Это изобретение относится к усовершенствованию обработки, в частности, но не исключительно, обработки материалов для ядерного топлива и материалов, связанных с производством ядерного топлива.
Производство и рециркуляция ядерного топлива различных сортов и соответствующих материалов является долгим и сложным процессом. Например, если исходным материалом является добытая на рудниках урановая руда, то процесс включает постепенное превращение и обогащение извлеченного из рудника сортового материала, пока он не достигнет состояния и сорта, пригодных для создания топливных таблеток.
Кроме того, промежуточные операции полного процесса являются отправной точкой для получения множества других материалов.
Основными этапами полного процесса являются концентрирование исходных оксидов урана, например гексагидрата нитрата уранила, денитрование для превращения материала в UO3, восстановление для превращения UO3 в UO2, гидрофторирование для образования UF1, последующее фторирование с образованием UF6, обогащение с помощью физических или химических средств и превращение обогащенного UF6 в керамический UO2, который находится в подходящем виде для создания топливных таблеток.
Аналогично, рециркуляция использованного топлива включает ряд сложных химических и физических операций для отделения различных продуктов распада от отработанного топлива и повышения концентрации 235U до уровня, при котором он повторно может быть использован как топливо, за счет отделения других компонентов, присутствующих в использованном топливе.
Эти сложные процессы выполняются также в других технологиях производства топлива или имеющих отношение к производству топлива, например включающих обработку, помимо прочих материалов, тория, плутония и гадолиния. Сложная обработка требуется также при производстве необогащенного урана, например, для использования в реакторах Magnox.
Кроме того, с большой и сложной обработкой сталкиваются при производстве других материалов, не связанных непосредственно с областью ядерного топлива. Например, обычный технологический маршрут для получения титана, ниобия, родия и других материалов включает перевод составов, содержащих эти металлы, в форму галоидного соединения с последующим разложением галоидного соединения и образованием металла.
Крупным обрабатывающим заводам, в смысле их размера, инвестиций капитала и эксплуатационных затрат, необходимо осуществлять операции, входящие во все эти процессы. Кроме того, различные процессы и связанные с ними требования порождают сопутствующие проблемы. Например, процессы, включающие фторирование, включают сложный и опасный процесс электролиза для производства необходимого фтора.
Целью настоящего изобретения является создание альтернативного технологического маршрута для многих способов и/или способа превращения материалов в более полезные формы и/или способа рециркуляции материалов, а также устройства для реализации этих способов.
Согласно первому аспекту изобретения, мы предлагаем способ, включающий операции:
а) обеспечение наличия сырья, которое содержит смесь компонентов,
б) превращение указанного сырья в плазменную или ионизированную форму,
в) обеспечение нахождения по меньшей мере одного компонента по меньшей мере в частично ионизированной форме и по меньшей мере одного другого компонента по меньшей мере в частично неионизированной форме,
г) удерживание плазмы/ионов в магнитном поле,
д) отделение ионизированных компонентов от неионизированных компонентов.
Требуемый компонент может быть извлечен из смеси изотопов и/или элементов как металлической, так и неметаллической природы. Разделение может быть полным или частичным.
Предусмотрено использование сырья в виде азотосодержащих компонентов, однако предпочтительным является сырье в виде фторсодержащих компонентов. Подходящими сырьевыми материалами являются нитрат уранила, гексафторид урана, нитрат плутония, нитрат тория, обедненный нитрат уранила, обедненный гексафторид урана или смеси этих веществ. Другие подходящие сырьевые материалы включают отработанное ядерное топливо, тетрафторид урана и других металлов в формах галоидного соединения, например тетрахлорид титана. Эти материалы могут быть в гидратированной форме.
Смешанные компоненты могут содержать два или больше различных элементов, два или больше различных изотопов одного элемента, различные элементы вместе с различными изотопами одного или нескольких из этих элементов, соединения и/или смеси компонентов, содержащих различные элементы, различные изотопы или различные изотопы и различные элементы, при этом в настоящем описании термин "компонент" включает, помимо прочего, все такие комбинации, если не оговорено другое.
В магнитное поле сырье может вводиться в газообразном, жидком, твердом состоянии или в смешанном состоянии. Предпочтительным является введение сырья в магнитное поле в газообразном состоянии.
Сырье может быть введено в устройство для генерации плазмы в газообразном, жидком, твердом состоянии или в смешанном состоянии.
Сырье может быть введено в устройство для ионизации в газообразном, жидком, твердом состоянии или в смешанном состоянии. Подача сырья в устройство для ионизации в газообразном состоянии является предпочтительной, в частности когда нет генератора плазмы.
Сырье можно перевести в газообразное состояние путем кипячения и/или испарения и/или возгонки исходного сырья, находящегося в твердом или жидком состоянии. Перевод в газообразное состояние может быть выполнен в печи, сверхвысокочастотном нагревателе или в другом нагревательном устройстве. Предпочтительно, газ вводят до ионизации.
Предпочтительно, чтобы весь или по существу весь данный компонент ионизировался. Предпочтительно, чтобы весь или по существу весь данный компонент не ионизировался.
Предпочтительно, чтобы некоторые или все металлические элементы, входящие в указанное сырье, ионизировались. Особенно предпочтительна ионизация металлических элементов с атомным весом более 90. Предпочтительно, чтобы некоторые или все неметаллические элементы в указанном сырье не ионизировались. Предпочтительно, чтобы все элементы с атомным весом ниже 90, наиболее предпочтительно ниже 70 и в высшей степени предпочтительно ниже 60, оставались в неионизированной форме. Особенно предпочтительно, чтобы такие элементы, как уран, и/или плутоний, и/или торий, и/или гадолиний, ионизировались. Предпочтительно, чтобы такие элементы, как водород, и/или фтор, и/или кислород, и/или азот, не ионизировались. Предпочтительно, чтобы бор не ионизировался. Предпочтительно, чтобы продукты деления не ионизировались.
Ионизация компонентов может происходить под действием температуры плазмы. Дополнительно или альтернативно ионизация компонентов может быть вызвана взаимодействием компонентов с электронами высоких энергий, полученными за счет электронного циклотронного резонанса.
Степенью ионизации и/или тем, какие компоненты будут ионизированы и какие нет, можно управлять путем изменения подводимой энергии и/или времени обработки в блоке электронного циклотронного резонанса.
Ионизацией управляют предпочтительно путем изменения уровня подводимой энергии. Уровнем подводимой энергии можно управлять, изменяя температуру плазмы. Подводимая энергия предпочтительно не распределяется избирательно между компонентами сырья. Таким образом, предпочтительно, чтобы все компоненты сырья достигали одного и того же уровня энергии. Ионизированные и неионизированные компоненты сырья предпочтительно находятся в равновесии друг с другом при преобладающих условиях.
Сырьевой материал можно превратить в газ и подавать для ионизации в блок электронного циклотронного резонанса. Для перевода твердого или жидкого сырья в газообразную/парообразную фазу могут использоваться печь или испаритель.
Поэтому в конкретном варианте выполнения изобретения плазма может переводить сырьевой материал в отдельные атомы, а электронный циклотронный резонанс впоследствии может вызывать по меньшей мере частичную ионизацию предпочтительно избирательного характера.
Сырье может быть в молекулярной форме и может быть превращено в отдельные атомы и/или элементарные формы с помощью средств генерации плазмы и/или ионизации и/или нагревательных средств. Превращение в отдельные атомы и/или элементарные формы может вызывать частичную ионизацию одного или большего количества превращаемых веществ. Таким образом, сырьевой гексагидрат нитрата уранила может быть превращен в U, N и Н (отдельные атомы), вместе с N2 и 02 (элементарные формы), а также U+ (ионизированная форма). Предпочтительно сырье имеет молекулярную форму, и его избирательно отделяют в виде отдельных атомов и/или элементарных форм от ионизированных отдельных атомов и/или элементарных форм. Это позволяет применить способ к более широкому спектру материалов, чем при использовании элементарного сырья и разделении в элементарной форме или молекулярного сырья с разделением в молекулярной форме.
Для обеспечения требуемой избирательной ионизации компонентов температурой указанной плазмы можно управлять так, что плазма может ионизировать некоторые компоненты в сырье, но оставлять другие компоненты, например продукты деления и/или неметаллические элементы, неионизированными.
Плазма предпочтительно образуется при температуре от 3000 до 4500К, предпочтительно с помощью высокочастотного или сверхвысокочастотного устройства. Плазма в генераторе находится при давлении предпочтительно 1000-10000 Па. Предпочтительной является величина 2000 Па +/-10%.
Дополнительно или альтернативно, для достижения требуемой избирательной ионизации компонентов можно управлять временем пребывания сырья в плазме до разделения.
Сырье вводят в удерживающее магнитное поле предпочтительно в неионизированной форме. Предпочтительно процесс частичной ионизации происходит в магнитном поле в незаряженном газе. Газ может быть в молекулярной и/или атомной форме.
Магнитное поле может иметь цилиндрический активный объем, в котором происходит обработка плазмы/ионов. Плазма/ионы движутся предпочтительно вдоль оси этой удерживающей зоны от средства генерации плазмы и/или ионизации к следующей ступени разделения.
Разделение ионизированных и неионизированных компонентов предпочтительно осуществляют путем удаления неионизированного компонента из плазмы, наиболее предпочтительно в виде газа. Неионизированные компоненты можно откачать для их отделения от ионизированного компонента. Ионизированный компонент находится в магнитном поле и, следовательно, удерживается им.
Отделение ионизированных компонентов от неионизированных может выполняться в нескольких ступенях. Ступени предпочтительно отделены друг от друга. Ступени могут быть отделены друг от друга с помощью перегородки, имеющей отверстие. Предпочтительно, чтобы отверстие было полностью расположено в удерживающей зоне магнитного поля. Предпочтительно, чтобы одна или большее количество ступеней работали при давлении, отличном от давления в другой ступени или в других ступенях. Давление можно регулировать путем изменения скорости откачки насоса. Давление в одной или большем количестве ступеней вблизи входа предпочтительно больше, чем в одной или большем количестве ступеней, расположенных дальше от входа. Давление в каждой зоне предпочтительно уменьшается относительно давления в предшествующей зоне, расположенной ближе ко входу. Давление в каждой ступени предпочтительно составляет 30-60% от давления в предшествующей ступени, считая от входа.
Предпочтительно, чтобы имелось три ступени. Длина каждой ступени может составлять 0,5-2 м.
Первая ступень предпочтительно работает при давлении 10-50 Па. Предпочтительной является величина 40 Па +/-10%.
Вторая ступень работает при давлении предпочтительно 5-20 Па. Предпочтительной является величина 16 Па +/-10%.
Третья ступень работает при давлении предпочтительно 2-10 Па. Предпочтительной является величина 7 Па +/-10%.
Отделенные ионизированные компоненты могут быть рециркулированы для последующего использования и/или подвергнуты дальнейшей обработке, которая может включать дальнейшую избирательную ионизацию и/или избирательную обработку для разделения различных компонентов.
Отделенные ионизированные компоненты предпочтительно все еще находятся в магнитном поле. Отделенные ионизированные компоненты могут быть подвергнуты дальнейшей обработке, включая избирательную деионизацию, деионизацию с последующей избирательной ионизацией или другую избирательную обработку для разделения различных компонентов.
Ионизированные компоненты можно охлаждать и/или разряжать с образованием жидкого и/или твердого незаряженного продукта. Ионизированные компоненты могут быть собраны на заземленную или заряженную сетку, пластину, электрод или массу самого продукта. Ионизированные компоненты могут быть собраны в сосуд или контейнер. В сосуде или контейнере может иметься резервуар с жидкостью.
Для очистки собранных компонентов путем испарения примесей можно управлять температурой. Примеси могут испаряться в форме соединений с металлом и/или собранным компонентом. Предусмотрено испарение галоидных соединений.
Собранные ионизированные компоненты можно периодически или непрерывно удалять из места сбора.
Способ может дополнительно включать операцию введения химического материала, предпочтительно с управляемым уровнем кинетической энергии, и приведения его в контакт с оставшимся ионизированным компонентом (компонентами), причем уровень кинетической энергии ионизированного компонента и химического материала является таким, что в результате образуется неионизированный компонент или частица. Компонент может оставаться в виде газа.
Химический материал может быть выбран так, чтобы образовалась требуемая неионизированная частица и/или конечный продукт, например, химическим материалом может быть кислород или инертный газ. Химический материал можно добавлять при температуре от 100 до 2000К, предпочтительно от 100 до 500К. В полученной частице компонент и химический материал могут быть химически связаны, например в виде оксида.
Температурой химически связанных частиц можно управлять для получения их в требуемой форме. Для урана предпочтительной является температура 2500К, чтобы получить газообразный UO2.
Может быть предусмотрена операция, в которой к неионизированному компоненту добавляют дополнительный химический материал для уменьшения кинетической энергии до уровня, при котором образуется твердый продукт. Альтернативно или дополнительно, уменьшение кинетической энергии можно обеспечивать соударением неионизированного компонента с поверхностью, предпочтительно с охлажденной поверхностью. Уменьшение кинетической энергии для неионизированной частицы может происходить очень быстро, чтобы не создавались нежелательные промежуточные равновесные формы продукта. Предпочтительным является переходный период <2 мс.
Дополнительный химический материал может быть тем же самым, что и ранее добавленный химический материал, или отличным от него.
Продукт, полученный в результате процесса, предпочтительно является требуемым соединением, элементом или изотопом, предпочтительно желаемого сорта. Особенно предпочтительным продуктом, полученным в результате процесса, является сортовой керамический оксид металла, хотя таким способом может быть также получен чистый металл. С помощью управления режимами процесса могут быть получены уран, плутоний, торий и даже оксиды металлов.
Согласно второму аспекту изобретения мы предлагаем устройство для разделения, содержащее:
а) генератор плазмы/ионов,
б) средство избирательной ионизации сырьевого материала, состоящего из смеси компонентов,
в) средство создания магнитного поля для удерживания плазмы/ионов и
г) средство удаления неионизированных компонентов из магнитного поля.
Сырье может быть в твердом, жидком или газообразном виде. Для нагревания, и/или испарения, и/или возгонки, и/или газифицирования сырья могут быть использованы печь, нагреватель, источник излучения сверхвысокой частоты, испаритель или другие средства нагревания.
Плазма/ионы создаются предпочтительно нагревом за счет излучения высокой частоты или сверхвысокой частоты. Ионизация компонентов может быть обусловлена температурой плазмы.
Плазму нагревают предпочтительно до 3000-4500К, наиболее предпочтительно до 4000К + или - 10%. Предпочтительно, чтобы радиус выпускного отверстия генератора плазмы/ионов составлял 20-40 мм.
Генератор плазмы может служить средством избирательной ионизации смешанных компонентов сырьевого материала. Альтернативно или дополнительно, средством избирательной ионизации смешанных компонентов сырьевого материала может служить средство создания электронного циклотронного резонанса, в котором происходят столкновения с электронами высоких энергий.
Сырье может подаваться в средство создания электронного циклотронного резонанса в виде молекулярного и/или атомного газа.
Степенью ионизации и/или тем, какие компоненты ионизируются, управляют предпочтительно путем изменения уровня подводимой энергии. Уровнем энергии можно управлять, изменяя температуру. Сырьевой материал возбуждается предпочтительно равномерно. Подводимая энергия распределяется между присутствующими компонентами предпочтительно неселективно. При преобладающих условиях частично ионизированное/частично неионизированное сырье предпочтительно находится в равновесии.
Удерживающее магнитное поле может быть направлено вдоль оси.
Средство создания магнитного поля предпочтительно содержит один соленоид или большее количество соленоидов. Магниты предпочтительно образуют кольцевой или цилиндрический узел. Таким образом, центральная удерживающая зона определяется магнитным полем и имеет предпочтительно цилиндрическую конфигурацию. Магнитное поле является предпочтительно удерживающим полем, наиболее предпочтительно направленным вдоль оси. Для этой цели может быть использовано поле с напряженностью более 0,075 Тл или более 0,1 Тл.
Сырье вводят в магнитное поле предпочтительно до ионизации.
Разделение предпочтительно осуществляют путем удаления неионизированного компонента из плазмы. Средство удаления неионизированных компонентов предпочтительно включает насосный блок. Ионизированные компоненты предпочтительно остаются в магнитном поле.
Неионизированные компоненты могут быть отделены от сырья в одной ступени или большем количестве ступеней. В каждой ступени предпочтительно имеется одно или большее количество выпускных отверстий, через которые удаляют неионизированные компоненты.
Ступени предпочтительно отделены от друг друга перегородкой. Перегородка предпочтительно имеет круглое отверстие, через которое поступает сырье. Отверстия в перегородках предпочтительно расположены соосно. Диаметр или размер отверстия в одной или большем количестве перегородок может превышать размер отверстия в одной или большем количестве перегородок, расположенных ближе ко входу сырья, чем указанное отверстие. Отверстия предпочтительно увеличиваются в диаметре по мере их удаления от входа сырья.
Предпочтительно, чтобы радиус отверстия по существу соответствовал радиусу потока плазмы/ионов на этом расстоянии от входа. Радиус отверстия предпочтительно равен радиусу потока плазмы/ионов в этом месте или превышает его менее чем на 10%. Предпочтительно, чтобы радиус одного или большего количества отверстий был приблизительно пропорционален корню четвертой степени от расстояния от входа или от сопла генератора плазмы.
Радиус отверстия предпочтительно меньше радиуса удерживающей зоны, определяемой магнитным полем в этом месте.
Устройство может дополнительно содержать средство добавления химического материала в оставшийся обрабатываемый поток. Вводимый химический материал предпочтительно является кислородом или инертным газом. Особенно предпочтительно, чтобы добавляемый химический материал вызывал гашение и/или охлаждение оставшихся компонентов. Предпочтительно, чтобы при контакте химического материала с оставшимися компонентами последние переходили из ионизированного состояния в неионизированное. Наиболее предпочтительно, чтобы после этого изменения компонент оставался в газообразном состоянии.
В особенно предпочтительном варианте выполнения изобретения в качестве добавляемого химического материала используется кислород. Его вводят предпочтительно при температуре 100-500К, чтобы при взаимодействии с ионизированным компонентом обеспечить приблизительную результирующую температуру 2500К. При этой температуре, например, U находится в виде неионизированного газа, прежде всего в виде UO2.
Может иметься еще одно средство добавления дополнительного химического материала. В результате этого добавления обрабатываемый поток переходит из газообразного в твердотельное состояние. Альтернативно или дополнительно, уменьшение уровня кинетической энергии можно обеспечить путем соударения неионизированного компонента с поверхностью, предпочтительно с охлажденной поверхностью. Указанный переход предпочтительно происходит очень быстро, чтобы не нарушить состояния равновесия. Продукт предпочтительно является керамическим сортовым топливным материалом, например UO2.
Согласно третьему аспекту изобретения мы предлагаем способ, включающий операции:
а) обеспечение наличия сырья, состоящего из смеси компонентов,
б) превращение указанного сырья в плазменную или ионизированную форму,
в) обеспечение нахождения по меньшей мере одного компонента в по меньшей мере частично ионизированной форме и по меньшей мере одного компонента в по меньшей мере частично неионизированной форме,
г) удерживание плазмы/ионов в магнитном поле,
д) отделение ионизированных компонентов от неионизированных компонентов, при этом способ дополнительно включает перевод по меньшей мере части отделенного ионизированного компонента или компонентов в неионизированное состояние.
Компонент может быть переведен в неионизированное состояние путем уменьшения уровня его кинетический энергии, т.е. путем конденсации.
Компонент может быть переведен в неионизированное состояние за счет соударения с поверхностью, предпочтительно с охлажденной поверхностью.
Компонент может быть переведен в неионизированное состояние за счет добавления химического материала. Может использоваться комбинация одной или большего количества указанных операций.
Для получения требуемого неионизированного компонента предпочтительно добавляют химический материал с заданным уровнем кинетической энергии. Наиболее предпочтительно, чтобы неионизированный компонент находился в газообразном состоянии. Предусмотрен переход одного или части одного или большего количества компонентов в неионизированное состояние при сохранении одного или большего количества других компонентов или части одного или большего количества других компонентов и/или части первого компонента или компонентов в ионизированном состоянии.
Добавление химического материала или добавление дополнительного химического материала в дополнительной ступени может быть таким, чтобы уменьшить уровень кинетической энергии до величины, при которой образуется твердый продукт.
Добавляемый химический материал может реагировать с компонентом или может просто уменьшать его кинетическую энергию. Компонент может быть получен в элементарной форме или в виде соединения.
Предпочтительно, чтобы переход незаряженных газообразных частиц в твердый продукт происходил очень быстро. Предпочтительным является переходный период менее 2 мс.
Одной из возможных областей применения изобретения является отделение урана и фтора от сырья, состоящего из гексафторида урана. Кроме того, предусмотрено отделение урана от гексагидрата нитрата уранила и других видов сырья.
Предусмотрена дальнейшая обработка и последующее использование неионизированных компонентов, отделенных от ионизированных компонентов. Особо предпочтительным применением является получение или рециркуляция фтора с использованием этого технологического маршрута.
Очевидно, что этот аспект изобретения может включать любой из признаков или возможностей, описанных в этой заявке, включая те, которые относятся к генерации ионов/плазмы, их удерживанию, способу разделения, и другие.
Согласно четвертому аспекту изобретения, мы предлагаем устройство для разделения, содержащее:
а) генератор плазмы/ионов,
б) средство избирательной ионизации сырьевого материала, состоящего из смеси компонентов,
в) средство создания магнитного поля для удерживания плазмы/ионов,
г) средство удаления неионизированных компонентов из магнитного поля,
д) средство превращения по меньшей мере некоторых из отделенных ионизированных компонентов в неионизированное состояние.
Компонент может быть переведен в неионизированное состояние за счет уменьшения уровня его кинетический энергии, т.е. за счет конденсации.
Компонент может быть переведен в неионизированное состояние за счет соударения с поверхностью, предпочтительно с охлажденной поверхностью.
Компонент может быть переведен в неионизированное состояние за счет добавления химического материала. Может использоваться комбинация этих операций.
Химический материал может быть введен в одной или в нескольких ступенях. При использовании нескольких ступеней предпочтительно, чтобы различные входные отверстия находились на расстоянии друг от друга в направлении движения обрабатываемого потока. Так, первая ступень может осуществлять перевод из ионизированного в неионизированное состояние, а вторая или последующие ступени могут переводить неионизированный компонент в твердое состояние или в требуемое химическое соединение. Предусмотрено получение продукта как в элементарной форме, так и в виде соединений.
Очевидно, что к данному аспекту могут относиться и другие признаки устройства или способов, рассмотренные в этой заявке.
Согласно пятому аспекту изобретения, мы предлагаем компоненты, материалы, соединения, элементы или изотопы, разделенные согласно первому и/или третьему аспектам изобретения и/или с использованием устройства согласно второму и/или четвертому аспектам изобретения, и/или формы, полученные дальнейшей обработкой указанных компонентов, материалов и т.п.
Разделенные компоненты могут быть различными элементами, присутствующими в сырье. Таким образом, предусмотрено разделение урана и фтора, а также отделение друг от друга других элементов, присутствующих в одном или нескольких данных соединениях. Предусмотрено получение керамических сортовых оксидов металла, пригодных для использования в качестве топлива.
Разделение компонентов может быть по существу полным или только частичным. Таким образом, предусмотрены процессы, в которых часть содержащегося в сырье компонента извлекается в виде неионизированного компонента, а большая часть этого компонента остается в потоке продукта, образованном ионизированными компонентами.
Первый или второй потоки неионизированных продуктов могут содержать полезный и желательный отделенный компонент, так же как и конечный продукт из ионизированного компонента.
Согласно шестому аспекту изобретения, мы предлагаем топливную таблетку, топливный стержень, тепловыделяющую сборку или деталь для ядерного реактора, содержащие продукт, полученный согласно любому, от первого до пятого, аспекту изобретения, или продукт, полученный после дополнительной обработки указанного продукта.
Ниже в качестве примера описаны различные варианты выполнения изобретения со ссылками на сопровождающие чертежи, где:
на фиг.1 схематично изображен первый вариант выполнения изобретения,
на фиг. 2 показана диаграмма состояния для урана, кислорода, азота и водорода,
на фиг.3 показана диаграмма состояния для U+, UO, UO2 и UO3,
на фиг.4 схематично изображен частичный вид второго варианта выполнения изобретения,
на фиг.5 схематично изображен третий вариант выполнения изобретения и
на фиг.6 схематично изображен четвертый вариант выполнения изобретения.
Способы согласно настоящему изобретению предлагают универсальные системы обработки, которые могут успешно использоваться с разными исходными материалами в разных состояниях и производить разные материалы в разных состояниях и формах.
Сырье в виде гексагидрата нитрата уранила
Как показано на фиг.1, сырье, подлежащее обработке, вводится по стрелке 2. В этом конкретном примере сырьевой материал состоит из раствора гексагидрата нитрата уранила. Сырьевой раствор проходит через генератор (4) плазмы, который быстро нагревает его до приблизительно 4000К. Генератор (4) плазмы является высокочастотным или сверхвысокочастотным генератором плазмы. Температуру плазмы можно легко регулировать.
Ряд (6) проводящих соленоидов создает сильное магнитное поле, силовые линии которого показаны схематично позицией (8). На стадии, когда сырье ионизируется в генераторе плазмы, оно уже находится в пределах границ этого магнитного поля.
Проводящие соленоиды создают магнитное поле с напряженностью более 0,1 Тл.
Благодаря генератору (4) плазмы сырьевой материал поступает в камеру (12) при очень высокой температуре. При такой температуре гексагидрат нитрата уранила распадается на составляющие атомы. Это позволяет осуществлять обработку сырьевого материала в соответствии с его атомным составом без необходимости в элементарном сырье или без обработки сырья только согласно различным свойствам молекул, которые впоследствии либо ионизируются, либо нет.
Как можно видеть из диаграммы состояния на фиг.2, при 4000К и при условиях, созданных в камере (12), атомы урана заряжаются, U+, см. кривую 20, а большая часть атомов или молекул азота, кислорода и водорода не заряжаются, как показано кривыми на фиг.2, из которых азоту (N) соответствует кривая 22, кислороду (О) - кривая 24 и водороду (Н) - кривая 26, причем все ионы присутствуют в виде газа.
Избирательная ионизация обусловлена полной энергией системы. Таким образом, какие компоненты ионизируются при преобладающих условиях, а какие нет, определяется равновесным состоянием для этих компонентов при этих условиях. Поэтому достигнутая избирательная ионизация является устойчивой и длительной, позволяя производить последующую обработку без излишней спешки.
Избирательной ионизации можно достичь, если энергия в системе передается избирательно только некоторым компонентам. Однако в этом случае из-за столкновений между ионизированными и неионизированными компонентами происходит передача энергии, что может привести к ионизации ранее неионизированных компонентов и/или деионизации ранее ионизированных компонентов. В этом случае разделение должно быть выполнено очень быстро, иначе критерий избирательности исчезнет до того, как будет выполнена избирательная операция.
В равновесном состоянии плазмы в настоящей системе столкновения не только допустимы, они желательны для обеспечения равномерного распределение подводимой энергии по всей плазме. Столкновения не приводят к нежелательным последствиям, например, наиболее вероятным результатом столкновений между ионом U+ и атомом F в равновесных условиях будет наличие иона U+ и атома F. При столкновении в равновесных условиях энергия оказывается недостаточной для передачи электрона и нейтрализации иона. Допустимость разрешенных столкновений означает также, что плазма может находиться в относительно плотном состоянии, что позволяет пропускать через систему большое количество материала. Чтобы не допустить столкновения, плотность ионов и атомов должна быть как можно меньше для уменьшения вероятности столкновений.
Поскольку ионы урана являются заряженными частицами, они удерживаются магнитным полем и направляются вперед через сверхпроводящие соленоиды (6). Незаряженные атомы азота, кислорода и водорода могут двигаться свободно, не испытывая действия магнитного поля, поэтому их можно "откачать" из камеры (12) в поток (14). Для этой цели могут использоваться вакуумные насосы.
При последующем охлаждении потока (14) эти материалы приходят к рекомбинационному равновесию, обычно с образованием N2, O2, Н2O и оксидов азота.
В итоге уран оказывается отделенным от других элементов, входящих в состав сырьевого гексагидрата нитрата уранила. Может производиться необходимая последующая обработка отделенного урана.
В этом способе сильное однородное поле в зоне (16) четко ограничивает местоположение ионов урана.
При введении кислорода (42) в зону (44) происходит гашение ионов U. За счет управления гашением можно понизить температуру до 2500 К. Как видно на фиг. 3, при этой температуре преобладающей формой материала является UO2 - газ в незаряженном состоянии, хотя в меньшей мере могут присутствовать и другие оксиды урана. Система снова находится в равновесии.
Если желательно, путем подачи дополнительного гасящего потока (52), температуру можно уменьшить еще больше и оксид урана быстро перейдет из газообразного состояния в твердое состояние в виде керамического порошка в зоне (54). Он выходит в виде потока (58).
Продукт может быть подвергнут дальнейшей обработке, например для превращения его в сортовой топливный материал.
Таким образом, способ предусматривает превращение в одномодульном блоке раствора сырьевого гексагидрата нитрата уранила в порошок диоксида урана. Аналогичный результат может быть достигнут с другими сырьевыми соединениями и/или смесями сырьевых соединений.
Одномодульный блок, соответствующий этому способу и имеющий полную длину приблизительно 10 м и диаметр рабочей зоны приблизительно 1 м, может обрабатывать от 50 до 200 кг уранового сырья в час.
Время пребывания в блоке очень мало, порядка 10 мс. Эта величина соответствует теоретической средней скорости, с которой ионы урана движутся при температуре 4000К, т.е. 6х104 см/с.
Сырье в виде отработанного топлива
Кроме преобразования естественного гексагидрата нитрата уранила в сортовые топливные материалы, способ может использоваться в других областях обработки, включающих повторную переработку отработанных топливных стержней для извлечения необходимых компонентов.
Отработанное топливо преимущественно состоит из порошка UO2 в сочетании с различными продуктами деления, обычно имеющими атомный вес меньше 60, небольшим количеством 235U и плутония. После получения из этого материала раствора нитрата и обработки этого раствора, как описано выше, можно осуществить следующее разделение.
В устройстве, изображенном на фиг.1, в исходной камере (12), расположенной после генератора плазмы, ионизируются 235U, изотопы плутония и 238U (которые составляют большую часть топлива). Большинство продуктов деления, а также N, Н, О остаются в неионизированном состоянии и, следовательно, не удерживаются магнитным полем. Поэтому эти материалы можно откачать в поток (14).
Поток (14) продуктов может быть подвергнут дальнейшей обработке, включая дальнейшую операцию или операции способа согласно настоящему изобретению для отделения компонентов, изотопов или элементов, представляющих интерес, от других компонентов в потоке.
Затем можно собрать поток (16) продукта, остающийся в магнитном поле, и/или подвергнуть его дальнейшей обработке. Поток (16) продукта можно быстро охладить, как описано выше, с образованием твердого продукта. При последующей обработке продукт может подвергаться обогащению известными способами, которые могут использоваться для разделения 238U, 235U и изотопов плутония друг от друга с образованием сортового реакторного материала.
Сырье в виде тетрахлорида титана
Согласно альтернативному варианту выполнения изобретения, частично изображенному на фиг. 4, может быть предусмотрена дополнительная система для достижения в сырьевом материале требуемой ионизации выбранного компонента или компонентов.
В этом конкретном примере сырьевой материал состоит из тетрахлорида титана, а продуктом, который нужно получить, является металлический титан, но способ применим также к широкому кругу сырьевых материалов.
В этом блоке сырье (2) проходит через генератор (4) плазмы и поступает в магнитное поле (8).
Температура плазмы такова, что сырьевые материалы разлагаются на отдельные атомы и могут частично ионизировался.
Затем сырье в таком виде проходит через блок (102) электронного циклотронного резонанса, который вносит в плазму дополнительную энергию благодаря столкновениям электронов высоких энергий с компонентами. Согласно соответствующим диаграммам состояния, при имеющем место энергетическом уровне столкновений, величина полной энергии системы такова, что некоторые компоненты, в данном случае титан, ионизируются, а другие, т.е. хлор, остаются в неионизированной форме. Избирательность ионизации достигается благодаря состоянию равновесия между преобладающими ионизированными и неионизированными изотопами.
Затем материал поступает в камеру (12), где незаряженный хлор может быть удален из магнитного поля в виде потока (14) продукта. Хлор можно рециркулировать в предыдущие ступени полного процесса, относящиеся к производству тетрахлорида титана.
Оставшийся компонент, титан, может быть обработан в соответствии с фиг.1 или другим образом.
Получение металлического урана
В другом варианте выполнения изобретения, представленном на фиг.5, предлагается также удобный способ получения металлического урана. Он применим также для восстановления других элементов путем разделения других сырьевых материалов на составляющие элементы. Прежде чем фторид урана будет превращен в металлический уран в результате реакции с магнием, используются известные методы, включающие указанные выше концентрирование, денитрование, восстановление и гидрофторирование.
С другой стороны, предлагаемый способ позволяет легко отделить металлический уран от сырьевого гексагидрата нитрата уранила.
Сырье (200) из гексагидрата нитрата уранила вводят в устройство. Сырье содержит элементарный уран, азот, кислород и водород. Высокочастотный или сверхвысокочастотный генератор (202) плазмы очень быстро нагревает сырье до температуры приблизительно 4000К.
Даже небольшого времени пребывания в генераторе достаточно для разложения сырьевого материала на отдельные элементарные формы, а во многих случаях на отдельные атомы. Таким образом, сырье превращается в U, N, N2, О2, Н и т. д. при некотором количестве U+. Разложенное на атомы сырье содержится в плазме, а плазма удерживается в магнитном поле (204), созданном магнитами (206).
Хотя плазма сама по себе может вызвать частичную ионизацию некоторых из присутствующих элементов, для достижения требуемой степени ионизации предусмотрена антенна для (208) электронного циклотронного резонанса. Антенна (208) передает энергию электронам, присутствующим в плазме, в результате чего энергия электронов увеличивается настолько, что при их столкновениях с компонентами сырья происходит передача энергии. При равновесии компонентов, участвующих в столкновении при преобладающих условиях, одни компоненты ионизируются, а другие нет. Вероятность ионизации для различных частей сырья изменяется указанным выше образом. Так, например, уран ионизируется при более низком уровне энергии электронного возбуждения, чем кислород, водород и т.п.
Поэтому когда обрабатываемый поток продукта достигает камеры (210), он состоит из ионизированных и неионизированных компонентов. Неионизированные компоненты можно откачать из камеры (210) в поток (214) продукта, поскольку они не удерживаются магнитным полем. Заряженные компоненты, преимущественно уран, остаются в обрабатываемом потоке (212) с плазмой, удерживаемой дополнительными магнитами (216).
Введение химического материала (218) в поток (212) вызывает требуемую реакцию или фазовый переход отделенных заряженных компонентов. Например, вводя аргон с относительно низкой энергией, например с температурой 100К, можно очень быстро превратить заряженные компоненты в незаряженные компоненты и в конечный продукт за счет столкновения между холодным потоком (218) и обрабатываемым потоком (212). В рассматриваемом варианте выполнения изобретения показано, что этот переход происходит в одной ступени введения химического материала, но предусмотрены также первая ступень для превращения материала из заряженного состояния в незаряженное и вторая ступень для превращения материала из газообразного состояния в твердое. Инертность добавляемого газа обеспечивает охлаждение без риска образования химического соединения с ураном. В результате образуется металлический уран.
Путем выбора химического материала (218) и изменения уровня энергии, при котором он добавляется, можно управлять формой, структурой и химическим составом продукта, образующегося в камере (220) и в потоке (224) продукта. Таким образом, введение кислорода можно использовать для превращения урана, например в UO2, как альтернативу тщательному управлению уровнем энергии вводимого кислорода или вводимого инертного газа для восстановления ионов урана в металлический уран.
Аналогичный технологический маршрут может использоваться для получения металлического урана из тетрафторида урана, полученного на стадии гидрофторирования, указанной выше в связи с извлечением урана из первичного сырья.
Предусмотрена также обработка первого потока (214) продукта для использования элементарных составляющих. Например, в этом случае можно извлечь из потока фтор для последующего повторного использования на более ранних стадиях обработки материала.
Сырье в виде гексафторида урана
В альтернативном способе, использующем этот метод, сырьевой материал (200) состоит из гексафторида урана. Избирательная ионизация этого сырья приводит к образованию заряженных ионов урана и незаряженных атомов фтора. После их разделения в камере (210) образуется поток (212) ионов урана и поток (214) фтора. Возможно последующее получение металлического урана как конечного продукта (224) и повторное использование фтора либо при изготовлении ядерного топлива, либо в другом производстве.
В частности, применение этого способа предусмотрено для обработки обедненного потока, который образуется после химического или физического обогащения, описанного выше. Обедненный поток содержит гексафторид урана, имеющий низкую концентрацию 235UF6, поскольку 235UF6 был уже извлечен, насколько возможно, для дальнейшего использования, и представляющий собой в основном 238UF6. В настоящее время этот материал практически не используется и хранится в виде гексафторида урана в течение длительного времени. Однако гексафторид урана является относительно летучим и не очень годится для хранения.
Настоящий способ дает возможность использовать этот обедненный поток или запас этого продукта, т.е. обработать его с получением полезных материалов. Освобожденный фтор может быть возвращен в технологический цикл, например, для повторного использования, и будет получен новый конечный продукт, металлический уран, который легко и удобно хранить или можно использовать.
Таким образом, можно получить фтор и обедненный металлический U.
Путем управления химическими компонентами, добавляемыми к ионам урана, например, во время охлаждения, могут также быть получены другие соединения, например нитрид урана, карбид урана и оксиды урана.
Следующий вариант выполнения изобретения схематично изображен на фиг.6 в виде еще одного устройства. Устройство будет описано в связи с отделением урана от сырьевого гексафторида урана, но оно может быть использовано для других процессов.
Сырье, представляющее собой раствор гексафторида урана, вводится в поток (300) в виде пара. Сырье быстро превращается в плазму с помощью высокочастотного генератора (302) плазмы. Генератор плазмы работает при давлении 2 кПа для обеспечения по существу равновесного уровня ионизации для интересующих компонентов сырья благодаря высокой интенсивности столкновений.
Контактирующие части в генераторе плазмы могут быть выполнены из керамических фторидов для придания им необходимых физических свойств, которые позволяют выдерживать условия, создаваемые в генераторе. Может использоваться медная поверхность, которая охлаждается за счет контакта с трубами, по которым течет вода. Водный поток используется для понижения температуры медных стенок и для конденсации на стенках фторидов урана, которые химически и термически изолируют медь. В конечном счете возникает равновесное состояние при данной толщине фторида урана, осажденного на стенке. Таким образом обеспечивается самооблицовка.
Плазма выходит из генератора (302) через сопло (304) и удерживается магнитным полем, схематично показанным позицией (306). Для поддерживания давления в генераторе (302) плазмы и достижения требуемого расхода потока используется сопло с радиусом приблизительно 30 мм.
При выходе из генератора плазмы и входе в первую зону (308) плазма расширяется, что сопровождается ее охлаждением. Однако работа, совершенная ионами урана в магнитном поле, приводит к новому частичному нагреванию. Если требуется, в плазму, во время ее последующего продвижения через устройство, может быть введена дополнительная энергия для поддержания температуры на уровне, при котором интересующие компоненты остаются ионизированными. Эту энергию можно получить с помощью высокочастотных средств. Таким образом поддерживается требуемая избирательность на основе равновесия.
Пучок материала, выходящего из генератора плазмы, имеет тенденцию расширяться с увеличением расстояния от этого генератора плазмы.
Перегородки (310, 312), ограничивающие различные зоны, имеют отверстия, диаметр которых выбран с учетом этого расширения.
Напряженность удерживающего поля равна приблизительно 0,1 Тл. Эту величину можно обеспечить с помощью обычных электромагнитов, хотя могут быть использованы сверхпроводящие магниты. Магнитное поле такой напряженности собирает ионы урана в зону с радиусом приблизительно 180 мм на расстоянии 3 м от сопла. Каждая из зон/ступеней имеет длину 1 м. Радиус расширяющегося пучка приблизительно пропорционален корню четвертой степени от пройденного расстояния.
В первой зоне (308) имеются выпускные отверстия (314), связанные с вакуумным насосом (не показан). Они служат для удаления из устройства первых, образующих отходы, потоков, содержащих незаряженный материал, преимущественно фтор. Трубы, выводящие эти потоки, могут быть выполнены из алюминия.
Давление в первой зоне равно приблизительно 13 Па и по мере движения через эту зону давление фтора в пучке материала уменьшается по существу до этого давления. Избыток фтора, создающий давление сверх указанного, откачивается через выпускные отверстия (314) с помощью обычных насосов.
Пучок с уменьшенным содержанием фтора проходит затем во вторую зону (316) через отверстие (318) в перегородке (310).
Вторая зона (318) работает при более низком давлении, чем первая, приблизительно при 5 Па, при этом при прохождении материала через зону содержание фтора в пучке уменьшается до этого давления.
Затем пучок проходит в третью зону (320) через отверстие (322) в перегородке (312).
Эта зона работает при еще более низком давлении, приблизительно 2 Па, а избыток фтора откачивается через выпускные отверстия (324).
Затем сильно обедненный в отношении фтора пучок проходит через выпускное отверстие (326) для последующей обработки.
Ионизированный газообразный уран может контактировать с некоторой сеткой для разряда урана и уменьшения его энергии с достижением состояния, в котором он является твердым или жидким. Можно ввести химический материал для гашения и/или охлаждения. В качестве материала для охлаждения урана предпочтительно использовать инертные газы, чтобы не происходило его химического соединения с газами. В результате получается металлический уран. Уран может быть охлажден достаточно сильно для получения его в твердом состоянии или, альтернативно, может быть охлажден частично, чтобы он остался в жидком состоянии.
Фтор, оставшийся в потоке (326) урана, может быть легко удален за счет его испарения в виде фторида урана и рециркулирован. Когда уран собран в виде жидкости, разделение удобно выполнить на месте. Улетучивающийся UF в значительной степени превращается в UF6, который можно рециркулировать.
Аналогичное разделение возможно для UF4, ТiСl4 и галоидных соединений других металлов.
Может быть предусмотрено собирание фтора, отделенного от жидкости, в виде отходящего газа.
Для изготовления сосуда для сбора жидкости может использоваться керамический фторид или графитовые материалы.
Для выхода 12 кг урана в час требуется подача фтора в количестве 5,7 кг/час. Ожидается, что из этого фтора 3,6 кг/час будет откачиваться в первой зоне, 1,3 кг/час - во второй зоне, 0,5 кг/час - в третьей зоне и 0,3 кг/час будет оставаться в потоке (326) урана. Выход фторсодержащих газов из этого продукта, например UF3 и/или UF4, обеспечивает получение очень чистого урана, то есть с содержанием фтора несколько миллионных долей.
Различные варианты выполнения изобретения, изложенные выше, являются близкими друг другу, и должно быть понятно, что признаки, рассмотренные в связи с одним или большим количеством аспектов или вариантов выполнения, применимы и к другим.
Изобретение относится к способам обработки материалов для ядерного топлива. Сущность изобретения: способ включает обеспечение наличия сырья, состоящего из смеси компонентов, и превращение указанного сырья в плазменную или ионизированную форму. При этом обеспечивается нахождение по меньшей мере одного компонента в по меньшей мере частично ионизированной форме и по меньшей мере одного другого компонента в по меньшей мере частично неионизированной форме. Далее, осуществляют удерживание плазмы/ионов в магнитном поле и по меньшей мере частичное отделение ионизированных компонентов от неионизированных компонентов, а подводимую энергию не распределяют избирательно между компонентами сырья. Устройство для разделения содержит генератор плазмы/ионов, средство избирательной ионизации сырьевого материала, состоящего из смеси компонентов, средство создания магнитного поля для удерживания плазмы/ионов и средство удаления неионизированных компонентов из магнитного поля. При этом генератор плазмы/ионов и средство избирательной ионизации сырьевого материала выполнены так, что подводимая энергия не распределяется избирательно между компонентами сырья. Преимущества изобретения заключаются в том, что оно обеспечивает высокий выход за счет того, что ионизированные и неионизированные компоненты находятся в равновесии друг с другом. 4 с. и 31 з.п. ф-лы, 6 ил.
Приоритет по пунктам:
27.02.1997 - по пп. 1, 2, 10-13, 24, 28-30, 33-35;
15.03.1996 - по пп. 3-9, 14-23, 25-27, 31, 32.
| US 3973926 А, 10.08.1976 | |||
| SU 1533058 А1, 15.02.1992 | |||
| RU 94018526 А1, 27.01.1996 | |||
| GB 1488398 A, 12.10.1977 | |||
| US 3973926 А, 10.08.1976. |
