UA44357C2 - Спосіб розділення матеріалу, який складається з різнорідних компонентів, і розділяльний пристрій - Google Patents

Abstract

Винахід стосується способу обробки матеріалів, особливо ядерного палива і матеріалів, що використовуються в галузях, пов`язаних з ядерним паливом.Спосіб розділення матеріалу, який складається з різнорідних компонентів, включає операції: введення вихідного матеріалу, перетворення вихідного матеріалу в плазму або іонізовану форму, одержання щонайменше одного компонента в принаймні частково іонізованій формі і щонайменше одного іншого компонента в принаймні частково неіонізованій формі, утримання зазначених плазми і/або іонів в магнітному полі і відокремлення іонізованих компонентів від неіонізованих компонентів, забезпечення домінуючих умов, за яких вищезазначені іонізовані і неіонізовані компоненти вихідного матеріалу знаходяться один з одним в рівноважному стані. Роздільний пристрій містить плазменний/іонний генератор, засіб для селективної іонізації вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів, засіб для генерування магнітного поля, який утворює магнітне поле для утримання плазми/іонів і засіб для виведення незаряджених компонентів з магнітного поля.

Description

Даний винахід стосується вдосконаленої методики обробки матеріалів, особливо (але не виключно!) обробки ядерного палива і матеріалів, що використовуються в галузях, пов'язаних з ядерним паливом.

Виготовляння і повторне використання ядерного палива і супутніх матеріалів включає в себе тривалі і складні етапи. Так, починаючись із здобутої уранової руди, цей процес включає в себе поступове перетворення і збагачення колишнього викопного матеріалу до форми і степеню, що уможливлюють виготовлення паливних таблеток.

Проміжні етапи загального технологічного маршруту репрезентують початкові пункти і для виробляння багатьох інших матеріалів.

Основними етапами загального процесу є: концентрування вихідних оксидів урану у вигляді гексагідрату уранілнітрату; етап денітрації, з метою перетворення зазначеного матеріалу в Оз; етап відновлення, з метою перетворення Оз в ШО»; етап гідрофторування з метою утворення ОР.а додатковий етап фторування, з метою утворення ШОЕв; етап збагачення, виконуваний за допомогою фізичних або хімічних засобів; і, нарешті, перетворення збагаченого ОРє в ШО» у керамічній формі - ця форма використовується для виготовлення паливних таблеток.

Аналогічно, повторне використання відпрацьованого палива включає в себе послідовність складних хімічних і фізичних операцій, виконуваних для виведення різних продуктів поділу із збідненого палива і підвищення концентрації 2353) в матеріалі до такого рівня, що цей матеріал знову можна буде використовувати як паливо, шляхом відокремлення інших компонентів, присутніх у відпрацьованому паливі.

Складність, притаманна цим процесам, так само притаманна і іншим процесам обробки, що здійснюються в циклі приготування ядерного палива (або які мають до нього відношення), такого як торій, плутоній, гадоліній та інші. Приготування металевого урану (незбагаченого), наприклад, для використання в магноксових реакторах, також включає в себе складні етапи обробки.

Складні процеси обробки зустрічаються також при вироблянні інших матеріалів, що безпосередньо не відносяться до галузі ядерного палива. Наприклад, звичайний процес виробляння металевих титана, ніобію і родію включає в себе, серед іншого, приведення речовин, що містять метал, в галогенидну форму, за чим слідує його декомпозиція з галогенидної форми в метал.

Для здійснення етапів, що є складовими усіх цих процесів, необхідні дуже серйозні збагачувальні установки - і за розмірами, і за капіталовкладеннями, і за експлуатаційними витратами. Різні процеси і їх специфічні вимоги породжують також супутні проблеми. Так, наприклад, процеси, що використовують фторування, потребують складного і небезпечного електролітичного процесу виготовлення необхідного фтору.

Даний винахід має на меті запропонувати альтернативний технологічний маршрут для багатьох процесів і/або спосіб для приведення матеріалів в більш зручні форми, і/або спосіб для утилізації або повторного використання матеріалів, разом з пристроєм для здійснення цих способів.

Згідно з першим аспектом винаходу, ми пропонуємо спосіб, який включає в себе такі операції: а) введення вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів; р) перетворення зазначеного вихідного матеріалу в плазму або іонізовану форму; с) одержання щонайменше одного компонента в принаймні частково іонізованій формі і щонайменше одного іншого компонента в принаймні частково неіонізованій формі; а) утримання зазначених плазми і/або іонів в магнітному полі; і е) відокремлення зазначених іонізованих компонентів від зазначених неіонізованих компонентів.

Потрібний компонент може бути виділений з різнорідних ізотопів і елементів як металевої, так і неметалічної природи. Розділення може бути повним або частковим.

Передбачається можливість введення вихідного матеріалу в формі азотовмісної речовини, але особливо переважним є введення вихідного матеріалу у формі фторвмісної речовини. Придатними вихідними матеріалами є матеріали, що містять ураніл нітрат, гексафторид урану, нітрат плутонія, нітрат торію, збіднений уранілнітрат, збіднений гексафторид урану або їхні суміші. До інших придатних матеріалів входять відпрацьоване ядерне паливо, тетрафторид урану і інші метали в формі галогенидів, такі як тетрахлорид титану. Ці матеріали можуть бути в формі гідратів.

Зазначений матеріал з різнорідних компонентів може складатися: з двох або декількох різних елементів; двох або декількох різних ізотопів одного і того ж елемента; різних елементів разом з різними ізотопами одного або декількох з цих елементів; або речовин і/або сумішей речовин, що включають в себе різні елементи, різні ізотопи або різні ізотопи і різні елементи. Використовуваний в цій заявці термін "компоненти" слід розуміти як такий, що означає, серед інших, будь-який з цих варіантів, якщо не обумовлено іншого.

Вихідний матеріал може бути введений в магнітне поле у вигляді газу, рідини, твердих частинок або суміші цих фаз. Перевага віддається введенню в магнітне поле газу.

Вихідний матеріал може бути введений в засіб генерування плазми у вигляді газу, рідини, твердих частинок або суміші цих фаз.

Вихідний матеріал може бути введений в засіб іонізації у вигляді газу, рідини, твердих частинок або суміші цих фаз. Перевага віддається введенню в засіб іонізації газу, особливо коли не передбачений плазмовий генератор.

Вихідний матеріал може бути приведений у газоподібну форму шляхом кип'ятіння і/або випаровування і/або сублімації твердого або рідкого первісного вихідного матеріалу. Перетворення в газоподібний стан може бути виконане за допомогою печі, мікрохвильового нагрівального засобу або нагрівального засобу іншого типу. Переважно газ вводять перед іонізацією.

Переважно певний конкретний компонент весь, або практично весь, іонізується. Переважно певний конкретний компонент весь, або практично весь, не іонізується.

Переважно деякі або всі металеві елементи, присутні у вказаному вихідному матеріалі, іонізуються.

Іонізація металевих елементів з атомною масою більше 90 є особливо переважною. Переважно деякі або всі неметалеві елементи у вказаному вихідному матеріалі не іонізуються. Переважно всі елементи з атомною масою менше 90, найбільш переважно - менше 70, і ідеально -- менше 60 -- залишаються в неіонізованій формі. Особливо переважно, щоб були іонізовані такі елементи, як уран і/або плутоній і/або торій і/або гадоліній. Переважно, щоб не були іонізовані такі елементи, як водень і/або фтор і/або кисень і/або азот. Переважно бор не є іонізований. Переважно продукти поділу не є іонізовані.

Іонізація компонентів може бути спричинена температурою плазми. Додатково або як альтернатива іонізація компонентів може бути спричинена взаємодією компонентів з високоенергетичними електронами, отриманими за допомогою електронного циклотронного резонансу.

Степінь іонізації і/або іонізовані компоненти можна контролювати, варіюючи енергію, що подається в блок електронного циклотронного резонансу (ЕЦР), і/або час перебування в ньому.

Переважно іонізацією керують, регулюючи рівень енергії, що подається в блок ЕЦР. Рівень цієї енергії можна регулювати за допомогою контролювання температури плазми. Переважно ця енергія не є селективною щодо компонентів вихідного матеріалу. Завдяки цьому всі компоненти вихідного матеріалу переважно виводяться на такий самий енергетичний рівень. Переважно іонізовані і неіонізовані компоненти вихідного матеріалу знаходяться одне з одним в рівноважному стані за домінуючих умов.

Вихідний матеріал може бути перетворений у газ і поданий в блок ЕЦР для іонізації. Для перетворення твердого або рідкого вихідного матеріалу в газоподібну і/або пароподібну форму може бути використаний пічний нагрівальний пристрій або випарник.

Відповідно, в одному з конкретних варіантів здійснення винаходу плазма може перетворювати вихідні матеріали в окремі атоми, після чого електронний циклотронний резонанс може забезпечувати принаймні часткову іонізацію, переважно селективного характеру.

Вихідний матеріал може вводитися в формі молекул і потім перетворюватися в окремі атоми і/або елементарні форми за допомогою засобу генерування плазми і/або засобу іонізації і/або нагрівального засобу. Це перетворення в окремі атоми і/(або елементарні форми може забезпечити часткову іонізацію однієї або декількох частинок, що утворюються. Так, вихідний гексагидрат уранілнітрату може бути перетворений в І, М і Н (окремі атомарні форми), разом з М» і Сг (елементарні форми), так само як і (онізовані частинки). Переважно вихідний матеріал вводять у молекулярній формі, а селективне розділення здійснюють над матеріалом у вигляді окремих атомів і/або елементарних форм, які відокремлюють від іонізованих окремих атомарних форм і/або елементарних форм. Завдяки цьому забезпечується методика, застосовна до більш широкого кола матеріалів, ніж у випадку введення вихідного матеріалу в елементарній формі і здійснення розділення в елементарній формі, або введення вихідного матеріалу в молекулярній формі і здійснення розділення в молекулярній формі.

Щоб забезпечити селективну іонізацію компонентів у потрібний спосіб, можна регулювати температуру вказаної плазми. Отже, плазма може іонізувати певні компоненти вихідного матеріалу, але залишати неіонізованими інші компоненти, такі як продукти поділу і/або неметалеві елементи.

Переважно температура плазми сягає від ЗО0ОК до 4500К. Переважно плазма генерується мікрохвильовими або високочастотними засобами. Переважно плазма в генераторі обробляється за тиску між 1000Па і 10000Па. Переважне значення - 2000Па 5 10905.

Додатково або як альтернатива для забезпечення селективної іонізації компонентів необхідним чином може регулюватися час перебування вихідного матеріалу всередині плазми перед розділенням.

Переважно вихідний матеріал вводять в утримувальне магнітне поле в неіонізованій формі. Переважно в магнітному полі відбувається процес часткової іонізації незарядженого газу. Газ може бути в формі молекул і/або атомів.

Магнітне поле може бути конфігуроване так, щоб визначити циліндричний активний об'єм, в якому плазма і/або іони зазнають обробки. Переважно плазма і/або іони проходять вздовж осі цієї утримувальної зони від засобів генерування плазми і іонізації до наступного блоку -- розділяльного каскаду.

Переважно розділення іонізованих і неіїонізованих компонентів здійснюється шляхом виведення неіонізованого компонента з плазми, найбільш переважно - у вигляді газу. Неіонізовані компоненти можуть бути відкачані від іонізованого компонента. Іонізований компонент утримується від пересування магнітним полем.

Відокремлення іонізованих компонентів від неіїонізованих може бути виконане в декількох каскадах.

Переважно ці каскади відокремлені одне від одного. Каскади можуть бути відокремлені одне від одного відокремлювальною перегородкою, в якій запроваджений отвір. Переважно отвір знаходиться повністю в межах утримувальної зони магнітного поля. Переважно один або декілька каскадів працюють за рівня тиску, відмінного від рівня тиску одного або декількох інших каскадів. Рівень тиску може підтримуватися використовуваним рівнем накачки. Переважно тиск в одному або декількох каскадах, ближчих до вхідного отвору, є вищим, ніж в одному або декількох каскадах, розташованих на більшій відстані від входу.

Переважно тиск знижується в кожній зоні відносно попереднього каскаду, більш близького до вхідного отвору. Переважно тиск в кожному каскаді становить від 3095 до 6095 від тиску в попередньому каскаді, з віддаленням від вхідного отвору.

Переважно передбачені три блоки-каскади. Кожний каскад може мати в довжину від 0,5м до 2,0м.

Переважно перший каскад працює за рівня тиску від 10Па до 50Па. Переважно - 40Па хз 1095.

Переважно другий каскад працює за рівня тиску від 5Па до 20Па. Переважно - 16Па 5 10905.

Переважно третій каскад працює за рівня тиску від 2Па до 10Па. Переважно - 7Па 5 1095.

Відокремлені незаряджені компоненти можуть бути направлені для наступного повторного використання і/або піддані додатковій обробці. Вона може включати в себе додаткову селективну іонізацію і/або селективну обробку для розділення різних компонентів.

Відокремлені заряджені компоненти переважно продовжують утримуватися в магнітному полі.

Відокремлені заряджені компоненти можуть бути піддані додатковій обробці, в тому числі: селективній деіонізації; деіонізації, за якою слідує додаткова селективна іонізація; або іншій селективній обробці для розділення різних компонентів.

Заряджені компоненти можуть бути охолоджені і/або розряджені з метою одержання рідкого і/або твердого незарядженого продукту. Заряджені компоненти можуть бути зібрані на заземленій або зарядженій сітці, пластині, електроді або на масі самого продукту. Заряджені компоненти можуть бути зібрані в посудину або контейнер. У посудині або контейнері може бути передбачений резервуар з рідиною.

Можливе регулювання температурних умов для очищення зібраних компонентів шляхом випаровування домішок. Домішки можуть випаровуватися в формі з'єднань з металом і/або зібраним компонентом. Передбачається можливість випаровування галогенидів.

Зібрані заряджені компоненти можуть час від часу або безперервно виводитися з міста збору.

Спосіб може включати в себе додатковий етап введення хімічного матеріалу, переважно з контрольованим рівнем кінетичної енергії, і приведення його в контакт із зарядженим компонентом або компонентами, що залишилися, причому рівень кінетичної енергій зарядженого компонента і цього хімічного матеріалу є такий, що одержують незаряджений компонент або незаряджені частинки. Компонент може все ще бути у вигляді газу.

Зазначений хімічний матеріал може складатися з матеріалу, вибраного так, щоб він забезпечував одержання необхідних незаряджених частинок і/або необхідного кінцевого продукту; наприклад, таким хімічним матеріалом може бути кисень або інертний газ. Цей хімічний матеріал може бути доданий при температурі від 100К до 2000К, переважно - від 100К до 500К. Зазначені компонент і хімічний матеріал в одержуваних частинках можуть бути сполученими. Можливий варіант - оксид.

Температура цієї сполуки може регулюватися так, щоб забезпечити одержання частинок в бажаній формі. Для урану переважна температура - 2500К, що дозволяє отримувати уран у вигляді газоподібного

ЦО» як основної форми.

Може бути передбачений етап, на якому до незарядженого компонента додають додатковий хімічний матеріал, щоб знизити рівень кінетичної енергії до рівня, за якого утвориться твердий продукт.

Альтернативно або додатково зниження рівня кінетичної енергії може бути досягнуте шляхом співударяння незарядженого компонента з поверхнею, переважно охолодженою поверхнею. Зниження рівня кінетичної енергії незарядженої частинки може відбуватися дуже швидко, так, щоб уникнути небажаних проміжних рівноважних форм продукту. Переважний період переходу -- менший за 2мс.

Цей додатковий хімічний матеріал може бути таким самим, що й доданий раніше хімічний матеріал, або іншим.

Переважно кінцевим продуктом процесу є необхідне (потрібне) з'єднання, елемент або ізотоп і, переважно, потрібного сорту. Особливо переважним продуктом процесу є оксид металу керамічного класу, хоч таким способом може бути отриманий і чистий метал. Уранові, плутонієві, торієві і, по суті, будь-які

МОХ-продукти можуть бути виготовлені шляхом керування умовами процесу.

Згідно з другим аспектом винаходу, ми пропонуємо розділяльний пристрій, що включає в себе: а) плазмений/іонний генератор; р) засіб для селективної іонізації вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів; с) засіб для генерування магнітного поля, який утворює магнітне поле для утримання плазми/онів; і а) засіб для виведення незаряджених компонентів з магнітного поля. Вихідний продукт може вводитися у твердому стані, як рідина або газ.

Піч, нагрівник, джерело мікрохвиль, випарник або інші нагрівальні засоби можуть бути використані для нагрівання і/або випаровування і/або сублімації і/або газифікування і/або випаровування вихідного матеріалу.

Переважно плазма і/або іони генеруються за допомогою мікрохвильового або високочастотного нагрівання. Іонізація компонентів може бути спричинена температурою плазми.

Переважно плазму нагрівають до температури від ЗО00ОК до 450К, найбільш переважно - до 4000К ж 1095. Переважно вихідний отвір плазмового/онного генератора має радіус від 20мм до 40мм.

Плазмовий генератор може діяти як засіб для селективної іонізації різнорідних компонентів вихідного матеріалу. Альтернативно або додатково співударяння високоенергетичних електронів, отриманих засобом електронного циклотронного резонансу, можуть забезпечувати засіб для селективної іонізації вихідного матеріалу із різнорідних компонентів.

Матеріал може бути введений в блок ЕЦР у вигляді молекулярного і/або атомарного газу.

Степінь іонізації і/або іонізовані компоненти можна регулювати, варіюючи енергію, що подається. Рівень енергії, що подається, можна контролювати за допомогою температури. Переважно вихідний матеріал збуджують рівномірно. Переважно енергія по відношенню до наявних компонентів подається не- селективно. Переважно одержуваний в результаті частково іонізований/частково неіонізований матеріал є в рівноважному стані за домінуючих умов.

Утримувальне магнітне поле може бути аксіально-вирівняним.

Переважно засіб для генерування магнітного поля включає в себе один або декілька соленоїдів.

Переважно магніти зібрані в кільцеву або циліндричну батарею. У такий спосіб магнітне поле визначає центральну утримувальну зону, переважно циліндричної конфігурації. Переважно магнітне поле є утримувальним полем, найбільш переважно -- аксіально-вирівняним. Для цього можуть бути використані значення напруженості магнітного поля, які перевищують 0,075Тесла або перевищують 0,1Тесла.

Переважно вихідний матеріал вводять в магнітне поле перед іонізацією.

Переважно розділення здійснюють шляхом виведення неіонізованого компонента з плазми. Переважно засіб для виведення незаряджених компонентів включає в себе насосну установку. Переважно заряджені компоненти утримуються в магнітному полі.

Неїіонізовані компоненти можуть відокремлюватися від вихідного матеріалу за допомогою одного або декількох каскадів. Переважно в кожному каскаді запроваджені один або декілька вихідних отворів, через які виводять неіонізовані компоненти.

Переважно ці каскади відокремлені одне від одного відокремлювальним елементом. Переважно ця перегородка має круглий отвір, через який проходить матеріал. Переважно отвори в перегородках є співвісними. Діаметр або розмір отвору в одному або декількох перегородках може бути більшим, ніж діаметр або розмір отвору в одному або декількох перегородках, розташованих ближче до вхідного отвору для введення вихідного матеріалу. Переважно отвори послідовно збільшуються в діаметрі з віддаленням від вхідного отвору для введення вихідного матеріалу.

Переважно отвори мають радіуси, суттєвою мірою відповідні радіусу плазменно-іонного потоку на даній відстані від вхідного отвору. Переважно радіус отвору є такий самий, як радіус плазменно-іонного потоку на даній відстані від вхідного отвору, або є більший за нього на щонайбільше 1095. Переважно радіуси одного або кількох отворів є приблизно пропорційні кореню четвертого степеню з відстані від вхідного отвору або сопла плазмового генератора.

Переважно радіус отвору є меншим за радіус утримувальної зони, визначеної магнітним полем в цьому місці.

Пристрій може також містити засіб для додання хімічного матеріалу до робочого потоку, що залишився.

Переважно хімічним матеріалом, який додається, є кисень або інертний газ. Особливо переважно, щоб хімічний матеріал, який додається, забезпечував гасильний і/або охолоджуючий вплив на компоненти, що залишилися. Переважно цей хімічний матеріал при контакті з компонентами, що залишилися, переводить їх із зарядженої в незаряджену фазу. Найбільш переважно, щоб після цієї зміни цей компонент все ще залишався в газоподібному стані.

В особливо переважному варіанті здійснення винаходу хімічним матеріалом, що додається, є кисень.

Переважно він, коли додається, має температуру від 100К до 500К, забезпечуючи приблизну температуру 2500К при поєднанні із зарядженим компонентом. За цієї температури, наприклад, уран утримується у вигляді незарядженого газу, переважно в формі ОО».

Передбачається також запровадження ще одного додаткового засобу для додання додаткового хімічного матеріалу. Переважно це додаткове додання перетворює робочий потік з газоподібного стану в твердий. Замість цього або додатково пониження рівня кінетичної енергії може бути забезпечене шляхом співударяння незарядженого компонента з поверхнею, переважно охолодженою поверхнею. Переважно це перетворення здійснюють дуже швидко, як тільки можливо, щоб запобігти утворенню проміжних рівноважних форм. Переважно одержуваним в результаті продуктом є паливний матеріал керамічного класу, такий як ОО».

Згідно з третім аспектом винаходу, ми пропонуємо спосіб, що включає в себе такі операції: а) введення вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів; р) перетворення зазначеного вихідного матеріалу в плазму або іонізовану форму; с) одержання щонайменше одного компонента в принаймні частково іонізованій формі і щонайменше одного іншого компонента в принаймні частково неіонізованій формі; а) утримання зазначених плазми і/або іонів в магнітному полі; і е) відокремлення зазначених іонізованих компонентів від зазначених неіонізованих компонентів, і додатково включає в себе перетворення принаймні частини відокремленого іонізованого компонента або компонентів в незаряджену форму.

Компонент може бути перетворений в незаряджену форму шляхом пониження рівня його кінетичної енергії, тобто сконденсований.

Компонент може бути перетворений в незаряджену форму шляхом співударяння його з поверхнею, переважно охолодженою поверхнею.

Компонент може бути перетворений в незаряджену форму шляхом додання хімічного матеріалу. Може бути використана комбінація з одного або декількох з названих методів.

Переважно хімічний матеріал, який додають, має певний заздалегідь визначений рівень кінетичної енергії який дозволяє одержати зазначену необхідну незаряджену форму. Найбільш переважною незарядженою формою є газоподібна форма. Передбачається перетворення одного або декількох компонентів, або його(їхньої) частини, в незаряджену форму з одночасним збереженням одного або декількох інших компонентів, або його(їхньої) частини, і /"або частини першого компонента або компонентів, в зарядженій формі.

Додання хімічного матеріалу або додаткового хімічного матеріалу на наступному етапі може бути таким, щоб знизити рівень кінетичної енергії до такого степеню, що утворюється твердий продукт.

Доданий хімічний матеріал може реагувати з компонентом або просто знижувати його рівень кінетичної енергії. Компонент може одержуватися в елементарній формі або в формі сполуки.

Переважно перехід від незаряджених газоподібних частинок до твердого продукту відбувається дуже швидко. Переважно час переходу є менший за 2мс.

Розділення урану і фтору з вихідного гексафториду урану є одним з можливих застосувань.

Передбачається також можливість відокремлення урану з гексагідрату уранілнітрату і інших різновидів вихідного матеріалу.

Передбачається також можливість додаткової обробки і подальшого використання незаряджених компонентів, відокремлених від заряджених компонентів. Особливо переважним є використання такого технологічного маршруту для одержання або регенерації фтору.

Цей аспект винаходу може, звичайно, включати в себе будь-які можливості або особливості, розглянуті в будь-якому місці цього документу, включаючи ті, що стосуються генерації іонів і/або плазми, їх утримання, методів розділення і інші.

Згідно з четвертим аспектом винаходу, ми пропонуємо розділяльний пристрій, який містить: а) плазмений/іонний генератор; р) засіб для селективної іонізації вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів; с) засіб для генерування магнітного поля, який утворює магнітне поле для утримання плазми/онів;

Я) засіб для виведення незаряджених компонентів з магнітного поля, і е) засіб для перетворення принаймні деяких з відокремлених заряджених компонентів в незаряджену форму.

Компонент може бути перетворений в незаряджену форму шляхом пониження рівня його кінетичної енергії, тобто сконденсований.

Компонент може бути перетворений в незаряджену форму "шляхом співударяння його з поверхнею, переважно охолодженою поверхнею.

Компонент може бути перетворений в незаряджену форму шляхом додання хімічного матеріалу. Може бути використана комбінація з одного або декількох з названих методів.

Хімічний матеріал може бути введений за один або декілька разів. Коли використовуються декілька таких етапів, є переважним, щоб різні вхідні отвори були рознесені одне від одного вздовж напрямку проходження робочого потоку. Так, може бути запроваджений перший засіб для здійснення перетворення із зарядженого в незаряджений стан і можуть бути передбачені другий або додаткові етапи для перетворення незарядженого компонента в твердий стан або в потрібне хімічну сполуку. Передбачається можливість виробляння необхідного продукту в формі як елемента, так і сполуки.

Звичайно, інші особливості пристрою або способів, розглянуті в будь-якому місці цього документу, також можуть бути застосовними для цього аспекту винаходу.

Згідно з п'ятим аспектом винаходу, ми пропонуємо компоненти, матеріали, сполуки, елементи або ізотопи, розділені згідно з першим і/або третім аспектами винаходу і/або з використанням пристрою за другим і/або четвертим аспектами винаходу, і/або їхні форми, що зазнали додаткової обробки.

Ці розділені компоненти можуть бути різнорідними елементами, наявними в вихідному матеріалі. Так, передбачається можливість відокремлення урану від фтору, а також відокремлення одне від одного інших елементів, наявних в одній або декількох даних сполуках. Передбачається можливість виробляння оксидів металів керамічного класу, придатних для використання як паливо.

Степінь розділення компонентів може бути практично повним або лише частковим. Так, передбачається можливість процесів, в яких у вигляді незаряджених компонентів виводиться лише певна частка компонента, наявного в вихідному матеріалі, тоді як більша частка цього компонента залишається в потоку продукту, що складається із заряджених компонентів.

Звичайно, перший або другий потоки незарядженого продукту може являти собою корисний і необхідний продукт розділення, в рівній мірі з кінцевим продуктом, отримуваним із зарядженого компонента.

Згідно з шостим аспектом винаходу, ми пропонуємо паливні таблетки, паливні стержні або тепловидільні збірки або компоненти для ядерного реактора, що включають в себе продукт або ж додатково оброблений продукт, одержаний згідно з будь-яким аспектом новизни винаходу з першого по п'ятий.

Нижче будуть описані різні варіанти здійснення даного винаходу, виключно як приклади і з посиланнями на надані креслення, на яких:

Фіг.1 - схематичне зображення першого варіанту здійснення даного винаходу;

Фіг.2 - фазова діаграма для урану, кисня, азоту і водня;

Фіг.3 - фазова діаграма для ШО", ШО, ОО» і ООз;

Ффіг.4 - схематичне зображення в частковому розрізі другого варіанту здійснення даного винаходу;

Фіг.5 - схематичне зображення третього варіанту здійснення даного винаходу; і фіг.6 - схематичне зображення четвертого варіанту здійснення даного винаходу.

Методики, запропоновані даним винаходом, пропонують гнучкі системи обробки, які можуть успішно використовуватися з різноманітними вихідними матеріалами в різних станах і забезпечувати велику різноманітність кінцевих продуктів, у різних станах і формах.

Вихідний матеріал, представлений гексагідратом уранілнітрату

Як показано на фіг.1, вихідний матеріал, що підлягає обробці, вводять по стрілці 2. У цьому конкретному прикладі вихідний матеріал представлений розчином гексагідрату уранілнітрату. Вихідний розчин пропускається через плазмений генератор (4), який швидко нагріває вихідний розчин до приблизно 4000К. плазмовий генератор (4) може бути плазмовим генератором мікрохвильового або високочастотного (ВУ) типу. Можна легко забезпечити можливість контролювання температури плазми.

Провідні соленоїди в батареї (6) створюють магнітне поле високої напруженості, силові лінії якого схематично показані штриховими лініями (8). Біля каскаду, в якому за допомогою плазмового генератора іонізується вихідний матеріал, він вже знаходиться в межах цього магнітного поля.

Провідні соленоїди забезпечують створення поля з напруженістю, більшою за 0,1 Тесла.

Як результат дії плазмового генератора (4), матеріал, який входить в камеру (12), має сильно підвищену температуру. За такої температури гексагідрат уранілнітрату розпадається на атоми елементів, що його складають. Це дозволяє здійснювати обробку вихідного матеріалу в залежності від специфіки його атомарного складу, не потребуючи вихідного матеріалу в елементарній формі і без необхідності в обробці вихідного матеріалу з урахуванням лише відмінностей між молекулами, які будуть згодом іонізовані чи ні.

Як можна побачити з фазової діаграми, представленої на фіг.2, за 4000К і умов, створених в камері (12), атоми урану є заряджені (ШУ), крива 20. Переважна кількість азоту, кисня і водня при цій температурі, навпаки, залишається у вигляді незаряджених атомів або молекул, як показано на фіг.2 кривими, які представляють азот (крива 22), кисень (крива 24) і водень (крива 26). Всі іони перебувають в газоподібній формі.

Селективна іонізація відбувається як наслідок загального для всієї системи рівня енергії. Відповідно, частинки, які іонізуються за таких домінуючих умов, і частинки, які не іонізуються, визначаються за рівноважного стану, досягнутого для даних частинок за даних умов. Отже, забезпечувана селективна іонізація є стабільною і довготривалою, і дозволяє здійснювати подальшу обробку без впливу фактору обмеження за часом.

Можливе досягнення селективної іонізації у разі, якщо підводити енергію селективно по відношенню до різних частинок в системі. Однак зіткнення між іонізованими і неіонізованими частинками в цьому випадку приводять до обміну енергією, який може призвести до іонізації раніше не іонізованих частинок і/або втрати заряду раніше іонізованих частинок. У такому випадку розділення має здійснюватися дуже швидко, інакше цей селективний характер буде втрачений ще до того, як при розділенні буде досягнута скільки-небудь значна селективність.

За рівноважного стану плазми в запропонованій системі зіткнення не тільки припустимі, але й бажані, щоб забезпечити рівномірний розподіл енергії що підводиться, по всій плазмі. Зіткнення не будуть спричиняти негативного ефекту, оскільки, наприклад, найбільш вірогідним результатом зіткнення між іоном

Ох ї атомом Е будуть, за умов рівноваги, іон 0: і атома Р. Стан рівноваги не забезпечує енергії, достатньої для того, щоб зіткнення призвели до переносу електронів і розрядження іона. Той факт, що дозволяються зіткнення, означає також, що можна працювати з плазмою, яка є у відносно щільному стані, що забезпечує проходження через систему значної кількості матеріалу за певний час. Якщо є необхідним уникати зіткнень, необхідно забезпечувати якнайменшу щільність вмісту іонів і атомів, щоб знизити імовірність зіткнень.

Іони урану, як заряджені частинки, утримуються магнітним полем і спонукаються до подальшого проходження через надпровідні соленоїди (6). Незарядженість атомів азоту, кисня і водня дозволяє їм пересуватися вільно, не відчуваючи впливу магнітного поля, і тому їх можна "викачувати" з камери (12), що показано потоком (14). Для цього можна використовувати вакуумні насоси.

Здійснюване згодом охолодження потоку (14) дозволяє цим матеріалам знов повернутися в рівноважний стан; при цьому звичайно утворюються молекули М», Ог5 і НгО і оксидів азоту.

Як результат цього етапу процесу, уран виявляється відокремленим від інших елементів, що входили до вихідного гексагідрату уранілнітрату. Уможливлена подальша обробка відокремленого урану, за потребами.

Сильне однорідне поле, що діє в зоні (16), жорстко обмежує переміщення іонів урану.

Завдяки введенню потоку кисня (42) в зону (44) відбувається різке охолодження (гасіння) іонів |.

Контролюючи охолодження, температура може бути знижена до 2500К. За такої температури, як видно з фіг.3, переважаючою формою матеріалу є газоподібний 0Ог в незарядженому стані, хоч і інші оксидні форми урану, ймовірно, будуть наявними, в меншій кількості. Знову є забезпечений рівноважний стан системи.

За потреби температура може бути знижена ще більше, шляхом введення додаткового охолоджуючого потоку (52), і оксид урану швидко переходить з газоподібного в твердий стан, у вигляді керамічного порошку, в зоні (54). Кінцевий продукт виходить як потік (58).

Продукт може бути підданий подальшій додатковій обробці, наприклад, для перетворення його на матеріал паливного класу.

Таким чином, цей процес забезпечує перетворення вихідного розчину гексагідрату уранілнітрату в порошок діоксиду урану, з використанням одномодульної установки. Аналогічний результат може бути досягнутий з іншими вихідними речовинами і/або сумішами вихідних речовин.

Одномодульна установка, що відповідає цьому процесу і має загальну довжину, приблизно, 10м і активну область діаметром біля 1м, може обробляти від 5О0кг до 200кг вихідного урану за годину.

Час перебування всередині блоку дуже малий, порядку 10мс. Цей час є обумовлений теоретичною середньою швидкістю, з якою іони урану пересуваються за температури 4000К, тобто 6 х 10'см/с.

Вихідний матеріал, представлений відпрацьованим паливом

Окрім перетворення природного гексагідрату уранілнітрату в матеріали паливного класу, запропонована методика знайде застосування в інших областях, пов'язаних з обробкою, включаючи регенерацію речовин з відпрацьованих паливних стержнів з метою одержання потрібних компонентів.

Відпрацьоване паливо складається, головним чином, з порошку ОО» в поєднанні з різними продуктами поділу, звичайно з атомною масою, нижчою за 60, і малими кількостями 235) і плутонія. Шляхом перетворення цього матеріалу в нітратний розчин і введення цього розчину в процес, описаний вище, можуть бути здійснені описані нижче операції розділення.

Тут знову може бути застосований пристрій, показаний на фіг.1; у вхідній камері (12), розташованій після плазмового генератора, 235), ізотопи плутонія і 2381) (який складає переважну частину палива) повністю іонізовані. Більшість продуктів поділу, так само як і М, Н і О, залишаються в неіонізованому стані і, відповідно, не утримуються магнітним полем. Тому ці елементи можуть бути відкачані в потоці (14).

Потік продукту (14) може зазнавати подальшої обробки, включаючи операцію або операції процесу, запропонованого цим винаходом, щоб відокремити компоненти, ізотопи або елементи, до яких є зацікавленість, від інших частинок, що містяться в цьому потоку.

Тепер можна зібрати і/або піддати подальшій обробці потік продукту (16), утримуваний у магнітному полі. Потік продукту (16) може бути різко охолоджений (погашений), як описано вище, для одержання твердого продукту. Що стосується наступної обробки, продукт може бути підданий збагаченню звичайними способами. Можна використати процедури для належного відокремлення ізотопів 238), 2551) і плутонія одне від одного, за потребою, і таким чином отримати матеріал реакторного класу.

Вихідний матеріал, представлений тетрахлоридом титану

Як показано в частковому розрізі на фіг.4, в альтернативному варіанті здійснення винаходу вихідний матеріал може вводитися за допомогою додаткової системи, щоб забезпечити або гарантувати потрібний рівень іонізації певного визначеного компонента або компонентів.

У цьому конкретному прикладі вихідний матеріал є тетрахлоридом титану, а цільовим продуктом є металевий титан, але цей спосіб в рівній мірі може бути застосований до широкого спектра вихідних матеріалів.

У цій установці вихідний матеріал (2) проходить через плазмений генератор (4) і утримується в магнітному полі (8).

Температура плазми є такою, що вихідний матеріал розділяється на окремі атоми, частина яких може бути іонізована.

Згодом матеріал у цьому вигляді пропускають через блок електронного циклотронного резонансу (102) (блок ЕЦР), який спричиняє підведення додаткової енергії до плазми, обумовлене зіткненнями високоенергетичних електронів з компонентами. Згідно з відповідною фазовою діаграмою і за даного рівня енергії, забезпечуваного зіткненнями, як наслідок встановлення загального енергетичного рівня системи іонізуються певні визначені компоненти, в даному випадку - титан, в той час як інші компоненти, наприклад, хлор, залишаються в неіонізованій формі. Селективна іонізація відбувається завдяки рівноважному стану частинок, іонізованих і неіонізованих, який є домінуючим.

Згодом матеріал подається в камеру (12), де незаряджений хлор може бути виведений з магнітного поля у вигляді потоку (14). Цей хлор може бути потім повернений на попередні етапи загального процесу,

використовуваного для виробляння тетрахлориду титану.

Компонент, що залишився, титан, може бути оброблений, як показано на фіг.1 (з тими ж етапами обробки), або підданий іншій обробці.

Виробляння металевого урану

Запропонована методика в іншому варіанті здійснення винаходу, проілюстрованому за допомогою фіг.5, надає також зручний спосіб виробляння металевого урану. У рівній мірі він може бути застосований для одержання інших елементів шляхом розділення інших вихідних матеріалів на їхні складові елементи.

Звичайні способи використовують згадані вище операції концентрування, денітрації, відновлення і гідрофторування перед тим, як фторид урану буде перетворений в металеву форму шляхом введення його в реакцію з магнієм.

З іншого боку, запропонований спосіб пропонує зручний шлях відокремлення металевого урану від вихідного гексагідрату уранілнітрату.

Вихідний гексагідрат уранілнітрату (200) вводять в пристрій. Вихідний матеріал складається з таких елементів: уран, азот, кисень і водень, плазмовий генератор (202) мікрохвильового або ВЧ типу дуже швидко піддає вихідний матеріал впливу температури, що становить біля 4000К.

Навіть за нетривалого перебування цього досить для того, щоб розділити вихідний матеріал на його окремі елементарні форми, в багатьох випадках -- аж до окремих атомів. Отже, вихідний матеріал перетворюється в М, М,. М», О», Н і т.ін., з певною кількістю 0". Атомізований вихідний матеріал у плазмі утримується в магнітному полі (204), яке створюється магнітами (206).

Хоч сама плазма може спричинити часткову іонізацію деяких з наявних елементів, пристрій споряджений антеною (208) ЕЦР, для досягнення потрібного степеню іонізації. Антена (208) передає енергію електронам, наявним в плазмі; збільшена енергія електронів є такою, що при зіткненнях з компонентами вихідного матеріалу відбувається передача енергії. Зважаючи на рівноважний стан, в якому за домінуючих умов знаходяться частинки, задіяні в зіткненнях, відбувається іонізація одних елементів, але не відбувається іонізація інших. Імовірність іонізації для різних елементів вихідного матеріалу є різною, як описано вище. Так, уран, наприклад, іонізується за більш низького рівня енергії, що збуджує електрони, ніж кисень, водень і т.п.

Як наслідок, на час надходження робочого потоку до камери (210) він складається з іонізованих і неіонізованих компонентів. Неіонізовані компоненти можуть бути відкачані з камери (210) як потік продукту (214), оскільки їх не утримує магнітне поле. Заряджені компоненти, здебільшого уран, продовжують рухатися в робочому потоку (212) з плазмою, яку утримують додаткові магніти (216).

Введення в потік (212) хімічного матеріалу (218) викликає необхідну реакцію або фазову зміну відокремлених заряджених компонентів. Так, шляхом введення аргону за відносно низького енергетичного рівня, наприклад, 100 К, заряджені компоненти можуть бути дуже швидко перетворені в незаряджені компоненти і набути вигляд (готового,) продукту, через зіткнення холодного потоку (218) з потоком (212). У показаному на кресленні варіанті здійснення винаходу показано, що це перетворення здійснюється в одному каскаді шляхом введення хімічного матеріалу, але передбачається варіант з використанням першого каскаду для перетворення матеріалу із зарядженого в незаряджений, і другого - для перетворення його з газоподібної в тверду форму. Інертний характер додаваного газу забезпечує охолодження без ризику хімічного сполучення його з ураном. У результаті одержуємо металевий уран.

Природа хімічного матеріалу (218) і енергетичний рівень, за якого він додається, можуть бути використані для керування формою, структурою і хімічним складом продукту, що утворюється в камері (220), і продукту, що входить в потік продукту (224). Відповідно, кисень може бути введений для перетворення урану, наприклад, в ШО2, як альтернатива точному контролюванню енергетичного рівня, обумовленого введенням кисню, або інертний газ може бути введений для перетворення іонів урану в різновиди металевого урану.

Аналогічний технологічний маршрут може бути використаний для виробляння металевого урану з тетрафториду урану, одержуваного на стадії гідрофторування, згаданій вище застосовно до одержання урану з первинних джерел.

Передбачається також можливість обробляння першого потоку продукту (214) для використання його елементарних складових. Наприклад, в цьому випадку з потоку може бути виділений фтор для подальшого повторного використання на більш ранніх стадіях процесу обробки матеріалу.

Вихідний матеріал, представлений гексафторидом урану

У альтернативному процесі, що використовує запропоновану методику, вихідний матеріал (200) представлений гексафторидом урану. Селективна іонізація цього вихідного матеріалу дає заряджені іони урану і незаряджені атоми фтору. Розділення їх в камері (210) призводить до утворення потоку іонів урану (212) і потоку фтору (214). Після цього можна одержувати металевий уран як продукт (224) і повторно використовувати фтор, чи то в циклі обробки ядерного палива, чи то для інших цілей.

Передбачається особливе застосування цього процесу для обробки збідненого потоку, що виводиться в процесі хімічного або фізичного збагачення, згаданого вище. Цей збіднений потік містить гексафторид урану, концентрація 235Ц)Еє в якому низька, тому що 235ШЕє був вилучений, наскільки можливо, для подальшого використання, і переважна кількість гексафториду урану являє собою 238)Ев. Зараз цей матеріал не знаходить значного використання і зберігається як гексафторид урану протягом довгого часу.

Гексафторид урану є відносно летким і являє собою не ідеальну форму щіп зберігання.

Запропонована методика забезпечує можливість обробки цього збідненого потоку (або запасів цього продукту, що зберігаються), з одержанням корисних матеріалів. Наприклад, звільнений фтор може бути повернений в технологічний цикл для повторного використання, а новий кінцевий продукт, металевий уран, являє собою більш зручну форму для зберігання, або він може бути використаний для якихось цілей.

Таким чином, можуть бути одержані фтор і збіднений металевий уран.

Варіюючи хімічними матеріалами, що додаються до іонів урану, наприклад, під час різкого охолоджування, можна отримувати також інші сполуки, наприклад, можуть бути виготовлені такі продукти, як нітрид урану, карбід урану і оксид урану.

Ще один варіант здійснення винаходу схематично показаний на фіг. б, яка зображує ще один пристрій.

Цей пристрій буде описаний застосовно до відокремлення урану від вихідного гексафториду урану, але він зручно може бути застосований і для інших цілей.

Вихідний розчин гексафториду урану вводиться як потік (300) у вигляді пари. Вихідний матеріал швидко перетворюють в плазму за допомогою високочастотного плазмового генератора (302). плазмовий генератор працює за рівня тиску 2кПа, забезпечуючи суттєвою мірою стабільний рівень іонізації потрібних компонентів вихідного матеріалу завдяки високій інтенсивності зіткнень.

Контактні деталі плазмового генератора можуть бути виконані з керамічних фторидів, що забезпечує фізичні властивості, необхідні для того, щоб витримувати умови функціонування. В системі можуть використовуватися мідні поверхні, які охолоджуються шляхом контакту із трубами з водою. Потік води використовується для пониження температури мідних стінок і викликає конденсування фторида урану на цих стінках. Це забезпечує хімічну і термічну ізоляцію міді. Згодом встановлюється рівноважний стан, причому на стінці відкладається шар фторида урану певної товщини. Завдяки цьому забезпечується ефект самофутеровки.

Утворена плазма залишає генератор (302) через сопло (304) і утримується магнітним полем, яке схематично показане штриховими лініями (306). Використовується сопло радіусом біля ЗОмм, щоб підтримувати тиск всередині плазмового генератора (304) і забезпечувати потрібну швидкість потоку.

Залишивши плазмений генератор і увійшовши в зону 1 (308), плазма розширяється, що викликає охолодження. Проте робота, що виконується іонами урану в магнітному полі, призводить до часткового повторного нагріву. За потреби до плазми під час її подальшого просування в пристрої може бути підведена додаткова енергія, для підтримування температури на рівні, за якого потрібні компоненти залишаються іонізованими. Ця енергія може бути забезпечена за допомогою високочастотних засобів. Таким чином підтримується необхідна селективність, забезпечувана рівноважним станом.

Промінь матеріалу, що виходить з плазмового генератора, розширяється віялом із збільшенням відстані від плазмового генератора.

Перегородки (310, 312), що визначають різні зони, мають отвори, при виборі діаметрів яких зважають на це розширення.

Утримувальне магнітне поле має напруженість, приблизно, 0,1 Тесла. Такі рівні напруженості можуть забезпечуватися звичайними електромагнітами, хоча можуть використовуватися і надпровідні магніти.

Магнітне поле такої напруженості обмежує радіус потоку іонів урану значенням біля 180мм на відстані Зм від сопла. Кожна зона або каскад має довжину їм. Радіус променя, що розширюється, є приблизно пропорційним кореню четвертого степеню з пройденої променем відстані.

В зоні 1 (308) запроваджені вихідні отвори (314), що ведуть до вакуумного насоса (не показаний). Це дозволяє виводити з пристрою перші потоки відходів, які складаються з незаряджених матеріалів, здебільшого фтору. Трубопроводи для потоку відходів можуть бути виконані з алюмінію.

Тиск в зоні 1 становить близько 13Па, і за час проходження через цю зону тиск фтору в промені матеріалу істотно знижується -- до цього рівня. Надлишок фтору, що залишився, відкачують через вихідні отвори (314) з використанням звичайних насосів, представлених на ринку.

Промінь із зниженим змістом фтору далі проходить в зону 2 (316) через отвір (318) в перегородці (310).

Другій зоні (316) відповідає більш низький тиск, ніж першій, приблизно 5 Па, і з просуванням матеріалу через цю зону вміст фтору в промені знов знижується, у бік зазначеного рівня.

Далі промінь проходить в зону З (320) через отвір (322) в перегородці (312).

Цій зоні відповідає ще менший тиск, приблизно 2 Па, і надлишок фтору відкачують через вихідні отвори (324).

Істотно збіднений за фтором промінь потім проходить до виходу (326) для подальшого використання.

Іонізований газоподібний уран може вступати в контакт з сіткою певної конструкції для скидання заряду і пониження енергії урану до стану, в якому він переходить в тверду або рідку форму. Можна використати введення хімічного матеріалу, що забезпечує ефект гасіння і/або охолодження. У цьому випадку можна віддати перевагу використанню для охолодження урану інертного газу, щоб не відбувалося його хімічного сполучення з газами. У результаті утвориться металевий уран. Уран може бути охолоджений настільки, щоб довести його до твердого стану, або, альтернативно, може бути охолоджений лише частково, щоб залишити його в рідкій формі.

Фтор, що залишився в потоці уранового продукту (326), можна легко випарити з уранового продукту у вигляді фторида урану і відправити на повторне використання. Коли уран збирають як рідину, розділення може бути легко виконане іп 5йи. Переведений в летючий стан ШЕ буде, здебільшого, перетворений в Огв, який знову можна використовувати.

Аналогічний спосіб розділення є застосовний з ОБРа, ТіСіс і інших галогенидів металів.

Можуть бути запроваджені засоби для збору фтору, що вивільняється з рідини у вигляді газу, що відходить.

Для виготовлення посудини для збору рідини можуть бути використані керамічні фторидні або графітні матеріали.

На вихідні 12кг/год урану доводиться 5,7кг/год фтору. Очікується, що з цієї кількості фтору З,бкг/год будуть відкачані з зони 1; 1,3кг/год будуть відкачані з зони 2; 0,5кг/год будуть відкачані з зони 3; і 0,Зкг/год будуть залишатися в потоці уранового продукту (326). Вихід з цього продукту фтору у вигляді газу, що відходить, представленого ШЕз і/або ОРа, призводитиме до одержання дуже чистого уранового продукту, тобто з вмістом фтору на рівні мільйонних часток.

Різні варіанти здійснення винаходу, описані тут, тісно пов'язані одне з одним, і тому слід розуміти, що особливості, розглянуті окремо застосовно з одним або декількома аспектами або варіантами здійснення винаходу, можуть бути застосовані також і до інших варіантів.

!

Кк ; що в -Й о 4 Д - ща 12 у / - 5

І

(о, 10 є) г хх о | вач б ? . о | х

І ж о | | ж 16 (Ф. іт ше вищ й2-- 7-5

Я

-- ї 52 ї / х 58 ри ЦІ о ці 58

ФІГ. 1

Гексагідрат уранілнітрату, 4 молі при тиску 0,1 Па 2 дату дттт тт

КО

' К. 26 і ка то ттннннкстнтатня т о шушонн нн ння В снннуєтт Шу рез па дитин

З и

ЕН ' р о І щ

З ! 2. щ І / 7 - І ' - ! не І 22 0-2 і - 20- т І ук І ! |; в -3 і - о І 25,26 5 2 т І -а | 4 Й ! .

ОЇ

І

-58 -

Фо о ев) о Фо о о о о с гав ав о о о о о о Ф Гов;

ФО о о Га) о ев. ав. гав о с - се са -ї Іа іа ї- аз сті с

Температура в Кельвінах

Гексагідрат уранілнітрату, 4 моді при тиску 0,1 Па. 85 80 ! - в спайс с с о 7 у ух « / я о / їй й - і

З І ;

Ган о га і в | Ще е ' і х | М

І о-2 щ І 5 | І - и

Коти ' 5-3 | || | 82 ; : 1 щ щі й |! ; 86

І

' -5 о в; Фо о о о о о Фо с

Го ав гав о Га з ав ав, 8 се в сх яв гав) ай; Гаю) о Га са» се - см с - Та; (Те) се- со Ф о 4

Температура в Кельвінах

2 й

Л ра в «Щі; ШИ що 4 - 7

Кі 1027 ' вх

ЩЕ Х

12 І у -ьи

СУ, о хі

ФІГ. 4 200 202 зу я тля Щ М ши й и / 208 я ос 210 ! ши

Ще

І

ІТ, - 912 ; М я 218 -- - 7 х. я ч, 220

ФІТ. 5

Ці

З 300 в | 302

І Ці й о що й й 305

З18 ік 7 й / 314 х в ї

І ма І со ;тх БОЯМИ і

С ЕХ НЕ р

Д КОН О що

НД бозинн о ЗЕ 308 - ' ІП И І 77 ій ' ІН І: п- пк ОІВ і Заиї ни ОНР! 2 ло мк п ПІБ і ок чу б О11:1Н:: 1 хх 1:11 их мк ; НЯНИ; І ч-ж

БТТІ11ї х 318 - бОФРИ | "7 -- ер нн е Я І ФРІ РІЇ І - " 316 и ЖАНА ік с ІРР рі1БРРІ:І11 б

БІФРРРІР: І! их ІНННННННИ чи

НІ 21:11:11 ЗиТ -- б2:1:11:1:111 "х

А АН що -- Р ах су ГІРЕтТІ::а чиї 7 БРЕРРРІ1 чи 312 11:11:11 ех 327 7- 11:11:11 7 сІ11:1112:1 зи" ще і151:1:1:::1 ях р ФЕРРЕРБІРР - 320

РРРРН: м с- КЕФІРІ сх ї Щ 1 ї х 325 ' Ж х и | 324 г р і; зт й шодо ту 326 .

ФІГ. 6

Claims (37)

1. Спосіб розділення матеріалу, який складається з різнорідних компонентів, який включає в себе такі операції: а) введення вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів; р) перетворення зазначеного вихідного матеріалу в плазму або іонізовану форму; с) одержання щонайменше одного компонента в принаймні частково іонізованій формі і щонайменше одного іншого компонента в принаймні частково неіонізованій формі; Я) утримання зазначених плазми і/або іонів в магнітному полі; і е) відокремлення зазначених іонізованих компонентів від зазначених неіонізованих компонентів, який відрізняється тим, що забезпечують домінуючі умови, за яких зазначені іонізовані і неіонізовані компоненти вихідного матеріалу знаходяться одне з одним в рівноважному стані.
2. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що додатково включає перетворення принаймні частини відокремленого іонізованого компонента або компонентів в незаряджену форму.
3. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що іонізацію компонентів здійснюють за допомогою температури плазми і/або взаємодії зазначених компонентів з високо енергетичними електронами, отриманими шляхом електронного циклотронного резонансу.
4. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що іонізацією керують за допомогою рівня енергії, що підводиться.
5. 5. Спосіб за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що підведення енергії не є селективним відносно компонентів вихідного матеріалу.
6. 6. Спосіб за будь-яким з пп. 2-5, який відрізняється тим, що збирають один або обидва компоненти, і регулюють температурні умови у такий спосіб, щоб очистити зібраний компонент від домішок за допомогою випаровування.
7. 7. Спосіб за п. 6, який відрізняється тим, що домішки випаровують у вигляді сполук і зібраним компонентом і/або металом.
8. 8. Спосіб за будь-яким з пп. 1-7, який відрізняється тим, що розділення іонізованих і неіонізованих компонентів здійснюють шляхом виведення неіонізованого компонента з плазми, тоді як іонізований компонент утримується магнітним полем.
9. 9. Спосіб за будь-яким з пп. 1-8, який відрізняється тим, що розділення здійснюють в декількох каскадах, які функціонують за рівнів тиску, відмінних одне від одного, причому тиск в одному або декількох каскадах, розташованих ближче до вхідного отвору, є вищим за тиск в одному або декількох каскадах, розташованих на більшій відстані від вхідного отвору.
10. 10. Спосіб за п. 9, який відрізняється тим, що використовують три каскади з трьома зонами, причому перша зона функціонує за рівня тиску від 10 до 50 Па, друга зона функціонує за рівня тиску від 5 до 20 Па і третя зона функціонує за рівня тиску від 2 до 10 Па.
11. 11. Спосіб за будь-яким з пп. 2-10, який відрізняється тим, що зазначений компонент перетворюють в незаряджену форму шляхом зменшення рівня його кінетичної енергії.
12. 12. Спосіб за будь-яким з пп. 2-11, який відрізняється тим, що зазначений компонент перетворюють в незаряджену форму шляхом співударяння його з поверхнею, переважно з охолодженою поверхнею.
13. 13. Спосіб за будь-яким з пп. 2-11, який відрізняється тим, що зазначений компонент перетворюють в незаряджену форму шляхом додання певного хімічного матеріалу.
14. 14. Спосіб за п. 13, який відрізняється тим, що зазначений хімічний матеріал, який додають, має певний заздалегідь визначений рівень кінетичної енергії який дозволяє одержати зазначену необхідну незаряджену форму в газоподібній формі.
15. 15. Спосіб за п. 13 або 14, який відрізняється тим, що здійснюють додання хімічного матеріалу, або додання додаткового хімічного матеріалу на наступному етапі, у такий спосіб, щоб знизити рівень кінетичної енергії до такого стулена ,, коли утворюється твердий продукт.
16. 16. Спосіб за будь-яким з пп. 1-15, який відрізняється тим, що він включає додаткову операцію введення хімічного матеріалу, який має певний визначений рівень кінетичної енергії, і контактування його із зарядженим компонентом або компонентами, що залишилися, причому рівні кінетичної енергії зазначених зарядженого компонента і хімічного матеріалу є такі, що в результаті контактування одержують незаряджений компонент або, частинку.
17. 17. Спосіб за п. 16, який відрізняється тим, що в результуючій частинці є сполучені зазначені компоненти і додатковий, хімічний матеріал.
18. 18. Спосіб за будь-яким з пп. 1-17, який відрізняється тим, що необхідний компонент одержують із різнорідних ізотопів і/або елементів як металевої, так і неметалевої природи.
19. 19. Спосіб за будь-яким з пп. 1-18, який відрізняється тим, що вихідний матеріал приводять в газоподібну форму шляхом кип'ятіння і/або випаровуванням, і/або сублімації твердого або рідкого вихідного матеріалу.
20. 20. Спосіб за будь-яким з пп. 1-19, який відрізняється тим, що іонізують деякі або всі металеві елементи, наявні у вихідному матеріалі.
21. 21. Спосіб за п. 20, який відрізняється тим, що іонізують металеві елементи з атомною масою, більшою за 90.
22. 22. Спосіб за будь-яким з пп. 1-21, який відрізняється тим, що вихідний матеріал подають в молекулярній формі і селективне розділяють окремі атоми.
23. 23. Спосіб за будь-яким з пп. 1-22, який відрізняється тим, що вихідний матеріал вводять в утримувальне магнітне поле в неіонізованій формі.
24. 24. Спосіб за будь-яким з пп. 1-23, який відрізняється тим, що відокремлені незаряджені компоненти направляють на подальше повторне використання і/або піддають подальшій обробці.
25. 25. Спосіб за будь-яким з пп. 1-24, який відрізняється тим, що заряджені компоненти охолоджують і/або розряджають, одержуючи рідкий або твердий незаряджений продукт.
26. 26. Спосіб за. будь-яким з пп. 1-25, який відрізняється тим, що вихідний матеріал представлений відпрацьованим ядерним паливом, тетрафторидом урану, галогенідами металів, тетрахлоридом титану.
27. 21. Розділяльний пристрій, який містить: а) плазмений/іонний генератор; р) засіб для селективної іонізації вихідного матеріалу, який складається з різнорідних компонентів; с) засіб для генерування магнітного поля, який утворює магнітне поле для утримання плазми/онів; і а) засіб для виведення незаряджених компонентів з магнітного поля, який відрізняється тим, що зазначені плазмений/іонний генератор і засіб для селективної іонізації виконані з можливістю забезпечення для домінуючих умов рівноважного стану для іонізованих і неіонізованих компонентів вихідного матеріалу.
28. 28. Пристрій за п. 27, який відрізняється тим, що в ньому запроваджений засіб для перетворення принаймні деяких з відокремлених заряджених компонентів в незаряджену форму.
29. 29. Пристрій за п. 28, який відрізняється тим, що плазму/Лони генерують шляхом мікрохвильового або високочастотного нагрівання.
30. 30. Пристрій за будь-яким з пп. 27-29, який відрізняється тим, що для нагрівання і/або випаровування вихідного матеріалу використана піч, нагрівник, джерело мікрохвиль або випарник.
31. 31. Пристрій за будь-яким з пп. 27-30, який відрізняється тим, що одержаний частково іонізований і частково неіонізований матеріал є в рівноважному стані.
32. 32. Пристрій за будь-яким з пп. 27-31, який відрізняється тим, що засіб для виведення незаряджених компонентів містить насосну установку.
33. 33. Пристрій за будь-яким з пп. 27-32, який відрізняється тим, що неіонізовані компоненти матеріалу відокремлюють за допомогою одного або декількох каскадів.
34. 34. Пристрій за п. 33, який відрізняється тим, що каскади відокремлені одне від одного відокремлювальним елементом, в якому виконаний отвір.
35. 35. Пристрій за п. 34, який відрізняється тим, що зазначений отвір має радіус, практично відповідний радіусу плазмового/онного потоку на даній відстані від вхідного отвору, і радіуси одного або кількох отворів є приблизно пропорційні кореню четвертого степеня з відстані від вхідного отвору або сопла плазмового генератора.
36. 36. Пристрій за будь-яким з пп. 27-35, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить засіб для додання певного хімічного матеріалу до робочого потоку, що залишився, з забезпеченням гасильного і/або охолоджуючого впливу на компоненти, що залишилися.
37. 37. Пристрій за будь-яким з пп. 27-36, який відрізняється тим, що хімічний матеріал вводять на кількох етапах, і різні вхідні отвори рознесені одне від одного вздовж напрямку проходження робочого потоку.