KR20010093260A - 물질의 개선된 가공 방법 - Google Patents

물질의 개선된 가공 방법 Download PDF

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KR20010093260A
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폴레이몬드그렉슨
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테렌스마틴콕스
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데릭 제임스 코이맥
브리티쉬 뉴클레어 퓨엘스 피엘씨
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Abstract

본 발명은 우라늄 함유 공급 물질들, 예를 들어 우라늄 광석, 재가공된 우라늄, 우라늄 함유 잔사 및 우라늄 함유 고갈된 연료에 대한 일련의 가공 기법들을 제공한다. 개시된 방법은 우라늄 함유 물질의 불소화, 이온화를 기본으로 한 상기 우라늄 함유 물질의 다른 물질들로부터의 분리를 포함하며, 이때 이온화되지 않은 불소 함유 물질은 재생된다. 금속 우라늄 및/또는 플루토늄 및/또는 핵분열 산물들이 생성될 수 있다. 상기 기법은 재가공될 수 있는 물질 범위 및 상기 공정에 포함되는 복잡한 단계 수의 감소와 관련된 이점들을 제공한다.

Description

물질의 개선된 가공 방법{IMPROVEMENTS IN AND RELATING TO PROCESSING MATERIALS}
연료 등급의 핵 연료의 생산은 장기적이고 복잡한 공정이다. 예를 들어, 채굴된 우라늄 광석으로부터 출발하는 상기 공정은 일반적으로 채굴 전 등급의 물질을 취하여 상기 물질이 연료 펠렛의 생산에 적합한 형태 및 등급이 될 때까지 점진적으로 전환 및 농축시킴을 포함한다.
물리적 또는 화학적 수단에 의해 상기 광석을 농축에 적합한 물질로 전환시키기 위한 종래 기술의 시스템들은 거의 변함없이 일련의 습식 화학 기법들을 수반하였다. 예를 들어, 초기 우라늄 옥사이드를 우라닐 니트레이트 헥사하이드레이트 기재 단계로 농축시키고; 상기 물질을 탈-질화 단계에 의해 UO3로 전환시키고;이어서 상기 UO3를 UO2로 환원시키고; 불화 수소화 단계에 의해 UF4를 형성시키고, 추가로 불화시켜 연속해서 UF6를 형성시키고, 이를 사용되는 농축 공정에 공급한다.
일반적으로 습식 화학을 수반하는 유사한 복잡한 화학적 및 물리적 단계들이 소모된 연료 및 다른 우라늄 함유 공급물의 재생에 사용된다.
발명의 요약
본 발명의 목적은 다양한 우라늄 및 다른 핵 물질 함유 공급물을 연료 등급 물질을 비롯한 다양한 제품들로 전환시키는데 대체적인 경로를 제공하는 것이다.
본 발명의 첫 번째 태양에 따라 하기의 단계들을 포함하는, 우라늄 함유 공급 물질의 처리 방법을 제공한다:
우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 단계로, 상기 불소는 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하고;
상기 우라늄 플루오라이드를 선광기 단계(separator stage)에 공급하는 단계로, 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 플루오라이드를 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 불소의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 이온화된 부분은 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하며;
상기 제 2 생성물 스트림을 불소 기체 및 우라늄 함유 물질 접촉 단계로 재순환시키는 단계.
상기 우라늄 함유 공급물질은 우라늄 광석일 수 있다. 상기 광석은 채굴 전 및/또는 보다 높은 우라늄 함량을 가질 수 있다.
상기 우라늄 함유 공급 물질은 우라늄 및/또는 우라늄의 재가공으로부터의 우라늄 옥사이드 및/또는 핵 연료 주기에 이미 사용된 우라늄 함유 물질일 수도 있다.
상기 우라늄 함유 공급 물질은 하나 이상의 공정들, 예를 들어 폐기물 또는 부산물 스트림을 포함한 스트림의 농축 공정으로부터의 우라늄 함유 잔사일 수 있다.
상기 우라늄 함유 공급 물질은 핵 반응기로부터 소모된 연료일 수도 있다. 상기 소모된 연료는 우라늄 뿐만 아니라 핵분열 산물 및/또는 플루토늄 동위 원소를 함유할 수도 있다.
상기 언급한 연료 유형들 중 하나 이상을 공정에 동시에 공급할 수도 있다.
생성된 우라늄 플루오라이드는 혼합된 플루오라이드 형태일 수 있으나, 바람직하게는 우세한 우라늄 플루오라이드는 우라늄 헥사플루오라이드이다.
물질 회수 단계를 선광기 단계 이전에 제공할 수도 있다. 우라늄 플루오라이드, 특히 우라늄 헥사플루오라이드가 이 단계에서 상기 공정으로부터 회수된다. 상기 우라늄 플루오라이드를 농축 공정에 공급하고/하거나 저장하고/하거나 먼 위치로 옮기고/옮기거나 판매할 수도 있다. 특히 우라늄 함유 공급 물질이 우라늄 광석인 경우 이 단계에서 상기 공정으로부터 불순물들을 제거할 수 있다. 상기불순물들은 불소화된 불순물로서 제거될 수 있다.
선광기 단계를 하기에 제공된 상세한 설명에 따라 제공할 수 있다.
제 1 생성물 스트림은 우라늄 금속을 포함할 수 있다. 상기 우라늄 금속은 마그녹스로 연료의 생산에 사용될 수 있다. 상기 우라늄 금속을 후속 공정, 예를 들어 농축 공정에 공급할 수도 있다. 상기 농축 공정은 AVLIS 및/또는 다른 금속 기재 농축 공정일 수 있다. 상기 농축 공정을 하기에 제공된 상세한 설명에 따라 제공할 수 있다. 특히 소모된 연료 공급물이 수반된 제 1 생성물 스트림은 원소 형태의 우라늄 및/또는 플루토늄 및/또는 핵분열 산물을 포함할 수 있다. 상기 원소 형태를 상기 소모된 연료 물질의 저장형으로서 사용할 수도 있다.
제 2 생성물 스트림은 바람직하게는 불소가 우세하다. 상기 불소는 원자 형태일 수 있으나, 바람직하게는 분자 형태인 F2로의 복귀도 허용된다.
상기 제 2 생성물 스트림을 불소/우라늄 함유 물질 접촉 단계에 공급하기 전에 가공할 수도 있다. 상기 공정은 다른 종들을 제거하기 위해서 상기 불소를 세척하는 단계를 포함할 수도 있다. 상기 제 2 생성물 스트림 중의 불소의 수준 및/또는 양을 불소/우라늄 함유 물질 접촉 단계에 공급하기 전에 외부 공급원으로부터 증가시킬 수도 있다. 상기 외부 공급원은 본 발명의 세 번째 태양에 따라 제공될 수 있다.
본 발명의 두 번째 태양에 따라, 하기의 유닛들을 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 처리 장치를 제공한다:
우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 제 1 유닛으로, 여기에서 불소는 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하고;
상기 우라늄 플루오라이드가 공급되는 선광기 단계를 형성하는 제 2 유닛으로, 여기에서 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 플루오라이드를 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키기 위한 플라즈마 및/또는 이온 발생기를 포함하며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 불소의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 선광기 단계는 또한 상기 이온화된 부분을 함유하고 제 1 생성물 스트림을 형성하기 위한 자기장을 형성시키기 위한 자기장 발생 수단을 포함하며, 상기 선광기 단계는 더욱 또한 상기 비-이온화된 부분을 상기 자기장으로부터 제거하기 위한 수단을 포함하고, 이때 상기 비 이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하며;
상기 제 2 생성물 스트림은 불소 기체와 우라늄 함유 물질이 접촉되는 제 1 유닛으로 재순환된다.
본 발명의 세 번째 태양에 따라, 하기의 단계들을 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 불소화 공정을 제공한다:
우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 단계로, 상기 불소가 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하고;
불소 함유 물질을 선광기 단계에 공급함으로써 불소 기체를 생성시키는 단계로, 상기 선광기 단계는 상기 불소 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키며, 이때 상기 공급물의 비-불소 부분의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 불소 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 이온화된 부분은 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하며;
상기 제 2 생성물 스트림을 불소 기체 및 우라늄 함유 물질 접촉 단계로 공급하는 단계.
상기 우라늄 함유 공급 물질을 본 발명의 첫 번째 태양에 정의된 바와 같이 제공할 수 있다. 생성된 우라늄 플루오라이드는 본 발명의 첫 번째 태양에 정의된 바와 같은 것일 수 있다.
상기 불소 함유 물질은 핵 연료 생산 공정으로부터의 물질일 수 있다. 바람직하게는 불소 함유 물질은 우라늄 플루오라이드, 보다 바람직하게는 우라늄 헥사플루오라이드이다. 이상적으로는, 상기 우라늄 플루오라이드는235U가 고갈된 것이고, 훨씬 더 바람직하게는235U가 고갈된 UF6이다. 상기 UF6는 또 다른 공정 및/또는 동일한 공정의 또 다른 부분으로부터의 공급물 및/또는 UF6의 저장된 공급원으로부터의 공급물일 수 있다.
제 1 생성물 스트림은 바람직하게는 우라늄, 특히 고갈된 우라늄을 함유한다. 상기 제 1 생성물 스트림을 고갈된 우라늄의 저장형으로서 사용할 수도 있다.
바람직하게는, 제 2 생성물 스트림은 본 발명의 첫 번째 태양의 방법에 따라 선광기로부터 재생되는 불소를 보충한다.
본 발명의 네 번째 태양에 따라, 하기의 유닛들을 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 불소화 장치를 제공한다:
우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 제 1 유닛으로, 여기에서 불소는 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하고;
선광기 단계를 형성하는 제 2 유닛으로, 여기에서 불소 함유 물질을 선광기 단계에 공급함으로써 불소 기체가 상기 선광기 단계에서 생성되며, 상기 선광기 단계는 상기 불소 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키는 플라즈마 및/또는 이온 발생기를 포함하며, 이때 상기 공급물의 비 불소 부분의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 불소 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 선광기 단계는 또한 자기장 발생 수단을 포함하고, 이때 상기 이온화된 부분은 상기 자기장 발생 수단에 의해 생성된 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하며, 상기 선광기 단계는 더욱 또한 상기 자기장으로부터 비 이온화된 부분을 제거하는 수단을 포함하고, 이때 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하며;
상기 제 2 생성물 스트림은 불소 기체와 우라늄 함유 물질이 접촉되는 제 1 유닛으로 공급된다.
본 발명의 다섯 번째 태양에 따라, 하기의 단계들을 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 농축 방법을 제공한다:
우라늄 함유 물질을 선광기 단계에 도입시키는 단계로, 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 비-우라늄 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 이온화된 부분은 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하고;
상기 제 1 생성물 스트림을 농축 단계로 공급하는 단계로, 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 제 1 생성물 스트림에 공급하며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 제 1 생성물 스트림의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 선택적으로 이온화된 성분들은 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리되어 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성한다.
상기 우라늄 함유 공급 물질은 본 발명의 첫 번째 태양의 공급 물질에 따라 제공될 수 있으나, 하나 이상의 우라늄 플루오라이드, 특히 우라늄 헥사플루오라이드인 것이 바람직하다.
선광기를 하기에 상세히 설명하는 바와 같이 제공할 수 있다.
제 1 생성물 스트림은 공급 물질의 우라늄을 우세하게 함유하는 것이 바람직하다. 제 2생성물 스트림은 공급 물질의 비 우라늄 부분 및 특히 보다 낮은 원자 질량 성분들을 우세하게 함유하는 것이 바람직하다.
제 1 생성물 스트림 및 특히 그 중의 우라늄을 여전히 이온화된 형태로 농축 단계에 공급할 수 있다. 그러나, 상기 제 1 생성물 스트림, 및 특히 그 중의 우라늄, 및 훨씬 더 특히는 그 중의238우라늄을 농축 단계에 앞서 중화시키는 것이 바람직하다. 상기 제 1 생성물 스트림 및 특히 그 중의 우라늄을 기체 및/또는 증기 형태로 농축 단계에 공급하는 것이 바람직하다.
적용된 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를238U 함유 성분들에 우선하여235U 함유 성분들을 이온화시키는 것으로 선택하는 것이 바람직하다.
상기 성분들은 우라늄의 각 동위 원소들을 포함하는 UF6와 같은 분자들일 수 있으나, 바람직하게는 원자 형태의 동위 원소 자체이다.
제 3 생성물 스트림을 수거 위치로 정전기적으로 끌어당김으로써 제 4 생성물 스트림으로부터 분리시킬 수 있다. 제 4 생성물 스트림을 별도의 위치에서 수거하는 것이 바람직하다.
제 3 생성물 스트림에서는 제 1 생성물 스트림에 비해 하나 이상의 동위 원소, 이상적으로는235U가 증대되는 것이 바람직하다. 상기 제 4 생성물 스트림은 제 1 생성물 스트림에 비해 상기 하나 이상의 동위 원소, 이상적으로는235U가 고갈되는 것이 바람직하다.
제 3 및/또는 제 4 생성물 스트림을 추가로 가공할 수도 있다.
본 발명의 여섯 번째 태양에 따라, 하기의 유닛들을 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 농축 장치를 제공한다:
우라늄 함유 물질이 도입되는 선광기 단계를 형성하는 제 1 유닛으로, 여기에서 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키기 위한 플라즈마 및/또는 이온 발생기를 포함하며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 비 우라늄 부분의 적어도 일부는비-이온화되며, 상기 선광기 단계는 또한 자기장을 발생시키기 위한 자기장 발생 수단을 포함하고, 이때 상기 이온화된 부분은 상기 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 선광기 단계는 더욱 또한 상기 자기장으로부터 비 이온화된 부분을 제거하는 수단을 포함하며, 이때 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하며;
제 1 생성물 스트림이 공급되는 농축 단계를 형성하는 제 2 유닛으로, 여기에서 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 제 1 생성물 스트림에 공급하기 위해서 전자기 방사선의 공급원, 바람직하게는 레이저를 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 제 1 생성물 스트림의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 농축 단계는 또한 선택적으로 이온화된 성분들을 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리시켜 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성시키는 수단을 포함한다.
본 발명의 일곱 번째 태양에 따라, 하기의 단계들을 포함하는 우라늄 함유 물질의 정제 방법을 제공한다:
우라늄 함유 물질을 농축 단계에 공급하는 단계로, 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 공급물에 적용시키며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 공급물의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 선택적으로 이온화된 성분들은 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리되어 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성하고;
상기 생성물 스트림들 중 하나 또는 모두를 불소화 단계에 공급하는 단계로,상기 불소화 단계에서는 생성물 스트림 중의 우라늄 함유 물질이 불소 기체와 접촉되고, 상기 불소는 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하며;
상기 생성물 스트림의 불소화된 우라늄 및 다른 성분들을 분리 단계에 공급하는 단계로, 이 단계에서 상기 우라늄 플루오라이드는, 제 6 생성물 스트림을 형성하는 생성물 스트림의 하나 이상의 다른 성분들과 분리되어 제 5 생성물 스트림을 제공한다.
바람직하게는, 상기 농축 단계에 공급되는 우라늄 함유 물질은, 기체 및/또는 증기 형태, 바람직하게는 비-이온화된 형태의 원자 우라늄인 것이 바람직하다.
상기 농축 단계는 상기 단계에 공급되는 물질을 상기 상세히 설명한 본 발명의 다섯 번째 태양의 방식으로 농축시키는 것이 바람직하다.
제 4 생성물 스트림을 불소화 단계에 공급할 수도 있으나, 제 3 생성물 스트림을 그렇게 공급하는 것이 특히 바람직하다.
바람직하게는, 우라늄 플루오라이드는 상기 본 발명의 다섯 번째 태양에서 상세히 설명한 바와 같이 생성된다.
상기 생성물 스트림의 다른 성분들은 하나 이상의 다른 금속들, 특히 철일 수 있다. 바람직하게는 철을 또한 불소화 단계에서 불소화시킨다.
상기 우라늄 플루오라이드를, 바람직하게는 또한 플루오라이드 형태로, 휘발성의 차이를 기준으로, 가장 바람직하게는 우라늄 플루오라이드, 이상적으로는 우라늄 헥사플루오라이드의 보다 높은 휘발성을 기준으로 하나 이상의 불순물들로부터 분리시킬 수 있다. 제 5 및/또는 제 6 생성물 스트림을 추가로 가공할 수도 있다.
본 발명의 여덟 번째 태양에 따라, 하기의 유닛들을 포함하는 우라늄 함유 물질의 정제 장치를 제공한다:
우라늄 함유 물질이 공급되는 농축 단계를 형성하는 제 1 유닛으로, 여기에서 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 공급물에 적용시키기 위한 전자기 방사선의 공급원, 바람직하게는 레이저를 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 공급물의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 농축 단계는 또한 상기 선택적으로 이온화된 성분들을 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리시켜 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성시키는 수단을 포함하고;
상기 생성물 스트림들 중 하나 또는 모두가 공급되는 불소화 단계를 형성하는 제 2 유닛으로, 여기에서 상기 생성물 스트림들 중의 우라늄 함유 물질은 불소 기체와 접촉되고, 상기 불소는 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하며;
분리 단계를 형성하는 제 3 유닛으로, 여기에서 상기 생성물 스트림의 불소화된 우라늄 및 다른 성분들은 분리 단계로 공급되고, 이 단계에서 상기 우라늄 플루오라이드는, 제 6 생성물 스트림을 형성하는 생성물 스트림의 하나 이상의 다른 성분들과 분리되어 제 5 생성물 스트림을 제공한다.
상기 상세히 설명한 본 발명의 다양한 태양들을 서로 병행시킬 수도 있다.예를 들어, 본 발명의 세 번째 태양의 불소 생성 공정을 본 발명의 첫 번째 태양의 불소화 단계에서 요구되는 불소를 제공하는데 사용할 수 있다. 유사하게, 본 발명의 세 번째 태양의 불소 생성 공정을 본 발명의 일곱 번째 태양의 불소화 단계에서 요구되는 불소를 제공하는데 사용할 수도 있다. 또한 본 발명의 첫 번째 태양과 본 발명의 다섯 번째 태양의 선광기가 하나로 동일할 수 있으며, 이때 상기 선광기로부터의 제 1 생성물 스트림은 농축 단계로 간다. 이러한 결합된 공정은 또한 본 발명의 세 번째 태양을 불소화 단계의 불소 요구에 기여하기 위해 사용할 수 있다. 추가로, 다섯 번째 태양의 선광기이기도 한 첫 번째 태양의 선광기를 사용하거나 또는 상기를 사용하지 않고서, 하나로 동일한 상기 다섯 번째 태양의 농축 단계를 본 발명의 일곱 번째 태양으로서 사용할 수 있다. 본 발명의 첫 번째, 세 번째, 다섯 번째 및 일곱 번째 태양은 모두 단일 공정을 형성할 수도 있다.
공급물을 기체, 액체, 고체 또는 상기 상들의 혼합물로서 자기장에 도입시킬 수 있다. 자기장에는 기체 공급물이 바람직하다.
공급물을 기체, 액체, 고체 또는 상기 상들의 혼합물로서 플라즈마 발생 수단에 도입시킬 수 있다.
공급물을 기체, 액체, 고체 또는 상기 상들의 혼합물로서 이온화 수단에 도입시킬 수 있다. 특히 플라즈마 발생기가 또한 제공되지 않은 경우, 상기 이온화 수단에 대해서 기체 공급물이 바람직하다.
공급물을 고체 또는 액체 초기 공급물의 비등 및/또는 증발 및/또는 승화에 의해 기체 형태로 제공할 수 있다. 기체 상태로의 전환은 노, 마이크로웨이브 가열기 또는 다른 형태의 가열기 수단에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는 기체를 이온화 전에 도입시킨다.
제공된 성분의 전부 또는 거의 전부를 이온화시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 제공된 성분의 전부 또는 거의 전부를 이온화시키지 않는다.
바람직하게는 공급물 중에 존재하는 일부 또는 모든 금속 원소들을 이온화시킨다. 원자량이 90 이상인 금속 원소들의 이온화가 특히 바람직하다. 바람직하게는 공급물의 일부 또는 모든 금속 원소들을 이온화시키지 않는다. 바람직하게는 원자량이 90 이하, 가장 바람직하게는 70 이하, 이상적으로는 60 이하인 모든 원소들이 이온화되지 않은 형태로 남아 있는다. 우라늄 및/또는 플루토늄 및/또는 토륨 및/또는 가돌리늄과 같은 원소들을 이온화시키는 것이 특히 바람직하다. 수소 및/또는 불소 및/또는 산소 및/또는 질소와 같은 원소는 이온화시키지 않는 것이 바람직하다. 바람직하게는 붕소를 이온화시키지 않는다. 바람직하게는 핵분열 생성물을 이온화시키지 않는다.
성분들의 이온화는 플라즈마의 온도에 의해 야기될 수 있다. 추가로 또는 한편으로 성분들의 이온화는 상기 성분들과 전자 사이클로트론 공명에 의해 생성된 고 에너지 전자들과의 상호작용에 의해 야기될 수도 있다.
이온화 및/또는 이온화된 성분의 정도를 전자 사이클로트론 공명 유닛으로의 에너지 투입 및/또는 체류 시간에 의해 조절할 수 있다.
바람직하게는 이온화를 에너지 투입 수준에 의해 조절한다. 상기 에너지 투입 수준은 플라즈마의 온도를 조절함으로써 조절될 수 있다. 바람직하게는 상기 에너지 투입은 공급물의 성분들간에 선택적이지 않다. 이러한 방식으로, 공급물의 모든 성분들을 동일한 에너지 수준으로 상승시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 이온화 및 이온화되지 않은 공급물 성분들은 통상적인 조건에 대해 서로 평형 상태이다.
공급 물질의 이온화를 위해서 기체로 전환시켜 ECR 유닛에 공급할 수 있다. 노 가열기 또는 증발기를 사용하여 고체 또는 액체 공급물을 기상/증기 형태로 전환시킬 수 있다.
따라서, 특정한 실시예에서, 플라즈마는 공급 물질을 분리된 원자들로 전환시킬 수 있으며 전자 사이클로트론 공명은 후속적으로 바람직하게는 선택적인 성질을 갖는 적어도 부분적인 이온화를 발생시킬 수 있다.
바람직하게는 공급물을 분자 형태로 제공하며 이온화된 분리된 원자 형태 및/또는 원소 형태들로부터 분리된 원자 및/또는 원소 형태로서 선택적으로 분리시킨다. 이는 상기 기법을 원소 공급물에 의해 가능한 것 보다 광범위하게 다양한 물질들에 적용할 수 있게 하고 원소 형태 또는 분자 공급물의 분리에 이어서 분자 형태의 분리를 가능하게 만든다.
상기 플라즈마의 온도를 목적하는 방식으로 성분들의 선택적인 이온화를 제공하도록 조절할 수 있다. 따라서, 상기 플라즈마는 공급물 중의 일부 성분들을 이온화시킬 수 있으나, 다른 성분들, 예를 들어 핵분열 생성물 및/또는 비 금속 원소들을 비 이온화된 형태로 남긴다.
바람직하게는 상기 플라즈마는 3000 내지 4500 K에서 제공된다. 바람직하게는 상기 플라즈마는 마이크로웨이브 또는 라디오 주파수 수단에 의해 발생된다. 바람직하게는 상기 발생기의 플라즈마는 1000 내지 10000 Pa에서 작동한다. 2000 ± 10%의 값이 바람직하다.
추가로 또는 선택적으로 분리에 앞서 상기 플라즈마 내의 공급물의 체류 시간을 목적하는 방식으로 성분들의 선택적인 이온화를 제공하기 위해서 조절할 수 있다.
공급물을 비 이온화된 형태로 자기장에 도입시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는 부분적인 이온화 공정이 하전되지 않은 기체에 대해 자기 장 내에서 일어난다. 상기 기체는 분자 및/또는 원자 형태일 수 있다.
자기장은 플라즈마/이온이 진행되는 원통형의 유효 부피를 한정하도록 형성될 수 있다. 상기 플라즈마/이온은 상기 플라즈마 발생 및/또는 이온화 수단으로부터 상기 수용 영역의 축을 따라 다음의 분리 단계로 통과하는 것이 바람직하다.
이온화 및 비 이온화된 성분들의 분리를 가장 바람직하게는 기체로서 상기 플라즈마로부터 비 이온화된 성분을 제거함으로써 수행하는 것이 바람직하다. 상기 비 이온화된 성분을 이온화된 성분으로부터 퍼낼 수도 있다. 상기 이온화된 성분은 자기 장에 의해 수용되고 따라서 구속된다.
비 이온화된 성분으로부터의 이온화된 성분의 분리를 다수의 단으로 수행할 수 있다. 바람직하게는 상기 단들은 서로 분리된다. 상기 단들을 천공된 배플에 의해 서로 분리시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 구멍들은 전적으로 자기 장의 수용 영역 내에 있다. 바람직하게는 상기 단들의 하나 이상이 하나 이상의 다른 단들과 상이한 압력으로 작동한다. 상기 압력 수준을 사용되는 펌핑 수준기에 의해 유지시킬 수 있다. 바람직하게는 유입구 부근의 하나 이상의 단의 압력이 상기 유입구로부터 더 먼 하나 이상의 단 보다 높다. 바람직하게는 상기 압력은 유입구에 보다 가까운 선행 단에 비해 각각 0으로 감소한다. 바람직하게는 각 단의 압력은 유입구로부터 진행하는 방식으로 선행 단 압력의 30% 내지 60%이다.
바람직하게는 3 개의 단이 제공된다. 각 단의 길이는 0.5 내지 2m일 수 있다.
바람직하게는 제 1 단은 10 내지 50 Pa에서 작동한다. 40 Pa ± 10%의 수준이 바람직하다.
바람직하게는 제 2 단은 5 내지 20 Pa에서 작동한다. 16 Pa ± 10%의 수준이 바람직하다.
바람직하게는 제 3 단은 2 내지 10 Pa에서 작동한다. 7 Pa ± 10%의 수준이 바람직하다.
분리된 하전되지 않은성분들을 후속의 용도를 위해 재생시키고/시키거나 추가로 가공할 수도 있다. 이러한 가공에는 추가의 선택적인 이온화 및/또는 상이한 성분들을 선택적으로 분리시킴이 포함될 수 있다.
분리된 하전된 성분들은 바람직하게는 여전히 자기장에 수용된다. 상기 분리된 하전된 성분들에 대해서 선택적인 탈 이온화; 탈 이온화에 이은 추가의 선택적인 이온화; 또는 상이한 성분들을 분리시키기 위한 다른 선택적인 가공을 포함한 추가의 가공을 가할 수도 있다.
상기 언급된 태양들에서 지칭된 농축 단계는 하기 특징들 중 하나 이상의 특징을 가질 수 있다.
농축 단계를 예를 들어 10-6토르 이하로 배기시킬 수 있다.
전자기 방사선을 하나 이상의 레이저 광선 및/또는 하나 이상의 레이저에 의해 적용시킬 수 있다. 바람직하게는 발생된 선택적인 이온화는 광이온화이다. 이온화 및/또는 여기는 바람직하게는 상이한 단들에 대해서 선택된 상이한 주파수에 의해 하나 이상의 단들에서 일어날 수 있다.
이온화 및 비 이온화된 성분들의 분리를 이온화된 종들을 수거 위치, 예를 들어 하나 이상의 집전판으로 정전기적으로 끌어당김으로써 수행할 수 있다. 보다 바람직하게는 상기 이온화 및 비 이온화된 성분들을 자기장을 사용하여 상기 이온화된 성분을 편향시킴으로써 분리시킨다.
본 발명은 물질의 개선된 가공 방법, 특히 비 제한적으로, 핵 연료 물질, 핵 연료 주기와 관련된 물질들 및 핵 연료 산업과 관련된 물질들의 개선된 가공 방법에 관한 것이다.
이제 본 발명의 다양한 실시예들을 단지 예로서 첨부된 도면을 참고로 개시할 것이다. 도면에서:
도 1은 정제된 우라늄 함유 물질의 제조를 위한 본 발명의 첫 번째 실시예를 예시하고;
도 2는 불소를 회로에 도입시키기 위한 도 1의 변형된 공정을 예시하고;
도 3은 소모된 연료 물질을 가공하기 위한 변형된 회로를 예시하고;
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 예시하고;
도 5는 본 발명의 공정 경로에 사용하기 적합한 선광기 단계의 하나의 실시예를 예시하고;
도 6은 본 발명의 공정 경로에 사용하기 적합한 선광기의 또 다른 실시예를 예시하고;
도 7은 본 발명의 공정 경로에 사용하기 적합한 농축기를 예시한다.
도 1은 관심의 금속 성분들을 불소화시키는 직접적인 불소화 단계(2)에 이어서 불소/금속 분리 단계(4)에 의해 다양한 잠재적인 생성물 형태들과 불소가 생성되고, 상기 불소는 다시 단계(6)을 통해 상기 직접적인 불소화 단계로 재순환됨을 예시한다. 이러한 시스템을 목적하는 다양한 생성물 형태들을 갖는 다양한 잠재적인 공급물들에 사용할 수 있다.
우라늄 광석 농축 공급물
상기 공정은 우라늄 광석 농축물을 단계(8)에서 직접적인 불소화 단계(2)로 공급하여, 여기에서 우라늄 옥사이드를 불소의 도입에 의해 우라늄 플루오라이드, 주로 UF6로 전환시키는 잠재력을 제공한다. 이어서 상기 UF6는 세척 단계(10)로 가고 이 지점에서 상기 광석 농축물 중에 존재하는 다양한 불순물들이, 다시 주로 불소화된 형태를 포함하여, 다양한 형태로 제거될 수 있다. 이들은 폐기물 스트림(12)을 형성한다. 이 단계에서 공정 UF6로부터의 생성물 스트림(14)을 판매를위해 개발하거나 또는 다른 공정들에 사용하는 것도 또한 가능하다.
그러나, 목적하는 공정의 일부로서 UF6의 상당 부분은 세척 단계(10)로부터 분리 단계(4)로 계속 진행한다. 분리 단계(4)(하기에 보다 상세히 논의됨)에서, 우라늄 및 다른 금속 종들이 불소 및 다른 저 원자량 물질들로부터 분리된다. 불소는 스트림(16)으로서 후속적인 직접 불소화 단계(2)로의 피드백을 위해 단계(6)으로 반송된다. 상기 시스템 중의 불소의 수준은, 또한 단계(6)으로 공급되는 불소 공급원(18)으로부터 위까지 가득 채워질 수 있다.
값비싼 불소를 광석 중의 다른 불순물들로부터 우라늄을 분리시키는데 사용하지만, 후속적인 재사용을 위해 상기 불소를 회수하여 불소화 단계(2)로 다시 재순환시키는 것이 본 발명 기법의 주요 이점이다. 따라서 불소에 관해서는 실질적으로 폐쇄된 회로가 제공된다.
단계(4)로부터의 금속 생성물 스트림은 생성물 스트림(20)을 형성하여, 하기에 보다 상세히 논의되는 바와 같이 후속적으로 가공되거나, 또는 한편으로 예를 들어 마그녹스로 연료로서 사용하기 위한 우라늄 금속 생성물 스트림(22)을 형성할 수도 있다.
재-가공된 우라늄 공급물
상기 도 1을 참고로 개략된 시스템을 재-가공된 우라늄, 우세하게는 UO3로 이루어진 단계(24)로부터의 공급물에도 동등하게 잘 사용할 수 있다. 상기 재 가공된 우라늄은 소모된 연료 봉으로부터 추출된 우라늄을 포함하여 다양한 잠재적인공급원들로부터 수득된다.
다시 한번, 우라늄 옥사이드를 UF6로의 전환을 위한 직접적인 불소화 단계에 공급한다. 다시 한번, UF6(상기 우라늄은 재 가공된 우라늄이다)로 이루어진 생성물 스트림(14)을 제거하는 것이 가능할 것이다.
불순물 제거 단계(10)는 재 가공된 우라늄 공급물에 필요할 수도 혹은 필요하지 않을 수도 있다.
다시 한번, 분리 단계(4)에서, 상기 우라늄은 재 순환되는 불소와 분리된다. 이어서 상기 우라늄은 추가로 가공, 예를 들어 농축되거나, 또는 한편으로 마그녹스로 연료의 생산에 사용된다.
우란 잔사 공급물
우라늄 연료의 생산과 관련된 다양한 기존의 공정들은 가공을 요하는 잔사 스트림을 발생시킨다. 이들 스트림은 일반적으로 옥사이드 형태의 우라늄으로 이루어지며, 결과적으로 상기와 같은 스트림(26)은 상기 개략된 공정의 불소화 단계(2)에 공급되기에 적합하다. 다시 한번, 상기 우라늄을 경우에 따라 후속적인 추가의 가공을 위해 추출할 수 있다.
불소 보충 경로
특히 불소화된 불순물들을 단계(10)에서 상기 공정으로부터 제거되는 우라늄 광석 농축물의 가공과 관련하여, 이들 불순물들에 의해 손실된 불소를 대체시키기 위해서 상기 회로에 불소를 가하는 것이 필요하다. 상기 불소는 다양한 공급원들로부터 나올 수 있지만, 바람직한 생성 경로는 도 2에 개략한다.
도 2는 불소가 스트림(16)으로서 분리 단계로부터 공급되고 불소화 단계(2)로 피드백되는 불소 공급원 단계(6)를 예시한다. 가득 채워진 불소가 스트림(28)으로부터 상기 단계(6)내로 도입된다.
상기 공정의 이 부분에 대한 공급물 단계(30)는 UF6의 공급원을 제공하며, 이는 기존의 농축 기법으로부터 발생되는 UF6의 고갈된 스트림 및/또는 역사적으로 생산된 고갈된 UF6의 비축물인 것이 특히 바람직하다. 고갈된 UF6는 일반적으로는238UF6(이로부터 대다수의235UF6는 농축 공정에서 제거되었다)로 우세하게 이루어진다.
단계(30)으로부터의 UF6공급물을 분리 단계(32)로 공급하며, 상기 분리 단계는 바람직하게는 상기 도 1에 개략되고 하기에 보다 상세히 논의되는 분리 단계(4)와 유사한 유형의 것이다.
분리 단계(32)는 목적하는 불소 스트림(28)을 생산하여 불소 회로로 공급하고 생성물 스트림(34)은 분리시킨다. 바람직하게는 상기 생성물 스트림(34)은 UF6보다 장기적인 보관에 더 적합한 형태인 우라늄 금속이다. 이는 상기 금속이 우세하게는238U 형태의 고갈된 우라늄인 경우 특히 그러하다.
소모된 연료 공급물
소모된 연료 공급 물질을 다루기 위해서 상기 기법에 대한 변화를 도 3에 개략한다.
일반적으로 우라늄 옥사이드, 핵분열 생성물 및 플루토늄 옥사이드를 포함하는 소모된 연료는 단계(36)에서 도입되며 직접적인 불소화 단계(2)로의 공급물을 형성한다. 이어서 생성된 UF6및 다른 불소화된 금속들을 분리 단계(4)로 공급한다.
공급 물질의 성질 및 목적하는 생성물 형태가 제공된 경우, 불순물들은 일반적으로 상기 공정 경로부터 제거되지 않는다.
앞서에서와 같이, 불소는 단계(4)로부터 단계(6)을 통해 직접 불소화 단계(2)로 다시 재 순환된다. 생성물은 단계(4)로부터 후속적인 취급을 위해 빠져나간다. 상기 생성물은 후속적인 가공 단계로의 공급물(20)을 형성하거나, 또는 한편으로 생성물 형태 자체가 스트림(38)을 형성할 수도 있다.
특히 바람직한 생성물 스트림(38)은 모두 금속 형태인 우라늄, 플루토늄 및 핵분열 생성물의 혼합물이다. 상기 생성물 형태는 장기 저장을 목적으로 하며 여전히 연료 봉 또는 연료 조립체 내에 있는 물질에 비해 상당히 개선된 저장성을 나타낸다. 물질이 존재하는 실체적인 형태가 개선되었을 뿐만 아니라, 상기 물질의 부피도 실제 조립체의 부피에 비해 2.5 인자 정도까지 감소되며, 또한 상기 조립체 자체의 부피가 저장 필요성을 제거한다. 그 결과, 저장이 필요한 부피의 20 인자 정도의 전반적인 감소가 달성될 수 있다. 이러한 생성물의 저장에 또 다른 유리한 성질은 우라늄 금속이 양호한 감마 차폐물이며, 결과적으로 상기 물질은 상기 중에 함유된 핵분열 생성물로부터 발생하는 감마 방사에 대해 자기-차폐 기능을 갖는다는 것이다.
농축된 생성물의 처리
도 4에 예시된 바와 같이, AVLIS를 포함하여 다수의 농축 공정들 중 하나인 단계(40)은 금속 또는 옥사이드 형태의 농축된 형태의 우라늄을 제공한다. 상기 스트림(42)은 흔히 우라늄을 추가로 가공하기 전에 제거하는 것이 바람직한 철 또는 다른 불순물들을 함유한다.
도 4에 예시된 공정 경로에서, 우라늄 및 철 함유 스트림(42)을 직접적인 불소화 단계(44)로 공급하며, 이에 대한 불소는 공급원 단계(46)로부터 공급된다.
공급원 단계(46)는 선광기 단계(4)로서 상기 도 1에 개략되고/되거나 선광기 단계(32)로서 상기 도 2에 개략된 일반적인 유형의 선광기인 것이 특히 바람직하다. 다시 한번, 상기 단계로의 공급 물질(48)이 UF6잔사 및 특히 고갈된 UF6를 포함하는 것이 특히 바람직하다. 다시, 불소화 단계(44)로의 유용한 불소 공급물뿐만 아니라, 보다 용이하게 저장될 수 있고/있거나 취급될 수 있는 생성물 형태(50)가 생성된다.
상기 직접적인 불소화 단계에서 생성된 우라늄 헥사플루오라이드, 철 플루오라이드 및 다른 플루오라이드들을 그들의 상이한 휘발성을 기준으로 선광기 단계(50)에서 분리시킬 수 있다. 따라서, 상대적으로 휘발성인 UF6를 후속적인 추가의 가공, 예를 들어 조립을 위한 생성물 스트림(52)으로서 제거할 수 있는 반면, 철 플루오라이드 불순물은 후속적인 폐기를 위한 생성물 스트림(54)으로서 제거될수 있다.
선광기 단계
본 발명의 다양한 실시예들에 사용하기 적합한 선광기 단계를 도 5에 예시한다.
공급물 스트림(200)은 플라즈마 발생기(202)를 통과하며, 이때 상기 발생기는 상기 공급 물질을 4000K 부근까지 고속 가열한다. 플라즈마 발생기(202)는 마이크로웨이브 또는 RF 유형 플라즈마 발생기이며 상기 플라즈마의 온도 조절은 하기와 같은 방식으로 쉽게 제공될 수 있다.
배열(206) 및 (216)의 전도 솔레노이드는 힘의 선들을 도식적으로 나타낸(204) 고 강도 자기장을 생성시킨다. 플라즈마 발생기 및 자기장을, 이온화되는 공급물의 성분들이 이미 자기장의 범위 내에 있도록 형성시킨다. 전도 솔레노이드를 0.1 테슬러 과잉의 장 강도가 생성되도록 고정시킨다.
플라즈마 발생기(202)를 통과함에 따라 공급물 스트림(200)이 대단히 승온된 결과, 상기 공급물 스트림(200)의 성분들은 그들의 성분 원자들로 분해된다. 이는 원소 공급물을 필요로하거나 또는 공급물을 분자들간의 차이에 따라서만 가공하기 보다는 상기 공급 물질을 그의 개별적인 원자 구성에 따라 가공하는 것을 용이하게 한다.
상기 플라즈마의 온도에서, 우라늄 원자 및 다른 고 원자 질량 성분들은 예를 들어 U+로 하전된다. 그러나, 보다 낮은 원자 질량 성분들, 이 경우 주로 불소는 하전되지 않은 채로 남아 있는다. 이온화되고 하전되지 않은 종들은 기체형태이다.
우라늄 이온은 그의 전하 덕분에 자기장에 의해 수용되어 솔레노이드 배열을 전방으로 통과하여 생성물 스트림(224)을 형성한다. 그러나, 불소 원자의 하전되지 않는 성질은 상기 원자를 자유롭게 이동하게 만들며 자기장에 의해 구속되지 않게하고, 그 결과 이들은 진공 펌프 또는 다른 적합한 수단에 의해 공정 스트림(214)으로서 제거될 수 있다. 일단 우라늄 이온들이 제거되면, 불소는 에너지가 감소되며 따라서 F2로서 재 결합될 수 있다.
따라서, 상기 분리 단계의 결과로서 우라늄이 공급액 중의 저 원자 질량 원소들로부터 분리되며 이 우라늄은 후속적인 가공 또는 사용을 위해서 전송될 수 있다.
선광기 내에서 일어나는 선택적인 이온화의 성질은 중요하다. 이온화는 시스템의 전체적인 에너지 수평의 결과로서 일어난다. 따라서, 통상적인 조건 하에서 이온화되는 종들 및 그렇지 않은 종들은 상기와 같은 조건 하에서 상기 종들에 대한 평형 상태에 의해 결정된다. 따라서, 함유된 선택적인 이온화는 안정적이며 상기 분리가 시간의 압박 없이 효과적으로 수행되도록 오래 지속된다.
에너지가 서로 다른 종들 보다는 하나의 종들에 의해 선택적으로 이용되도록 시스템 내로 도입되는 경우, 얻어지는 선택적인 이온화는 덜 유용하다. 이러한 상황 하에서, 이온화된 종들과 비 이온화된 종들간의 충돌에 의해 에너지 전달이 일어날 것이며 따라서 상기 종들의 잠재적인 상태 및/또는 전하의 변화가 일어날 것이다. 이는 충만되어야 하는 임의의 분리 속도에 대해 상당한 시간 압박을 가하며, 그렇지 않으면 선택성이 상실된다. 또한, 이러한 이온화는 물질의 저 밀도에서 수행해야 할 필요가 있으며, 그렇지 않으면 충돌이 선택성이 일어나기에는 너무 우세해진다.
그러나, 본 발명에 대해 개략된 평형 상태는 상기 공정의 선택성에 어떠한 해도 입히지 않으면서 종들간의 충돌이 일어날 수 있게 한다. 결과적으로, 훨씬 더 많은 물질 처리가 가능하다.
사용될 수 있는 또 다른 선광기가 도 6에 예시되어 있다. 다시 한번, 상기 장치에 대한 설명을 우라늄 헥사플루오라이드 공급물로부터의 우라늄의 분리와 관련하여 수행할 것이나, 다른 용도들도 이 장치에 쉽게 적용시킬 수 있다.
우라늄 헥사플루오라이드 공급액을 증기로서 스트림(300)으로 도입시킨다. 상기 공급물은 라디오 주파수의 플라즈마 발생기(302)에 의해 플라즈마로 신속히 전환된다. 상기 플라즈마 발생기는 높은 수준의 충돌로 인해 상기 공급물의 목적하는 성분들에 대해 필수적으로 평형인 이온화 수준을 보장하기 위해서 2 KPa에서 작동한다.
플라즈마 발생기 내의 접촉 부품들을 상기에 포함된 조건들을 견디기에 필수적인 물리적 성질들을 제공하기 위해서 세라믹 플루오라이드로부터 형성시킬 수도 있다. 상기 시스템은 수 함유 튜브와의 접촉에 의해 냉각되는 구리 표면을 사용할 수 있다. 상기 구리 벽의 온도를 낮추는데 흐르는 물이 사용되며 이에 의해 상기 벽 상에 우라늄 플루오라이드 형태들이 응축된다. 이는 상기 구리를 화학적으로 및 열적으로 단열시킨다. 결국, 소정의 두께의 우라늄 플루오라이드가 상기벽 상에 침착된 평형 상태가 나타난다. 따라서 자가-라이닝 효과가 제공된다.
발생된 플라즈마는 노즐(304)을 통해 발생기(302)를 나가며, 도식적으로 예시된 자기장(306)에 의해 수용된다. 대략 30㎜ 반경의 노즐이 상기 플라즈마 발생기(304) 내의 압력을 유지하고 목적하는 유속을 제공하기 위해서 사용된다.
플라즈마는 상기 플라즈마 발생기를 떠나 대역 1(308)로 들어갈 때 팽창하여 냉각을 일으킨다. 그러나, 우라늄 이온에 의해 자기장에 대해 수행된 상기 작용은 부분적인 재 가열을 생성시킬 것이다. 적합한 경우, 추가의 에너지를 상기 장치를 통해 그의 후속적인 공정이 진행되는 동안 상기 플라즈마 내로 도입시켜 온도를 목적하는 성분들이 이온화된 채로 남아있는 수준으로 유지시킬 수 있다. 이러한 에너지는 라디오 주파수 수단에 의해 제공될 수 있다. 따라서 평형을 기본으로 하는 목적하는 선택성이 유지된다.
플라즈마 발생기를 떠나는 물질의 광선은 상기 플라즈마 발생기로부터의 거리가 증가함에 따라 산개되는 경향이 있다.
다양한 대역들을 한정하는 차단층(310,312)은 이러한 팽창을 상기 층들의 소정의 구멍 직경에 참작한다.
수용 장의 강도는 대략 0.1 테슬러이다. 이러한 수준은 초 전도 자석에 의해 제공될 수 있지만 통상적인 전자석에 의해서도 제공될 수 있다. 상기 강도의 자기장은 우라늄 이온을 180㎜의 반경으로 한정하거나 또는 노즐로부터 3m의 이동 거리를 따라 한정하기도 한다. 상기 대역/단들은 각각 길이가 1m이다. 상기 팽창 광선의 반경은 이동된 거리의 네 번째 경로에 대략적으로 비례한다.
대역 1(308) 내에는 진공 펌프(도시 안됨)로의 유출구(314)가 제공되어 있다. 이에 의해 첫 번째 폐기물 스트림이 상기 장치로부터 제거되며, 이때 상기 폐기물 스트림은 하전되지 않은 물질, 주로 불소를 포함한다. 알루미늄을 상기 폐기물 스트림 라인에 사용할 수 있다.
대역 1의 압력은 13 Pa 부근으로, 상기 대역을 통과하는 동안 물질 광선의 불소 압력은 실질적으로 상기 압력으로 감소된다. 이를 초과하는 불소는 상업적으로 입수할 수 있는 펌프에 의해 유출구(314)를 통해 펌핑된다.
이어서 상기 감압된 불소 내용물은 차단층(310) 중의 틈(318)을 통해 대역 2(316)로 들어간다.
제 2 대역(318)은 상기 제 1 대역보다 낮은 압력, 대략 5 Pa에서 작동되며, 광선 중의 불소 내용물이 상기 대역을 통과함에 따라 다시 한번 상기 압력으로 감소된다.
이어서 상기 광선은 차단층(312) 중의 틈(322)을 통해 대역 3(320) 내로 들어간다.
상기 대역은 다시 훨씬 더 낮은 압력, 대략 2 Pa에서 작동되며, 이때 과잉의 불소가 유출구(324)를 통해 펌핑된다.
이어서 상당히 고갈된 불소 광선은 후속적인 취급을 위해 유출구(326)를 지난다.
이온화된 기상 우라늄은 일부 등급의 그리드와 접촉하여 전하가 방전되고 상기 우라늄의 에너지는 고체 또는 액체인 상태로 감소된다. 급냉 및/또는 냉각 작용을 수행하기 위해서 화학 물질을 도입시키는 것을 고려할 수 있다. 이에 관해서, 기체와의 화학적 결합이 발생하지 않도록 상기 우라늄의 냉각에 불활성 기체를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그 결과 금속 우라늄이 생성된다. 상기 우라늄을 고체로 제공하기에 충분히 냉각시키거나, 또는 한편으로 상기가 액체 형태로 남아있도록 부분적으로 냉각시킬 수도 있다.
우라늄 생성물 스트림(326) 중에 남아있는 불소를 우라늄 플루오라이드로서 상기 대부분의 우라늄 생성물로부터 쉽게 휘발시키고 재생시킬 수 있다. 우라늄이 액체로서 수거되는 경우, 분리를 편의상 동일 반응계에서 수행할 수도 있다. 휘발된 UF는 주로 UF6로 전환될 것이며, 이는 재생될 수 있다.
기체발생을 차단시킴으로써 상기 액체로부터 방출되는 불소를 수거하기 위한 설비가 제공될 수도 있다.
시간 당 12 ㎏의 우라늄 공급물에 대해서, 5.7 ㎏/시간의 불소 공급물이 발생한다. 이러한 불소 중에서, 3.6 ㎏/시간이 대역 1로부터 펌핑되고; 1.3 ㎏/시간은 대역 2로부터; 0.5 ㎏/시간은 대역 3으로부터 펌핑되고; 0.3 ㎏/시간은 우라늄 생성물 스트림(326) 중에 남아있는다. 상기 생성물로부터의 UF6및/또는 UF4로서의 불소 기체 발생을 차단시킨 결과 매우 순수한 우라늄 생성물, 즉 ppm 범위의 불소 함량을 갖는 생성물이 생성된다.
우라늄 농축 단계
235U의 부분을 증가시키기 위한 우라늄 농축을 다양한 기법들을 통해 수행할수 있다. 예를 들어, 도 1의 직접적인 불소화 단계(2)에 의해 생성된 UF6를 단계(10)에서 상기 공정으로부터 제거하고 통합적인 농축 공정 및/또는 수송에 따른 먼 위치에서의 농축 공정에 공급할 수 있다. 상기 농축 공정은 기체 원심분리 및/또는 기상 확산 분리 및/또는 열 확산 의거 분리를 기본으로 할 수 있다.
그러나, 선광기 단계(4)를 나오는 우라늄을 후속적인 농축 단계에 생성물 스트림(20)으로서 직접 공급하는 것이 바람직하다.
원자 증기 레이저 동위 원소 분리(AVLIS)는 특히 바람직한 형태의 농축을 제공한다. 본 발명에 사용하기 적합하게 만들어진 AVLIS 유형 농축기가 도 7에 예시된다. 상기 농축기(70)는 공급물 스트림을 통로(74)를 따라 도입시키는 용기(72)로 이루진다. 상기 용기(72)는 펌프(76)에 의해 저압, 일반적으로는 10-6토르 미만으로 배기된다.
농축기(70)가 도 1 또는 3에 예시된 바와 같이 선광기(4) 다음에 있는 경우, 공급물은 일반적으로 원자 증기 형태의 우라늄 금속이다.
농축기(70)가 도 4에 예시된 바와 같이 직접적인 불소화 단계(44)에 선행하는 경우, 공급물은 선행 단계(예를 들어 상기 언급한 유형의 선광기)로부터의 원자 증기이거나, 또는 상기 농축기에 공급물을 원자 증기 형태로 전환시키는 능력이 제공되어 있을 수도 있다. 이러한 설비(도시 안됨)는 유도 가열 및/또는 저항 가열 및/또는 전자 광선 적용에 의해 제공될 수 있다.
공급 스트림(78)이 일단 용기(72)내에 도입되면, 상기는 용기(72) 중의창(82)을 통해 레이저로부터 도입되는 레이저 방사선(80)과 접촉한다. 상기 방사선의 주파수 또는 주파수들을, 상기가 한 셋트의 동위 원소(다른 셋트의 동위 원소들은 아님)를 광이온화시키도록 조심스럽게 선택한다. 우라늄의 경우에, 주파수를 일반적으로는238U가 아닌235U를 여기시키도록 선택한다.
이온들은 일단 이온화된 형태로 전환되면 집전 판(84)으로 정전기적으로 끌어당겨진다. 수거된 농축된 물질들을 상기 집전 판(84)으로부터 주기적으로 또는 연속적으로 제거할 수 있다. 비 이온화된 형태들은 상기 하전된 판(84)으로 끌어당겨지지 않으며 따라서 계속해서 별도의 수거기(86)로 진행한다.
판(84)에 수거된 농축된 물질들은 통상적으로 다른 성분들, 예를 들어 철 및 철 산화물도 또한 함유하며 이들은 도 4와 관련하여 상기 논의된 바와 같이 휘발성을 기준으로 제거된다. 유사한 분리 기법을 사용하여 수거기(86)에 의해 수거된 고갈된 물질로부터 불순물을 제거할 수 있다.

Claims (25)

  1. 우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 단계로, 상기 불소가 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하는 단계;
    상기 우라늄 플루오라이드를 선광기(separator) 단계에 공급하는 단계로, 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 플루오라이드를 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 불소의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 이온화된 부분은 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 제 2 생성물 스트림을 불소 기체 및 우라늄 함유 물질 접촉 단계로 재순환시키는 단계
    를 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 처리 방법.
  2. 우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 단계로, 상기 불소가 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하는 단계;
    불소 함유 물질을 선광기 단계에 공급함으로써 불소 기체를 생성시키는 단계로, 상기 선광기 단계는 상기 불소 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키며, 이때 상기 공급물의 비-불소 부분의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 불소 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 이온화된 부분은 자기장에수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 제 2 생성물 스트림을 불소 기체 및 우라늄 함유 물질 접촉 단계로 공급하는 단계
    를 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 불소화 방법.
  3. 우라늄 함유 물질을 선광기 단계에 도입시키는 단계로, 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 비-우라늄 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 이온화된 부분은 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 제 1 생성물 스트림을 농축 단계로 공급하는 단계로, 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 제 1 생성물 스트림에 공급하며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 제 1 생성물 스트림의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 선택적으로 이온화된 성분들은 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리되어 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성하는 단계
    를 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 농축 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    우라늄 함유 공급 물질이 우라늄 광석인 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    우라늄 함유 공급 물질이 우라늄 및/또는 우라늄의 재가공으로부터의 우라늄 옥사이드 및/또는 핵 연료 주기에 이미 사용된 우라늄 함유 물질인 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 우라늄 플루오라이드 형태를 공정으로부터 제거하는 물질 제거 단계를 선광기 단계에 앞서 제공하는 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 생성물 스트림이 우라늄 금속을 포함하는 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 생성물 스트림이 원소 형태의 우라늄 및/또는 플루토늄 및/또는 핵분열 산물을 포함하는 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 생성물 스트림에 불소가 우세한 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 생성물 스트림을 불소/우라늄 함유 물질 접촉 단계에 공급하기 전에 가공하고, 이때 상기 가공이 다른 종들을 제거하기 위해서 상기 불소를 세척함을 포함하는 방법.
  11. 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    불소 함유 물질이 우라늄 플루오라이드이고, 바람직하게는 우라늄 헥사플루오라이드인 방법.
  12. 제 2 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 2 생성물 스트림이 제 2 항에 따른 방법에 제공된 선광기로부터 재생되는 불소를 보충하는 방법.
  13. 제 3 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    우라늄 함유 공급 물질이 하나 이상의 우라늄 플루오라이드 및 특히 우라늄 헥사플루오라이드인 방법.
  14. 제 3 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 생성물 스트림을 농축 단계에 공급하기 전에 중화시키는 방법.
  15. 제 3 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적용된 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를238U 함유 성분보다는235U 함유 성분을 우선적으로 이온화시키도록 선택하는 방법.
  16. 제 3 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 3 생성물 스트림을 수거 위치로 정전기적으로 끌어당김으로써 제 4 생성물 스트림으로부터 분리시키는 방법.
  17. 제 3 항 및 제 4 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    제 1 생성물 스트림에 비해 제 3 생성물 스트림에235U를 증대시키는 방법.
  18. 우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 제 1 유닛(여기에서 불소는 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공한다);
    상기 우라늄 플루오라이드가 공급되는 선광기 단계를 형성하는 제 2 유닛(여기에서 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 플루오라이드를 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키기 위한 플라즈마 및/또는 이온 발생기를 포함하며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 불소의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 선광기 단계는 또한 상기 이온화된 부분을 함유하고 제 1 생성물 스트림을 형성하기위한 자기장을 형성시키기 위한 자기장 발생 수단을 포함하며, 상기 선광기 단계는 더욱 또한 상기 비-이온화된 부분을 상기 자기장으로부터 제거하기 위한 수단을 포함하고, 이때 상기 비 이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성한다)를 포함하고;
    상기 제 2 생성물 스트림이 불소 기체와 우라늄 함유 물질이 접촉되는 제 1 유닛으로 재순환되는
    우라늄 함유 공급 물질의 처리 장치.
  19. 우라늄 함유 물질을 불소 기체와 접촉시키는 제 1 유닛(여기에서 불소는 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공한다);
    선광기 단계를 형성하는 제 2 유닛(여기에서 불소 함유 물질을 선광기 단계에 공급함으로써 불소 기체가 상기 선광기 단계에서 생성되며, 상기 선광기 단계는 상기 불소 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키기 위한 플라즈마 및/또는 이온 발생기를 포함하며, 이때 상기 공급물의 비 불소 부분의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 불소 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 선광기 단계는 또한 자기장 발생 수단을 포함하고, 이때 상기 이온화된 부분은 상기 자기장 발생 수단에 의해 생성된 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하며, 상기 선광기 단계는 더욱 또한 상기 자기장으로부터 비 이온화된 부분을 제거하는 수단을 포함하고, 이때 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성한다)를 포함하고;
    상기 제 2 생성물 스트림이 불소 기체와 우라늄 함유 물질이 접촉되는 제 1 유닛으로 공급되는
    우라늄 함유 공급 물질의 불소화 장치.
  20. 우라늄 함유 물질이 도입되는 선광기 단계를 형성하는 제 1 유닛(여기에서 상기 선광기 단계는 상기 우라늄 함유 물질을 플라즈마 및/또는 이온화된 형태로 전환시키기 위한 플라즈마 및/또는 이온 발생기를 포함하며, 이때 상기 우라늄의 적어도 일부는 이온화되고 상기 공급물의 비 우라늄 부분의 적어도 일부는 비-이온화되며, 상기 선광기 단계는 또한 자기장을 발생시키기 위한 자기장 발생 수단을 포함하고, 이때 상기 이온화된 부분은 상기 자기장에 수용되어 제 1 생성물 스트림을 형성하고, 상기 선광기 단계는 더욱 또한 상기 자기장으로부터 비 이온화된 부분을 제거하는 수단을 포함하며, 이때 상기 비-이온화된 부분은 상기 자기장으로부터 회수되어 제 2 생성물 스트림을 형성한다);
    제 1 생성물 스트림이 공급되는 농축 단계를 형성하는 제 2 유닛(여기에서 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 제 1 생성물 스트림에 공급하기 위해서 전자기 방사선의 공급원, 바람직하게는 레이저를 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 제 1 생성물 스트림의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 농축 단계는 또한 선택적으로 이온화된 성분들을 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리시켜 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성시키는 수단을 포함한다)
    를 포함하는 우라늄 함유 공급 물질의 농축 장치.
  21. 우라늄 함유 물질을 농축 단계에 공급하는 단계로, 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 공급물에 적용시키며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 공급물의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 이때 상기 선택적으로 이온화된 성분들은 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리되어 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성하는 단계;
    상기 생성물 스트림들 중 하나 또는 모두를 불소화 단계에 공급하는 단계로, 상기 불소화 단계에서는 생성물 스트림 중의 우라늄 함유 물질이 불소 기체와 접촉되고, 상기 불소는 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공하는 단계;
    상기 생성물 스트림의 불소화된 우라늄 및 다른 성분들을 분리 단계에 공급하는 단계로, 상기 분리 단계에서 상기 우라늄 플루오라이드는, 제 6 생성물 스트림을 형성하는 생성물 스트림의 하나 이상의 다른 성분들과 분리되어 제 5 생성물 스트림을 제공하는 단계
    를 포함하는 우라늄 함유 물질의 정제 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    농축 단계에 공급되는 우라늄 함유 물질이 기체 및/또는 증기 형태 및 비 이온화된 형태의 원자 우라늄인 방법.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    생성물 스트림의 다른 성분들이 철과 같은 하나 이상의 다른 금속인 방법.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    우라늄 플루오라이드를 휘발성의 차이를 기준으로, 또한 플루오라이드 형태인 하나 이상의 다른 불순물들로부터 분리시키는 방법.
  25. 우라늄 함유 물질이 공급되는 농축 단계를 형성하는 제 1 유닛(여기에서 상기 농축 단계는 전자기 방사선의 하나 이상의 주파수를 상기 공급물에 적용시키기 위한 전자기 방사선의 공급원, 바람직하게는 레이저를 포함하며, 이때 상기 하나 이상의 주파수는 상기 공급물의 하나 이상의 성분들을 선택적으로 이온화시키도록 선택되며, 상기 농축 단계는 또한 상기 선택적으로 이온화된 성분들을 선택적으로 이온화되지 않은 성분들과 분리시켜 각각 제 3 및 제 4 생성물 스트림을 형성시키는 수단을 포함한다);
    상기 생성물 스트림들 중 하나 또는 모두가 공급되는 불소화 단계를 형성하는 제 2 유닛(여기에서 상기 생성물 스트림들 중의 우라늄 함유 물질은 불소 기체와 접촉되고, 상기 불소는 상기 우라늄 함유 물질과 반응하여 우라늄 플루오라이드를 제공한다);
    분리 단계를 형성하는 제 3 유닛(여기에서 상기 생성물 스트림의 불소화된 우라늄및 다른 성분들은 분리 단계로 공급되고, 이 단계에서 상기 우라늄 플루오라이드는, 제 6 생성물 스트림을 형성하는 생성물 스트림의 하나 이상의 다른 성분들과 분리되어 제 5 생성물 스트림을 제공한다)
    를 포함하는 우라늄 함유 물질의 정제 장치.
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