Brevet FR2275247A1 — publié le 19760116

La presente invention concerne un procédé de séparation isotopique applicable à un très grand nombre d'isotopes dans des conditions économiques Il existe de nombreux procédés de séparation isotopique mais ceux-ci sont coûteux principalement pour les raisons suivantes Les différences de propriétés physiques utilisées sont en général très faibles et ne permettent que la mise en oeuvre de procédés très peu sélee- tifs qui nécessitent de nombreux recyclages, c'est le cas de la diffusion gazeuse par exemple, ou la mise en oeuvre d'appareils cohteux, délicats et d'un rendement énergétique médiocre, c'est le cas de la séparation électromagnétique par exemple La dépense d'énergie, nécessaire à l'application de ces procédés est du même ordre de grandeur pour tous les isotopes du mélange .Ainsi, lorsque l'on veut extraire un isotope utile d'un mélange naturel où il se trouve en proportion très faible, la consommation d'énergie, ramenée à l'unité de masse de cet isotope, peut atteindre des niveaux très élevés . C'est le cas du procédé de fabrication du deutérium par électrolyse de l'eau naturelle par exemple Le procédé suivant l'invention évite ou réduit ces inconvénients .Il utilise, en effet, un phénomène qui peut être très sélectif et qui est celui de l'absorption de certaines radiations par des atomes ou des molécules Â la suite de cette absorption, ces atomes ou molécules s'ionisent facilement et peuvent alors être séparés par l'action d'un champ électrique Â cette bonne sélectivité, s'ajoute le fait qu'il n'est pas nécessaire de dépenser l'énergie d'ionisation à égalité sur tous les isotopes . Au contraire, cette ionisation n'est souhaitable que pour une des fractions, préférentiellement minoritaire, des isotopes à séparer i Afin de décrire l'invention sous une forme aussi concise que possible, nous allons définir, en les mettant entre guillemets, des expressions condensées que nous utiliserons dans le présent texte .Ses définitions se réfèrent également à des variantes de réalisation qui resteront ainsi implicites dans le reste de la description Les isotopes à séparer pourront être introduits dans le dispositif suivant l'invention à Itétat atomique ou moléculaire en combinaison ou non avec d'autres éléments . Les atomes des isotopes à séparer, que nous appellerons "atomes isotopiques", ou les molécules contenant ces atomes, pourront betre mélangés à d'autres espèces chimiques telles que des solvants ou des gaz inertes . Dans tous les cas, nous appellerons cette préparation "mélange isotopique" . Nous appellerons "isotopes" soit les atomes isotopiques euxmêmes soit les molécules contenant ces atomes .Cette convention de langage fait ainsi abstraction de tous les éléments autres que ceux dont les isotopes sont à séparer Le mélange isotopique pourra contenir plus de deux isotopes différents du même élément et la séparation #ourra se faire en plus de deux fractions On désignera ces différentes fractions, ou groupes d'isotopes que l'on cherche à séparer, par "isotopes A","isotopes 13","isotopes C" etc... Pour simplifier ltesposé; mais sans que cela ait un caractère limitatif, les descriptions ci-après se limiteront, sauf mention du contraire, au cas de deux isotopes seulement, désignés par A et B .L'isotope A sera celui dont ltio- nisation est favorisée par la radiation utilisée Les radiations utilisées pour favoriser sélectivement l'ionisation de certains isotopes seront appelées "radiations sélectives" . La zone où les isotopes ionisés sont séparés des autres sous l'action du champ électrique stappellera"zône de séparation" D'assez nombreux phénomènes tendent à égaliser les taux d'ionisation de tous les isotopes, ce sont notamment l'effet ionisant de certains solvants sur certaines molécules, le rayonnement thermique, les collisions entre mo-;. lécules, atomes, électrons, ions etc. ainsi qutéventuellement des fractions non sélectives des radiations utilisées, des séquelles d'opérations de préparation du mélange isotopique etc. Tous ces effets, qui tendent a réduire la sélectivité de l'ionisation seront regroupés sous le nom d"'effets de fond" Sous l'influence des radiations sélectives et des effets de fond, les isotopes sont tantôt ionisés, tantôt plus ou moins excités, suivant des processus obéissant à des lois aléatoires complexes variables dans l'espace et même dans le temps pour les modes de fonctionnement impulsionnels décrits plus loin .D'une façon très simplifiée, mais suffisante pour comprendre le mécanisme du procédé suivant l'invention, on peut considérer qu'au cours de son passage dans la zône de séparation, chaque isotope sera effectivement ionisé pendant une proportion p du temps dépendant de sa nature et on pourra évaluer approximativement l'influence du champ électrique sur cet isotope en admettant que ce dernier se comporte comme s'il avait une charge électrique égale à type e étant la charge de l'électron et le signe étant celui de l'ionisation .On désignera par npAnsnpB2l etc, ces proportions p ou prob bilités (moyennes) d'ionisation pour les isotopes As B etc.; Compte tenu de ces conventions de langage, on peut définir d'une façon générale le procédé suivant l'invention .Ce procédé consiste à: 10) Préparer le mélange isotopique en le mettant sous une forme physicochimique telle - que la -mobilité des isotopes les uns par rapport aux autres soit assurée, ce qui exclut les formes solides, -qu'il existe des radiations sélectives réalisables, -que les effets de fond soient modérés par rapport aux effets de sélecti vité de ces radiations, -que la conductibilité électrique du mélange isotopique, en l'absence des radiations ionisantes soit suffisamment modérée pour que lton puisse établir le champ électrique sans une dépense excessive d'énergie 2 ) Soumettre le mélange isotopique à des radiations sélectives 30) Soumettre le mélange, ainsi irradié, a un champ électrique qui -a pour effet de donner des trajectoires moyennes différentes, ou de provoquer des zônes de concentrations différentes pour les isotopes plus fréquemment ionisés que pour les autres 40) Prélever les isotopes ainsi séparés, soit aux z8nes d'aboutissement de leurs trajectoires respectives, soit aux zônes de renforcement de leurs concentrations respectives Il n'y a pas de frontière quantitative précise pour le respect des conditions auxquelles doit satisfaire le mélange isotopique .Ceci est dans la nature des choses car le procédé suivant l'invention ne cesse pas d'être spplicable mais devient seulement moins efficace si -la mobilité des isotopes décrit, sans évideiment s'annuler comme ce serait le cas pour l'état solide, -la sélectivité de la radiation décrott, sans évidemment s'annuler, -les effets de fond croissent, sans complètement dominer la sélectivité, -la conductivité crotte sans devenir infinie etc... Un des avantages du procédé suivant l'invention est, en effet, de ne pas exiger de conditions de fonctionnement rigoureusess sauf en ce qui concerne les spectres énergétiques des radiations utilisées . Pour mieux préciser cet aspect, il est utile de faire un rapprochement avec le procédé éleotromagnétique de séparation des isotopes, qui présente une analogie avec certaines des réalisations de la présente invention . Dans ce procédé, seul l'écart des masses atomiques est à l'origine des différences de comportement des isotopes, tandis que dans le cas de la présente invention, ces différences résultent des écarts entre les probabilités d'ionisation, c'est à dire entre les charges moyennes apparentes des différents isotopes On sait que le procédé électromagnétique permet de séparer des isotopes dont les masses atomiques ne diffèrent que d'une fraction de pour cent, on conçoit donc que le dispositif suivant l'invention serait encore applicable même si la sélectivité d'ionisation était très faible .Comme, en réalité, le phénomène d'absorption des radiations permet des sélectivités élevées, il permet ainsi des latitudes considérables sur la plupart des autres paramètres Les variantes de réalisation du procédé suivant l'invention sont innom brables, du fait de ces latitudes, du fait de la variété des procédés techniques connus permettant de réaliser les conditions nécessaires, du fait de la variété des degrés de séparation souhaités et surtout du fait de la variété des problèmes de séparation isotopique, chaque élément ayant ses propriétés physiques et chimiques propres qui commandent évidemment des dispositions particulières (températures, pressions, nature des parois utilisables etc...) et ayant plusieurs isotopes susceptibles de former des mélanges en proportions quelconques Nous pensons donc donner au mieux les indications nécessaires à la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, et à son adaptation à tous les cas particuliers, en exposant en détail le mécanisme fondamental sur lequel il repose .Cet exposé permettra à toute personne,disposant des connaissances et dës moyens techniques appropriés, d'utiliser le procédé avec les adaptations nécessaires Les figures ci-après permettront de mieux comprendre ces explications ainsi qu'un certain nombre de modes de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif La figure 1 représente l'évolution de diverses grandeurs, au cours du temps, pour les modes de réalisation dits impulsionnels La figure 2 est un schéma de principe donnant les dispositions essentielles communes à la plupart des dispositifs vivant l'invention La figure 3 représente, en coupe méridienne, un dispositif suivant l'in- vent ion ayant une symétrie de révolution La figure 4 représente, en coupe, un dispositif réalisant la séparation d'un mélange isotopique en trois fractions La figure 5 représente un dispositif, suivant l'invention, que le mélange isotopique traverse en écoulement laminaire La figure 6 représente, vu par en dessus et en coupe, un dispositif de séparation pour mélanges isotopiques liquides De façon à rendre l'exposé plus clair, nous décrirons tout d'abord en détail, le mécanisme fondamental de l'invention dans le cas particulier où le mélange isotopique est un gaz atomique, où la radiation utilisée est Bllecc. tro-magnétique et où on utilise un champ électrique sans lui adjoindre un champ magnétique additionnel . Le mécanisme fondamental ainsi décrit peut se transposer aux autres cas et nous donnerons quelques indications sur ces transpositions L'ionisation d'atomes, initialement à l'état neutre non excité, nécessite un apport d'énergie dé l'extérieur . Cet apport peut se faire en une seule fois, par l'absorbtion d'un seul quantum, dont l'énergie est au moins égale à celle de l'ionisation, ou peut se faire en plusieurs étapes, l'atome passant successivement par un certain nombre d'états excités intermédiaires, le passage d'un état à l'autre étant une "transition" . Ce processus par étapes nécessite quand même l'absorption de quanta d'énergies assez importantes pour la réalisation de certaines transitions, notamment à partir des niveaux énergétiques inférieurs de l'atome .Lorsque de telles transitions, que nous appellerons 11majeures11, ont amené l'atome à un niveau énergétique voisin de l'ionisation, celle-ci peut être atteinte moyennant l'absorption de quanta d'énergies minimes . Au voisinage de l'ionisation, les niveaux énergétiques sont en effet très nombreux et très proches les uns des autres, si bien qu'il suffit de très peu d'énergie pour effectuer les transitions de l'un à l'autre, transitions que nous appellerons "mineures" . La probabilité de l'absorption d'un photon #par un atome n'est jamais nulle, mais est une fonction de la fréquence du photon présentant une série de maxima relativement très hauts et très étroits, au voisinage des valeurs de la fréquence f qui correspondent aux énergies e nécessaires aux transitions que cet atome est susceptible d'exécuter à partir de son état du moment (la correspondance fréquence/énergie étant celle de la relation de Planck e = hf) .On dit que le gaz atomique a un spectre d'absorption de raies, ces raies étant centrées sur de telles valeurs de la fréquence Pour la plupart des corps simples, particulièrement les plus lourds et les plus légers, il se trouve que les raies des spectres atomiques sont distinctes pour des isotopes distincts d'un même élément Ainsi, si l'on irradie un mélange d'atomes isotopiques A et B avec une onde électro-magnétique dont la fréquence corresponde à une raie d1absorp- tion des isotopes A et à aucune des isotopes B, la proportion d'atones A (par rapport à leur nombre total) qui absorbera cette radiation sera consi- dérablement supérieure à la proportion d'atomes B (par rapport à leur nombre total) qui absorbera également cette radiation On peut noter que, la probabilité d'absorption par les isotopes B n'étant jamais complètement nulle, si ceu=-ci sont en très grande majorité dans le mélange isotopique, il se pourra qu'il y ait autant et même plus de photons absorbés par des isotopes B que par des isotopes A . Il n'en restera pas moins que la population des atomes excités par cette absorption sera considérablement enrichie en isotopes À par rapport au mélange initial Cet effet de sélectivité ne peut pratiquement être obtenu que sur les transitions majeures, car les transitions mineures peuvent être provoquées par les effets de fond et, d'autre part, les raies d'absorption correspondant à ces transitions sont dans une région du spectre tellement encombrée que le choix de fréquences réellement -sélectives y devient impossible Il existe plusieurs combinaisons, ou successions de transitions majeures susceptibles d'amener un atome de son état fondamental au voisinage de l'ionisation . A chacune de ces successions de transitions, correspond un ensemble de raies spectrales que nous appellerons "ensemble ionisant" Le spectre de la radiation sélective devra toujours comporter au moins un ensemble ionisant pour l'isotope A, mais néammoins, la répartition de lténer- gie spectrale pourra être assez diverse, en fonction de considérations telles que celles que nous énumérons ci aprbs en négligeant les considérations purement téchnologiques Si l'on vise å obtenir le maximum de sélectivité en un seul cycle, on s'attachera surtout â ce que le spectre de la radiation sélective ne comporte aucun ensemble ionisant pour les isotopes B Si l'on vise à extraire l'isotope A de la façon la plus complète possible quitte à perdre un peu de sélectivité, on donnera à la radiation sélective une très grande puissance dans les ensembles ionisants de A Si l'on vise a l'économie de l'énergie des radiations sélectives (par unité de masse de 11 isotope A séparé) on limitera la puissance ci-dessus â celle susceptible dtêtre presque totalement absorbée par le mélange isotopique .Théoriquement, ce réglage devrait se faire séparément pour chaque raie et même pour chaque partie de la zône de séparation, pratiquement, on se contentera d'un réglage approximatif d'ensemble Si on ne vise qu'à un enrichissement limité d'un mélange contenant une petite proportion de l'isotope As on peut utiliser une radiation dont le spectre a autant d'énergie, et meme plus, sur les ensembles ionisantscde B que sur ceux de As à condition de limiter la puissance comme indiqué ci-dessus . Les isotopes Â et B excités par cette radiation, le seront en gros dans la proportion des énergies concentrées sur les ensembles ionisants A et B .Il faudra évidemment que ce rapport soit supérieur à celui de la con centration initiale de A par rapport å B dans le mélange isotopique, pour que la population excitée soit enrichie en isotopes A Dans tous les cas, l'effet de la radiation sélective sera principalement de provoquer sélectivement des transitions majeures mettant certains isotopes en état de réceptivité pour l'action ionisante complémentaire des effets de fond . Ces effets de fond sont donc utiles, il ne faut pas, cependant, qu'ils puissent provoquer par eux-mêmes, une ionisation importante et non sélective . Ainsi que nous l'avons précisé plus haut, il n'existe pas de limite quantitative précise à respecter-quant à l'importance relative des effets d'ionisation sélectifs et non sélectifs . En dehors de cas extrêmes absurdes, la sélectivité résultante n'en sera que plus ou moins diminuée, ce qui n'empêchera pas l'application du procédé . On ne peut donc donner que des indications générales, valables dans la plupart des cas . Il ne faut pas utiliser de températures supérieures à celles nécessaires pour réaliser les conditions de l'application, par exemple pour vaporiser un mélange isotopique solide à la température ordinaire, pour dissocier un gaz moléculaire etc... Cette simple règle suffira, en générai, à maintenir les effets d'ionisation thermique à un niveau acceptable Il faut aussi réduire les chances de collision avec échange de charge, entre les isotopes ionisés A et les isotopes neutres B dans la zône de séparation . Ceci conduit à utiliser des épaisseurs faibles pour le mélange isotopique dans cette zône et/ou des pressions réduites lorsque celui-ci est gazeux .On peut aussi réduire la densité des isotopes par dilution dans une autre espèce chimique Il ne faut pas utiliser de champs électriques d'intensité supérieure à celle nécessaire pour réaliser une bonne séparation des ions et des molécules neutres . En général, les champs électriques nécessaires sont très inférieurs à ceux susceptibles de créer par cux-memes une ionisation importante, mais ils accélèrent les ionset les électrons formés lors de l'ionisation des isotopes, ou ayant éventuellement d'autres origines, et ces particules sont susceptibles de provoquer des ionisations secondaires non sélectives par collision et transfert de charge . La diminution de sensibilité qui en résulte peut d'ailleurs être réduit par l'utilisation de techniques impul- sionnelles décrites ci-après . En l'absence d'irradiation et de champ électrique l'ionisation non sélective peut donc se maintenir à un niveau relativement faible que nous appellerons niveau de repos . Par contre, dès que l'irradiation sélective commence, le nombre d'isotopes ionisés ou excités croit ainsi, par conséquent, que la fréquence des collisions entre isotopes d'états d'excitation ou d'ionisation différents . Les transferts d'énergie qui en résultent ten, dent à équilibrer la répartition de l'ionisation entre les différents isotopes et s'ajoutent donc aux éffets de fond Cette analyse montre qu'une part de l'ionisation non sélective ne se déclenche qu'après le début de l'irradiation et de l'établissement du champ La sélectivité de l'ionisation, et donc celle de l'action du champ électrique, décroît ainsi après cet instant initial .La technique impulsionnelle, utilisable dans le cadre de la présente invention, consiste à n'utiliser la radiation sélective, et surtout le champ électrique, que par impulsions, c'est à dire pendant des intervalles de temps suffisamment courts pour que la réduction de sélectivité consécutive n'ait pas le temps de se développer complètement et suffisamment espacés entre eux pour que l'ionisation ait le temps de revenir sensiblement à son niveau de repos entre la fin d'une impulsion et le début de la suivante La figure 1 permet de mieux comprendre la façon dont cette technique impulsionnelle est mise en oeuvre .Les quatre graphiques de cette figure ont le temps t comme abscisse horizontale commune . Le graphique supérieur a) représente la variation de l'intensité i de la radiation sélective . Deux des impulsions successives sont représentées, nous considérerons particu lièrement la première qui est comprise entre les instants t0 et tl .Pour simplifier le dessin, la forme de cette impulsion est rectangulaire, c'est à dire que l'intensité de la radiation est supposée constante entre ces deux instants et nulle-de part et d'autre . En fait l'impulsion peut être de forme quelconque et notamment comporter des temps de montée et de descente finis ainsi que d'autres caractères transitoires . Cette remarque est valable pour toutes les autres impulsions représentées sur cette figure Le graphique suivant b) représente l'évolution de la probabilité d'ionisation PA pour les atomes des isotopes A, ou des molécules les contenant (courbe en traits pleins) ainsi que la probabilité p3 pour les isotopes B (courbe en pointillé) Dès le début de l'irradiation, c'est à dire t0, PA crott rapidement sous l'influence de la radiation sélective, tandis que la croissance de p3 ne commence que plus lentement . Dès la fin de l'irradiation, ppl recommence à décroître vers Sa valeur de repos, tandis que PB continue à augmenter un certain temps,sous l'influence des transferts d'énergie ionisante des isotopes A aux isotopes B, puis décrott comme pA lorsqu'il s'en est suffisamment rapproché Le troisième graphique c) représente la variation du champ électrique E On voit que celui-ci est établi dans un intervalle de temps t2 , t3 où le rapport des probabilités pA/pB reste élevé .Sur-Sur l'exemple graphique donné, ce rapport serait de l'ordre de 4 en moyenne, ainsi l'action du champ sur les isotopes À serait-elle environ 4 fois plus forte que sur les isotopes B, ce qui permet une sélection très efficace La différence relative des effets électriques moyens sur ces deux types d'isotopes peut encore être accrue en faisant suivre le champ électrique initial par un champ de sens inverse, ainsi que cela est représenté sur le quatrième graphique d) de la figure 1 . On peut facilement combiner les durées et les intensités de ces champs directs et inverses de manière à annuler les efforts électriques moyens sur les isotopes B ou même à en inverser le sens, sans annuler ni inverser le sens de ces efforts sur les isotopes 8. Ainsi, grâce à ces techniques impulsionnelles, on peut augmenter encore la différence de comportnment des isotopes à séparer sous l'influence du champ électrique Une variante de l'invention consiste à utiliser successivement, à chaque cycle, deux impulsions de radiations sélectives différentes, l'une favorisant 11 ionisation des isotopes A et l'autre celle des isotopes B ces deux irradiations étant accompagnées de champs électriques opposés . Cette variante ne sera pas décrite plus avant ici, il y a d'ailleurs intérêt tant pour l'économie de l'énergie de radiation que pour celle du courant électrique, à limiter l'ionisation sélective aux isotopes minoritaires, lorsque le mélange comporte des proportions sensiblement différentes des fractions à séparer. Dans les descriptions qui vont suivre, nous admettrons pour simplifier que la technique impulsionnelle est utilisée, et ce sous la forme où les déviations moyennes des isotopes B sont annulées, lorsqu'il n'y a que deux groupes A et B à séparer #ous donnons maintenant quelques indications sur la façon dont la description du mécanisme de l'invention est modifiée lorsque le mélange isotopique est moléculaire . Les principales différences sont les suivantes Les fréquences absorbées par les molécules se groupent en bandes et non plus en raies étroites comme dans les spectres atomiques . On trouvera donc des fréquences sélectives aux extrêmités de ces bandes, là où, par suite du décalage isotopique, le recouvrement sera en défaut .Dans certains cas, ces bandes n'auront qu'une seule estrêmité bien délimitée, il pourra alors être impossible de choisir arbitrairement celui des isotopes qui sera ionisé préférentiellement . Il importe de souligner que les bandes d'absorption ont en réalité une structure fine de raies si bien qu'il reste possible de trouver des fréquences sélectives dans des parties communes aux bandes d'absorption de A et B .Il faudra alors que le mélange isotopique soit traité à une température modérée, de façon-à ce que la structure fine ne soit pas trop estompée par les effets thermiques et il sera nécessaire d'utiliser une radiation presque monochromatique, telles que peuvent en produire les lasers par exemple L'ionisation d'une molécule est susceptible de plus de variation que celle d'un atome, il apparaîtra le plus souvent deux ions positifs et négatifs quia auprès neutralisation, deviendront des espèces chimiques nouvelles ou en créeront par réaction avec les électrodes, le solvant, etc. . En bref on rencontrera tous les phénomenes caractéristiques de l'électrolyse . En fait, lorsque le mélange isotopique est liquidé le dispositif suivant l'invention est très analogue à une cuve d'électrolyses ainsinque le montrera un des exemples ci-après Les isotopes ionisés pourront être positifs ou négatifs, ce qui commandera évidemment la polarité' du champ électrique utilisé Après ces indications générales, nous donnons quelques exemples de réa- lisation du dispositif suivant l'invention La figure 2 est une représentation, schématisée au maximum de la zône de séparation du dispositif . Cette zône se présente,d'une façon générale, comme un conduit ou canal 1 limité par des parois 2 et 3 .Le mélange isotopique est introduit en 4, à une des extrémités de ce conduit qu'il parcourt de haut en bas, sur la figure . Il y est soumis à un champ électrique horizontal et dans le plan de la figure, ainsi qu'à des radiations sélectives de direction quelconque Les fractions du mélange isotopique non déviées sont extraites en 5 . Les fractions déviées peuvent être extraites soit en 6 (ou en 7 suivant le sens de la déviation) si la paroi 2 (ou 3) est une électrode sur laquelle ces fractions sont venues se neutraliser et éventuellement réagir chimiquement, soit à travers les parois 2 (ou 3), qui doivent alors être perméables .Dans ce dernier cas, les électrodes peuvent être ces parois elles-m#mes, nous les appellerons alors des grilles, ou peuvent être situées derrière ces parois que les fractions séparées traversent alors sous forme d'ions Ces dispositions d'ensemble pourront être reconnues dans les exemples ciaprès . Cette présentation simplifiée permet de donner facilement quelques indications sur le principe de calcul de quelques ordres de grandeur L'intensité du champ électrique doit être suffisante pour que les ions dérivent au moins d'une quantité de l'ordre de la largeur d de la zône de séparation pendant que le mélange parcours celle-ci sur sa longueur L avec une vitesse moyenne V . La vitesse de dérive moyenne due au champ doit donc être au moins de l'ordre de grandeur de Vd/L .Cette vitesse v peut s'éva- luer compte tenu du coefficient de mobilité des ions, de leur probabilité d'ionisation de la valeur du champ et du pourcentage de temps pendant lequel il est établi lorsque le fonctionnement est impulsionnel Dans ce dernier cas, de façon uniformiser le plus possible la répirti- tion des ionisations sur les isotopes As il y aura intérOt à ce que la p~- riode T de récurrence des impulsions soit plusieurs fois plus faible que la durée de parcours LA du mélange dans la zône de séparation La largeur d, pour le fbnotionnement continu, ou la distance transversale vT parcourue pendant un cycle d'impulsion, ne doit pas être grande par rapport au libre parcours moyen des ions entre collisions avec transfert de charge (transfert non résonnant) . D'autres considérations, relatives au choix des durées d'impulsions et de leurs intervalles ont été exposées plus haut avec l'aide de la figure 1 D'une façon générale, les paramètres essentiels (vitesses, dimensions, durées etc...) ne pourront être évaluées qu'en ordre de grandeur par des formules simples telles que ci-dessus . En vue de la réalisation d'instal lations industrielles, il sera donc nécessaire de procéder à des calculs complets, ou à défaut de réaliser des installations pilotes permettant le réglage optimum de tous les paramètres, en fonction des objectifs fixés Cette remarque est également valable en ce qui concerne le calcul des sous Ces de radiation exposé plus loin La figure 3 montre un exemple de réalisation d'une zane de séparation suivant l'invention .Le dispositif représenté est de révolution autour de l'axe I-II, ce qui permet une bonne utilisation du rayonnement de la source 10 de radiation sélective dont l'agencement sera décrit plus loin . Le mélange isotopique gazeux est introduit dans la zane de séparation par une tuyère annulaire multicapillaire 11, par exemple, en provenance d'un four destiné à dissocier les molécules en atomes . La pression ambiante dans la zone de séparation est très inférieure à celle règnant à l'amont de la tuyère, les isotopes sont donc introduits avec des vitesses de l'ordre de grandeur thermique .Le champ électrique est créé par deux électrodes, la grille 12 disposée pour laisser passer facilement les isotopes déviés, et la grille 13 disposée pour offrir un obstacle minibus aux radiations sélectivea Les polarités de ces grilles sont faciles à déterminer, par exemple, pour un gaz atomique, la grille 12 est l'électrode négative Les isotopes non déviés sont prélevés en 14 par pompage, condensation, etc... 1 1ouverture annulaire 14 est prévue nettement plus large que la tuyère 11 pour tenir compte de l'épanouissement naturel du faisceau créé par celle-ci .Les isotopes ionisés et déviés sont neutralisés par la grille 12 puis ils sont évacués en 15 La figure 4 montre un exemple de réalisation où trois isotopes ASB et C sont à séparer en un seul cycle . Pour réaliser la finesse de séparation nécessaire, il y a intérêt à utiliser un faisceau isotopique mieux dirigé que ce que l'on peut obtenir avec une tuyère . On peut produire un tel iaie ceau en accélèrant les isotopes, préalablement ionisés, par un champ électrique puis en les désionisant avant leur introduction dans le dispositif Ceci est supposé être le cas dans la figure 4 où le mélange isotopique est introduit en 21 à travers une grille de désionisation .Si celle-ci n'est pas complète, il en résulte seulement un effet de fond supplémentaire L'isotope C est supposé très largement majoritaire dans le mélange initial, on cherchera donc à ioniser préférentiellement les isotopes A et B Pour séparer ces deux derniers, on peut utiliser deux techniques . La première est d'utiliser, en mode impulsionnel, une radiation sélective où plus d'énergie est concentrée sur les ensembles ionisants de B que sur ceux de A (par exemple) .Les probabilités p3 seront ainsi supérieures aux probabilités PA et les isotopes B seront plus déviés que les isotopes A La deuxième technique consiste à soumettre successivement le mélange isotopique aux ensembles ionisants de B puis à ceux de A . Ces isotopes se séparent alors du faisceau initial en deux zônes de séparation successives C'est cette solution qui est représentée sur la figure 4 où on a également illustré une des possibilités d'ajustement de la sélectivité de la ra~ diation utilisée . Pour cela, nous avons supposé que les raies spectrales des isotopes A B et C étaient décalées dans cet ordre, les raies de C avant la fréquence la plus élevée et celles de s la fréquence la plus basse . La vitesse d'introduction du mélange isotopique est alors réglée à la valeur correspondant à un décalage Doppler égal à celui existant entre les principaux ensembles ionisants de A et de C La source de radiations sélectives est une décharge gazeuse en 20, ou le mélange isotopique se trouve à très basse pression et sensiblement dans ses proportions initiales .La radiation ainsi créée contient donc surtout les ensembles ionisants de C mais, par suite de l'effet Doppler, éux-ci deviennent des ensembles ionisants de B dans la zône 25,d'où les isotopes B se séparent, et des ensembles ionisants de A dans la zone 27, d'où les isotopes A se séparent . Les grilles 22 et 23 jouent le ême roule que les grilles 12 et 13 dans l'exemple précédent .Les fractions Â,B et C sont respectivoient prélevées en 28, 26 et 24 Il est nécessaire que la pression ambiante soit suffiniient faible pour que les radiations ne soient pas réabsorbées sur leurs trajets 20 à 25 et 20 à 27, ce mode de réalisation nécessitera donc des vides poussEs La figure 5 montre en coupe un dispositif de séparation isotopique suivant l'invention fonctionnant à des pressions plus élevées et à des vitesses d'écoulement plus faibles que les dispositifs précédents . Le mélange isotopique est introduit en 31 dans la zône de séparation, qui est comprise entre les deux plaques planes 32 et 33.L'écoulement se fait snffisarnent lentement, de l'entrée 31 aux sorties 34 et 36 pour que le régime soit lsmi- naire ou très faiblement turbulent La face supérieure de la plaque 32 est conductrice et constitue une des électrodes, celle vers laquelle sont attirés les isotopes ionisés . L'autre électrode est constituée par des fils métalliques encastrés dans la face in férieure de la plaque 33 de façon à ce que cette face reste aussi lisse que possible . Cette plaque elle-meme est faite d'un matériau transparent pour les radiations utilisées . Celles-ci sont produites par une lampe 30 située sous un plafond réfléchissant 39 Les isotopes A sont recueillis en 36 et les isotopes B en 34 . La figure montre,à titre d'exemple, un des modes possibles d'organisation de la cir culation des isotopes, le mélange initial est produit par vaporisation d'un mélange isOtopique liquéfié, et les parties séparées sont recueillies par condensation à une température plus basse .Un gaz chaud transparent peut être utilisé pour réchauffer la face supérieure de la plaque 33 et ainsi éviter la condensation sur sa face inférieure La figure 6 montre, en vue par en dessus et en coupe verticale, une réalisation du dispositif dans le cas où le mélange isotopique utilisé est un liquide très peu ionisé à la température de fonctionnement et dont l'élec- trolyse donne deux dégagements gazeux Le dispositif, très analogue à une cuve d'électrolyse, se présente sous la forme d'une cuve allongée dont seul un segment est représenté sur la figure 6 a) . Elle est divisée sur toute sa longueur par deux parois poreuses 42 et 43 qui délimitent entre elles la z8ne de séparation . BeLe mélange iso- topique parcourt cette zone de 41 à 44 .Les zones latérales sont divisées en cellules par des parois transversales 48 destinées à y empêcher une circulation d'ensemble et à permettre ltégalisatpon des pressions hydrostati- ques de part et d'autre des parois poreuses Des conduites 47 permettent de prélever du liquide isotopique enrichi dans certaines cellules et d'y maintenir le niveau à égalité avec celui de la zone de séparation en regard La radiation sélective irradie la zône de séparation par exemple par la partie supérieure, moyennant une collimation convenable . Les cellules latérales contiennent les électrodes, positives d'un coté et négatives de l'autre et les gaz résultant de l'électrolyse sont prélevés au dessus des surfaces libres dans les compartiments latéraux par les conduites 45 et 46 Dans un liquide, la densité des molécules est très grande et les probabilités d'échanges de charge, combinés ou non à des réactions chimiques sont très élevées . Il y aura donc en général intérêt à ce que la eône de séparation soit aussi étroite que possible, compte tenu des tolérances d'usinage et de montage des faces en regard des parois 42 et 43 .Il faut en effet que les variations#d'épaisseur de la zane de mélange, dues å des défauts de planéité des parois, soient faibles en valeur relative pour ne pas perturber I t écoulement laminaire C'est dans le cadre de cet exemple de réalisation que nous allons exami- ner quelques problèmes types liés à l'utilisation de mélanges isotopiques moléculaires . Supposons que cette réalisation du dispositif s'appliqueà un mélange isotopique dont les moléculés auraient des formules telles que:: BXB et ÂXB A et B désignant deux isotopes d'un meme élément et x un radical . zones admettrons que À est beaucoup moins abondant que B et que les molécules ÂXÂ sont en proportion négligeable Supposons, tout d'abord, que l'on utilise une radiation sélective qui fa brise l'ionisation des molécules mixtes, indifféremment sous les formes:: AXB - A + XB et AXB - B+ XA en négligeant, pour simplifier, tous les effets de fond, il passera vers la cathode un mélange à parts égales d'ions A et B+ et vers l'anode un mélange à parts égales dxions 13 et XA .Nous admettrons que, après neutralisation sur les électrodes, les atomes A et B se dégagent sous forme gazeuse et que les radicaux XA et 13 se combinent sous une des formes XA + XB -AXB + X S XA+XA - AXA + X s XB + 13 - BXB +X la molécule ou l'atome X se dégageant sous forme gazeuse Dans un cas réel, les réaction pourront être beaucoup plus complexes et impliquer la formation d'ions ou de molécules intermédiaires ainsi que des échanges de charge entre ions et molécules neutres .Pour simplifier lten- posé tout en conservant un aspect essentiel, nous nous limiterons à introduire de tels échanges de charge sous les formes simples 5 A + BXB - B+ + AXB et lA + BXB - X3 + AZB Lorsque de telles réactions interviennent dans la zône de séparation, elles réduisent la sélectivité et font partie des effets de fond .C'est pourquoi cette zône doit être aussi étroite que possible . De telles réactions se produisent aussi dans les zones latérales, mais comme le liquide ne s'y renouvelle que très lentement, les concentrations en isotopes A y crot- tront jusqu'a ce que l'équilibre soit rétabli entre réactions opposées Ainsi, après un certain temps de fonctionnement, les ions atteignant les électrodes auront pratiquement la même répartition isotopique que ceux traversant les parois poreuses .Dans l'exemple que nous venons de développer, on extraira d'une part une fraction gazeuse à la cathode et d'autre part une fraction liquide à l'anode, l'enrichissement de ces deux fractions en isotope À ne pourra pas dépasser 5 4 et sera même inférieur du fait des ef fets de fond . Cette limite théorique n'existe évidemment plus si l'on utilise une radiation sélective quine favorise qu'une des décompositions ioniques de la molécule A13, ou si les molécules du mélange ne contiennent qu'un seul atome isotopique . Dans ces derniers cas la présence d'une paroi poreuse et de cellules latérales ne sera utile que du coté où l'on recueillera la fraction enrichie en isotope A Quelque soit le mode de réalisation choisi pour l'invention, des dispositifs connus permettent de produire les radiations sélectives nécessaires Pour économiser l'énergie, il y a intérêt à produire dès le départ une radiation qui ne contienne que les ensembles ionisants choisis pour A, cependant, si cela n'est pas possible et Si la source émet également des ensembles ionisants de B avec trop d'énergie, on pourra réduire celle-ci par un filtrage approprié Dans le cas de l'utilisation d'ondes électro-sgnétiques, la production directe des fréquences souhaitées pourra se faire avec des lasers éventuellement accordables (lasers liquides) . Plusieurs lasers pourront etre nécessaires pour réaliser des ensembles ionisants convenables .Les lasers existant à ce jour sont limités en fréquence au proche ultra-violet, ils ne pourront donc constituer à eux seuls des ensembles ionisants que pour des élé ments, tels que les métaux alcalins, qui ont leur fréquence de réronance dans la partie visible du spectre Pour les utilisations de mélanges isotopiques sous forme atomique, et lorsque les raies spectrales des isotopes à séparer sont suffisamment distinctes (dans la zône des transitions majeures), la radiation sélective peut être créée par une décharge luminescente dans l'isotope A éventuellement mé- langé à un gaz inerte .L'utilisation de lampes à décharge est limitée à la production des fréquences que le matériau utilisable pour le tube luminescent laisse passer . On peut s'affranchir de cette restriction en réalisant la décharge luminescente dans 11 enceinte de la chambre d'irradiation ellejrêre, ainsi qu'il sera exposé plus loin Les méthodes de production impliquant un filtrage peuvent mettre en oeuvre tous les types d'appareils réalisant des dispersions, c' est à dire peu mettant de faire des analyses spectrales avec une précision suffisante .Toutefois, le filtre le plus spécifique de liinqention est constitué par une couche de Il isotope B, dans l'état physico-chimique où il se trouve dans le mélange isotopique . Ce filtrage aura précisément pour effet d'absorber les fréquences susceptibles de former des ensembles ionisants pour B -. Il est utile de noter que tous les photons absorbés par un tel filtre ne sont pas définitivement éliminés, en fait, ils sont en partie diffusés et en partie retransmis d'isotope en isotope . Ce dernier phénomène est beaucoup plus lent que la propagation de la lumière elle-meme, si bien que ce type de filtre agit en partie comme un retardateur . La sélectivité de la radiation filtrée décroitra donc avec le temps, mais les techniques impulsionnelles décrites ci-dessus permettent de pallier cet inconvénient L'isotope utilisé pour ce filtrage n'est pas nécessairement pur Mis il doit contenir une majorité d'isotopes B par rapport aux isotopes s de façon que l'on puisse donner au filtre des dimensions telles qu'il soit optiquement épais pour les ensembles ionisants de B et optiquement mince pour certains ensembles ionisants de A La figure 3 montre une source de radiations utilisant les principes cidessus exposés .La source ellemêrpe est une décharge luminescente entre les deux électrodes 50 et 51 . Cette décharge se fait dans un jet d'isotope A mélangé à de l'hélium, issu de la tuyère 52 et réaspiré par l'orifice 53 La pression partielle de l'isotope A dans ce jet est choisie de façon à ce que son épaisseur optique soit faible pour les ensembles ionisants de A Un jet d'hélium, issu de la tuyère 54 puis réaspiré en partie en 53 et en partie en 56, isole le jet d'isotopes A du mélange,en provenance de la tuyere 11 qui se trouve dans l'espace 55 et où l'isotope B prédomine . Cet espace sert de filtre en éliminant les parties de spectre communes aux spectres d'absorption, ou d'émission des isotopes A et B .L'épaisseur de la zône 55, compte tenu de la pression qui y règne, doit être choisie de façon à ce qu'elle soit optiquement épaisse pour les ensembles ionisants de B et optiquement mince pour ceux de A . Les isotopes B ionisés dans cette zône ne sont pas soumis à un champ électrique, cette ionisation ne joue donc au cam rôle dans le processus de séparation suivant l'invention Ce type de réalisation permet d'utiliser des fréquences élevées puisqu'aucune paroi ne s'oppose au passage des rayons ultra-violets, il permet, en particulier, d'utiliser des ensembles ionisants ne comportant qu'une seule raie de résonance Il en est de même pour le dispositif représenté sur la figure 4 .Son fonctionnement, basé sur l'utilisation de l'effet Doppler a déjà été exposé et il serait facile de le généraliser à d'autres configurations Les phénomènes de sélectivité d'absorption que nous avons longuement évoqués pour les radiations électro-magnétiques, existent, quoique d'une façon en générale moins marquée pour d'autres types de rayonnement (faisceaux de neutrons, d'électrons etc...), le domaine d'application de l'invention ne se limite donc pas à l'utilisation de radiations électro-magnétiques D'une façon générale, le procédé suivant l'invention est susceptible de s'appliquer aux isotopes de tous les éléments qu'il est possible de mettre sous au moins une forme physico-chimique dans laquelle les atomes isotopiques, ou les molécules les contenant, peuvent se déplacer librement et pour laquelle il existe des radiations sélectives connues absorbées préféreren- tiellement par les isotopes d'un certain type ou par les molécules les contenant, la dite absorption augmentant considérablement leur probabilité d'ionisation . Le domaine d'application est donc très vaste puisque les formes physico-chimiques sont extrêment variées et que la simple forme gazeuse atomique répond déjà aux conditions ci-dessus pour la majorité des éléments . Le procédé suivant l'invention se prête particulièrement bien a la séparation industrielle d'isotopes rares, car il permet une notable économie d'énergie par rapport aux procédés classiques qui font subir pratiquement le même traitement aux isotopes utiles et aux isotopes majoritaires R B V B ff D I C A T I O N S 1- Procédé de séparation isotopique s'appliquant aux isotopes des éléments qu'il est possible de mettre sous au moins une forme physico-ohimique dans laquelle les atomes isotopiques, ou les molécules contenant ces atomes, peuvent se déplacer facilement et pour laquelle il existe des radiations sélectives absorbées préférentiellement par les isotopes d'un certain type,ou par les molécules les contenant, la dite absorption augmentant notablement la probabilité d'ionisation des dits atomes ou molécules par rapport à celle des atomes ou molécules n'ayant pas absorbé de radiations, le dit procédé consistant - à mettre le mélange isotopique sous une telle forme - à le soumettre, dans une zône dite de séparation, à des radiations#sé- lectives et à un champ électrique qui provoque la migration des ions positifs vers les électrodes négatives et celle des ions négatifs vers les éleo- trodes positives, réalisant ainsi des cônes où le rapport de concentration des isotopes est différent du rapport initial - à prélever en certaines de ces cônes les fractions ainsi enrichies en certains des isotopes 2- Procédé de séparation isotopique suivant la revendication 1 dans lequel la forme physico-chimique utilisée pour le mélange isotopique est un gaz à basse pression introduit dans la Vône de séparation sous la forme d'un jet d'atomes ou de molécules ayant des vitesses de grandeurs et de directions voisines, le champ électrique étant orienté de façon à provoquer une dérive des ions, formés sous l'influence de la radiation sélective, dans une direction transversale par rapport au jet, la densité de ce dernier étant suffisamment faible pour que le libre parcours moyen de ces ions ne soit pas petit par rapport aux dimensions transversales du dit jet et les fractions séparées étant recueillies dans les sones d'aboutissement de leurs trajectoires respectives 3- Procédé de séparation isotopique suivant la refendication 1 où le mê- lange isotopique circule dans la sône de séparation perpendiculairement au champ électrique et suffisamment lentement pour que son écoulement soit laminaire ou très peu turbulent, le champ électrique créant un gradient de concentration des isotopes ionisés permettant le prélèvement de fractions de concentrations différentes à la sortie de la trône de séparation 4- Procédé de séparation isotopique suivant la revendication 1 où le mélange isotopique est mis sous la forme d'un liquide, faiblement ionisé en l'absence de radiations, circulant dans une zône de séparation très étroite soit ménagée entre deux parois poreuses derrière lesquelles se trouvent des cellules en équilibre hydrostatique avec la zône de séparation et contenant des électrodes d'une polarité déterminée pour chacune des parois poreuses, soit ménagée entre une telle paroi poreuse et une paroi conductrice formant l'électrode de signe opposé à celui des électrodes des cellules, les fractions isotopiques étant extraites d'une part à la sortie de la zône de séparation, d'autre part par prélèvement aux électrodes des gaz ou des dépôts résultant de l'électrolyse ou par prélèvement de liquide dans les dites oel- lules 5- Procédé de séparation isotopique selon les revendications 1 à 4 où le champ électrique direct, c'est à dire ayant l'orientation nécessaire pour diriger les ions vers leurs zônes de prélèvement respectives, est établi par impulsions successives, l'intensité et la durée de ces impulsions étant déterminées de façon à ce que la dérive moyenne des ions pendant une impulsion ne soit pas grande pasrapport au libre parcours moyen des ions entre collisions accompagnées d'échanges de charges 6- Procédé de séparation isotopique suivant les refendications 1 à 5 où les impulsions directes du champ électrique sont suivies d'impulsions du signe opposé 7- Procédé de séparation isotopique suivant les revendications 5 et 6 où l'irradiation sélective est également établie par impulsions synchronisées avec celles du. champ électrique direct 8- Procédé de séparation isotopique suivant les retendications I à 7 où la radiation utilisée est électromagnétique et est produite par une décharge électrique dans un gaz contenant certains des isotopes a séparer 9- Procédé de séparation isotopique suivant les revendications 1 à 8 où la décharge électrique a lieu dans l'enceinte même où se trouve la zône de séparation, les mélanges entre l'atmosphère de la. décharge et celle de cette zône étant empêchés par l'interposition d'un rideau de gaz transparent pour les radiations utilisées 10- Procédé de séparation isotopique suivant les revendications 1 à 9 où la radiation sélective utilisée est électromagnétique et est filtrée par la traversée d'une couche de certains des isotopes à séparer, ces isotopes étant sous la forme physico-chimique utilisée pour le mélange isotopique 11- Procédé de séparation isotopique suivant les revendications 1 à 10 où tout ou partie de la radiation sélective est produite par un ou plusieurs lasers