KR20000064624A - 핵연료재료를처리하기위한이온화에의한동위원소의분리방법과장치 - Google Patents

Abstract

원료재료의 선택적인 이온화와, 이온화된 핵종과 이온화되지 않은 핵종의 분리를 수반하는 향상된 처리장치와 방법에 관한 것으로, 화학재료가 연료의 일부를 이온화되지 않은 상태, 또는 고체나 액체상태로의 선택적인 전이를 일으키도록 넣어지고, 이온화된 핵종과 이온화되지 않은 핵종들이 서로 평형상태인 장점을 제공한다.

Description

핵연료재료를 처리하기 위한 이온화에 의한 동위원소의 분리방법과 장치

전체적인 처리절차에서 기초단계들은 우라닐 질산염 6수화물과 같은 초기 우라늄 산화물의 농축단계와; 재료를 UO₃로 전환시키는 질산제거단계; UO₃를 UO₂로 전환시키는 환원단계; UF₄를 형성하는 플루오르화 수소처리단계; UF₆를 생산하는 추가적인 플루오르화단계; 물리적 또는 화학적 수단에 의한 농축처리단계 및; 농축된 형태에서 UF₆를, 연료펠릿으로 형성되기에 알맞은 형태인 세라믹급 UO₂로 전환시키는 전환단계로 이루어진다.

소모된 연료의 재생은 일련의 복잡한 화학적 및 물리적 단계들을 유사하게 수반하여 소모된 연료로부터 다양한 핵분열 생성물을 분리하고, 사용된 연료내에 있는 다른 성분들을 추출함으로써 재료의 우라늄235 농축물을 연료로 한 번 더 사용될 수 있는 단계로 향상시킨다.

이들 처리의 복잡성은 다른 재료들 중에서 토륨과 플루토늄 및 가돌리늄과 같은 연료사이클에 수반되고 관련된 다른 생성물 처리순서에도 있게 된다. 예컨대, 매그녹스(Magnox) 반응로에 사용되는 농축되지 않은 우라늄 금속의 생산도 복잡한 처리를 수반한다.

광범위하게 수반되는 처리는 중간 핵연료 광산의 외부로 다른 재료들의 생산을 일으키기도 하는데, 예컨대 다른 것들 중에서 티타늄과 니오브 및 로듐 금속용 으로 주로 사용되는 생산절차는 금속수용성분을 할로겐 화합물 형태에서 금속으로의 분해로 이어지는 할로겐 화합물 형태로의 변환을 수반한다.

그 크기와 투자자본 및 운영비라는 점에서 실제 처리공장은 이 모든 처리들에 수반되는 단계들을 이행할 필요가 있으며, 부수적인 문제들도 다양한 처리들과 그 필요조건들로부터 발생한다. 예컨대, 플루오르화를 수반하는 처리들은 복잡하고 위험한 전기분해처리를 수반하여 필요한 플루오르를 생성한다.

본 발명은 핵연료재료만이 아닌 핵연료산업에 관련된 재료들을 처리하는 장치와 방법에 관한 것이다.

연료급 핵연료와 이와 관련된 재료들의 생산과 재생은 길고 복잡한 처리들을 수반하는 바, 예컨대 채굴된 우라늄 광석으로부터 시작되는 처리는 개괄적으로 원광석급 재료를 캐내어 연료펠릿(pellet)을 생산하기에 알맞은 형태와 등급으로 될 때까지 점차 전환시키고 농축시키는 것을 수반한다.

전체적인 처리절차에서 중간단계들도 다른 다양한 재료들의 생산을 위한 시작점을 형성한다.

도 1은 본 발명에 따른 제 1실시예를 도시한 개략도이고,

도 2는 우라늄과, 산소, 질소 및, 수소의 상평형도,

도 3은 U+와, UO, UO₂및, UO₃의 상평형도,

도 4는 본 발명에 따른 제 2실시예의 부분개략도,

도 5는 본 발명에 따른 제 3실시예의 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 제 4실시예의 개략도이다.

본 발명은 처리들을 성취하는 장치들과 함께, 많은 처리와, 더욱 유용한 형태로 재료를 변환시키는 처리 및, 재생재료를 처리하기 위한 바람직한 처리절차를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 제 1실시예는, 혼합된 성분들로 이루어진 원료를 제공하는 단계와; 이 원료를 플라즈마나 이온화된 상태로 전환시키는 단계; 적어도 부분적으로 이온화된 하나 이상의 성분과 적어도 부분적으로 이온화되지 않은 하나 이상의 다른 성분을 제공하는 단계; 상기 플라즈마 및 이온을 자기장에 구속하는 단계 및; 상기 이온화된 성분을 이온화되지 않은 성분으로부터 분리하는 단계들로 이루어진 처리단계를 제공한다.

필요한 성분은 동위원소의 혼합물이나 금속과 비금속의 양쪽 성질의 원소들로부터 추출될 수 있는데, 분리는 완전히 또는 부분적으로 될 수 있다.

플루오르 수용형태의 원료의 공급이 바람직하나, 질소수용성분의 원료의 공급이 기대되는 바, 우라닐 질산염이나, 우라늄 6플루오르화물, 플루토늄 질산염, 토륨 질산염, 소모된 우라닐 질산염, 소모된 우라늄 6플루오르화물은 또는 그 혼합물 모두는 알맞은 원료재료들의 일례이다. 다른 적당한 원료재료들로는 소모된 핵연료와, 우라늄 4플루오르화물 및 티타늄 4염화물과 같은 할로겐 화합물 형태의 다른 금속들을 포함하는데, 이들 재료들은 수화한 형태로 될 수 있다.

혼합된 성분들은 둘 이상의 다른 원소들이나; 둘 이상의 같은 원소의 다른 동위원소들; 하나 이상의 그 원소들의 다른 동위원소와 함께 다른 원소들; 다른 원소들이나, 다른 동위원소들, 또는 다른 동위원소와 다른 원소들을 혼합한 화합물들이나 혼합물들로 이루어질 수 있고, 구성하고 있는 조건들과 함께 본 명세서에 참조되어 그렇지 않다고 규정되지 않으면, 다른 모든 것들이 가능할 수 있다.

상기 원료는 기체나, 액체, 고체, 또는 혼합상태로 자기장에 넣어질 수 있는데, 자기장에 대해 기체원료가 바람직하다.

상기 원료는 기체나, 액체, 고체, 또는 혼합상태로 플라즈마 발생수단에 넣어질 수 있다.

상기 원료는 기체나, 액체, 고체, 또는 혼합상태로 이온화수단에 넣어질 수 있고, 특히 플라즈마 발생장치도 제공되지 않은 이온화수단에 대해 기체원료가 바람직하다.

상기 원료는 고체나 액체 초기원료의 가열과 증발 및 승화에 의해 기체형태로 제공될 수 있는데, 기체상태로의 전환은 노나 초단파 히터 또는 다른 형태의 히터수단들에 의해 일어날 수 있다. 상기 기체는 이온화 이전에 넣어지게 된다.

모든 또는 대체로 모든 주어진 성분은 이온화되고, 모든 또는 대체로 모든 주어진 성분들이 이온화되지 않는다.

상기 원료내에 있는 약간 또는 모든 금속원소들은 이온화되는데, 원자량이 90 보다 큰 금속원소의 이온화가 특히 바람직하다. 상기 원료내의 약간 또는 모든 비금속원소들은 이온화되지 않는다. 원자량 90 이하, 더욱 바람직하기로는 70 이하와 이상적으로는 60 이하의 모든 원소들은 이온화되지 않은 형태로 남게 된다. 우라늄이나, 플루토늄, 토륨, 또는 가돌리늄과 같은 원소들이 이온화되는 것이 특히 바람직하나, 수소나, 플루오르, 산소, 또는 질소와 같은 원소들은 이온화되지 않는 것이 바람직하며, 붕소는 이온화되지 않고, 핵분열 생성물은 이온화되지 않는다.

성분들의 이온화는 플라즈마의 온도에 의해 일어날 수 있고, 게다가 바람직하기로 성분들의 이온화는 전자 사이클로트론 공명에 의해 생성된 높은 에너지 전자들을 갖춘 성분들의 상호작용으로 일어날 수 있다.

이온화 범위와 이온화된 성분들은 전자 사이클로트론 공명장치내의 에너지 입력과 주재시간에 의해 제어될 수 있다.

이온화는 에너지 입력수준에 의해 제어되는 바, 에너지 입력수준은 플라즈마의 온도를 제어함으로써 제어할 수 있다. 상기 에너지 입력은 원료의 성분들 사이에서 선택적이지 않아서, 원료의 모든 성분은 동일한 에너지 수준으로 상승된다. 이온화된 원료성분과 이온화되지 않은 원료성분은 주요 조건들에 대해 서로 평형상태에 있게 된다.

상기 원료재료는 기체로 전환되고, 이온화를 위한 전자 사이클로트론 공명장치에 공급될 수 있으며, 노나 히터 또는 증발기가 사용되어 고체 또는 액체원료를 기체 및 증기형태로 전환시킬 수 있다.

그러므로, 별도의 실시예에서 플라즈마는 원료재료를 개별원자들로 전환시킬 수 있고, 그 후에 전자 사이클로트론 공명은 특히 적어도 부분적으로 선택적인 성질의 이온화가 일어날 수 있다.

상기 원료는 분자형태로 제공될 수 있고, 플라즈마 발생 및 이온화수단과 가열수단들에 의해 개별원자들 또는 원소형태들로 전환될 수 있는데, 개별원소들과 원소형태들로의 전환은 하나 이상의 결과로서 생기는 핵종의 부분이온화를 일으킬 수 있다. 따라서, 우라닐 질산염 6수화물 원료는 U+(이온화된 핵종) 뿐만아니라, N₂와 O₂(원소형태)와 함께 U와 N 및 H(개별원자형태)로 전환될 수 있다. 바람직하기로, 상기 원료는 분자형태로 제공되고, 이온화된 개별원자형태 및 원소형태로부터 개별원자 및 원소형태와 같이 선택적으로 분리된다. 이는 적용할 수 있는 기술을 분자형태의 분리로 이어지는 원소형태나 분자인 원료의 분리와 원소원료로 가능한 것 보다 더욱 폭넓고 다양한 재료들에 제공한다.

상기 플라즈마의 온도가 제어되어 필요한 방식으로 성분들의 선택적인 이온화를 제공한다. 따라서, 플라즈마는 핵분열 생성물 또는 비금속 원소들과 같은 다른 성분들을 이온화되지 않은 상태로 남기나, 원료내의 약간의 성분들을 이온화시킨다.

상기 플라즈마는 3000K 내지 4500K에서 제공된다. 상기 플라즈마는 초단파 또는 무선주파수 수단들에 의해 발생되는데, 발생기내의 플라즈마는 1000Pa과 10000Pa 사이에서 발생되며, 2000±10%의 값이 바람직하다.

게다가 바람직하기로는 분리 이전에 플라즈마에서의 원료의 주재시간은 제어되어 필요한 방식으로 성분들의 선택적인 이온화를 일으킨다.

상기 원료는 이온화되지 않은 상태로 수용하는 자기장에 넣어지고, 부분이온화처리는 대전되지 않은 기체 위의 자기장내에서 일어난다. 이 기체는 분자 또는 원자형태일 수 있다.

상기 자기장이 형성되어 플라즈마 및 이온이 처리되는 원통형 활성영역을 구획하고, 플라즈마 및 이온은 플라즈마 발생 및 이온화 분리수단으로부터 다음의 분리단계로 수용영역의 축을 따라 통과한다.

이온화된 성분과 이온화되지 않은 성분과의 분리는 가장 바람직하기로는 기체로서 이온화되지 않은 성분을 플라즈마로부터 제거함으로써 영향을 받는다. 이온화되지 않은 성분들은 이온화된 성분들로부터 멀리 펌핑될 수 있다. 이온화된 성분은 수용되므로, 자기장에 의해 구속된다.

이온화되지 않은 성분으로부터의 이온화된 성분들의 분리는 다수의 단계에서 성취될 수 있는데, 이 단계들은 서로로부터 구별되며, 구멍을 갖춘 배플(baffle)에 의해 서로로부터 분리될 수 있는데, 상기 구멍은 전체적으로 자기장의 수용영역 안에 있다. 하나 이상의 단계들이 하나 이상의 다른 단계들과 다른 압력에서 수행되는데, 이 압력수준은 사용된 펌프작용의 수준으로 유지될 수 있다. 입구 근처의 하나 이상의 단계들에서의 압력은 이 입구에서 훨씬 멀리 떨어진 하나 이상의 단계에서 보다 높다. 상기 압력은 입구 근처의 이전 단계에 비례하여 각 영역에 대해 감소하는 바, 각 단계에서의 압력은 이전 단계의 30% 내지 60%이고, 입구로부터 멀리 진행된다.

바람직하기로 세 단계로 이루어지는데, 각 단계는 길이가 0.5와 2m 사이에 있다.

제 1단계는 10과 50Pa 사이에서 수행되고, 40Pa±10%의 수준이 바람직하다.

제 2단계는 5와 20Pa 사이에서 수행되고, 16Pa ± 10%의 수준이 바람직하다.

제 3단계는 2와 10Pa 사이에서 수행되고, 7Pa ± 10%의 수준이 바람직하다.

분리되고 대전되지 않은 성분들은 다음 사용을 위해 재생되거나 추가 처리될 수 있는데, 이는 추가의 선택적인 이온화 또는 선택적인 처리를 포함하여 다른 성분들을 분리할 수 있다.

분리되고 대전된 성분들은 여전히 자기장에 수용되어 있는데, 이 분리되고 대전된 성분들은 선택적인 탈이온화나, 이 탈이온화에 이어서 추가의 선택적인 이온화, 또는 다른 성분들을 분리하는 다른 선택적인 처리를 포함하여 추가처리될 수 있다.

상기 대전된 성분들은 냉각되거나 방전되어 액체 또는 고체의 대전되지 않은 생성물을 제공할 수 있다. 대전된 성분들은 접지되거나 대전된 그리드나, 플레이트, 전극 또는 생성물 자체의 질량에 수집될 수 있다. 대전된 성분들은 그릇이나 용기에 수집될 수 있다. 액체의 저장통이 상기 그릇이나 용기내에 구비될 수 있다.

온도조건들은 제어되어 불순물을 증발시켜 버림으로써 수집된 성분들을 정화시킬 수 있고, 상기 불순물들은 금속 또는 수집된 성분들과 함께 합성물의 형태로 증발될 수 있다. 할로겐 화합물의 증발이 기대된다.

수집된 대전된 성분들은 수집점에서 주기적으로 또는 연속적으로 제거될 수 있다.

그 방법은 바람직하기로 제어되는 운동에너지 수준에서 화학적 재료를 넣는 단계와 이것과 남아 있는 대전된 성분들을 접촉시키는 단계의 추가적인 단계로 이루어지는데, 대전된 성분들과 화학적 재료의 운동에너지 수준은 대전되지 않은 성분이나 분자결과와 같게 된다. 상기 성분은 여전히 기체로 있게 된다.

상기 화학적 재료는 산소나 비활성 기체와 같은 선택된 재료들로 이루어져 필요한 대전되지 않은 입자나 최종 생성물을 산출한다. 화학적 재료는 100K와 2000 K의 사이, 특히 100K 내지 500K의 온도에서 첨가될 수 있다. 상기 성분과 화학적 재료는 생성되는 분자내에서 화합될 수 있으며, 산화물은 잠재적인 형태를 나타낸다.

화합된 형태의 온도는 제어되어 필요한 형태의 분자를 제공할 수 있다. 2500K의 온도가 우라늄에 바람직하여 분자형태로서 기체의 UO₂로 우라늄을 제공한다.

추가의 화학적인 재료가 대전되지 않은 성분에 첨가되어 고체 생성물이 생성되는 단계로 운동에너지 수준을 감소시키는 단계가 제공될 수 있다. 게다가 바람직하기로는 운동에너지 수준의 감소가 냉각된 표면상에 대전되지 않은 성분을 충돌시켜서 제공될 수 있고, 이 대전되지 않은 분자에 대한 운동에너지 수준의 감소는 매우 급격히 일어나서 생성물의 불필요한 중간 평형상태를 피할 수 있다. 2ms 미만의 전이기간이 바람직하다.

추가의 화학재료가 이전에 첨가된 화학재료와 동일하거나 다를 수 있다.

처리된 생성물은 필요한 등급의 필요한 합성물이나, 원소, 또는 동위원소이다. 순수 금속도 이런 식으로 생성될 수 있지만, 세라믹급 금속산화물이 처리의 특히 바람직한 생성물이다. 우라늄과, 플루토늄, 토륨, 게다가 MOX 생성물은 처리조건들을 제어하여 생성될 수 있다.

본 발명에 따른 제 2실시예는, 플라즈마 또는 이온발생기와; 혼합된 성분들의 원료재료를 선택적으로 이온화하는 수단; 플라즈마 또는 이온을 구속하는 자기장을 생성하는 자기장 발생수단 및; 대전되지 않은 성분들을 자기장으로부터 제거하는 수단들로 이루어진 분리장치를 제공한다.

상기 원료는 고체나 액체 또는 기체로 제공될 수 있다.

노나, 히터, 초단파원, 증발기 또는 다른 가열수단들이 사용되어 원료를 가열이나, 증발, 승화, 기화, 건조시킬 수 있다.

상기 플라즈마 또는 이온은 초단파 또는 무선주파수 가열에 의해 발생되고, 성분들의 이온화는 플라즈마의 온도에 의해 일어난다.

플라즈마는 3000K와 4500K의 사이로, 가장 바람직하기로는 4000K±10%로 가열된다. 플라즈마 또는 이온발생기로부터의 출구는 반경 20과 40mm 사이에 있다.

플라즈마 발생기는 혼합된 성분들의 원료재료를 선택적으로 이온화시키는 수단으로 작용한다. 게다가 바람직하기로는 전자 사아클로트론 공명수단에 의해 생성된 높은 에너지의 전자충돌은 혼합된 성분들의 원료재료를 선택적으로 이온화시키는 수단을 제공한다.

상기 원료는 분자 또는 원자기체로 전자 사이클로트론 공명장치에 공급될 수 있다.

이온화와 이온화된 성분들의 범위는 에너지 입력의 수준에 의해 제어되고, 에너지 수준은 온도에 의해 제어될 수 있다. 상기 원료는 균일하게 여기(勵起)된다. 상기 에너지 입력은 존재하는 성분들 사이에서 선택적이지 않다. 부분적으로 이온화 또는 부분적으로 이온화되지 않은 원료합성은 주요 조건들에 대해 평형상태로 있게 된다.

수용하는 자기장은 축방향으로 정렬된다.

바람직하기로 자기장 발생수단은 하나 이상의 솔레노이드로 이루어지는데, 자석들은 고리모양 또는 원통형 조립체내에 구비되어 중심부의 수용영역은 바람직하기로 원통형 형상의 자기장으로 구획된다. 자기장은 가장 바람직하기로는 축방향 정렬의 수용하는 자기장으로서 제공된다. 0.075테슬라 초과 또는 0.1테슬라 초과의 장세기가 이 목적을 위해 사용될 수 있다.

상기 원료는 이온화 전에 자기장에 넣어진다.

분리는 이온화되지 않은 성분을 플라즈마로부터 제거함으로써 영향을 받는데, 대전되지 않은 성분들을 제거하는 수단은 펌프장치로 이루어진다. 이온화된 성분은 자기장에 유지된다.

상기 이온화되지 않은 성분들은 하나 이상의 단계에서 원료로부터 분리될 수 있고, 이온화되지 않은 성분들이 추출되는 하나 이상의 출구들이 각 단계에서 구비된다.

바람직하기로 상기 단계들은 배플부재에 의해 서로로부터 구별되는데, 이 배플은 원료가 관통하는 원형구멍을 구비하고, 배플의 이 구멍은 축방향으로 정렬되어 있다. 하나 이상의 배플들의 구멍의 직경과 크기는 이 구멍 보다 원료입구에 더 가까운 하나 이상의 배플의 구멍보다도 클 수 있으며, 상기 구멍은 원료입구로부터 멀리 연속적으로 직경이 증가한다.

상기 구멍은 입구로부터의 그 거리에서 플라즈마 또는 이온흐름의 반경에 대체로 상응하는 반경을 갖는데, 구멍 반경은 그 위치에서 플라즈마 또는 이온흐름 보다 10% 크거나 그 보다 작다. 하나 이상의 구멍들의 반경은 입구 또는 플라즈마 발생기 노즐로부터의 거리의 4제곱근에 대략 비례한다.

상기 구멍 반경은 그 위치에서 자기장에 의해 구획된 수용영역의 반경 보다 작다.

상기 장치는 남아 있는 처리흐름에 화학재료에 대한 첨가수단을 추가로 제공할 수 있는 바, 넣어진 화학재료는 산소 또는 비활성 기체이다. 첨가된 화학재료가 남아 있는 성분에 냉각작용을 제공하는 것이 특히 바람직하다. 남아 있는 재료를 접촉하면서 화학재료는 대전된 상에서 대전되지 않은 상으로 전환시키고, 가장 바람직하기로는 상기 성분이 여전히 이 변환을 따라 기체로 유지된다.

특히 바람직한 실시예에서, 산소의 첨가는 화학재료로 사용되는 바, 이는 100 내지 500K에서 넣어져 대전된 성분과 함께 2500K의 대략의 결합된 온도를 제공하고, 이 온도에서, 예컨대 U는 주로 UO₂형태의 대전되지 않은 기체로 유지된다.

추가의 화학재료의 첨가를 위한 더욱 추가적인 수단이 구비될 수 있는데, 이 추가적인 첨가는 기체로부터 고체상태로 처리흐름을 전환한다. 게다가 바람직하기로는 운동에너지 수준의 감소는 대전되지 않은 성분을 냉각된 표면에 충돌시켜서 제공될 수 있는데, 상기 전환은 사실 매우 급격히 성취되어서 중간에 개입하는 평형상태의 형성을 제한한다. 생성물은 UO₂와 같은 세라믹급 연료재료가 된다.

본 발명에 따른 제 3실시예는, 혼합된 성분들로 이루어진 원료를 제공하는 단계와; 이 원료를 플라즈마나 이온화된 형태로 전환시키는 단계; 적어도 부분적으로 이온화된 형태의 하나 이상의 성분과 적어도 부분적으로 이온화되지 않은 형태의 하나 이상의 성분을 제공하는 단계; 상기 플라즈마 및 이온을 자기장에 구속하는 단계 ; 상기 이온화된 성분을 이온화되지 않은 성분으로부터 분리하는 단계 및; 추가로 적어도 약간의 분리되고 이온화된 성분 또는 성분들을 대전되지 않은 형태로 전환시키는 단계로 이루어진 처리단계들을 제공한다.

상기 성분은 이를 농축하기 위해서 그 운동에너지 수준을 감소시켜 대전되지 않은 형태로 전환될 수 있다.

상기 성분은 냉각된 표면상에 이를 충돌시켜서 대전되지 않은 형태로 전환될 수 있다.

상기 성분은 화학재료의 첨가에 의해서 대전되지 않은 형태로 전환될 수 있고, 이들의 하나 이상의 조합이 사용될 수 있다.

상기 화학재료는 예정된 운동에너지 수준에서 첨가되어 필요한 대전되지 않은 형태를 제공하는데, 가장 바람직하기로 대전되지 않은 형태는 기체의 형태로 되어 있다. 하나 이상의 성분들이나, 하나 이상의 성분들의 일부분, 또는 제 1성분 또는 성분들의 일부분이 대전된 형태로 유지되는 동안 하나, 또는 하나 이상의 다른 성분들 일부의 대전되지 않은 형태로의 전환이 기대된다.

화학재료의 첨가나 추가단계의 추가적인 화학재료의 첨가는 고체생성물이 생성되는 단계로 운동에너지 수준을 감소시키도록 될 수 있다.

첨가된 화학재료는 성분과 반응할 수 있거나, 그 운동에너지 수준을 간단히 감소시킬 수 있으며, 상기 성분은 원소 또는 합성물 형태로 생성될 수 있다.

대전되지 않은 기체분자에서 고체 생성물로의 전이는 매우 급격히 일어나는데, 2ms 이하의 전이기간이 바람직하다.

우라늄 6플루오르화물 연료로부터의 우라늄과 플루오르의 분리는 하나의 잠재적인 사용이다. 게다가 우라닐 질산염 6수화물과 다른 원료형태로부터의 우라늄의 분리가 기대되고, 대전된 성분들로부터 분리된 대전되지 않은 성분들의 추가적인 처리와 차후의 사용이 기대되는데, 이 절차를 사용하는 플루오르의 생산과 재생은 특히 바람직한 형태이다.

본 발명의 이 실시예는 물론 본 출원외에 논의되는 임의의 특징과 가능성을 포함하는데, 이온 또는 플라즈마 발생과, 이의 수용 및, 분리 방식과 기타에 관련된 것들이 포함된다.

본 발명에 따른 제 4실시예는, 플라즈마 또는 이온발생기와; 혼합된 성분들의 원료재료를 선택적으로 이온화하는 수단; 플라즈마 또는 이온을 구속하는 자기장을 생성하는 자기장 발생수단; 대전되지 않은 성분들을 자기장으로부터 제거하는 수단 및; 적어도 약간의 분리되고 대전된 성분들을 대전되지 않은 형태로 전환시키는 수단들로 이루어진 분리장치를 제공한다.

상기 성분은 이를 농축하기 위해서 그 운동에너지 수준을 감소시켜 대전되지 않은 형태로 전환될 수 있다.

상기 성분은 냉각된 표면상에 이를 충돌시켜서 대전되지 않은 형태로 전환될 수 있다.

상기 성분은 화학재료의 첨가에 의해서 대전되지 않은 형태로 전환될 수 있고, 이들의 하나 이상의 조합이 사용될 수 있다.

상기 화학재료는 단일 또는 복합단계에 넣어지는 바, 복합단계가 사용되는 곳에는 여러 출구들이 처리흐름운동의 방향을 따라 서로로부터 이격되는 것이 바람직하다. 따라서, 제 1수단이 대전된 상태에서 대전되지 않은 상태로의 전이를 일으키도록 구비될 수 있고, 제 2 또는 추가단계들이 대전되지 않은 성분을 고체상태나 필요한 화학적 합성물로 전환되도록 구비될 수 있다. 필요한 생성물의 원소와 합성물 양쪽 형태의 생성물이 기대된다.

물론, 본 출원외에 논의되는 다른 특징의 장치 또는 방법이 이 실시예에 동등하게 관련될 수 있다.

본 발명에 따른 제 5실시예는, 본 발명의 제 1 및 제 3실시예에 따른 분리된 성분들과, 재료들, 합성물들, 원소들 및, 동위원소들과, 본 발명의 제 2 및 제 4실시예에 따른 사용하는 장치 및, 이들의 추가 처리된 형태들을 제공한다.

분리된 성분들은 원료내에 제공된 다른 원소들일 수 있다. 따라서, 서로로부터 하나 이상의 주어진 합성물내에 있는 다른 원소들의 분리로 플루오르로부터 우라늄의 분리가 기대되고, 연료사용에 알맞은 세라믹급 금속산화물의 생산이 기대된다.

성분들 사이에서의 분리의 정도는 대체로 완전하거나 단지 부분일 수 있다. 따라서, 그 성분의 대부분이 대전된 성분들로부터 생성된 생성물흐름으로 연속되는 반면에, 원료내 성분의 부분이 처리중의 대전되지 않은 성분들로서 추출되는 처리들이 기대된다.

물론, 대전되지 않은 제 1 또는 제 2의 생성물 흐름은 대전된 성분으로부터의 최종생성물 만큼의 분리된 성분을 목표로 하고 유용한 구성으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 제 6실시예는 본 발명의 제 1 내지 제 5실시예 중 임의의 실시예의 연료펠릿이나, 생성물을 혼합시킨 핵반응로용 연료봉이나 연료조립체 또는 일부분, 또는 추가처리된 생성물을 제공한다.

본 발명의 다양한 실시예가 이제 첨부도면을 참조로하여 단지 예를 들기 위해 설명될 것이다.

본 발명의 따른 기술은 다양한 시작재료와 상태로 훌륭하게 사용될 수 있고 다양한 생성물 재료와 상태 및 형태를 생산할 수 있는 다기능의 처리장치를 제공한다.

우라닐 질산염 6수화물 원료

도 1에 도시된 바와 같이, 처리될 원료는 화살표(2)를 따라 넣어진다. 이 특별한 예에서 원료재료는 우라닐 질산염 6수화물 원료액으로 이루어지는데, 상기 원료액은 4000K 근처까지 이 원료액을 급히 가열하는 플라즈마 발생기(4)를 관통하고, 이 플라즈마 발생기(4)는 초단파 또는 무선주파수형 플라즈마 발생기일 수 있다. 플라즈마 온도는 쉽게 제어될 수 있다.

화살표(6)의 유도솔레노이드는 자기력선(8)을 개략적으로 나타낸 세기가 큰 자기장을 발생한다. 상기 원료가 플라즈마 발생기내에서 이온화되는 단계에 의해 이는 이미 상기 자기장의 범위 내에 있게 된다.

상기 유도솔레노이드가 설치되어 0.1테슬라 초과의 장세기를 형성한다.

플라즈마 발생기(4)의 영향으로 상기 원료재료는 아주 높은 온도에서 챔버(12)로 들어간다. 이 온도에서 우라닐 질산염 6수화물은 그 성분원자들로 분해되는데, 이는 원소의 원료를 필요로 하거나 단지 차후에 이온화되거나 이온화되지 않은 분자들 사이의 차이에 따라 원료를 처리하는 것보다 오히려 그 개별적인 원자구조에 따라 원료재료를 처리할 수 있다.

도 2에 도시된 상평형도에서 볼 수 있는 바와 같이, 4000K와 챔버(12)를 통과한 조건의 형태하에서 우라늄 원자들은 U+(선 20)로 대전된다. 반대로 이 온도에서 대부분의 질소(선 22)와 산소(선 24) 및 수소(선 26)는 도 2의 선들로 도시된 바와 같이 대전되지 않은 원자들 또는 분자들인데, 이온들은 모두 기체형태이다.

선택적인 이온화가 장치의 전체적인 에너지 수준의 결과로 일어난다. 따라서, 일반적인 조건들하에서 이온화된 핵종과 그렇지 않은 핵종은 그 조건들하에서의 핵종에 대한 평형상태에 의해 결정되므로, 성취된 선택적인 이온화는 다음 처리를 할 수 있도록 안정적이고 오래 영속되어 시간의 촉박함 없이 이행된다.

에너지가 단지 장치내의 어떤 핵종에 선택적으로 입력된다면, 그 후에 선택적인 이온화가 성취될 수 있으나, 그러한 경우에 이온화된 핵종과 이온화되지 않은 핵종 사이의 충돌은 이전의 이온화되지 않은 핵종의 이온화와 이전에 이온화된 핵종의 방출로 일어날 수 있는 에너지 이동으로 일어나다. 그러한 경우에 분리는 매우 급속히 이행되어야 하거나 선택적인 성질은 임의의 중요한 선택이 분리에서 얻어지기 이전에 소실될 것이다.

본 발명에 따른 장치의 평형상태의 플라즈마에서, 충돌은 견딜 수 있을 뿐만 아니라 그들이 플라즈마에 걸쳐 에너지 입력의 분배도 확실히 하는 것이 바람직하다. 그러나, 충돌은, 예컨대 U+ 이온과 F 원자 사이의 충돌이 일반적인 평형상태의 조건하에서 가장 있음직한 결과로서 U+ 이온과 F 원자를 발생시키는 것과 같은 유해한 효과가 없다. 상기 평형상태의 조건들은 충분한 에너지를 제공하지 않아서 충돌이 전자이동과 이온의 방출을 일으키는데, 충돌할 수 있는 가능성은 플라즈마가 중요한 재료의 처리량을 허용하는 비교적 밀집한 상태에서 움직일 수 있다는 것을 의미한다. 충돌이 회피되어야 한다면 그 후에 가능한 이온들과 원자들의 낮은 밀도로서 충돌의 가망성을 줄이는 것이 바람직하다.

대전된 분자들로서 우라늄 이온들은 자기장에 의해 수용되고, 초전도 솔레노이드(6)를 통해 앞쪽으로 통과하도록 되어 있다. 질소와 산소 및 수소원자들의 재전되지 않은 성질은 그들이 자기장에 의해 자유롭게 이동될 수 있고, 그 결과로 챔버(12)와 흐름(14)의 밖으로 "펌핑"될 수 있는데, 진공펌프는 이를 위해 사용될 수 있다.

다음으로, 흐름(14)의 냉각은 이들 재료가 N₂와, O₂, H₂O 및, 질소의 산화물을 일반적으로 제공하는 재결합된 평형상태로 후퇴시킬 수 있다.

상기 처리의 이 특징의 결과로서 우라늄은 우라닐 질산염 6수화물 원료를 형성하는 다른 원소들로부터 분리되었는데, 다음의 분리된 우라늄의 처리는 필요에 따라 전도될 수 있다.

상기 처리 중의 부분(16)에 있는 강하고 일정한 자기장은 우라늄 이온들을 제한한다.

상기 처리 중의 부분(44)으로 산소원료(42)를 넣어서 U이온들의 냉각이 일어나는데, 냉각을 제어함으로써 2500K로의 온도의 하강은 영향을 받을 수 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 다른 우라늄 산화물 형태들이 낮은 편의 온도로 있을 것 같지만, 이 온도에서 재료의 주된 형태는 대전되지 않은 상태의 UO₂기체이다. 다시 한 번 장치가 평형상태로 된다. 필요하면, 추가적인 냉각흐름(52)을 사용하여 온도는 훨씬 더 저하될 수 있고, 우라늄 산화물이 위치(54)에서 기체상태로부터 세라믹 가루형태의 고체상태로 급속히 될 수 있다. 이는 흐름(58)에 의해 나아간다.

생성물은, 예컨대 이를 연료급 재료로 향상시키는 추가적인 다음 처리로 넘겨질 수 있다.

따라서 상기 처리는 우라닐 질산염 6수화물 원료액을 우라늄 이산화물가루로의 전환을 위한 단일한 모듈장치에 구비되는 바, 다른 원료 합성물 또는 원료 합성물의 혼합으로 유사한 결과를 얻을 수 있다.

대략 10m의 전체길이와 직경 약 1m의 반응범위를 갖는 이 처리에 상응하는 단일한 모듈장치는 원료 우라늄의 50과 200kg/hr 사이에서 처리할 수 있다.

상기 장치내의 주재시간은 10ms 정도로 매우 느리다. 이 시간은 우라늄 이온들이 4000K에서 이동하는 이론적인 평균속도, 즉 6×10⁴cm/s를 반영한 것이다.

소모된 연료원료

통상의 우라닐 질산염 6수화물을 연료급 재료로 전환하는 것에 덧붙여, 기술은 사용된 연료봉들로부터의 생성물을 재처리하는 것을 포함하는 다른 처리영역에서 적용되어 필요한 성분들을 추출한다.

소모된 연료는 일반적으로 원자량 60보다 작은 다양한 핵분열생성물, 낮은 수준의²³⁵U와 플루토늄과 함께 주로 UO₂가루로 이루어져 있다. 이 재료를 질산염액으로 처리하고 이 액을 전술한 처리에 도입시킴으로써 다음 분리가 영향받을 수 있다.

한 번 더 도 1의 장치를 참조하면, 플라즈마 발생에 이어 최초 챔버(12)에서²³⁵U와 플루토늄 동위원소 및²³⁸U(연료의 대부분을 이루는) 모두가 이온화된다. N와 H 및 O 뿐만아니라 핵분열 생성물의 대부분은 이온화되지 않은 상태로 남게 되고, 결과적으로 자기장에 의해 구속되지 않는다. 따라서, 이들 재료의 흐름(14)으로의 펌프작용이 가능하게 된다.

생성물 흐름(14)은 본 발명에 따른 추가처리 단계나 단계들을 포함하는 추가처리를 받을 수 있어서, 흐름내의 다른 핵종 외의 중요한 성분들이나 동위원소들, 또는 원소들을 분리할 수 있다.

그 후에, 자기장에 남아 있는 생성물 흐름(16)을 추가처리로 수집하거나 추가처리될 수 있다. 생성물 흐름(16)은 전술한 바와 같이 냉각되어 고체 생성물을 생성할 수 있는데, 다음 처리에 관한 한, 생성물은 종래의 향상기술들을 거칠 수 있고, 이들이 사용되어 전술한 바와 같이 서로로부터²³⁸U과²³⁵U 및 플루토늄 동위원소를 충분히 분리할 수 있어서, 반응로급 재료를 얻을 수 있다.

티타늄 4염화물 원료

바람직한 실시예로 도시된 바와 같이 도 4의 부분개략도에서, 원료재료는 추가장치에 제공되어 선택된 성분 또는 성분들의 필요한 이온화를 제공하거나 확실히 할 수 있다.

특별한 예에서, 상기 원료재료는 티타늄 4염화물로 이루어지고 필요한 생성물은 티타늄 금속이나, 기술은 원료재료들에 광범위하면서 동등하게 적용될 수 있다.

이 장치에서 원료(2)는 플라즈마 발생기(4)를 관통하고 자기장(8)에 수용된다.

플라즈마 온도는 상기 원료재료들이 개별원자들로 줄어들고 부분적으로 이온화되도록 한다.

이러한 형태에서, 그 후 상기 원료는, 높은 에너지의 전자들과 성분들의 충돌 때문에 플라즈마에 추가에너지 입력을 일으키는 전자 사이클로트론 공명장치(102)를 관통한다. 제공된 충돌의 에너지 수준에서 특유의 상평형도에 따르면, 장치의 전체 에너지 수준의 결과로 이 경우에는 티타늄과 같은 임의의 성분이 이온화되는 반면에 다른 성분들, 예컨대 염소는 이온화되지 않은 형태로 남아 있게 된다. 선택적인 이온화는 이온화와 탈이온화 사이에서 우세한 핵종의 평형상태에 기인한다.

다음으로, 재료는 대전되지 않은 염소가 처리흐름(14)으로 자기장으로부터 제거될 수 있는 챔버(12)내로 통과하느데, 상기 염소는 티타늄 4염화물의 생성에 수반되는 전체 처리의 초기 단계로 재순환될 수 있다.

남아 있는 성분, 즉 티타늄과 처리단계들은 도 1에 도시된 바와 같이 처리되고 다른 처리들을 받는다.

우라늄 금속 생성

도 5에 도시된 바와 같이 다른 실시예에서의 기술도 우라늄 금속을 위한 편리한 생산기술을 제공하며, 다른 원료재료들을 그 구성원소들로 분리함으로써 다른 성분들의 재생용으로 동등하게 적용할 수 있다.

종래 기술은 우라늄 플루오르화물이 마그네슘과 반응하여 금속형태로 전환되기 전에 전술한 유형의 농축과, 탈질처리, 환원 및, 플루오르화 수소처리를 사용한다.

한편으로 본 발명의 처리는 우라늄 금속을 우라닐 질산염 6수화물 원료로부터 분리하는 편리한 방법을 제공한다.

우라닐 질산염 6수화물 원료(200)는 장치내에 넣어지며, 상기 원료는 기본적으로 우라늄과, 질소, 산소 및, 수소로 이루어진다. 초단파 또는 무선주파수형 플라즈마 발생기(202)는 원료를 매우 급속히 약 4000K의 온도로 되게 한다.

짧은 주재시간일지라도 이는 충분하여 원료재료를 그 개별원소 형태로 분해하고, 많은 경우에는 개별적인 원자들로 분해한다. 따라서, 상기 원료는 약간의 U+와 함께 U, N, N₂, O₂, H 등으로 전환되고, 원자화된 원료는 플라즈마에 수용되고, 이 플라즈마는 자석(206)에 의해 발생된 자기장(204)에 의해 구속된다.

플라즈마 자체는 존재하는 약간의 원소들의 부분적인 이온화를 일으킬 수 있는 반면에, 전자 사이클로트론 공명영역(208)이 구비되어 필요한 정도의 이온화를 일으킨다. 상기 영역(208)은 플라즈마내에 있는 전자에 에너지를 전달하고 전자의 증가된 에너지는 원료의 성분들과 충돌할 때 에너지가 이동될 정도로 되는데, 주요 조건들하에서의 충돌에 수반되는 핵종들에 적용할 수 있는 평형상태에 따르면, 이온화는 다른 성분들에 대해서는 아닌 약간의 성분들에 대해서 일어나다. 원료의 여러 부분들에 대한 이온화의 가능성은 전술한 방식으로 변화한다. 따라서, 예컨대 우라늄은 산소와 수소 및 그와 유사한 것들보다 전자여기의 낮은 에너지 수준에서 이온화된다.

그 결과, 처리된 흐름이 챔버(210)에 도달하는 시간에 의해 이온화된 성분들과 탈이온화된 성분들로 이루어지는 바, 탈이온화된 성분들은 그들이 자기장에 의해 수용되지 않을 때 챔버(210) 밖의 생성물 흐름(214)으로 펌프작용 받을 수 있다. 주로 우라늄인 대전된 성분들은 추가자석(216)에 의해 구속되는 플라즈마와 함께 처리흐름(212)으로 계속된다.

흐름(216)으로의 화학재료(218)의 첨가는 분리되고 대전된 성분들의 필요한 반응 또는 상변화를 일으킨다. 따라서, 비교적 낮은 에너지 수준에서 아르곤을 제공함으로써 예컨대 100K의 대전된 성분들은 냉각흐름(218)과 흐름(212) 사이의 충돌 때문에 매우 급속히 대전되지 않은 성분들과 생성물 형태로 전환될 수 있다. 도시된 실시예에서, 이 전이는 하나의 화학재료 첨가단계에 의해 영향을 받은 것처럼 보이나, 재료를 대전된 형태에서 대전되지 않은 형태로 전환하는 제 1단계와 재료를 기체에서 고체형태로 전환시키는 제 2단계도 기대된다. 첨가된 기체의 비활성은 우라늄과의 화학결합의 위험 없이 냉각시켜서, 우라늄 금속이 그 결과로서 생겨난다.

상기 화학재료(218)의 성질과 첨가되는 에너지 수준이 사용되어 형태와 구조 및 챔버(220)와 생성물 흐름(224)에서 생기는 생성물의 화학적 구성을 제어할 수 있다. 따라서 산소의 첨가가 사용되어 우라늄을 예컨대 UO₂로 전환시킬 수 있는데, 첨가된 산소에 대해서 에너지 수준의 주의 깊은 제어이거나, 우라늄 이온들을 우라늄 금속형태로 바꾸는 비활성 기체의 첨가에 의해 이루어진다.

주요 공급원으로부터의 우라늄 추출에 관련된 전술한 플루오르화 수소처리 단계 동안 유사한 처리절차가 사용되어 생성된 우라늄 4플루오르화물로부터 시작되는 우라늄 금속을 생산할 수 있다.

원소성분을 사용하는 제 1생성물 흐름(214)의 처리도 기대된다. 예컨대, 이 경우에 플루오르는 재료처리의 초기 단계들에서 충분한 재사용을 위해 흐름으로부터 회수될 수 있다.

우라늄 6플루오르화물 원료

본 기술을 사용하는 바람직한 처리에서 원료재료(200)는 우라늄 6플루오르화물로 이루어지는 바, 이 원료의 선택적인 이온화는 대전된 우라늄 이온들과 대전되지 않은 플루오르 원자들로 되고, 챔버(210)내의 이들의 분리는 우라늄 이온흐름(212)과 플루오르 흐름(214)으로 된다. 핵연료 처리순환이나 다른 사용법에서 생성물(224)과 플루오르의 재사용에 의한 우라늄 금속의 충분한 생산이 가능하다.

이 처리의 사용은 전술한 화학적 또는 물리적 향상처리를 지나가는 소모된 흐름의 처리용으로 특히 기대되는 바, 소모된 흐름은 우라늄 6플루오르화물과 함유량이 적은 235UF6의 농축물을 수용하는데, 235UF6는 추가사용을 위해 가능한 한 추출되고, 우라늄 6플루오르화물의 절대다수는 238UF6로 된다. 현재 이 재료는 중요하게 사용되지 않고 오랜 기간 이상으로 우라늄 6플루오르화물로 저장된다. 우라늄 6플루오르화물은 비교적 불안정하고 이상적인 저장형태는 아니다.

본 기술은 이 소모된 흐름이나 이 생성물의 저장량을 이용할 가능성과 유용한 재료들을 얻기 위해 처리를 제공한다. 자유롭게 된 플루오르는 재사용을 위해 처리순환으로 회귀되고, 예컨대 새로운 최종생성물, 즉 우라늄 금속은 더욱 쉽고 편리하게 저장된 형태로 되거나, 사용가능 하도록 만들어진다.

그러므로 플루오르와 소모된 U금속은 생산될 수 있다. 예컨대 냉각 동안 우라늄 이온들에 첨가된 화학적 핵종들을 제어함으로써, 다른 성분들도 발생될 수 있는데, 예컨대 우라늄 질산염과 우라늄 탄화물 및 우라늄 산화물 생성물들 모두가 만들어질 수 있다.

본 발명의 추가실시예가 추가장치와 함께 도 6에 개략적으로 도시되었다. 상기 장치는 우라늄 6플루오르화물 원료로부터의 우라늄 분리에 관하여 설명되나, 다른 사용법이 이 장치용으로 쉽게 이루어질 수 있다.

상기 우라늄 6플루오르화물 원료액은 증기로 흐름(300)내에 넣어지는데, 이 원료는 무선주파수 플라즈마 발생기(302)에 의해 플라즈마로 급속히 전환된다. 플라즈마 발생기는 충돌의 높은 수준들 때문에 원료의 필요한 성분들을 위한 평형상태의 이온화수준을 필수적으로 확실히 하기 위해서 2KPa에서 작동한다.

플라즈마 발생기내의 접촉부분은 수반되는 조건들을 견디는 필요한 물리적 성질을 부여하기 위해서 세라믹 플루오르화물로부터 형성될 수 있다. 장치는 물수용관과의 접촉으로 냉각되는 구리표면을 사용할 수 있는데, 물유동은 구리벽의 온도를 낮추고 벽에 우라늄 플루오르화물 형태의 농축을 일으키는 데에 사용된다. 이는 화학적으로, 그리고 열적으로 구리를 차단한다. 결국 평형상태는 벽에 부착된 우라늄 플루오르하물의 주어진 두께로 발달하여서, 자동 덧붙임 효과가 이루어진다.

발생된 플라즈마는 노즐(304)을 통해 발생기(302)를 나와 개략적으로 도시된 자기장(306)에 의해 수용되고, 약 30mm 반경의 노즐이 사용되어 플라즈마 발생기(304)내의 압력을 유지하고 필요한 유동율을 부여한다.

플라즈마 발생기를 떠나서 제 1영역(308)으로 들어갈 때 플라즈마는 확장되어 냉각을 일으키나, 우라늄 이온들에 의한 자기장에 대해 행해진 작용은 부분적으로 재가열을 일으킬 것이다. 적당한 추가에너지가 플라즈마내로 넣어지면 장치를 통하는 다음 진행 동안 필요한 성분이 이온화된 채로 남아 있는 수준의 온도를 유지할 수 있다. 이 에너지는 무선주파수 수단에 의해 제공될 수 있어서 평형상태에 의거한 선택성이 유지된다.

상기 플라즈마 발생기를 떠나는 재료의 전자류는 플라즈마 발생기로부터의 거리가 증가함에 따라 퍼져 나간다.

여러 영역들을 구획하는 장벽(310,312)은 그들의 선택된 구멍직경에 이 확장을 고려한다.

수용하는 자기장은 대략 0.1테슬라 세기인데, 이러한 수준은 초전도 자석이 사용될 수 있지만 종래의 전자기에 의해 제공될 수 있고, 이 세기의 자기장은 우라늄 이온들을 180mm의 반경이나 그에 이어서 노즐로부터 3m의 이동거리로 제한한다. 이 영역 또는 단계들은 각각 1m의 길이이며, 확장하는 전자류의 반경은 대략 이동된 거리의 4제곱근에 비례한다.

제 1영역(308)내의 도시되지 않은 진공펌프로의 출구(314)가 구비된다. 이들은 먼저 폐기물 흐름들을 장치로부터 빼내도록 하는데, 이 폐기물 흐름은 대전되지 않은 재료, 주로 플루오르로 이루어진다. 알루미늄이 폐기물 흐름선으로 사용될 수 있다.

제 1영역의 압력은 약 13Pa이고, 이 영역을 통해 이동되는 동안 재료 전자류의 플루오르 압력은 대체로 그 압력으로 저하되는데, 이 이상의 초과 플루오르는 상업적으로 이용가능한 펌프를 사용하는 출구들(314)을 통해 빨아내어진다.

그 후, 감소된 플루오르 함유의 전자류는 장벽(310)의 틈새(318)를 통해 제 2영역(316)으로 통과한다.

상기 제 2영역(318)은 제 1영역보다 낮은 압력, 약 5Pa로 작동되고, 다시 한 번 전자류내의 플루오르 함유량은 재료가 이 영역을 통과함에 따라 이 압력으로 저하된다.

그 후에 전자류는 장벽(312)의 틈새(322)를 통해 제 3영역(320)으로 통과한다.

이 영역은 훨씬 낮은 압력, 약 2Pa로 작동하면서 초과 플루오르는 출구들(324)을 통해 빨아내어진다.

다음으로, 대부분 소모된 플루오르 전자류는 다음 조작을 위해 출구(326)로 나아간다.

이온화된 기체 우라늄은 임의의 종류의 격자와 접촉하여 대전된 우라늄을 방출시킬 수 있고 고체나 액체 상태로 우라늄의 에너지를 감소시킬 수 있다. 냉각작용을 일으키는 화학재료의 첨가를 고려할 수 있는데, 냉각시키는 비활성기체의 사용이라는 점에서, 우라늄이 바람직하여 기체들과의 화학적 결합이 일어나지 않는다. 금속 우라늄이 그 결과로 나타나는데, 우라늄은 충분히 냉각되어 고체로 제공할 수 있거나, 바람직하기로 단지 부분적으로 냉각되어 액체형태로 떠날 수 있다.

우라늄 생성물 흐름(326)에 남아 있는 플루오르는 대부분의 우라늄 생성물로부터 우라늄 플루오르로 쉽게 발산되고 재생될 수 있고, 우라늄이 액체로 수집될 때 분리가 편리하게 본래의 장소에 옮겨질 수 있다. 발산된 UF는 재생될 수 있는 UF₆로 대부분 전환될 것이다.

유사한 분리가 UF₄와 TiCl₄및 다른 금속의 할로겐 화합물용으로 가능하다.

액체로부터 가스발생에 의해 방출된 수집하는 플루오르에 대한 준비가 제공될 수 있다.

세라믹 플루오르화물이나 흑연재료들이 사용되어 액체수집용기를 형성할 수 있다.

시간당 12kg의 우라늄 원료에 대하여 5.7kg/hr의 플루오르 원료가 나타나는데, 이에 대해서 제 1영역으로부터는 3.6kg/hr의 플루오르가; 제 2영역으로부터는 1.3kg/hr; 제 3영역으로부터는 0.5kg/hr가 나올 것으로 기대되고, 우라늄 생성물 흐름(326)에는 0.3kg/hr가 남게 된다. 이 생성물로부터 UF₃또는 UF₄로 플루오르의 가스발생은 매우 순수한 우라늄 생성물, 즉 백만 범위 당 얼마의 플루오르 함유량을 일으킨다.

여기에 게재한 다양한 실시예들은 서로 밀접한 관계가 있으며, 하나 이상의 양상 또는 실시예들에 관해서 명백히 설명된 형태들은 다른 것들에도 적용할 수 있다.

본 발명은 핵연료재료만이 아닌 핵연료산업에 관련된 재료들을 처리하는 장치와 방법에 관한 것으로, 처리들을 성취하는 장치들과 함께, 많은 처리와, 더욱 유용한 형태로 재료를 변환시키는 처리 및, 재생재료를 처리하기 위한 바람직한 처리절차를 제공하는 효과가 있게 된다.

Claims (37)

1. 혼합된 성분들로 이루어진 원료를 제공하는 단계와; 이 원료를 플라즈마나 이온화된 상태로 전환시키는 단계; 적어도 부분적으로 이온화된 형태의 하나 이상의 성분과 적어도 부분적으로 이온화되지 않은 형태의 하나 이상의 다른 성분을 제공하는 단계; 상기 플라즈마 및 이온을 자기장에 구속하는 단계 및; 상기 이온화된 성분을 이온화되지 않은 성분으로부터 분리하는 단계로 이루어진 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 필요한 성분들이 금속과 비금속성질 모두의 동위원소 또는 원소들의 혼합물로부터 추출되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
3. 제 1항 또는 제 2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료는 고체나 액체인 초기 원료의 가열이나 증발 또는 승화에 의해 기체 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료에 있는 일부 또는 모든 금속원소가 이온화되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
5. 제 4항에 있어서, 90 보다 작은 원자량을 갖는 금속원소들이 이온화되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성분들의 이온화가 플라즈마의 온도나, 전자 사이클로트론 공명에 의해 생성된 높은 에너지의 전자들을 갖는 성분들의 상호작용으로 일어나는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온화가 에너지 입력수준에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 입력은 원료의 성분들 사이에서 선택적이지 않은 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온화된 원료성분들과 이온화되지 않은 원료성분들이 주요 조건들에 대해 평형상태인 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료가 분자형태로 제공되고, 개별원자들로서 선택적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 원료가 이온화되지 않은 형태로 수용하는 자기장내로 넣어지는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이온화된 성분들과 이온화되지 않은 성분들의 분리가 이온화되지 않은 성분들을 플라즈마로부터 제거함으로써 영향을 받는 한편, 이온화된 성분들은 자기장에 의해 구속되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 분리는 다수의 단계들에 영향을 받는데, 이 단계들은 서로 다른 압력에서 작용되고, 입구 근처의 하나 이상의 단계들에서의 압력은 입구로부터 더욱 멀리 떨어진 하나 이상의 단계들 보다 높은 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
14. 제 13항에 있어서, 제 1영역은 10과 50Pa 사이에서 작용되고, 제 2영역은 5와 20Pa 사이에서 작용되며, 제 3영역은 2와 10Pa 사이에서 작용되는 세 단계들로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
15. 제 1항 내지 제 14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리되고 대전되지 않은 성분들은 다음 사용을 위해 재생되고, 추가처리되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대전된 성분들은 냉각되고 방전되어 액체나 고체의 대전되지 않은 생성물을 제공하는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
17. 제 1항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 주어진 운동에너지 수준에서 화학재료를 넣어서, 이 화학재료와 남아 있는 대전된 성분들과 접촉시키는 추가단계로 이루어지는데, 상기 대전된 성분과 화학재료의 운동에너지 수준은 대전되지 않은 성분이나 입자결과물과 같게 되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 성분들과 추가 화학재료는 합성입자로 결합되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
19. 플라즈마 또는 이온발생기와; 혼합된 성분들의 원료재료를 선택적으로 이온화하는 수단; 플라즈마 또는 이온을 구속하는 자기장을 생성하는 자기장 발생수단 및; 대전되지 않은 성분들을 자기장으로부터 제거하는 수단들로 이루어진 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
20. 제 19항에 있어서, 상기 플라즈마 또는 이온들은 초단파 또는 무선주파수 가열에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
21. 제 19항 또는 제 20항 중 어느 한 항에 있어서, 노나, 히터, 초단파원, 또는 증발기가 사용되어 원료를 가열하고 증발시키는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
22. 제 19항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서, 부분 이온화되거나 부분 이온화되지 않은 원료합성물이 평형상태인 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
23. 제 19항 내지 제 22항 중 어느 한 항에 있어서, 대전되지 않은 성분들을 제거하는 수단이 펌프장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
24. 제 19항 내지 제 23항 중 어느 한 항에 있어서, 탈이온화된 성분들을 하나 이상의 단계들에서 원료로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
25. 제 24항에 있어서, 상기 단계들이 구멍을 갖춘 배플부재에 의해 서로로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
26. 제 25항에 있어서, 상기 구멍은 입구로부터의 그 거리에서 플라즈마 또는 이온 흐름의 반경과 대체로 상응하는 반경을 갖추는데, 하나 이상의 구멍들의 반대략 입구 또는 플라즈마 발생기 노즐로부터의 거리의 4제곱근에 비례하는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
27. 제 19항 내지 제 26항 중 어느 한 항에 있어서, 화학재료를 남아 있는 처리된 흐름에 첨가하는 수단을 추가로 구비하여, 남아 있는 성분들에 냉각작용을 일으키는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
28. 혼합된 성분들로 이루어진 원료를 제공하는 단계와; 이 원료를 플라즈마나 이온화된 형태로 전환시키는 단계; 적어도 부분적으로 이온화된 형태의 하나 이상의 성분과 적어도 부분적으로 이온화되지 않은 형태의 하나 이상의 성분을 제공하는 단계; 상기 플라즈마 및 이온을 자기장에 가두는 단계 ; 상기 이온화된 성분을 이온화되지 않은 성분으로부터 분리하는 단계 및; 추가로 적어도 약간의 분리되고 이온화된 성분 또는 성분들을 대전되지 않은 형태로 전환시키는 단계로 이루어진 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
29. 제 28항에 있어서, 상기 성분들이 운동에너지 수준을 감소시킴으로써 대전되지 않은 형태로 전환되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
30. 제 28항 또는 제 29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 성분은 냉각된 표면상에 충돌시킴으로써 대전되지 않은 형태로 전환되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
31. 제 28항 내지 제 30항에 있어서, 상기 성분은 화학재료의 첨가에 의해 대전되지 않은 형태로 전환되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
32. 제 31항에 있어서, 상기 화학재료가 예정된 운동에너지 수준에서 첨가되어 기체형태의 필요한 대전되지 않은 형태를 부여하는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
33. 제 31항 또는 제 32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화학재료의 첨가 또는 추가 단계에서의 추가적인 화학재료의 첨가가 고체 생성물이 생성되는 단계로 운동에너지 수준을 감소시키는 것과 같게 되는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리방법.
34. 플라즈마 또는 이온발생기와; 혼합된 성분들의 원료재료를 선택적으로 이온화하는 수단; 플라즈마 또는 이온을 가둬 두는 자기장을 생성하는 자기장 발생수단; 대전되지 않은 성분들을 자기장으로부터 제거하는 수단 및; 적어도 약간의 분리되고 대전된 성분들을 대전되지 않은 형태로 전환시키는 수단들로 이루어진 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
35. 제 34항에 있어서, 상기 화학재료가 복합단계들로 넣어지고, 여러 입구들이 처리된 흐름 이동방향에 따라 서로로부터 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 이온화에 의한 동위원소의 분리장치.
36. 제 1항 내지 제 35항 중 어느 한 항에 따라 분리된 성분들과, 재료들, 원소들 및 동위원소들.
37. 제 1항 내지 제 36항 중 어느 한 항에 따라 생성물을 혼합하는 핵반응로용 연료 펠릿이나 연료봉 또는 연료조합체나, 추가 처리된 생성물.