JPH07169B2 - 同位体分離装置 - Google Patents

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、複数種類の同位体を含む金属原料中の特定の
同位体のみをレーザ光によって選択的に励起し、イオン
化した同位体を電気的に分離捕集する同位体分離装置の
改良に関する。

（従来の技術） レーザ光を使用する金属原子の同位体分離装置は、原子
炉用燃料を製造するウラン濃縮工程等において使用され
ている。

第４図は従来のレーザ法による同位体分離装置を概念的
に示す構成図である。同位体分離装置１は、本体をほぼ
真空状態で気密に収容する真空容器２と本体を構成する
各機器とから成り、複数種類の同位体を含む金属原料３
は熱化学的耐性を有する蒸発用るつぼ４に収容されてい
る。

一方、リニア電子銃５から発射された電子ビーム６が、
偏向磁場により偏向されて蒸発用るつぼ４内に収容した
金属原料３に照射される。電子ビーム６の照射を受けて
金属原料３は約2700°Ｋまで加熱され溶融状態を経て蒸
発し、同位体金属の蒸気流７を形成する。蒸気流７はコ
リメータ８によって所定方向に流れるよう案内される。

蒸気流７中には分離回収を目的とする特定の同位体とそ
の他の回収を目的としない同位体および金属原子とが混
在する。次に、この蒸気流７に対して特定の同位体のみ
を選択的に励起するレーザ光９を照射する。ここで、レ
ーザ光９は特定の同位体の共鳴励起エネルギに等しい波
長を有するレーザ光が採用される。励起された特定の同
位体は、さらに段階的にレーザ光を受け、原子の最外殻
電子が放逐されて正電荷を有するイオン化同位体とな
る。

また、蒸気流７の通路には、陽電極と陰電極とを交互に
配設して形成した製品回収電極10が設けられ、イオン化
同位体を含む蒸気流７が、製品回収電極10間に形成され
た電界空間を通過するときに、正電荷を有する特定のイ
オン化同位体のみが陰電極表面に引き寄せられ、製品と
して回収される。

一方、イオン化していない同位体、中性金属原子を含む
蒸気流は電界によって影響を受けずに製品回収電極10間
を通過し、二次側に配設された廃品回収電極11に付着回
収されるように構成されている。

（発明が解決しようとする問題点） 上記構成の同位体分離装置において分離係数を向上させ
るためには、回収を目的とする特定の同位体のみを選択
励起する操作が重要である。したがって、照射するレー
ザ光の波長を特定の同位体の共鳴波長と高精度をもって
一致させる必要がある。

例えば、ウラン濃縮工程に使用するレーザ光源として
は、4000〜6000Åの波長範囲を有する色素レーザが採用
されている。ウラン原子は上記波長範囲に多数の共鳴吸
収線を有するため、上記色素レーザの波長のチューニン
グによって目的とするＵ−235を選択的に励起するレー
ザ光を得ることができる。

しかしながら、最適な運転条件で実装置が運転されてい
るか否かの確認を行なうために、蒸気流に照射されるレ
ーザ光の波長を常時正確に検定することは困難である。
すなわち、一般に同位体の共鳴波長のシフトは0.1Å程
度であるが、同位体原子核の超微細構造による共鳴線の
分裂を考慮すると、レーザ光の波長を適正値に設定する
ためにはさらに細かく0.01Å程度の微細な調整精度が必
要とされる。

しかし、従来の技術では0.01Åまでの測定精度を有する
波長計を同位体分離装置に装備することは困難である。
そのため、レーザ光の波長の適否は、目的とする同位体
の単位時間当りの回収量または回収製品に占める特定の
同位体の含有比率等で判断していた。すなわち、レーザ
光の波長調整の効果の把握に長時間を要し、同位体分離
装置の運転管理が煩雑となる問題点があった。

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、レーザ光の照射によって励起されイオン化した特
定の同位体が蒸気流中に含まれる割合を定量する機構を
設け、その割合の大小によって照射中のレーザ光の波長
の適否を把握できるように構成し、運転中においても、
適宜レーザ光の波長の調整が可能であり、運転管理が容
易で分離効率が高い同位体分離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） 本発明に係る同位体分離装置は、複数種類の同位体を含
む金属原料を加熱蒸発せしめて蒸気流を生成し、この蒸
気流にレーザ光を照射して蒸気流中の特定の同位体を選
択的にイオン化し、イオン化した同位体を電界によって
分離する同位体分離装置において、イオン化した同位体
を定量的に検知するモニタ装置を設けたことを特徴とす
る。

（作用） 上記構成によれば、イオン化した同位体はモニタ装置で
短時間内に定量される。そして、その測定値の計画値か
らの偏差の大小によって照射しているレーザ光の波長が
適正か否かを判断することができる。また、蒸気流全体
に占めるイオン化同位体の割合が最大値を指向するよう
に適宜、波長を調整すれば分離装置における分離効率を
常に高く維持することができる。

なお、イオン化同位体の割合が小さい場合は、レーザ光
の波長が回収を目的とする同位体の吸収線の波長から偏
位していると判断される。この場合は、イオン化同位体
の割合を増加せしめる方向にレーザ光の波長を調整する
ことによって最適な運転状態に復帰させることができ
る。

すなわち、モニタ装置によって検出されたイオン化同位
体の生成量を判断基準にして、レーザ光の波長を適宜、
適正値に調整維持することが可能であるため、同位体の
分離効率が高く、運転管理も極めて容易である。

（実施例） 次に、本発明の一実施例を添付図面を参照して説明す
る。

本発明に係る同位体分離装置は、特にイオン化同位体を
分離し定量するモニタ装置を設けた点に特徴を有し、第
１図および第２図に示すように構成されている。

すなわち、複数の同位体を含む金属原料３を収容した蒸
発用るつぼ４と、金属原料３に対して電子ビーム６を照
射して金属原料３を加熱蒸発せしめ、蒸気流７を生成す
るリニア電子銃５とが真空容器２内の底部に配設され
る。蒸発用るつぼ４の上方には、蒸気流７の流れを所定
方向に案内するコリメータ８が設けられる。コリメータ
８の二次側の蒸気流７通路には、レーザ光９が照射さ
れ、特定の同位体のみが選択的に励起されたイオン化同
位体となる。

また、レーザ光９の照射領域の上方には、蒸気流７の流
れに沿って製品回収電極10と廃品回収電極11とが設けら
れている。製品回収電極10は複数の陽電極と陰電極とを
交互に平行に配設して形成される。

製品回収電極10の二次側に配設された廃品回収電極11の
中央部には、蒸気流７の一部をモニタ装置12に導入する
ための蒸気孔13が穿設される。モニタ装置12は、蒸気孔
13の直上部に設けたイオンレンズ14とこのイオンレンズ
14に対向して設置したマスフィルタ15とから構成され
る。

ここで、イオンレンズ14の詳細構造を第３図を参照して
説明する。

イオンレンズ14は中空円筒状に形成され、その側面半径
方向に蒸気流７が貫通するように蒸気流通過孔16が２箇
所設けられ、また蒸気流７に対して直角方向から照射さ
れる分岐レーザ光17が貫通する分岐レーザ光通過孔18が
２箇所設けられる。また、イオンレンズ14内に導入され
た蒸気流７に分岐レーザ光17が照射されて生成したイオ
ン化同位体19の出口となるイオン化同位体通過孔20がイ
オンレンズ14の軸方向端面に１箇所設けられる。このイ
オン化同位体通過孔20に対向してマスフィルタ15が第１
図に示すように配設される。

上記構成の同位体分離装置においては、複数の同位体を
含む金属原料３を加熱蒸発せしめ蒸気流７を形成した
後、この蒸気流７にレーザ光９を照射することによって
特定の同位体のみが選択励起されイオン化同位体とな
る。イオン化同位体は製品回収電極10に形成された電界
によって所定方向に分離回収される。

一方、イオン化されない中性原子を含む蒸気流７は製品
回収電極10を通過し、廃品回収電極11にて大部分捕集さ
れる。一方、廃品回収電極11に達した蒸気流７の一部は
蒸気孔13および蒸気流通過孔16を経てモニタ装置12のイ
オンレンズ14内に導入される。さらに、イオンレンズ14
内に導入された蒸気流７に対して直角方向から分岐レー
ザ光17が照射される。この分岐レーザ光17は第２図に示
すようにレーザ光９の進路途中に介設した部分反射ミラ
ー21と全反射ミラー22とによってレーザ光９から分岐さ
れる。

イオンレンズ14内に導入された蒸気流７中の特定の同位
体は分岐レーザ光17の照射によって選択的に励起された
イオン化同位体に変化する。イオンレンズ14内で発生し
たイオン化同位体の蒸気流は印加した電場によって、イ
オン化同位体通過孔20方向に集束され、さらにイオン化
同位体通過孔20に対向して設けたマスフィルタ15の入口
に焦点を結ぶ。

マスフィルタ15はイオン化同位体の蒸気中に含まれる成
分の質量分析を実行し、回収を目的とする特定の同位体
の存在比を定量する。すなわち、マスフィルタ15は、イ
オン化同位体に電磁場を作用させて、所定位置に分離捕
集される特定の同位体量を自動的に測定する。その測定
値の計画設計値からの偏差の大小によって照射している
レーザ光９の波長の適否が判断される。すなわち、偏差
が大きい場合は、波長の調整が不充分であり、特定の同
位体の選択励起が少なく、分離効率が低下する。したが
って、分離効率を高めるためには特定のイオン化同位体
量を増加するようにレーザ光９の波長を調整する操作が
必要となる。

すなわち、本実施例の同位体分離装置によれば、回収を
目的とする特定の同位体の電離状況を直接モニタ装置に
よって確認することができる。したがって、レーザ光の
波長調整が運転中に適宜実施することが可能であり、常
に最適な運転条件で稼動することができる。そのため、
同位体の分離効率が高く、運転管理も極めて簡易化され
る。

〔発明の効果〕

本発明に係る同位体分離装置によれば、回収を目的とす
るイオン化同位体の生成量を検知定量するモニタ装置が
装備されており、測定されたイオン化同位体の生成量を
基準にしてレーザ光の波長の適否が短時間で判断するこ
とが可能であり、また波長を適宜適正値に調整すること
が可能であるため、同位体の分離効率が高く、運転管理
も容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る同位体分離装置の一実施例を模式
的に示す横断面図、第２図は第１図におけるII-II矢視
断面図、第３図はイオンレンズの構造を示す斜視図、第
４図は従来の同位体分離装置の構成を模式的に示す横断
面図である。 １……同位体分離装置、２……真空容器、３……金属原
料、４……蒸発用るつぼ、５……リニア電子銃、６……
電子ビーム、７……蒸気流、８……コリメータ、９……
レーザ光、10……製品回収電極、11……廃品回収電極、
12……モニタ装置、13……蒸気孔、14……イオンレン
ズ、15……マスフィルタ、16……蒸気流通過孔、17……
分岐レーザ光、18……分岐レーザ光通過孔、19……イオ
ン化同位体、20……イオン化同位体通過孔、21……部分
反射ミラー、22……全反射ミラー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数種類の同位体を含む金属原料を加熱蒸
   発せしめて蒸気流を生成し、この蒸気流にレーザ光を照
   射して蒸気流中の特定の同位体を選択的にイオン化し、
   イオン化した同位体を電界によって分離する同位体分離
   装置において、イオン化した同位体を定量的に検知する
   モニタ装置を設けたことを特徴とする同位体分離装置。
2. 【請求項２】モニタ装置は、レーザ光および蒸気流のそ
   れぞれ一部を分岐し、相互に接触せしめ、その結果発生
   したイオン化同位体を捕集して集束するイオンレンズ
   と、集束したイオン化同位体の質量分析を実行しイオン
   化同位体の存在比を定量するマスフィルタとから成る特
   許請求の範囲第１項記載の同位体分離装置。