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L'invention concerne un dispositif de séparation d'isotopes. On
sait que 1PS dispositifs actuellement utilises pour la séparation
d'isotopes, not~mment des isotopes U238 et U 235 de l'uranium, sont
coûteux. C'est pourquoi on a proposé d'autres dispositifs, dans
lesquels un faisceau lumineux fourni per un laser excite sélectivsment
des mol~cules d'un seul isotope au ssin d'un gaz contenant les deux
isotopes à séparer I il est ensuite relativement facile de s~parer les
moléculss excitées de celles qui ne le sont pas. L'inconvénient ds
tels dispositifs, dans le cas de ga2 moléculaires, tient au fait qu'il
Rst généralement difficils de trouver une raie d'absorption de l'un
des isotopes suffisammant écartée de toutas les raies d'absorption de
l'autre isotope pour qu'il soit possible d'exciter le premier isotope
sans exciter le deuxième. Ceci tient à l'existence de nombreuses raies
d'abosrption dans les spectres de d~ux isotopes, et à la largeur de
ces raies. Dan~ les conditions habituelles, cette largeur est due
surtout 3 l'effet Doppler qui déplace les fréquences d'absorption vers
le haut ou vers le bas slslon que les moléculss se déplacent, par
agltation thermlque, dans le sens de propagatlon de la lumière ou dans
le sens oppos~. ;
La largeur Doppler LD, c'est-à-dire. la largeur de rale due à
l'effet Doppler, dlminue lorsque la temp~rature diminue et s'annule au
~ro ~bsolu~ Lea raies d'absorption préaentent alors une largeur
r~iduello, upp~1~3 largeur naturolle, LN, et ~bn~ralement beaucoup
plu~ faible que la largeur Doppler LD dans le9 conditlons habituelles.
La pr~sent0 lnvention a pour but la r~alisation d'un disposltif
de s0paration d~isotopes lorsque deux isotopes 3 s~p~rer préaentent
chacun un3 r~le d~abosrption telle que l'écart entre les deux raies
u8t in~erleur 3 leur l~rgeur Ooppler tout en étant supérieur à leur
largsur natur~lle,
El19 a pour obJet un dispositl~ ds séparatiQn d'isotopes comportant :
1 _~1 - ~$' '' '
1,...... .......... .
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- des moyens pour mettre un premier et un deuxieme isotopes à séparer
sous la forme d'un gaz,
une source de lumière monochromatique d'excitation pour excitsr de
manière distincte les molécules gazeuses de ces deux isotopes,
- un premier et un deuxième récepteurs pour recueillir s~lectivement
1BS molécules du premier et du deuxième isotopes ainsi excitées de
manière distinctes, respectivement,
caractérisé par le fait que la fréquence FL de ladite lumi~re d'excitation
est choisie entre une limite inférieurs et une limite supérieure
dépendant des fréqusnces F1, F2, de deux raies d'absorption voisines
de ce premier et de ce deuxième isotopes, la différence DF entre ces
deux fr~quences F1 et F2 étant inférieure à la largeur Doppler LD
de chacune de ces raies et ~tant supérieure à la fois à la largeur
naturelle LN de chacune de ces deux raies et à la largeur de raie
LR de ladlte source ds lumlare d'excitation, ladite limite inférieure
F1-1/2 LD étant égale à la plus petits F1 des deux dites fréquences de
rales d'absorption dlminuée de la moltié ds la lar~eur Dopplsr LD,
et ladlte llmlte supérieure F2 ~ 1/2 LD ~tant ~ale ~ la plus grande
F2 des deux dites fréquenoes de raies d'absorption augmentée de la
moitl~ de ladlte largeur Ooppler LD,
graca ~ quoi la probablllt~ d'excltatlon desdites malécules par cette
lumi~re d~pend de la direction de leur d~placement d'une façon importante
et di~r0nte pour les deux dits lsotopes,
une source de lumlare d'ionisation LI ~tant dispos~es pour lrradier le
lleu dllnter~ction entre ladite luml~re d'excitatlon et lesdltes
mal~cule9 ~azeu9es a~ec une luml~re d'ionlaatlon apte ~ lonlser les
mol~cules excitées sans ionlser les moléoules non exclt~es,
le0dit8 r~cepteurs ~tant aptes à recueilllr sélectivement les mol~cules
ionisées,
ledit premler recepteur etant placé de manlère que, audit lieu d'interaction
- 2
.'. .;
.. .
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les molécules du premier isotope se dirigeant vers ce premier recepteur
soient plus probablement exritées par la~ite lumière d'excitation que
les molé~ules d~ ce premier isotope se diri~sant vers le deuxi~me
récepteur et qu'il n'en soit pas de même pour les molécules du deuxième
iSDtOpe,
- la pression dudit gaz étant choisie suffisammQnt faible pour que la
distance entre ledit lieu d'interaction et ledit premier récepteur
soit inférieure au double du libre parcours moyen des molecules au
sein de ce gaz.
A l'aide dss figures schématiques 1 st 2 ci~jointes, on va
décrire ci-apr~s, à tltre non llmltatif, un mode de mdse en oeuvre de
l'inventlon.
La flgure 1 représente un diagrsmms des variations du coefficlent
d'ab20rption A d'une lumière monochromatique par des molécules gazeuses ~-
contenant les isotopes à aéparer en ~onction de la ~r~quence f de cette
lumière. `
La figure 2 représente une vue en coupe d'un disposltif selon
l'invention.
Sur la flgure 1, les courbes A1 et A2 repr~sentent les variations
du coefficlent d'absorptlon d'une luml~re monochromatlque correspondant ~`
~ deux rales d'un gaz contenant un premler et un deuxi~me lsotopes I1
et I2, respeotlvement.
Ces oourbes pr~sentent une grande largeur ~ mi hauteur, correspondant
~ lar~eur de raie Doppler LD, à la temp~rature oholsie pour effectuer
¦ la o~paratlon~
j L00 courbao N1 et N2 repr~sentent 1e8 ~arlations des m~mes coefflcients
d'ab~orption en l'~b9ence d'e~et Doppler, c'est-à-dlre qu'elles
montrent à mlhauteur les largeurs naturelles dess memes rales. On peut
oupposer, pour slmpll~ler l'exposé, que ces largeurs sont égales et on
les dé~lgnera par LN~ Sl elles sont inégaleg. c'est la plus ~rande de
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',,'.
.
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ces largeurs qui sera prise en considération~ Les fr0quences centrales
F1 et F2 des deux raies présentent une différsnce DF = F2 - F1, inf~rieure
à la largeur de raie Doppler LD et supérieure ~ la lar~eur naturelle
LN. Compte tenu du fait que le d0placement de fréquence par effet
Doppler est li~ à la vitssse relative de chaque molécule par rapport à
la lumière, il résulte de ce qui précède que si on fait lnteragir le
gaz en question, avec une lumière monochromatique dont la fréquence FL
est intermédiaire entre les fréquences F1 et F2, la probabilité d'excltation
d'une molécule gazeuse dépendra de façon importante de la direction de
son déplacement à l'instant d'interaction. Uns molécule d'un lsotope
aura une grande probablllté d'excltatlon si elle a une composante de
vltesse convenable dans le sens de propagatlon de la lumière. Une
molécule de l'autre isotope aura une grande probabilité d'excitation si
elle a une composante de vitssse convenable dans le sens opposé à c81ui
de la propagation de la lumière.
Cett0 dl~férence de comportement entre les molécules d~s deux
isotopes subsistera si on utilise une lumière dont la fréquence est
ext~rleure a l'lntervalle de frsquences F1, F2, mais suffi~amment
proche de l'une de C8S fréquences, c'est-~-dire en pratique, si la
fr~quence de cett~ lùmière reste compriae dans l'intervall~ entre la
fréquence F1 - 1~2 L0 et la ~réquence F2 ~ 1~2 LD. Dans ce dernier cas,
le8 molécules dea deux isotopes les plu5 probablement excltéss auront
des composants~ de ~ite~ae de m~me sens dans la direction de propagation
de ln lumi~re, mais ces oomposantes seront nettement dif~rente~
Dan~ tous ~e~ cas, compte tenu du fait que les molbcules gazeu9es
ont ~ quillbre thermlque des vite99e9 absolues voisines le~ unes des
~utre~, les mol~cules les plu9 probablement excitses auront des ~itesses
fal~ant un angle détermlné avec la direction de propagation de la
lumibre, c'est-~-dire qu'ellea seront orientées selon un cone ds
r~volutlon autour de cstte dlrection. C'est l'angle au sommet de ce
cone qul différera selon que les molecules contiennent l'un ou l'autre
des deux isotopes.
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'`'' :
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Selon la présentP invention, on utilise au moins un r~cepteur
dispose, par rapport au li8u d'interaction, de maniere à ce que les
molécUleS contenant l'un des isotopes aisnt une grande probabilité
d'excitation lorsqu'elles se dirlgent vers lui à l'instant d'interaction.
Presque immédiatement après leur excitation, ces molécules sont ioni~ées
par une lumière dont la longueur d'onde est choisie pour assurer
l'ionisation de ces molécules excitées sans ioniser les molécules non
excitées. Cette ionisation ne modi~ie pratiquement pas la direction de
propagation des mol~cules.
Le récepteur peut ~tre de natures très diverses. S'il est par
exemple chimique, il sera choisi de manière ~ fixer les molécules
lonisées et 3 ne pas fixer les molécules non ionisées. Il peut aussi
être de nature électrique.
Pour que le r~cepteur reçoive préférentiellement les molécules
ayant eu une certaine direction de déplacement lors de l'intsractlon
avec la lumière d'excitation, il est nécessaire que ces molécules
conservent cette directinn de d~placement Jusqu'au voisinage du récepteur,
c'est-3-dlre que la distancs entre le lieu d'interaction et le récepteur
ne doit pas atre trop supérieure au libre parcours moyen des molécules
dans le gaz. En pratique, on oholsit la presslon pour que cette distance
soit inf~rleure au double du libre parcours moyen des moléoules.
Pour que l'excitation dépends de ~açon importante de l'lsotope et
de 1~ direction de propagation, il ~aut encore que la largeur de raie
de la aource de lumi~re utills~e solt su~ amment ~aible, c'est-à-dire
en pr~tique in~ricure à l'~cart de fr~quences entre les raies d'absorptlon
ds~ deux isotopes.
La figura 2 représente un dispositif selon l'invention dans lequel
le9 récepteurs agissent par attraction electrique. Une encelnte 2
form~e par des parois isolantes, pr~sente une symétrie de révolution
autour d'un ~xe 3 et comporte Une chambre d'lnteraction axialc 4 situ~e
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entre dsux fen8tres 6 et a perpendioulaires ~ l'axe 3 et transparentes
pour les rayonnements utilisés. Cette chambre reçoit un gaz contenant
les isotopes à séparer, sous une pression convenable. Un laser d'~xcitation
LE envoie un faisceau d'excitatian axial dans la chambre d'interaction
4 à travers la fsnêtre 6. Un premier récepteur R1 et un deuxième
récepteur R2 ayant chacun la forme d'une couronne m~tallique présentant
une symétrie de révolution autour de l'axe 3, sont disposés dans
l'enceinte 2, autour d'une chambre d'interaction 4, et sont maintenues
à un potentiel électrique négatif par un générateur 10. Une anode 12,
est disposée dans l'enceinte 2 entre les récepteurs R1 et R2 et portée
à un potentiel positif par le générateur 10. Les récepteurs R1 et R2
sont disposés, par rapport à la chambre d'interaction 4 de manière à ce
que les molécules gazeuses les plus probablement excitées par la
lumlère du laser LE soient celles qui, au moment de leur lnteraction
avec cette lumière, se dirigent vers le r~ceptsur R1 si elles contiennent
l'isotope I1 et cslles qui se dirigent vers le r~cepteur R2 si elles
contlennent l'isotope I2~ Peu après leur excitatlon, ces molécules sont
lonis~es sélectivement par un faisceau lumineux envoye dans la chambre
4 par une sourca de lumière d'lonlsatlon LI, g~nfiralement ultraviolette,
~ travera la fenêtre 8. Cette lonisation leur psrmet d'être recueillies
psr le~ rficepteurs R1 et R2.
La pression dans l'encainte 2 est choisie pour que les molficules
ioni~ées ne subissent g~n~ralement pfls de choc entre la chambre d'interaction
4 et les r~cepteurs R1 et R2. La l~rgeur de la ch~mbre 4 selon l'axe 3
e9t choisie pour que la maJeure partie de l'~nergie lumineuae fournie
par le laser LE solt ab~orbee dens cette chambre.
Dans un caa particuller de mise en oeuvre de l'lnvention, les
isotopes A sfiparer I1 et I2 sont les isotopes 78 et 80 du sélénium
respectivement. Ils sont mls sous la forme de mol~cules gazeuses de
s~lénium dlatomique8~ étant entendu que le dl8posltl~ selon l'lnvention
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permet de sPparer les molécules homogsnes d'un des isotopes des molscules
homogènes de l'autre isotope, c'est-à-dire 7~ Se 2, et BO Se 2, SOU5
une pression de 25 millitorrs, ~ une température ds 250C, dans une
chambre d'interaction ayant une longueur de 1,5 cm.
Les transitions utilisées pour l'excltation sont
B1u - X1g 2-13 R ~66~ pour l'isotope 78,
et B1u - X1g 0-12 R (15~ pour l'isotope 80.
Les largeurs naturelles des deux raies d'absorption correspondantes
sont voisines de 10 MHz. Elles ont des longueurs d'onde très voisines
de 4.765 Angstroems.
Lsurs largeurs Doppler valsnt LD = 1000 MHz environ.
On utillse pour l'excitatlon un laser LE du type connu à argon
ionisé monomode stabilisé sn fréqusnce fournissant uns lumière de
longueur d'onds réglable autour de 4.765 an~stroems avec une largeur de
rale de 10 MHz.
Pour la mise en oeuvre ds l'inventlon, on peut faire pr~alablement
varler cette longueur d'onde Jusqu'3 ce que l'on attelgne une valeur
qui permet d'obtenir une s~paration optimale. Cependant, il est plus
commode en g~nérsl d'effectuer ce re~lage prealable par observation de
l'inten~it~ de la lumière de fluorescence rébmlse par le gaz.
Pour cele, on fait d'abord varier la longueur d'onde du laser
d'excitatlon autour de 4.765 angstroems dans un lntervalle a~sez large
pour en~lober lea deux r~ies pr~cbdemment mentionnées. Ce~ intervalle
correopond par exemple au triple de la lar~Bur Doppler. On observe en
m~m~ tQmps l'lnten~lt~ de la lumlare de fluorescence vlslble emlse par
10 ~az sou8 l'act~on du rayonnement de ce laser. Cette intenslté è~t
d'~bord tr~s falbl2. Elle cro~t ~ortement lorsqu'on approche de la
lon~ueur d'onde ~ utlllser, passe par un premier maxlmum tcorrespondant
~ la frbquence Fl) pu18 par un minlmum tcorrespondant à la fréuquence
FL~, puls par un deuxl~me maxlmum tcorrespondant à la fséquence
..
,, . - .
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F2~ et redevient très faible. On choisit alors pour le laser d'excitation
le réglage correspondant au minimum.
On utilise pour l'ionisation une source ultraviolette assurant la
photoionisation quasi immédiate des ~olécules excitées, c'est-a-dire
dans l'état B1u sans ioniser de mani~re importante les molécules non
excitées c'est-à-dire dans l'état X1g. Pour cela, la lumière de cette
source est filtrée de manière à obtenir une fréquence de coupure
convenable. ^
Les récepteurs R1 et R2 sont disposés de manlère à recevoir les
molécules dont la direction de déplacement dans la chambre 4 fait avec
la dlrectlon de propagatlon de la lumlère d'excitation des angles
symétrlques qul sont aJustés expérlmsntelement de manière à ce que
chacun d'sux recuellle un maximum de l'un des isotopes.
La dlstance des r~cepteurs R1 et R2 à partlr ds la chambre d'lnteraction
4 est de 1,5 cm environ.
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