专利名称：加工材料及其相关的改进的制作方法
技术领域：
本发明涉及加工材料及其相关的改进，具体但不限定地说，本发明涉及核燃料物质、核燃料循环中涉及的物质及核燃料工业中涉及的物质的加工。
在现有技术中，用于通过物理或化学方法将矿石转化成适于浓缩的材料的系统几乎都包括一系列湿化学技术。例如，在基于六水合硝酸铀酰的工段中浓缩原料氧化铀；在脱硝段中将该物质转化成UO3；然后将UO3还原成UO2；在氢氟化段中形成UF4，然后进行进一步氟化形成UF6，把UF6供料给所用的浓缩工序。
在循环废燃料及其它含铀原料中使用同样复杂的，一般涉及湿化学的化学和物理步骤。
根据本发明的第一方面，我们提供一种处理含铀原料的方法，该方法包括使含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；将氟化铀供料到分离段，在分离段中，氟化铀转化成等离子体和/或电离形式，至少部分铀被电离，而至少部分氟未电离，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流循环到氟气和含铀物质接触段。
含铀原料可以是铀矿石，这种矿石可以是矿山交货时的矿石和/或有更高铀含量的矿石。
含铀原料可以是对先前用在核燃料循环中的铀和/或含铀物质进行再加工时产生的铀和/或氧化铀。
含铀原料可以是一种或多种工序中产生的含铀废渣，如浓缩加工物流，包括其废物流或副产品物流。
含铀原料可以是核反应堆中产生的废燃料。废燃料中可含有裂变产品和/或钚同位素和铀。
一种或多种上述类型的原料可以同时供料到该工艺中。
产生的氟化铀可混合成氟化物形式，但是氟化铀主要优选为六氟化铀。
在分离段前可有一个物质除去段。在该工段中，可从工艺中除去氟化铀特别是六氟化铀。该氟化铀可供料到浓缩工序和/或储存和/或输送到远处和/或销售。在该工段中，可从工艺中除去杂质，特别是当含铀原料是铀矿石时。杂质可作为氟化杂质除去。
根据下述细节提供分离段。
第一产品流可包括金属铀。金属铀可用于生产MAGNOX燃料。金属铀可供料到后续工序，如浓缩工序。浓缩工序可以是AVLIS和/或其它的金属为主的浓缩工序。浓缩工序可根据下述细节提供。第一产品流，特别是涉及到废燃料原料的第一产品流可包括元素形式的铀和/或钚和/或裂变产品。该元素形式可作为废燃料物质的储存形式。
第二产品流主要优选为氟。这种氟可以是原子形式的氟，但是优选可还原成分子形式的F2。
可在将第二产品流供料到氟/含铀物质接触段之前对其进行加工。该工序包括洗涤氟以除去其它物质。在供料到氟/含铀物质接触段之前可用外部氟源将第二产品流中的氟水平和/或含量提高。外部氟源可根据本发明的第三方面提供。
根据本发明的第二方面，我们提供处理含铀原料的装置，该装置包括含铀物质与氟气接触的第一单元，氟和含铀物质反应生成氟化铀；形成分离段的第二单元，氟化铀供料到该分离段，分离段包括将氟化铀转化成等离子体和/或电离形式的等离子体和/或离子发生器，至少部分铀被电离，而至少部分氟未电离，该分离段还包括磁场发生设备，以产生磁场，该磁场包含电离部分，形成第一产品流，该分离段还包括用于从磁场中取出未电离部分的设备，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流循环到氟气和含铀物质接触的第一单元。
根据本发明的第三方面，我们提供一种氟化含铀原料的方法，该方法包括使含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；将含氟物质供料到分离段产生氟气，在分离段中，含氟物质转化成等离子体和/或电离形式，原料中的非氟部分至少部分被电离，而原料中的氟部分至少部分未被电离，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流供料到氟气和含铀物质接触段。
提供的含铀原料可以如本发明第一方面所定义的那些物质。产生的氟化铀可以是如本发明第一方面所定义的氟化铀。
含氟原料可以是核燃料生产过程中产生的物质。含氟物质优选是氟化铀，更优选是六氟化铀。理想的氟化铀中的铀是贫235U。仍然更优选的是UF6的铀是贫235U。UF6可以是来自其它工序和/或同一工序的其它部分的原料和/或来自UF6的储存源的原料。
第一产品流优选含有铀，特别是贫铀。第一产品流可以作为贫铀的储存形式。
第二产品流优选补充从根据本发明第一方面的工序中的分离器循环的氟。
根据本发明的第四方面，我们提供氟化含铀原料的装置，该装置包括含铀物质与氟气接触的第一单元，氟和含铀物质反应生成氟化铀；
形成分离段的第二单元，通过把含氟物质供料到分离段而在分离段中产生氟气，分离段包括将含氟物质转化成等离子体和/或电离形式的等离子体和/或离子发生器，原料中的非氟部分至少部分被电离，而原料中的氟部分至少部分未被电离，该分离段还包括磁场发生设备，包含在磁场发生设备所产生的磁场中的电离部分形成第一产品流，该分离段还包括从磁场中取出未电离部分的设备，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流供料到氟气和含铀物质接触的第一单元。
根据本发明的第五方面，我们提供一种浓缩含铀原料的方法，该方法包括将含铀原料加入分离段，在分离段中，含铀物质转化成等离子体和/或电离形式，至少部分铀被电离，而原料中的非铀部分至少部分未被电离，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第一产品流供料到浓缩段，在浓缩段中，对第一产品流施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离第一产品流中的一种或多种成分，选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流。
可根据本发明第一方面中的原料提供含铀原料。但是，含铀原料优选是一种或多种氟化铀，特别是六氟化铀。
可根据下述细节提供分离器。
第一产品流优选主要含有原料中的铀。第二产品流优选主要含有原料中的非铀部分，特别是有较低原子质量的成分。
第一产品流，特别是其中含有铀的第一产品流可仍然以电离形式供料到浓缩段。但是，第一产品流，特别是其中含有铀的第一产品流，更特别是其中含有238U的第一产品流优选在浓缩段之前进行中和。第一产品流，特别是其中含有铀的第一产品流优选以气体和/或蒸气形式供料到浓缩段。
优选地是，选择施加的电磁辐射的一种或多种频率是优先电离含235U的成分，而后电离含238U的成分。
这些成分可以是分子形式，如掺进铀的各种同位素的UF6，但是优选是这些同位素自身的原子形式。
可通过将第三产品流静电吸引到收集场所而将第三产品流和第四产品流分离。第四产品流优选收集在分离场所。
优选地是，与第一产品流相比，第三产品流中的一种或多种同位素，理想地是235U的含量提高了。优选地是，与第一产品流相比，第四产品流中的所说的一种或多种同位素，理想地是235U是贫化的。
第三和/或第四产品流可进行进一步加工。
根据本发明的第六方面，我们提供浓缩含铀原料的装置，该装置包括形成分离段的第一单元，将含铀原料加入分离段，分离段包括将含铀物质转化成等离子体和/或电离形式的等离子体和/或离子发生器，至少部分铀被电离，而原料中的非铀部分至少部分未被电离，分离段还包括用于产生磁场的磁场发生设备，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，分离段还包括从磁场中取出未电离部分的设备，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；形成浓缩段的第二单元，第一产品流供料到浓缩段，浓缩段包括一个电磁辐射源，优选是激光器，以对第一产品流施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离第一产品流中的一种或多种成分，浓缩段还包括将选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流的设备。
根据本发明的第七方面，我们提供一种提纯含铀物质的方法，该方法包括含铀物质供料到浓缩段，在浓缩段中，对加入的原料施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离加入的原料中的一种或多种成分，选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流。
这两个产品流中的一个或全部供料到氟化段，在氟化段中，产品流中的含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；将氟化铀和产品流中的其它成分供料到分离段，在分离段中，氟化铀分离出来形成第五产品流，产品流中的一种或多种其它成分形成第六产品流。
供料到浓缩段的含铀物质优选是原子铀，其优选是气体和/或蒸气形式，其优选是非电离形式。
在浓缩段中，优选以前面详述的本发明第五方面的方式浓缩供料到其中的物质。
第四产品流可供料到氟化段，但是特别优选地是，也将第三产品流供料到氟化段。
优选如前面详述的本发明第一方面那样产生氟化铀。
产品流中的其它成分可以是一种或多种其它金属，具体来说，可以是铁。优选地是，铁也在氟化段中被氟化。
可根据挥发性的不同而将氟化铀，最优选是较高挥发性的氟化铀，理想地是六氟化铀与一种或多种优选也是氟化物形式的杂质分离。第五和/或第六产品流可进行进一步加工。
根据本发明的第八方面，我们提供提纯含铀物质的装置，该装置包括形成浓缩段的第一单元，含铀物质供料到浓缩段，浓缩段包括一个电磁辐射源，优选是激光器，以对加入的原料施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离加入的原料中的一种或多种成分，浓缩段还包括将选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流的设备。
形成氟化段的第二单元，这两个产品流中的一个或全部供料到氟化段，在氟化段中，产品流中的含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；形成分离段的第三单元，将氟化铀和产品流中的其它成分供料到分离段，在分离段中，氟化铀分离出来形成第五产品流，产品流中的一种或多种其它成分形成第六产品流。
前面详述的本发明的各个方面可相互结合。例如，本发明第三方面中的生成氟的过程可用于产生本发明第一方面中的氟化段中所需要的氟。同样，本发明第三方面中的生成氟的过程可用于产生本发明第七方面中的氟化段中所需要的氟。本发明的第一方面和本发明的第五方面中的分离器还可能是同一个分离器，从该分离器出来的第一产品流到达浓缩段。这种结合工艺还可使用本发明第三方面以产生氟化段中所需要的氟。另外，还可能有或没有第一方面的分离器，也可能有或没有第五方面的分离器，本发明的第五方面和第七方面中的浓缩段可以是同一工段。本发明的第一、第三、第五和第七方面可以全部合成一个工艺过程。
原料可以以气体、液体、固体或混合物的状态加入磁场。优选加入磁场的是气体原料。
原料可以以气体、液体、固体或混合物的状态加入等离子体发生设备。
原料可以以气体、液体、固体或混合物的状态加入电离设备。优选加入电离设备的是气体原料，特别是在没有提供等离子体发生器的情况下。
可以通过将固体或液体初始原料煮沸和/或蒸发和/或升华而产生气体形式的原料。向气体状态的转化可通过加热炉、微波加热器或其它形式的加热设备进行。该气体优选是在电离之前加入。
优选全部的，或基本上全部的指定成分被电离。优选全部的，或基本上全部的指定成分不被电离。
优选一些或全部所说的原料中的金属元素被电离。特别优选将原子量大于90的金属元素电离。优选一些或全部所说的原料中的非金属元素不被电离。特别优选原子量小于90，最优选小于70，理想地是小于60的所有元素不被电离。特别优选如铀和/或钚和/或钍和/或钆的元素被电离。优选如氢和/或氟和/或氧和/或氮的元素不被电离。硼优选不被电离。裂变产品优选不被电离。
这些成分的电离可由等离子体的温度造成。另外或可替代的是，这些成分的电离可由这些成分与电子回旋加速器产生的高能电子发生反应造成。
可通过电子回旋加速器单元中输入的能量和/或停留时间控制电离的程度和/或电离的成分。
优选通过输入能量的等级控制电离。可通过控制等离子体的温度来控制输入能量的等级。输入的能量优选在原料的成分之间不是选择性的。优选通过这种方法将原料中的所有成分升高到相同的能量级。原料中的电离成分和未电离成分在主要条件下相互之间是平衡的。
原料可转化成气体，然后供料到ECR单元以电离。可用炉式加热器或蒸发器将固体或液体原料转化成气体/蒸气形式。
因此，在一个具体的实施方案中，等离子体可将原料转化成分离的原子，然后用电子回旋加速器进行至少部分电离，优选选择性地进行电离。
提供的原料优选是分子形式并可作为分离的原子和/或元素形式与电离的分离的原子和/或元素形式选择性分离。这就产生了适用于比使用元素原料并以元素形式分离的技术或使用分子原料而后以分子形式分离的技术中更宽范围的原料的技术。
控制所说的等离子体的温度以便以所需的方法将成分进行选择性电离。因此，等离子体可电离原料中的一些成分，而使其它成分如裂变产品和/或非金属元素不被电离。
优选在3000-4500K的温度下提供所说的等离子体。优选通过微波或射频设备产生所说的等离子体。优选在1000-10000Pa的压力下操作发生器中的等离子体。优选的压力值是2000+/-10％。
其它或可供选择地是，控制原料在分离前在等离子体中的停留时间以便以所需的方法将成分进行选择性电离。
原料优选以未电离形式加入磁场。不带电的气体的部分电离过程优选在磁场中进行。气体可以是分子和/或原子形式。
配置的磁场可限定出一个圆柱形活性空间，在该活性空间中产生等离子体/离子。从等离子体产生和/或电离设备中出来的等离子体/离子优选通过该容器区的轴线到达下一个分离段。
电离和未电离成分的分离优选通过将未电离成分从等离子体中除去，最优选作为气体除去的方式进行。未电离成分可用泵抽离电离成分。磁场包容并因此约束了电离成分。
可在多个工段中将电离成分和未电离成分分离。这多个工段优选是相互分离的。这多个工段可通过有孔的挡板而相互分离。该孔优选完全在磁场的容器区。一个或多个这些工段优选在不同于一个或多个其它工段的压力下操作。压力可通过泵入物料的水平来保持。进口附近的一个或多个工段中的压力优选高于离进口远的一个或多个工段中的压力。相对于离进口更近的前一个工段中的压力，每一个区域的压力都优选逐步降低。离开进口的每一个工段中的压力优选是前一个工段中压力的30％-60％。
优选提供三个工段，每一个工段的长度是0.5-2m。
第一工段优选在10-50Pa的压力下操作。优选40Pa+/-10％。
第二工段优选在5-20Pa的压力下操作。优选16Pa+/-10％。
第三工段优选在2-10Pa的压力下操作。优选7Pa+/-10％。
分离的不带电成分可循环用作后续使用和/或进行进一步加工。这包括进一步选择性电离和/或选择性加工以分成不同的成分。
分离的带电成分优选仍然包含在磁场中。分离的带电成分可进行进一步加工。这包括选择性去离子；去离子后进行进一步选择性电离；或其它的选择性加工以分成不同的成分。
上述方面中所指的浓缩段可具有一种或多种下述特征。
可将浓缩段抽真空，如达到10-6托或更低。
可通过一个或多个激光束和/或一个或多个激光器而施加电磁辐射。产生的选择性电离优选是光化电离。可在一个或多个工段中发生电离和/或励磁，优选地是，对于不同的工段选择不同的频率。
可通过将电离物质静电吸引到收集场所如一个或多个收集盘而将电离成分和未电离成分分离。更优选通过使用磁场使电离成分变向而将电离成分和未电离成分分离。
现在通过一个实施例并参照附图来描述本发明的各种实施方案。
图5示出适用于本发明的加工路线的分离段的一个实施方案；图6示出适用于本发明的加工路线的分离段的一个替代实施方案；和图7示出适用于本发明的加工路线的一种浓缩器。
图1示出一个直接氟化段2，在直接氟化段2中，将所关心的金属成分氟化，然后是氟/金属分离段4，氟/金属分离段4产生各种可能的产品形式及要通过工段6循环回直接氟化段的氟。该系统可用于各种可能的原料和各种目的产品形式。
但是，作为目的工艺的一部分，大部分UF6从洗涤段10输送到分离段4。在下面要详细讨论的分离段4中，铀及其它金属物质与氟及其它低原子量的物质分离。氟作为物流16回到工段6作为后续原料返回到直接氟化段2。系统中氟的量可由也供料到工段6的氟源18添满。
该技术的主要优点是虽然用昂贵的氟来将矿石中的铀和杂质分离，但是，氟是回收的并循环回氟化段2用于后续再利用。就这样提供一个对于氟来说基本上是封闭的循环。
来自工段4的金属产品流可形成产品流20进行后续加工，这将在后面详细讨论，或者也可以形成金属铀产品流22，例如，用作MAGNOX燃料。再加工铀原料前面参照图1概述的系统可同样好地使用来自工段24、由再加工铀、主要是UO3组成的原料。再加工铀可从各种可能的来源中得到，包括从废燃料棒中提取的铀。
重复地说，将氧化铀供料到直接氟化段以转化成UF6。重复地说，可以提出由UF6组成的产品流14，这种铀是再加工铀。
对于再加工铀原料来说，除去杂质段10可以是必需的，也可以不是必需的。
重复地说，在分离段4中，铀和氟分离，把氟进行循环。然后，可将铀进行再加工，如将其浓缩，或者也可以用于生产MAGNOX燃料。铀废渣原料现有的各种与生产铀燃料相关的工艺都产生需要加工的废渣流。这些物流一般由氧化物形式的铀组成，结果，这样的物流26适于供料到前面概述的工艺中的氟化段2中。重复地说，可按照需要将铀提出进行后续的再加工。补充氟的路线特别是加工铀矿石浓缩物时，在氟化杂质在工段10中从该工艺中除去的情况下，必须往循环中添加氟以补充随这些杂质损失掉的氟。氟可有各种来源，但是优选的生产路线是图2中的路线。
图2示出氟源段6，来自分离段的作为物流16的氟供料到氟源段6，该氟又回供到氟化段2。添加的氟由物流28引入工段6。
用于这部分工艺的原料段30提供了UF6源，并且特别优选是由现有的浓缩技术和/或以前产生的贫UF6储备堆产生的贫UF6物流。贫UF6一般主要由238UF6组成。在浓缩工序中，大部分的235UF6已从贫UF6中除去。
来自工段30的UF6原料供料到分离段32，分离段32优选和前面图1概述的分离段4是同样的类型，下面将对其进行详细讨论。
分离段32产生供料到氟循环所需的氟物流28和分离的产品流34。产品流34优选是比UF6更适于长期储存形式的金属铀。当该金属是贫铀，主要是238U形式的情况下特别是金属铀。废燃料原料该技术的一种变化是使用废燃料原料，其在图3中进行概述。
一般包括氧化铀、裂变产品和氧化钚的废燃料加入工段36并形成加入直接氟化段2的原料。然后将产生的UF6和其它氟化金属供料到分离段4。
根据原料和所需产品形式的性质来看，一般不从该工艺路线中除去杂质。
如上所述，氟从工段4经由工段6循环回直接氟化段2。从工段4出来的产品用于后续处理。该产品可形成送往后续加工段的原料20，或者也可以形成其本身就是产品形式的物流38。
产品流38特别优选是均为金属形式的铀，钚和裂变产品的混合物。这种产品形式与仍在燃料棒或燃料组件中的物质相比，可以进行长期储存，并代表了一种有很大改进的储存形式。不仅其中的物质的实际形式有改进，而且该物质的体积与其在实际燃料组件中的体积相比以约2.5的因数进行缩减，另外，组件本身的体积也不需要储存。结果，需要储存的体积的总的缩减因数可达到20左右。这种产品形式用于储存的另一个有益性能是金属铀是良好的γ射线屏蔽层，因此，该材料具有防止由其中含有的裂变产品产生的γ射线的屏蔽作用。对浓缩产品的处理图4示出包括AVLIS的多个浓缩加工段40，工段40提供了金属或氧化物形式的浓缩形式的铀。物流42通常含有铁或其它杂质，在对铀进行再加工之前，要求把这些杂质除去。
在图4所示的工艺路线中，含铀和铁的物流42供料到直接氟化段44，所用的氟由氟源段46供料。
特别优选地是，氟源段46是如前面图1中概述的分离段4和/或如前面图2中概述的分离段32的一般类型的分离器。重复地说，加入该工段的原料48特别优选包括UF6尾矿，特别是贫UF6。又，随着有用的氟供料到氟化段44，就产生了更易于储存和/或处理的产品形式50。
在直接氟化段产生的六氟化铀，氟化铁及其它氟化物可基于其不同的挥发性而在分离段50中分离。因此，可取出挥发性较高的UF6作为产品流52用于后续的再加工，如用于制造业，而取出氟化铁杂质作为产品流54用于后续处理。分离段图5示出适用于本发明各种实施方案的合适的分离段。
原料物流200穿过等离子体发生器202，等离子体发生器202迅速地将原料加热到约4000K。等离子体发生器202可以是微波或RF型等离子体发生器，以这种方式更易于控制等离子体温度。
组206和216中的导电线圈产生高强度磁场，其磁力线用204示意性表示。建造的等离子体发生器和磁场能使原料中电离的成分仍然处于磁场的包围中。设置的导电线圈产生的磁场强度大于0.1特斯拉。
当原料物流200穿过等离子体发生器202后，其温度有很大升高，结果，原料物流200中的成分分解成其组成原子。这便于根据组成原料的单个原子进行加工，而不需要元素原料或只能根据分子间的不同才能对原料进行加工。
在等离子体温度下，铀原子及其它高原子质量的成分带电，如U+。但是，较低原子质量的成分，在这种情况下主要是氟，仍然不带电。已电离的和不带电的物质都是气体形式。
利用其电荷，铀离子包含在磁场中并向前穿过线圈组形成产品流224。但是，不带电的氟原子可自由运动，而不受磁场的约束，结果，可用真空泵或其它合适的设备将其抽出作为工艺物流214。一旦离开铀离子，就可使氟的能量降低，可以结合成F2。
因此，作为该分离段的结果是铀与原料液中的低原子量的元素分离，铀可进行后续加工或利用。
发生在分离器中的选择性电离的性质很重要。电离是作为系统的总能级的结果而发生的。因此，在主要条件下电离的物质和不电离的物质是由在这些条件下对这些物质的平衡状态所决定的。因此，其中的选择性电离是稳定的和持久的，所以能有效地进行分离而没有时间的压力。
如果引入系统的能量选择性地被一种物质所占有而不是被一种或另一种物质所占有，那么进行的选择性电离就用处不大。在这种情况下，电离和未电离物质之间的碰撞就导致能量的转移，因此，就可能改变其状态和/或改变其物种。这就在所有的分离速度上造成很大的时间压力，必须意识到否则的话，就失去了选择性。另外，这种电离必须对低密度的物质进行，否则，就会发生对于选择性来说太剧烈的碰撞。
但是，本发明概述的平衡状态允许物质之间发生对工艺的选择性无害的碰撞。结果，可能有更高的物质产量。
一种可使用的替代性分离器示于图6。重复地说，对该设备的描述与将铀和六氟化铀原料的分离相关，但是该设备易于应用在其它领域。
六氟化铀原料液作为蒸气形式的物流(300)加入。射频等离子体发生器(302)迅速地将原料转化成等离子体。在2KPa下操作等离子体发生器，是为了确保由于高度碰撞所造成的对于原料中所需成分的电离的基本平衡度。
等离子体发生器内部的接触部分可用陶瓷的氟化物制成，这是为了使其具有能够承受所要涉及的条件所必需的物理性能。该系统可使用铜表面，用含水管道冷却该铜表面。用水流降低铜壁的温度，并在壁上形成氟化铀的浓缩物。这就对铜进行了化学和热绝缘。随着在壁上沉积成给定厚度的氟化铀，就最终形成了一种平衡状态。这就产生了自燃衬里效应。
产生的等离子体通过喷嘴(304)离开发生器(302)，并包含在用(306)示意性表示的磁场中。使用半径约为30mm的喷嘴是为了保持等离子体发生器(304)中的压力并产生所需的流速。
等离子体离开等离子体发生器进入1区(308)时，将膨胀冷却。但是，铀离子逆磁场的运动会导致部分再加热。如果在随后的过程中通过该装置往该等离子体中引入合适的额外的能量来使所需的成分的温度保持其仍能电离的水平，那么就能够保持基于平衡的所需的选择性。这种能量可由射频设备提供。
离开等离子体发生器的物质束将随着其与等离子体发生器的距离增加而散开。
挡板(310，312)定义了各个区，在选择它们的孔径时，考虑了膨胀性。
包容磁场的磁场强度是约0.1特斯拉。尽管可以使用超导磁体，但是传统的电磁体就能产生这样大的电磁强度。这种强度的磁场把铀离子限定为离喷嘴的运行距离是3m时其半径是180mm。每一个区/段都是1m长。物质膨胀束的半径大致与运行距离的第四路线成正比。
在1区(308)中提供了一个通往真空泵(图中未示出)的出口(314)。这可以将第一废物流从该装置中抽出，该废物流包括不带电的物质，主要是氟。铝可用于废物流线。
1区内的压力是约13Pa，在物质束穿过该区的过程中，物质束中的氟的压力基本降到该压力值。用可商购的泵将超过该值的过多的氟通过出口(314)抽出。
降低了氟含量的物质束接着通过挡板(310)中的缝隙(318)进入2区(316)。
2区(316)在比1区更低的压力下操作，约为5Pa，重复地说，当物质穿过该区时，物质束中的氟含量朝着该压力值降低。
然后，物质束通过挡板(312)中的缝隙(322)进入3区(320)。
该区又在更低的压力下操作，约为2Pa，过多的氟通过出口(324)用泵抽出。
然后，非常缺乏氟的物质束到达出口(326)用于后续处理。
电离的气态铀可与一些描述的格栅接触以放电并把铀的能量降低到其是固体或液体的状态。可以考虑引入化学物质以进行骤冷和/或冷却活动。在这种情况下用惰性气体冷却铀可能是优选的，因为不会出现气体之间的化学结合。结果就产生了金属铀。可充分地将铀冷却以产生固体铀，或者也可以只进行部分冷却使之成为液体形式的铀。
保留在铀产品流(326)中的氟易于作为氟化铀从大量的铀产品中挥发和循环。当铀作为液体收集时，可以方便地当场进行分离。挥发的UF主要转化成可循环的UF6。
可提供通过放气来收集从液体中释放出来的氟的预备装置。
对于每小时12kg的铀原料，将产生5.7kg/hr的氟。在这些氟中，从1区可望用泵抽出3.6kg/hr；从2区可用泵抽出1.3kg/hr；从3区可用泵抽出0.5kg/hr；在铀产品流(326)中保留有0.3kg/hr。从该产品中作为UF和/或UF4放出氟气可产生非常纯的产品铀，即，这部分的氟含量范围是ppm级。铀浓缩段对铀的浓缩以提高235U的比例，可通过各种技术进行。例如，由图1中的直接氟化段2产生的UF6可在工段10中从该工艺中除去，然后供料到一体化浓缩工序和/或运输到远处的浓缩工序。浓缩工序可基于气体离心和/或气体扩散分离和/或热扩散分离。
但是，从分离段4出来的铀作为产品流20优选直接送往后续的浓缩段。
AVLIS(原子蒸气激光器同位素分离)提供了特别优选的浓缩形式。提供的适用于本发明的AVLIS型浓缩器如图7所示，浓缩器70由容器72组成，原料物流沿通道74引入容器72。用泵76将容器72抽真空到低压，一般低于10-6托。
当如图1或3所示，浓缩器70紧跟在分离器4后面时，原料一般是原子蒸气形式的金属铀。
当如图4所示，浓缩器70后面连着直接氟化段44时，原料可以是来自上一工段(如上述类型的一种分离器)或能够将原料转化成原子蒸气形式的浓缩器。该设施(图中未示出)可通过应用感应加热和/或电阻加热和/或电子束提供。
一旦引入容器72，原料物流78就和通过容器72中的窗口82引入的由激光器产生的激光辐射80接触。仔细选择射频的频率，使得这些射频可以使一系列同位素产生光化电离，而不会使其它系列的同位素产生光化电离。原料物流是铀的情况下，一般选择的频率能够激发235U，而不激发238U。
一旦转化成电离形式，则离子就被静电吸引到收集盘84中。收集的浓缩物可周期性地或连续地从收集盘中取出。未电离形式的物质不会吸引到带电盘84中，因此，继续移动到分离收集器86。
盘84中收集的浓缩物一般还含有其它成分，如铁和氧化铁，如前面图4中的相关讨论，将这些物质基于挥发性的不同而除去。可用相似的分离技术除去收集器86中收集的贫化物质中的杂质。
权利要求
1.一种处理含铀原料的方法，该方法包括使含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；将氟化铀供料到分离段，在分离段中，氟化铀转化成等离子体和/或电离形式，至少部分铀被电离，而至少部分氟未电离，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流循环到氟气和含铀物质接触段。
2.一种氟化含铀原料的方法，该方法包括使含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；将含氟物质供料到分离段产生氟气，在分离段中，含氟物质转化成等离子体和/或电离形式，原料中的非氟部分至少部分被电离，而原料中的氟部分至少部分未被电离，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流供料到氟气和含铀物质接触段。
3.一种浓缩含铀原料的方法，该方法包括将含铀物质加入分离段，在分离段中，含铀物质转化成等离子体和/或电离形式，至少部分铀被电离，而原料中的非铀部分至少部分未被电离，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第一产品流供料到浓缩段，在浓缩段中，对第一产品流施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离第一产品流中的一种或多种成分，将选择电离的成分从选择未电离的成分中分离出以形成第三和第四产品流。
4.根据任一上述权利要求所述的方法，其中的含铀原料是铀矿石。
5.根据任一权利要求1-3所述的方法，其中的含铀原料是对先前用在核燃料循环中的铀和/或含铀物质进行再加工时产生的铀和/或氧化铀。
6.根据任一上述权利要求所述的方法，其中在分离段之前设置一个物质除去段，在该工段中，将一种或多种氟化铀形式的物质从工艺中除去。
7.根据任一上述权利要求所述的方法，其中第一产品流包括金属铀。
8.根据任一权利要求1-6所述的方法，其中第一产品流包括元素形式的铀和/或钚和/或裂变产品。
9.根据任一上述权利要求所述的方法，其中第二产品流主要是氟。
10.根据任一上述权利要求所述的方法，其中第二产品流在供料到氟/含铀物质接触段之前加工第二产品流，该加工工序包括洗涤氟以除去其它物质。
11.根据权利要求2或任一其从属权利要求所述的方法，其中的含氟物质是氟化铀，优选六氟化铀。
12.根据权利要求2或任一其从属权利要求所述的方法，其中第二产品流补充从根据权利要求2的工序中的分离器循环的氟。
13.根据权利要求3或任一其从属权利要求所述的方法，其中含铀原料是一种或多种氟化铀，特别是六氟化铀。
14.根据权利要求3或任一其从属权利要求所述的方法，其中第一产品流在供料到浓缩段之前进行中和。
15.根据权利要求3或任一其从属权利要求所述的方法，其中选择施加的电磁辐射的一种或多种频率是优先电离含235U的成分，而后电离含238U的成分。
16.根据权利要求3或任一其从属权利要求所述的方法，其中通过将第三产品流静电吸引到收集场所而将第三产品流和第四产品流分离。
17.根据权利要求3或任一其从属权利要求所述的方法，其中第三产品流与第一产品流相比，235U的含量提高了。
18.处理含铀原料的装置，该装置包括含铀物质与氟气接触的第一单元，氟和含铀物质反应生成氟化铀；形成分离段的第二单元，氟化铀供料到该分离段，分离段包括将氟化铀转化成等离子体和/或电离形式的等离子体和/或离子发生器，至少部分铀被电离，而至少部分氟未电离，该分离段还包括磁场发生设备，以产生磁场，该磁场包含电离部分，形成第一产品流，该分离段还包括用于从磁场中取出未电离部分的设备，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流循环到氟气和含铀物质接触的第一单元。
19.氟化含铀原料的装置，该装置包括含铀物质与氟气接触的第一单元，氟和含铀物质反应生成氟化铀；形成分离段的第二单元，通过把含氟物质供料到分离段而在分离段中产生氟气，分离段包括将含氟物质转化成等离子体和/或电离形式的等离子体和/或离子发生器，原料中的非氟部分至少部分被电离，而原料中的氟部分至少部分未被电离，该分离段还包括磁场发生设备，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，该分离段还包括从磁场中取出未电离部分的设备，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；第二产品流供料到氟气和含铀物质接触的第一单元。
20.浓缩含铀原料的装置，该装置包括形成分离段的第一单元，将含铀原料加入分离段，分离段包括将含铀物质转化成等离子体和/或电离形式的等离子体和/或离子发生器，至少部分铀被电离，而原料中的非铀部分至少部分未被电离，分离段还包括用于产生磁场的磁场发生设备，包含在磁场中的电离部分形成第一产品流，分离段还包括从磁场中取出未电离部分的设备，从磁场中取出的未电离部分形成第二产品流；形成浓缩段的第二单元，第一产品流供料到浓缩段，浓缩段包括一个电磁辐射源，优选是激光器，以对第一产品流施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离第一产品流中的一种或多种成分，浓缩段还包括将选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流的设备。
21.一种提纯含铀物质的方法，该方法包括含铀物质供料到浓缩段，在浓缩段中，对加入的原料施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离加入的原料中的一种或多种成分，选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流；这两个产品流中的一个或全部供料到氟化段，在氟化段中，产品流中的含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；将氟化铀和产品流中的其它成分供料到分离段，在分离段中，氟化铀分离出来形成第五产品流，产品流中的一种或多种其它成分形成第六产品流。
22.根据权利要求21所述的方法，其中供料到浓缩段的含铀物质是气体和/或蒸气形式及非电离形式的原子铀。
23.根据权利要求21或22所述的方法，其中产品流中的其它成分是一种或多种其它金属，如铁。
24.根据任一权利要求21-23所述的方法，其中，根据挥发性的不同将氟化铀与一种或多种也是氟化物形式的杂质分离。
25.提纯含铀物质的装置，该装置包括形成浓缩段的第一单元，含铀物质供料到浓缩段，浓缩段包括一个电磁辐射源，优选是激光器，以对加入的原料施加一种或多种频率的电磁辐射，选择一种或多种频率是为了选择性地电离加入的原料中的一种或多种成分，浓缩段还包括将选择电离的成分和选择未电离的成分分离分别形成第三和第四产品流的设备；形成氟化段的第二单元，这两个产品流中的一个或全部供料到氟化段，在氟化段中，产品流中的含铀物质与氟气接触，氟和含铀物质反应生成氟化铀；形成分离段的第三单元，将氟化铀和产品流中的其它成分供料到分离段，在分离段中，氟化铀分离出来形成第五产品流，产品流中的一种或多种其它成分形成第六产品流。
全文摘要
本发明提供一系列加工含铀原料如铀矿石,再加工铀,含铀废渣和含铀废燃料的技术。该方法包括含铀物质的氟化,基于含铀物质的电离而将含铀物质与其它物质分离,并将含未电离氟的物质进行循环。可以产生金属铀和/或钚和/或裂变产物。该技术在可进行再加工的材料范围方面及减少该方法中涉及的复杂工段数目方面有很大优点。
文档编号C22B1/08GK1343261SQ0080266
公开日2002年4月3日 申请日期2000年1月14日 优先权日1999年1月15日
发明者保罗·雷蒙德·格雷格森, 保罗·吉尔克里斯特, 特伦斯·马丁·考克斯 申请人:英国核燃料公众有限公司