способ переработки гексафторида урана и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переработки гексафторида урана, включающий подачу основного потока газообразного гексафторида урана в генератор уран-фторной плазмы в виде индукционного частотного плазмотрона, подачу дополнительного потока газообразного гексафторида урана в дополнительный контур до генератора уран-фторной плазмы, формирование кластера уран-фторной плазмы из основного и дополнительного потоков гексафторида урана на входе в генератор уран-фторной плазмы, формирование потока уран-фторной плазмы в разделительной камере магнитного сепаратора, удаление нейтрального атомарного фтора из потока уран-фторной плазмы, конденсацию урана, сбор расплава металлического урана, формирование слитка металлического урана и вывод сформированного слитка урана, при этом осуществляют прецессию кластера уран-фторной плазмы по конической поверхности в скин-слое путем магнитного и/или газодинамического сканирования дополнительного потока гексафторида урана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитное сканирование осуществляют путем наложения магнитного поля.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газодинамическое сканирование осуществляют путем танценциально направленного дополнительного потока гексафторида урана.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скин-слой формируют на уровне высоковольтного витка индуктора плазмотрона.

5. Устройство для переработки гексафторида урана, состоящее из средства для подачи основного потока гексафторида урана, соединенного с генератором уран-фторной плазмы, выполненного в виде индукционного частотного плазмотрона, соединенного с камерой разделения уран-фторной плазмы, выполненной в виде магнитного сепаратора, соединенной со средствами откачки фтора, а в нижней части - со средством в виде «холодного тигля» для конденсации, сбора расплава металлического урана, формирования слитка металлического урана и вывода сформированного слитка урана, при этом к верхней части генератора плазмы подсоединен дополнительный контур, состоящий из дополнительного источника электропитания, адаптера, насадки, средства для ввода дополнительного потока гексафторида урана для формирования из него совместно с основным потоком гексафторида урана на входе в генератор кластера уран-фторной плазмы и средства для газодинамического и/или магнитного сканирования дополнительного потока гексафторида урана.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для магнитного сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде кольцевого соленоида.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для газодинамического сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде установленных тангенциально к боковой поверхности насадки патрубков ввода гексафторида урана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии переработки гексафторида урана - одного из ключевых продуктов ядерного топливного цикла. Применение изобретения наиболее предпочтительно для регенерации урана и фтора из гексафторида урана отвального по изотопу U-235.

Известен способ переработки гексафторида урана, (патент РФ № 2090510, опубл. 20.09.97), включающий его взаимодействие с парами воды при высокой температуре и последующее разделение твердой и газовой фаз, при этом взаимодействие гексафторида урана с парами воды осуществляют в плазме водяного пара за зоной разряда, водяной пар берут в избытке, не превышающем 5% по отношению к стехиометрическому количеству, удельные энергозатраты составляют не менее 0,5 кВт·ч/кг гексафторида урана при времени обработки не менее 4,1·10^-3 с и после разделения фаз газовую фазу конденсируют и ректификацией выделяют безводный фторид водорода и азеотроп фторид водорода вода, при этом для создания 5% избытка водяного пара используют азеотроп фторид водорода вода.

Технология основана на конверсии отвального UF₆ в плазме водяного пара (Н-ОН-плазма) при стехиометрическом или близком к нему соотношении UF₆ и (Н-ОН)-плазмы.

Достигнутые технические результаты:

- производительность - 0.14-0.15 т UF₆/ч;

- мощность плазменного реактора - 0.26 МВт;

- мольное соотношение (Н-ОН)/UF₆=3-4;

- концентрация HF в газовом потоке перед входом в конденсатор - до 88.5%;

- концентрация HF в газовом потоке после конденсатора - до 95.4%;

- выход фтора в целевые продукты (безводный HF и плавиковая кислота) - 96-98%;

- содержание фтора в оксидах урана до 2%;

- средние энергозатраты - 1.7-1.9 кВт·ч/кг UF₆.

К настоящему времени выявились некоторые недостатки этой технологии:

- неполное извлечение фтора в безводный фторид водорода (~90%);

- оксиды урана - приемлемая, но неудобная форма хранения и особенно утилизации собственно отвального урана; кроме того, оптимизация процесса с точки зрения максимального извлечения фтора приводит к ухудшению физико-химических свойств оксидов урана, препятствующих какому-либо их применению в ядерно-топливном цикле.

Известна плазменно-водородная концепция переработки отвального гексафторида урана, в соответствии с которой продуктами переработки является безводный фторид водорода и расплав металлического урана; последний гораздо более соответствует и потребностям утилизации, и хранения - патент РФ N 2120489 от 24.06.97. БИ № 29 от 20.10.98. Процесс основан на водородном восстановлении гексафторида урана при высоких температурах, осуществляется в одном технологическом аппарате и состоит из четырех последовательно-параллельных стадий. Первая стадия заключается в восстановлении урана из гексафторида урана до элементного урана или до низших фторидов урана. Эта промежуточная цель достигается возбуждением электрического разряда в потоке смеси газообразного гексафторида урана с водородом; при этом смесь UF₆+H₂ превращается в уран-фторводородную плазму, содержащую смесь атомов урана, водорода и фтора, молекулы фторидов урана, фтора, водорода, положительно и отрицательно заряженные ионы и электроны. Если при этой операции температура плазмы составляет при атмосферном или близком к нему давлении 6000 К, основная часть урана содержится в виде атомов U, т.е. в газовой фазе имеет место полное восстановление урана.

На второй стадии продукты восстановления гексафторида урана переводят в конденсированную фазу, в которой замедляются рекомбинационные процессы, а процесс восстановления урана продолжается до получения жидкого урана. Для этого уран-фторводородную плазму, полученную на первой стадии, направляют на ванну расплава тетрафторида урана, которую получают следующим образом. Загрузку тетрафторида урана помещают в охлаждаемую цилиндрическую оболочку, прозрачную для частотного электромагнитного поля, устойчивую к коррозионному действию расплава фторидов урана. Указанную оболочку вставляют в индуктор частотного генератора соосно с разрядной камерой, в которой получают (U-F-H)-плазму. Поток плазмы взаимодействует с поверхностью загрузки тетрафторида урана и плавит верхний слой последней. На индуктор подают частотное напряжение; зона расплава тетрафторида урана взаимодействует с частотным полем, отчего вся загрузка быстро разогревается за счет прямого индукционного нагрева и плавится. На поверхности расплава UF₄ при взаимодействии с (U-H-F)- плазмой происходит конденсация урана и низших фторидов урана; одновременно происходит диспропорционирование последних в соответствии с уравнениями:

По мере протекания реакций (1-3) в конденсированной фазе происходит интенсивный массообмен, обусловленный соотношениями температур плавления и плотностей получающихся продуктов. Температура плавления урана - 1133°C, плотность - 19.04 г/см³ ; температура плавления тетрафторида урана - 1036°C, плотность составляет 6.43-6.95 г/см³; температура плавления трифторида урана - 1427°С, плотность - 8.95 г/см³ . Первым плавится тетрафторид урана, далее уран, последним трифторид урана. Из-за большого различия в плотности урана и фторидов урана происходит осаждение урана и всплывание фторидов урана в поверхностный слой, подвергаемый воздействию водородной плазмы, причем тетрафторид урана будет всплывать в расплаве трифторида урана.

Таким образом, в течение нескольких минут под действием потока плазмы и прямого частотного нагрева происходит полное восстановление урана из гексафторида урана и первоначальной загрузки тетрафторида урана. Убыль последнего непрерывно восполняют фторидами урана из (U-F-H)-плазмы. При этом фтор связывается в газообразный фторид водорода, который улетучивается из зоны восстановления урана. Для повышения устойчивости радиочастотного разряда улучшают связь радиочастотного генератора с нагрузкой - потоком плазмы - путем введения дополнительного источника электропитания и адаптера, в качестве которых может быть использован волновод, индуктор, внешние электроды, внутренние электроды и т.п.

Третья стадия, осуществляемая одновременно с двумя первыми, - выведение жидкого урана из нижней части реактора-оболочки и розлив его в охлаждаемые изложницы.

Четвертая стадия, осуществляемая одновременно с тремя первыми, - выведение и сбор второго товарного продукта - безводного фторида водорода. Вывод газообразного фторида водорода осуществляют через фильтрационный модуль, состоящий из многослойных регенерируемых металлокерамических элементов, не пропускающих микронные и субмикронные порошки и аэрозоли и тем самым обеспечивающих безопасность процесса от бесконтрольного проникновения пирофорного продукта за пределы технологической зоны.

Далее поток безводного фторида водорода, очищенный от дисперсной фазы, конденсируют, собирают в виде жидкости в транспортные емкости и направляют на реализацию или на подпитку электролизных ванн для получения элементного фтора. Существенный недостаток этого процесса - невысокие скорости реакций (1-3).

Альтернатива этому процессу - способ и устройство переработки гексафторида урана, заявленные в патенте РФ № 2216390, опубл. 20.11.2003, аналог-заявка WO № 97/34684. Поток газобразного гексафторида урана UF ₆ вводят в микроволновый или радиочастотный плазматрон, снабженный адаптером для повышения устойчивости разряда с повышением давления, для чего требуется повысить связь радиочастотного генератора с нагрузкой (индуктор для радиочастотного индукционного плазматрона; волновод - для микроволнового плазматрона), в котором исходное сырье конвертируют в поток уран-фторной плазмы с температурой около 4000 К. При использовании радиочастотного индукционного разряда плазматрон выполнен водоохлаждаемым из продольных медных секций, разделенных диэлектрическими вставками, прозрачный для электромагнитного излучения с индуктора радиочастотного генератора. Этот плазмотрон далее для упрощения называется металлодиэлектрическим плазмотроном. Это название раскрывает принцип его работы: каркас выполнен из немагнитного металла, герметичные диэлектрические вставки обеспечивают свободное проникновение магнитного поля внутрь плазматрона.

При использовании микроволнового разряда плазматрон выполнен в виде металлической трубы из немагнитного металла, в которую под углом 90° вставлены один или несколько волноводов, идущих от магнетронов микроволновых генераторов.

Поток уран-фторной плазмы поступает в камеру разделения, в которой его обжимают магнитным полем, напряженностью примерно 0.1 Тесла, создаваемым магнитом. Для достижения заданной степени ионизации урана в потоке уран-фторной плазмы снаружи потока устанавливают антенну электронного циклотронного резонанса. Эта антенна сообщает электронам плазмы дополнительную энергию, которую они тратят на ионизацию атомов урана, в то время как атомы фтора остаются нейтральными. Этот атомарный фтор откачивают из потока уран-фторной плазмы сухими насосами, создавая, таким образом, поток фтора. Поток ионов урана обжимают магнитным полем от другого магнита, при этом возникает урановый луч, направленный вниз.

Поток урана направляют на ванну расплава урана в графитовом тигле, который, по мере заполнения, удаляют и одновременно заменяют его с помощью карусельного устройства другим тиглем без нарушения вакуума.

Камеру разделения разделяли на три зоны перегородками, снабженными отверстиями, причем в первой зоне поддерживали давление в интервале 10-50 Па, во второй 5-20 Па, в третьей 2-10 Па. Каждая из этих зон снабжена индивидуальными насосами для откачки фтора.

Аппарат для конверсии потока гексафторида урана в потоки конденсированного урана и газообразного фтора включал:

- радиочастотный или микроволновый генератор уран-фторной плазмы и потока ионов урана;

- средства для селективной ионизации урановой компоненты плазмы;

- средства для разгона потока уран-фторной плазмы до сверхзвуковых скоростей;

- средства для генерирования магнитного поля, обжимающего заряженную компоненту плазмы (ионы урана);

- средства для удаления незаряженной компоненты (фтора) из потока уран-фторной плазмы, обжатой магнитным полем;

- средства для вывода расплавленного урана.

Поток уран-фторной плазмы вводили из плазмотрона в камеру разделения через сопло, отверстия в перегородках соответствовали диаметрам первичного потока уран-фторной плазмы и вторичного потока ионов урана. Диаметр первичного и вторичного потоков постепенно увеличивался по аксиальной координате процесса, поэтому диаметры отверстий в перегородках также увеличивали, чтобы не создавать сопротивления нисходящему потоку уранового материала и обеспечивать падение давления при движении по аксиальной координате аппарата.

Для того чтобы удерживать поток ионов урана по центру камеры, в каждом из трех отсеков аппарата размещали индукторы, питаемые от отдельного источника электропитания, создающие магнитное поле. Диаметр сопла на выходе из плазмотрона достигает 0.03 м; этого достаточно, чтобы поддерживать в камере давление около 2 кПа и обеспечить нужную скорость потока уран-фторной плазмы. Этот поток на выходе из сопла в камеру расширяется и, в соответствии с эффектом Джоуля-Томсона, имеет тенденцию к самоохлаждению. Поэтому второе назначение вышеупомянутых индукторов - индукционный нагрев потока плазмы, компенсирующий первоначальное охлаждение и позволяющий поддерживать температуру в потоке плазмы на уровне, достаточном для того, чтобы уран находился в виде ионов U⁺¹.

Поток ионов урана удерживают по центру камеры магнитным полем напряженностью примерно 0.1 Тесла. Таким образом, в камере производят разделение компонентов уран-фторной плазмы и создают два материальных потока: поток атомарного фтора, который направляют на утилизацию, и поток ионов урана, который продвигают в магнитном поле в коллектор, заполненный расплавом урана. Поток урана выгружают из камеры в виде расплава, который разливают в изложницы. При производительности установки 17.75 кг UF₆/ч получают 12 кг U/ч; при этом возникает поток фтора 5.7 кг/ч.

Недостатками этого решения является то, что радиочастотный разряд (диапазон частот 0.5-14 МГц) неустойчиво горит в электроотрицательном газе, каким является гексафторид урана, UF₆ или уран-фторная плазма при давлениях около 4 кПа и выше. Чем ниже частота радиочастотного генератора, тем ниже разрешенный интервал давлений, в котором разряд горит устойчиво. В то же время мощность высокочастотных источников электропитания возрастает с понижением частоты. Кроме того, электрический разряд в таких газах, как UF₆, сопровождается сильным самоохлаждением плазмы из-за эндотермических эффектов разложения UF₆ и его фрагментов.

В связи с этими ограничениями любые технологические и металлургические аппараты, снабженные высокочастотными индукционными плазмотронами, имеют ограничения по давлению, частоте и ресурсу работы.

Чтобы снять эти ограничения, необходимо снабдить плазмотрон дополнительным устройством, которое вносит в разряд дополнительную мощность от автономного источника электропитания, с помощью которой можно проложить более надежный канал электропитания плазменного реактора.

Микроволновый разряд в гексафториде урана, UF ₆ (частоты 900 и 2450 МГц) сравнительно устойчиво горит даже при давлении, близком к атмосферному. Однако недостатком микроволнового разряда является сравнительно низкая температура газоразрядной плазмы (~5000 К при атмосферном давлении), что ограничивает возможности при поддержании стационарного режима, в котором уран полностью ионизован, а фтор - по преимуществу нейтрален.

Практическое использование циклотронного резонанса электронов для ионизации урана в уран-фторной плазме затруднительно, поскольку исходная температура уран-фторной плазмы 4000 К низка не только для ионизации атомов урана, но и для полной диссоциации фторидов урана. Кроме того, использование антенн внутри устройства слишком усложняет конструкцию.

В связи с изложенным для переработки гексафторида урана предлагается использовать радиочастотный разряд, при этом для повышения устойчивости радиочастотного разряда с повышением давления устанавливают дополнительный контур со вспомогательным источником электропитания и адаптером, например, как в патенте № РФ N2120489. Но это решение также не вполне обеспечивает устойчивость радиочастотного разряда.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является дальнейшее повышение устойчивости радиочастотного разряда путем улучшения связи радиочастотного генератора с нагрузкой - потоком уран-фторной плазмы, что приводит к расширению функциональных и технологических возможностей заявляемого технического решения.

Для достижения указанного результата предложен способ переработки гексафторида урана, включающий подачу основного потока газообразного гексафторида урана в генератор уран-фторной плазмы, выполненный в виде индукционного частотного плазмотрона, подачу дополнительного потока газообразного гексафторида урана в дополнительный контур до генератора уран-фторной плазмы, формирование кластера уран-фторной плазмы из дополнительного потока гексафторида урана на входе в генератор уран-фторной плазмы, формирование потока уран-фторной плазмы в разделительной камере магнитного сепаратора, удаление нейтрального атомарного фтора из потока уран-фторной плазмы, конденсация и сбор расплава урана в устройстве типа «холодный тигель», формирование слитка металлического урана, при этом осуществляют прецессию кластера уран-фторной плазмы по конической поверхности в скин-слое путем магнитного и/или газодинамического сканирования дополнительного потока гексафторида урана.

Кроме того, магнитное сканирование осуществляют путем наложения магнитного поля. Газодинамическое сканирование осуществляют путем тангенциально направленного дополнительного потока гексафторида урана.

Скин-слой формируют на уровне высоковольтного витка индуктора плазматрона.

Также предложено устройство для переработки гексафторида урана, состоящее из средства для ввода основного потока гексафторида урана, соединенного с генератором уран-фторной плазмы, выполненного в виде индукционного частотного плазмотрона, соединенного с камерой разделения уран-фторной плазмы, выполненной в виде магнитного сепаратора, соединенной со средствами откачки фтора, а в нижней части - со средством для сбора и выводы расплава урана, при этом к верхней части генератора плазмы подсоединен дополнительный контур, состоящий из дополнительного источника электропитания, адаптера, насадки для ввода дополнительного потока гексафторида урана и средства для газодинамического и/или магнитного сканирования дополнительного потока гексафторида урана.

При этом средство для магнитного сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде кольцевого соленоида.

При этом средство для газодинамического сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде установленных тангенциально к боковой поверхности насадки патрубков ввода гексафторида урана.

На фигуре 1 и 2 схематично показан вариант выполнения устройства для переработки гексафторида урана.

Устройство состоит из камеры разделения 1, выполненной в виде магнитного сепаратора и разделенной перегородками 2 на три зоны I, II, III. В перегородках 2 выполнены отверстия 3, формирующие потоки уран-фторной плазмы. Индукторы 4 магнитного сепаратора соединены с источником электропитания 5. Каждая зона камеры разделения соединена патрубками для откачки фтора 6 с насосами (на фигуре не показаны). Генератор уран-фторной плазмы 7 выполнен в виде частотного индукционного плазмотрона, представляющего собой трубу из металлодиэлектрического материала. Индуктор 8 соединен с основным источником электропитания 9 - радиочастотным генератором. Плазмотрон 7 соединен с камерой разделения 1 соплом 10. В верхней части плазмотрона расположена насадка 11, соединенная с адаптером 12, подключенным к вспомогательному источнику электропитания 13. Основной поток UF₆ подают по трубопроводу 14 в плазматрон 7 через отверстие в насадке 11. Дополнительный поток UF₆ подают по трубопроводу 15 в адаптер 12 через установленную на нем насадку 27, выполненную из немагнитного материала. Для магнитного сканирования указанного потока на адаптере установлен кольцевой соленоид 28, В нижней части камеры разделения 1 расположено выпускное отверстие 16 для сбора расплава металлического урана в устройстве типа «холодный тигель» 17. Индукторы 18 «холодного тигля» соединены с источником электропитания 19. Сформированный слиток урана 20 вытягивают с помощью устройства 21.

Магнитное поле, формируемое в камере разделения 1, условно показано линиями 22, магнитное поле удерживает поток плазмы урана 23 по центру камеры 1.

На фигуре 2 более подробно показано выполнение верхней части устройства.

В верхней части плазмотрона 7 формируют кластер уран-фторной плазмы 24, при этом на уровне первого высоковольтного витка индуктора 8 формируется скин-слой с внешней границей 25, которая проходит на расстоянии, примерно, половины внутреннего радиуса генератора плазмы 7. Далее в плазмотроне формируется поток уран-фторной плазмы 26.

На фигуре 3 показано расположение скин-слоя в сечении на уровне высоковольтного первого витка индуктора плазмотрона 8.

В описании изобретения при использовании терминов понимают следующее.

Кластер уран-фторной плазмы - поток плазмы, сформированный из дополнительного и основного потоков гексафторида урана в верхней части плазмотрона до первого витка индуктора 8.

Скин-слой - это слой, в котором выделяется ~95% мощности, поглощенной проводящей средой с индуктора за счет, т.н. скин-эффекта.

Скин-эффект или поверхностный эффект - затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды (коэффициент затухания - ), в результате которого переменный ток по сечению проводника распределяется не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое (скин-слой). Чем выше частота электромагнитного поля и чем больше магнитная проницаемость µ проводника, тем сильнее вихревое электрическое поле в этом слое, создаваемое переменным магнитным полем. Чем выше проводимость проводника ( ), тем больше плотность тока и рассеиваемая в этом слое мощность.

На глубине x= =1/ амплитуда электромагнитных волн уменьшается в е раз. Эту глубину условно принимают за толщину скин-слоя (Физический энциклопедический словарь, М.: Большая российская энциклопедия, 1995).

Магнитное сканирование - закручивание потока уран-фторной плазмы за счет наложения магнитного поля с помощью кольцевого соленоида 28.

Газодинамическое сканирование - закручивание потока уран-фторной плазмы за счет тангенциального ввода дополнительного потока уран-фторной плазмы в насадку 27 дополнительного контура.

Прецессия - движение кластера уран-фторной плазмы по поверхности конуса, основанием которого является скин-слой.

Данное изобретение основано на том, что мощность радиочастотного генератора 9 выделяется не по всему сечению трубы плазмотрона 7, а в скин-слое, см. фиг.3. Поэтому поток уран-фторной плазмы, сформированный в виде кластера 24 на входе в плазмотрон, должен быть направлен не по центру, а в скин-слой, внешний радиус которого равен примерно половине радиуса плазмотрона. Учет наличия скин-слоя означает, что дополнительный поток гексафторида урана должен быть изначально закручен для того, чтобы сформированный кластер совершал движение, описывая коническую поверхность, в основании которой лежит скин-слой, т.н. прецессия. Этого можно достичь за счет магнитного сканирования потока путем установки кольцевого соленоида 28 на дополнительном контуре. Также дополнительный поток уран-фторной плазмы может быть изначально закручен путем газодинамического сканирования за счет тангенциального ввода в насадку 27. Может применяться магнитное и газодинамическое сканирование совместно. При смешении двух потоков гексафторида урана формируется кластер уран-фторной плазмы 24. Для каждого конкретного устройства должен быть произведен расчет необходимых параметров: скорости потоков, магнитных характеристик и пр. В результате адресного направления потока гексафторида урана повышается устойчивость связи нагрузка - индукционный разряд.

Устройство работает следующим образом.

Оба источника электропитания (радиочастотный генератор 9 и вспомогательный генератор 13) включают одновременно, подают охлаждение во все охлаждаемые элементы установки: металлодиэлектрического плазмотрона 7, насадки 11 и 27 и пр. Нагревают трубопроводы подачи UF ₆, чтобы избежать конденсации сырья. Затем включают подачу дополнительного потока UF₆ в насадку 27 и генерируют через адаптер 12 вспомогательный поток (U-F)-плазмы; этот поток плазмы транспортируют в металлодиэлектрический плазмотрон 7, куда подают основной поток UF₆, а на индуктор 8 радиочастотного генератора 9 подают радиочастотное напряжение. Радиочастотное электромагнитное поле свободно проникает внутрь металлодиэлектрического плазмотрона через разрезы. В металлодиэлектрическом плазмотроне возникает радиочастотный индукционный разряд, поддерживаемый вспомогательным потоком (U-F)-плазмы, который совершает прецессию вокруг центра плазмотрона по кольцу скин-слоя и усиливает взаимодействие генератора с нагрузкой.

Выполнение дополнительного контура может быть различным, например:

- если в качестве основного источника электропитания используют генератор радиочастотной индукционной (U-F)-плазмы 9, то дополнительный контур может быть выполнен с перераспределением колебательной энергии по двум каналам: канал связи через факельный электрод и индукционный канал;

- если в качестве основного источника электропитания используют генератор радиочастотной индукционной (U-F)-плазмы 9, то дополнительный контур может быть выполнен с использованием в качестве дополнительного источника электропитания 13 электродугового плазмотрона;

- если в качестве основного источника электропитания используют генератор радиочастотной индукционной (U-F)-плазмы 9, то дополнительный контур может быть выполнен с использованием в качестве дополнительного источника электропитания 13 микроволнового плазмотрона, работающего на UF₆.

Далее поток (U-F)-плазмы подают в магнитный сепаратор 1 для последующей обработки:

последовательного прохождения секций I, II, III, в которых через отверстия удаляется фтор, а в конце камеры разделения поток практически чистой урановой плазмы выходит через отверстие 16 и собирается в в виде расплава металлического урана в устройстве 17, известном под названием "холодный тигель" /см. I.N.Toumanov Plasma and High Frequency Processes for Obtaining and Processing Materials in the Nuclear Fuel Cycle. The 2nd Edition, reprocessed, supplemented. N.Y., Nova Science Publishers, 2008, 660 p.p./. "Холодный тигель" находится внутри индуктора частотного генератора 18. Расплав урана в "холодном тигле" создают одновременно с началом собственно процесса восстановления урана из гексафторида урана: для этого в "холодный тигель" предварительно помещают некоторое количество урана и плавят его, подавая частотное напряжение на витки индуктора 18 от частотного источника электропитания 19.

Расплав урана отжимается в магнитном поле "холодного тигля" и практически не соприкасается с водоохлаждаемыми медными профилированными трубками "холодного тигля". В дно "холодного тигля" вмонтировано устройство для вытягивания уранового слитка 21.

Для формирования расплава урана используют сравнительно низкую частоту - 2400-2500 кГц. На этой частоте электромагнитные силы практически полностью отжимают расплав урана от стенок "холодного тигля". Вследствие этого отжатия в верхней части расплава образуется мениск 29, особенностью которого является демпфирование им изменений мощности, вводимой в расплав. Благодаря этим явлениям стенки "холодного тигля" испытывают меньшую нагрузку и повышается качество уранового слитка, вытягиваемого из "холодного тигля". Чистота вытянутого уранового слитка по химическим примесям определяется, таким образом, чистотой гексафторида урана. Остаточное содержание фтора в уране составляет ~10^-4% вес.

В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим схему, где дополнительный контур состоял из вспомогательного источника электропитания 13 - микроволнового генератора, соединенного волноводами с плазмотроном 7.

Был использован четырехугольный волновод для передачи электромагнитной энергии от микроволнового генератора, который стыкуется под прямым углом с круглым волноводом, в который подают дополнительный поток газообразного UF₆ . В месте стыковки находится конвертор моды - трансформатор электромагнитной волны H₀₁ в волну H₁₁. Круглый волновод - это одновременно микроволновый плазмотрон, работающий на дополнительном потоке газообразном UF₆, подаваемом по трубопроводу 15. Диэлектрическая вставка (герметизатор-развязка), выполненная из оксида алюминия, разделяет микроволновый генератор и микроволновый плазмотрон.

Установленная мощность радиочастотного генератора 9-100 кВт, колебательная мощность - 25-60 кВт, частота 5.25 МГц. Температура воды, охлаждающей металлодиэлектрическую разрядную камеру, фланца, питающих трубопроводов составляла 73°С. Ввод основного потока UF₆ составлял 9.2-17.6 кг/ч.

Мощность микроволнового генератора (U-F)-плазмы ~5 кВт, частота 2.45 ГТц. Стандартный четырехугольный волновод имел поперечное сечение 90×45 мм; такой волновод удобен для перехода к круглому волноводу, который, в свою очередь, является транспортным трубопроводом (U-F)-плазмы для стыковки с металлодиэлектрической трубой плазмотрона. Расход UF₆ в круглом волноводе поддерживают в интервале 1.2-2.3 кг/ч. Принудительную прецессию вспомогательного потока плазмы по кольцу скин-слоя осуществляли с помощью магнитного сканирования. Для этого на круглый волновод устанавливали кольцевой соленоид.

Давление в металлодиэлектрической трубе плазмотрона составляло 41-83.8 кПа. Понижение частоты с 5.25 МГц до 1.76 МГц не сопровождается понижением устойчивости разряда в UF₆.

Расчеты показали, что при производительности 76 кг UF₆/ч получают 51.4 кг U/ч; при этом возникает поток фтора 24.6 кг/ч: при такой производительности ~17.1 кг фтора/ч откачивают из зоны (I), ~5.97 кг фтора/ч откачивают из зоны (II), ~1.53 кг фтора/ч откачивают из зоны (III).

Таким образом происходит следующее.

1. Повышается устойчивость радиочастотного индукционного разряда в гексафториде урана (и в других сильно электроотрицательных газах) до давлений, по крайней мере, ~10² кПа.

2. Возможно для получения потоков (U-F)-плазмы использовать в качестве источников электропитания более мощные частотные генераторы более низкой частоты (0.3-0.44 МГц и пр.).

3. При введении в металлодиэлектрический плазмотрон частотного генератора дополнительного адресного потока мощности имеется возможность менять количественное соотношение основного и дополнительного потоков (U-F)-плазмы в широких пределах: от уровня мощности, требуемой для простого зажигания разряда и стабилизации до сопоставимых по величине потоков.