レーザー励起による同位体の分離

レーザー励起による同位体分離（SILEX）は、核兵器拡散のリスクが高まる可能性のある原子炉の燃料としてウランを濃縮するプロセスです。SILEXは、レーザー凝縮抑制を利用して六フッ化ウラン（UF ₆）のウラン235同位体の振動モードを励起し、この軽い分子がガスジェットの外縁に急速に移動して、励起されていない重い²³⁸ UF ₆に比べて凝縮に抵抗できるようにすると強く疑われています。^[1]これは、商業的な可能性のために研究された以前のレーザー濃縮方法、つまり原子ウランを使用する方法（原子蒸気レーザー同位体分離（AVLIS））や、レーザーを使用してフッ素原子を²³⁵ UF ₆から解離し（分子レーザー同位体分離（MLIS））、濃縮された生成物を固体として沈殿させる別の分子的方法とは大きく異なります。^[1]

オーストラリアの会社 Silex Systems Limited は、この技術の最も著名な開発者ですが (Global Laser Enrichment コンソーシアムの一員)、頭字語 SILEX は、よく知られており、世界中で開発中または複数のアプリケーションで使用されている、凝縮抑制を利用した物理的分離コンセプトのみを指します。^[2]操作パラメータ、機器の配置、レーザーとその機能は、SILEX タイプのプロセスごとにわずかに異なる場合があります (異なる名前で呼ばれる場合もあります) が、凝縮抑制が利用されている場合、特に AVLIS または MLIS で使用されるものと比較すると、物理的分離コンセプトは同じです。

^{プリンストン大学の物理学者ライアン・スナイダーは、このプロセスは、新たな、よりアクセスしやすい技術的経路[2] [3]}と検出不可能な特徴（小さな面積と高いエネルギー効率）を提供することで、核兵器のさらなる拡散につながる可能性があると示唆している。^[1]

1970 年代に、さまざまな分子レーザー同位体分離(MLIS) 法の開発 が始まりました。これらすべてにおいて重要な物理プロセスは赤外線レーザーであり、これはガス状の六フッ化ウランの同位体の 1 つだけを振動励起します。これには 16 μm 近くの波長が必要です。従来の MLIS はその後も分子を励起して解離させ、その時点で五フッ化ウラン 235として結晶化します。

レーザー同位体分離研究は、当初は大いに盛り上がったものの、遠心分離機が技術的に成熟していた一方で、依然として大規模で不確実な研究開発作業が必要であったため、1990年代にはほとんど放棄されました。^[4] しかし、オーストラリアはSILEX技術の研究を継続しました。

1996年11月、Silex Systems Limitedは、ウラン濃縮の技術を米国濃縮公社（USEC）に独占的にライセンス供与しました。^[5] 1999年、米国とオーストラリアはSILEXの共同研究開発に関する国際条約に署名しました。 ^[6] しかし、2003年にUSECはプロジェクトから撤退しました。^{[独自の研究? ]}

サイレックスシステムズは2005年に第2段階のテストを完了し、テストループプログラムを開始しました。2007年、サイレックスシステムズはゼネラルエレクトリックコーポレーション（GE）と独占的商業化およびライセンス契約を締結し、テストループをノースカロライナ州ウィルミントンにあるGEの施設に移管しました。同年、GE日立ニュークリアエナジー（GEH）は、米国の2大原子力発電会社であるエクセロンとエンタジーとウラン濃縮サービスの意向書に署名しました。 ^{[7] [オリジナル研究? ]}

2008年、GEHはSILEX技術を商業化するためにGlobal Laser Enrichment（GLE）をスピンオフさせ、Silexプロセスを使用した最初の商業用ウラン濃縮施設の可能性を発表しました。米国原子力規制委員会（NRC）は、GLEがテストループを運営することを許可するライセンス修正を承認しました。また、2008年には、世界最大のウラン生産者であるカナダのカメココーポレーションがGEと日立に加わり、GLEの共同所有者になりました。^[8]

2010年には、SILEXプロセスが世界の核安全保障に脅威をもたらすのではないかという懸念が提起された。^[9]

2011年から2012年にかけて、GLEはウィルミントンに商業用濃縮工場を建設する許可を申請し、取得した。^{[10] [11]この工場では}、低濃縮ウランの上限である8% ²³⁵ U までウランを濃縮する予定である。^[12]

2014年にGLEとSilex Systemsの両社は再編を行い、Silexは従業員数を半減させた。^[13] 2016年にGEHはGLEから撤退し、投資を帳消しにした。^{[13] [14]}

2016年、米国エネルギー省は、ケンタッキー州パデューカに計画されているレーザー濃縮施設でSILEX法を用いて40年かけて再濃縮（235Uの濃度を0.35～0.7％）するために、約30万トンの劣化ウラン六フッ化物をGLEに^販売することに合意した。^[15]

2018年、Silex SystemsはGLEの計画を断念し、SILEXの技術をオーストラリアに送還する予定でした。^[16]

2021年、サイレックス・システムズがGLEの過半数株式（51％）を取得し、カメコ（49％）が少数株主となった。GLEと米国エネルギー省の合意に基づき、GLEは最新の拡散濃縮工場から数百キロトンの劣化ウラン鉱滓を自然レベルまで再濃縮する。その工場は2013年までパデューカで稼働しており、GLEは同じ場所に新しい工場を建設する予定である。^{[17] [18]}

_{気体 UF 6}の最短波長の基本振動は約 16 μm です。室温ではその幅 (約 20 cm ⁻¹ ) は同位体シフト (0.6 cm ⁻¹ ) よりもはるかに大きくなります。この広がりは、熱的に励起された振動状態と回転状態によるものです。選択励起を可能にするために、キャリア ガス (アルゴンまたは窒素) で約 100 倍に希釈された UF _{6 は}、ノズルから真空中への断熱膨張によって約 80 K まで冷却されます。最初は衝突がまだ発生します (これは冷却に必要です)。しかし、ノズル直径の約 10 倍移動した後は、膨張のために衝突が非常にまれになり、凝縮が起こらなくなります。衝突を回避することは、同位体間の衝突によるエネルギー移動を抑制するためにも必要です。このような分子ビーム法は、選択励起のためにスペクトルの狭窄が必要なすべての場合に使用されます。

SILEX では、ノズル直後に十分な数の衝突が発生し、キャリアガス G とのクラスター (UF6•G) を形成できるように、圧力とノズル径が大きく選択されます (UF6の密度は G に比べてはるかに低いため、 UF ₆ •UF _{6クラスターは実際には形成されません)。} ²³⁵ UF ₆が 628.3 cm ⁻¹で選択的に励起された場合、この分子は G と凝集しませんが、励起されていないより重い²³⁸ UF _{6 は}凝集します。 自由分子は熱速度が高いため、クラスターよりも速く分子ビームの軸から離れます。 したがって、クラスターはスキマーノズルによって下流に透過された部分に濃縮されますが、透過されなかった部分は 235 ^UF 6_に濃縮されます。 濃縮係数は、透過部分が大きいほど (つまり、減少が小さく、カットが小さいほど) 良好です。つまり、SILEX はレーザーで改造され、クラスター形成 (「凝縮」) の選択的抑制を活用する分離ノズルを使用します。

そのためには、CO ₂レーザーには少なくとも 20 MW が必要です。ラマンシフトが 354.3 cm ⁻¹で、CO ₂レーザーの波数が 982.1 cm ⁻¹ (10R30 ライン) の場合、627.8 cm ^{−1を受け取ります。これは、 235} UF ₆の Q ブランチ(中心 628.3 cm ⁻¹、幅 0.01 cm ^{−1 [19] ) に最も近いだけであり、 238} UF ₆の Q ブランチにさらに近いです。GLE は、必要な微調整をどのように行うかについては通知していません。高圧 CO ₂レーザーでは、パルス繰り返し率にさらなる問題が生じます。一般的な (大気圧) CO ₂レーザーと誘導ラマンシフターを使用した場合の技術水準は 2～4 kHz です。^[20]分子ビームの大部分が照射されないままにならないようにするためには、パルスノズルを使用しない限り、少なくとも20kHz（Urencoによれば数十kHz ^[21]）が必要です。十分な吸収長を確保するために、ノズル自体はスリット形状でなければなりません。

GLEは分離係数が2～20に達すると報告しているが、値が高いほどおそらく劣化した減衰率（数値は示されていない）と関係している。これは天然ウラン（0.72% ²³⁵ U）から原子炉級（> 3% ²³⁵ U）への濃縮には十分である。ファン・デン・ベルググループの先駆的な研究では、SF ₆ではるかに小さな濃縮しか得られなかった。^[22]

適切な波長を持つ他のレーザーを使用することで、SILEX は塩素、モリブデン、 炭素、シリコンなどの他の元素の同位体濃縮にも使用できます。

現在の濃縮技術と比較すると、SILEX はより高い濃縮度を実現しています。そのため、爆弾級ウラン ( ²³⁵ U が 90% 以上) に達するのに必要な段階が少なくなります。GLE によると、各段階で必要なスペースは従来の方法の 25% 程度です。そのため、悪徳政府が爆弾用ウランの生産施設を隠すことが容易になります。^[9] GLE の主張によると、SILEX プラントはより速く、より安価に建設でき、エネルギー消費量も大幅に少なく、その魅力はさらに高まります。そのため、科学者は SILEX が核兵器への容易な道を作り出す可能性があると繰り返し懸念を表明しました。^{[1] [23]}

2001年6月、米国エネルギー省は「ウラン濃縮のための革新的な同位体分離プロセスに関する特定の非公開情報」を機密扱いにした。原子力法では、特に機密解除されていないすべての情報は、非公開か公開かを問わず、制限データとして分類される。これは、機密扱いは「米国政府が所有、作成、または管理する」情報にのみ割り当てられると規定する国家安全保障分類大統領令とは大きく異なる。これは、原子力法がこのような方法で使用された唯一の既知の事例である。^{[24] [25]}

2014 年のオーストラリア放送協会のドラマ「ザ・コード」では、「レーザーウラン濃縮」がプロットの核心として使用されています。女性主人公のソフィー・ウォルシュは、この技術が現在の濃縮方法の代替として実行可能になれば、より小型で、エネルギー消費が少なく、制御がより困難になると述べています。ウォルシュ氏はまた、この技術の開発が長引いており、この技術の機密性と機密性を維持することに政府が大きな関心を持っていると述べています。

• 原子蒸気レーザー同位体分離
• 分子レーザー同位体分離

• サイレックスシステムズリミテッド: http://www.silex.com.au/
• スナイダー、R.、「第3世代レーザーウラン濃縮技術の拡散評価」、サイエンス＆グローバルセキュリティ：https://doi.org/10.1080/08929882.2016.1184528
• スナイダー、R.、「ウランのレーザー濃縮による拡散リスク」、米国科学アカデミー