JPH07170B2 - 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補集する同位体分離装置に
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例えば
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６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の照射を受けた
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、原子の外殻
の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に高精度をもって
一致させる必要がある。

例えばウラン濃度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吸収線の
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た特定の同位体
が再び基底状態に戻る際に発生する蛍光を測定する機構
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適否の判断と調整が可能であり、
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
気流に所定波長を有する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励起し、さらに電離過程を経て
イオン化し、この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、励起された同位体原子
が基底状態に遷移するときに発生する蛍光を検知する蛍
光測定装置を設けたことを特徴とする。

（作用） 上記構成の同位体分離装置において、レーザ光により選
択的に励起された同位体原子はさらに段階的に所定波長
のレーザ光を吸収し電離してイオン化同位体となる。こ
こで励起された原子の一部は時間の経過とともに再び基
底状態に戻る。このとき、原子は吸収したレーザ光の波
長と等しい波長を有する蛍光を発生する。

この蛍光の発生量の多少は生成した励起状態の原子数に
比例するので、この測定値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と
なるように適宜波長を調整すれば、同位体分離装置にお
ける分離効率を常に高く維持することができる。

なお、発生する蛍光量が少ないことは、相対的に蒸気流
中の励起状態にある同位体原子数が少ないことを意味
し、照射しているレーザ光の波長が回収を目的とする同
位体の共鳴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、蛍光の発生量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
維持することができる。ちなみに、蛍光の発生量の感度
に対応して、レーザ光の波長は0.001Å程度の微小精度
で調整することができる。

すなわち、蛍光測定装置によって測定された蛍光の発生
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、また運転中において特定の同位体の励起状態を
直接モニタすることができるため、運転管理が極めて容
易になる。

（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、特に励起された同位体
が基底状態に遷移する際に発生する蛍光を測定する蛍光
測定装置に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てイオン化同
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
一部を蛍光測定装置12に導入するための蒸気孔13が穿設
される。

蛍光測定装置12の具体的構成は、第３図に例示する。す
なわち、蛍光測定装置12は、蒸気流中に発生した蛍光を
検知し集光する蛍光集光器14と、蛍光集光器14で集光さ
れた蛍光を電気信号に変換する光電子増倍管15と、光電
子増倍管15から出力された蛍光発生信号を波形解析する
積分器16と、波形解析結果により照射しているレーザ光
の波長における蛍光発生量の標準値からの偏差を演算
し、レーザ光発振装置17に波長制御信号を出力する波長
制御器18とから構成される。蛍光集光器14と光電子増倍
管15とは光ファイバ19にて接続される。

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。廃品回収電極11に達した蒸気流７の一部は蒸気孔
13を通り、蛍光測定装置12の蛍光集光器14の前面に導入
される。蛍光集光器14の前面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20が照射される。この分
岐レーザ光20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から分岐して得られる。

蒸気流７中の特定の同位体は、分岐レーザ光20の照射に
よって選択的に励起され、第４図に示すようにエネルギ
準位が高い励起状態Eiに達する。また、励起された同位
体原子の一部はある寿命時間が経過すると、もとの基底
状態E₀に遷移する。このとき、同位体原子は吸収したレ
ーザ光の波長に相当する蛍光を発生する。

発生した蛍光は蒸気流７の直角方向に対向して設けた蛍
光集光器14によって検知され集光される。検知された蛍
光は、光ファイバ19によって例えばフォトマル型の光電
子増倍管15に伝送され、ここで電気信号に変換される。
光電子増倍管15から出力された蛍光発生信号23は、例え
ばボックスカー型の積分器16によって波形解析され、解
析結果は波長制御器18に伝送され、波長制御器18は、照
射しているレーザ光の波長における蛍光発生量の標準値
からの偏差を演算し、その偏差を解消する方向に波長を
調整する波長制御信号24をレーザ光発振装置17に出力す
る。

なお、照射したレーザ光９の散乱光が蛍光と共に蛍光集
光器14にて検出されることによって生じる計測誤差を低
減するためにフォトダイオード25を積分器16に接続し、
このフォトダイオード25によってレーザ光９のパルスの
タイミングを積分器16のトリガー信号として入力する
と、レーザ光９の照射時間外における蛍光のみを検出す
ることができる。

すなわち、本実施例の同位体分離装置１によれば、回収
を目的とする特定の同位体の励起状態を蛍光測定装置12
で検出される蛍光量で確認することができる。したがっ
て、、照射しているレーザ光の波長の適否の判断および
波長調整が運転中においても適宜短時間で実施すること
が可能であり、常に最適な運転条件で装置を稼動するこ
とができる。そのため、同位体の分離効率が高く、運転
管理も極めて簡素化される。

次に、他の実施例を第５図に従って説明する。

第５図に示す実施例は、第３図に示す実施例において設
けた１台のレーザ光発振装置17に加え、さらに二次励起
用のレーザ光発振装置17aと電離イオン化用のレーザ光
発振装置17bを装備したものである。同位体原子は３段
階に亘ってそれぞれ波長の異なるレーザ光を照射される
ことによって段階的に励起され、さらに電離イオン化す
るように構成される。また、一次励起用および二次励起
用のレーザ光発振装置17,17aには個別に蛍光測定装置12
が１台ずつ装備される。そして、２台の蛍光測定装置12
によって一次励起段階と二次励起段階の各段階毎の蛍光
発生量が独自に計測されることにより、励起状態にある
同位体原子の発生量が推定され、さらに、各段階で使用
しているレーザ光の波長の適否を個別に判断できる上
に、偏差があれば適正値に調整することが可能である。

本実施例によれば発生する蛍光量の多少を基準にして実
質的にレーザ光の波長の設定を0.001Å程度までの高い
精度で実施することが可能となり、同位体の分離効率を
大幅に向上することができる。

〔発明の効果〕

本発明の同位体分離装置によれば、回収を目的とする特
定の同位体の励起状況に対応して発生する蛍光量を測定
する蛍光測定装置が装備されており、同位体の励起状況
を運転中に確認することができる。したがって、使用し
ているレーザ光の波長の調整を適宜実施することが可能
であり、常に最適な運転条件で装置を稼動することがで
きる。そのため、同位体の分離効率が高く、運転管理が
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図は蛍光測定装置の構成例を示す系統図、
第４図は同位体の原子が蛍光を発生する状態を示す説明
図、第５図は他の実施例を示す系統図、第６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……蛍光測定装置、13……蒸気孔、14……蛍光集光
器、15……光電子倍増管、16……積分器、17,17a,17b…
…レーザ光発振装置、18……波長制御器、19……光ファ
イバ、20……分岐レーザ光、21……部分反射ミラー、22
……全反射ミラー、23……蛍光発生信号、24……波長制
御信号、25……フォトダイオード、Ei……励起状態、E₀
……基底状態。

Claims (3)

【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、この蒸気流に所定波長を有
   するレーザ光を照射して蒸気流中の特定の同位体を選択
   的に励起し、さらに電離過程を経てイオン化し、このイ
   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、励起された同位体原子が基底状態に遷移す
   るときに発生する蛍光を検知する蛍光測定装置を設けた
   ことを特徴とする同位体分離装置。
2. 【請求項２】蛍光測定装置は、蒸気流中に発生した蛍光
   を検知し集光する蛍光集光器と、蛍光集光器で集光され
   た蛍光を電気信号に変換する光電子増倍管と、光電子増
   倍管から出力された蛍光発生信号を波形解析する積分器
   と、波形解析結果により照射しているレーザ光の波長に
   おける蛍光発生量の標準値から偏差を演算し、その偏差
   を解消する方向に波長を調整する波長制御信号をレーザ
   光発振装置に出力する波長制御器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。
3. 【請求項３】蛍光測定装置は、相互に波長の異なるレー
   ザ光を発振する複数のレーザ光発振装置に個別に装備し
   た特許請求の範囲第１項または第２項記載の同位体分離
   装置。