JPS63126529A - 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、特に分離係数の向上を
図った同位体分離方法および装置に関する。

（従来の技術） 原子炉用核燃料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す特定のウ
ランを分離濃縮して所定濃度に調整された後、原子炉に
装荷される。

天然に産出するウランは質量数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、原子核反応を起すｔＪ−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燃料として使用される
。

従来、Ｌｌ−２３５、Ｕ−２３８などの同位体を含む混
合物質から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、遠心分離法
、レーザ法などがあり、各方法とも同位体の化学特性ま
たは質層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Ｕ−２３５の方が早く、また
透過量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ｔＪ−２３５の濃縮度が
徐々に増加する。しかしながらこの方法は、一段当りに
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、遠心分離法は、ガス化した同位体混合物を回転円
筒に導入し、これを高速回転することにより重いＵ−２
３８を遠心力によって分離し、この工程を同様にカスケ
ード方式により多段に繰り返して濃縮度を高める方法で
ある。しかしながら、この方法では分離段階を多くしだ
カスケードを組む必要があり、多くの回転体が必要とな
る。

以上の従来方法に加え、特に分離効率の点て有望視され
ている分離方法として、レーザ光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４９−１０５０
９７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Ｕ−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、レーザ光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デ光に
よる同位体分離方法の構成を示す斜視図である。以下、
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濃縮過程において副生ずる廃品ウラ
ンなどの金属ウラン１は熱化学的な耐性を有する蒸発用
るつぼ２内に収容される。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ｔａ場ココイルより偏向されて蒸発用つるぼ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２５００〜２７００’に程度まで
加熱されて蒸発し、蒸気流５を形成する。なお、蒸気流
５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、重量化でＵ−２３５が０．７％、Ｕ−２
３８が９９．３％となる。

一方、蒸発用つるぼ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Ｕ−２
３５のみを選択的に励起電離させる電離用レーザ光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
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イオン化同
位体となる。イオン化されたＵ−２３５の同位体は陽電
極６と陰電極７との間に、電圧を印加することにより形
成された電界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に吸引回収される。

（発明が解決しようとする問題点） 従来の同位体分離方法によれば、光反応部にて生成した
イオン化同位体の拡散係数が大きく、光反応部から逸散
する割合が多い。そのため、回収電極に分離回収される
特定の同位体の回収率が低下する問題点があった。この
傾向は、操作温度を上界さけて蒸気密度を高めるに従っ
て顕著になる。すなわち、同位体の回収量の向上を図る
ために金属ウランの蒸発を促進し蒸気密度を＾めると生
成するイオン化同位体の密度も上昇するが、拡散係数も
増大するため、回収電極から逸散する同位体筒も多くな
る。

また、ウランの分離操作の前処理において強力な電子ビ
ームを照射して金属ウランを溶融後蒸発せしめて、蒸気
流を生成する工程を有するため、生成した蒸気流には各
種の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蒸気流
が高温熱源と接触して発生するｔＪ−２３８その他の金
属の熱電離イオンがある。これらの不純物イオンはＵ−
２３５イオンに同伴して回収電極に吸引されるため、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、光反応部にて発生するイオン化同位体（Ｕ−２３
５イオン）の熱拡散を抑制する機構を設けることによっ
て、回収を目的とするイオン化同位体を効率的に分離回
収し、また、不純物イオンの混入量を低減して製品純度
を改善し、さらに分離係数が優れた同位体分離方法およ
び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ｌｌｌ電極と陰電極とを交互に並置して
形成した回収電極に導入した模、前記蒸気流に特定の同
位体を選択的にイオン化するレーザ光を照射してイオン
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、回収
電極の蒸気流入口側と蒸気流出口側とにそれぞれ補助電
極を隣設し、回収電極の陽電極電位と補助電極の陽電極
電位とを同電位に設定し、一方、補助電極の陰電極電位
を回収電極の陰電極電位より少なくとも高電位に設定し
て回収電極の陰電極に集束する電気力線を形成し、その
電気力線の偏向力によって特定のイオン化同位体の拡散
を防止し、イオン化同位体を回収電極の陰’！極に集束
させることを特徴とする。

また、本件第２番目の発明に係る同位体分離装置は、複
数種類の同位体を含有する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、陽電極と陰電極とを交互
に並置して形成され蒸気流の流れ方向にほぼ平行に配置
された回収電極を有する同位体回収装置と、同位体回収
装置に流入した蒸気流に所定波長のレーザ光を照射して
特定の同位体を選択的にイオン化するレーザ光発振装置
とを備え、上記回収電極の陰電極に集束する電気力線を
形成する補助電極を回収電極の蒸気入口側と蒸気出口側
とにそれぞれ隣設し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、
回収電極の蒸気流入口側と蒸気流出口側とにそれぞれ補
助電極が設けられ、この補助電極に電圧を印加すること
により回収電極の陰電極に集束する電気力線が形成され
、その電気力線の偏向力によってイオン化同位体の熱拡
散が有効に防止されるため、陰電極におけるイオン化同
位体の回収量が増大する。

また、蒸気流入口側に設けた補助ｒ！ｉ極が形成する電
界の働きによって、蒸気流に含まれる不純物イオンが回
収電極に流入する前に予め回収除去される。そのため、
回収電極には不純物イオンを含まず、電気的に中性な同
位体から成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昂が少
なく、目的とする同位体が高い分離係数をもって捕集さ
れ、純度品質が優れた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を参照して説
明する。

第１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を収容した蒸発用るつぼ
２と、蒸発用るつぼ２に収容された金属ウラン１にリニ
ア電子銃３から発生する電子ビーム４を照射して金属ウ
ラン１を加熱蒸発せしめ蒸気流５を生成する蒸気生成ｖ
ｌ置１１とが備えられる。蒸気生成装置１１の上方には
陽電極６と陰電極７とを交互に並置して形成した回収電
極１２を有する同位体回収装置１３が設けられる。

各！ｉ１２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を流れる蒸気２１！５に電離用
レーザ光９を照射するレーザ光発振装置１６が光反応部
８の軸方向延長上に設けられる。

また、回収電極１２の蒸気流入口側および蒸気流出口側
にはそれぞれ補助電極１４．１５が設けられ、この蒸気
流入口側の補助電極１４は、さらに回収電極の下縁に隣
設したｌ１ｉｌ！電極１４ａと陰電極１４ｂとから構成
される。一方、蒸気流出口側の補助電極１５は、さらに
回収ＴＩｌ極１２の上縁に隣設した陽電極１５ａと陰電
極１５ｂとから構成される。

次に、各電極に印加する電圧と発生する電気力線等につ
いて説明する。第３図は第１図および第２図における光
反応部の一部を拡大して示す断面図である。

回収電極１２の陽電極６と補助電極１４．１５の陽電極
１４ａ、１５ａとは相互に電気的に接続され電圧Ｖａが
印加され、また回収電極１２の陰電極７は接地され、零
電位に設定されている。一方、補助電極１４．１５の陰
電極”１４ｂ、１５ｂは共に電圧ｖｂに設定される。

電圧Ｖａと電圧ｖｂの関係は（１）式の通りである。

Ｖ　ａ　＞　Ｖ　ｂ　＞　Ｏ−−（１）このとき、光反
応部８においては、第３図に例示するように蒸気流５の
流れ方向に沿って実線で示す等電位ね１アが形成される
とともに、回収電極１２の陽電極６および補助電極１４
．１５の陽電極１４ａ、１５ａから回収電極１２の陰電
極７方向に集束する電気力線１８が破線で示すように形
成される。電気力線１８は、各補助電極１４゜１５の陽
陰電極間にも形成される。

ここで、各電極に設定すべき電位Ｖａ、Ｖｂは、運転操
作温度における熱電子、イオン化同位体、不純物イオン
などの荷電粒子が有する運動エネルギから決定される。

蒸気流５中に含有される不純物陽イオンの運動エネルギ
Ｅｉは熱電子の運動エネルギと同程度の値を有し、運転
操作部ＩＩＴを２７００’に、ボルツｖン定数ｋを８．
６１７ｘ１０−５ｅＶ／’にとすると、（２）式のよう
になる。

１−ｋＴ −８，６ｔ７ｘ　１０−５（ｅＶ／”Ｋ）　ｘ２７００
”Ｋ−０，２３（ｅＶ）　　　　　・・・・・・（２）
上記の運動エネルギＥ１は全ての不純物イオンについて
同一値ではな（、上記値を基準にした一定の確率分布を
呈する。したがって、不純物陽イオンを補助電極１４の
陰電極１４ｂで予め吸着するためには補助電８ｉ１４間
の電圧差が上記運動エネルギＥｉに対応する電圧より少
なくとも高く設定する必要がある。すなわち、（３）式
を満足するように設定すればよい。

ｅ　（Ｖａ−Ｖｂ）　＞＞Ｅ　ｉ　　　＝　（３）ここ
で、ｅは不純物イオンの電荷である。

したがって、（１）（２）（３）式より、一般にＶａ−
１００（Ｖ）、Ｖｂ−５０（Ｖ）程度に設定するとよい
。

次に、作用を説明する。

上記構成の同位体分離方法および装置において、蒸気生
成装置によって加熱蒸発された金属ウラン１は蒸気流５
となって、まず蒸気流入口側の補助電極１４間に導入さ
れる。

このとき、蒸気流５に含まれる熱雷子ビームおよび不純
物イオンは補助電極間に形成された電気力線１８によっ
てそれぞれの電極方向に吸引され、蒸気流５から排除さ
れる。

したがって、光反応部８に流入する蒸気流５は不純物と
なる荷電粒子を含まず電気的に中性な成分のみから構成
される。

次に、光反応部８に流入した蒸気流５に対して、レーザ
光発振装置から発振された電離用レーザ光９が照射され
、蒸気流５中の特定の同位体が選択的に励起され、さら
にイオン化同位体となる。発生したイオン化同位体は回
収電極１２間に形成された電気力線１８によって陰電極
７側に偏向されて分離回収される。このとぎ、発生した
イオン化同位体は、補助電極１４．１５の電極間に形成
された電気力線１８の偏向力によって上下方向に拡散す
ることが防止され、電気力線１８に沿って回収電極１２
の除電４４７に効率よく吸引回収される。

したがって、本実施例によれば、蒸気流５中の不純物イ
オン等は光反応部８に導入される前に予め除去され、清
浄な蒸気のみが後の分離工程に供される。そのため従来
、回収を目的とする同位体に同伴されて回収電極に吸引
されていた不純物■を大幅に低減することができる。

また、光反応部８において、選択的に励起され発生した
イオン化同位体は、補助電極１４．１５間に形成された
電気力線１８によって拡散が抑止され、光反応部８の上
下方向に逸散することが防止される。したがって、回収
電極１２における同位体の回収効率が向上し、ｉ１ｍ？
全体としての同位体の分離係数が大幅に向上する。

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図は第３図と同様に同位体分離装置の一部の電極部
を拡大して示す断面図である。

この実施例では、補助電極１４．１５の陽陰電極と回収
電極１２の陽電極６とに全て等しい電圧Ｖａを印加し、
回収電極１２の陰電極７のみを接地電位として構成して
いる。

この場合において、各電極間に形成される電気力線１８
は第４図に示すように回収電極１２の陰電極７方向への
集束密度が高くなる。また、等電位１ｉ１１７は陰電極
７の両端を起点として同心状に形成される。

そのため、光反応部８で生成したイオン化同位体を陰電
極７に偏向させて回収する作用が強化され、同位体の分
離回収効率が一段と向上する。

ただし、この場合補助筒１４１４の陽電極１４ａと陰電
極１４ｂとの双方の電極には、同一の電圧ｙａが印加さ
れているため、補助電極１４間において電界が形成され
ないので、不純物イオンを除去する作用は働かない。そ
のため、蒸気流５中に多くの不純物イオンを含有する場
合には不適である。

したがって、蒸気流５中に含まれる不純物イオンの多少
に応じて、第３図に示す実施例と第４図に示す実施例と
を適宜選択して使用することが望ましい。すなわち、第
３図において陽電極に印加する電圧■ａを固定する一方
、補助電極の陰電極に印加する電圧ｖｂを不純物イオン
の生成量に対応して適宜調整することにより、不純物イ
オンを除去する効果とイオン化同位体を回収する効果と
の総和を最大にする運転条件を容易に設定することがで
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、回収電極の蒸気流入口側と出口側とに補助電
極が設置ノられ、この補助’ｆｆ極問に形成される電気
力線の作用によってイオン化同位体の拡散が有効に防止
されるため回収電極におけるイオン化同位体の回収量が
増大し、同位体の分離係数が著しく向上する。

また、回収電極の蒸気流入口側に設けた補助電極間に形
成された電界の働ぎによって蒸気流に含まれる不純物イ
オンが予め除去される。したがって、回収電極に吸引回
収される不純物イオンａが少なく、目的とする同位体の
純度、品質が優れた価値ある製品を提供することができ
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■−■矢視断面図、第３図は第１図、第２図に示す
光反応部の一部を拡大して示す断面図、第４図は他の実
施例に係る光反応部の一部を拡大して示す断面図、第５
図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　−ｖｒ矢視断面図である。 １・・・金属ウラン、２・・・蒸発用るつぼ、３・・・
リニア電子銃、４・・・電子ビーム、５・・・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
・・・蒸気生成袋ｄ１１２・・・回収電極、１３・・・
同位体回収装置、１４・・・補助電極、１４ａ・・・陽
電極、１４ｂ・・・陰電極、１５・・・補助電極、１５
ａ・・・陽電極、１５ｂ・・・陰電極、１６・・・レー
ザ光発振装置、１７・・・等電位線、１８・・・電気力
線、■・・・運転操作温度、Ｅｉ・・・電離イオンの運
動エネルギ、ｅ・・・不純物イオンの電荷、Ｖａ、Ｖｂ
・・・電圧。 代理人弁理士　　則　近　憲　佑 周　　　　　　　　三　　俣　　弘　　文蔓２回

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
   並置して形成した回収電極に導入した後、前記蒸気流に
   特定の同位体を選択的にイオン化するレーザ光を照射し
   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、回収電極の蒸気流入口側と蒸気流出口側とにそれぞ
   れ補助電極を隣設し、回収電極の陽電極電位と補助電極
   の陽電極電位とを同電位に設定し、一方、補助電極の陰
   電極電位を回収電極の陰電極電位より少なくとも高電位
   に設定して回収電極の陰電極に集束する電気力線を形成
   し、その電気力線の偏向力によって特定のイオン化同位
   体の拡散を防止し、イオン化同位体を回収電極の陰電極
   に集束させ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有する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、陽電極と陰電極と
   を交互に並置して形成され蒸気流の流れ方向にほぼ平行
   に配置された回収電極を有する同位体回収装置と、同位
   体回収装置に流入した蒸気流に所定波長のレーザ光を照
   射して特定の同位体を選択的にイオン化するレーザ光発
   振装置とを備え、上記回収電極の陰電極に集束する電気
   力線を形成する補助電極を回収電極の蒸気入口側と蒸気
   出口側とにそれぞれ隣設したことを特徴とする同位体分
   離装置。