PROCESS FOR SEPARATING ISOTOPES

Abstract: 1. Method for the separation of isotopes of an element, especially for the separation of the isotopes hydrogen/deuterium, lithium**6/lithium**7 and uranium**235/uranium**238, characterized in that the isotopes are separated by extraction with supercritical pure gases or with super-critical gas mixtures.

Description: Verfahren zur Trennung von Isotopen Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Isotopen. Isotope eines Elementes besitzen unterschiedliche physikalische Eigenschaften, die zum Nachweis und zur Trennung von Isotopen ausgenutzt werden können Die wirksamste Methode zur Isotopentrennung ist die massenspektrographìsche, die eine vollständige Trennung der Isotope in einer Stufe ermöglicht Dabei wird die verschieden grosse elektrische und magnetische Ablenkbarkeit gleich geladener Ionen unterschiedlicher Masse ausgenutzt. Wegen des ge ringen Ionenstroms ist aber die Stoffmenge, die gesammelt werden kann, nur verschwindend klein. Die Massenspektrographen werden deshalb nur als Nachweisgeräte nicht jedoch zur Isotopenanreichet rung benutzt. Eine Methode, mit der unter geeigneten Bedingungen ein nahezu ebenso grosser Trennfaktor erzielt werden kann, beruht darauf, dass mit monochromatischem Licht (Laser) eine Isotopensorte eines Gemisches gezielt angeregt und damit in einen reaktiven Zustand überführt werden kann, während die anderen Isotope im nichtreaktiven Grundzustand bleiben Technisch ist dieses Verfahren jedoch nur bedingt verwertbar, da relativ teure, abstimmbare Laser hoher Intensität und hoher Monochromasie bereitgestellt werden müssen und die Ausbeute relativ gering ist. Technisch angewendet werden zur Isotopenanreiche rung die Trennmethoden mittels Trennwanddif fusion, Thermodiffusion und Druckdiffusion (renndUse). Da eine einzelne Trennstufe jedoch nur eine geringe Änderung der Zusammensetzung des Isotopengemisches erzielt, muss man, 11 die gewünschte Anreicherung zu erreichen, mehrere Stufen,soge- nannte Kaskaden, hintereinander schalten. Bekannt ist auch die Trennung von Isotopen durch Zentrifugieren. Gegebenenfalls kann dieses Verfahren auch mit dem Diffusionsverfahren kombiniert werden. Technische Anwendung findet auch die Isotopentrennung durch fraktionierte Destillation und Austaschreaktionen. Das erstgenannte Verfahren beruht auf der Abhängigkeit des Dampfdruckes eines Stoffes von seiner Masse. Bei der Methode der Austauschreaktion zwischen zwei verschiedenen Verbindungen wird die Abhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten von der Masse -ausgenutzt. Anwendung findet dieses Verfahren vor allem bei der Gewinnung von schwerem Wasser. In kleineren Mengen wird schweres Wasser auch bei¯ der Wasserelektrolyse hergestellt, wo sich das Deuterium aufgrund kinetischer Effekte in der wäB- rigen Phase anreichert. Auch Chromatographische Verfahren eignen sich zur Trennung von Isotopen, sind jedoch zur Anresche- rung nicht wirtschaftlich. Weiterhin sind Isotopieeffekte zwischen zwei flüssigen Phasen einer Substanz bekannt, welche dle Gr@@ö@age für ein entsprechendes Anreicherungs eilen. So ist beispielsweise die toren-Anreicherung durch Extraktion vo r. thiv Ionen in Wasser oder organischen Lösung mitteln und von metallischem Lithium in flüssigen. Quecksilber {Amalga-x) möglich Es isr Aufgabe der Erfindung, ein möglichst wirtschaftlich arbeitendes Verfahren zur Trennung von Isotopen anzugeben Uberraschenderweise stellt die Lösung der Aufgabe das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren dar. Als überkritisches Gas kann CO2, als Schleppmittel können Wasser und Benzol verwensset werden Vorteilhafterweise wird die Extraktion bei Drücken, die bis zu 350 bar über dem kritischen Druck. liegen und bei Temperaturen, die bis zu 1000C über der kritischen Temperatur liegen,durchgeführt. Es ist u. a. aus der DE-AS 1 493 190 bekannt, zur Auftrennung von flüssigen und/oder festen Stoffgemischen, die organische Verbindungen und/oder organische Gruppen aufweisende Verbindungen enthal ten, die Stoffgemische mit überkritischen Gasen zu behandeln und nach Abtrennung der beladenen überkritischen Gasphase die in ihr enthaltenen Verbindungen durch Entspannung und/oder Temperaturänderung zurücHiwtnnen. Dieses Verfahren wird bei schwerflüchtigen und temperaturempfindlichen Stoffgemischen angewandt. Auch die Trennung von Stoffgemischen mit nahe beieinanderliegenden Siedepunkten ist möglich. Uberraschenderweise lassen sich jedoch nach dem in Anspruch 1 beschriebenen Verfahren nicht nur chemisch unterschiedliche Stoffe, sondern auch Isotope eines Elementes voneinander trennen. Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendbare Anlage ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einem Autoklav 1, einer Flüssigkeitspumpe 2, zur Umwälzung und Druckerhöhung des Gases, einer Fördervorrichtung Cz. B. Pumpe) 3 zur kontinuierlichen Zuführung des Isotopengemisches, einem Abscheider 4 für das Raffinat, einem Abscheider 5 zur Extrakt-Abscheidung, einem Wärmetauscher 6 zur Erwärmung des Einsatzgemisches, einem Kondensator 7 zur Verflüssigung des Extraktionsgases, einem Wärmeaustauscher 8 zur Aufheizung in den überkritischen Zustand, einem Drosselventil 9 zur Entspannung der Raffinatphase, einem dem Abscheider 5 zugeordneten Drosselventil 10 zur Entspannung der Extraktphase! einem Vorratsbehälter 11 für das Isotopengemisch und einem Vorratsbehälter 12 für das Gas, Bei kontinuierlicher Betriebsweise tritt ein unter überkritischen Bedingungen von Druck und Temperatur stehendes Gas am Boden des Autoklaven 1 durch ne Leitung 13 in das zu trennende Isotopengemisch ein, das durch eine Leitung 14 dem Autoklaven zugeführt wird. - Das Gas durchströmt aufgrund seiner geringeren Dichte das Isotopengemisch und belädt sich dabei mit einer oder mehreren Komponenten des Gemisches. Die beladene überkritische Gasphase (Extraktphase) wird aus dem oberen Bereich des Autoklaven 1 abgezogen und anschliessend durch das Drosselventil 10 entspannt. Infolge der Druck erniedrigung und Abkühlung verliert das Gas, entsprechend dem neuen thermodynamischen Zustand, seine Aufnahmefähigkeit für die extrahierten Komponenten teilweise oder ganz, wodurch die im Autoklave aufgenommenen Komponenten teilweise oder vollständig abgeschieden und am Boden des Abscheiders in flüssiger oder fester Form (Extrakt) abgezogen werden. Das entspannte und regenerierte, gasförmige Extraktionsmittel verlässt den Abscheider und wird nach erfolgter Kondensation wieder der Flüssigkeitspumpe 2 mit nachgeschaltetem Wärmetauscher zur erneuten Erzeugung eines überkritischen Gases zugeführt. Es ist jedoch ebenfalls möglich, anstelle der Druckerhöhung des Gases im flüssigen Zustand, wie sie in.der vorliegenden Versuchsanlage realisiert wird, eine Druckerhöhung zm gasförmigen Zustand durchzuführen. Im Bereich des Bodens des Autoklaven 1 wird das an den Extraktionsstoffen verarmte Gemisch mit dem darin gelösten Extraktionsmittel als Raffinatphase abgezogen und zur Rückgewinnung des Gases (Extraktionsmittels) in dem Abscheider 4 entspannt. Das Raffinat wird am Boden des Abscheiders 4 ent nonpnen und das Gas zur weiteren Durchführung der Trennung in den Kreislauf über die Leitung 15 zurückgeführt, Die kontinuierliche Arbeitsweise wird durch Flüssigkeitspumpe 2 und Wärmetauscher 8 ermöglicht. Eine Zugabe von Gas aus einem Vorratsbe liter 32 ist zur Inbetriebnahme der Anlage und zur Deckung von Gasverlusten während des Betriebes erforderlich. Der Autoklav kann auch chargenweise mit einer Probe des zu trennenden Isotopengemisches gefüllt werden. Der Gaskreisauf bewirkt @@@@@@@ Verarmung des IS@@pengeri@@ bevorzugten komponente, die sich auch Entap@@@ der Extraktphase in dem Abscheider 5 ansammelt as Raffinat wird nach einer bestimmten Umwälzzeit des Extraktionsmittels (Extraktionszeit) aus dem Auto- klav 1 entnommen. Der Chargenbetrieb ist deshalb besonders geeignet zur Bestimmung des zeitlichen Verlaufs der extrahierten Stoffmenge sowie der zeitlichen Änderung der Extrakt- bzw. Raffinatzusammen setzung. . Er ist ebenfalls für den Einsatz von. Pest-.-. stoffen geeignet. In der soeben beschriebenen Anlage ist mit dem er- f indungsgemäss en Verfahren folgender Versuch durchge- führt worden. Eine Menge von 1000 g einer reinen, wässrigen 25 prozentigen NaCl-Lösung mit natürlichem Isotopenverhältnis von Cl35:Cl37 = 3.124 ist mit einem Massenstrom von 9.53 kg/h CO2 bei 280 bar und 600C begast worden. Das beladene Gas ist in dem nach geschalteten Abscheider 5 bei 56 bar und 290C von den extahierten Stofen befreit und in den Gaskreislauf zurückgeführt worden. Während des Versuches sind am Autoklaven alle zwei Stunden Proben der Kochsalz- lösung entnommen und im Massenspektrometer auf das Verhältnis von NaCl35 /NaCl37 (Masse 58/Masse 60) untersucht worden. Die massenspektrometrische Analyse ergab die in der folgenden Tabelle aufgeführten Iso topenverhältnisse: Proben- Extraktionszeit Isotopenverhältnis Trenntaktor Nr. h Cl35/Cl 1 0 3,12 1 2 2 3,32 1,06 3 4 3,38 1,08 In dem oben beschriebenen Versuch konnte schon nach zweistündiger Extraktionszelt eine deutliche Ver schiebung des Isotopenverhältnisses festgestellt werden Bei diesem @iskontinuierlichen Betrieb der Anlage @@, @@eren von ob = 1 ,06 bzw. 1 ,08 nach :r c-:: Stunden erreicht. Nach mehr als vier stündiger Extraktionszeit, beispielsweise nach sechs Stunden, wird1 im Gegensatz zu den Proben 1 bis 3 in der obigen Tabelle,vorzugsweise das leichtere Chlor Isotop extrahiert, worauf bei der Isotopenentnahme geachtet werden muss. Nach dem Stand der Technik kann die Extraktion mit überkritischen Gasen als ein geeignetes Verfahren zur Auftrennung von Komponentengemischen, die entweder in fester, feinzerkleinerter Form, in wässriger Lösung als Schmelze oder gelöst in organischen oder anorganischen Lösungsmitteln vorliegen, angesehen werden. Obwohl im o. a. Beispiel als Extraktionsmittel überkritisches C02 gewählt wurde, eignen sich auch andere überkritische Gase sowie Gemische aus überkritischen Gasen bei beliebigen Mischungsverhältnissen mit und ohne Zugabe eines Schleppmittels, welches unterkritisch ist, als Extraktionsmittel. Zur Erreichung einer gewünschten Anreicherung von einer Komponente im Raffinat oder Extrakt werden ggf. mehrere Anlagenstufen hintereinandergeschaltet. Das Verfahren der Extraktion mit überkritischen Gasen eignet sich grundsätzlich zur Trennung beliebiger Isotopenmischungen, wobei es jedoch vorteilhafterweise zur Trennung der technisch wichtigen Isotopengemische wie Wasserstoff-Deuterium, Lithium6-Lithium7 und Urn235-Uran238 angewendet wird.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Trennung von Isotopen eines Elementes, insbesondere zur Trennung der Isotope Wasserstoff Deuterium, Lithium6/ Lithium 7 und Uran 235/Uran 238, dadurch gekennzeichnet, dass die Isotope durch Extraktion mit überkritischen reinen Gasen oder mit überkritischen Gasgemischen getrennt werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als überkritisches Gas CO2 verwendet wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Isotope durch Extraktion mit überkritischen Gasen mit Schleppmittel getrennt werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleppmittel Wasser oder Benzol dienen. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktion bei Drücken, die bis zu 350 bar über dem kritischen Druck liegen, und bei Temperaturen, die bis zu 1000C über der kritischen Temperatur lie gen, erfolgt.

Inventors: COENEN, HUBERT, DR., NEUSCHUTZ, DIETER, DR., Neuschütz, Dieter, Dr.
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1979
Main classification: B01D59
IPC codes: B01D59, B01D11