位体を含む
蒸気流に対して直角方向に電界を印加し、この電界によ
って特定のイオン化したｔＪ−２３５のみを所定方向に
偏向させて分離し、ウランの濃縮を行なうものである。

次に、レーザによる同位体分離方法および装置の従来例
を第５図および第６図を参照して説明する。

第５図はウラン濃縮工程において使用されるレーザによ
る同位体分離装置の構成を模式的に示す斜視図である。

以下はウラン同位体の分離操作を例にとって説明する。

天然ウランもしくは原子炉にて使用され減損した燃料体
から取り出された金属ウラン１は熱化学的耐性を有する
例えば坩堝〈るつぼ）などの容器２内に装荷される。

次に、リニア電子銃３から発射される電子ビーム４を金
属ウラン１に照射する。なお、リニア電子銃３から発射
された電子ビーム４は図示しない外部磁場コイルにより
偏向されて容器２内の金属ウラン１に照射される。電子
ビーム４の照射を受けた金属ウラン１は２５００〜２７
００’に程度まで加熱されて蒸発し、ウラン蒸気流５を
形成する。

なお、ウラン蒸気′ｆｉ５の組成は、例えば金属ウラン
１として天然ウランを使用した場合は重量比でＵ−２３
５が約０．７％、ＬＪ−２３８が約９９゜３％となる。

一方、容器２の上方には、帯状の陽電極６と陰電極７と
が交互に配設され、その電極間にそれぞれ光反応部８が
設けられ、この光反応部８の長手方向に電離用エネルギ
源として電離用レーザ光９が入射される。電離用レーザ
光９の波長はＵ−２３５の共鳴電離波長に調整されてお
り、光反応部８に導入されたウラン蒸気流５に含まれる
Ｕ−２３５原子のみが電離用レーザ光と共鳴し、一定の
確率で選択的に電離される。

電離されたＬＪ−２３５イオンは陽電極６と陰電極７と
の間に、ウラン電離用レーザ光９と同期した電極電圧を
印加することにより形成された電場によって回収電極と
なる陰電極７の表面に吸着回収される。一方、電離せず
に光反応部８を通過したＵ−２３５およびＵ−２３８の
混合蒸気流は光反応部８の外縁側に配設した蒸気回収板
１０方向に吸引回収される。

（発明が解決しようとする問題点） ところで、従来、ウランの分溜操作の前処理においては
、強力な電子ビームを照射して金属ウランを溶融して蒸
発Ｉしめてウラン然気流を生成する操作工程を含んでい
るため、生成したウラン蒸気流には不純物イオンが含ま
れる。

不純物イオンとしては、金属ウランの加熱源である電子
ビームとウラン蒸気流とが衝突して発生するＵ−２３８
の衝突電離イオンおよびウラン蒸気流が高温熱源と接触
して発生するＵ−２３８、その他の金属の熱電離イオン
がある。

したがって、これらの不純物イオンを含むウラン蒸気流
が流れる陽電極と陰電極との間に直流電場を印加した場
合は、不純物イオンがＬＪ−２３５イオンに同伴して回
収電極に吸引される。

そのため、目的とする同位体の分離係数が低下し、Ｕ−
２３５の濃縮度が小さくなり、回収ウランの純度品質を
低下させる原因となっていた。

本発明は上記問題点を解決するために発案されたもので
あり、ウラン蒸気流を同位体捕集装置に導入する前の段
階で事前に含まれる不純物イオンを除去する手段を設け
ることにより、不純物となるイオン同位体の製品への混
入量を低減し、分離効率の指標となる分離係数を高く維
持し、製品の純度が高い同位体分離方法および分Ｉｌｌ
装置を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段） 本件第１番目の発明に係る同位体分離方法は、複数種類
の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸気流を生成し
、この蒸気流を陽電情と陰電極とを交互に並置して形成
した同位体捕集装置に蒸気流通路を経由して導入した後
に、前記蒸気流に特定の同位体を選択的にイオン化する
電離用レーザビームを照射してイオン化同位体を生成し
、上記電極間に電界を印加することによってイオン化同
位体を回収電極方向に偏向させて特定の同位体を分離回
収する同位体分離方法において、前記蒸気流を同位体捕
集装置に導入する蒸気流通路に所定室の電界を印加する
ことにより、蒸気流に含まれる不純物イオンを予め回収
除去することを特徴とする。

また、本発明の第２番目に係る同位体分離装置は、複数
種類の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸気流を生
成する蒸気生成装置と、陽電極と陰電極を交互に並置し
て形成した同位体捕集装置と、前記蒸気生成装置から同
位体捕集装置に至る蒸気流通路と、蒸気流通路を通り同
位体捕集装置に流入した蒸気流に電離用レーザビームを
照射して特定の同位体を選択的にイオン化する電離用レ
ーザビーム発生装置と、電離用レーザビームによってイ
オン化した同位体を同位体捕集装置の回収電極に偏向さ
せて分離回収するために電極板間に電界を印加する電源
装置とを備え、前記蒸気生成装置にて生成した蒸気流に
含まれる不純物イオンを分離回収するフィルタ電極を、
蒸気流通路に設けたことを特徴とする。

（作用） 本発明に係る同位体分離方法および分離装置によれば、
同位体捕集装置による至る蒸気流通路に所定の電界を印
加するように構成されているため、蒸気流に合まれる不
純物イオンは同位体捕集装置に流入する前に予め回収除
去される。

そのため、同位体捕集装置には、不純物イオンを含まな
い、つまり電気的に中性である同位体からなる蒸気流を
供給することができる。したがって、回収電極に吸引さ
れる不純物イオン是が少なく、目的とする同位体が高い
分離係数で捕集され、純度品質が高い製品を得ることが
できる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例について、ウラン濃縮工程にお
けるウラン同位体の分離操作を例にとり、図面に従って
説明する。第１図および第２図は本発明に係る同位体分
離装置の一実施例を示す斜視図である。なお、第５図お
よび第６図に示す従来例と同一の構成要素、部品には同
一の符号を付している。

同位体分離装置は、金属ウラン１を収容した容器２と、
容器２に収容された金属ウラン１にリニア電子銃３から
発する電子ビーム４を照射して金属ウラン１を加熱蒸発
せしめ、ウラン蒸気流５を生成する蒸気生成装置１１と
が備えられる。ぞの蒸気生成装置１１の上方には、陽電
極６と陰電極７を交互に並置して形成した同位体捕集装
置１２が設けられる。陽電極６と陰電極７との間には光
反応部８が形成され、この光反応部８を流れるウラン蒸
気流５に電離用レーザ光９を照射する電離用レーザビー
ム発生装置１６が設けられる。電離用レーザ光９の照射
によってイオン化した同位体は、電源装置１７によって
陽電極６と陰゛躍極７に形成された電界によって回収電
極側に偏向されて分離される。

前記蒸気生成装置１１と同位体捕集装置１２との間には
、容器２から放射状に流れるウラン蒸気流５の蒸気流通
路１３が設けられ、さらに、この蒸気流通路１３に所定
の電界を形成し、荷電粒子を除去するフィルタ電極１４
が設けられる。フィルタ電極１４は、相互に絶縁状態を
維持した、例えば３枚のフィルタ電極板１４ａ、１４ｂ
、１４Ｃを積層して電極群として形成する。フィルタ電
極板１４ａの形状は、例えば第３図に示すように、湾曲
成形した金属板にウラン蒸気流５の通路となる開口部１
５を、陽電極６および陰電極７に沿う方向に穿設してい
る。

本実施例におけるフィルタ電極１４は、蒸気流通路１３
の容器２側から順に例えば３枚のフィルタ電極板１４ａ
、１４ｂ、１４ｃを所定間隔をおいて積層して構成され
、それぞれの電極板間に、フィルタ電極用電源装置１８
により所定の電界が印加される。第２図に示す通り、中
央のフィルタ電極板１４ｂは、アース電位に設定されて
いるため、蒸気流通路１３の一次側に配置されたフィル
タ電極板１４ａには−Ｖａの負電位が印加され、一方、
蒸気流通路１３の二次側に配置されたフィルタ電極板１
４Ｃには＋ｖｂの正電位が印加される。

すなわち、フィルタ電極１４の電位分布は、蒸気流通路
１３の入口部において負電伶、中央部において零電位、
出口部おいて正電位となるように設定される。

なお、設定する電位は、運転操作温度における熱電子、
イオン化同位体などの荷電粒子が有する運動エネルギか
ら決定される。

すなわち、金属ウラン１の溶融液面上において発生する
熱電子の運動エネルギＥｅは、運転操作温度Ｔを２７０
０’Ｋ、ボルツマン定数をｋとすると、（１）式の通り
となる。

Ｅｅ＝ｋＴ ＝　８．６１６Ｘ　１Ｏ−５（ｅＶ／Ｋ）Ｘ　２７００
（Ｋ）−０，２３（ｅＶ）　　　　　　　　・・・・・
・（１）上記の運転エネルギＥｅは全ての熱電子につい
て同一値ではなく、平均値を基準にした一定の確率分布
を呈する。したがって、実装置に印加する負電位Ｖａは
安全倍率Ａを１０〜１０２に設定して（２）式で算出し
た値とする。

Ｖａ−Ａ−Ｅｅ　（ｖ）　　　　　＝　（２’）一方、
熱または電子！１５ｆｔによって発生した電離イオンを
除去するために印加する正電位ｖｂは下記の通り算定さ
れる。

すなわち、上記電離イオンの運動エネルギＥｉは熱電子
の運転エネルギＥｅと同程度の値を有するため、フィル
タ電極１４ｃに印加する正電位■ｂは、フィルタ電極１
４８に印加する負電位ｙａを相殺し、かつ陽性の電離イ
オンを排除する正電界を形成するために、（３）式を満
足する必要がある。

Ｖｂ−Ｖａ−Ａ−Ｅ　ｉ　　　　　−＝−（３）ここで
、Ｅｉ−ＥｅＮ安全倍率Ａ＝１０〜１０２とする。

したがって、（１）、＜２）、（３）式より一般にＶａ
＝１０　（Ｖ）、Ｖｂ＝２０　（ｖ）ｆｕｎ：設定する
とよい。

次に作用を説明する。

蒸気生成装置１１によって加熱蒸発された金属ウラン１
はウラン蒸気流５となって蒸気流通路１３を通りフィル
タ電極１４の開口部１５を通過する。このとき、ウラン
蒸気流５に含有される熱電子はフィルタ電極１４ａ、１
４ｂに形成された電界によって進路が偏向され、蒸気流
通路１３から排除されるため、熱電子が光反応部８へ進
入することが阻止される。なお、上記電界はフィルタ電
極１４ａ、１４ｂに負電位Ｖａを印加することによって
形成される。

一方、ウラン蒸気流５に含有される熱雷１ｌｉｌｔ陽イ
オンおよび電子衝撃によって発生したＵ−２３８などの
同位体陽イオンは、フィルタ電極１４ｂ。

１４０間に印加された正電圧ｖｂによって形成された電
界によって排除され、同様に光反応部８へ流入すること
が阻止される。

したがって、電子ビーム４の照射によって発生し、ウラ
ン蒸気流５に混入した不純物イオンおよび熱電子は、フ
ィルタ電極１４において、予め排除される。そのため、
光反応部８に流入するウラン蒸気２Ｉ！５には不純物と
なる荷電粒子は含まず、電気的に中性な成分のみからな
るウラン蒸気流５を供給することができる。なお、ウラ
ン蒸気流５を光反応部８に導入した後の操作手順は従来
方法および装置の場合と同様である。したがって、同位
体捕集装置１２の回収電極に吸引される不純物量を大幅
に低減することが可能となり、装置全体としての同位体
の分離係数が改善され、Ｉ！度品質が優れた同位体を効
率良く得ることができる。

次に、本発明に係る同位体分離装置の他の実施例につい
て第４図を参照して説明する。

第４図の同位体分離装置は、第２図に示したフィルタ電
極１４の構成に加え、フィルタ電極１４と光反応部８と
の間の蒸気流通路１３に不純物イオン収集電極１つを設
けている。不純物イオン収集電極１９は、ウラン蒸気流
の流れ方向と平行に、かつ同位体捕集装置１２の陽電極
６および陰電極７にそれぞれ近接して設けられ、交互に
正負の電位を有する不純物イオン収集電極板１９ａ、１
９ｂを配設して形成する。

この場合、フィルタ電極１４の電界のみでは排除されず
に光反応部８に侵入した不純物イオンは、前記不純物イ
オン収集電極１９ａ、１９ｂに形成された電界によって
捕集されてウラン蒸気流５から分離される。

したがって、光反応部８に混入する不純物イオン通は第
２図に示す同位体分離装置と比較して、一層低減化され
る。

そのため、同位体捕集装置１２における同位体の分離係
数および分離回収された同位体の純度品質をさらに向上
することができる。

なお、本発明に係る同位体分離方法および装置の実施に
あたり、既存の同位体分離装置の機器構成に抜本的な改
造変更は要しない。すなわち、蒸気流通路にフィルタ電
極を新たに装備するだけで蒸気流に含まれる熱電子、イ
オン化同位体、金属イオンなどの荷電粒子を容易に除去
することができる。

また、荷電粒子の運動エネルギの大小に対応して、フィ
ルタ電極または不純物イオン収集電極に印加する電圧を
適宜調整する機構を装備しておけば、金属ウランの種類
、操作温度に対応して、容易に最適電圧を選択すること
ができる。

（発明の効果） 以上説明の通り、本発明に係る同位体分離方法および装
置によれば、同位体捕集装置に接続する蒸気流通路に所
定の電界を印加することにより蒸気流に含まれる不純物
イオン等の荷電粒子を予め排除しているため、同位体捕
集装置の回収電極に吸引される不純物損を大幅に低減す
ることが可能となる。したがって、同位体分離装置の運
転効率の指標となる分離係数が高く、また分離回収した
同位体製品の純度品質を大幅に向上することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る同位体分離方法を実施する同位体
分離装置の一実施例を示す斜視図、第２図は第１図にお
けるＩＩ−ＩＩ矢視断面図、第３図は第１図、第２図に
示すフィルタ電極板の形状を示す斜視図、第４図は本発
明に係る同位体分離装置の他の実施例を示す断面図、第
５区は従来の同位体分離装置の構成を示す斜視図、第６
図は第５図におけるＶｌ　−Ｖｌ矢視断面図である。 １・・・金属ウラン、２・・・容器、３・・・リニア電
子銃、４・・・電子ビーム、５・・・ウラン蒸気流、６
・・・陽電極、７・・・陰電極、８・・・光反応部、９
・・・電離用レーザ光、１０・・・蒸気回収板、１１・
・・酒気生成装置、１２・・・同位体捕集装置、１３・
・・蒸気流通路、１４・・・フィルタ電極、１４ａ、１
４ｂ、１４ｃ・・・フィルタ電極板、１５・・・開口部
、１６・・・電離用レーザビーム発生装置、１７・・・
電源装置、１日・・・フィルタ電極用電源装置、１９・
・・不純物イオン収集電極、１９ａ、１９ｂ・・・不純
物イオン収集電極板、■・・・運転操作温度、Ｅｅ・・
・熱電子の遅動エネルギ、Ｅｊ・・・電離イオンの運転
エネルギ、■ａ・・・負電位、ｖｂ・・・正電位。 代理人弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　　　　三　　俣　　弘　　交電１図 第２図 第４図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数種類の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸
   気流を生成し、この蒸気流を陽電極と陰電極とを交互に
   並置して形成した同位体捕集装置に蒸気流通路を経由し
   て導入した後に、前記蒸気流に特定の同位体を選択的に
   イオン化する電離用レーザビームを照射してイオン化同
   位体を生成し、上記電極間に電界を印加することによっ
   てイオン化同位体を回収電極方向に偏向させて特定の同
   位体を分離回収する同位体分離方法において、前記蒸気
   流を同位体捕集装置に導入する蒸気流通路に所定の電界
   を印加することにより、蒸気流に含まれる不純物イオン
   を予め回収除去することを特徴とする同位体分離方法。 ２、複数種類の同位体を含む物質を加熱蒸発せしめて蒸
   気流を生成する蒸気生成装置と、陽電極と陰電極を交互
   に並置して形成した同位体捕集装置と、前記蒸気生成装
   置から同位体捕集装置に至る蒸気流通路と、蒸気流通路
   を通り同位体捕集装置に流入した蒸気流に電離用レーザ
   ビームを照射して特定の同位体を選択的にイオン化する
   電離用レーザビーム発生装置と、電離用レーザビームに
   よってイオン化した同位体を同位体捕集装置の回収電極
   に偏向させて分離回収するために電極板間に電界を印加
   する電源装置とを備え、前記蒸気生成装置にて生成した
   蒸気流に含まれる不純物イオンを分離回収するフィルタ
   電極を、蒸気流通路に設けたことを特徴とする同位体分
   離装置。 ３、フィルタ電極は、蒸気流通路における蒸気流の入口
   側から順に、熱電子を除去する熱電子除去電極と、不純
   物イオンを減速偏向させて回収する不純物除去電極とを
   所定間隔をおき相互に絶縁状態で複数段に積層された電
   極群から成り、電極群における電位分布を蒸気流通路の
   入口部において負電位、中央部において零電位、出口部
   において正電位となるように設定したことを特徴とする
   特許請求の範囲第２項記載の同位体分離装置。