Brevet FR2535218A1 — publié le 19840504

On connalt actuellement de nombreux procédés et appareils pour séparer un isotope souhaité d'un ou plusieurs autres isotopes. Un procédé industriel actuellement employé utilise une diffusion gazeuse de manière que les isotopes soient séparés par leurs différences de masse. Un autre procédé industriel utilise une séparation des isotopes par la force centrifuge D'autres moyens prometteurs comprennent le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 059 761. Dans ce cas, on stimule les isotopes par une fréquence de résonance, dans un plasma dense, afin qu'ils acquièrent des énergies différentes. Un autre moyen prometteur est le procédé mis au point par la firme Jersey Nuclear-Avco Isotopes, Inc. Ce procédé est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 772 519. Il est question, dans ce dernier brevet, d'un article intitulé "Laser Separation of Isotopes", de Richard N. Zare, paru dans Scientific American, Février 1977, pages 86 à 98. Dans ce cas, un isotope souhaité est ionisé par irradiation au moyen d'un ou plusieurs lasers afin d'éliminer un électron. On peut également se référer au brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 532 879 qui décrit un appareil destiné à dévier des atomes au moyen d'une onde lumineuse stationnaire. Cependant, le faisceau de particules neutres est dirigé contre l'onde stationnaire électromagnétique sous l'angle de Bragg. A cet égard, on peut également se référer au brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3 761 721. Dans ce brevet, il est question d'un faisceau de particules qui peut être divisé en deux faisceaux par le procédé décrit dans le brevet NO 3 532 879 précité. La déviation des atomes au moyen d'une onde électromagnétique résonnante stationnaire a été décrite dans la littérature scientifique récente. Ainsi, un ouvrage de Cook et collaborateurs, paru dans Physical Review A, volume 18, NO 6, Décembre 1978, pages 2533 à 2537, est une étude théorique visant à prouver mathématiquement qu'une telle déviation d'atomes est possible. Un autre article de Arimondo et collaborateurs, paru dans Physical Review Letters, volume 43, NO 11, 10 Septembre 1979, pages 753 à 757, a trait à une expérience de laboratoire effectuée sur un faisceau de particules de sodium pour démontrer l'existence d'un phénomène, ce phénomène étant qu'un tel faisceau de particules peut être diffracté ou dispersé par une onde stationnaire en résonance sur le niveau d'excitation interne de l'atome. Il convient de noter qu'aucun des deux derniers articles cités ne suggère l'utilisation de ce phénomène pour la séparation d'isotopes ni ne propose d'utiliser plus d'un faisceau. L'invention a donc pour objet un procédé et un appareil pour séparer les isotopes en générant un faisceau de particules et en séparant l'isotope souhaité par dispersion ou diffraction du faisceau à l'aide d'une onde électromagnétique stationnaire. Selon la présente invention, on produit un faisceau de particules comprenant un isotope souhaité et au moins un autre isotope. Le faisceau de particules est alors collimaté pour donner plusieurs faisceaux secondaires ayant une origine commune. Ces faisceaux secondaires sont ensuite dirigés de manière à frapper à peu près perpendiculairement contre une onde électromagnétique stationnaire. L'onde électromagnétique possède une fréquence qui correspond sensiblement à l'énergie d'un niveau d'excitation interne d'un isotope souhaité. En d'autres termes, l'onde stationnaire est en résonance sur un niveau d'excitation interne de l'isotope souhaité. Les particules peuvent être des atomes ou des molécules. Dans le cas d'atomes, il peut être souhaitable d'incurver l'onde électromagnétique stationnaire sur la circonférence du cercle ayant un centre qui coincide sensiblement avec l'origine des faisceaux secondaires. Ceci peut être réalisé, par exemple, au moyen de plusieurs prismes placés sur le trajet de l'onde. Dans le cas de molécules, l'onde stationnaire peut avoir une certaine hauteur. Autrement dit, le champ de l'onde stationnaire peut être une nappe de lumière. Ceci peut être obtenu au moyen d'un ou plusieurs lasers, ou bien de plusieurs miroirs qui sont disposés de manière que l'onde laser soit renvoyée alternativement sur elle-même. L'épaisseur de l'onde électromagnétique doit être très fine afin de produire une grande diffraction de l'onde atomique ou moléculaire. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est un schéma de deux faisceaux secondaires de particules dispersés par une onde électromagnétique stationnaire, ce schéma montrant l'intensité de l'isotope souhaité qui a été dispersé par l'onde stationnaire ; la figure 2 est un schéma, analogue à celui de la figure 1, mais montrant l'onde stationnaire qui suit un cercle ayant son origine dans la source de particules la figure 3 est une vue en perspective d'un appareil permettant de séparer efficacement des isotopes et qui utilise une onde stationnaire de dimensions substantielles ; et la figure 4 est une élévation d'un laser et de plusieurs miroirs destinés à plier le trajet d'une onde stationnaire. La figure 1 représente schématiquement un appareil destiné à mettre en oeuvre le procédé de séparation selon l'invention. Comme représenté sur la figure 1, on peut utiliser un four 10, ou bien, en variante, une buse supersonique 10'. La fonction du four 10 est de générer un faisceau de particules tel qu'indiqué en 11 et 12, qui s'étale à peu près linéairement, comme représenté. En général, lorsque le faisceau de particules est constitué d'atomes, un four 10 peut être préféré. Dans certains cas, en particulier dans le cas de molécules, il peut être souhaité de refroidir le faisceau de molécules au moyen d'une buse supersonique 10'. Il est évident que lorsque la matière d'origine est constituée d'un gaz, il peut être inutile de l'échauffer. Il est également évident qu'un vide est nécessaire pour que le faisceau de particules ne s'étale pas sous l'effet de collisions indésirées. On peut produire une onde électromagnétique stationnaire 16 de toute manière classique, par exemple au moyen d'un laser 14 et d'un miroir 15 qui doit être un miroir totalement réfléchissant. Le laser 14 comprend également un miroir réfléchissant. Les lignes verticales 17 peuvent représenter, par exemple, les pointes ou crêtes de l'onde stationnaire. L'onde stationnaire peut être une onde de lumière ou toute autre onde électromagnétique, suivant l'énergie du niveau d'excitation interne de l'isotope souhaité. Le faisceau 11, 12 est à présent collimaté au moyen de plusieurs fentes 18, 20, 21 de collimation qui sont formées par plusieurs obstacles ou chicanes 23. Comme représenté sur la figure 1, la largeur de chaque fente est indiquée en b et la distance comprise entre les centres des chicanes adjacentes 23 est indiquée en a. La fente 20 collimate un faisceau secondaire 11 qui se dirige vers un collecteur 25 pouvant être simplement une feuille plane en matière convenable. La fente 21 collimate un autre faisceau secondaire 12 frappant contre la surface 25. La figure 1 montre la distribution d'intensité 26 de l'isotope souhaité qui est dispersé par la fente 21. Il convient de noter qu'en pratique, on utilise un grand nombre de fentes et, par conséquent, un grand nombre de faisceaux secondaires, ce qui améliore donc l'efficacité de la séparation des isotopes. L'angle de dispersion 8 est également indiqué sur la figure 1, ainsi que l'angle Oc qui est l'angle de collimation. L'angle de dispersion varie entre Emin et Gmax qui sont tels que e (1) La lettre r indique la distance entre la source 10 et les fentes 18, tandis que r' indique la distance entre l'une des fentes et la surface 25. Il apparait que, lorsque plusieurs faisceaux secondaires tels que les faisceaux 11 et 12 proviennent d'une source unique 10, ils ne frappent pas perpendiculairement contre l'onde électromagnétique 16. Pour éliminer ce problème, on peut utiliser l'agencement montré sur la figure 2. Dans ce cas, l'onde électromagnétique stationnaire 16 est produite de manière à suivre un cercle centré sur la source 10 de particules. A cet effet, plusieurs prismes 35 peuvent être placés sur le trajet suivi par l'onde stationnaire 16. On peut utiliser jusqu'à 20 prismes. Ceci assure l'arrivée de chaque faisceau secondaire à peu près perpendiculairement sur le front d'onde. Ceci rend donc possible l'utilisation de la totalité du faisceau émis par la source 10 de particules. Par ailleurs, la répartition de l'isotope enrichi ou souhaité est la même que sur la figure 1. L'agencement de la figure 2 convient particulièrement à une utilisation avec un faisceau d'atomes. De même que précédemment, l'épaisseur Z de l'onde stationnaire, c'est-à-dire l'épaisseur opposée par l'onde au faisceau de particules, doit être relativement faible. Cette épaisseur peut être calculée à l'aide de la formule suivante #1 2 e (2) où est la longueur d'onde de l'onde stationnaire, est la longueur d'onde des particules telles que les atomes, et est le déphasage de l'onde de particules ato miques traversant la crête de l'onde électro magnétique. En d'autres termes, b est une mesure du couplage entre les atomes et le champ de lumière. Comme précédemment, cette relation est particulièrement importante pour réaliser la diffraction des ondes atomiques ou moléculaires. La figure 3, à laquelle on peut à présent se référer, montre une forme plus pratique de réalisation de l'appareil selon l'invention. Dans ce cas, la source 10 de particules est relativement allongée afin d'accroître le rendement. L'onde lumineuse stationnaire peut être produite, par exemple, au moyen d'un ou plusieurs lasers superposés 40. La lumière émise par les lasers 40 peut être focalisée par deux lentilles cylindriques 41 et 42, la lentille 41 étant biconvexe alors que la lentille 42 est biconcave. La nappe de lumière 43 ainsi produite est réfléchie par un miroir 44 qui est totalement réfléchissant de manière à générer l'onde stationnaire. Il convient de noter que l'autre miroir nécessaire à une onde stationnaire est logé à l'intérieur du laser 40. Plusieurs chicanes 45 peuvent être disposées sur une embase 46 pour former plusieurs fentes 47. A titre d'exemple et par des calculs, on peut démontrer que Z = 2r = 20 cm ; par conséquent, Z est la longueur de l'onde stationnaire. La distance r + r', qui est la distance comprise entre la source et le collecteur, est donc égale à 20 cm. Etant donné que a = 2b, b peut être de 2,1 x 10 3 cm. Ceci constitue encore une dimension acceptable du point de vue de la fabrication et il en résulte une faible dépense d'énergie par atome. La hauteur de l'onde, c'est-à-dire la hauteur du faisceau atomique généré par la source 10, peut être de 10 cm ou plus. L'épaisseur Z du faisceau laser peut être de 5,4 x 10 2 cm. Pour obtenir la nappe de lumière étendue telle que montrée sur la figure 3, il peut être souhaité de renvoyer un faisceau laser alternativement sur lui-même. Ceci est montré sur la figure 4 à laquelle on peut à présent se référer. La figure 4 montre également un laser 14 et plusieurs miroirs 50i 51, 50n qui sont disposés les uns audessus des autres. Chacun des miroirs 50, 51, 50n, etc. présente deux plans inclinés 52, 53, 52n, 53n qui réfléchissent le faisceau lumineux original 54 en un faisceau lumineux suivant 55, etc. Le dernier miroir 56 est un miroir plan à réflexion totale qui renvoie le faisceau lumineux au laser 14. Il apparaît que cet agencement peut être utilisé pour produire la grande nappe de lumière 43 telle que montrée sur la figure 3. Il convient de noter que la dispersion ou diffraction des particules peut être affectée par la probabilité de collisions entre les particules. Cet effet peut cependant être aisément limité par un contrôle de la densité du faisceau ou des faisceaux secondaires de particules. Il convient également de noter que, pendant le déroulement du procédé de l'invention, pratiquement aucun photon n'est consommé. Autrement dit, l'état d'énergie interne de l'isotope souhaité n'est pas modifié ; le procédé de séparation est sensiblement élastique. Il convient aussi de noter qu'il existe des différences importantes entre les séparations d'isotopes atomiques et moléculaires à l'aide de l'invention.En premier lieu, la perte par dispersion de photons de l'onde stationnaire est importante dans le cas des atomes, mais non dans le cas des molécules. Par conséquent, il existe une contrainte de transparence qui s'applique aux atomes, mais pas auxitolé- cules. Pour minimiser les absorptions de photons par les faisceaux secondaires de particules atomiques, la lumière doit avoir une intensité suffisante pour produire une saturation de la transition atomique. Il convient également de noter que l'onde lumineuse stationnaire peut être -légèrement hors résonance, pourvu qu'elle n'entre pas en résonance avec un isotope indésiré. La seconde différence concerne le temps d'interaction pendant la transition des particules à travers le champ lumineux stationnaire. Dans le cas des atomes, le temps d'affaiblissement d'un niveau supérieur jusqu'à des états autres que l'état fondemental est court. Par conséquent, il détermine le temps d'interaction du processus de séparation. Ainsi, l'épaisseur de l'onde stationnaire est en conformité avec la distance parcourue par une particule atomique pendant la persistance de son état excité. Cependant, il n'en est pas de même pour les molécules où il est principalement question de niveau d'énergie rotationnelle ou de vibration. Ainsi, pour les molécules, l'interaction peut se produire pendant la totalité du temps de passage à travers le champ lumineux.Etant donné que l'épaisseur de l'onde stationnaire ne doit pas être limitée comme dans le cas des atomes, elle est déterminée par le temps de passage de la molécule. En général, il est nécessaire de refroidir les molécules pour séparer les lignes de transition des deux isotopes. En d'autres termes, ceci réduit l'effet thermique d'élargissement de ligne. C'est la raison pour laquelle une buse supersonique peut être utilisée. Ceci peut réduire la température à, par exemple, 55 K, et un gaz porteur tel que du xénon peut être utilisé. La dernière différence entre les atomes et les molécules est qu'il n'est pas nécessaire d'incurver le trajet de l'onde électromagnétique stationnaire dans le cas d'un faisceau moléculaire. La raison en est que la longueur d'onde de la molécule est de l'ordre de 16 micromètres, ce qui est assez long pour que la ligne de résonance ne subisse pas de décalage par effet doppler, même si le faisceau ne frappe pas l'onde stationnaire perpendiculairement. Etant donné que l'isotope désiré ou choisi est séparé physiquement ou spatialement du ou des isotopes indésirés, la séparation physique peut être aisément réalisée. Ceci peut être effectué, par exemple, par isolement des isotopes indésirés et collimatés de l'espace, par exemple entre les régions définies par la courbe 27-28 ou 26-28. La partie restante de la surface 25 porte alors principalement l'isotope désiré qui peut être retiré par chauffage, par exemple. Il convient de noter que le processus de séparation selon l'invention peut être utilisé sur tout élément souhaité dont les isotopes doivent être séparés. Une autre séparation classique peut être celle effectuée entre les isotopes 235 et 238 de l'uranium. Dans ce cas, une séparation peut être réalisée, soit sur les atomes U, soit sur la molécule UF6, c'est-à-dire l'hexafluorure d'uranium, ou sur d'autres molécules d'uranium. Des calculs ont porté sur la comparaison du coût de l'énergie par isotope séparé et du rendement du produit dans le cas de la présente invention et dans le cas d'autres procédés industriels, ayant fait l'objet de-recherches importantes. Pour une seule passe d'une charge naturelle d'uranium, la consommation d'énergie par atome séparé par le procédé de l'invention est de 76 keV. Si les déchets de tout autre procédé sont utilisés, ces déchets ayant, U235 à l'analyse, 0,3 % de U235, pour parvenir à un enrichisse- ment de 3 %, l'énergie consommée est de 120 keV. Ceci est à comparer à une consommation d'énergie de 300 keV pour le procédé centrifuge et de 3000 keV pour le procédé par diffusion gazeuse, dans les deux cas à partir d'une charge naturelle.Dans le cas du procédé Jersey Nuclear-Arco Isotope, la consommation d'énergie à partir d'une charge naturelle est de 240 keV. Par conséquent, la consommation d'énergie du procédé de l'invention est sensiblement inférieure à celle des autres procédés. A cet égard, il convient notamment de noter que le procédé de la présente invention peut également s'appliquer au résidu de charge d'autres procédés. Ceci permet de récupérer davantage de U2351 normalement considéré comme un déchet. Le débit du produit, en grammes par seconde d'uranium de qualité convenant à un réacteur, est de 3,3 x 10 3 dans le cas du procédé de l'invention, appliqué à une charge naturelle, et ce débit devrait être de 7,2 x 10 4 lorsqu'il est appliqué à une charge constituée de résidu, ayant, à l'analyse, 0,3 % de U235, dans les deux cas en une seule passe. Les chiffres publiés pour le procédé centrifuge donnent un débit de produit de 5 x 10 5. L'invention concerne donc un procédé et un appareil de séparation ou d'enrichissement d'un isotope souhaité à partir d'un ou plusieurs isotopes indésirés. Le procédé est relativement simple et il ne nécessite pas un appareillage important. Par conséquent, il peut etre aisément utilisé pour le traitement de petites quantités de matières. Le procédé convient aussi bien aux atomes qu'aux molécules, contrairement aux procédés antérieurs qui ne s'appliquent qu'aux atomes ou qu'aux molécules. Il a été démontré que l'énergie consommée par isotope séparé est inférieure à celle des autres procédés connus et que le débit de produit par unité de séparation est plus grand. En particulier, il est possible d'utiliser comme charge les déchets d'autres procédés pour porter la quantité de U235 d'un taux de 0,3 %, ou même moins, à l'analyse, à un enrichissement de 3 %. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Appareil de séparation d'isotopes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (10) destiné à produire un faisceau (11, 12) de particules ayant un isotope souhaité et au moins un autre isotope-, des éléments (18, 20, 21) destinés à collimater le faisceau de particules en plusieurs faisceaux secondaires (11, 12), un dispositif unique (14) destiné à produire une onde électromagnétique stationnaire (16) qui s'étend à peu près perpendiculairement au trajet des particules et qui possède une fréquence correspondant sensiblement à un niveau d'excitation interne de l'isotope souhaité, afin de disperser des particules de l'isotope souhaité sans exciter sensiblement lesdites particules après la dispersion, l'appareil comportant également un dispositif (25) destiné à collecter les particules comprenant l'isotope souhaité, à l'extérieur du trajet des particules collimatées, les particules formant des crêtes d'intensité sensiblement séparées dans l'espace et situées sensiblement dans le plan défini par le faisceau de particules et l'onde électromagnétique. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules sont des atomes. 3. Appareil selon la revendication 1, daractérisé en ce que les particules sont des molécules. 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que des éléments de réfraction (35) sont utilisés pour incurver l'onde électromagnétique stationnaire sur la circonférence d'un cercle dont le centre est situé sensiblement à l'origine des faisceaux secondaires, de manière que lesdits faisceaux secondaires frappent ladite onde à peu près perpendiculairement. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que les éléments destinés à incurver l'onde stationnaire comprennent plusieurs prismes (35) placés sur le trajet de l'onde électromagnétique stationnaire. 6. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'onde électromagnétique correspond à la distance parcourue par une particule atomique pen dant sa durée de vie à l'état excité. 7. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'onde électromagnétique stationnaire possède une hauteur comparable à la longueur du faisceau de particules, perpendiculairement auquel elle est disposée. 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif destiné à produire une onde électromagnétique comprend un laser (14) et plusieurs miroirs (50, 51) disposés de manière à réfléchir l'onde laser stationnaire d'avant en arrière pour obtenir une onde ayant une certaine hauteur. 9. Appareil de séparation d'isotopes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (10) destiné à produire un faisceau (11, 12) de particules moléculaires ayant un isotope souhaité et au moins un autre isotope, des éléments (18, 20, 21) destinés à collimater le faisceau de particules moléculaires en plusieurs faisceaux secondaires (11, 12), un dispositif (14) destiné à produire une onde électromagnétique stationnaire (16) qui s'étend à peu près perpendiculairement au trajet des particules et qui possède une fréquence correspondant sensiblement à un niveau d'excitation interne de l'isotope souhaité, l'épaisseur de l'onde électromagnétique étant inférieure à environ #1 #2 # où A1 est la longueur d'onde de l'onde, X2 est la longueur d'onde des particules rvléculaires et O Qi est le déphasage de l'onde moléculaire à une crête de ladite onde, de manière à disperser des molécules de l'isotope souhaité, l'appareil comportant également un dispositif (25) destiné à collecter les molécules, y compris l'isotope souhaité, à l'extérieur du trajet des particules collimatées. 10. Procédé de séparation d'isotopes, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un faisceau (11, 12) de particules comprenant un isotope souhaité et au moins un autre isotope, à collimater le faisceau de particules en plusieurs faisceaux secondaires (11, 12), à produire, au moyen d'une source unique (14), une onde électromagnétique stationnaire (16) qui s'étend à peu près perpendiculairement au trajet du faisceau de particules, l'onde ayant une fréquence qui correspond sensiblement à un niveau d'excitation interne de l'isotope souhaité, de manière à diffuser les particules de l'isotope souhaité sans exciter pratiquement les particules après la diffusion, et à séparer spatialement les isotopes souhaités des autres isotopes, dans des crêtes d'intensité sensiblement séparées et situées sensiblement dans le plan défini par le faisceau de particules et l'onde électromagnétique, et à collecter les particules dispersées. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le faisceau de particules est constitué d'atomes. 12. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le faisceau de particules est constitué de molécules. 13. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'onde électromagnétique stationnaire est réfractée pour former un arc de cercle dont le centre se trouve sensiblement à l'origine des faisceaux secondaires, afin que les atomes frappent à peu près perpendiculairement contre l'onde électromagnétique stationnaire. 14. Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'onde électromagnétique correspond à la distance parcourue par une particule atomique durant sa durée de vie à l'état excité. 15. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'onde -stationnaire est réfléchie jusqu'à une hauteur, perpendiculairement à la direction du faisceau de particules, cette hauteur étant comparable à la hauteur du faisceau de particules. 16. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'onde électromagnétique stationnaire est une onde monochromatique. 17. Procédé de séparation d'isotopes, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un faisceau (11, 12) de particules moléculaires ayant un isotope souhaité et au moins un autre isotope, à collimater le faisceau de particules en plusieurs faisceaux secondaires (11, 12), à pro duire une onde électromagnétique stationnaire (16) qui s'étend à peu près perpendiculairement au trajet du faisceau de particules et qui possède une fréquence correspondant sensiblement à un niveau d'excitation interne de l'isotope souhaité, l'épaisseur de l'onde électromagnétique étant inférieure à sensiblement 2 2 où A1 est la longueur d'onde de l'onde, A2 est la longueur d'onde des particules moléculaires et # est le déphasage de l'onde moléculaire à une crête de ladite onde, afin de disperser des molécules de l'isotope souhaité, le procédé consistant également à collecter les molécules dispersées.