DE2349302A1

DE2349302A1 - Verfahren und vorrichtung zur abtrennung von partikeln innerhalb eines plasmas

Info

Publication number: DE2349302A1
Application number: DE19732349302
Authority: DE
Inventors: George Sargent Janes
Original assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Current assignee: Jersey Nuclear Avco Isotopes Inc
Priority date: 1973-02-02
Filing date: 1973-10-01
Publication date: 1974-08-08
Also published as: JPS49105095A; US3939354A; IL43510A0; SE409951B; NL7315390A; FR2216006B1; ES420107A1; GB1423049A; CA1017075A; IL43510A; AU6174573A; BE807116A; FR2216006A1; CH570193A5

Description

DR. KARL TH. HBGESL · DIPL.-ING. KLAUS DICKEL

PATENTANWÄLTE

~1 2OOO Hamburg 5O

Große Bergstraße 223 Postfach. 5OO6 62 Telefon: (0411) 3962 95

τι οο/Λ Telegramm-Adresse: Doellnerpatent

H 2208

J
Unser Zeichen: Datum 28. SEP. 13· «

Jersey Huclear-Avco Isotopes, Inc.

777 106th. Avenue, N.E., Bellevue, Washington, V.St.A.

• Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Partikeln innerhalb eines Plasmas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung von Partikeln innerhalb eines Plasmas und im besonderen zur Ansammlung wahlweise ionisierter Isotopen zur Isotopenanreicherung.

Nahezu alle Spaltreaktionen, die das Uranisotop Up^_n- verwenden, erfordern eine Konzentration des Up-,,--Isotops, die größer ist als die in dem natürlichen Stadium vorkommende. Der Anreicherungsvorgang, durch welchen die Konzentration von Up,,- in natürlichem oder verbrauchtem Uran bis auf ein gewünschtes Niveau angereichert wird, wurde in der Vergangenheit durch viele Verfahrensweisen erreicht, die im allgemeinen darauf beruhen, daß man ^-z,- von den anderen Uranisotopen, und zwar in der Hauptsache Up^₈» aufgrund von kleinen chemischen Unterschieden

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oder Massendifferenzen abtrennt. Eine Anreicherung nach diesen Verfahrensweisen erfordert oft ein stufenweises Vorgehen unter Verwendung einer Aufeinanderfolge von sich wiederholenden Anwendungen der gleichen Schritte, wobei jeder Schritt zu einem kleinen Anstieg der Konzentration des gewünschten IL-,..,--Isotops führt.

Ein erfolgversprechendes neues Verfahren zur wirtschaftlichen Isotopenanreicherung beruht darauf, daß man einen Urandampf einer pulsierenden Laserstrahlung aussetzt, um ein.Plasma aus selektiv ionisierten U₀_,_c-Atomen su erhalten, und eine Abtrennung der U^t--Ionen aufgrund ihrer elektrischen Ladung ermöglicht. Kennzeichnend hierfür ist, daß die Trennung der sich aus der selektiven Ionisation ergebenden Ionen erreicht wird, indem man sie aus dem Dampf heraus in Richtung auf eine Sammelfläche beschleunigt, was durch eine pulsierende Anwendung von querfeldmagneldynamisehen Beschleunigungskräften auf das Plasma gerade nach seiner Entstehung bei jedem Impuls der Laserstrahlung erfolgt. Bei dem Einsatz dieses Verfahrens stellte sich heraus, daß das Plasma, ein leitendes Medium, mit einem Skineffekt einhergeht, der das Eindringen und dementsprechend die Wirksamkeit der elektrischen Feldkomponente der querfeld-magnethydrodynamischen Beschleunigungskraft verhindert. Außerdem besitzen die Elektronen in dem Plasma eine viel geringere Masse und werden leichter beschleunigt, wodurch sie zu einem beträchtlichen Elektronenstrom beitragen, der sich von dem Ionenstrom der gewünschten Up^-Atome unterscheidet. Der starke Elektronenstrom kann einen Abbau der Elektrode zur Folge haben und zur Erzeugung von beträchtlichen Hall-Spannungen führen, die, wenn sie kurz geschlossen werden, den Wirkungsgrad des Anreicherung» Prozesses verschlechtern.

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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein wirkungsvolles querfeld-magnethydrodynamisches Beschleunigungssystem geschaffen, um die Ionen von einem Plasma abzutrennen, wobei die Wirkung der gewöhnlich mit dem Plasma verbundenen Verschlechterungsfaktoren vermindert wird. Bei diesem System ist eine Vielzahl von Ionentrennungskammern vorgesehen, die einen sich radial ausdehnenden Strom von Urandampf aufnehmen, der selektiv ionisiert wird, um innerhalb einer jeden Kammer ein Plasma zu erzeugen. Innerhalb der Kammern werden auf das Plasma aufeinander senkrecht stehende elektrische und magnetische Felder ausgeübt, wobei auf die Ionen eine Bewegung übertragen wird, die sie getrennten Sammelflächen aus dem expandierenden Strom heraus zuführt. Die eingesetzten Felder besitzen eine solche Struktur, daß die Skineffekt-Probleme vermindert werden, ein hoher Scheinwiderstand für das elektrische Feld entsteht, der zu einer Verringerung des Stromes führt und die Erzeugung von gleichzeitig auftretenden Hall-Spannungsproblemen vermeidet.

Gemäß einer bevorzugten JLusfuhrungsform der Erfindung zur Urananreicherung weist jede Kammer eine geradflächige Elektrode auf, die parallel zum Piasmastrom angeordnet ist. Eine zweite Elektrode, die die Form eines "U" besitzt, umgibt die erste Elektrode auf drei Seiten, während die offene Seite dem sich expandierenden Strom zugewandt ist. Mehrere Kammern sind, nebeneinander in einem Bogen, der den Dampfstrom umgibt, angeordnet, während ein Laserstrahl zwischen den Elektroden hindurch in jede Kammer gerichtet wird, um die Up^-Uranisotope in dem Dampf zu ionisieren. Ein axial- oder längsgerichtetes magnetisches Feld wird in dem Bereich zwischen den Elektroden erzeugt, wäh-

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rend ein elektrisches Feld periodisch jeweils .zwischen den beiden Elektroden während eines kurzen Intervalles aufgebaut wird. Unter dem Einfluß des augenblicüichen elektrischen Feldes und des permanenten Gleichstrom-Magnetfeldes werden die Elektronen beschleunigt'und fliegen entlang einer Flughahn, die die erste Elektrode umkreist, während die Ionen, die eine um mehrere Potenzen höhere Masse haben als die der Elektronen, auf eine der Elektroden zu beschleunigt werden, wo sie gesammelt werden. Der Radius der Kreisbewegung für ein Uranion in dem magnetischen Feld ist sehr viel größer als der Radius der Kreisbewegung für ein Elektron, und die Flugbahn des ersteren erscheint nahezu als Gerade, während der Weg der Elektronen so ausgebildet werden kann, daß er innerhalb der Kammer in sich selbst übergeht.

Da die Elektronen veranlaßt werden, sich auf einer Umlaufbahn zu bewegen anstatt einen elektrischen Strom zwischen den Elektroden zu bilden, wird der Scheinwiderstand für die beiden Elektroden wesentlich erhöht, wodurch nicht nur der den Elektroden zuzuführende Strom vermindert wird, sondern auch der Skineffekt des Plasmas erniedrigt wird, wodurch die Durchdringung des pulsierenden elektrischen Feldes zwischen den Elektroden verbessert wird. Da die Elektronen innerhalb einer jeden Kammer auf geschlossenen Bahnen umlaufen, wechseln die Hall-Spannungen, die mit dem Elektronenstrom in dem magnetischen Feld einhergehen, in ihrer Richtung z\fischen jeder Elektrode ab und stauen sich nicht zu einem großen Potential auf, was zu einer Verschlechterung der Durchführung des Anreicherungsverfahrens führen könnte.

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Die nicht "beschleunigten Partikel in dem Dampfstrom bewegen sich weiter auf einer Flugbahn in Richtung auf eine getrennte Sammelplatte, wo sie periodisch entfernt werden können.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigt im einzelnen:

Pig. Λ eine grafische Darstellung des Energieniveaus zur Erläuterung des Anreicherungsvorgaqg es nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung der erfindungsgemäßen Anreicherungsvorrichtung,

Fig. 3 einen Teilschnitt durch die Vorrichtung des Gerätes gemäß Fig. 2, der den Aufbau der erfindungsgemäßen Ionentrennkammern erläutert und

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Kammer der Vorrichtung gemäß Fig. 3 in größerem Maßstabe.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Abtrennung von beladenen Partikeln elementarer, molekularer oder einer anderen Form aus einer im allgemeinen neutralen Umgebung, in welcher sich Partikel beider Ladungspolaritäten mit einem unterschiedlichen Verhältnis von Masse zu Ladung befinden. Bei dem Verfahren werden sich deutlich unterscheidende Flugbahnen für die Partikel einer jeden Ladungspolarität erzeugt.

Man versteht die Erfindung am besten, wenn man sie anhand des Anreicherungssystems erläutert, auf welches sie'bevorzugt angewendet xtfird, nämlich um Up,,--Isotope des Urans von den anderen Bestandteilen des natürlich vorkommenden oder verbrauchten

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Elementes abzutrennen und zu sammeln. Bei der Durchführung dieser Anreicherung wird ein Urandampf erzeugt und durch einen Bereich periodisch zur Wirkung kommender Strahlungsenergie innerhalb eines Laserstrahles mit einer oder mehr Strahlungsfrequenzen geleitet, um eine selektive Ionisierung des gewünschten Up^i--Isotopes zu erzeugen. Die typischen Energieschritte bei der selektiven Ionisierung des U,-,^^-Isotopes werden in Fig. 1 erläutert. Dabei geht man in zwei Energieschritten 12 und 14 vor, xrobei zunächst eine selektive Erregung des U_0:zI--Atoms auf ein mittleres Energieniveau erzeugt wird, wäh-

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rend anschließend die Ionisierung des erregten Atoms von dem Uiveau 16 bis oberhalb des Ionisationsenergieniveaus 18 erfolgt.

Der kurz anhand der Figur 1 erläuterte Vorgang führt dazu, daß das Plasma zusätzlich zu neutralen Atomen eine Anzahl von Elektronen und entsprechenden Ionen enthält, von denen ein größerer Teil Up₃,,--Isotope sind im Vergleich zu dem Anteil in neutralem Stadium. Die Ladnng,die von den ionisierten Up-.^-Atomen getragen wird, verleiht diesen eine außergewöhnliche Eigenschaft, durch welche sie von dem Eest des Plasmas abgetrennt werden können. Zum besseren Verständnis des Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung dieser Abtrennung ist es zweckmäßig, das Gesamtanreicherungssystem zu beschrieben, bei xirelchem sie durchgeführt wird. Es handelt sich hierbei um ein Anreicherungssysteiflj wie es in dem französischen Patent Nr. 71*14007, das am 10« Januar 1972 erteilt wurde, beschrieben ist (Veröffentlichung Nr. 2 094 967). Ein ähnliches System, das gemäß der Erfindung abgeändert wurde, wird in Fig. 2 dargestellt.

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Die Figur 2 zeigt ein Lasersystem 50 mit einem Lasermedium 32 > bei welchem es sich üblicherweise um eine Lösung einer Laserfarbe handeln kann. Das Lasermedium 32 wird mit Hilfe einer Erregerquelle 34, hei welcher es sich üblicherweise um eine Blitzleuchte oder einen anderen Laser handelt, bis in das Laserstadium gepumpt oder erregt. Die Strahlungsfrequenz des Lasermediums 32 wird mittels eines Systems 36 angestimmt, während ein Zeitgebersystem 38 jeweils einen Impuls des Strahles 40 einleitet. Zur gewünschten Verstärkung des Strahles 40 können ein oder mehrere Verstärkerschritte vorgesehen sein. Bei dem Lasersystem 30 kann es sich um ein "Dial-A^-Line"-Laser der Avco Everett Research Laboratory, Everett, Massachusetts, handeln, wie es allgemein in dem amerikanischen Patent 3 684 979 beschrieben ist. Die zeitliche Ausdehnung des Strahles 40 wird durch die Eigenschaften des Lasersystems und des Lasermediums bestimmt, wie hinreichend bekannt ist. Üblicherweise beträgt die Laserimpulsdauer einen Bruchteil einer Mikrosekunde.

Der Strahl 40 wird mit einem Strahl 42 eines zweiten Lasersystems 44 vereinigt. Ein dichroischer Spiegel 46 wird in einer herkömmlichen Weise verwendet, um die Strahlen 40 und 42 in einem zusammengesetzten Strahl 48 zu vereinigen.

Das Zeitgebersystem 38 in dem Lasersystem 30 und das entsprechende Zeitgebersystem in dem Lasersystem 44 werden durch einen Zeitgeber 50 im Gleichschritt gehalten, wobei der Zeitgeber 50 auch noch andere Signale in dem System zur Verfugung stellt, wie ΐ/eiter unten beschrieben werden soll.

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Der Strahl 48 tritt in die Kammer 52 durch ein Fenster 54 ein, das aus einem Quarzkristall bestehen kann und das sich über ein Eohr 56 in die Kammer 52 hineinerstrecken kann, um die Verschmutzung durch den Dampf innerhalb der Kammer 52 zu vermindern. Der Strahl 48 durchläuft die Kammer 52 der Länge nach und verläßt diese durch ein ähnliches Fenster 58 und ein Eohr 60 zur nachfolgenden Verwendung in einer oder mehreren Kammern durch, ein Fenster 62 innerhalb eines Eohres 64, um die Energie des Strahles 48 so weit wie möglich auszunutzen. Die Kammer 52 wird mit Hilfe eines Vakuumsystems 66 und einer Leitung 68 unter einem niedrigen Druck gehalten, um ein Stören des selektiven Ionisations- und Sammlungsvorganges innerhalb der Kammer 52 durch chemische Eeaktionen oder Partikelkollisionen durch fremde Elemente zu vermeiden.

Innerhalb der Kammer 52 ist eine Urandampf quelle 70 vorgesehen, um den sich radial expandierenden Urandampfstrom zu erzeugen. Der Dampf expandiert in einen Uranionenkollektor 72, wo er periodisch von dem Laserstrahl 48 aus der entsprechenden Laserquelle angestrahlt wird, um die selektive Ionisation des gewünschten Up.,[--Isotops in dem Dampf zu bewirken. Im Anschluß an die Ionisation betätigt der Zeitgeber 50 eine Spannungsimpulsquelle 74, um innerhalb des Ionenseparators 72 ein elektrisches Feld während einer kurzen Zeitdauer zu erzeugen. Entsprechende Magnetfeldspulen 78, 80 und 82 werden durch eine Magnetfeldquelle 84 erregt, um ein G-leichstrommagnetfeld parallel zu dem Laserstrahl 48 durch den Ionenkollektor 72 hindurch zu erzeugen, das mit dem elektrischen Feldimpuls nach den querfeldmagnethydrodynamischen Beschleunigerprinzipien zusammenwirkt.

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In Fig. 3 ist; der innere Aufbau der Kammer 52 deutlicher dargestellt. Zur Dampfquelle 70 gehört ein Tiegel 86 mit Kühlleitungen 88 durch dessen Wände, die mit einem Kühlkreislauf 90 in Verbindung stehen, um eine zu hohe Temperatur innerhalb des Tiegels 86 zu vermeiden. Der Tiegel enthält eine Uranmetallmenge 92 in einem Trog, der im wesentlichen über die ganze Länge der Kammer 52 parallel zum Strahl 48 verläuft.

Eine Leitung 94- läuft längs über die Oberfläche des Urans 92 und wird von einem Elektronenstrahl 96 angestrahlt, der aus einer Elektronenquelle 98 stammt, die üblicherweise aus einer langen, beheizten Wendel 100 als Elektronenquelle und einen Spalt bildenden Seschleunigerplatten 102 besteht. Der Strahl wird auf die Leitung 94- mit Hilfe des elektrischen Feldes 104 von den Spulen 78, 80 und 82 gerichtet. Die Intensität des Strahles 96 wird so eingestellt, daß eine lokale Erhitzung der Leitung 94- derart auftritt, daß das Uran im Bereich der Leitung verdampft wird, wobei ein sich radial expandierender Urandampf entsteht, der von der Leitung weg in Eichtung auf den Uranionenkollektor 72 über einen weiten Winkel gerichtet ist. Der expandierende Urandampf stellt im allgemeinen eine lokaleinheitliche Partikelrichtung dar. Zumindest ein Teil des Urans 92 wird üblicherweise durch die Hitze des Strahles 96 in einem flüssigen Stadium gehalten, wodurch das verdampfte Uran ersetzt wird.

Ber lonenkollektor 72 besitzt eine Anzahl von Teilkammern 106, die in einem Bogen um die Leitung 94- angeordnet sind, um den expandierenden Dampfstrom aufzunehmen. Eine Anzahl von Elektroden 108 ragt von dem zylindrischen Bogen 110 in Eichtung auf die Leitung 94 und begrenzt die Teilkammern 106. Diese

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Elektroden 108 befinden sich in der Ebene des Dampfstromes und erstrecken sich, zusammen mit dem Bogen 110 senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 3. Eine weitere Gruppe von Elektroden 112 befindet sich jeweils zwischen den Elektroden 108 und läuft:', parallel zur Kichtung des Stromes und erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Kammer 52 mit den Elektroden 108. Die Elektroden 112 sind vorgesehen, um einen Kreislauf des Elektronenstromes um die Elektroden 112 in jeder der Kammern 106 zu erzeugen» Die Elektroden 108 und 112 werden normalerweise an ihren Enden gehalten. Die Elektroden 108 sind über eine Zuführungsleitung mit dsr Impulsquelle 74· verbunden und nehmen die Spannungsimpulse auf, die üblicherweise im Bereich von 30 bis 100 Volt liegen, während die Elektroden 112 miteinander in Verbindung stehen und an die andere Ausgangslei— tung der Impulsquelle 74- angeschlossen sind. Die Quelle 74- wird durch ein Zeitgebersystem 50 erregt, und zwar nur für einen kurzen Augenblick, der normalerweise im Bereich von 2 liikroSekunden oder weniger liegt, xvie weiter unten noch näher beschrieber, werden soll.

Um eine Ausleuchtung einer jeden Kammer 106 zu gewährleisten, wird der Laserstrahl 4-8 durch Spiegel 114 und 115, die in Fig.2 dargestellt sind, in der Weise geleitet, daß der Strahl durch mehrfache Reflektionen durch jede Kammer 106 des lonenkollektors 76 geführt wird. Andererseits können auch mehrere Laser™ systeme eingesetzt werden, wobei dann ein besonderer Strahl für jede Kammer 106 zur Verfügung steht»

Bei Betrachtung der Figur 4- werden die Einzelheiten der Wirkungsweise des Ionenkollektors 76 anhand einer einzelnen Kammer

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deutlich, wobei die Mittelelektrode 112 von den Seitenelektroden 108 umgeben ist. Nachdem nun der Laserstrahl in den Bereich zwischen den Elektroden 108 gerichtet ist, existiert dort eine beträchtliche Anzahl von Ionen 120, unter denen sich ein erheblich größerer Anteil von ^.,,--Isotopen des Urans befindet als in dem neutralen Stadium. Außerdem entsteht bei dem lonisationsprozeß eine entsprechende Anzahl von Elektronen 122. Viele neutrale Atome 124- befinden sich ebenfalls in dem Bereich zwischen den Elektroden 108 und umgeben die Elektrode 112. Die gesamte Umgebung in diesem Bereich kann als Plasma angesehen werden.

Direkt im Anschluß an die Ionisation, die mit. Hilfe des Zeitgebers 50 durch den gleichzeitigen Einsatz des Laserstrahls erzeugt wurde, legt der Impulsgeber 7^ eine Spannung zwischen die Elektroden 108 und 112 während eines kurzen Augenblicks. Das magnetische Feld 104 wird in dem Bereich zwischen den Elektroden 108 fortlaufend erzeugt, so daß das Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 108 und 112 eine kurze Beschleunigung der Elektronen 122 in Richtung auf die positive Elektrode 108 bewirkt. Die Elektronen werden .jedoch durch das magnetische Feld 104 abgelenkt und schließlich gezwungen, einem Kreisbogen 126 um die Elektrode 112 auf liniengleichem Potential zwischen den Elektroden 108 und 112 zu folgen. Das Anlegen der Spannung zwischen den Elektroden 108 und 112 führt auch zu einer Bewegung der Ionen 120 in Richtung auf die negative Elektrode 112. Die Stärke des magnetischen Feldes 104, üblicherweise 200 Gauß, und das elektrische Feld zwischen den Elektroden 104 und 108 sind so bestimmt, daß der Bahnradius der Elektronen 122 verhältnismäßig klein ist und eine Kreisbewegung der Elektronen um die Elektrode 112 erreicht werden kann.

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Gleichzeitig ist jedoch der Bahnradius der Ionen 120 infolge ihrer wesentlich höheren Masse oder ihres größeren VerhäSziisses von Masse zu Ladung sehr groß, und die Flugbahn für die Ionen 120 ist daher im wesentlichen eine gerade Linie in Eichtung auf die Sammelelektrode 112. Ein ähnlicher Vorgang kann erreicht werden, wenn man die Polaritäten des Feldes umkehrt. Die Größe der Kammer 106 ist vorzugsweise so gewählt, daß Kollisionen der Ionen 120 mit anderen Partikeln vermindert werden.

Die Dauer des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 108 und 112 ist normalerweise geringer als die Zeit für den Ladungsaastausch eines Ions 120 und eines neutralen Atoms 124-. Die Ionisation eines vorher neutralen Atoms 124 aus der Ladungsaustauschreaktion tritt somit im Anschluß an das Anlegen eines elektrischen Feldes ein, und das unerwünschte Atom 124- wird nicht in Eichtung auf die Sammelelektrode 112 angezogen, sondern fährt fort in der Eichtung der radialen Expansion des Urandampfes in Eichtung auf die rückwärtige Platte 128 auf dem Bogen 110.

Hieraus wird nun deutlich, daß die erzwungene Kreisbewegung der Elektronen 122 auf den Kreisbahnen 126 um die Elektrode 112 deren Fluß in die Elektroden 108 und 112 sowie die Quelle 74-im wesentlichen unterbindet, so daß ein verhältnismäßig hohes Potential an den Elektroden aufrechterhalten werden kann, ohne daß ein bemerkenswert hoher Strom fließt. Diese Beziehung bewirkt einen hohen Scheinwiderstand für die Quelle 74·. Der hohe Scheinwiderstand und der verhältnismäßig niedrige Strom trägt auch zu einer Verlangsamung des Elektrodenabbaues durch den Teilchenaustausch an den Elektrodenoberflächen bei. Dieser hohe

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Scheinwiderstand vermindert oder behebt außerdem Skineffekt-Schwierigkeiten, die eine Durchdringung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 108 und 112, im besonderen in bezug auf die verhältnismäßig kurze Dauer des elektrischen Feldes, verlangsamen würden.

Es leuchtet außerdem ein, daß die Struktur, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, in den Elektrqnenbahnen 126 eine Stromdichte j erzeugt, die der Beziehung ZJX ßfolgt, womit eine andere Beschreibung der Kräfte gegeben wird, die die geladenen Ionen abtrennen. Da die Kreisbewegung der Elektronen in den Bahnen 126 auf jeder Seite der Elektrode 112 einen umgekehrten Stromfluß erzeugt , liegen die Hall-Spannungen, die mit der Beziehung 3 xßeinhergehen, in entgegengesetzten Eichtungen zwischen den Elektroden 108, so daß trotz der Anordnung von vielen Elektroden 108 und 112 in wechselnder Reihenfolge, wie in Figur 3 dargestellt, kein gemeinsames itoiftreten einer großen Hall-Spannung über die Gruppe von Elektroden vorliegt. Derartige Hall-Spannungen könnten den Stromfluß stören und Funkenentladungsprobleme hervorrufen.

Verschiedene zusätzliche Erwägungen können bei der Herstellungdes oben erläuterten Aufbaues in Betracht gezogen werden. Im. besonderen kann es wünschenswert sein, eine Rückführungsleitung für das magnetische Feld 104 außerhalb der Spulen 78, 80 und 82 vorzusehen, indem man Scheiben von hoher Permeabilität an den Enden der Kammer 52 und Schienen mit ähnlichen Charakteristika zur Verbindung der Scheiben außerhalb der Spulen anordnet. Das Material für die Kammer 52, die Dampf quelle 70 und den Ionenkollektor 72 ist vorzugsweise ein solches, das das magnetische

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Feld 104 nicht wesentlich 'beeinträchtigt. Es kann auch erwünscht sein, Sammelplatten für die Ionen und neutralen Partikel von den Elektroden getrennt anzuordnen. Eine Elektronenquelle, wie die Wendel 130 in Fig. 4, kann so ausgebildet sein, daß der geringe Elektronenstrom in dem pulsierenden elektrischen Feld ausgeglichen wird, oder das geschmolzene Uran 92 kann als eine derartige Quelle eingesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Abtrennung von eine Ladung tragenden Partikeln aus einer neutralen Umgebung, die mindestens Partikel enthält, die eine andere Ladung tragen und wobei die Partikel des ersten Ladungstyps und des zweiten Ladungstyps ein unterschiedliches Masse-zu-Ladungsverhältnis haben, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilchen des zweiten Ladungstyps (122) in dieser Umgebung auf im allgemeinen geschlossenen Bahnen (126) führt und die Partikel des ersten Ladungstyps (120) in Richtung auf eine Sammelfläche (112) beschleunigt, wobei sich deren Richtung von der Bahnrichtung der Partikel des zweiten Ladungstyps (122) unterscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dieser Umgebung ein magnetisches Feld aufgebaut wird und ein elektrisches Potential an die Elektroden (108) und (112) angelegt wird, wobei die Partikel des ersten Ladungstyps (120) in Richtung auf eine der Elektroden (112) bewegt werden, während die Partikel des zweiten Ladungstyps (122) um eine der Elektroden (112) in Kreisbahnen herumgeführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgebung durch eine in Bezug auf die Isotopie selektive Ionisation von Urandampf erreicht wird.

4·. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel des ersten Ladungstyps (120) Ionen und die Partikel des zweiten Ladungstyps (122) Elektronen sind.

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5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anlegen eines magnetischen Feldes innerhalb der Umgebung ein elektrisches Feld innerhalb der Umgebung derart erzeugt wird, daß sich die Elektronen (122) auf im wesentlichen geschlossenen Bahnen bewegen, während die Ionen (120) in eine vorbestimmte Richtung beschleunigt werden.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der vorbestimmten Richtung beschleunigten Ionen (120)gesammelt werden.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dampfstrom erzeugt wird, dessen Isotope selektiv ionisiert sind und die Ionen in der Umgebung bilden.

8. Verfahren nach -Anspruch 7j dadurch gekennzeichnet, daß das Isotop das Up-,^-Isotop des Urans ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektronen (122) in der Umgebung aufgefüllt werden.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld durch einen Impuls aufgebaut wird, der endet, bevor wesentliche Ladungsaustauschreaktionen eintreten.

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11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein radial expandierender Dampf mit selektiv ionisierten Partikeln erzeugt wird, der die Plasmaumgebung bildet, während eine Anzahl von Teilkmmern (106) um den sich expandierenden Dampf herum vorgesehen sind, die den Dampf zwischen einer zentralen Elektrode (112) und äußeren Elektroden (108) aufnehmen, worauf ein elektrisches PeId aufgebaut wird, in'dem eine Spannung zwischen die innere Elektrode (112) und die äußeren Elektroden (108) gelegt wird.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld innerhalb des Plasmas in einer vorbestimmten Richtung aufgebaut wird, während das elektrische Feld periodisch zwischen der inneren Elektrode (112) und den äußeren Elektroden (108) erzeugt wird, wobei die Richtung des elektrischen Feldes sich von der Richtung des magnetischen Feldes unterscheidet, worauf, wenn die magnetischen und elektrischen Felder aufgebaut sind, die Elektronen auf geschlossenen Bahnen um die mittlere Elektrode (112) herumgeführt werden, während die Ionen auf einer Bahn in Richtung auf eine der Elektroden (108, 112) beschleunigt werden.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasma als ein im wesentlichen homogener Strom erzeugt wird, dessen Partikel in die Nähe der Elektroden (112, 108) geführt werden, wobei die Richtung des Stromes im wesentlichen sich von der Richtung der Bahn, in welcher die Ionen (120) beschleunigt werden, unterscheidet. 409832/0667

14. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 13, gekennzeichnet durch eine Anordnung zur Beschleunigung der Ionen (120) und der Elektronen (122) des Plasmas in sich unterscheidenden Richtungen, eine Anordnung zur .Ablenkung der beschleunigten Ionen (120) und Elektronen (122) auf gekrümmten Bahnen mit unterschiedlichem Kurvenradius entsprechend dem unterschiedlichen Massezu-Ladungsverhältnis der Ionen (120) und Elektronen (122), sowie eine Anordnung (112) zur Sammlung der beschleunigten Ionen (120).

15· Vorrichtung nach Anspruch i4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Beschleunigung der Partikel (120, 122) ein pulsierendes, elektrisches Feld im Bereich der Umgebung ist, während die Anordnung zur Ablenkung der Partikel (120, 122) ein magnetisches Feld ist, das senkrecht auf dem elektrischen Feld steht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zur Beschleunigung der Partikel (120, 122) eine mittlere Elektrode (112) sowie eine zweite Elektrode (108) aufweist, die die mittlere Elektrode (112) zumindest teilweise umgreift, während zur Erzeugung eines elektrischen Signalimpulses zwischen den Elektroden (108, 112) ein Impulsgeber (74) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsgenerator (74) so ausgebildet ist, daß er einen Impuls von so geringer zeitlicher Ausdehnung abzugeben vermag, daß die Ionen (120) beschleunigt werden, ohne daß eine

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Beschleunigung der geladenen Partikel, die von Ladungsaustauschreaktionen mit den Ionen (120) stammen, eintritt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anordnung (100, 130) zum Auffüllen der Elektronen (122) vorgesehen ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung einer wesentlichen Partikelkollision in der Bahn der Ionen (120) eine Anordnung (112) zum Sammeln der Ionen (120) vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung "(70) zur Erzeugung eines sich radial expandierenden Dampfes eines mehrere Isotopen enthaltenden Materials vorgesehen ist, sowie eine Anordnung zur selektiven Ionisierung eines Isotops des expandierenden Dampfes zur Erzeugung der Partikel (120) des ersten Ladungstyps und der Partikel (122) des zweiten Ladung styps.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampf aus Uran besteht, während mittels der Vorrichtung zur selektiven Ionisierung das Uranisotop Up,;- ohne eine Ionisierung des Uranisotops Up^₈ ionisierbar ist, wobei die Partikel (120) des ersten Ladungstyps Ionen des Uranisotops U _o-,_c enthalten.

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22. Torrichtung nach den Ansprüchen 14· "bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Elektroden (108, 112) über einen weiten Winkel oberhalb der Vorrichtung (70) zur Erzeugung des Dampfes zur Aufnahme des Dampfes zwischen den Elektroden (108, 112) vorgesehen ist.

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