TWI803178B

TWI803178B - 用作核燃料之具有複合同位素載體之材料的處理系統及方法

Info

Publication number: TWI803178B
Application number: TW111104363A
Authority: TW
Inventors: 大衛Ｌ史塔克
Original assignee: 美商西屋電器公司
Priority date: 2021-02-02
Filing date: 2022-02-07
Publication date: 2023-05-21
Also published as: US20220244200A1; WO2022170322A1; TW202303635A; KR20230142535A; EP4288979A1

Abstract

本文中揭示一種處理核材料以用作核反應堆中之核燃料之方法。該核材料包括一複合同位素載體，該複合同位素載體包括複數個同位素，該複數個同位素包括一靶向同位素及一非靶向同位素。該方法可包括：至少部分地基於該靶向同位素判定電磁輻射之一波長；朝向該核材料發射包括經判定波長之一電磁輻射波束；經由經發射電磁輻射波束將該核材料分離成一第一流及一第二流；經由該經發射電磁輻射波束將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；及經由對該經判定波長之一敏感度將該靶向同位素之經富集濃度配置於該核材料之該第一流；及經由缺乏對該經判定波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之該第二流。

Description

用作核燃料之具有複合同位素載體之材料的處理系統及方法

本揭示大體上係關於核發電，且更特定言之，係有關用於處理用過核燃料之改良的系統及方法，其包括所需同位素之富集及非所需同位素之擦洗(耗盡)。

提供以下發明內容以促進對本文中所揭示之態樣所獨有之一些創新特徵之理解，且並不意欲作為完整描述。可藉由將整個說明書、申請專利範圍及摘要作為整體來獲得對各種態樣之全面瞭解。

在各種態樣中，揭示一種處理核材料以用作核反應堆中之核燃料之方法。該核材料可包括一複合同位素載體，該複合同位素載體包括複數個同位素，該複數個同位素包括一靶向同位素及一非靶向同位素。該方法可包括：至少部分地基於該靶向同位素判定電磁輻射之一波長；朝向該核材料發射包括經判定波長之一電磁輻射波束；經由經發射電磁輻射波束將該核材料分離成一第一流及一第二流；經由該經發射電磁輻射波束將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；及經由對該經判定波長之一敏感度將該靶向同位素之經富集濃度配置於該核材料之該第一流；及經由缺乏對該經判定波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之該第二流。

在各種態樣中，揭示一種系統為經組態以處理核材料以用作核反應堆中之核燃料。該核材料包含一複合同位素載體，該複合同位素載體包含一靶向同位素及一非靶向同位素。該系統可包括：一發射器，其經組態以在該核材料處發射一電磁輻射波束；及一控制電路，其經組態以與該發射器進行信號通信，其中該控制電路經組態以：接收包含電磁輻射之一波長之一輸入，其中該波長至少部分地基於該靶向同位素經判定；及使得該發射器朝向該核材料發射包含電磁輻射之該波長的一波束；其中在與該核材料相互作用之後，電磁輻射之該波長經組態以：將該核材料分離成一第一流及一第二流；將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；經由對電磁輻射之該波長之一敏感度將該靶向同位素之該經富集濃度配置於該核材料之該第一流；及經由缺乏對電磁輻射之該波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之該第二流。

在各種態樣中，揭示一種處理核材料以用作核反應堆中之核燃料之方法。該核材料可包括一複合同位素載體，該複合同位素載體可包括複數個同位素，其中該複數個同位素可包括一靶向同位素及一非靶向同位素。該方法可包括：朝向該核材料發射包括一波長之一電磁輻射波束；經由該電磁輻射波束將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；經由對該波長之一敏感度將該靶向同位素之該經富集濃度配置於該核材料之一第一流；及經由缺乏對該波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之一第二流。

在參考隨附圖式考慮以下實施方式及所附申請專利範圍之後，本發明之此等及其他目標、特徵及特性，以及結構之相關元件的操作方法及功能以及部件組合及製造經濟性將變得更顯而易見，以下實施方式、所附申請專利範圍及隨附圖式皆形成本說明書之一部分，其中相同參考標號在各圖中指代對應部件。然而，應明確地理解，圖式係僅出於說明及描述之目的，且並不意欲作為本發明之限制的一定義。

100:系統

102:控制電路

104:發射器

106:腔室

108:汽化器

110:核材料

112:產物流

114:尾部流

116:感測器

200:方法

202:氟化

204:判定步驟

206:發射

208:分離

210:富集

212:配置

300:表

302:產物流

304:尾部流

306:產物流

308:尾部流

310:習知方法/習知處理

312:電磁輻射處理

314:複合同位素載體

400:表

402:核材料

404:特性

406:特性

408:益處

本文中所描述之態樣的各種特徵在所附申請專利範圍中細緻闡述。然而，可如下根據結合隨附圖式進行之以下實施方式來理解關於操作之組織及方法連同其優點的各種態樣：圖1繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣的經組態以處理核材料以用作核反應堆中之核燃料的系統之圖；圖2繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣的處理核材料以用作核反應堆中之核燃料的方法；圖3繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣的對比經由圖1之系統及圖2之方法所處理的核材料之產物流及尾部流的內容物；及圖4繪示根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪經由圖1之系統及圖2之方法處理各種核材料的一些益處。

貫穿若干視圖，對應參考字符指示對應部件。本文中所陳述之例證以一種形式說明本發明之各種態樣，且此類例證並不被視為以任何方式限制本發明之範疇。

本申請案根據35 U.S.C.§ 119(e)主張2021年2月2日申請標題為「(用作核燃料之具有複合同位素載體之材料的處理系統及方法)SYSTEMS AND METHODS FOR PROCESSING MATERIALS WITH COMPLEX ISOTOPE VECTORS FOR USE AS A NUCLEAR FUEL」之美國專利申請案序號17/165,726的權益及優先權，其內容特此以全文引用之方式併入本文中。

闡述大量特定細節以提供對如本發明中所描述且隨附圖式中所說明之態樣的整體結構、功能、製造及使用的徹底理解。尚未詳細地描述熟知操作、組件及元件以免混淆本說明書中所描述之態樣。讀者將理解，本文中所描述及說明之態樣為非限制性實例，且因此可瞭解，本文中所揭示之特定結構及功能細節可為代表性及說明性的。可在不脫離申請專利範圍之範疇的情況下對其進行變化及改變。此外，應理解，諸如「向前」、「向後」、「左」、「右」、「向上」、「向下」及類似者之術語為方便用語，且不應被解釋為限制性術語。此外，應理解，諸如「向前」、「向後」、「左」、「右」、「向上」、「向下」及類似者之術語為方便用語，且不應被解釋為限制性術語。

在以下描述中，貫穿圖式之若干視圖，相同參考字符指代相同或對應部件。同樣，在以下描述中，應理解，諸如「向前」、「向後」、「左」、「右」、「向上」、「向下」及類似者之術語為方便用語，且不應被解釋為限制性術語。

在詳細解釋鉸接式操控器之各種態樣之前，應注意，說明性實例在應用或使用上不限於隨附圖式及描述中所揭示之細節。應瞭解，說明性實施例可實施或併入於其他態樣、變化及修改中，且可以各種方式實踐或進行。此外，除非另外指示，否則本文中所採用之術語及表述已出於為了方便讀者而描述說明性實例之目的且並非出於其限制之目的來進行選擇。特定言之，應瞭解，特定核燃料(例如，鈾)及其同位素(例如，²³⁵U)之任何論述僅為說明性的，且可應用於任何吾等核燃料源(例如，鈽、釷、錼、鋂、鋦及錒系群組元素之其他可裂變成員)及其同位素。如本文中所使用，「次錒系元素」應解釋為包括較少常見核燃料，包括除本文中特定引用之彼等以外之任何錒系元素。另外，本文中所論述之核燃料可實施用於不同設計之反應堆，包括但不限於MAGNOX(鎂諾克斯反應爐)、CANDU(加拿大重水鈾反應爐)、輕水反應堆(LWR)、先進氣冷(AGR)、高功率通道型反應堆(RBMK)、以低富集鈾(LEU)為燃料及/或以高富集鈾(HEU)為燃料的設計。本揭示適用於任何核材料，包括複合同位素載體。同樣，應瞭解，下文所描述之態樣、態樣之表述及/或實例中之一或多者可與其他下文所描述之態樣、態樣之表述及/或實例中之任何一或多者組合。

核材料由以下元素組成，該等元素由質子數目或諸如鈾(Z=92)及鈽(Z=94)之「Z」數目判定。元素通常相對容易藉由化學手段分離。元素(常數Z)亦由同位素之集合組成，或「A」數之範圍由中子之變化數目產生，該等中子給出近似原子質量，諸如作為鈾之主要裂變同位素之鈾235(²³⁵U)的235。在此實例中，²³⁵U同位素具有235(「A」數)-92(「Z」數)=143個中子，而鈾238具有238-92=146個中子。對於每一元素，個別同位素之分析指示核材料之來源及反應堆內之組合時間及中子曝露。在自然界中，鈾經發現為鈾同位素²³⁸U(99.2739%至99.2752%)、²³⁵U(0.7198%至0.7202%)及²³⁴U(0.0050%至0.0059%)。從實際應用來看，天然鈾同位素載體為重及輕同位素之二元差異。此情況與通常含有可量測濃度之鈾同位素²³²U、²³³U、²³⁴U、²³⁵U、²³⁶U及²³⁸U的再處理鈾同位素載體形成對比。

本揭示係有關用作核燃料之核材料的處理系統及方法。如本文中所使用，術語「處理」應解釋為最低限度包括富集所需同位素及移除用過核材料內之非所需同位素。

核材料可包括複合同位素載體，該複合同位素載體包括複數個偶數編號之可育同位素及通常較少的奇數編號之同位素。該方法包括至少部分地基於所需的通常是基於較高裂變概率之奇數編號同位素來判定電磁輻射之波長；朝向製程進料核材料流發射包括經判定波長之此電磁輻射波束；經由所發射電磁輻射波束將複合同位素異構體分離成產物或尾部之兩個路徑中之一者。經由所發射電磁輻射波束富集於靶向奇數同位素中之產物流、奇數編號同位素之濃度至預定濃度及不受所發射電磁輻射波束影響之進料流的平衡經掃除至尾部(耗盡)流中。

用於核反應堆之習知燃料(例如鈾、鈽、釷等)通常需要特定濃度之所需同位素(例如，奇數編號同位素，諸如²³⁵U)。通常應理解，天然礦石不含有足夠濃度之所需同位素以適用作核燃料。舉例而言，發現於天然鈾礦石中之²³⁵U的濃度可相對較低(例如，約0.7%)-顯著地小於用於大部分核反應堆中所需之濃度(例如，大於或等於3%但小於或等於10%)。同樣地，用過核材料-或最初經處理及隨後用作核燃料之天然礦石-不再含有充足濃度之所需同位素以供再用作核燃料。因而，天然材料及用過核材料兩者必須經由富集方法處理，其中所需同位素之濃度根據預期應用增加至預定水準。舉例而言，為了用作LWR中之燃料，濃度必須足以支援所需分裂反應，其中靶向同位素之核裂變且產生熱及足夠中子之組合來維持鏈式反應。可利用熱產生電，且中子可維持且控制反應。

已將大量資源投入開發用於富集用過核材料之系統及方法中。儘管已知方法-諸如氣體擴散及離心分離-能夠增加所需同位素之濃度，但其亦增加非所需同位素之濃度，因為使用此等製程之富集係基於同位素異構體之間的質量差異。舉例而言，在鈾之情況下，由於質量差異引起的分離具有將U-238分離至尾部流且將所有其他同位素分離至產物流的作用。非所需同位素滲入由此類習知方法產生之產物流，該等方法在鈾之情況下導致由²³²U衰變產物引起的高輻射場，該等衰變產物需要在單獨燃料製造設施或含有高²³⁶U之產物處進行昂貴後處理，該等高²³⁶U產生高寄生燃料，其需要額外²³⁵U富集以補償使用具有高濃度²³⁶U之燃料的寄生性質。因此，廣泛地承認，相較於自天然礦石產生核燃料，富集用過核材料(諸如，再循環鈾)更昂貴且更低效，因為避免鈾礦石購買之節省不足以補償在富集過程與所有現有技術過程一樣以質量差異為基礎時所需之更高的轉化、富集及製造成本。缺乏用於將再循環材料返回至燃料循環中之正面商業情況已導致過剩的用過核燃料，因為再循環比使用新開採鈾更昂貴。

此等不足對於前述系統及方法為固有的，因為其依賴於基於質量差異之富集手段。舉例而言，離心分離使用工作氣體(例如，六氟化鈾等)以增加基於已使用鈾之燃料的產物流內之²³⁵U之所需濃度。不幸地，當工作氣體內各向同性質量之差異暴露於並非由天然產生之基本上二元同位素載體(例如，²³⁵U及²³⁸U)組成的進料流時，附帶地增加用過核燃料內之輕量化非所需同位素之濃度。出於本文中之目的，術語「複合」同位素載體應解釋為包括任何包括三個或更多個同位素之同位素載體。換言之，「複合」同位素載體為非二元的任何同位素載體。當富集用過核燃料時，始終牽涉此類進料流，因此通常經由已知系統及方法認為前述問題為不可避免的。

即使已使用HEU-²³⁵UF₆已富集至接近最大水準之優質燃料-可包括具有非所需同位素(例如，²³²UF₆、²³⁴UF₆及²³⁶UF₆)之各向同性陣列，該等非所需同位素在同位素異構體之間的質量小到一個原子質量單位(AMU)，使得藉由質量差異富集方法區分同位素基本上不可能。因此，大量濃度之²³²UF₆或²³⁶UF₆將進入產物流，導致來自²³²U子體之高輻射場，其使後續燃料製造處理及來自²³⁶U之高寄生吸收複雜化，從而需要增加²³⁵U富集之額外成本。因而，需要用於處理核材料以用作核燃料之改良的系統及方法。特定言之，需要不在基於質量差異之手段上操作且因此能夠富集所需同位素之濃度，同時控制非所需同位素之濃度的系統及方法。

現參考圖1，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪經組態以處理核材料以用作核反應堆中之核燃料的系統100之圖式。根據圖1之非限制性態樣，系統100可包括控制電路102、經組態以發射電磁輻射波束之發射器104、腔室106、汽化器108、核材料110及感測器116。控制電路102可通信地耦接至發射器104，且可經組態以接收指令且根據彼等所接收指令控制發射器104。舉例而言，控制電路102可包括任何處理器或基於邏輯之控制器。根據一些非限制性態樣，控制電路102可通信地耦接至介面，該介面經組態以接收呈使用者輸入形式之指令。然而，根據其他非限制性態樣，控制電路102可通信地耦接至儲存有指令之記憶體。就此而言，控制電路102可靈活地經組態以根據即時及/或預定指令控制發射器104。

進一步參考圖1，系統100可進一步包括經組態以發射電磁輻射波束之發射器104。根據圖1之非限制性態樣，發射器104可經組態以發射包括所需波長範圍之電磁輻射波束，該等波長諸如大於或等於5微米(μm)且小於或等於20μm之波長。因此，圖1之發射器104可為雷射。然而，應瞭解，本揭示預期其中發射器可發射包括任何範圍之波長的電磁輻射波束的其他非限制性態樣。另外及/或替代地，圖1之發射器104可為可調諧的，意謂其發射之電磁輻射波束之波長可根據其自控制電路102接收之指令來調整。值得注意地，發射器104可經組態以發射電磁輻射波束，該電磁輻射波束包括經組態以激發所需同位素而不激發非所需同位素之所需波長。如將論述，組態發射器104用於特定波長可促進靶向分離及富集。此外，儘管圖1之系統描繪在腔室106外部且與其分離之發射器104，應瞭解，根據其他非限制性態樣，發射器104可定位於腔室106內。因此，僅需定位發射器104使得其可通信地耦接至控制電路102且可在核材料110處發射電磁輻射波束。

仍參考圖1，系統100可包括經組態以含有待處理之核材料110之腔室106以及汽化器108。如將參考圖4所論述，核材料可包括先前用作核燃料之任何用過核材料。舉例而言，核材料110可包括天然材料(例如，鈾、鈽、釷)、來自天然材料之耗盡尾料、來自石墨緩和反應堆之LEU燃料、來自LWR之LEU燃料、來自測試反應堆及/或緩和LWR之IEU燃料、來自快譜反應堆之IEU燃料及/或來自海軍推進反應堆之HEU燃料等。因此，核材料110僅需要包括複合同位素載體，如用過核燃料之典型的複合同位素載體。

進一步參考圖1，系統100可進一步包括汽化器108，其可經組態以氟化待富集且藉由發射器104分離之核材料110之進料流。根據圖1之非限制性態樣，汽化器108可包括能夠促進核材料110自液相或固相轉化為氣相，藉此留下非揮發性殘餘物之任何裝置。另外及/或替代地，汽化器108可經組態以氟化耗盡廢棄物，諸如核材料110及/或其副產物中之任一者。根據一些非限制性態樣，汽化器108可經組態以產生經汽化核材料110之天然對流，藉此消除對包括於系統100中之額外泵的需要。無論如何，圖1之汽化器108可過濾裂變產物及錒系元素之用過核材料，藉此產生純化進料流(例如，UF₆)，其可暴露於電磁輻射波束以用於後續富集及分離。

根據圖1之非限制性態樣，核材料110可在暴露於包括靶向波長之電磁輻射波束之後分離成產物流112及尾部流114。因為發射器104可經組態以發射包括所需波長之電磁輻射波束，所以自汽化器108所接收之核材料110之進料流及其同位素及/或同位素異構體可經選擇性地激發。換言之，發射器104可特定地經組態以發射電磁輻射波束，該電磁輻射波束包括將激發所需同位素而不激發非所需同位素之特定波長。因此，將所需同位素分離成產物流112，而將非所需同位素歸入至核材料110之尾部流114。因此，產物流可根據圖2之方法200特定地經組態以包括所需同位素。

仍參考圖1，系統100可進一步包括感測器116，其經組態以監測腔室106、核材料110及/或富集與分離過程在執行時的特性。感測器可因此取決於使用者偏好及/或預期應用而包括任何同位素識別符、輻射偵測器及/或攝影機。因此，感測器116可通信地連接至腔室106，且可搜集隨後發送至控制電路102之資訊。因而，控制電路102可採取確保產物流112及尾部流114適當經組態所必需之任何校正措施。舉例而言，根據一些非限制性態樣，感測器116可包括輻射偵測器。若輻射偵測器偵測到由產物流112產生之過強輻射場，則控制電路102可判定發射器104需要經重組態以發射包括不同波長之輻射波束。換言之，感測器116可幫助控制電路102調諧發射器104以改良所得產物流112，藉此進一步減少對於後續處理及/或製造之需要。

現參考圖2，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪處理核材料以用作核反應堆中之核燃料的方法200。舉例而言，圖2之方法200可用於處理用過核燃料，其包括但不限於基於鈾或鈽之材料，其作為用作核燃料之材料之殘餘副產物存在。如先前所論述，核材料可包括所需同位素及非所需同位素兩者。

如本文中所使用，術語「非所需」應解釋為表示具有不利於所得核燃料之所需特性的特性之任何同位素。舉例而言，取決於使用者偏好或預期應用，可能需要核燃料具有一或多個奇數編號同位素(例如²³⁵U)，且可能不需要核燃料具有一或多個偶數編號同位素(例如²³²U、²³⁴U、²³⁶U、²³⁸U)。偶數編號同位素自經富集原料中處理可能非常昂貴，且因此較佳地絕不允許其進入產物流。舉例而言，²³²U可能由於其導致極高伽馬輻射之衰變子體²⁰⁸Tl而為一種放射性危害，當²³²U高於以十億分率(ppb)量測之濃度時，其需要遠程製造。同樣地，²³⁴U可在富集後製造期間提供顯著的輻射曝光源，且可由於其較高α-粒子活性而引起額外曝光。最後，²³⁶U可由於²³⁵U之裂變反應失敗而大量存在(例如，²³⁶U可為²³⁵U裂變速率之~20%)，且在經輻照時具有顯著寄生吸收。因此，圖2之方法200可用於將非所需同位素，諸如²³²U、²³⁴U及/或²³⁶U導向至所得產物之尾部流，從而基本上分隔產物流中之所需同位素，諸如²³⁵U。因而，方法200可用於增強產物流以用於再用作核燃料。

應瞭解，前述核材料及同位素僅出於說明性目的而呈現。因此，圖2之方法200可用於處理具有所需及非所需同位素之組合物之任何核材料。

因此，技術員可使用方法200以富集用過核材料之所需同位素，同時將核材料之非所需同位素歸入所得副產物之尾部流。方法200可包括氟化202用過的核材料，如大多數習知方法通常所需。因而，較佳地在已使用核材料已藉由預處理之初步手段自裂變產物及錒系元素過濾之後，可實施對耗盡廢棄產物進行氟化之任何已知方法及/或手段以氟化202用過的材料。舉例而言，氟化可經由以下化學反應實現：UO ₂+4HF→UF ₄+2H ₂ O

UF ₄+F ₂→UF ₆另外及/或替代地，氟化202的步驟可包括以下化學反應：U _金屬+2CIF ₃→UF ₆+Cl ₂換言之，氟化202的步驟可產生用於富集之經純化流(例如UF₆)，其包括所需同位素異構體(例如，²³⁵UF₆)，以用於後續分離208、富集210及配置212。應注意，圖1之前述汽化器108可用於執行圖2之氟化202的步驟。儘管處理用過核材料之許多已知方法及/或手段包括對耗盡廢棄產物進行氟化，但應瞭解，氟化步驟並非始終為達成本文中所揭示之益處所需的。因而，根據一些非限制性態樣，方法200不包括氟化202的步驟，且因此在尚未氟化之用過核材料上實施。

根據圖2之非限制性態樣，方法200可進一步包括判定電磁輻射之波長204。判定步驟204可至少部分地基於所需同位素及/或同位素異構體之識別。舉例而言，波長可經判定以特定地靶向來自用過核材料之同位素載體之奇數編號之同位素異構體(例如，²³⁵UF₆)。出於分離之目的，同位素幾乎為相同的，除其另外稱為「同位素移位」之原子躍遷的對應波長以外。在步驟204處，方法200利用此移位，使得判定特定波長以自用過核材料之複合同位素載體靶向且激發同位素的選擇，而其他同位素保持不受影響。換言之，步驟204可經實施以特定地調諧發射器104(圖1)，例如雷射，使得其可自用過核材料靶向、激發及分離所需同位素。當然，在判定波長時可考慮其他因素，包括所需同位素之初始富集、燃料輻照時間及/或中子通量水平及能譜。

仍參考圖2，在氟化202及判定波長204之後，核材料可呈現為待由發射器104(圖1)，諸如雷射輻照之進料流。圖2之方法200接著需要發射包括在步驟204處經判定之波長的電磁輻射波束206。因為發射206包括至少部分地基於用過核材料之所需同位素經判定204的波長，所以發射可引起靶向同位素之後續激發。然而，不同於處理用過核材料之習知手段，複合同位素載體之其餘部分保持未激發的。因此，圖2之方法200可進一步包括將核材料分離208成尾部流及產物流，其可由發射電磁輻射206所引起之隨後激發引起。

當暴露於經判定波長時，所需同位素可開始富集210-亦即，濃度增加-至基於使用者偏好及/或預期應用而預定之程度。換言之，濃度可為預定的，使得經處理核材料在重實施為核反應堆中之核燃料時將產生特定裂變反應。根據一些非限制性態樣，基於雷射之富集過程可針對進料流(例如，UF₆)之同位素異構體(例如，²³⁵UF₆)激發且由此產生。最後，激發所需同位素可使得將所需同位素之預定濃度配置於產物流中212，將複合同位素載體之非所需同位素歸入尾部流。因此，圖2之方法200可產生與獨立於靶向同位素之質量及同位素載體中其他同位素之質量的離散尾部流分離之離散產物流，其中產物流包括預定濃度之經富集所需同位素以供再使用，且尾部流包括複合同位素載體之未經富集(若未降低)濃度之非所需同位素。換言之，圖2之方法200可產生可有效地製造成再循環核燃料之產物流，其免除了習知方法及系統所需之昂貴及低效的後處理過程。

應瞭解，圖2之方法200可包括無數益處。舉例而言，暴露於所發射波束可將所需同位素富集至預定濃度。另外，暴露於經發射波束可擦洗來自用過核材料之非所需同位素-或降低其濃度。此擦洗可為有益的，因為非所需同位素-諸如²³²U且由此其子體產物²⁰⁸Tl-其具有多種高能伽馬(例如，250萬電子伏特或MeV)，其導致強烈輻射或寄生於輻照，且因此，可能需要增加濃度之所需同位素-諸如²³⁵U-以補償寄生吸收。寄生吸收可進一步在用過燃料廢物流中產生額外長期存活的殘餘同位素(例如，²³⁷Np)。因此，僅降低非所需同位素之濃度就可有益於所得產物流-更不用說同時降低非所需同位素之濃度及增加所需同位素之濃度，如圖2之方法200所提供。因而，圖2之方法200可最終需要比富集用過核材料之習知手段更少的富集，以產生相同量之芯反應燃料。

另外及/或替代地，應瞭解，圖2之方法200可經實施以處理任何用過核材料，包括高度富集之核材料。該方法200可為材料不可知的，假定用過核材料包括複合同位素載體，其中該載體之同位素具有足夠同位素移位。舉例而言，基於HEU之材料通常用作軍事應用，諸如海軍反應堆之昂貴燃料。此類材料處理成HEU較昂貴，該HEU具有相當大的分離工作單位(SWU)值。然而，由於海軍反應堆排放已使用的基於HEU之材料，該等材料具有可經氟化之複合同位素載體，因此圖2之方法200可用於再處理及分離HEU測定以實現奇數編號同位素之所需濃度，同時分隔及/或降低偶數編號同位素之濃度，從而有效地擦洗來自產物流之此等棘手的同位素。因而，圖2之方法200可用於再處理已使用海軍反應堆燃料，同時最佳化殘餘SWU值。

現參考圖3，根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪對經由習知方法310所處理之核材料之產物流302及尾部流304的內容物與經由本文中所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)所處理之核材料之產物流306及尾部流308的內容物進行對比之表300。特定言之，表300展示允許複合同位素載體314之多少同位素經由習知方法及系統310進入產物流302。此係因為習知方法及系統310依賴於同位素之質量差異，其無法有效地區分載體314之所需同位素與非所需同位素。根據圖3之非限制性態樣，產物流302中所需之載體之唯一同位素為²³⁵UF₆。然而，經由習知方法310產生之產物流302具有大量非所需同位素，包括²³²UF₆、²³³UF₆、²³⁴UF₆、²³⁶UF₆及⁹⁹TcF₆，其皆經突出顯示以說明非所需習知產物流302之百分比組成。相反地，根據圖3之非限制性態樣，經由本文中所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)產生的產物流306可僅具有所需同位素，在此情況下為²³⁵UF₆。因而，圖3之表300說明本文中所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)可如何實施以按習知處理310先前不能進行之方式優先分離複合同位素載體314。

現參考圖4，表400根據本揭示之至少一個非限制性態樣描繪列舉經由本文所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)處理各種核材料402之一些益處408。根據圖4之非限制性態樣，每一核材料402可包括各種特性404、404、406，包括其複合同位素載體中之不同同位素404、不同程度之燃耗404及不同裂變含量406。儘管如此，本文中所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)可用於提供無數益處，僅在圖4之表400中描繪其中之一些408。值得注意地，本文中所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)提供對核材料402中之任一者之處理的經濟益處。應瞭解，圖4之表400並不意欲為排他性的，意謂本文中所揭示之系統100(圖1)及方法200(圖2)可取決於使用者偏好及/或預期應用而經實施以處理任何數目個其他核材料。

應瞭解，本文中所揭示之方法及系統可用於分隔複合同位素載體之所需同位素與複合同位素載體之非所需同位素。舉例而言，根據一些非限制性態樣，非所需同位素可不配置於核材料之尾部流。根據其他非限制性態樣，所需同位素可配置於核材料之產物流。因此，如本文中所使用，術語「靶向同位素」應解釋為包括任何同位素-所需或非所需-使用者希望經由電磁輻射及配置於核材料之產物流或尾部流來激發。同樣地，本文中所揭示之方法及系統可用於激發任何靶向同位素且將其配置於核材料之任何所需流-產物或尾部。最後，本文中所揭示之非限制性態樣僅意欲為說明性的。因此，本揭示涵蓋可需要且因此靶向偶數編號同位素及奇數編號同位素兩者之大量態樣。只要特定地選擇波長以靶向、激發及配置一核材料之一同位素，便可採用本文中所揭示之方法及系統。

在以下經編號條項中闡述本文中所描述之主題的各種態樣：

條項1：一種處理核材料以用作核反應堆中之核燃料之方法，其中，該核材料包括一複合同位素載體，該複合同位素載體包括複數個同位素，其中該複數個同位素包括一靶向同位素及一非靶向同位素，該方法包括：至少部分地基於該靶向同位素判定電磁輻射之一波長；朝向該核材料發射包括經判定波長之一電磁輻射波束；經由經發射電磁輻射波束將該核材料分離成一第一流及一第二流；經由該經發射電磁輻射波束將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；及經由對該經判定波長之一敏感度將該靶向同位素之經富集濃度配置於該核材料之該第一流；及經由缺乏對該經判定波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之該第二流。

條項2：如條項1之方法，其中，該第一流為該核材料之一產物流，且其中該第二流為該核材料之一尾部流。

條項3：如條項1或2之方法，其進一步包括氟化該靶向同位素，藉此產生一同位素異構體，且其中將該靶向同位素之該濃度富集至一預定濃度包括經由該經判定波長激發所產生同位素異構體。

條項4：如條項1至3中任一項之方法，其進一步包括：判定該核燃料之一輻射場之一所需量值；及至少部分地基於該核燃料之該輻射場之該所需量值，經由該經發射電磁輻射波束將該非靶向同位素配置於該核材料之該第二流。

條項5：如條項1至4中任一項之方法，其進一步包括判定與該非靶向同位素相關聯之一寄生吸收量，且其中將該靶向同位素之該濃度富集至一預定濃度係至少部分地基於經判定寄生吸收量。

條項6：如條項1至5中任一項之方法，其中該核材料包括一用過核燃料。

條項7：如條項1至6中任一項之方法，其中該用過核燃料包括釷。

條項8：如條項1至7中任一項之方法，其中該靶向同位素包括²³³U。

條項9：如條項1至8中任一項之方法，其中該用過核燃料包括次錒系元素。

條項10：如條項1至9中任一項之方法，其中該用過核燃料包括鈽。

條項11：如條項1至10中任一項之方法，其中該靶向同位素包括²³⁹Pu及²⁴¹Pu中之至少一者。

條項12：如條項1至11中任一項之方法，其中該用過核燃料包括鈾。

條項13：如條項1至12中任一項之方法，其中，該非靶向同位素為複數個非靶向同位素中之一者，其中該複數個非靶向同位素為該複數個同位素之一子集，且其中該複數個非靶向同位素包括²³²U、²³⁴U、²³⁶U及²³⁸U中之至少一者或其組合。

條項14：如條項1至13中任一項之方法，其中該靶向同位素包括²³⁵U。

條項15：一種經組態以處理核材料以用作核反應堆中之核燃料之系統，其中，該核材料包括一複合同位素載體，該複合同位素載體包括一靶向同位素及一非靶向同位素，該系統包括：一發射器，其經組態以在該核材料處發射一電磁輻射波束；及一控制電路，其經組態以與該發射器進行信號通信，其中該控制電路經組態以：接收包括電磁輻射之一波長之一輸入，其中該波長至少部分地基於該靶向同位素經判定；及使得該發射器朝向該核材料發射包括電磁輻射之該波長的一波束；其中在與該核材料相互作用之後，電磁輻射之該波長經組態以：將該核材料分離成一第一流及一第二流；將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；經由對電磁輻射之該波長之一敏感度將該靶向同位素之該經富集濃度配置於該核材料之該第一流；及經由缺乏對電磁輻射之該波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之該第二流。

條項16：如條項15之系統，其中，該發射器進一步經組態以氟化該靶向同位素，藉此產生一同位素異構體，且其中電磁輻射之該波長經組態以藉由激發該所產生同位素異構體來將該靶向同位素之該濃度富集至一預定濃度。

條項17：如條項15或16之系統，其中，該控制電路進一步經組態以接收包括與該非靶向同位素相關聯之一經判定寄生吸收量之一輸入，且其中電磁輻射之該波長經組態以至少部分地基於該經判定寄生吸收量將該靶向同位素之該濃度富集至一預定濃度。

條項18：如條項15至17中任一項之系統，其中該核材料包括一用過核燃料。

條項19：一種處理核材料以用作核反應堆中之核燃料之方法，其中，該核材料包括一複合同位素載體，該複合同位素載體包括複數個同位素，其中該複數個同位素包括一靶向同位素及一非靶向同位素，該方法包括：朝向該核材料發射包括一波長之一電磁輻射波束；經由該電磁輻射波束將該靶向同位素之一濃度富集至一預定濃度；經由對該波長之一敏感度將該靶向同位素之該經富集濃度配置於該核材料之一第一流；及經由缺乏對該波長之敏感度將該非靶向同位素配置於該核材料之一第二流。

條項20：如條項19之方法，其進一步包括氟化該靶向同位素，藉此產生一同位素異構體，且其中將該靶向同位素之該濃度富集至一預定濃度包括經由該經發射電磁輻射波束激發該所產生同位素異構體。

本文中所提及的所有專利、專利申請案、公開案或其他揭示材料皆特此以全文引用之方式併入，如同每一個別參考文獻分別以引用方式明確地併入一般。據稱以引用之方式併入本文中之所有參考文獻及其任何材料或其部分僅在併入之材料不與本發明中所闡述之現有定義、陳述或其他揭示材料矛盾之程度上併入本文中。因而，且在必要程度上，如本文中所闡述之揭示內容取代以引用方式併入本文中之任何矛盾之材料及在本申請案對照中明確闡述之揭示內容。

已參考各種例示性及說明性態樣描述本發明。本文中所描述之態樣將理解為提供本發明之各種態樣之不同細節之說明性特徵；且因此，除非另外指定，否則應理解，在可能之情況下，所揭示之態樣之一或多個特徵、元件、組件、組分、成分、結構、模組及/或態樣可與或相對於所揭示之態樣之一或多個其他特徵、元件、組件、組分、成分、結構、模組及/或態樣組合、分離、互換及/或重新配置，而不脫離本發明之範疇。因此，一般熟悉本技藝者將認識到，可在不脫離本發明之明範疇之情況下進行例示性態樣中之任一者的各種替代、修改或組合。另外，熟悉本技藝者將認識到或能夠在審閱本說明書後僅使用常規實驗確定本文中所描述之本發明之各種態樣的許多等效物。因此，本發明不受各種態樣之描述限制，而是受申請專利範圍限制。

熟悉本技藝者將認識到，一般而言，本文中且尤其在所附申請專利範圍中所使用之術語(例如，所附申請專利範圍之主體)一般意欲作為「開放式(open)」術語(例如，術語「包括(including)」應解譯為「包括但不限於」，術語「具有(having)」應解譯為「至少具有」，術語「包括(includes)」應解譯為「包括但不限於」等)。熟悉本技藝者應進一步理解，若期望特定數目之所引入申請專利範圍敍述，則此意圖將明確敍述於申請專利範圍中，且在無此敍述之情況下不存在此意圖。舉例而言，作為對理解之輔助，以下隨附申請專利範圍可含有引入片語「至少一個」及「一或多個」之使用以引入申請專利範圍敍述。然而，此類片語之使用不應視為暗示由不定冠詞「一(a)」或「一個(an)」對申請專利範圍敍述之引入將含有此類所引入申請專利範圍敍述之任何特定申請專利範圍限制於僅含有一個此類敍述的申請專利範圍，即使當同一申請專利範圍包括引入片語「一或多個」或「至少一個」及諸如「一(a)」或「一個(an)」之不定冠詞時(例如，「一(a)」及/或「一個(an)」應通常解譯為意謂「至少一個」或「一或多個」)；此情況同樣適用於用以引入申請專利範圍敍述之定冠詞的使用。

此外，即使明確地敍述特定數目之所引入申請專利範圍敍述，但熟悉本技藝者將認識到，此類敍述通常應解譯為意謂至少所敍述之數目(例如，不具有其他修飾語的無修飾敍述「兩個敍述」通常意謂至少兩個敍述或兩個或更多個敍述)。此外，在使用類似於「A、B及C中之至少一者等」之公約的彼等情況下，一般此類構造意欲為熟悉本技藝者應瞭解公約之意義(例如，「具有A、B及C中之至少一者的系統」將包括但不限於具有僅A、僅B、僅C、A及B一起、A及C一起、B及C一起及/或A、B及C一起等的系統)。在使用類似於「A、B或C中之至少一者等」之公約的彼等情況下，一般此類構造意欲為熟悉本技藝者應瞭解公約之意義(例如，「具有A、B或C中之至少一者的系統」將包括但不限於具有僅A、僅B、僅C、A及B一起、A及C一起、B及C一起及/或A、B及C一起等的系統)。熟悉本技藝者將進一步理解，除非上下文另外規定，否則無論在描述內容、申請專利範圍或圖式中，通常呈現兩個或更多個替代性術語之分離性詞語及/或片語應理解為涵蓋包括該等術語中之一者、該等術語中之任一者或兩種術語之可能性。舉例而言，片語「A或B」應通常理解為包括「A」或「B」或「A及B」之可能性。

關於所附申請專利範圍，熟習本技藝者應瞭解，其中所列舉之操作通常可以任何次序執行。此外，雖然請求項陳述係以順序呈現，但應理解，可以所描述者以外的其他次序來執行各種操作，或可同時執行各種操作。除非上下文另外規定，否則此類替代排序之實例可包括重迭、交錯、中斷、重新排序、遞增、準備、補充、同時、反向或其他變異排序。此外，除非上下文另外規定，否則如「回應於」、「與...相關」之術語或其他過去時態形容詞通常並不意欲排除此類變型。

值得注意，對「一個態樣」、「一態樣」、「一示例」、「一個示例」及類似者之任何參考意謂結合該態樣所描述之特定特徵、結構或特性包括於至少一個態樣中。因此，片語「在一個態樣中，」、「在一態樣中」、「在一示例中」及「在一個示例中」貫穿本說明書在各處之出現未必皆參考同一態樣。此外，在一或多個態樣中可以任何適當方式組合特定特徵、結構或特性。

如本文中所使用，除非上下文另外清楚地規定，否則單數形式「一(a)」、「一個(an)」及「該(the)」包括複數個參考物。

除非另外明確地陳述，否則本文中所使用之方向性片語，諸如但不限於頂部、底部、左、右、下部、上部、前部、背部及其變化形式，應關於隨附圖式中所展示之元件之定向且不對申請專利範圍造成限制。

除非另有特別指定，否則本揭示中所使用之術語「約」或「大約」意指一特定值憑藉熟悉本技藝者所確定之可接受誤差，該誤差部分地取決於數值的量測或確定方式。在某些態樣中，術語「約」或「大約」意指在1、2、3或4個標準偏差內。在某些態樣中，術語「約」或「大約」意指在一給定值或範圍的50%、200%、105%、100%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%、0.5%或0.05%內。

在本說明書中，除非另外特別指示，否則所有數值參數應理解為在所有情況下均通過術語「約」作為開頭和修飾，其中數值參數具有用於確定參數數值之基礎量測技術的固有可變性特徵。最起碼而言，且不試圖將均等論之應用限制於申請專利範圍之範疇，本文中所描述之每一數值參數應至少根據所列舉有效數字的數目且通過應用普通四捨五入技術來詮釋。

本文中所列舉之任何數值範圍包括在列舉範圍內所涵蓋之全部子範圍。舉例而言，範圍「1至100」包括介於(且包括)所列舉最小值1及所列舉最大值100之間(亦即，具有等於或大於1之最小值及等於或小於100之最大值)的所有子範圍。此外，本文中所列舉之全部範圍包括所列舉範圍之端點。舉例而言，範圍「1至100」包括端點1及100。本說明書中所列舉之任何最大數值限制旨在包括其中所涵蓋之全部較低數值限制，且本說明書中所列舉之任何最小數值限制旨在包括其中所涵蓋之全部較高數值限制。因此，申請人保留修改本說明書(包括申請專利範圍)之權利，以明確地列舉涵蓋在明確列舉範圍內之任何子範圍。本說明書本質上描述所有此類範圍。

在本說明書中所參考及/或在任何申請資料表(Application Data Sheet)中所列出的任何專利申請案、專利案、非專利公開案或其他揭示材料以引用方式併入本文中，在某種程度上，併入材料與本說明書不相矛盾。因而，且在必需之程度上，如本文中所明確闡述之揭示內容取代以引用方式併入本文中之任何矛盾材料。據稱以引用方式併入本文中但與本文中所闡述之現有定義、陳述或其他揭示內容材料相矛盾的任何材料或其部分將僅在彼併入材料與現有揭示內容材料之間不出現矛盾的程度上併入。

術語「包含(comprise)」(及包含之任何形式，諸如「包含 (comprises)」及「包含(comprising)」)、「具有(have)」(及具有之任何形式，諸如「具有(has)」及「具有(having)」)、「包括(include)」(及包括之任何形式，諸如「包括(includes)」及「包括(including)」)以及「含有(contain)」(及含有之任何形式，諸如「含有(contains)」及「含有(containing)」)為開放式連繫動詞。因此，一種「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個元件之系統具有彼等一或多個元件，但不限於僅擁有彼等一或多個元件。同樣地，一種「包含」、「具有」、「包括」或「含有」一或多個特徵之系統、裝置或設備的元件擁有彼等一或多個特徵，但不限於僅擁有彼等一或多個特徵。