Brevet FR2253549A1 — publié le 19750704

La présente invention concerne un procédé dienrichis- sement isotopique par déviation électromagnétique sans optique ionique et utilisant une source d'ions de grande extension spatiale, applicable notamment pour l'enrichissement en uranium 235 d'un mélange d'uranium 23B et d'uranium 235 provenant d'un minerai d'uranium naturel. On sait que le problème de l'obtention à moindre cout de matériau nucléaire enrichi en isotopes fissiles est de la plus haute importance. C'est un facteur critique quant au prix de l'énergie nucléaire. Lorsqu'une particule chargée animée d'une vitesse traverse une zone ou règne un champ magnétique B elle subit une force F F = eV x Sous l'action de ce champ magnétique #, la particule de charge e animée d'une vitesse # décrit dans la zone où règne le champ magnétique, supposé constant, une trajectoire circulaire. Le rayon de cette trajectoire vaut dans le cas où le champ magnétique B est perpendiculaire à V R = ml V ef Bf où R est le rayon de la trajectoire, m la masse de la particule et e la charge de cette particule.Si un faisceau de particules contient plusieurs types de particules de charges ou plus fréquemment de masses différentes, chaque type décrit une trajectoire de rayon R, le rayon étant -prqportionnel à la masse de cet isotope. Le premier procédé historique de séparation isotopique totale utilisait des spectromètres de masse et consistait à séparer complètement les divers isotopes d'un mélange par un champ magné- tique de valeur constante. Cette séparation totale était réalisée dans une série spectromètre de masses de précision. En effet, si l'on désire obtenir une séparation totale, il importe qu'au niveau du dispositif collecteur les faisceaux correspondant aux isotopes à séparer soient spatialement distincts. Or, il existe une difficulté due au fait que les faisceaux émis par une source d'ions sont nécessairement divergents de par leur charge électrique qui fait que les ions se repoussent et que les faisceaux s interpénètrent. Pratiquement la séparation totale ne peut s'envisager qu'au voîsi nage immédiat du point, s'il existe, ou le faisceau provenant d'une source et passant a travers le prisme magnétique est refocalisé par un optique de collection. La séparation totale implique des grandes contraintes telles que par exemple - une valeur élevée de la tension Vo de la dernière électrode accélératrice, de fanon à rendre négligeable la dispersion en vitesse des ions émis due aux collisions.Cette valeur de la tension Vo doit être constante pour que le faisceau d'ions entrant dans le prisme magnétique soit sensiblement monocinétique En effet, la vitesse des ions est reliée au potentiel de-s électrodes accélératrices situées avant le prisme magnétique, par la formule Plus la tension Vo est grande, plus la vitesse V est importante et plus faible est la dispersion relative des vitesses dues aux collisions, - une valeur basse de la pression pour éviter la diffusion des faisceaux par collision sur les molécules de gaz résiduel, - une vale-ur basse' des courants d'ions pour éviter ltépanouissement du faisceau du à la charge dsespace. La méthode de séparation totale par spectromètre de masse est d'un coût élevé, de réalisation difficile puisqu'elle implique une optique de collection visant à la refocalisation du faisceau en un point, et d'un rendement faible puisque pour éviter la divergence du faisceau due aux charges électriques transportées par les particules, on doit opérer à pression très basse. La présente invention a pour objet un procédé d'enrichissement isotopique électromagnétique, dans lequel le mélange d'isotopes à la sortie du prisme magnétique n'est que partiellement séparé, ce qui permet d'enrichir le mélange dans un des isotopes en ne collectant qu'une partie du faisceau de sortie du prisme magnétique, sans optique de collection coûteux et d'usage délicat Plus précisément, le procédé de l'invention est caractérisé en ce qu'on envoie dans un prisme magnétique de champ magnétique constant, un faisceau d'isotopes ionisés sensiblement monocinétique provenant d'une source étendue, la direction dudit champ magnétique étant perpendiculaire à la direction de la vitesse des ions constituant le faisceau d'ions , et en ce qu'on recueille une partie du faisceau d'ions défléchis à la sortie du prisme magnétique dans un collecteur dont la surface dientree est inférieure à la section efficace du faisceau d'ions défléchis, ce qui fait que l'on recueille dans le collecteur un mélange enrichi dans un des isotopes au moins. Au lieu de viser à une séparation totale, on se contente de chercher un enrichissement,ce qui fait que la plupart des contraintes niées à la séparation totale dans un spectromètre de masse précis disparaissent, en particulier en ce qui concerne l'extension spatiale de la source d'ions. Le procédé récrit n'implique 11'utilisation d'aucune optique 'ionique ou électronique. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre non limitatif. La description se réfère aux figures annexées surlesquelles on a représenté - sur la figure I, un schéma de la trajectoire d'un ion, - sur la figure 2, un schéma indiquant la séparation spatiale des faisceaux sortant du prisme magnétique. Comme on lia déjà indiqué, l'invention consiste à enrid ir un mélange d'isotopes de masses différentes en faisant passer le mélange provenant d'une source étendue à travers un prisme magnétique et en recueillant une partie seulement du faisceau à la sortie du prisme pour avoir un mélange enrichi dans l'isotope considéré à la sortie dudit prisme. Sur la figure 1, on a représenté le trajet d'un ion provenant d'un point 5' à travers le prisme magnéique. L'ion (positif ou négatif) venant de Si entre avec un angle Oc dans la zone de largeur D2 où règne le champ magnétique t. Dt est la distance entre le point St et le prisme magnétique, et D3 est la distance entre le collecteur en C1 et la même zone.On montre dans des calculs simples non développés dans le texte de ce brevet, que la déviation totale # vaut R sin &alpha; # = = Dt &alpha; - R cos &alpha; + L + D3 L où L vaut L = (R cos&alpha; + 2R D2 sin &alpha; - D2) 1/2 Lorsque du point S1 partent deux ions de masses différentes, ils sont déviés différemment, la déviation A dépendant du rayon de courbure de la trajectoire de l'isotope considéré, laquelle dépend de la masse de l'isotope. #1 = # (R1) et #2 = # (R2) La séparation spatiale vaut # = ##2 - #2 # Le point # est le centre de courbure de la trajectoire dans le champ magnétique B, ion considéré entrant dans le champ magnétique en Ai, et en ressortant en B1 ; le point t1 est le point de collection. L'angle &alpha; est mesuré par rapport à l'horizontale. Sur la figure 2, on a représenté la déviation de deux faisceaux d'ions de masses différentes, la premier faisceau coupant le plan de collection E an deux points Cl et C'i et le deuxième faisceau en C2 et Ci Les ions proviennent d'une source étendue, de S1 à S2, dans le plan S. On recueille entre C1 et C'1 des isotopes lourds et entre C2 et C'2 des isotopes légers. Dans le cas d'une source d'ions de longueur S1 S2, les deux faisceaux sortant du prisme magnétique 2 sont partiellement séparés au niveau du plan C. Le système collecteur captant les ions sortant entre C2 et C'2 capte la totalité des isotopes légers et une partie seulement des isotopes lourds. Si on désigne par # la largeur du faisceau à la sortie du prisme magnétique et par 8 la largeur du faisceau lourd non collecté on montre facilement que la concentration moyenne collectée n vaut: Dans cette formule n est la concentration de la source d'alimen o tation en isotopes légers.Le facteur d'enrichissement E de l'étage défini de façon classique par n (l - n0) # E = &alpha; - l où &alpha; = ------- vaut # = --- no(l - n ) l - # En partant d'une source d'uranium naturel, on obtient de l'uranium à a' 3 % de 235 U dans les conditions suivantes prises parmi d'autres - D2 = D3 = 0,2 Rayon R = 0,3 m Longueur de source = 0,05 m. Cet exemple numérique d'application permet de noter la petitesse de l'appareillage (D2 et D3) et la longueur appréciable de la source égale à 5 cm. Il est possible de produire les ions directement dans l'enceinte sous champ magnétique,ce qui supprime toute perte de transmission. Avant les électrodes accélératrices, le faisceau d'isotopes neutre est ionisé soit par bombardement par des faisceaux d'électrons soit par l'application d'un champ alternatif haute fréquence. L'absence d'optique refocalisante amène par rapport spectromètre de masse classique les avantages suivants - - réduction considérable des dimensions, donc de l'effet diffusant des collisions ioniques, effet proportionnel à la longueur du parcours des ions à la sortie du prisme magnétique. La réduction des dimensions diminue aussi le coût des investissements, - augmentation considérable des dimensions du'faisceau initial source ce qui, à intensité constante, réduit dans les-mêmes proportions la densité du courant d'ions, - possibilité de travail à des pressions relativement élevées (0,1 Pascal) du fait que les aberrations ne sont plus gênantes, d'où une réduction des investissements et des frais d'exploitation, - possibilité de travail avec des valeurs basses de la tension accélératrice Vo et du champ magnétique B, puisqu une séparation partielle est suffisante, - rendement de transmission des ions voisins de l'unité, - rejet à concentration quasi nulle des isotopes que l'on veut éliminer, l'uranium 238 par exemple. REVENDICATIDN Procédé d'enrichissement isotopique électromagnétique, caractérisé en ce qu'on envoie dans un prisme magnétique à champ magnétique constant, un faisceau d'isotopes ionisés, sensiblement monocinétique , provenant d'une source étendue, la direction dudit champ magnétique étant perpendiculaire à la direction de la vitesse des ions constituant le faisceau d'ions, et en ce qu'on recueille une partie du faisceau d'ions défléchis à la sortie du prisme magnétique dans un collecteur dont la surface d'entrée est inférieure à la section efficace du faisceau d'ions défléchis, ce qui fait que l'on recueille dans le collecteur un mélange enrichi dans un des isotopes au moins.