[发明专利]转化非裂变超铀元素的方法

说明书

本申请是申请日为2003年10月21日、中国国家申请号为200380104113.6(PCT申请号为PCT/US2003/033315)、发明名称为“放射性废物的分解系统和方法”的发明专利申请的分案申请。

本发明是提交于2000年2月24日的待审查美国专利申请No.09/511,749的部分继续申请，所述申请以参考形式结合在此。

技术领域

本发明涉及一种转化非裂变超铀元素的方法。

本发明一般涉及用于高放射性废料的分解系统和方法，更具体而言，本发明涉及一种将核反应堆的乏燃料转变成适合在废料库长期储存的形式的方法。本发明特别但并不是唯一地用于将乏燃料中存在的钚239和其它超铀元素转化成更稳定的、更低放射毒性的物质。

背景技术

废弃的核燃料是高放射毒性的物质并对人类具有，包括核增生，辐射照射和环境污染等重大威胁。迄今，大约装有25000吨放射性乏燃料的90000个乏燃料组件储存在美国。而且，每年都在产生附加的乏燃料组件，估计到2015年将会有约70000吨乏燃料废物。依照美国现有核反应堆产生废料的速度，每20-30年需要新的废料库容量等于在Yucca山上的将要开放的地质废料库(Geological Repository)的额定容量。目前，约95％的这种放射毒性物质临时存储在发电地点(即，在核电厂)的水池中，而少量存储在干储存器(屏蔽罐)中。

从如例如轻水反应堆的商用核电厂取出的典型的乏燃料组件，包含四种主要的组分：铀(约95％)，包括钚239的裂变超铀元素(0.9％)，包括镅，钚，鋦和镎的特定同位素的非裂变超铀元素(0.1％)，和裂变产物(余量)。在相对较短的时间后，铀和裂变产物的一部分一般比天然的铀矿不具有更大的辐射毒性。因此，这些废弃的燃料组分不需要转化或特殊的处置。在经过在废料库的处理后，其余的裂变产物能够被用作商用反应堆中的可燃毒物。

然而，裂变和非裂变超铀元素需要与环境特殊的隔离，或转化为非裂变短寿命形式。在分解至少95％的这些超铀元素后，在改进型容器(即，比简单的钢容器更好的容器)内的处理代表了一种比仅以燃料棒的形式储存废料好得多的方案。在一种转化方案中，超铀元素在反应堆中转化，继之是浓缩剩余超铀元素的分离步骤，随后，进一步转化。但遗憾的是，这个循环必须重复10-20次，才能达到所希望的分解水平，95％，因而十分费时和昂贵。

在另一个转化方案中，使用快中子转化非裂变超铀元素。例如，使用利用质子轰击散裂靶而产生的快中子。尽管这些快能谱系统产生大量的中子，但是很多中子被浪费掉了，特别是在次临界系统中。另外，这些快中子能够对燃料和结构造成严重的损坏，限制转化装置的使用寿命。

鉴于以上情况，本发明的一个目的是提供适合于转化裂变和非裂变超铀元素，以实现相对较高的分解水平，而不需要多次重复处理步骤。本发明的另一个目的是提供一种用热中子有效地转化裂变和非裂变超铀元素系统和方法。本发明的再一个目的是提供一种有效地转化裂变和非裂变超铀元素的系统和方法，它使用在裂变超铀元素的裂变中释放的中子来转化非裂变的超铀元素。

发明内容

根据本发明，提供一种转化非裂变超铀元素的方法，所述方法包括下述步骤：引发临界自持裂变反应，产生第一批快中子；慢化所述第一批快中子，产生第一批热中子；用所述第一批热中子转化第一部分非裂变超铀元素；用质子束打击散裂靶，产生第二批快中子；慢化所述第二批快中子，产生第二批热中子；和用所述第二批热中子转化第二部分非裂变超铀元素。

根据本发明，一种转化来自例如轻水反应堆的核反应堆的乏燃料(即，放射性废物)的系统和方法，其包括将废料分离成若干组分的步骤。对于本发明，能够使用现有的UREX工艺将乏燃料分离成包括铀组分，裂变产物组分，驱动燃料组分和转化燃料组分。在分离后，驱动燃料组分和转化燃料组分被置于具有热中子能谱的反应堆中，以转化为较不具危险的物质。另一方面，铀组分相对地没有放射性，可以不经转化处理。另外，裂变产物可以在商用热中子反应堆中转化成短寿命、无毒的形式。