[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

RU2453620C1 - Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same - Google Patents

Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same Download PDF

Info

Publication number
RU2453620C1
RU2453620C1 RU2011121057/02A RU2011121057A RU2453620C1 RU 2453620 C1 RU2453620 C1 RU 2453620C1 RU 2011121057/02 A RU2011121057/02 A RU 2011121057/02A RU 2011121057 A RU2011121057 A RU 2011121057A RU 2453620 C1 RU2453620 C1 RU 2453620C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
uranium
plasma
hexafluoride
fluorine
stream
Prior art date
Application number
RU2011121057/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Николаевич Туманов (RU)
Юрий Николаевич Туманов
Геннадий Юрьевич Григорьев (RU)
Геннадий Юрьевич Григорьев
Денис Юрьевич Туманов (RU)
Денис Юрьевич Туманов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт"
Priority to RU2011121057/02A priority Critical patent/RU2453620C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2453620C1 publication Critical patent/RU2453620C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: procedure for processing uranium hexafluoride involves supply of the main stream of gaseous uranium hexafluoride into uranium-fluorine plasma generator, supply of an additional flow of gaseous uranium hexafluoride into an additional circuit to the uranium-fluorine plasma generator, forming of a cluster of uranium-fluorine plasma out of the primary and secondary streams of uranium hexafluoride at the entrance to the uranium-fluorine plasma generator. Then uranium-fluorine plasma flow is formed in the separation chamber of the magnetic separator, removal of the neutral atomic fluorine from the uranium-fluorine plasma flow, condensation of uranium, collecting of molten metallic uranium, formation of a bar of metallic uranium and output of the formed uranium bar. The precession of a cluster of uranium-fluorine plasma is performed along a conical surface in the skin layer by means of magnetic and/or gas-dynamic scanning of additional flow of uranium hexafluoride. A device for implementation of the said procedure is also suggested.
EFFECT: increased stability of the radio frequency discharge by improving the communication of radio frequency generator with the load - the flow of uranium-fluorine plasma of uranium hexafluoride.
7 cl, 3 dwg

Description

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.The invention relates to the processing technology of uranium hexafluoride - one of the key products of the nuclear fuel cycle. The use of the invention is most preferred for the recovery of uranium and fluorine from uranium hexafluoride dump in the isotope 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.A known method of processing uranium hexafluoride, (RF patent No. 2090510, publ. 09/20/97), including its interaction with water vapor at high temperature and the subsequent separation of solid and gas phases, while the interaction of uranium hexafluoride with water vapor is carried out in a water vapor plasma for the discharge zone, water vapor is taken in excess not exceeding 5% with respect to the stoichiometric amount, the specific energy consumption is at least 0.5 kWh / kg of uranium hexafluoride at a treatment time of at least 4.1 · 10 -3 s and after separation phases gas the base is condensed and anhydrous hydrogen fluoride and an azeotrope hydrogen fluoride water are isolated by rectification, and an azeotrope hydrogen fluoride water is used to create a 5% excess water vapor.

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.The technology is based on the conversion of dump UF 6 in water vapor plasma (H-OH plasma) at a stoichiometric or close ratio of UF 6 and (H-OH) plasma.

Достигнутые технические результаты:Technical results achieved:

- производительность - 0.14-0.15 т UF6/ч;- productivity - 0.14-0.15 t UF 6 / h;

- мощность плазменного реактора - 0.26 МВт;- the power of the plasma reactor is 0.26 MW;

- мольное соотношение (Н-ОН)/UF6=3-4;- molar ratio (H-OH) / UF 6 = 3-4;

- концентрация HF в газовом потоке перед входом в конденсатор - до 88.5%;- the concentration of HF in the gas stream before entering the condenser is up to 88.5%;

- концентрация HF в газовом потоке после конденсатора - до 95.4%;- the concentration of HF in the gas stream after the condenser is up to 95.4%;

- выход фтора в целевые продукты (безводный HF и плавиковая кислота) - 96-98%;- fluorine yield in the target products (anhydrous HF and hydrofluoric acid) - 96-98%;

- содержание фтора в оксидах урана до 2%;- fluorine content in uranium oxides up to 2%;

- средние энергозатраты - 1.7-1.9 кВт·ч/кг UF6.- average energy consumption - 1.7-1.9 kWh / kg UF 6 .

К настоящему времени выявились некоторые недостатки этой технологии:To date, some disadvantages of this technology have been identified:

- неполное извлечение фтора в безводный фторид водорода (~90%);- incomplete extraction of fluorine in anhydrous hydrogen fluoride (~ 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.- uranium oxides - an acceptable but inconvenient form of storage and especially disposal of actual dump uranium; in addition, the optimization of the process from the point of view of maximum fluorine extraction leads to a deterioration in the physicochemical properties of uranium oxides, which impede any use in the nuclear fuel cycle.

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.Known plasma-hydrogen concept of processing dump uranium hexafluoride, in accordance with which the processing products are anhydrous hydrogen fluoride and molten metal uranium; the latter is much more consistent with the needs of disposal and storage - RF patent N 2120489 from 06.24.97. BI No. 29 dated 10/20/98. The process is based on hydrogen reduction of uranium hexafluoride at high temperatures, is carried out in one technological apparatus and consists of four series-parallel stages. The first stage is the reduction of uranium from uranium hexafluoride to elemental uranium or to lower uranium fluorides. This intermediate goal is achieved by exciting an electric discharge in a stream of a mixture of gaseous uranium hexafluoride with hydrogen; the UF 6 + H 2 mixture is converted into a uranium-hydrogen fluoride plasma containing a mixture of uranium, hydrogen and fluorine atoms, fluoride molecules of uranium, fluorine, hydrogen, positively and negatively charged ions and electrons. If during this operation the plasma temperature is 6000 K at atmospheric or close to it, the bulk of the uranium is contained in the form of U atoms, i.e. in the gas phase there is a complete reduction of uranium.

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:At the second stage, the products of reduction of uranium hexafluoride are transferred to the condensed phase, in which the recombination processes are slowed down, and the process of reduction of uranium continues until liquid uranium is obtained. For this, the uranium-hydrogen fluoride plasma obtained in the first stage is sent to a molten bath of uranium tetrafluoride, which is obtained as follows. The uranium tetrafluoride charge is placed in a cooled cylindrical shell, transparent to the frequency electromagnetic field, resistant to the corrosive action of the uranium fluoride melt. The specified shell is inserted into the inductor of the frequency generator coaxially with the discharge chamber, in which receive (UFH) -plasma. The plasma stream interacts with the loading surface of uranium tetrafluoride and melts the upper layer of the latter. A frequency voltage is applied to the inductor; The melt zone of uranium tetrafluoride interacts with the frequency field, which is why the entire load is quickly heated by direct induction heating and melts. On the surface of the UF 4 melt, when interacting with (UHF) - plasma, condensation of uranium and lower uranium fluorides occurs; at the same time, the disproportionation of the latter occurs in accordance with the equations:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Figure 00000003
Figure 00000003

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.As reactions (1-3) proceed in the condensed phase, intense mass transfer occurs due to the ratios of the melting temperatures and densities of the resulting products. The melting point of uranium is 1133 ° C, density is 19.04 g / cm 3 ; the melting point of uranium tetrafluoride is 1036 ° C, the density is 6.43-6.95 g / cm 3 ; the melting point of uranium trifluoride is 1427 ° C, the density is 8.95 g / cm 3 . Uranium tetrafluoride melts first, then uranium, and uranium trifluoride last. Due to the large difference in the density of uranium and uranium fluorides, uranium precipitates and uranium fluorides float to the surface layer exposed to hydrogen plasma, and uranium tetrafluoride will float in the melt of uranium trifluoride.

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.Thus, within a few minutes, under the influence of plasma flow and direct frequency heating, complete recovery of uranium from uranium hexafluoride and initial loading of uranium tetrafluoride takes place. The loss of the latter is continuously filled with uranium fluorides from (U-F-H) -plasma. In this case, fluorine binds to gaseous hydrogen fluoride, which evaporates from the uranium reduction zone. To increase the stability of the radio-frequency discharge, the connection of the radio-frequency generator with the load — the plasma stream — is improved by introducing an additional power source and adapter, which can be used as a waveguide, inductor, external electrodes, internal electrodes, etc.

Третья стадия, осуществляемая одновременно с двумя первыми, - выведение жидкого урана из нижней части реактора-оболочки и розлив его в охлаждаемые изложницы.The third stage, carried out simultaneously with the first two, is the removal of liquid uranium from the lower part of the shell reactor and pouring it into cooled molds.

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.The fourth stage, carried out simultaneously with the first three, is the removal and collection of the second marketable product, anhydrous hydrogen fluoride. The withdrawal of gaseous hydrogen fluoride is carried out through a filtration module, consisting of multilayer regenerated cermet elements that do not pass micron and submicron powders and aerosols and thereby ensure process safety from uncontrolled penetration of the pyrophoric product outside the technological zone.

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).Next, the stream of anhydrous hydrogen fluoride, purified from the dispersed phase, is condensed, collected in the form of a liquid in transport tanks and sent to the implementation or to recharge electrolysis baths to obtain elemental fluorine. A significant drawback of this process is the low reaction rates (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 UF6 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.An alternative to this process is the method and device for processing uranium hexafluoride, as claimed in RF patent No. 2216390, publ. November 20, 2003, analogue application WO No. 97/34684. The flow of gaseous uranium hexafluoride UF 6 is introduced into a microwave or radio frequency plasmatron equipped with an adapter to increase the stability of the discharge with increasing pressure, which requires increasing the coupling of the radio frequency generator with the load (inductor for the radio frequency induction plasmatron; waveguide for the microwave plasmatron), in which the feedstock converted to a uranium-fluorine plasma stream with a temperature of about 4000 K. When using a radio frequency induction discharge, the plasmatron is made water-cooled from longitudinal copper sections, separated by dielectric inserts, transparent to electromagnetic radiation from the inductor of the radio frequency generator. For simplicity, this plasmatron is called a metal-dielectric plasmatron. This name reveals the principle of its operation: the frame is made of non-magnetic metal, sealed dielectric inserts provide free penetration of the magnetic field inside the plasmatron.

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.When using a microwave discharge, the plasmatron is made in the form of a metal pipe made of non-magnetic metal, into which one or more waveguides coming from magnetrons of microwave generators are inserted at an angle of 90 °.

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.A stream of uranium-fluorine plasma enters the separation chamber, in which it is crimped by a magnetic field of approximately 0.1 Tesla generated by a magnet. To achieve a given degree of uranium ionization in an uranium-fluorine plasma stream, an electron cyclotron resonance antenna is installed outside the stream. This antenna gives the plasma electrons the extra energy they spend on ionizing uranium atoms, while the fluorine atoms remain neutral. This atomic fluorine is pumped out of the uranium-fluorine plasma stream by dry pumps, thus creating a fluorine stream. The flux of uranium ions is crimped with a magnetic field from another magnet, and a uranium beam appears downward.

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.The flow of uranium is directed to a bath of uranium melt in a graphite crucible, which, as it is filled, is removed and at the same time replaced by a rotary device with another crucible without breaking the vacuum.

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.The separation chamber was divided into three zones by partitions equipped with holes, and in the first zone pressure was maintained in the range of 10-50 Pa, in the second 5-20 Pa, in the third 2-10 Pa. Each of these zones is equipped with individual pumps for pumping fluorine.

Аппарат для конверсии потока гексафторида урана в потоки конденсированного урана и газообразного фтора включал:The apparatus for converting a stream of uranium hexafluoride into streams of condensed uranium and fluorine gas included:

- радиочастотный или микроволновый генератор уран-фторной плазмы и потока ионов урана;- a radio frequency or microwave generator of uranium-fluorine plasma and a stream of uranium ions;

- средства для селективной ионизации урановой компоненты плазмы;- funds for the selective ionization of the uranium plasma component;

- средства для разгона потока уран-фторной плазмы до сверхзвуковых скоростей;- Means for accelerating the flow of uranium-fluorine plasma to supersonic speeds;

- средства для генерирования магнитного поля, обжимающего заряженную компоненту плазмы (ионы урана);- means for generating a magnetic field that compresses the charged component of the plasma (uranium ions);

- средства для удаления незаряженной компоненты (фтора) из потока уран-фторной плазмы, обжатой магнитным полем;- means for removing the uncharged component (fluorine) from the stream of uranium-fluorine plasma, compressed by a magnetic field;

- средства для вывода расплавленного урана.- Means for removing molten uranium.

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.A stream of uranium-fluorine plasma was introduced from the plasma torch into the separation chamber through a nozzle, holes in the partitions corresponded to the diameters of the primary stream of uranium-fluorine plasma and the secondary stream of uranium ions. The diameter of the primary and secondary flows gradually increased along the axial coordinate of the process, so the diameters of the holes in the partitions were also increased so as not to create resistance to the downward flow of uranium material and to provide a pressure drop when moving along the axial coordinate of the apparatus.

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.In order to keep the flow of uranium ions in the center of the chamber, in each of the three compartments of the apparatus placed inductors powered by a separate power source, creating a magnetic field. The diameter of the nozzle at the exit of the plasma torch reaches 0.03 m; this is enough to maintain a pressure of about 2 kPa in the chamber and provide the necessary flow rate of uranium-fluorine plasma. This flow at the exit from the nozzle to the chamber expands and, in accordance with the Joule-Thomson effect, tends to self-cool. Therefore, the second purpose of the above-mentioned inductors is induction heating of the plasma stream, which compensates for the initial cooling and allows maintaining the temperature in the plasma stream at a level sufficient for uranium to be in the form of U + ions.

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.The flow of uranium ions is held in the center of the chamber by a magnetic field of approximately 0.1 Tesla. Thus, in the chamber, the components of the uranium-fluorine plasma are separated and two material streams are created: the atomic fluorine stream, which is sent for disposal, and the uranium ion stream, which is advanced in a magnetic field into a collector filled with uranium melt. The uranium stream is discharged from the chamber in the form of a melt, which is poured into molds. With a plant capacity of 17.75 kg UF 6 / h, 12 kg U / h are obtained; this causes a fluorine flux of 5.7 kg / h.

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.The disadvantages of this solution are that the radio frequency discharge (frequency range 0.5-14 MHz) unstably burns in an electronegative gas such as uranium hexafluoride, UF 6 or uranium-fluorine plasma at pressures of about 4 kPa and above. The lower the frequency of the radio-frequency generator, the lower the permitted pressure range in which the discharge burns steadily. At the same time, the power of high-frequency power sources increases with decreasing frequency. In addition, an electric discharge in gases such as UF 6 is accompanied by strong self-cooling of the plasma due to the endothermic effects of the decomposition of UF 6 and its fragments.

В связи с этими ограничениями любые технологические и металлургические аппараты, снабженные высокочастотными индукционными плазмотронами, имеют ограничения по давлению, частоте и ресурсу работы.Due to these limitations, any technological and metallurgical devices equipped with high-frequency induction plasmatrons have restrictions on pressure, frequency, and service life.

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.To remove these restrictions, it is necessary to equip the plasma torch with an additional device that introduces additional power into the discharge from an autonomous power supply, with which you can lay a more reliable power channel for the plasma reactor.

Микроволновый разряд в гексафториде урана, UF6 (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.A microwave discharge in uranium hexafluoride, UF 6 (frequencies 900 and 2450 MHz) burns relatively stably even at a pressure close to atmospheric. However, the disadvantage of a microwave discharge is the relatively low temperature of the gas-discharge plasma (~ 5000 K at atmospheric pressure), which limits the ability to maintain a stationary regime in which uranium is completely ionized and fluorine is predominantly neutral.

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.The practical use of electron cyclotron resonance for ionization of uranium in a uranium-fluorine plasma is difficult, since the initial temperature of a uranium-fluorine plasma of 4000 K is low not only for ionization of uranium atoms, but also for complete dissociation of uranium fluorides. In addition, the use of antennas inside the device is too complicated design.

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.In connection with the foregoing, it is proposed to use a radio frequency discharge for processing uranium hexafluoride, and to increase the stability of the radio frequency discharge with increasing pressure, an additional circuit is installed with an auxiliary power source and an adapter, for example, as in patent No. RF N2120489. But this solution also does not fully ensure the stability of the radio-frequency discharge.

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.The technical result, which the invention is directed to, is to further increase the stability of the radio-frequency discharge by improving the coupling of the radio-frequency generator with the load - a stream of uranium-fluorine plasma, which leads to the expansion of the functional and technological capabilities of the claimed technical solution.

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.To achieve this result, a method for processing uranium hexafluoride is proposed, including supplying the main stream of gaseous uranium hexafluoride to a uranium-fluorine plasma generator, made in the form of an induction frequency plasmatron, supplying an additional stream of gaseous uranium hexafluoride to an additional circuit to the uranium-fluorine plasma generator, forming a uranium cluster -fluorine plasma from an additional stream of uranium hexafluoride at the inlet to the generator of uranium-fluorine plasma, the formation of a stream of uranium-fluorine plasma in the separation chamber of the magnetic separator, removal of neutral atomic fluorine from the uranium-fluorine plasma stream, condensation and collection of uranium melt in a cold crucible type device, the formation of an uranium metal ingot, while the uranium-fluorine plasma cluster is precessed over the conical surface into the skin layer by magnetic and / or gas-dynamic scanning of an additional stream of uranium hexafluoride.

Кроме того, магнитное сканирование осуществляют путем наложения магнитного поля. Газодинамическое сканирование осуществляют путем тангенциально направленного дополнительного потока гексафторида урана.In addition, magnetic scanning is carried out by applying a magnetic field. Gas-dynamic scanning is carried out by tangentially directed additional flow of uranium hexafluoride.

Скин-слой формируют на уровне высоковольтного витка индуктора плазматрона.The skin layer is formed at the level of the high-voltage coil of the plasmatron inductor.

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.Also proposed is a device for processing uranium hexafluoride, consisting of a means for introducing the main stream of uranium hexafluoride connected to a generator of uranium-fluorine plasma, made in the form of an induction frequency plasmatron connected to a separation chamber of uranium-fluorine plasma, made in the form of a magnetic separator connected to fluorine pumping means, and in the lower part - with a means for collecting and conclusions of the uranium melt, while an additional circuit consisting of additional a relative power source, adapter, nozzle for introducing an additional stream of uranium hexafluoride and means for gas-dynamic and / or magnetic scanning of an additional stream of uranium hexafluoride.

При этом средство для магнитного сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде кольцевого соленоида.Moreover, the means for magnetic scanning of the additional stream of uranium hexafluoride is made in the form of an annular solenoid.

При этом средство для газодинамического сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде установленных тангенциально к боковой поверхности насадки патрубков ввода гексафторида урана.Moreover, the means for gas-dynamic scanning of the additional stream of uranium hexafluoride is made in the form of nozzles for introducing uranium hexafluoride introduced tangentially to the side surface of the nozzle.

На фигуре 1 и 2 схематично показан вариант выполнения устройства для переработки гексафторида урана.Figure 1 and 2 schematically shows an embodiment of a device for processing uranium hexafluoride.

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.The device consists of a separation chamber 1, made in the form of a magnetic separator and divided by partitions 2 into three zones I, II, III. In the partitions 2, holes 3 are made, forming flows of uranium-fluorine plasma. The inductors 4 of the magnetic separator are connected to a power source 5. Each zone of the separation chamber is connected by nozzles for pumping fluorine 6 to pumps (not shown in the figure). The generator of uranium-fluorine plasma 7 is made in the form of a frequency induction plasmatron, which is a pipe made of metal-dielectric material. The inductor 8 is connected to the main power source 9 - a radio frequency generator. The plasma torch 7 is connected to the separation chamber 1 by a nozzle 10. In the upper part of the plasma torch there is a nozzle 11 connected to an adapter 12 connected to an auxiliary power supply 13. The main flow UF 6 is fed through a pipe 14 to the plasma torch 7 through an opening in the nozzle 11. Additional flow UF 6 is fed through a pipe 15 to the adapter 12 through a nozzle 27 mounted on it made of non-magnetic material. For magnetic scanning of the indicated stream, an annular solenoid 28 is mounted on the adapter. At the bottom of the separation chamber 1 there is an outlet 16 for collecting the uranium metal melt in a cold crucible device 17. Cold crucible inductors 18 are connected to a power supply 19. A formed ingot uranium 20 is pulled using the device 21.

Магнитное поле, формируемое в камере разделения 1, условно показано линиями 22, магнитное поле удерживает поток плазмы урана 23 по центру камеры 1.The magnetic field generated in the separation chamber 1 is conventionally shown by lines 22, the magnetic field keeps the plasma flow of uranium 23 in the center of the chamber 1.

На фигуре 2 более подробно показано выполнение верхней части устройства.Figure 2 shows in more detail the implementation of the upper part of the device.

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.In the upper part of the plasma torch 7, a cluster of uranium-fluorine plasma 24 is formed, while at the level of the first high-voltage turn of the inductor 8 a skin layer is formed with an external boundary 25, which extends at a distance of about half of the inner radius of the plasma generator 7. Next, a flow forms in the plasma torch uranium-fluoride plasma 26.

На фигуре 3 показано расположение скин-слоя в сечении на уровне высоковольтного первого витка индуктора плазмотрона 8.The figure 3 shows the location of the skin layer in cross section at the level of the high-voltage first turn of the inductor of the plasma torch 8.

В описании изобретения при использовании терминов понимают следующее.In the description of the invention, when using the terms, the following is understood.

Кластер уран-фторной плазмы - поток плазмы, сформированный из дополнительного и основного потоков гексафторида урана в верхней части плазмотрона до первого витка индуктора 8.Cluster of uranium-fluorine plasma - a plasma stream formed from additional and main flows of uranium hexafluoride in the upper part of the plasma torch to the first coil of inductor 8.

Скин-слой - это слой, в котором выделяется ~95% мощности, поглощенной проводящей средой с индуктора за счет, т.н. скин-эффекта.A skin layer is a layer in which ~ 95% of the power absorbed by the conductive medium from the inductor is released due to the so-called skin effect.

Скин-эффект или поверхностный эффект - затухание электромагнитных волн по мере их проникновения в глубь проводящей среды (коэффициент затухания - α), в результате которого переменный ток по сечению проводника распределяется не равномерно, а преимущественно в поверхностном слое (скин-слой). Чем выше частота электромагнитного поля ω и чем больше магнитная проницаемость µ проводника, тем сильнее вихревое электрическое поле в этом слое, создаваемое переменным магнитным полем. Чем выше проводимость проводника (σ), тем больше плотность тока и рассеиваемая в этом слое мощность.The skin effect or surface effect is the attenuation of electromagnetic waves as they penetrate deep into the conductive medium (attenuation coefficient - α), as a result of which the alternating current is not distributed evenly over the conductor cross section, but mainly in the surface layer (skin layer). The higher the frequency of the electromagnetic field ω and the greater the magnetic permeability μ of the conductor, the stronger the vortex electric field in this layer created by the alternating magnetic field. The higher the conductivity of the conductor (σ), the greater the current density and power dissipated in this layer.

На глубине x=δ=1/α амплитуда электромагнитных волн уменьшается в е раз. Эту глубину условно принимают за толщину скин-слоя (Физический энциклопедический словарь, М.: Большая российская энциклопедия, 1995).At a depth x = δ = 1 / α, the amplitude of the electromagnetic waves decreases e times. This depth is conventionally taken as the thickness of the skin layer (Physical Encyclopedic Dictionary, Moscow: Big Russian Encyclopedia, 1995).

Магнитное сканирование - закручивание потока уран-фторной плазмы за счет наложения магнитного поля с помощью кольцевого соленоида 28.Magnetic scanning - swirling the flow of uranium-fluorine plasma by applying a magnetic field using an annular solenoid 28.

Газодинамическое сканирование - закручивание потока уран-фторной плазмы за счет тангенциального ввода дополнительного потока уран-фторной плазмы в насадку 27 дополнительного контура.Gas-dynamic scanning - swirling the flow of uranium-fluorine plasma due to the tangential introduction of an additional stream of uranium-fluorine plasma into the nozzle 27 of the additional circuit.

Прецессия - движение кластера уран-фторной плазмы по поверхности конуса, основанием которого является скин-слой.Precession - the movement of a cluster of uranium-fluorine plasma over the surface of a cone, the base of which is the skin layer.

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.This invention is based on the fact that the power of the RF generator 9 is allocated not over the entire cross section of the plasma torch tube 7, but in the skin layer, see Fig. 3. Therefore, the flow of uranium-fluorine plasma, formed in the form of a cluster 24 at the entrance to the plasmatron, should not be directed in the center, but in the skin layer, the outer radius of which is approximately half the radius of the plasma torch. Taking into account the presence of the skin layer means that the additional flow of uranium hexafluoride must be initially twisted so that the formed cluster performs motion, describing the conical surface at the base of which the skin layer lies, the so-called precession. This can be achieved by magnetic scanning of the flow by installing an annular solenoid 28 on an additional circuit. Also, an additional stream of uranium-fluorine plasma can be initially swirled by gas-dynamic scanning due to tangential entry into the nozzle 27. Magnetic and gas-dynamic scanning can be used together. When two streams of uranium hexafluoride are mixed, a cluster of uranium-fluorine plasma is formed 24. For each particular device, the necessary parameters must be calculated: flow rates, magnetic characteristics, etc. As a result of the address direction of the flow of uranium hexafluoride, the load – induction discharge stability increases.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

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 UF6, 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.Both power supplies (radio-frequency generator 9 and auxiliary generator 13) turn on simultaneously, supply cooling to all the cooling elements of the installation: a metal-dielectric plasma torch 7, nozzles 11 and 27, etc. The feed pipelines UF 6 are heated to avoid condensation of the raw materials. Then, the supply of an additional UF 6 stream to the nozzle 27 is turned on and an auxiliary (UF) plasma stream is generated through the adapter 12; this plasma stream is transported to a metal-dielectric plasma torch 7, where the main stream UF 6 is supplied, and the radio frequency voltage is supplied to the inductor 8 of the radio-frequency generator 9. The radio-frequency electromagnetic field freely penetrates the metal-dielectric plasma torch through the cuts. A radiofrequency induction discharge occurs in a metal-dielectric plasmatron, supported by an auxiliary (UF) plasma stream, which precesses around the center of the plasma torch along the skin layer ring and enhances the generator’s interaction with the load.

Выполнение дополнительного контура может быть различным, например:The implementation of the additional circuit may be different, for example:

- 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;- if the generator of radio frequency induction (U-F) -plasma 9 is used as the main power source, then an additional circuit can be performed with the redistribution of vibrational energy through two channels: a communication channel through a flare electrode and an induction channel;

- 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;- if a radio-frequency induction (U-F) -plasma generator 9 is used as the main power source, then an additional circuit can be performed using an electric arc plasma torch as an additional power source 13;

- 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.- if a radio frequency induction (UF) -plasma generator 9 is used as the main power source, then an additional circuit can be performed using a microwave plasma torch operating on UF 6 as an additional power source 13.

Далее поток (U-F)-плазмы подают в магнитный сепаратор 1 для последующей обработки:Next, the flow of (U-F) -plasma is fed into the magnetic separator 1 for subsequent processing:

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.sequential passage of sections I, II, III, in which fluorine is removed through the holes, and at the end of the separation chamber, a stream of practically pure uranium plasma leaves through hole 16 and is collected in the form of a uranium metal melt in a device 17, known as a “cold crucible” / cm. 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./. The “cold crucible” is located inside the inductor of the frequency generator 18. The uranium melt in the “cold crucible” is created simultaneously with the start of the process of uranium reduction from uranium hexafluoride: for this, a certain amount of uranium is preliminarily placed in the “cold crucible” and melted, applying a frequency voltage of turns of an inductor 18 from a frequency power supply 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.The uranium melt is squeezed out in the magnetic field of the “cold crucible” and practically does not come into contact with the water-cooled copper shaped tubes of the “cold crucible”. A device for drawing the uranium ingot 21 is mounted in the bottom of the “cold crucible”.

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.A relatively low frequency of 2400-2500 kHz is used to form a uranium melt. At this frequency, electromagnetic forces almost completely squeeze the uranium melt from the walls of the "cold crucible". As a result of this squeezing, a meniscus 29 is formed in the upper part of the melt, the feature of which is its damping of changes in the power introduced into the melt. Due to these phenomena, the walls of the “cold crucible” experience less stress and the quality of the uranium ingot drawn from the “cold crucible” increases. The purity of the elongated uranium ingot by chemical impurities is thus determined by the purity of uranium hexafluoride. The residual fluorine content in uranium is ~ 10 -4 % by weight.

В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим схему, где дополнительный контур состоял из вспомогательного источника электропитания 13 - микроволнового генератора, соединенного волноводами с плазмотроном 7.As an example of the invention, consider a circuit where the additional circuit consisted of an auxiliary power source 13 — a microwave generator connected by waveguides to a plasma torch 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.A quadrangular waveguide was used to transfer electromagnetic energy from a microwave generator, which is joined at right angles to a circular waveguide, into which an additional stream of gaseous UF 6 is supplied. In the place of docking is a mode converter - a transformer of an electromagnetic wave H 01 into a wave H 11 . A circular waveguide is at the same time a microwave plasmatron operating on an additional gaseous stream UF 6 supplied through pipeline 15. A dielectric insert (seal-decoupling) made of alumina separates the microwave generator and the microwave plasmatron.

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.The installed power of the radio-frequency generator is 9-100 kW, the oscillatory power is 25-60 kW, the frequency is 5.25 MHz. The temperature of the water cooling the metal-dielectric discharge chamber, the flange, and the supply pipelines was 73 ° C. The input of the main flow of UF 6 was 9.2-17.6 kg / h.

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.The power of the microwave generator (UF) -plasma is ~ 5 kW, the frequency is 2.45 GHz. The standard quadrangular waveguide had a cross section of 90 × 45 mm; Such a waveguide is convenient for switching to a circular waveguide, which, in turn, is a transport pipeline (UF) -plasma for connecting with a metal-dielectric tube of a plasma torch. The flow rate of UF 6 in a circular waveguide is maintained in the range 1.2-2.3 kg / h. Forced precession of the auxiliary plasma flow along the ring of the skin layer was carried out using magnetic scanning. For this, an annular solenoid was mounted on a round waveguide.

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.The pressure in the metal-dielectric tube of the plasma torch was 41-83.8 kPa. Lowering the frequency from 5.25 MHz to 1.76 MHz is not accompanied by a decrease in discharge stability in UF 6 .

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).Calculations showed that with a productivity of 76 kg UF 6 / h, 51.4 kg U / h are obtained; this causes a fluorine flux of 24.6 kg / h: at this capacity ~ 17.1 kg of fluorine / h is pumped out of zone (I), ~ 5.97 kg of fluorine / h is pumped out of zone (II), ~ 1.53 kg of fluorine / h is pumped out of zone (III) )

Таким образом происходит следующее.Thus, the following occurs.

1. Повышается устойчивость радиочастотного индукционного разряда в гексафториде урана (и в других сильно электроотрицательных газах) до давлений, по крайней мере, ~102 кПа.1. The stability of the radio-frequency induction discharge in uranium hexafluoride (and in other strongly electronegative gases) increases to pressures of at least ~ 10 2 kPa.

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.).2. It is possible to use more powerful frequency generators of a lower frequency (0.3-0.44 MHz, etc.) to obtain flows of (U-F) plasma.

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.3. When an additional address power flow is introduced into the metal-dielectric plasmatron of an additional frequency power flow, it is possible to change the quantitative ratio of the primary and secondary (U-F) plasma flows over a wide range: from the power level required for simple ignition of the discharge and stabilization to flows comparable in magnitude.

Claims (7)

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.1. A method of processing uranium hexafluoride, comprising supplying a main stream of gaseous uranium hexafluoride gas to a uranium-fluorine plasma generator in the form of an induction frequency plasmatron, supplying an additional stream of gaseous uranium hexafluoride to an additional circuit to a uranium-fluoride plasma generator, forming a cluster of uranium-fluorine plasma from the main and additional flows of uranium hexafluoride at the inlet to the generator of uranium-fluorine plasma, the formation of a stream of uranium-fluorine plasma in the separation chamber of a magnetic separator a, removal of neutral atomic fluorine from the uranium-fluorine plasma stream, condensation of uranium, collection of a metal uranium melt, formation of a metal uranium ingot and withdrawal of a formed uranium ingot, while the uranium-fluorine plasma cluster is precessed over the conical surface in the skin layer by magnetic and / or gas-dynamic scanning of an additional stream of uranium hexafluoride. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что магнитное сканирование осуществляют путем наложения магнитного поля.2. The method according to claim 1, characterized in that the magnetic scan is carried out by applying a magnetic field. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газодинамическое сканирование осуществляют путем танценциально направленного дополнительного потока гексафторида урана.3. The method according to claim 1, characterized in that the gas-dynamic scanning is carried out by means of a tanzentically directed additional flow of uranium hexafluoride. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скин-слой формируют на уровне высоковольтного витка индуктора плазмотрона.4. The method according to claim 1, characterized in that the skin layer is formed at the level of the high-voltage coil of the plasma torch inductor. 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.5. A device for processing uranium hexafluoride, consisting of a means for supplying a main stream of uranium hexafluoride connected to a generator of uranium-fluorine plasma, made in the form of an induction frequency plasmatron connected to a separation chamber of uranium-fluorine plasma, made in the form of a magnetic separator connected to fluorine evacuation means, and in the lower part - with a “cold crucible” means for condensation, collecting molten metal uranium, forming an ingot of metallic uranium and withdrawing the formed a uranium ingot, with an additional circuit connected to the upper part of the plasma generator, consisting of an additional power source, an adapter, a nozzle, means for introducing an additional stream of uranium hexafluoride to form from it together with the main stream of uranium hexafluoride at the input to the generator of the uranium-fluoride plasma cluster and means for gasdynamic and / or magnetic scanning of the additional stream of uranium hexafluoride. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что средство для магнитного сканирования дополнительного потока гексафторида урана выполнено в виде кольцевого соленоида.6. The device according to claim 5, characterized in that the means for magnetic scanning of the additional stream of uranium hexafluoride is made in the form of an annular solenoid. 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. 7. The device according to claim 5, characterized in that the means for gas-dynamic scanning of the additional stream of uranium hexafluoride is made in the form of uranium hexafluoride inlet nozzles introduced tangentially to the side surface of the nozzle.
RU2011121057/02A 2011-05-26 2011-05-26 Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same RU2453620C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011121057/02A RU2453620C1 (en) 2011-05-26 2011-05-26 Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2011121057/02A RU2453620C1 (en) 2011-05-26 2011-05-26 Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2453620C1 true RU2453620C1 (en) 2012-06-20

Family

ID=46681070

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2011121057/02A RU2453620C1 (en) 2011-05-26 2011-05-26 Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2453620C1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3973926A (en) * 1974-01-23 1976-08-10 Advanced Technology Laboratories, Inc. Process and equipment for the magnetic separation of isotopes
GB1488398A (en) * 1973-12-27 1977-10-12 Jersey Nuclear Avco Isotopes Method and apparatus for extracting ions from a partially ionized plasma using a magnetic field gradient
US4093856A (en) * 1976-06-09 1978-06-06 Trw Inc. Method of and apparatus for the electrostatic excitation of ions
US4213043A (en) * 1977-07-20 1980-07-15 Trw Inc. Method for flowing a large volume of plasma through an excitation region
SU1533058A1 (en) * 1987-09-14 1992-02-15 A Ya Voronov Method of separating isotopes of electronegative gas
RU2216390C2 (en) * 1996-03-15 2003-11-20 Бритиш Ньюклеар Фьюэлз пи-эл-си Separation of isotopes by ionization for treatment of materials of nuclear fuel

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1488398A (en) * 1973-12-27 1977-10-12 Jersey Nuclear Avco Isotopes Method and apparatus for extracting ions from a partially ionized plasma using a magnetic field gradient
US3973926A (en) * 1974-01-23 1976-08-10 Advanced Technology Laboratories, Inc. Process and equipment for the magnetic separation of isotopes
US4093856A (en) * 1976-06-09 1978-06-06 Trw Inc. Method of and apparatus for the electrostatic excitation of ions
US4213043A (en) * 1977-07-20 1980-07-15 Trw Inc. Method for flowing a large volume of plasma through an excitation region
SU1533058A1 (en) * 1987-09-14 1992-02-15 A Ya Voronov Method of separating isotopes of electronegative gas
RU2216390C2 (en) * 1996-03-15 2003-11-20 Бритиш Ньюклеар Фьюэлз пи-эл-си Separation of isotopes by ionization for treatment of materials of nuclear fuel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2189273C2 (en) Isotope separation by ionization for nuclear fuel material treatment
EP0019362B1 (en) Method and apparatus for the treatment of matter with low temperature plasma
US20050258766A1 (en) Inductively coupled plasma reactor for producing nano-powder
RU2216390C2 (en) Separation of isotopes by ionization for treatment of materials of nuclear fuel
JP2013534207A (en) Apparatus, system and method for generating hydrogen
JP2017087155A (en) Apparatus for producing fine particles and method for producing fine particles
RU2453620C1 (en) Procedure for processing uranium hexafluoride and device of implementing same
AU2022381376A1 (en) Device and method for gas conversion
GB2121441A (en) Process for upgrading metal powder
US4239740A (en) Production of high purity silicon by a heterogeneous arc heater reduction
WO2010110694A1 (en) Plasma furnace
EP4114997B1 (en) Apparatus and process for thermal treatment of raw material containing lithium compounds and phosphorus compounds, method of recovering lithium and/or phosphorus from residue material of lithium-ion batteries
RU2230130C2 (en) Upgrades in the field of materials processing
RU110375U1 (en) URANIUM HEXAFLUORIDE PROCESSING DEVICE
RU2120489C1 (en) Method and installation for processing uranium hexafluoride into uranium metal and hydrogen fluoride
CN105331833A (en) Refining device and method for high-purity rare earth metal
RU2414993C2 (en) Method of producing nanopowder using low-pressure transformer-type induction charge and device to this end
JP2011073896A (en) Powder containing calcium cyanamide, and method and apparatus for producing the powder
RU96117830A (en) METHOD FOR PROCESSING URANIUM HEXAFLUORIDE FOR METAL URANIUM AND ANHYDROGEN HYDROGEN FLUORIDE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION
US12075553B1 (en) Microwave plasma torch and method of use thereof
US20240359976A1 (en) Device and method for plasma-induced decomposition of alkanes, in particular methane, into carbon and hydrogen
RU2350558C2 (en) Method of production of trichlorosilane by plasma chemical hydrogenation of silicon tetrachloride and device to this end
US20230356299A1 (en) Solid compound rapid reduction systems and methods
RU85158U1 (en) Microwave Plasma Chemical Reactor
Tumanov Plasma technologies in reshaping industrial production

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200527