发明领域

本发明的实施例是阐述一种加快放射性废物产物衰变的方法，并 且，更详细地阐述把重放射性元素转变为较短寿命的较轻的放射性元 素的核转变。因此，本发明的方法是减少放射性废物的长期毒性，为 实现该目的，描述了一种经济而有效的工艺设备。

相关技术

本发现是阐述一种光子激发核反应/核转变过程的方法，以此束加 快放射性废物产物的衰变。更具体的是，本发明是加快放射性同位素 衰变的一种方法，该方法是用X射线、γ射线、电子或高能光子轰击放 射性原子，以便使放射性废物去除活性或中性化。

1976年8月10日颁布给马萨托．毛瑞塔(Masato Morita)的题目 为“产生原子核激发态方法(Method of Producing Excited States of Atomic Nuclei)”的美国专利No.3,974,390揭示了用X射线从K壳层 敲出电子而产生激发原子的方法。当另一个电子落入K壳空位时，能 量传给原子核，这样便激发了原子核，该原子核借助γ或B辐射而去 除激发。这是原子的能量传给原子核的一种间接方法。

1990年10月9日颁布给威廉.巴克(William Barker)的题目为 “静电电压激发方法和设备(Electrostatic Voltage Excitation Process and Apparatus)”美国专利No.4,961,880揭示了一种方法 和设备，即利用静电电荷降低库伦位垒，这样来减少原子核发射α粒子 所需要的能量，从而加快放射性同位素的衰变速率。正如这里对核反 应所定义的那样，静电场通常无足够的能量来影响核反应。

1991年12月31日颁布给威廉．巴克(William Barker)的题目为 “在放射性材料中增强α衰变(Method of Enhancing Alpha Decay in Radioactive Materials)”的美国专利No.5,076,971揭示了利用 静电方式加快衰变速率使放射性材料去污的一种方法和设备。静电场 通常无足够能量来影响核反应，正如这里对核反应所定义的那样。

上述的每一个美国专利均描述了影响放射性同位素衰变速率的一 种方法，但还没有一个获得实际应用。

目前有4种工业示范分离工艺可用于本发明中，以便从核废物里 分离放射性同位素。设计这些工艺主要目的是浓缩和纯化钚，但是只 有普雷克斯法(PUREXTM)在世界范围得到公认。过去，英国人采用了 称作布特克斯(BUTEXTM)的溶剂萃取流程，法国人采用了离子交换流 程，在分离少数锕系元素时若干离子交换流程得到了有限的生产应用。 基于新溶剂的某些有潜在应用可能性的分离工艺如TRUEX-CMPOTM(用双 官能团中性磷类萃取剂CMPO提取锕系和镧系元素的工艺)，和新的离 子交换材料正处在不同的概念或实验室发展阶段。这样先进的湿法工 艺已被建议用于获取高去污因子，但尚未在全工程中间试验水平上进 行示范运行。

那么，现在仍然需要的是用受激辐射衰变方法对放射性废物进行 补救处理的一种有效方法。现在仍需要的是有效完成这种补救处理的 工艺设备，并且能有效利用补救处理过程中的副产品。

发明概述

本发明的目的在于通过核过程以比较简单的方式，提供转化放射 性原子核的方法。本发明可用于高毒性、原子序数Z大于50的放射性 同位素，这些同位素恰是废物处置中有重要意义的同位素。

本发明的另一个目的是，提供用X射线、γ射线、电子或高能光子 轰击原子使放射性同位素转化的一种方法。

本发明还有另一个目的就是提供一种方法和设备来激发放射性材 料加快衰变，足以快到在处理存贮中的放射性废物方面具有实用价值。

本发明的方法是应用实用核物理技术处理长寿命放射性同位素， 并将它们转化为短寿命放射性同位素。核反应特别是伽玛一中子反应 即(γ,n)反应，也称作光致分裂反应，可用于将某一给定原子质量的 放射性同位素转化为原子质量较低的放射性同位素。光致分裂反应通 常引起中子辐射即产生伽玛一中子反应即(γ,n)反应，这是由于原子 核吸收光子达到激态状态后而辐射中子。本发明的优选实施例中，是 将这种中子辐射用于轰击其他放射性同位素。

概括地说，要用其能量大于在靶核里中子结合能的γ光子辐照由 待处理的放射性同位素制成的靶核，从而产生(γ,n)反应，导致所说 的中子辐射。这就是说，放射性元素被高能光子即以γ射线的形式辐 照。原子核吸收γ射线后处于激发状态。在原子核去激发的过程中， 原子核放出中子，从而使该元素转化为较低原子量的同位素。

本发明提出的上述的一些处理方法可在一种工艺设备中得以实 现，这种工艺设备包括有能产生所希望的光子通量的加速器、一个反 应堆系统，该反应堆系统内应含有待γ处理的放射性同位素，而且最 好是含有由被γ辐照的同位素产生的中子进行处理的放射性同位素， 此外，最好还要有控制设备，如象监测核转化过程的设备，反应堆系 统的换料设备以及监测由于核转化而产生的热量利用的设备。

从下面的叙述中，本发明的其他目的、特性和优点将明显地展示 出来。

附图简要说明

图1．以Z为自变量、积分到30Mev的光核截面实验数据函数曲线 图；

图2．根据该发明的实施例，描述商用废物转化工艺流程的示意图；

图3．描述图2中化学分离部分一种实施例的详细示意图。

最佳实施例的说明

因此，根据本发明，提供一种生产不稳定核素的方法，即用高能X 射线、γ射线、高能电子或高能光子轰击原子。例如，当入射γ射线的 能量大于靶核里中子结合能时吸收的能量将原子核从基态激发到某一 激发态，然后，原子核从激发态退激过程中原子核便放出中子。这一 过程称作“受激辐射衰变”。这一过程利用光子使原子核发射中子来转 化不稳定同位素。当中子发射后，产生的同位素具有相当短的寿命， 然后在很短的时间内衰变为稳定同位素。

受激辐射衰变的最佳方法涉及下列几个步骤：首先，利用已知的 化学流程把放射性同位素从放射性废物中分离出来。然后在加速器内， 例如直线加速器或电子感应加速器，加速电子，使加速的电子轰击高Z 靶，如象钨或钛靶。电子轰击高Z靶产生的高能γ射线去直接轰击拟 减少的放射性同位素核。如上所述，γ射线从放射性同位素原子核里敲 出中子。

在已有技术中，应有轰击方法产生中子，但是采用了与本发明采 用的不同的材料并导致了与本发明过程不相同的产物。在已有技术的 轰击方法中，一般地是轰击稳定的非放射性原子，使原子核发射中子。 中子则是所期望的产品，并且减少一个中子的原子核变成放射性废物 产物。

与已有的轰击技术过程相反，本发明提出的方法是使非稳定的放 射性原子受到轰击，致使原子核放出中子。减少一个中子的新原子是 放射性较强的产物，但是其半衰期短，而中子是副产品。

根据本发明的意图，可实现缩短半衰期的例子是半衰期为30.17 年的铯-137转化为半衰期为13天的铯-136。用这种方法也可处理长 寿命子体产物。表Ⅰ列出了本发明方法的这些和其他实例：

                      表Ⅰ

                 H3(λ,n)H2(稳定)

                 C14(γ,n)C13(稳定)

                 Y90(γ,n)Y89(稳定)

                 Ni63(γ,n)Ni62(稳定)

                 Kr85(γ,n)Kr84(稳定)

                 Co60(γ,n)Co59(稳定)

                 Tl204(γ,n)Tl203(稳定)

                 Sr90(γ,2n)Sr88(稳定)

                 Bi210(γ,n)Bi209(稳定)

                 Tl204(γ,n)Tl203(稳定)

                 Ba133(γ,n)Ba132(稳定)

                 Pb210(γ,2n)Pb208(稳定)

      Sr90(λ,n)Sr89(50天半衰期)-β-→Y89(稳定)

    Tc99(γ,3n)Tc96(4.3天半衰期)-β-→Ru96(稳定)

    I129(γ,n)I128(25分钟半衰期)-β-→Xe128(稳定)

    Cs137(γ,n)Cs136(13天半衰期)-β-→Ba136(稳定)

    Fe60(γ,n)Fe59(44.5天半衰期)-β-→Co59(稳定)

  Pb210(γ,n)Pb209(3.25小时半衰期)-β-→Bi209(稳定)

用于光致分裂核反应的高能光子源包括有单能γ射线，或产生连 续能谱γ射线源，如象轫致辐射，其中有高压X射线管或电子感应加 速器。氘核的光致分裂反应是最熟悉的伽玛一中子反应：

1H2+γ→1P1+0n1

用核反应标准的简化表示方式，如果核反应的“Q”值是负的，则 在吸热反应中动能转变为质量。因此，负Q值意味着，原子核吸收动 量以使核反应产生。只有光子给原子核以足够能量满足能量守恒后核 反应才能进行，就是一例。这就是说，用非专业用语即γ反应的程度， 用专业用语即“截面”来说，当入射γ粒子的能量来达到Q值时，γ反 应截面为0。当核反应开始有非0截面时，入射粒子能量称为该反应的 “阈”能。反应阈能就是这样大的γ射线能量，这一能量值刚好足够 打破质子一中子之间的束缚，就是说，为了产生光致分裂反应，γ射线 必需提供等于或大于核子结合能的能量。

当描述本发明的核反应时，可用公式R=σφN，此处，R是反应场， σ为核截面，φ为表征被研究的核反应特性的常数，N为靶原子数目。 σ具有面积量纲，因此，通称为反应“截面”。每平方厘米每秒入射到 靶上的光子数目称为“通量”。当光子通量照射靶子时，产生反应的核 数目正比于束流通量和靶原子数目。我们可以把每个靶原子描绘成一 个面积为σ的圆盘，每当反应发生时就是光子打到了圆盘上。在某些 情况下，σ实际上等于原子核的物理横截面。通常有光核截面表和曲 线图用于计算反应产额。在截面表里，σ一般的表示单位为靶(恩) 或毫靶(恩)，1靶恩为10-28m2。截面随入射光子能量而变化，截面表 中通常给出这种变化。在反应有阈能时，低于阈能时σ为0，大于阈 能时，σ升为正值。截面和能量之间关系称为反应过程的“激发函数”。

因此，首先观察出释放中子时的γ射线能量就是中子结合能。 Baldwin和Koch(1945)在原子序数Z=6和Z=47的范围内确定了若干 不同稳定核的光致分裂反应的阈能。Sher,Halpern和Mann确定了许多 (γ,n)反应阈能。质量数为A的任何同位素的(γ,n)反应阈能值对应 于质量数为(A-1)同位素核内中子结合能。

对于能量在10到20MeV的γ射线来说，绝大多数原子核的(γ,n) 反应截面非常大。这个现象称为“巨共振”，这是高能γ射线机器产生 很大中子本底的原因。所有的原子核都发生巨共振，被看作是原子核 的普遍特性。其宽度为3-10MeV，对中等的和重的稳定元素，Z≥16， 巨共振位于13-18MeV，对于轻稳定元素，Z≤16，靠近20MeV。图1给 出了以稳定同位素Z为函数的、积分到30MeV的光核截面实验数据。 图1表明，原子序数Z大于50的原子核具有最大的吸收截面。图1表 明，发射中子所需的最低能量小于30MeV左右。因此，这个小于约30MeV 的最低能量是利用本发明最佳方法所需的最低能量。 表Ⅱ给出了有用的中子俘获γ射线及其相对强度的一览表。 表Ⅱ     元素     E(MeV) γ射线/中子俘获*     Hg     Cl     Fe     CO     Fe     Al     Ni     Cu     Cr     Cl     Cr     Ni     5.44     6.12     7.28     7.49     7.64     7.73     7.82     7.91     8.449     8.56     8.881     8.997     9.30     0.038     0.177     0.042     0.029     0.30     0.22     0.06     0.20     0.06     0.021     0.14     0.27     0.024 *这些强度的误差约±30％。

在表Ⅱ里，没有给出本发明将要处理的放射性同位素的有用的中 子俘获γ射线及其相对强度。据本发明人所知，这是因为这样的实验 工作还没有做。但是，本发明人预计，以对列出的非放射性元素所做 的同样实验方法，对放射性元素也可进行这样的实验。本发明人预计， 对于本发明将处理的放射性元素来说，能量约为5-14MeV。

核芯激发模型或者是“弱关联模型”，是涉及到核电磁性质的模型。 发展这个模型是为了描述奇A原子核的低位状态(即低能态)，试图把 这样的特性与奇粒子和偶偶芯的特性联系起来。换句话说，角动量为J 的奇A核的状态函数为：

ψ(J)=∑AJcjφ(Jc,j；J)

这里，φ(Jc,j；J)是一个状态，其中，芯的角动量为Jc，而奇粒 子处于状态j。

要着重指出的是，以“芯激发模型”方式来表述，没有假设产生 各种芯状态的机制。它们可能是集体振动，或单粒子激发，或亚粒子 激发，或其他别的什么。这个模型的重要内容是假设奇粒与原子核的 其余部分存在弱关联。这里所说的弱是与芯内相互作用相比较而言的。

对于由核A转化为核B(A→B)的光核反应来说，若反应截面为σ， 那么，核A便以速率σφNA被破坏，同时以同样速率生成核B：

R=-dNA/dt=dNB/dt=σφNA

这个方程与核A衰变为核B的表达式相同，只是用σφ代替衰变 常数λ。实际上，放射性衰变动力学与光子通量为常数时光核反应动 力学有惊人的相似。有关的方程式非常相似。如果靶A是放射性的， 那么，核反应和衰变对于核A的消失同样有贡献。其损失的速率为两 项之和：

-dNA/dt=σφNA+λANA=(σφ+λA)NA

如果φ是常数，则等效半衰期为0.693/(σφ+λA)。

还有，如核B是放射性的，我们又忽略由于进一步的核反应对核B 造成的损失，那么，核B产生的净速率为：

dNB/dt=σφNA-λBNB

以某些方式，把本发明的方法应用于处理裂变废物产物是有益处 的。与对健康危险相对比，锶-90和铯-137两种裂变产物尤为重要， 因为它们对废物贮存库产生大量的热影响。至少乏燃料在头几十年放 出的热量中，这两种放射性核素是主要的热量贡献者。铯-137也是乏 燃料放出的主要穿透辐射源。锝-99和碘-129由于它们产生潜在健康 危险是两种重要的裂变产物。它们之所以重要是因为其寿命长，在裂 变过程中大量产生，在地质条件下般是可溶的，而且在通常地下水条 件下较快的迁移。乏燃料的长期毒性主要由锕系元素造成的，如象镎 -237、铀-234、铀-236、钚-239、钚-240和钚-242。然而，长期危险 在多数情况下是由碘-129和锝-99造成的，因为它们是标准的水可溶 性的和在地下水路径中可迁移的。

用光子处理核废物，特别是对其中的超铀元素和长寿命裂变产物 的转化可产生特别高的相对转化比例。本发明提出的方法将废物中超 铀元素降低到这样程度，含残余超铀元素的所有废物将达到适于浅地 层埋葬的C级或更低。

为实现废物处理的目的，对废物进行光子照射的转化，用γ强束 流持续地照射有麻烦的核素，把废物处置场内有潜在麻烦的长寿命放 射性核素转变成短寿命或稳定的核素。这种方法的作用是降低废物的 长期毒性，因为大多数废物成分随后短时间内衰变成非放射性核素。

将本发明的工艺过程应用到废物处理设施里，以廉价有效的方法 处置反应堆废物产物，将有助于核能工业的发展。图2示出本发明提 出的商用裂变废物转化系统实施例的示意图。所涉及工艺步聚和设备 概述如下。

为了获得可作转化靶的较高纯比例的核素，优选利用在相关技术 部分中描述过的化学工艺流程，从废物中分离被选定的放射性核素成 分。图3用详细的图解示意了在图2的全面工艺流程图里可采用的化 学分离部分。一般来说，图3所示系统的运行技术和条件可从常规化 学流程中派生出来。最佳商用废物转化设备要求对反应堆乏燃料进切 断和溶解的首端处理，然后分离超铀元素和选择的裂变产物。初步分 离可采用水法或干法工艺流程。被公认的普雷克斯法(PUREX)可用于 这一分离步聚。然后是水法发离流程，可利用先进的技术，如象TRUEX 工艺(双官能团中性磷类萃取剂提取锕系和镧系元素工艺)。全规模的 分离系统可设计成具有高可靠性和现代的工程生产能力，整个分离过 程损失率小于0.1％。用高温化学法分离固态金属。高温化学法投资费 用低于水法，因为屏蔽空间容量小，并且所需的厂房和设备尺寸也减 少。

拟转化的放射性材料在输送到系统里时或是水浆液，或是固体状 态。某些化合物或单个原子可用做转化系统的装料。

当化学分离和把放射性同位素置于靶结构或靶区域内之后，开始 照射靶核，辐照的束流通量和能量应是够大，使得优选的所有放射性 核素基本上转化成或裂变为稳定元素，或半衰期短到可接受水平的同 位素。本发明的设备里可利用不同的方法产生γ射线。例如，电子感 应加速器非常有效，结构简单、紧凑可携带。γ源需要产生γ束流，其 能量大于被处理的同位素的中子结合能。就是说，最佳的光子束流应 有可调能量，光子能量最高到15MeV左右。

在被γ轰击的同位素1里发生光核反应释放中子，然后这些中子 被其他放射性废物产物吸收。所产生的中子通量约1015中子/厘米2·秒， 可用于活化及中子转化其他放射性废物产物，如象：

Tc99+n→Tc100(半衰期16秒)→β+Ru100(稳定)

I129+n→I130(半衰期12.4小时)→β+Xe130(稳定)

I127+n→I128(半衰期25分钟)→β+Xe128(稳定)

本发明所处理过的废物产物，由于其特有短半衰期而成为热源。 因此，本发明的整个工艺流程产生热量，该热量可收回用来作γ源的 动力，用于产生电能的转换系统，供自己的处理系统使用，或将剩余 动力卖给电网。

正如在图2中图解示意的那样，拟被γ处理的放射性同位素密封 在将用光子束流轰击的妥善放置的圆柱形区域里。另外的放射性废物/ 同位素2可放置在与γ处理同位素1同心轴的环形圆柱里，使得同位 素1放出的中子轰击同位素2。例如，可把γ处理放射性同位素1和中 子处理同位素2的装料加入反应堆系统内，接受γ辐照(光子束流)。 同位素1装料可以固体状态分批配料方式加入应堆系统10内，同位素 2装料可以液体状态分批配料方式加入反应堆系统10内。在同位素1 接受γ处理和同位素2接受产生的中子处理之后，将转化了的产物从 反应堆系统里取出返回到化学分离车间从放射性同位素中分离出稳定 产物和短寿命产物，而将放射性同位素循环返回到反应堆系统里去。 为了生产电能，采用常规方法回收从光子和中子处理反应中产生的热 量，以便生产电能。

可采用各种控制设备来监控光子束流和总体上监控工艺过程。一 旦理解了本发明的工艺流程和监控需求，熟习工艺控制技术的人员就 可以装配为有效运行所需的各种系统。

常规控制设备可用于监控引向γ处理同位素1的γ射线通量。在 加速器内改变/调整束流量便可实现控制。

转化设备可包括控制γ照射和光致分裂反应持续时间的控制系统。 例如，为了监测转化过程，来自同位素1的中子通量可以测量。当中 子通量降到某一水平时则表明，同位素1的绝大多数转化已经完成， 转化了的产物可以从反应堆系统里卸出来，可以再装料了。另一方面， 控制γ照射的其他控制系统可以考虑使用，如象监测反应堆系统内产 生的热量。这样，持续时间控制系统可包括适当地监测转化过程的进 展情况，和给反应堆系统换料。

总之，这些反应的重要工业产品是：长期内危险性小的放射性材 料，生成的中子，具有放射性比活度增大的和比能增加的放射性材料， 当然这取决于输入给被辐照原子核的能量多少，还有产生的质子和α粒 子。

尽管上面所叙述的发明是关于特定的方法、材料和实施例，但是， 可理解本发明不只是限于这些被揭示的项目，它可以扩大到在权利要 求书范围内的所有等同项目上去。

发明背景