DE4042207A1 - Geraet und verfahren zur trennung von zirkon-isotopen unter verwendung von ausbalancierter ionen-elektronenwanderung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein die Trennung von Isotopen, insbesondere betrifft sie jedoch ein Verfahren und ein Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen durch ausbalancierte Ionen­ wanderung in einem entgegenströmenden Elektolyten.

Die Verwendung von Zirkon zur Bildung von Behältern oder Brennstoffstabummantelungen für Kernbrennstoffe ist bekannt. Zirkon existiert als eine Mischung von Isotopen, die Zirkon 90, Zirkon 91, Zirkon 92, Zirkon 94 und Zirkon 96 umfaßt. Von all diesen Isotopen ist Zirkon 91 das am wenigsten wün­ schenswerte, um es in derartigen Behältern oder Brennstoff­ stabummantelungen zu verwenden, da sein verhältnismäßig hoher thermischer Neutronenquerschnitt bewirkt, daß es thermische Neutronen absorbiert und dabei die Uranspaltungsreaktion behindert, die in einer betriebenen Brennstoffstabanordnung wünschenswert ist. Bei natürlich auftretendem Zirkon bildet Zirkon 91 nur etwa 11% des Gesamtgewichtes des Metalls, wobei der Rest im wesentlichen durch Zirkon 90 (51,5%), Zirkon 92 (17%) und Zirkon 94 (17,5%) gebildet wird. Da jedoch der thermische Neutronenquerschnitt von Zirkon 91 das 158-fache des Querschnitts von Zirkon 90 beträgt und 6-mal mehr als der von Zirkon 96 und 18-mal mehr als der von Zirkon 94, ist der 11%-ige Gewichtsanteil von Zirkon 91 bei natür­ lich auftretendem Zirkon für 73% des gesamten thermischen Neutronenquerschnittes von natürlich auftretendem Zirkon verantwortlich.

Die Tatsache, daß Zirkon 91 für nahezu 3/4 des gesamten thermischen Neutronenquerschnittes von natürlich auftretenden Zirkon verantwortlich ist, hat die Entwicklung von verschie­ denen Isotopen-Trennverfahren veranlaßt, die so gestaltet sind, daß man die Menge von Zirkon 91 von natürlich auf­ tretenden Zirkon beseitigt oder zumindest reduziert. Bei einem solchen Verfahren wird eine Zirkonverbindung verdampft und einem Lichtimpuls ausgesetzt, der von einem CO₂-Laser erzeugt wird, und auf die Vibrationen der Bindung zwischen entweder Zirkon 90 oder Zirkon 91 und den anderen Bestand­ teilsatomen abgestimmt ist, die an dem Zirkon angeschlossen sind. Die abgestimmten Impulse von Licht verursachen, daß diese Bindungen in Resonanz geraten und aufbrechen, wodurch entweder Zirkon 90 oder Zirkon 91 freigesetzt wird, abhängig von der Frequenz der gewählten Lichtfrequenz.

Zwar hat sich eine derartige lichtinduzierte Isotopentrennung als wirksam für den angestrebten Zweck erwiesen, jedoch ist sie unglücklicherweise aufwendig und lediglich in der Lage, relativ kleine Mengen von Zirkon-Isotopen in irgendeiner gegebenen Zeit zu trennen. Somit ist dieses Verfahren nicht für ein umfänglicheres, für größere Mengen anzuwendenen Verfahren geeignet, bei dem auf preiswerte Weise große Mengen von an Zirkon 91 abgemagertem Zirkon geliefert werden, die jedes Jahr für die Herstellung von neuen Brennstoffanordnun­ gen und Brennstoffbehältern benötigt werden.

Andere Verfahren sind bekannt, die elektrolytische Kräfte verwenden, um Isotope von anderen Elementen zu trennen, wie beispielsweise von Kalium. Bei dieser Technik werden Ionen des natürlich auftretenden Kaliums in einen Elektrolyten eingeführt der eine wässrige Lösung von HCl sein kann. Der Elektrolyt und die aufgelösten Kaliumionen werden in eine Säule eingeführt mit einem inerten partikelförmigen Material gefüllt ist welches einen verlängerten, gewundenen Fließweg für die Kaliumionen auf ihrem Weg hindurch bieten, und es wird ein elektrisches Potential über der Säule angelegt. Die Spannung dieses Potentials zieht die Kaliumionen und die Wasserstoffionen in Richtung auf die Kathode, während gleich­ zeitig eine Gegenströmung von Chlorionen in Richtung auf die Anode erzeugt wird. Die Spannung ist stark genug, so daß ausreichende elektrolytische Kraft an die leichteren Kalium­ ionen angelegt wird, um diese zu veranlassen, eine Netto­ wanderung von solchen Ionen in Richtung auf die Kathode zu veranlassen, jedoch nicht so stark ist, um eine Nettowan­ derungsbewegung der schwereren Ionen in Richtung auf die Kathode zu bewirken. Da Kalium-41-Ionen ungefähr 5% schwerer sind als Kalium-39-Ionen, sind diese nicht so beweglich in dem flüssigen Medium des Elektrolyten, und die durch die Kathode auf sie ausgeübte elektrolytische Kraft ist unzu­ reichend, um die Kräfte der kinetischen Bewegung zu über­ winden, die sie veranlassen, in zufälliger Weise um den Elektrolyten herum in Brown′scher Bewegungsweise sich zu bewegen, und die Gegenströmung von negativen, Nicht-Kalium­ ionen, die in Richtung auf die Anode fließt, veranlassen diese schwereren Kaliumionen graduell, in Richtung auf die Anode zu wandern. Wegen der Balance zwischen der Strömung von Kalium-39-Ionen in Richtung auf die Kathode und der Gegen­ strömung von Kalium-41-Ionen in Richtung auf die Anode tritt eine Nettoströmung von Kaliumionen in dem Elektrolyten auf. Schließlich wird über eine Zeitperiode im Bereich des Elektrolyten in der Nähe der Kathode das Kalium 39 ange­ reichert, während der Bereich des Elektrolyten in der Nähe der Anode mit Kalium 41 angereichert wird.

Zwar hat das Verfahren der Trennung von Isotopen durch aus­ balancierte Ionenwanderung die grundsätzliche Fähigkeit auf billige Weise große Mengen derartiger Isotope zu trennen, jedoch ist die Wirksamkeit dieses Verfahrens stark abhängig von den relativen Gewichten der zu trennenden Isotope, da die Differenz dieser Gewichte die durchschnittliche Geschwindig­ keit der Ionen eines jeweiligen Isotopes in dem flüssigen Medium beeinflußt. Entsprechend besteht zwar eine angenäherte Gewichtsdifferenz von 5% zwischen Kalium 39 und Kalium 41 und ermöglicht es, eine ausbalancierte Ionenwanderung prak­ tisch und wirksam zur Trennung von Kalium-Isotopen auszu­ nutzen, jedoch ist bei dem nur 1-%igen Unterschied im Gewicht zwischen Atomen von Zirkon 90 (das etwas mehr als 50% allen natürlich auftretenden Zirkons ausmacht) und den Atomen des Zirkons 91 die Fähigkeit des bekannten ausbalancierten Ionenwanderungsverfahrens, Zirkon 91 von anderen Isotopen des Zirkons wirksam zu trennen, erheblich verringert. Hinzu kommt, daß die Effektivität eines derartigen balancierten Ionen­ wanderungsverfahrens leicht verschlechtert wird durch die Anwesenheit von irgendwelchen Flüssigkeitsmischprozessen in dem Elektrolyten, die aufgrund von Konvektionsströmungen auftreten können, die durch Hitze erzeugt werden, die in den Elektroden ausgestrahlt werden, oder die durch Flüssigkeits­ bewegung erzeugt werden, die durch Blasen von elektrolytisch erzeugten Gasen bewirkt werden. Außerdem neigen derartige ausbalancierte Ionenwanderungsverfahren dazu, bei der wirk­ samen Trennung von Isotopen langsam zu sein.

Somit besteht ein Bedarf sowohl für ein Verfahren als auch ein Gerät zur Trennung von Isotopen von Zirkon, das in der Lage ist, verhältnismäßig große Mengen von Zirkonatomen von Zirkonatomen 91 abzutrennen. Idealerweise sollte ein der­ artiges Verfahren schnell im Betrieb sein, so daß kommerziell signifikante Mengen von Zirkon, das an Zirkon 91 abgemagert ist hergestellt werden können, zur Benutzung in den Um­ mantelungen von Brennstoffstäben die in Kernreaktoranord­ nungen benutzt werden. Schließlich sollte das Gerät das zur Ausführung der Zirkon-Isotop-Trennung benutzt wird, einfach und billig in der Konstruktion und relativ einfach im Betrieb sein.

Allgemein gesagt, richtet sich die Erfindung sowohl auf ein Gerät als auch auf ein Verfahren zur Trennung von Zirkon- Isotopen, wobei die Nachteile, die mit dem Stand der Technik verbunden sind, vermieden oder zumindest verringert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren trennt Zirkon-Isotope in einem Elektrolyten durch ausbalancierte Ionenwanderung, bestehend aus den Verfahrensschritten des Einführens von Ionen von unterschiedlichen Isotopen des Zirkons in einen Elektrolyten, der auch negative Ionen enthält, Anlegen einer Spannung über dem Elektrolyten mit einer Anode und einer Kathode und mit etwa 2 bis 50 Volt dazwischen, um eine Strömung von Zirkon- Ionen in Richtung auf die Kathode zu verursachen, sowie eine Gegenströmung von Nicht-Zirkon-Ionen in Richtung auf die Anode, welche den Nettotransport von Zirkon-Ionen über die Anode und die Kathode auf Null reduziert. Die Methode gleicht die Tendenz der positiv geladenen Zirkon-Ionen aus, elek­ trolytisch in Richtung auf die Kathode gegen die kinetische Agitation der Zirkon-Ionen in dem flüssigen Elektrolyten gezogen zu werden. Die Anmelderin hat bemerkt, daß die Anwendung einer Spannung von zwischen etwa 2 und 50 Volt über einen derartigen Elektrolyten ausreichend ist, um eine kleine Vorwärtsdrift der leichtergewichtigen Isotope des Zirkons über die kinetische Agitation derjenigen Ionen in Lösung zu gewinnen die aber nicht ausreicht, um eine derartige kine­ tische Agitation mit Bezug auf die höhergewichtigen Zirkon- Isotope zu überspielen. Infolgedessen wandern die leichter gewichtigen Zirkon-Isotope in Richtung auf die Kathode, während die schwerergewichtigen Zirkon-Isotope in die Nähe der Anode wandern.

Um das Trennverfahren zu beschleunigen, umfaßt das Verfahren vorzugsweise auch den Verfahrensschritt des Polarisierens der Bewegung dieser Zirkon-Ionen in dem Elektrolyten entlang der Richtung der Strömung und der Gegenströmung der positiven und negativen Ionen mit Bezug auf die Anode und die Kathode. Wie im folgenden noch in größeren Einzelheiten zu sehen sein wird, kann dieser Schritt ausgeführt werden durch eine Vielzahl von parallelen Kapillarröhren, die einen sehr kleinen inneren Durchmesser aufweisen, der die Translations­ bewegung der Ionen aufgrund von kinetischer Agitation in allen Richtungen, ausgenommen der Richtung zwischen der Anode und der Kathode, behindert, wodurch der Trennprozeß stark beschleunigt wird.

Der Elektrolyt ist charakterisiert durch einen ausgewählten PH-Wert, und das Verfahren kann auch den Verfahrensschritt enthalten, diesen ausgewählten PH-Wert während der Strömung und der Gegenströmung der Ionen in dem Elektrolyten auf­ rechtzuerhalten, so daß der elektrische Stromfluß, der durch den Elektrolyten infolge der Spannung induziert wird, im wesentlichen konstant bleibt. Gemäß der vorzugsweisen Aus­ führungsform ist der Elektrolyt eine wässrige Lösung von HCl mit einer Molarität zwischen 0,5 und 3, die aufrechterhalten wird durch das ständige Hinzufügen von weiterem HCl, um für an der Kathode und an der Anode erzeugten Wasserstoff und erzeugten Chlor Ersatz zu liefern. Die Aufrechterhaltung eines konstanten PH-Wertes in dem Elektrolyten erzeugt einen Gegenstrom von Chlor-Ionen, der einen konstanten und gleich­ förmigen Widerstand gegenüber der Strömung der Zirkon-Ionen in Richtung auf die Kathode bewirkt, und weiterhin die elektrische Leitfähigkeit des Elektrolyten auf einen Pegel hält, was die Erzeugung von übermäßiger Hitze vermeidet, die wiederum zu ungewollter Mischung in dem Elektrolyten als Ergebnis von durch Wärme erzeugter Konvektionsströmung führt.

Bei den letzten Schritten des Verfahrens der Erfindung werden der Elektrolyt in der Nähe der Anode und der Kathode sorg­ fältig in einer solchen Weise abgezogen, um die Flüssig­ keitsbewegung möglichst gering zu halten und die Zirkon- Ionen, die darin enthalten sind werden aus der Lösung mittels einer Ammoniaverbindung niedergeschlagen.

Das Gerät der Erfindung umfaßt im allgmeinen eine Säule zum Aufnehmen eines Elektrolyten der Zirkon-Ionen von unter­ schiedlichen Isotopen wie auch negativ geladene Ionen umfaßt, wie beispielsweise Chlor-Ionen desweiteren eine Anode und eine Kathode, angeordnet an unterschiedlichen Enden der Säule. Die Kathode und die Anode legen eine Spannung über den Elektrolyten, die ausreichend ist, um die leichteren Zirkon- Ionen zu veranlassen in Richtung auf die Kathode zu wandern, und um eine Gegenströmung von Nicht-Zirkon-Ionen zu erzeugen, die ausreichend ist, um die schwereren Zirkon-Ionen zu veranlassen, in Richtung auf die Anode zu wandern. Der Apparat umfaßt weiterhin eine Polarisationsanordnung, um die molekulare Bewegung der Zirkon-Ionen zwischen der Anode und der Kathode zu polarisieren, so daß die Bewegung dieser Ionen in allen Richtungen mit Ausnahme der zwischen der Anode und der Kathode behindert wird. In der vorzugsweisen Ausführungs­ form stellte die Polarisationsanordnung ein Bündel von Kapillarröhren dar, von denen jedes einen inneren Durchmesser in der Größenordnung von annähernd 0,5 mm aufweist, deren offene Enden in Ausrichtung mit der Anode und der Kathode des Gerätes angeordnet sind.

Das Gerät kann weiterhin erste und zweite flüssigkeitsdurch­ lässige Teilungen umfassen, wie beispielsweise Glasfritte, angeordnet in der Säule zwischen der Anode und der Polari­ sationsanordnung und der Kathode und der Polarisationsan­ ordnung, um sowohl die Bereiche des Elektrolyten, die reich an gewissen Isotopen des Zirkon abzuteilen, wie auch um Materialmischung am Auftreten in dem Elektrolyten zu hindern, die infolge von Hitze oder Glasblasen, die an den Elektroden erzeugt werden auftreten in der in der Säule enthaltenen Elektrolyten kann. Die Anode und die Kathode können zumindest teilweise durch ein inertes Metall gebildet sein, wie Platin, um Korrosion zu minimieren. Schließlich kann der Apparat eine Drainage-Anordnung enthalten der ein Abzugsöffnung aufweist, die zwischen der Anode und der Kathode und der Polarisations­ anordnung angeordnet ist um einen Elektrolyten der reich an bestimmten Zirkon-Isotopen ist, ohne Agitation des Elektro­ lyten abzuziehen.

Sowohl das Verfahren als auch das Gerät liefern eine Ein­ richtung zur Trennung großer Mengen schwererer Zirkon-Isotope von leichteren Zirkon-Isotopen in einer Weise, die ver­ hältnismäßig schnell und billig ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische, halbschematische Ansicht eines Isotopen-Trennapparates gemäß der vorliegen­ den Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht des zentralen rohrförmigen Teils des Trennapparates, der in Fig. 1 erläutert ist, entlang der Linie 2-2, wobei dargestellt wird, wie die Polarisationsanordnung des Gerätes aus einem Bündel von dicht gepackten Glaskapillarröhren gebildet ist;

Fig. 3 eine Vergrößerung der Querschnittsansicht, die in Fig. 2 innerhalb des gestrichelten Kreises dar­ gestellt ist und

Fig. 4 in einer Querschnittsseitenansicht eine der Kapillarröhren die in der Polarisationsanordnung benutzt wird um zu erläutern wie sie die zu­ fällige Bewegung eines typischen Zirkon-Ions in Richtung auf eine Elektrode führt.

Gemäß nun der Fig. 1 umfaßt der Isotopen-Trennapparat 1 gemäß der Erfindung allgemein eine Säulenanordnung 3, die einen zentralen Rohrteil 5 besitzt, der von einem Kathodengehäuse­ teil 7 und einem Anodengehäuseteil 9 flankiert ist. Die Kathoden- und Anodengehäuseteile 7 und 9 enthalten eine Kathode 11 bzw. eine Anode 13. In der vorzugsweisen Aus­ führungsform sind sowohl die Kathode 11 als auch die Anode 13 aus einem nicht korrosiven Metall wie Platin hergestellt. Die Kathode 11 ist mit dem negativen Pol einer Spannungsquelle 14 verbunden, während die Anode 13 mit dem positiven Pol der Quelle 14 verbunden ist. Wie im folgenden noch näher er­ läutert werden wird, legt die Spannungsquelle 14 ein elek­ trisches Potential von irgendeinem Wert zwischen 2 und 25 Volt über Kathode 11 und Anode 13, und vorzugsweise etwa 5 Volt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Ein derartiger Spannungsbereich erzeugt den gewünschten Fluß von Zirkon- Ionen in Richtung auf die Kathode 11 und einen Balancegegen­ strom von Chlor-Ionen in Richtung auf die Anode 13, der notwendig ist, um die isotopische Trennung zu beeinflussen.

Sowohl das Kathodengehäuseteil 7 als auch das Anodengehäuse­ teil 9 umfassen eine die Elektroden isolierende Fritte 15 bzw. 17 um eine getrennte Kathodenkammer 19 in dem Ka­ thodengehäuseteil 7 und eine Anodenkammer 21 in dem Anoden­ gehäuseteil 9 zu bilden. Jede dieser die Elektroden iso­ lierenden Fritten 15 und 17 sind vorzugsweise von mittlerer Porosität, was wiederum den Ionen in dem Elektrolyten, der in der Säulenanordnung 3 enthalten ist, ermöglicht, ziemlich leicht zwischen der Kathoden- und der Anodenkammer 19 bzw. 21 zu fließen, ohne daß Hindurchführen von irgendeiner signifi­ kanten Menge von Fluidströmung. Sowohl die Kathodenkammer 19 als auch die Anodenkammer 21 umfassen einen Ventilations­ auslaß 23a, 23b, um das Austreten von Gasen zu ermöglichen, die an der Kathode 11 und der Anode 13 reduziert werden. Insbesondere ermöglicht der Ventilationsauslaß 23a an der Oberseite der Kathodenkammer 19 das Entweichen von elek­ trolytisch reduziertem Wasserstoffgas, während der Venti­ lationsauslaß 23b, angeordnet an der Oberseite der Anoden­ kammer 21 das Entweichen von elektrolytisch reduziertem Chlorgas erlaubt. Kathodenkammer 19 und Anodenkammer 21 umfassen jeweils weiterhin einen HCl-Ergänzungseinlaß 25a und 25b zur Aufnahme einer wässrigen Lösung von Wasserstoff- Chlorid von einer HCl-Ergänzungsanordung 46 (die im folgenden noch im einzelnen näher erläutert wird).

Die die Elektroden isolierenden Fritten 15 und 17 isolieren wirksam den Elektrolyten, der in dem Rest der Säulenanordnung 3 enthalten ist, von der Fluid-Agitation, die durch ständig ansteigende Blasen von Wasserstoff und Chlorgas erzeugt werden, die über die Flächen der Kathode und der Anode 11 und 13 aufwärts strömen. Diese Fritten 15 und 17 isolieren weiterhin den Rest des Elektrolyten von den kleinen aber gleichwohl bedeutsamen konvektiven Wärmeströmungen, die durch die Anode und die Kathode als Ergebnis des Hindurchtretens von elektrischem Strom durch sie von der Spannungsquelle 14 erzeugt werden. Schließlich isolieren diese Fritten 15 und 17 den Rest des Elektrolyten in der Säulenanordnung 3 von Fluid-Agitation, die durch das konstante Einführen einer wässrigen Lösung von Wasserstoff-Chlorid aus der HCl-Er­ gänzungsanordnung 46 durch die Tore 25a und 25b erzeugt wird, was alles während des Trennverfahrens gemäß der Erfindung durchgeführt wird, um für die ständigen Verluste an Wasser­ stoff und Chlor Ersatz zu schaffen, welche Verluste als Ergebnis der Elektrolyse auftreten, und um den PH-Wert des Elektrolyten auf einem konstanten Pegel zu halten.

Sowohl das Kathodengehäuseteil 7 als auch das Anodengehäuse­ teil 9 umfassen weiterhin jeweils eine zweite, säuleniso­ lierende Fritte 27 bzw. 29. Diese isolierenden Fritten 27 und 29 definieren Ablaßkammern 31 und 33 in den Gehäuseteilen 7 und 9, wie dargestellt. Jede dieser Abzugskammern umfaßt wiederum eine Abzugsöffnung 35a, 35b zum Abziehen von Elek­ trolyten, der angereichert wurde an entweder Zr₉₀ oder Zr₉₂, Zr₉₄ oder Zr₉₆. Zu diesem Zweck ist jede der Abzugsöffnung 35a, 35b mit einem Abzugsrohr 37a und 37b verbunden. Jedes dieser Abzugsrohre 37a und 37b umfaßt einen bürettenartigen Stophahn 39a und 39b, um das Abziehen der Isotopenlösung, die innerhalb der Abzugskammern 31 und 33 enthalten ist, in einer langsamen und gesteuerten Weise zu ermöglichen. Im Handel erhältliche und elektronisch gesteuerte Mikroventile können natürlich anstelle der bürettenartigen Ventile 39a und 39b eingesetzt werden. Die Auslaßenden einer jeden der Abzugs­ rohre 37 und 39 sind oberhalb von Sammelgefässen 42 und 44 angeordnet, wie dargestellt.

Wie bereits vorstehend angedeutet wurde, umfaßt das Trenn­ gerät 1 eine HCl-Ergänzungsanordnung 46 zur Ergänzung der Wasserstoff- und Chlor-Ionen in dem Elektrolyten, die durch die Kathode 11 und die Anode 13 zu Gas reduziert wurden. Um dies zu erreichen, umfaßt die Ergänzungseinrichtung 46 ein Reservoir 48 von wässriger HCl, die ein Paar von Leitungen 50a und 50b umfaßt, die mit den vorstehend erwähnten Er­ gänzungseinlässen 25a und 25b verbunden sind, angeordnet an der Oberseite von sowohl der Kathodenkammer als auch der Anodenkammer 19 und 21. Der Fluß von wässriger HCl durch jede dieser Leitungen 50a und 50b wird gesteuert durch elek­ tronisch betätigte Mikroventile 52a und 52b. Während des Betriebs des Gerätes 1 wird die Modulation dieser Mikro­ ventile 52a und 52b wiederum gesteuert durch die Kombination eines Stromfühlers in der Form eines Amperemeters 54 und eines Mikroprozessor 56. Wie in Fig. 1 schematisch darge­ stellt ist, ist das Amperemeter 54 angeschlossen zwischen der Kathode 11 und der Anode 13. Während Wasserstoff und Chlorgas an der Kathode und Anode 11, 13 während des Betriebs des Gerätes 1 erzeugt wird, ändert sich der PH-Wert, und damit wird die elektrische Leitfähigkeit des innerhalb der Säulen­ anordnung 3 enthaltenen Elektrolyten erhöht. Da die Spannungsquelle 14 eine konstante Spannung zwischen der Kathode und Anode 11 und 13 anlegt, reduziert dieser Anstieg des elektrischen Widerstandes die Menge des Stromes, die zwischen diesen Elektroden fließt. Dieser Abfall des elek­ trischen Stromes wird von dem Amperemeter 54 abgefühlt, dessen Ausgang wiederum mit dem Eingang des Mikroprozessor 56 verbunden ist. Der Mikroprozessor 56 ist programmiert, um den Stromfluß zwischen der Kathode und Anode 11, 13 innerhalb be­ stimmter Grenzen zu erhalten. Wenn also entsprechend der von dem Amperemeter 54 abgefühlte Strom unter die untere Grenze von diesem Programm abfällt, wird der Mikroprozessor 56 ein elektrisches Steuersignal durch Auslaßkabel 58a und 58b über­ tragen und somit die elektronisch betriebenen Mikroventile 52a und 52b veranlassen, sich zu öffnen, und dadurch eine ausreichende Menge konzentrierter wäßriger Lösung von HCl, die in dem Reservoir 48 enthalten ist, durchlassen, um so den Stromfluß zwischen der Kathode und der Anode 11 und 13 zu der oberen Grenze des Programms des Mikroprozessors 56 ansteigen zu lassen, woraufhin der Mikroprozessor 56 die Ventile 52a und 52b schließen wird.

Wie am besten aus den Fig. 2 und 3 hervorgeht, umfaßt der zentrale rohrförmige Teil 5 der Säulenanordnung 3 eine Polarisationsanordnung 60, gebildet aus einem Bündel von einzelnen Kapillarrohren 62. Bei der vorzugsweisen Ausfüh­ rungsform ist jedes der Röhren 62 ein kommerziell erhält­ liches Kapillarrohr des Typs, der bei der Nuklear-Magnet- Resonanz-Instrumentierung benutzt wird. Derartige Röhren haben einen inneren Durchmesser d von ungefähr 0,5 mm, und eine Rohrwanddicke t von ungefähr 0,1 mm. Diese Röhren 62 sind vorzugsweise in einer dicht gepackten, dreieckförmigen Anordnung gebündelt. Die Röhren 62 sind vorzugsweise zwischen etwa 12 und 20 cm lang, und der kleine innere Durchmesser dieser Röhren übt Kapillarwirkungen auf die in dem Elek­ trolyten vorhandenen Ionen aus, die ihre Brown′sche Bewegung in allen Richtungen bis auf die Röhrenrichtung - verzögert, und somit die Trennung verbessert. Zusätzlich, wie am besten aus Fig. 3 zu erkennen, sind die Zwischenräume zwischen den einzelnen Röhren 62 vorzugsweise vollständig mit einem Füller 63 gefüllt der ein schmelzbares Glas oder ein aushärtbares Kunststoffmaterial sein kann. Der Füller 64 kann beispiels­ weise irgendein Kunststoff einer Anzahl von Acryl-Kunst­ stoffen sein. Das Füllen der Zwischenräume durch eine Füllung 64 stellt sicher, daß keine Strömung oder eine andere nicht gleichförmige Fluidströmung an irgendeinem Punkt des Quer­ schnitts der Polarisationsanordnung 60 auftritt.

Der Betrieb der Polarisationsanordnung 60 kann am besten ver­ standen werden mit Bezug auf Fig. 4, die darstellt, wie die Brown′sche Bewegung eines typischen Zirkon-Ions wirksam in allen Richtungen beeinträchtigt wird, mit der Ausnahme der Richtung zwischen der Kathode 11 und der Anode 13 der Säulen­ anordnung 3. Die ausgewählte Verzögerung einer derartigen zufälligen, kinetischen Bewegung der Zirkon-Ionen liefert eine Trennsäule die gerade so wirksam ist, wie Säulen, die inerte, teilchenförmige Packungen verwenden, um die durch­ schnittliche Wegentfernung des Zirkon-Ions zu erhöhen, um so die isotopische Trennung davon zu verbessern, vergrößert jedoch stark die Trennung, die über eine gegebene Zeiteinheit erreicht wird, da die achsiale Bewegung zwischen der Kathode und der Anode 11 und 13 relativ unbeeinflußt bleibt.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Säulenan­ ordnung 3 mit einem Elektrolyten gefüllt, gebildet aus einer maximalen Menge von einem Zirkonsalz, wie ZrCl₄, das gelöst ist. Alternativ kann Zr(NO3) ₄ benutzt werden. Vorzugsweise ist die 0,10-molare Lösung von HCl mit dem Zirkonsalz ge­ sättigt. Wenn ZrCl₄ benutzt wird, ist das sich ergebende Elektrolyt ungefähr 1,67% ZrCl₄.

Als nächstes wird die Spannungsquelle 14 zwischen der Kathode 11 und der Anode 13 elektrisch angeschlossen. Zwar können Spannungen von irgendwo zwischen 2 und 50 Volt eingesetzt werden, jedoch legt die Spannungsquelle 14 vorzugsweise eine Spannung von etwa 5 Volt an. Kurz nachdem die Spannungsquelle 14 an die Kathode und die Anode 11 und 13 angeschlossen ist, werden das Amperemeter 54 und der Mikroprozessor 56 in Betrieb gesetzt. Der Mikroprozessor ist programmiert, um die erste Ablesung zu interpretieren, die er von dem Amperemeter 54 als den "Basislinien"-Strom empfängt, welchen Wert er während des Betriebs des Gerätes 1 aufrechtzuerhalten sucht. Während der Strom, der von dem Amperemeter 54 gemessen wird, von den spezifischen Dimensionen der Säulenanordnung 3 und der spezifischen Molarität der wässrigen HCl-Lösung und der Art des Zirkonsalzes, das darin gelöst ist, abhängt, hat die Anmelderin gefunden, daß die Stromdichten in der Größen­ ordnung von annähernd 100 Milliampere pro cm² Querschnitts­ fläche der Säule typisch sein sollten.

Der Betreiber des Gerätes 1 sollte das Anlegen eines 5 Volt Potentials zwischen der Kathode 11 und der Anode 13 für zumindest etwa 96 Stunden aufrechterhalten, und vorzugsweise etwa 360 Stunden, bevor versucht wird, Elektrolyt aus der Abzugskammer 31 und 33 abzuziehen. Zwar können die Ergebnisse variieren, abhängig von der Strömungs-Gegenströmungs-Charak­ teristik, die zwischen den Zirkon- und Chlorionen in dem Elektrolyten erreicht werden, jedoch nehmen die Anmelder an, daß die höchste Konzentration von Nicht-Zirkon-91 in dem Anodengehäuseteil 9 der Säulenanordnung erreicht wird, da die Gewichtsdifferenz zwischen dem Zirkon 94 und dem Zirkon 96 und Zirkon 91 wesentlich größer ist, als zwischen Zirkon 90 und Zirkon 91.

Nach dem die getrennten Zirkon-Isotope in die Sammelgefäße 42 und 44 abgezogen wurden, wird das Zirkon aus der Lösung durch Hinzufügen von einer wässrigen Lösung von Amonia niedergeschlagen. Die Niederschläge werden dann wiederge­ wonnen, abgezogen, getrocknet und das sich ergebende Zirkon­ nitrat zurück in metallisches Zirkon raffiniert, indem herkömmliche Raffinierungsverfahren angewendet werden.

Claims (28)

1. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen durch ba­ lancierte Ionen-Wanderung in einem Gegenstromelektro­ lyten, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens­ schritte: Einführen von Ionen unterschiedlicher Isotope von Zirkon in einen Elektolyten, der Nicht-Zirkon-Ionen umfaßt, und Anlegen einer Spannung von etwa 2 bis 50 Volt über dem Elektrolyten mittels einer Anode und einer Kathode um eine Strömung von Zirkon-Ionen in Richtung auf die Kathode und eine Gegenströmung der Nicht- Zirkon-Ionen in Richtung auf die Anode zu erzeugen, die den Nettotransport von Zirkon-Ionen über die Anode und die Kathode auf Null reduziert, wobei die leichtgewichtigeren Isotope des Zirkons in Richtung auf die Kathode wandern, während die schwerer­ gewichtigen Zirkon-Isotope in Richtung auf die Anode wandern.

2. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 1, wobei der Elektrolyt gekennzeichnet ist durch einen ausgewählten PH-Wert, mit dem weiteren Verfahrensschritt des Aufrechterhaltens des ausgewählten PH-Wertes während der Gegenströmung von Nicht-Zirkon-Ionen in dem Elek­ trolyten, so daß der elektrische Stromfluß der in dem Elektrolyten durch die Spannung erzeugt wird, im wesent­ lichen konstant bleibt.

3. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen gemäß An­ spruch 1, weiter gekennzeichnet durch den Verfahrens­ schritt des Polarisierens der kinetischen Bewegung der Zirkon-Ionen in dem Elektrolyten entlang der Richtung der Strömung und der Gegenströmung.

4. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 1, wobei die Ionen von unterschiedlichen Isotopen des Zirkons in den Elektrolyten durch Lösen einer Zirkon­ verbindung in dem Elektrolyten eingeführt werden.

5. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 4, wobei die Zirkonverbindung ein Zirkonsalz ist.

6. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkonverbindung ZrCl₄ ist.

7. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 1, wobei die Spannung zwischen etwa 2 und 25 Volt liegt.

8. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Abteilens verschiedener Abschnitte des Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode, um Bereiche des Elektrolyten zu definieren, die an unterschiedlichen Isotopen der Zirkon-Ionen angereichert sind, und um eine Massenmischung zu verhindern.

9. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 8, weiter gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Entfernens von Elektrolyt von zumindest einer der Be­ reiche und Reduzieren und Entfernen der Zirkon-Ionen von dem Elektrolyten in dem Bereich um Zirkon zu erzeugen, das mit einer oder mehreren ausgewählten Isotopen angereichert ist.

10. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 9, wobei die Zirkon-Ionen die in dem entfernten Elek­ trolyten vorhanden sind durch Niederschlag mit einer kautischen Verbindung reduziert werden.

11. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen durch ba­ lancierte Ionenwanderung in einem Gegenstromelektro­ lyten, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrens­ schritte:
Auflösen einer Zirkonverbindung in einem Elektrolyten, der gekennzeichnet ist durch einen ausgewählten PH-Wert und der Nicht-Zirkon-Ionen umfaßt, um unterschiedliche Isotope des Zirkons in den Elektrolyten einzuführen;
Anlegen einer Spannung zwischen etwa 2 und 25 Volt mittels einer Anode oder einer Kathode über dem Elek­ trolyten, um eine Zirkon-Ionen-Strömung in Richtung auf die Kathode anzuziehen und um eine Gegenströmung der Nicht-Zirkon-Ionen in Richtung auf die Anode zu er­ zeugen, die ausreichend ist, um die Wanderung der schwereren Isotope von Zirkon in Richtung auf die Kathode zu behindern, aber nicht ausreichen, um die Strömung der leichteren Isotope des Zirkons in Richtung auf die Kathode zu behindern, wodurch der Nettotransport von den Zirkon-Ionen über die Anode und die Kathode Null ist, und Aufrechterhalten des ausgewählten PH-Wertes des Elektrolyten während der Gegenströmung der Nicht- Zirkon-Ionen in dem Elektrolyten, so daß der elektrische Widerstand des Elektrolyten und damit der von der Spannung erzeugte elektrische Strom im wesentlichen konstant bleibt.

12. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 11, wobei der Elektrolyt eine wässrige Lösung von HCl mit einem ausgewählten PH-Wert von zwischen 0,5 und 3,0 ist.

13. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 11, wobei der PH-Wert des Elektrolyten so ausgewählt ist, daß der elektrische Widerstand bei dem Spannungs­ bereich von 2 bis 25 Volt ausreichend ist, um den Strom auf einen solchen Wert zu begrenzen, daß durch den Strom innerhalb des Elektrolyten erzeugte Hitze den Elek­ trolyten nicht wesentlich agitiert.

14. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 11, desweiteren gekennzeichnet durch den Verfahrens­ schritt des Abteilens von verschiedenen Abschnitten des Elektrolyten zwischen der Anode und der Kathode zur Definition von Bereichen des Elektrolyten, die an unter­ schiedlichen Isotopen der Zirkon-Ionen angereichert sind, und um Massenvermischung in dem Elektrolyten am Auftreten zu hindern.

15. Verfahren zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 11, weiter gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Behinderns der Bewegung der Zirkon-Ionen innerhalb des Elektrolyten in allen Richtungen mit Ausnahme der Richtung zwischen der Anode und der Kathode.

16. Gerät zur Trennung von schwereren und leichteren Zirkon-Isotopen durch ausbalancierte Ionenwanderung in einem Gegenstromelektrolyten, gekennzeichnet durch eine Säuleneinrichtung zur Fortführung eines Elektro­ lyten, der Zirkon-Ionen von unterschiedlichen Isotopen wie auch Nicht-Zirkon-Ionen umfaßt; eine Anode und eine Kathode, angeordnet an unterschied­ lichen Enden der Säuleneinrichtung zum Anlegen einer Spannung über dem Elektrolyten, die ausreicht, um eine Strömung von Zirkon-Ionen in Richtung auf die Kathode zu erzeugen und eine Gegenströmung von Nicht-Zirkon-Ionen in Richtung auf die Anode die ausreicht, um die Wanderung der Ionen der schwereren Zirkon-Isotope zu be­ hindern, aber nicht ausreicht, um die Wanderung der Ionen der leichteren Zirkon-Isotope zu behindern, und Einrichtungen zur Polarisierung der Molekularbewegung der Zirkon-Ionen entlang der Richtung der Strömung und der Gegenströmung.

17. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen gemäß Anspruch 16, wobei die Polarisationseinrichtungen eine Vielzahl von strömungsleitenden Röhren umfassen, angeordnet innerhalb der Säuleneinrichtung, wobei die offenen Enden einer jeden Röhre mit der Anode und der Kathode in Verbindung stehen.

18. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 17, wobei der innere Durchmesser einer jeden dieser Röhren zwischen 0,25 und 1,5 mm liegt.

19. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 17, wobei jede dieser Röhren eine Länge zwischen 15 und 30 cm aufweist.

20. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 16, weiterhin gekennzeichnet durch eine für Flüssigkeit durchlässige Teilungseinrichtung, angeordnet in der Säuleneinrichtung, um eine Massenmischung des Elektro­ lyten zu verhindern.

21. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 16, weiter gekennzeichnet durch erste und zweite flüssig­ keitsdurchlässige Teilungseinrichtungen, angeordnet in der Säuleneinrichtung zwischen der Anode und den Polari­ sierungseinrichtungen bzw. der Kathode und den Polari­ sierungseinrichtungen.

22. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigkeitsdurchlässi­ gen Teilungseinrichtungen eine Glasfritte umfassen.

23. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß Anode und Kathode zumindest teilweise aus einem inerten Metall gebildet sind.

24. Gerät zur Trennung von Zirkon-Isotopen nach Anspruch 21, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zum Abziehen von Elektrolyt von der Säule mit einem Minimum an Agitation vorgesehen sind, einschließlich einer Abzugsöffnung, angeordnet zwischen der Anode und der Kathode und den Teilungseinrichtungen.

25. Gerät zur Trennung von schwereren und leichteren Zirkon-Isotopen durch balancierte Ionenwanderung in einem Gegenstromelektrolyten, gekennzeichnet durch eine Säuleneinrichtung zur Aufnahme eines Elektrolyten, der einen ausgewählten PH-Wert aufweist, welcher Elek­ trolyt Zirkon-Ionen von unterschiedlichen Isotopen wie auch negativ geladene Ionen enthält;
eine Anode und eine Kathode, angeordnet an den unter­ schiedlichen Enden der Säuleneinrichtungen zum Anlegen einer Spannung über den Säuleneinrichtungen, die aus­ reichend ist, um eine Strömung von Zirkon-Ionen in Richtung auf die Kathode zu erzeugen, und eine Gegen­ strömung von negativ geladenen Ionen in Richtung auf die Anode zu erzeugen, die ausreichend ist, um die Wanderung der Ionen der schwereren Zirkon-Isotope zu behindern, aber nicht ausreicht, um die Wanderung von Ionen der leichteren Zirkon-Isotope zu behindern, so daß die Nettoströmung von Zirkon-Isotopen zwischen der Anode und der Kathode im wesentlichen Null ist.
Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des ausgewählten PH-Wertes des Elektrolyten; und
Einrichtungen zur Polarisierung der Molekularbewegung der Zirkon-Atome in dem Elektrolyten entlang der Rich­ tung der Strömung und der Gegenströmung, einschließlich einer Vielzahl von strömungsleitenden Röhren, angeordnet innerhalb der Säuleneinrichtungen, wobei die offenen Enden der Röhren mit der Anode und der Kathode in Verbindung stehen.

26. Elektrolyt, bestehend aus Zirkon-Ionen und Nicht- Zirkon-Ionen, erzeugt durch das gemäß Anspruch 1 de­ finierte Verfahren, wobei die Proportionen der ver­ schiedenen Isotope des Zirkons, die in dem Elektrolyten enthalten sind, unterschiedlich sind gegenüber den Proportionen der verschiedenen Isotope von Zirkon, die ursprünglich in den Elektrolyten eingeführt wurden.

27. Elektrolyt gemäß Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß natürlich auftretendes Zirkon zur Erzeugung der Zirkonionen benutzt wird, die anfänglich in den Elek­ trolyten eingeführt wird, der einen geringen Anteil von Zirkon 91 als natürlich auftretendes Zirkon umfaßt.

28. Elektrolyt, der Zirkon-Ionen und Nicht-Zirkon-Ionen umfaßt, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 12 erzeugt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Proportionen der verschiedenen Isotope des Zirkons in der HCl-Lösung unterschiedlich sind gegenüber den Proportionen der verschiedenen Isotope des Zirkons, das anfänglich in den Elektrolyten eingeführt wurde.