專利名稱：加工材料及其相關的改進的制作方法
技術領域：
本發明涉及加工材料及其相關的改進，具體但不限定地說，本發明涉及核燃料物質、核燃料循環中涉及的物質及核燃料工業中涉及的物質的加工。
在現有技術中，用于通過物理或化學方法將礦石轉化成適于濃縮的材料的系統幾乎都包括一系列濕化學技術。例如，在基于六水合硝酸鈾酰的工段中濃縮原料氧化鈾；在脫硝段中將該物質轉化成UO3；然后將UO3還原成UO2；在氫氟化段中形成UF4，然后進行進一步氟化形成UF6，把UF6供料給所用的濃縮工序。
在循環廢燃料及其它含鈾原料中使用同樣復雜的，一般涉及濕化學的化學和物理步驟。
根據本發明的第一方面，我們提供一種處理含鈾原料的方法，該方法包括使含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；將氟化鈾供料到分離段，在分離段中，氟化鈾轉化成等離子體和/或電離形式，至少部分鈾被電離，而至少部分氟未電離，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流循環到氟氣和含鈾物質接觸段。
含鈾原料可以是鈾礦石，這種礦石可以是礦山交貨時的礦石和/或有更高鈾含量的礦石。
含鈾原料可以是對先前用在核燃料循環中的鈾和/或含鈾物質進行再加工時產生的鈾和/或氧化鈾。
含鈾原料可以是一種或多種工序中產生的含鈾廢渣，如濃縮加工物流，包括其廢物流或副產品物流。
含鈾原料可以是核反應堆中產生的廢燃料。廢燃料中可含有裂變產品和/或钚同位素和鈾。
一種或多種上述類型的原料可以同時供料到該工藝中。
產生的氟化鈾可混合成氟化物形式，但是氟化鈾主要優選為六氟化鈾。
在分離段前可有一個物質除去段。在該工段中，可從工藝中除去氟化鈾特別是六氟化鈾。該氟化鈾可供料到濃縮工序和/或儲存和/或輸送到遠處和/或銷售。在該工段中，可從工藝中除去雜質，特別是當含鈾原料是鈾礦石時。雜質可作為氟化雜質除去。
根據下述細節提供分離段。
第一產品流可包括金屬鈾。金屬鈾可用于生產MAGNOX燃料。金屬鈾可供料到后續工序，如濃縮工序。濃縮工序可以是AVLIS和/或其它的金屬為主的濃縮工序。濃縮工序可根據下述細節提供。第一產品流，特別是涉及到廢燃料原料的第一產品流可包括元素形式的鈾和/或钚和/或裂變產品。該元素形式可作為廢燃料物質的儲存形式。
第二產品流主要優選為氟。這種氟可以是原子形式的氟，但是優選可還原成分子形式的F2。
可在將第二產品流供料到氟/含鈾物質接觸段之前對其進行加工。該工序包括洗滌氟以除去其它物質。在供料到氟/含鈾物質接觸段之前可用外部氟源將第二產品流中的氟水平和/或含量提高。外部氟源可根據本發明的第三方面提供。
根據本發明的第二方面，我們提供處理含鈾原料的裝置，該裝置包括含鈾物質與氟氣接觸的第一單元，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；形成分離段的第二單元，氟化鈾供料到該分離段，分離段包括將氟化鈾轉化成等離子體和/或電離形式的等離子體和/或離子發生器，至少部分鈾被電離，而至少部分氟未電離，該分離段還包括磁場發生設備，以產生磁場，該磁場包含電離部分，形成第一產品流，該分離段還包括用于從磁場中取出未電離部分的設備，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流循環到氟氣和含鈾物質接觸的第一單元。
根據本發明的第三方面，我們提供一種氟化含鈾原料的方法，該方法包括使含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；將含氟物質供料到分離段產生氟氣，在分離段中，含氟物質轉化成等離子體和/或電離形式，原料中的非氟部分至少部分被電離，而原料中的氟部分至少部分未被電離，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流供料到氟氣和含鈾物質接觸段。
提供的含鈾原料可以如本發明第一方面所定義的那些物質。產生的氟化鈾可以是如本發明第一方面所定義的氟化鈾。
含氟原料可以是核燃料生產過程中產生的物質。含氟物質優選是氟化鈾，更優選是六氟化鈾。理想的氟化鈾中的鈾是貧235U。仍然更優選的是UF6的鈾是貧235U。UF6可以是來自其它工序和/或同一工序的其它部分的原料和/或來自UF6的儲存源的原料。
第一產品流優選含有鈾，特別是貧鈾。第一產品流可以作為貧鈾的儲存形式。
第二產品流優選補充從根據本發明第一方面的工序中的分離器循環的氟。
根據本發明的第四方面，我們提供氟化含鈾原料的裝置，該裝置包括含鈾物質與氟氣接觸的第一單元，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；
形成分離段的第二單元，通過把含氟物質供料到分離段而在分離段中產生氟氣，分離段包括將含氟物質轉化成等離子體和/或電離形式的等離子體和/或離子發生器，原料中的非氟部分至少部分被電離，而原料中的氟部分至少部分未被電離，該分離段還包括磁場發生設備，包含在磁場發生設備所產生的磁場中的電離部分形成第一產品流，該分離段還包括從磁場中取出未電離部分的設備，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流供料到氟氣和含鈾物質接觸的第一單元。
根據本發明的第五方面，我們提供一種濃縮含鈾原料的方法，該方法包括將含鈾原料加入分離段，在分離段中，含鈾物質轉化成等離子體和/或電離形式，至少部分鈾被電離，而原料中的非鈾部分至少部分未被電離，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第一產品流供料到濃縮段，在濃縮段中，對第一產品流施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離第一產品流中的一種或多種成分，選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流。
可根據本發明第一方面中的原料提供含鈾原料。但是，含鈾原料優選是一種或多種氟化鈾，特別是六氟化鈾。
可根據下述細節提供分離器。
第一產品流優選主要含有原料中的鈾。第二產品流優選主要含有原料中的非鈾部分，特別是有較低原子質量的成分。
第一產品流，特別是其中含有鈾的第一產品流可仍然以電離形式供料到濃縮段。但是，第一產品流，特別是其中含有鈾的第一產品流，更特別是其中含有238U的第一產品流優選在濃縮段之前進行中和。第一產品流，特別是其中含有鈾的第一產品流優選以氣體和/或蒸氣形式供料到濃縮段。
優選地是，選擇施加的電磁輻射的一種或多種頻率是優先電離含235U的成分，而后電離含238U的成分。
這些成分可以是分子形式，如摻進鈾的各種同位素的UF6，但是優選是這些同位素自身的原子形式。
可通過將第三產品流靜電吸引到收集場所而將第三產品流和第四產品流分離。第四產品流優選收集在分離場所。
優選地是，與第一產品流相比，第三產品流中的一種或多種同位素，理想地是235U的含量提高了。優選地是，與第一產品流相比，第四產品流中的所說的一種或多種同位素，理想地是235U是貧化的。
第三和/或第四產品流可進行進一步加工。
根據本發明的第六方面，我們提供濃縮含鈾原料的裝置，該裝置包括形成分離段的第一單元，將含鈾原料加入分離段，分離段包括將含鈾物質轉化成等離子體和/或電離形式的等離子體和/或離子發生器，至少部分鈾被電離，而原料中的非鈾部分至少部分未被電離，分離段還包括用于產生磁場的磁場發生設備，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，分離段還包括從磁場中取出未電離部分的設備，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；形成濃縮段的第二單元，第一產品流供料到濃縮段，濃縮段包括一個電磁輻射源，優選是激光器，以對第一產品流施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離第一產品流中的一種或多種成分，濃縮段還包括將選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流的設備。
根據本發明的第七方面，我們提供一種提純含鈾物質的方法，該方法包括含鈾物質供料到濃縮段，在濃縮段中，對加入的原料施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離加入的原料中的一種或多種成分，選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流。
這兩個產品流中的一個或全部供料到氟化段，在氟化段中，產品流中的含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；將氟化鈾和產品流中的其它成分供料到分離段，在分離段中，氟化鈾分離出來形成第五產品流，產品流中的一種或多種其它成分形成第六產品流。
供料到濃縮段的含鈾物質優選是原子鈾，其優選是氣體和/或蒸氣形式，其優選是非電離形式。
在濃縮段中，優選以前面詳述的本發明第五方面的方式濃縮供料到其中的物質。
第四產品流可供料到氟化段，但是特別優選地是，也將第三產品流供料到氟化段。
優選如前面詳述的本發明第一方面那樣產生氟化鈾。
產品流中的其它成分可以是一種或多種其它金屬，具體來說，可以是鐵。優選地是，鐵也在氟化段中被氟化。
可根據揮發性的不同而將氟化鈾，最優選是較高揮發性的氟化鈾，理想地是六氟化鈾與一種或多種優選也是氟化物形式的雜質分離。第五和/或第六產品流可進行進一步加工。
根據本發明的第八方面，我們提供提純含鈾物質的裝置，該裝置包括形成濃縮段的第一單元，含鈾物質供料到濃縮段，濃縮段包括一個電磁輻射源，優選是激光器，以對加入的原料施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離加入的原料中的一種或多種成分，濃縮段還包括將選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流的設備。
形成氟化段的第二單元，這兩個產品流中的一個或全部供料到氟化段，在氟化段中，產品流中的含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；形成分離段的第三單元，將氟化鈾和產品流中的其它成分供料到分離段，在分離段中，氟化鈾分離出來形成第五產品流，產品流中的一種或多種其它成分形成第六產品流。
前面詳述的本發明的各個方面可相互結合。例如，本發明第三方面中的生成氟的過程可用于產生本發明第一方面中的氟化段中所需要的氟。同樣，本發明第三方面中的生成氟的過程可用于產生本發明第七方面中的氟化段中所需要的氟。本發明的第一方面和本發明的第五方面中的分離器還可能是同一個分離器，從該分離器出來的第一產品流到達濃縮段。這種結合工藝還可使用本發明第三方面以產生氟化段中所需要的氟。另外，還可能有或沒有第一方面的分離器，也可能有或沒有第五方面的分離器，本發明的第五方面和第七方面中的濃縮段可以是同一工段。本發明的第一、第三、第五和第七方面可以全部合成一個工藝過程。
原料可以以氣體、液體、固體或混合物的狀態加入磁場。優選加入磁場的是氣體原料。
原料可以以氣體、液體、固體或混合物的狀態加入等離子體發生設備。
原料可以以氣體、液體、固體或混合物的狀態加入電離設備。優選加入電離設備的是氣體原料，特別是在沒有提供等離子體發生器的情況下。
可以通過將固體或液體初始原料煮沸和/或蒸發和/或升華而產生氣體形式的原料。向氣體狀態的轉化可通過加熱爐、微波加熱器或其它形式的加熱設備進行。該氣體優選是在電離之前加入。
優選全部的，或基本上全部的指定成分被電離。優選全部的，或基本上全部的指定成分不被電離。
優選一些或全部所說的原料中的金屬元素被電離。特別優選將原子量大于90的金屬元素電離。優選一些或全部所說的原料中的非金屬元素不被電離。特別優選原子量小于90，最優選小于70，理想地是小于60的所有元素不被電離。特別優選如鈾和/或钚和/或釷和/或釓的元素被電離。優選如氫和/或氟和/或氧和/或氮的元素不被電離。硼優選不被電離。裂變產品優選不被電離。
這些成分的電離可由等離子體的溫度造成。另外或可替代的是，這些成分的電離可由這些成分與電子回旋加速器產生的高能電子發生反應造成。
可通過電子回旋加速器單元中輸入的能量和/或停留時間控制電離的程度和/或電離的成分。
優選通過輸入能量的等級控制電離。可通過控制等離子體的溫度來控制輸入能量的等級。輸入的能量優選在原料的成分之間不是選擇性的。優選通過這種方法將原料中的所有成分升高到相同的能量級。原料中的電離成分和未電離成分在主要條件下相互之間是平衡的。
原料可轉化成氣體，然后供料到ECR單元以電離。可用爐式加熱器或蒸發器將固體或液體原料轉化成氣體/蒸氣形式。
因此，在一個具體的實施方案中，等離子體可將原料轉化成分離的原子，然后用電子回旋加速器進行至少部分電離，優選選擇性地進行電離。
提供的原料優選是分子形式并可作為分離的原子和/或元素形式與電離的分離的原子和/或元素形式選擇性分離。這就產生了適用于比使用元素原料并以元素形式分離的技術或使用分子原料而后以分子形式分離的技術中更寬范圍的原料的技術。
控制所說的等離子體的溫度以便以所需的方法將成分進行選擇性電離。因此，等離子體可電離原料中的一些成分，而使其它成分如裂變產品和/或非金屬元素不被電離。
優選在3000-4500K的溫度下提供所說的等離子體。優選通過微波或射頻設備產生所說的等離子體。優選在1000-10000Pa的壓力下操作發生器中的等離子體。優選的壓力值是2000+/-10％。
其它或可供選擇地是，控制原料在分離前在等離子體中的停留時間以便以所需的方法將成分進行選擇性電離。
原料優選以未電離形式加入磁場。不帶電的氣體的部分電離過程優選在磁場中進行。氣體可以是分子和/或原子形式。
配置的磁場可限定出一個圓柱形活性空間，在該活性空間中產生等離子體/離子。從等離子體產生和/或電離設備中出來的等離子體/離子優選通過該容器區的軸線到達下一個分離段。
電離和未電離成分的分離優選通過將未電離成分從等離子體中除去，最優選作為氣體除去的方式進行。未電離成分可用泵抽離電離成分。磁場包容并因此約束了電離成分。
可在多個工段中將電離成分和未電離成分分離。這多個工段優選是相互分離的。這多個工段可通過有孔的擋板而相互分離。該孔優選完全在磁場的容器區。一個或多個這些工段優選在不同于一個或多個其它工段的壓力下操作。壓力可通過泵入物料的水平來保持。進口附近的一個或多個工段中的壓力優選高于離進口遠的一個或多個工段中的壓力。相對于離進口更近的前一個工段中的壓力，每一個區域的壓力都優選逐步降低。離開進口的每一個工段中的壓力優選是前一個工段中壓力的30％-60％。
優選提供三個工段，每一個工段的長度是0.5-2m。
第一工段優選在10-50Pa的壓力下操作。優選40Pa+/-10％。
第二工段優選在5-20Pa的壓力下操作。優選16Pa+/-10％。
第三工段優選在2-10Pa的壓力下操作。優選7Pa+/-10％。
分離的不帶電成分可循環用作后續使用和/或進行進一步加工。這包括進一步選擇性電離和/或選擇性加工以分成不同的成分。
分離的帶電成分優選仍然包含在磁場中。分離的帶電成分可進行進一步加工。這包括選擇性去離子；去離子后進行進一步選擇性電離；或其它的選擇性加工以分成不同的成分。
上述方面中所指的濃縮段可具有一種或多種下述特征。
可將濃縮段抽真空，如達到10-6托或更低。
可通過一個或多個激光束和/或一個或多個激光器而施加電磁輻射。產生的選擇性電離優選是光化電離。可在一個或多個工段中發生電離和/或勵磁，優選地是，對于不同的工段選擇不同的頻率。
可通過將電離物質靜電吸引到收集場所如一個或多個收集盤而將電離成分和未電離成分分離。更優選通過使用磁場使電離成分變向而將電離成分和未電離成分分離。
現在通過一個實施例并參照附圖來描述本發明的各種實施方案。
圖5示出適用于本發明的加工路線的分離段的一個實施方案；圖6示出適用于本發明的加工路線的分離段的一個替代實施方案；和圖7示出適用于本發明的加工路線的一種濃縮器。
圖1示出一個直接氟化段2，在直接氟化段2中，將所關心的金屬成分氟化，然后是氟/金屬分離段4，氟/金屬分離段4產生各種可能的產品形式及要通過工段6循環回直接氟化段的氟。該系統可用于各種可能的原料和各種目的產品形式。
但是，作為目的工藝的一部分，大部分UF6從洗滌段10輸送到分離段4。在下面要詳細討論的分離段4中，鈾及其它金屬物質與氟及其它低原子量的物質分離。氟作為物流16回到工段6作為后續原料返回到直接氟化段2。系統中氟的量可由也供料到工段6的氟源18添滿。
該技術的主要優點是雖然用昂貴的氟來將礦石中的鈾和雜質分離，但是，氟是回收的并循環回氟化段2用于后續再利用。就這樣提供一個對于氟來說基本上是封閉的循環。
來自工段4的金屬產品流可形成產品流20進行后續加工，這將在后面詳細討論，或者也可以形成金屬鈾產品流22，例如，用作MAGNOX燃料。再加工鈾原料前面參照圖1概述的系統可同樣好地使用來自工段24、由再加工鈾、主要是UO3組成的原料。再加工鈾可從各種可能的來源中得到，包括從廢燃料棒中提取的鈾。
重復地說，將氧化鈾供料到直接氟化段以轉化成UF6。重復地說，可以提出由UF6組成的產品流14，這種鈾是再加工鈾。
對于再加工鈾原料來說，除去雜質段10可以是必需的，也可以不是必需的。
重復地說，在分離段4中，鈾和氟分離，把氟進行循環。然后，可將鈾進行再加工，如將其濃縮，或者也可以用于生產MAGNOX燃料。鈾廢渣原料現有的各種與生產鈾燃料相關的工藝都產生需要加工的廢渣流。這些物流一般由氧化物形式的鈾組成，結果，這樣的物流26適于供料到前面概述的工藝中的氟化段2中。重復地說，可按照需要將鈾提出進行后續的再加工。補充氟的路線特別是加工鈾礦石濃縮物時，在氟化雜質在工段10中從該工藝中除去的情況下，必須往循環中添加氟以補充隨這些雜質損失掉的氟。氟可有各種來源，但是優選的生產路線是圖2中的路線。
圖2示出氟源段6，來自分離段的作為物流16的氟供料到氟源段6，該氟又回供到氟化段2。添加的氟由物流28引入工段6。
用于這部分工藝的原料段30提供了UF6源，并且特別優選是由現有的濃縮技術和/或以前產生的貧UF6儲備堆產生的貧UF6物流。貧UF6一般主要由238UF6組成。在濃縮工序中，大部分的235UF6已從貧UF6中除去。
來自工段30的UF6原料供料到分離段32，分離段32優選和前面圖1概述的分離段4是同樣的類型，下面將對其進行詳細討論。
分離段32產生供料到氟循環所需的氟物流28和分離的產品流34。產品流34優選是比UF6更適于長期儲存形式的金屬鈾。當該金屬是貧鈾，主要是238U形式的情況下特別是金屬鈾。廢燃料原料該技術的一種變化是使用廢燃料原料，其在圖3中進行概述。
一般包括氧化鈾、裂變產品和氧化钚的廢燃料加入工段36并形成加入直接氟化段2的原料。然后將產生的UF6和其它氟化金屬供料到分離段4。
根據原料和所需產品形式的性質來看，一般不從該工藝路線中除去雜質。
如上所述，氟從工段4經由工段6循環回直接氟化段2。從工段4出來的產品用于后續處理。該產品可形成送往后續加工段的原料20，或者也可以形成其本身就是產品形式的物流38。
產品流38特別優選是均為金屬形式的鈾，钚和裂變產品的混合物。這種產品形式與仍在燃料棒或燃料組件中的物質相比，可以進行長期儲存，并代表了一種有很大改進的儲存形式。不僅其中的物質的實際形式有改進，而且該物質的體積與其在實際燃料組件中的體積相比以約2.5的因數進行縮減，另外，組件本身的體積也不需要儲存。結果，需要儲存的體積的總的縮減因數可達到20左右。這種產品形式用于儲存的另一個有益性能是金屬鈾是良好的γ射線屏蔽層，因此，該材料具有防止由其中含有的裂變產品產生的γ射線的屏蔽作用。對濃縮產品的處理圖4示出包括AVLIS的多個濃縮加工段40，工段40提供了金屬或氧化物形式的濃縮形式的鈾。物流42通常含有鐵或其它雜質，在對鈾進行再加工之前，要求把這些雜質除去。
在圖4所示的工藝路線中，含鈾和鐵的物流42供料到直接氟化段44，所用的氟由氟源段46供料。
特別優選地是，氟源段46是如前面圖1中概述的分離段4和/或如前面圖2中概述的分離段32的一般類型的分離器。重復地說，加入該工段的原料48特別優選包括UF6尾礦，特別是貧UF6。又，隨著有用的氟供料到氟化段44，就產生了更易于儲存和/或處理的產品形式50。
在直接氟化段產生的六氟化鈾，氟化鐵及其它氟化物可基于其不同的揮發性而在分離段50中分離。因此，可取出揮發性較高的UF6作為產品流52用于后續的再加工，如用于制造業，而取出氟化鐵雜質作為產品流54用于后續處理。分離段圖5示出適用于本發明各種實施方案的合適的分離段。
原料物流200穿過等離子體發生器202，等離子體發生器202迅速地將原料加熱到約4000K。等離子體發生器202可以是微波或RF型等離子體發生器，以這種方式更易于控制等離子體溫度。
組206和216中的導電線圈產生高強度磁場，其磁力線用204示意性表示。建造的等離子體發生器和磁場能使原料中電離的成分仍然處于磁場的包圍中。設置的導電線圈產生的磁場強度大于0.1特斯拉。
當原料物流200穿過等離子體發生器202后，其溫度有很大升高，結果，原料物流200中的成分分解成其組成原子。這便于根據組成原料的單個原子進行加工，而不需要元素原料或只能根據分子間的不同才能對原料進行加工。
在等離子體溫度下，鈾原子及其它高原子質量的成分帶電，如U+。但是，較低原子質量的成分，在這種情況下主要是氟，仍然不帶電。已電離的和不帶電的物質都是氣體形式。
利用其電荷，鈾離子包含在磁場中并向前穿過線圈組形成產品流224。但是，不帶電的氟原子可自由運動，而不受磁場的約束，結果，可用真空泵或其它合適的設備將其抽出作為工藝物流214。一旦離開鈾離子，就可使氟的能量降低，可以結合成F2。
因此，作為該分離段的結果是鈾與原料液中的低原子量的元素分離，鈾可進行后續加工或利用。
發生在分離器中的選擇性電離的性質很重要。電離是作為系統的總能級的結果而發生的。因此，在主要條件下電離的物質和不電離的物質是由在這些條件下對這些物質的平衡狀態所決定的。因此，其中的選擇性電離是穩定的和持久的，所以能有效地進行分離而沒有時間的壓力。
如果引入系統的能量選擇性地被一種物質所占有而不是被一種或另一種物質所占有，那么進行的選擇性電離就用處不大。在這種情況下，電離和未電離物質之間的碰撞就導致能量的轉移，因此，就可能改變其狀態和/或改變其物種。這就在所有的分離速度上造成很大的時間壓力，必須意識到否則的話，就失去了選擇性。另外，這種電離必須對低密度的物質進行，否則，就會發生對于選擇性來說太劇烈的碰撞。
但是，本發明概述的平衡狀態允許物質之間發生對工藝的選擇性無害的碰撞。結果，可能有更高的物質產量。
一種可使用的替代性分離器示于圖6。重復地說，對該設備的描述與將鈾和六氟化鈾原料的分離相關，但是該設備易于應用在其它領域。
六氟化鈾原料液作為蒸氣形式的物流(300)加入。射頻等離子體發生器(302)迅速地將原料轉化成等離子體。在2KPa下操作等離子體發生器，是為了確保由于高度碰撞所造成的對于原料中所需成分的電離的基本平衡度。
等離子體發生器內部的接觸部分可用陶瓷的氟化物制成，這是為了使其具有能夠承受所要涉及的條件所必需的物理性能。該系統可使用銅表面，用含水管道冷卻該銅表面。用水流降低銅壁的溫度，并在壁上形成氟化鈾的濃縮物。這就對銅進行了化學和熱絕緣。隨著在壁上沉積成給定厚度的氟化鈾，就最終形成了一種平衡狀態。這就產生了自燃襯里效應。
產生的等離子體通過噴嘴(304)離開發生器(302)，并包含在用(306)示意性表示的磁場中。使用半徑約為30mm的噴嘴是為了保持等離子體發生器(304)中的壓力并產生所需的流速。
等離子體離開等離子體發生器進入1區(308)時，將膨脹冷卻。但是，鈾離子逆磁場的運動會導致部分再加熱。如果在隨后的過程中通過該裝置往該等離子體中引入合適的額外的能量來使所需的成分的溫度保持其仍能電離的水平，那么就能夠保持基于平衡的所需的選擇性。這種能量可由射頻設備提供。
離開等離子體發生器的物質束將隨著其與等離子體發生器的距離增加而散開。
擋板(310，312)定義了各個區，在選擇它們的孔徑時，考慮了膨脹性。
包容磁場的磁場強度是約0.1特斯拉。盡管可以使用超導磁體，但是傳統的電磁體就能產生這樣大的電磁強度。這種強度的磁場把鈾離子限定為離噴嘴的運行距離是3m時其半徑是180mm。每一個區/段都是1m長。物質膨脹束的半徑大致與運行距離的第四路線成正比。
在1區(308)中提供了一個通往真空泵(圖中未示出)的出口(314)。這可以將第一廢物流從該裝置中抽出，該廢物流包括不帶電的物質，主要是氟。鋁可用于廢物流線。
1區內的壓力是約13Pa，在物質束穿過該區的過程中，物質束中的氟的壓力基本降到該壓力值。用可商購的泵將超過該值的過多的氟通過出口(314)抽出。
降低了氟含量的物質束接著通過擋板(310)中的縫隙(318)進入2區(316)。
2區(316)在比1區更低的壓力下操作，約為5Pa，重復地說，當物質穿過該區時，物質束中的氟含量朝著該壓力值降低。
然后，物質束通過擋板(312)中的縫隙(322)進入3區(320)。
該區又在更低的壓力下操作，約為2Pa，過多的氟通過出口(324)用泵抽出。
然后，非常缺乏氟的物質束到達出口(326)用于后續處理。
電離的氣態鈾可與一些描述的格柵接觸以放電并把鈾的能量降低到其是固體或液體的狀態。可以考慮引入化學物質以進行驟冷和/或冷卻活動。在這種情況下用惰性氣體冷卻鈾可能是優選的，因為不會出現氣體之間的化學結合。結果就產生了金屬鈾。可充分地將鈾冷卻以產生固體鈾，或者也可以只進行部分冷卻使之成為液體形式的鈾。
保留在鈾產品流(326)中的氟易于作為氟化鈾從大量的鈾產品中揮發和循環。當鈾作為液體收集時，可以方便地當場進行分離。揮發的UF主要轉化成可循環的UF6。
可提供通過放氣來收集從液體中釋放出來的氟的預備裝置。
對于每小時12kg的鈾原料，將產生5.7kg/hr的氟。在這些氟中，從1區可望用泵抽出3.6kg/hr；從2區可用泵抽出1.3kg/hr；從3區可用泵抽出0.5kg/hr；在鈾產品流(326)中保留有0.3kg/hr。從該產品中作為UF和/或UF4放出氟氣可產生非常純的產品鈾，即，這部分的氟含量范圍是ppm級。鈾濃縮段對鈾的濃縮以提高235U的比例，可通過各種技術進行。例如，由圖1中的直接氟化段2產生的UF6可在工段10中從該工藝中除去，然后供料到一體化濃縮工序和/或運輸到遠處的濃縮工序。濃縮工序可基于氣體離心和/或氣體擴散分離和/或熱擴散分離。
但是，從分離段4出來的鈾作為產品流20優選直接送往后續的濃縮段。
AVLIS(原子蒸氣激光器同位素分離)提供了特別優選的濃縮形式。提供的適用于本發明的AVLIS型濃縮器如圖7所示，濃縮器70由容器72組成，原料物流沿通道74引入容器72。用泵76將容器72抽真空到低壓，一般低于10-6托。
當如圖1或3所示，濃縮器70緊跟在分離器4后面時，原料一般是原子蒸氣形式的金屬鈾。
當如圖4所示，濃縮器70后面連著直接氟化段44時，原料可以是來自上一工段(如上述類型的一種分離器)或能夠將原料轉化成原子蒸氣形式的濃縮器。該設施(圖中未示出)可通過應用感應加熱和/或電阻加熱和/或電子束提供。
一旦引入容器72，原料物流78就和通過容器72中的窗口82引入的由激光器產生的激光輻射80接觸。仔細選擇射頻的頻率，使得這些射頻可以使一系列同位素產生光化電離，而不會使其它系列的同位素產生光化電離。原料物流是鈾的情況下，一般選擇的頻率能夠激發235U，而不激發238U。
一旦轉化成電離形式，則離子就被靜電吸引到收集盤84中。收集的濃縮物可周期性地或連續地從收集盤中取出。未電離形式的物質不會吸引到帶電盤84中，因此，繼續移動到分離收集器86。
盤84中收集的濃縮物一般還含有其它成分，如鐵和氧化鐵，如前面圖4中的相關討論，將這些物質基于揮發性的不同而除去。可用相似的分離技術除去收集器86中收集的貧化物質中的雜質。
權利要求
1.一種處理含鈾原料的方法，該方法包括使含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；將氟化鈾供料到分離段，在分離段中，氟化鈾轉化成等離子體和/或電離形式，至少部分鈾被電離，而至少部分氟未電離，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流循環到氟氣和含鈾物質接觸段。
2.一種氟化含鈾原料的方法，該方法包括使含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；將含氟物質供料到分離段產生氟氣，在分離段中，含氟物質轉化成等離子體和/或電離形式，原料中的非氟部分至少部分被電離，而原料中的氟部分至少部分未被電離，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流供料到氟氣和含鈾物質接觸段。
3.一種濃縮含鈾原料的方法，該方法包括將含鈾物質加入分離段，在分離段中，含鈾物質轉化成等離子體和/或電離形式，至少部分鈾被電離，而原料中的非鈾部分至少部分未被電離，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第一產品流供料到濃縮段，在濃縮段中，對第一產品流施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離第一產品流中的一種或多種成分，將選擇電離的成分從選擇未電離的成分中分離出以形成第三和第四產品流。
4.根據任一上述權利要求所述的方法，其中的含鈾原料是鈾礦石。
5.根據任一權利要求1-3所述的方法，其中的含鈾原料是對先前用在核燃料循環中的鈾和/或含鈾物質進行再加工時產生的鈾和/或氧化鈾。
6.根據任一上述權利要求所述的方法，其中在分離段之前設置一個物質除去段，在該工段中，將一種或多種氟化鈾形式的物質從工藝中除去。
7.根據任一上述權利要求所述的方法，其中第一產品流包括金屬鈾。
8.根據任一權利要求1-6所述的方法，其中第一產品流包括元素形式的鈾和/或钚和/或裂變產品。
9.根據任一上述權利要求所述的方法，其中第二產品流主要是氟。
10.根據任一上述權利要求所述的方法，其中第二產品流在供料到氟/含鈾物質接觸段之前加工第二產品流，該加工工序包括洗滌氟以除去其它物質。
11.根據權利要求2或任一其從屬權利要求所述的方法，其中的含氟物質是氟化鈾，優選六氟化鈾。
12.根據權利要求2或任一其從屬權利要求所述的方法，其中第二產品流補充從根據權利要求2的工序中的分離器循環的氟。
13.根據權利要求3或任一其從屬權利要求所述的方法，其中含鈾原料是一種或多種氟化鈾，特別是六氟化鈾。
14.根據權利要求3或任一其從屬權利要求所述的方法，其中第一產品流在供料到濃縮段之前進行中和。
15.根據權利要求3或任一其從屬權利要求所述的方法，其中選擇施加的電磁輻射的一種或多種頻率是優先電離含235U的成分，而后電離含238U的成分。
16.根據權利要求3或任一其從屬權利要求所述的方法，其中通過將第三產品流靜電吸引到收集場所而將第三產品流和第四產品流分離。
17.根據權利要求3或任一其從屬權利要求所述的方法，其中第三產品流與第一產品流相比，235U的含量提高了。
18.處理含鈾原料的裝置，該裝置包括含鈾物質與氟氣接觸的第一單元，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；形成分離段的第二單元，氟化鈾供料到該分離段，分離段包括將氟化鈾轉化成等離子體和/或電離形式的等離子體和/或離子發生器，至少部分鈾被電離，而至少部分氟未電離，該分離段還包括磁場發生設備，以產生磁場，該磁場包含電離部分，形成第一產品流，該分離段還包括用于從磁場中取出未電離部分的設備，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流循環到氟氣和含鈾物質接觸的第一單元。
19.氟化含鈾原料的裝置，該裝置包括含鈾物質與氟氣接觸的第一單元，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；形成分離段的第二單元，通過把含氟物質供料到分離段而在分離段中產生氟氣，分離段包括將含氟物質轉化成等離子體和/或電離形式的等離子體和/或離子發生器，原料中的非氟部分至少部分被電離，而原料中的氟部分至少部分未被電離，該分離段還包括磁場發生設備，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，該分離段還包括從磁場中取出未電離部分的設備，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；第二產品流供料到氟氣和含鈾物質接觸的第一單元。
20.濃縮含鈾原料的裝置，該裝置包括形成分離段的第一單元，將含鈾原料加入分離段，分離段包括將含鈾物質轉化成等離子體和/或電離形式的等離子體和/或離子發生器，至少部分鈾被電離，而原料中的非鈾部分至少部分未被電離，分離段還包括用于產生磁場的磁場發生設備，包含在磁場中的電離部分形成第一產品流，分離段還包括從磁場中取出未電離部分的設備，從磁場中取出的未電離部分形成第二產品流；形成濃縮段的第二單元，第一產品流供料到濃縮段，濃縮段包括一個電磁輻射源，優選是激光器，以對第一產品流施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離第一產品流中的一種或多種成分，濃縮段還包括將選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流的設備。
21.一種提純含鈾物質的方法，該方法包括含鈾物質供料到濃縮段，在濃縮段中，對加入的原料施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離加入的原料中的一種或多種成分，選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流；這兩個產品流中的一個或全部供料到氟化段，在氟化段中，產品流中的含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；將氟化鈾和產品流中的其它成分供料到分離段，在分離段中，氟化鈾分離出來形成第五產品流，產品流中的一種或多種其它成分形成第六產品流。
22.根據權利要求21所述的方法，其中供料到濃縮段的含鈾物質是氣體和/或蒸氣形式及非電離形式的原子鈾。
23.根據權利要求21或22所述的方法，其中產品流中的其它成分是一種或多種其它金屬，如鐵。
24.根據任一權利要求21-23所述的方法，其中，根據揮發性的不同將氟化鈾與一種或多種也是氟化物形式的雜質分離。
25.提純含鈾物質的裝置，該裝置包括形成濃縮段的第一單元，含鈾物質供料到濃縮段，濃縮段包括一個電磁輻射源，優選是激光器，以對加入的原料施加一種或多種頻率的電磁輻射，選擇一種或多種頻率是為了選擇性地電離加入的原料中的一種或多種成分，濃縮段還包括將選擇電離的成分和選擇未電離的成分分離分別形成第三和第四產品流的設備；形成氟化段的第二單元，這兩個產品流中的一個或全部供料到氟化段，在氟化段中，產品流中的含鈾物質與氟氣接觸，氟和含鈾物質反應生成氟化鈾；形成分離段的第三單元，將氟化鈾和產品流中的其它成分供料到分離段，在分離段中，氟化鈾分離出來形成第五產品流，產品流中的一種或多種其它成分形成第六產品流。
全文摘要
本發明提供一系列加工含鈾原料如鈾礦石,再加工鈾,含鈾廢渣和含鈾廢燃料的技術。該方法包括含鈾物質的氟化,基于含鈾物質的電離而將含鈾物質與其它物質分離,并將含未電離氟的物質進行循環。可以產生金屬鈾和/或钚和/或裂變產物。該技術在可進行再加工的材料范圍方面及減少該方法中涉及的復雜工段數目方面有很大優點。
文檔編號C22B1/08GK1343261SQ0080266
公開日2002年4月3日 申請日期2000年1月14日 優先權日1999年1月15日
發明者保羅·雷蒙德·格雷格森, 保羅·吉爾克里斯特, 特倫斯·馬丁·考克斯 申請人:英國核燃料公眾有限公司