DE3301641A1

DE3301641A1 - Vorrichtung und verfahren zur aufbereitung und trennung von verbrauchten kernbrennstoffen

Info

Publication number: DE3301641A1
Application number: DE19833301641
Authority: DE
Inventors: Melvin Sterling 94595 Walnut Creek Calif. Coops; John Zolvah 94526 Danville Calif. Grens; William Hunter 94550 Livermore Calif. Parrish sen.
Original assignee: US Department of Energy
Current assignee: US Department of Energy
Priority date: 1982-01-19
Filing date: 1983-01-19
Publication date: 1983-08-18
Also published as: FR2520151B1; GB2113901B; GB2113901A; FR2520151A1; CA1202787A

Description

R 5663

Vorrichtung und Verfahren zur Aufbereitung und Trennung von verbrauchten Kernbrennstoffen

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung und Wiederaufbereitung und zur Trennung von verbrauchten Kernbrennstoffen, die mit Spaltprodukten verunreinigt sind, und zwar in einem aus geschmolzenem Metall bestehenden Lösungsmittel. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wiederverarbeitung und Trennung gebrauchter Brennstoffelemente in einer Trennvorrichtung, die ein Schmelzmetallösungsmittel enthält und ferner ein poröses Filterglied aufweist, um das geschmolzene Lösungsmittel und die darin löslichen Verbindungen aus der Trennvorrichtung zu entfernen.

Ein Schmelzmetallösungsmittel, üblicherweise Zinn, wird als das Lösungsmittel und Reaktionsmedium bei der Wiederaufbereitung und Trennung von verbrauchten Kernbrennstoffelementen verwendet, und zwar einschließlich actiniden Brennstoffen, beispielsweise erfolgt die Entfernung von Spaltprodukten und anderen Verunreinigungen von verbrauchten Uran-Plutonium- und Thorium-Uran (Plutonium)-Brennstoffen in Oxidmetall oder Carbidform. Zu Beginn wird der

verbrauchte Brennstoff, wenn erforderlich, von seinem Überzug befreit und sodann in eine Lösung aus geschmolzenem Zinn gegeben, die auf einer Temperatur von ungefähr 16OQ⁰C gehalten wird. Wenn der Brennstoff ein Oxid ist, so ist ein carbothermischer Reduktionsprozeß erforderlich. Zu diesem Zweck
weist das das geschmolzene Zinn enthaltene Trenngefäß ein
eine Quelle für Kohlenstoff bildendes Material auf, und zwar vorzugsweise Graphit. Kohlenstoff löst sich im geschmolzenen Zinn auf und reagiert mit den Actiniden und Spaltproduktoxiden und wandelt sie in eine metallische Lösung um und erzeugt CO-Gas. Für einen Uran-Plutonium-Brennstoff kann die Hauptreaktion wie folgt dargestellt werden:

(ü,Pu)0_{2(s) +} 2 C_{(zn in}

^(U'^Pu)(in Zn Lösung) ^{+ 2 C0}(g) (1)

Während der Auflösung des Brennstoffs werden flüchtige Spaltprodukte freigegeben und aus dem Trenngefäß durch das CO
herausgespült, während feuerfestere Spaltprodukte in dem geschmolzenen Zinnlösungsmittel zurückbleiben. Obwohl die
flüchtigen Spaltprodukte unterschiedliche Flüchtigkeiten im
geschmolzenen Zinn besitzen, so werden sie jedoch alle in
einem Schritt entfernt. Zusammen mit den flüchtigen Spaltprodukten wird ein beträchtlicher Anteil des geschmolzenen Zinnlösungsmittels ebenfalls verdampft und aus dem Gefäß verdampft .

Sodann werden die (in Lösung befindlichen) Actiniden von
der Hauptmenge der im geschmolzenen Zinn verbleibenden Spaltprodukte in einer Nitrierungsreaktion getrennt. Eine nichtoxidierende Stickstoff enthaltende Atmosphäre wird in das
Gefäß eingeführt, was die Bildung von actiniden Nitriden
in dem geschmolzenen Zinn zur Folge hat. Für einen Uran-

-.β

Plutonium-Brennstoff wird die Reaktion durch die folgende Gleichung repräsentiert:

^(U'^PU)(in Zn-Lösung) ^{+ 1}'^{2 N}(2)(g)

Während des Nitrierungsprozesses kann geschmolzenes Zinn ebenfalls verdampfen und aus dem Trenngefäß entweichen. Sobald die Nitrierung vollständig ist/ werden die festen actiniden Nitride vom geschmolzenen Zinn und den im Zinnlösungsmittel verbleibenden Spaltprodukten getrennt.

Die US-Patentschriften 3 843 765 und 3 843 766 sind für derartige Schmelz-Zinn-Trennverfahren und Vorrichtungen beispielhaft.

Die obengenannten Patente beschreiben, daß die actiniden-Nitride von den Spaltproduktverunreinigungen im Trenngefäß getrennt werden, und zwar unter Einschluß von mechanischen Mitteln, um eine physikalische Trennung voneinander vorzunehmen. Um diese Art einer physikalischen Trennung vorzusehen, sind jedoch körperliche Bauelemente erforderlich, die schwierig in einem Trennsystem vorgesehen werden können, welches bei Temperaturen des flüssigen Zinns arbeitet. Zudem sind diese körperlichen Bauelemente (Hardware) sehr kostspielig.

Zusammenfassung der Erfindung. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Wiederaufbereitung und Trennung von verbrauchten Kernbrennstoffen vorzusehen, und zwar einschließlich actiniden Brennstoffen und Spaltprodukten, wobei die actiniden Brennstoffe von den Spaltprodukten bei erhöhten Temperaturen getrennt werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung

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und ein Verfahren vorzusehen, um verbrauchte Kernbrennstoffe zu trennen und wieder aufzubereiten, wobei die actiniden Brennstoffe von den Spaltprodukten ohne die Verwendung mechanischer Mittel getrennt werden, um so eine Trennung der beiden vorzunehmen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Trennung und Wiederaufbereitung von verbrauchten Kernbrennstoffen anzugeben, wobei kein Transportsystem erforderlich ist, um die Actiniden physikalisch oder körperlich von den Spaltprodukten zu entfernen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Ansprüche.

Zur Erreichung der genannten Ziele verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wiederaufbereitung und Trennung von verbrauchten Kernbrennstoffen ein Lösungsmittel in der Form eines geschmolzenen Metalls. Ein Trenngefäß ist vorgesehen, welches eine Reaktionszone zur Unterbringung des Metallösungsmittels aufweist, und eine Rückflußzone (reflux region) ist oberhalb und benachbart zur Reaktionszone positioniert. Die beiden Zonen sind temperaturunabhängig und in der Lage, auf unterschiedlichen Temperaturen zu arbeiten. Innerhalb eines Trenngefäßwandgliedes ist in einer Position, benachbart zu der Rückflußzone, eine öffnung angeordnet. Ein poröses Filterglied ist innerhalb eines Trenngefäßwandglieds angeordnet, welches den Boden des Trenngefäßes definiert, und zwar in Tragbeziehung gegenüber dem Metallösungsmittel. Mittel zur Veränderung der Temperatur des Trenngefässes sind vorhanden. Zusätzlich sind Mittel zur Evakuierung des Trenngefäßes vorgesehen und Mittel zur Einführung unter-

schiedlicher Atmosphären in dem Gefäß sind vorhanden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Wiederaufbereitung und zur Trennung verbrauchter Kernbrennstoffe vorgesehen, und zwar einschließlich der actiniden Brennstoffe, flüchtiger und nichtflüchtiger Spaltprodukte, und zwar unter Verwendung eines Schmelzmetallösungsmittels. Ein Trenngefäß ist dabei vorgesehen, welches eine Reaktionszone aufweist, in der das Metallösungsmittel untergebracht ist, und eine Rückfluß- oder Reflux-Zone ist oberhalb und benachbart zur Reaktionszone angeordnet. Das Trenngefäß weist ferner eine öffnung auf, und zwar angeordnet innerhalb eines Gefäßwandgliedes in einer Position, benachbart zu der Rückflußzone, und ein poröses Filterglied ist innerhalb eines Gefäßwandgliedes angeordnet und definiert den Boden des Gefäßes in Tragbeziehung mit dem Metallösungsmittel. Verbrauchte Kernbrennstoffe werden in das Trenngefäß eingeführt, und zwar gefolgt von der Einführung einer nichtoxidierenden Stickstoff enthaltenden Atmosphäre. Feste actinide Nitride werden innerhalb des Metallösungsmittels gebildet, während die nichtflüchtigen Spaltprodukte in Lösung bleiben. Die Rückflußzone wird darauffolgend hinreichend unter Druck gesetzt, um das geschmolzene Metallösungsmittel durch das poröse Filter zu drücken, wobei die aktiven actiniden Nitride in der Reaktionszone des Trenngefäßes zurückbleiben.

Der Einschluß des porösen Filtergliedes gestattet die Trennung der verfestigten actiniden Nitride von dem geschmolzenen Metallösungsmittel und die nichtflüchtigen Spaltprodukte verbleiben in der Lösung ohne daß die Notwendigkeit besteht, ein Transportsystem vorzusehen, um die festen oder soliden actiniden Nitride zu sammeln und sodann körperlich von der Schmelzlösung wegzutransportieren. Zusätzlich werden beträchtliche Kosteneinsparungen dadurch realisiert, daß man das teure mechanische Transportsystem eliminiert. Die gemäß

der Erfindung vorgesehene Trennung schreitet erfolgreich bei Temperaturen voran, die erforderlich sind, um das geschmolzene Metall in einem geschmolzenen Zustand zu halten.

Beschreibung der Zeichnung.

Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, und zwar ist die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer Wiederaufbereitungs- und Trennvorrichtung für verbrauchten Kernbrennstoff.

Verbrauchte Kernbrennstoffe einschließlich actiniden Brennstoffen in Oxid-, Carbid-^oder Metallform sowie flüchtige und nichtflüchtige Spaltprodukte werden in erfolgreicher Weise wiederaufbereitet und getrennt, unter Verwendung eines Trenngefäßes, welches ein Flüssigmetallösungsmittel in einer Reaktionszone des Gefäßes enthält und eine oberhalb der Reaktionszone angeordnete Rückfluß- oder Reflux-Zone besitzt. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Trennvorrichtung ist in Fig. 1 gezeigt. Das Trenngefäß 10 wird durch Wandglieder "■ ' gebildet, die aus einem kohlenstoffhaltigen Material hergestellt sind. Vorzugsweise sollten die Gefäßwände 12 folgende Eigenschaften besitzen: 1. Sie sollten feuerfest sein und in der Lage sein, das System auf Temperaturen weit oberhalb der Reaktionstemperaturen zu halten, 2. sie sollten inert gegenüber Actiniden bei den Reaktionstemperaturen und den verwendeten Lösungsmittelbedingungen sein, 3. sie sollten niedrige Neutronenabsorptionseigenschaften aufweisen, und 4. sie sollten eine Quelle für Kohlenstoff sein, und zwar für die carbo-thermische Reduktion der actiniden Oxide. Beispielhafte Kohlenstoff enthaltende Materialien sind Carbid" Kohlenwasserstoffe und Graphit. Graphit ist das bevorzugte Material.

Das Trenngefäß 10 definiert verschiedene unterschiedliche

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Zonen: eine ein Schmelzmetallösungsmittel 16 enthaltende Reaktionszone 14, eine Rückfluß- oder Reflux-Zone 18, die unmittelbar benachbart und oberhalb der Reaktionszone 14 angeordnet ist, und eine Kondensationszone 19, die benachbart zu und unmittelbar auf der Reflux-Zone 18 angeordnet ist. Die Kondensationszone 19 ist ein domartiges Gebilde, definiert die Oberseite des Gefäßes und ist vom Rest des Gefässes 10 entfernbar. Ein Reservoir 20 ist innerhalb der Kondensationszone 19 gebildet, und zwar an der Schnittstelle mit der Rückfluß-Zone 18. Das Reservoir 20 wird durch eine Isolationswand 22 und Gefäßwandglied 12 definiert.

Der Aufbau unterschiedlicher Zonen innerhalb des Gefäßes 10 gestattet die Bildung eines thermischen Gradienten im Gefäß. Die Zonen 14, 18 und 19 sind sämtlich temperaturunabhängig. Im allgemeinen wird die Reaktionszone 14 auf einer höheren Temperatur gehalten als die Zonen 18 und 19. Wenn die Rückflußzone 18 und die Kondensationszone 19 auf niedrigeren Temperaturen gehalten werden, so tritt vom Lösungsmittel 16 verdampftes Metall in die Reflux-Zone 18 ein, kondensiert darinnen mit Hilfe einer Reihe von Prallplatten 24, vorzugsweise ausgebildet aus Graphit, und kehrt zum Lösungsmittel in der Reaktionszone 14 zurück. Die Zonen 14 und 18 können auf der gleichen Temperatur gehalten werden, während die Kondensationszone 19 auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird. In diesem Falle geht das verdampfte Metallösungsmittel weiter durch Zone 18 und in Zone 19. Das verdampfte Lösungsmittel kondensiert darinnen und wird in dem Reservoir 20 als eine Flüssigkeit gesammelt.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sollte das Metalllösungsmittel eine gute Löslichkeit für Uran und andere actiniden Metalle besitzen; ferner sollte es einen geeignet niedrigen Dampfdruck aufweisen, um die Kondensation des Lösungsmittels in der Rückfluß-Zone zu gestatten, es sollte

nicht ohne weiteres Nitride bilden, und es sollte schließlich einen geeignet niedrigen Neutronenquerschnitt aufweisen. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise die folgenden: Blei, Zink, Wismuth und Zinn sowie Kombinationen daraus. Das bevorzugte Lösungsmittel ist Zinn.

Um einen thermischen Gradienten innerhalb des Gefäßes 10 hervorzurufen, ist ein erster mit einer geeigneten Leistungsquelle verbundener Induktionsheizer 26 außerhalb des Gefäses angeordnet, und zwar in Umgebungsbeziehung mit der Reaktionszone 14. Ein zweiter ebenfalls mit einer geeigneten Leistungsquelle verbundener Induktionsheizer 28 ist außen am Gefäß in Umgebungsbeziehung mit der Rückfluß-Zone 18 angeordnet. Jeder Induktionsheizer ist unabhängig vom anderen und gestattet die Bildung eines thermischen Gradienten innerhalb des Gefäßes 10. Andere Heiz- und Kühl-Mittel können zum Aufbau des Temperaturgradienten verwendet werden. Zu diesen Mitteln gehören die folgenden, obwohl diese Aufzählung nicht einschränkend verstanden werden soll: Strahlungserhitzung mit Widerstandserhitzern, Elektronenstoßerhitzung des Gefäßes und direkte elektrische Widerstandserhitzung, angelegt an das Gefäß. Eine Vielzahl von Kühlwicklungen oder Spulen 30 ist außen am Kondensationsabschnitt 19 angeordnet, und zwar in Umgebungsbeziehung damit. Ein zirkulierendes Medium wie beispielsweise Wasser, dampf, Luft, Helium u.dgl. fließt durch die Kühlschlangen oder Wicklungen 30, um den Kondensationsabschnitt des Gefäßes 10 zu kühlen.

Trenngefäß 10, Induktionsheizer 26, 28 und Kühlwicklungen sind sämtlich innerhalb eines Metallvakuumtanks 32 untergebracht. Der Tank 32 kann alternativ eine Inertgaskammer sein. Der Tank dient als ein sekundäres Umschließungsgefäß für die verbrauchten Kernbrennstoffe und sieht eine zusätzliche Sicherheit im Falle eines Überlaufs vor. Der obere Deckel 34 des Tanks 32 ist entfernbar und schafft Mittel

zur Einführung verbrauchten Brennstoffs in das Gefäß 10. Zu diesem Zweck wird ein Flansch 36, der die die Rückfluß-Zone 18 und die Kondensationszone 19 definierenden Gefäßwandglieder verbindet, aus der Kondensationszone 19 entfernt, beispielsweise wird der Dom von den verbleibenden Abschnitten des Gefäßes 10 getrennt. Sodann wird verbrauchter Brennstoff mechanisch oder chargenweise in das Gefäß gegeben. Eine entfernbare Graphitauskleidung 38 kann wahlweise vorgesehen sein und innerhalb des Innenraums des Gefäßes angeordnet sein. Bevor jede neue Charge des verbrauchten Brennstoffes wieder aufbereitet wird, wird eine neue Graphitauskleidung innerhalb des Gefäßes 10 angeordnet. Dies vermindert den Abrieb an den Innenwänden des Gefäßes 10.

Eine Leitung 4 0 durchbohrt die Bodenwand 42 des Tanks 32 und Wandglied 12 des Gefäßes 10. Ein Ventil 43 ist innerhalb der Leitung 4 0 angeordnet. Die Leitung 40 steht in Verbindung mit einer (nicht gezeigten) Pumpe und Vakuumsystemen, verschiedenen (nicht gezeigten) Sammelgefäßes zur Sammlung und zum Enthalten von CO, flüchtigen Spaltprodukten usw., die aus dem Gefäß 10 entfernt werden, und ebenfalls mit einem Umschließungsgefäß, welches nicht gezeigt ist, und welches ein nichtoxidierendes Stickstoff enthaltendes Gas enthält, wie beispielsweise N₂. Elektrische Leiter für die Induktionsheizer 26 und 28, Rohrleitungen für die Schlangen oder Spulen 30 und weitere erforderliche Hilfsmittel verlaufen ebenfalls durch die Bodenwand 42.

Innerhalb des Trennwandgefäßgliedes 12 ist in einer den Boden des Gefäßes 10 definierenden Position und speziell dem Boden der Reaktionszone 14 ein poröses Filterglied 46 angeordnet, welches in Tragbeziehung mit dem Metallösungsmittel 16 steht. Das Filter 46 kann unterschiedliche Größe besitzen und kann sich über die gesamte Breite des Bodens des Gefäßes 10 erstrecken. Die Porosität des Filters 4 6 muß ausreichend sein,

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um das geschmolzene Metallösungsmittel 16 dann zu tragen, wenn ein Druck von ungefähr 1 Atm an die Rückflußzone 10 und Kondensationszone 19 angelegt wird, muß aber den Fluß des Lösungsmittels und jedweder darin löslichen Zusammensetzungen dann gestatten, wenn ein Druck von ungefähr 1,1 bis 1,2 Atm an die Rückflußzone angelegt wird. Vorzugsweise sollte die Porengröße des Filtermaterials ungefähr 10 bis Mikron betragen.

Wenn eine Graphitauskleidung 38 im Trenngefäß 10 vorgesehen ist, so ist der Boden der Auskleidung 38 von einer porösen Natur, ähnlich dem Filter 46. Die bevorzugten Filtermaterialien umfassen beispielsweise Graphit, rostfreien Stahl und andere Materialien, die zur Bildung des Trenngefäßes 10 verwendet werden können. Das bevorzugte Material ist Graphit. Wenn ein Druck von ungefähr 1,1 bis 1,2 Atm des nichtoxidierenden, Stickstoff enthaltenden Gases oder eines inerten Gases wie beispielsweise Argon an das Trenngefäß 10 oberhalb des Metallösungsmittels 16 angelegt wird, so wird das Lösungsmittel veranlaßt, vom Gefäß in eine Rückführ- oder Rezyklus-Kammer 48 zu fließen, die unter dem Gefäß 10 positioniert ist. Die Rezyklus- oder Rückführ-Kammer 48 wird durch die Zirkulation eines Kühlmediums,wie beispielsweise Wasser, durch deren Kammerwände gekühlt. Metallösungsmittel 16 wie auch die nichtflüchtigen Spaltprodukte werden in der Rezyklus-Kammer 48 gesammelt, gekühlt und sodann daraus entfernt. Ein Drainagerohr 49 ist entfernbar am Trenngefäß 10 befestigt und ebenfalls lösbar an der Rezyklus-Kammer 48 befestigt. Das Vorhandensein eines Drainagerohrs 4 9 ist notwendig, um die kühle Rezyklus-Kammer von dem wesentlich heißeren Trenngefäß zu trennen.

Das Metallösungsmittel 16 und auch Reaktionszone 14 werden auf einer Temperatur hinreichend zur Lösung der actiniden Brennstoffe gehalten, beispielsweise der Reaktionszonentempe-

ratur. Vorzugsweise beträgt die Reaktionszonentemperatur ungefähr 14 50 bis 1800⁰C. Noch bevorzugter ist der Temperaturbereich von 1550 bis 1700⁰C und am bevorzugtesten ist eine Temperatur von ungefähr 1630⁰C. Die Rückfluß-Zone 18 wird anfänglich auf einer niedrigeren Temperatur als die Reaktionszone gehalten, beispielsweise auf der Rückflußoder Reflux-Temperatür. Diese Reflux-Temperatur muß niedrig genug liegen, um den Rückfluß des Metallosungsmittels zu bewirken. Wenn Zinn als Lösungsmittel verwendet wird, wird eine Temperatur von ungefähr 800 bis 1200⁰C aufrechterhalten. Vorzugsweise beträgt der Temperaturbereich ungefähr 950 bis 1050⁰C. Die Temperatur der Kondensationszone 19 liegt niedriger als die der Reflux-Zone 18, aber oberhalb des Schmelzpunkts des Metallosungsmittels. Ein Temperaturbereich von ungefähr 232 bis ungefähr 1050⁰C ist geeignet. Bei diesen niedrigeren Temperaturen wird verbleibendes Metallösungsmittel oder flüchtige Spaltprodukte, die durch die Rückfluß-Zone 18 laufen, eingefangen und gesammelt.

Die Rate der carbo-thermischen Reduktion der actiniden Oxide hängt von der Menge des verfügbaren Kohlenstoffs innerhalb des gewählten Metallosungsmittels ab. Kohlenstoff ist nur sehr geringfügig in den wählenswerten Metallen, insbesondere Zinn, löslich. Durch die Zugabe eines ersten Katalysators zum Metall zur Vergrößerung der Kohlenstofflöslichkeit und Permeabilität wird jedoch die carbo-thermische Reduktionsrate stark erhöht. Um effektiv zu sein, muß der Katalysator die Kohlenstofflöslichkeit in dem Metall erhöhen und nicht ohne weiteres stabile Carbide bilden. Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise die folgenden: Kobalt, Nickel, Eisen und Kombinationen daraus. Der bevorzugte Katalysator ist Kobalt. Diese Elemente sind ebenfalls besonders brauchbar, weil sie relativ nichtflüchtig sind und nicht aus dem geschmolzenen Zinnlösungsmittel verdampfen.

Beispielsweise ist Zinn mehr als eintausend Mal flüchtiger als Kobalt. Der Katalysator ist in einer Menge vorhanden, wobei der Gewichtsprozentsatz des Katalysators im geschmolzenen Metallösungsmittel im Bereich von ungefähr 0,1 bis 20 liegt. Vorzugsweise* beträgt der Prozentsatz von ungefähr 1 bis 20. Am bevorzugtesten ist der Prozentsatz von ungefähr 5 bis 10.

Vor der Einführung des verbrauchten Kernbrennstoffs in das Gefäß 10 kann es notwendig sein, den Brennstoff entweder mechanisch oder chemisch von seinem Überzug zu befreien. Der verbrauchte Brennstoff wird in relativ kleine Teilchen (3 mm oder weniger) zerkleinert und sodann in das Gefäß 10 mit einer mechanischen Eingabevorrichtung oder im Chargenstil eingegeben.

Sobald die verbrauchten Kernbrennstoffe im Lösungsmittel 16 mit der geeigneten Temperatur zugegeben sind, reduziert der Kohlenstoff von Graphitwand 12, Verteiler oder Dispenser 52 und Auskleidung 38 die actiniden Oxide, wobei CO entsteht. Da sich die verbrauchten Brennstoffe in dom Metallösungsmittel auflösen, werden die flüchtigen Spaltprodukte freigegeben, während die nichtflüchtigen Spaltprodukte in Lösung bleiben. Bei der Reaktionszonentemperatur wird eine beträchtliche Menge des Lösungsmittels aus dem geschmolzenen Lösungsmittel 16 in der Reaktionszone 14 verdampft und tritt zusammen mit den flüchtigen Spaltprodukten und CO in die Rückflußzone 18 ein. Innerhalb der Rückflußzone 18 wird das verdampfte Lösungsmittel zum Kondensieren infolge der niedrigeren Temperatur veranlaßt und wird zur Reaktionszone 14 zurückgebracht. Sehr wenig vom verdampften Lösungsmittel erreicht die Kondensationszone 19.

Flüchtige Spaltprodukte, gemäß der hier gegebenen Definition,

umfassen die in Tabelle I angegebenen Spaltprodukte, die sehr hohe, mäßige oder niedrige Flüchtigkeiten besitzen. Die Flüchtigkeiten der flüchtigen Spaltprodukte innerhalb der Rückfluß-Zone 18 ändern sich gewaltig. Bei der Rückfluß-Zonen-Temperatur kondensieren die weniger flüchtigen Spaltprodukte und kehren zur Schmelζzinnlösung 16 zurück. Diese flüchtigen Spaltprodukte werden als kondensierbare Spaltprodukte definiert. Die flüchtigeren Spaltprodukte kondensieren nicht in der Reflux-Zone 18 oder der Kondensations-Zone 19. Stattdessen fließen sie vom Gefäß durch Leitung 4 0 und werden gesondert in einem Sammelgefäß gesammelt. Durch die hier gegebene Definition werden die flüchtigeren Spaltprodukte als nichtkondensierbare Spaltprodukte bezeichnet.

Tabelle I gibt die geschätzten Flüchtigkeiten von Spaltprodukten bei ungefähr 1627⁰C an.

Tabelle I Flüchtigkeiten der Spaltprodukte

A. Sehr hoch (10~³ bis 1 Atm) I, Br, Cd, Cs, Rb und Se

B. Mäßig (10~⁶ bis 10~⁴ Atm) Sb und Te

C. Niedrig (10~⁸ bis 10~⁶ Atm) Ba, Eu, Sm und Sr

— 9

D. Sehr niedrig (weniger als 10 Atm)

Ce, Gd, La, Mo, Nd, Pd, Pm, Pr, Rh, Ru, Tc, Y und Zr

Während der Entfernung von CO und den nichtkondensierbaren flüchtigen Spaltprodukten wird ein Sprühgas in das Gefäß 10 durch Leitung 50 zur Beschleunigung der carbo-thermischen Reduktion eingeführt. Ein inertes Gas wie beispielsweise Argon ist für diesen Zweck geeignet. Nachdem die nichtkondensierbaren flüchtigen Spaltprodukte aus dem Gefäß 10 entfernt sind, wird die Temperatur der Rückfluß-Zone 18 von ihrer Rückfluß-Temperatur von beispielsweise 950° bis 1050⁰C auf die Temperatur der Reaktionszone erhöht. Die Kondensationszone 19 wird jedoch durch Kühlung nach Bedarf auf einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 232 bis 1050⁰C gehalten. Auf der erhöhten Reaktionszonentemperatur werden die kondensierbaren flüchtigen Spaltprodukte im allgemeinen in der Reflux- oder Rückführungs-Zone 18 nicht kondensieren. Im wesentlichen werden die kondensierbaren flüchtigen Spaltprodukte und auch etwas verdampftes Zinn destilliert, kondensiert und in der Kondensationszone 19 im Reservoir 20 gesammelt. Obwohl etwas Zinn in diesem Destillation sver fahr en verloren geht, geht jedoch viel weniger verloren als dann, wenn die Entfernung sämtlicher flüchtigen Spaltprodukte ohne das Vorhandensein der Rückführungs- und Kondensationszonen erfolgte, welche den Temperaturgradienten erzeugen. Zudem gestattet der Temperaturgradient die selektive Trennung der flüchtigen Spaltprodukte, basierend auf ihren unterschiedlichen Flüchtigkeiten, beispielsweise werden die kondensierbaren und nichtkondensierbaren flüchtigen Spaltprodukte getrennt.

Wenn die Destillation vollständig ist, so wird die Temperatur der Rückfluß-Zone 18 zurück auf die definierte Reflux-Temperatur von ungefähr 950 bis 1050⁰C vermindert. Daraufhin wird eine nichtoxidierende Stickstoff enthaltende Atmosphäre in das Gefäß 10 eingeführt. Ein Beispiel einer solchen Atmosphäre ist reiner Stickstoff. Die Stickstoffatmosphäre tritt in das Metallösungsmittel 16 ein und wird darinnen

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mit Hilfe eines Verteilers oder Dispensers 52 verteilt. Zusätzlich kann die Stickstoff enthaltende Atmosphäre auch durch Leitung 40 eingeführt werden. Ein Stickstoffdruck von ungefähr 1 Atm wird bevorzugt. Innerhalb des Lösungsmittels 16 werden feste actiniden Nitride einschließlich Un, U₃N₃, PuN, Pu₂N₃, ThN u.dgl. gebildet. Die ursprünglichen löslichen Spaltprodukte bleiben in Lösung.

Um die festen actiniden Nitride von dem geschmolzenen Lösungsmittel und den löslichen Spaltprodukten zu trennen, werden die Reflux- und Kondensations-Zonen 18 und 19 mit einem Gas wie beispielsweise Stickstoff unter Druck gesetzt, und zwar eingeführt durch Leitung 4 0 mit einem Druck von ungefähr 1,1 bis 1,2 Atm. Der Druckeffekt zwingt das geschmolzene Lösungsmittel und die löslichen Spaltprodukte zum Fluß von der Reaktionszone 14 durch Filter 46 und in Rezyklus-Kammer 48. Sodann wird das Gefäß 10 gekühlt und auseinandergenommen, beispielsweise erfolgt eine Trennung des Gefäßes am Flansch 36. Die verbleibenden festen actiniden Nitride werden aus dem Gefäß 10 entnommen und verarbeitet, um brauchbare Brennstoffe zu ergeben, beispielsweise erfolgt die Zündung in Anwesenheit von Sauerstoff zur Erzeugung von actiniden Oxiden.

Zur Beschleunigung des Nitridbildungsprozesses wird ein zweiter Katalysator eingeschlossen. Der zweite gewählte Katalysator muß die Affinität des Stickstoffs in dem Metalllösungsmittel erhöhen, aber keine stabilen Nitride bilden. Geeignete Katalysatoren sind beispielsweise die folgenden: Magnesium, Calcium, Strontium, Barium, Aluminium, Mangan, Vanadium, Chrom und Mischungen daraus. Der bevorzugte zweite Katalysator ist Calcium. Abhängig von der Auswahl des zweiten Katalysators kann die Zugabe zum Metallösungsmittel anfangs als Teil des Lösungsmittels erfolgen, oder aber kurz vor dem Nitrierungs- oder Nitridbildungsprozeß. Dies ist auf

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die unterschiedlichen Flüchtigkeiten der Katalysatoren und den möglichen Verlust des flüchtigeren zweiten Katalysators während des carbo-thermischen Reduktionsprozesses zurückzuführen. Der Gewichtsprozentsatz des zweiten Katalysators zum Metallösungsmittel beträgt ungefähr 1,0 bis 10,0. Vorzugsweise ist der Gewichtsprozentsatz ungefähr 1,8 bis 2,5. Am bevorzugtesten ist ungefähr 1,0. Durch Einschluß des zweiten Katalysators wird annähernd eine dreifache Ratenerhöhung bei der Nitridbildung beobachtet.

Die folgenden Beispiele veranschaulichen das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung und sollen nicht als Einschränkung verstanden werden.

Beispiel 1

50 g zerkleinertes Zinn der Reagenzgüte, 10 g UO₂ (verarmt) und 1 g Cobalt wurden dem in Fig. 1 gezeigten Trennungsgefäß zugegeben. Cobalt wird als Katalysator zugegeben, da andernfalls die carbo-thermische Reduktion ungefähr 20 bis 3 0 Stunden dauert. Die Reaktionszone des Gefässes und das Zinn werden auf eine Temperatur von ungefähr 1600⁰C erhitzt und auf dieser Temperatur gehalten, wodurch ein geschmolzenes Zinnlösungsmittel erzeugt wird. Die Reflux-Zone des Gefässes wird auf einer Temperatur von ungefähr 1000⁰C gehalten. 10g UO₂ (verarmt = abgereichert) werden dem geschmolzenen Zinnlösungsmittel zugegeben. Sodann wird Argon durch das geschmolzene Zinn zwei Stunden lang als Sprühgas hindurchgeblasen: Die nichtkondensierbaren flüchtigen Spaltprodukte werden in geeigneten Kältefallen gesammelt, CO wird zu CO2 oxidiert und in einer Alkalimatrix, wie beispielsweise dem im Handel verfügbaren Produkt Ascarite eingefangen. Die Temperatur der Reflux-Zone wird sodann auf ungefähr 1600⁰C erhöht. Verdampftes Zinn und die zuvor kondensierbaren

flüchtigen Spaltprodukte werden in einem Sammelgefäß gesammelt. Nach ungefähr 15 Minuten wird die Temperatur der Reflux-Zone auf ungefähr 1000⁰C vermindert. N₂ (bei 1 Atm) wird in das Gefäß durch das poröse Filter zur Bildung von actiniden Nitriden eingegeben. Nach ungefähr einer Stunde wird der Fluß von N₂ durch das Filter beendet, während N₂ in die Reflux-Zone mit ungefähr 1,2 Atm eingegeben wird. Das geschmolzene Zinn und die nichtflüchtigen Spaltprodukte im geschmolzenen Zinn fließen aus dem Gefäß durch das poröse Filter heraus und werden in einer Rezyklus-Kammer gesammelt, wobei die festen actiniden Nitride zurückgelassen werden.

Beispiel 2

10 g ThO₂ werden von anderen gebrauchten Kernbrennstoffen unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 getrennt.

Beispiel 3

10 g (U,Pu)0₂, d.h. eine Mischung von UO₂ und PuO₂ wird von anderen gebrauchten Kernbrennstoffen unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 getrennt.

Die Erfindung ist nicht durch die vorstehende Beschreibung sowie die Beispiele beschränkt.

Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung und Wiederaufbereitung verbrauchter Kernbrennstoffe unter Verwendung eines Trenngefäßes, in dem ein Schmelzmetallösungsmittel in einer Reaktionszone vorgesehen ist, wobei eine Reflux-Zone oberhalb und benachbart zu der Reaktionszone angeordnet ist, und wobei ein poröses Filterglied den

Boden des Trenngefäßes definiert, und zwar in tragender Weise gegenüber dem Metallösungsmittel. Verbrauchte Brennstoffe werden dem Metallösungsmittel zugegeben. Ein nichtoxidierendes, Stickstoff enthaltendes Gas wird in das Trenngefäß eingeführt, es werden feste actinide Nitride in dem Metallösungsmittel aus den actiniden Brennstoffen gebildet, wobei andere Spaltprodukte in der Lösung zurückgelassen werden. Ein Druck von ungefähr 1,1 bis 1,2 Atm wird an die Reflux-Zone angelegt, was das geschmolzene Metallösungsmittel und die löslichen Spaltprodukte aus dem Gefäß heraustreibt, während die festen actiniden Nitride im Trenngefäß zurückbleiben.

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Claims

Patentansprüche

1. Eine Vorrichtung zur Wiederaufbereitung und zur Trennung verbrauchter Kernbrennstoffe einschließlich actiniden Brennstoffen,flüchtigen und nichtflüchtigen Spaltprodukten in einem geschmolzenen Metallösungsmittel, gekennzeichnet durch ein Trenngefäß mit einer Reaktionszone, die das Metallösungsmittel enthält und mit einer Reflux-Zone, positioniert oberhalb und benachbart zur Reaktionszone, wobei die Reflux-Zone in der Lage ist, unter einer Temperatur zu arbeiten, die unabhängig ist von der Temperatur der Reaktionszone, und wobei das Trenngefäß ferner eine öffnung aufweist, angeordnet innerhalb eines Wandgliedes des Trenngefäßes in einer Position benachbart zur Reflux-Zone, und wobei ein poröses Filterglied innerhalb eines Trenngefäßwandglieds angeordnet ist und welches den Boden des Trenngefäßes definiert, und zwar erfolgt die Anordnung in Tragbeziehung gegenüber dem Metallösungsmittel, wobei ferner Mittel vorgesehen sind, um die Temperatur des Trenngefäßes zu verändern und wobei Mittel zur Evakuierung des Trenngefäßes vorhanden sind und wobei schließlich Mittel vorhanden sind, um verschiedene Atmosphären in das Trenngefäß einzuführen.

2. Vorrichtung zur Wiederaufbereitung und Trennung verbrauchter Kernbrennstoffe einschließlich actiniden Brennstoffen und Spaltprodukten in einem Schmezlmetalllösungsmittel, gekennzeichnet durch ein Gefäß mit einer Reaktionszone, in der das geschmolzene Metallösungsmittel sich befindet und mit einer Reflux-Zone, positioniert oberhalb der Reduktions-Zone und geeignet, um auf einer unterschiedlichen Temperatur als die Reaktions-Zone zu arbeiten, wobei das Gefäß eine öffnung, angeordnet innerhalb eines Wandglieds des Gefäßes aufweist,

und zwar in einer Position benachbart zu der Reflux-Zone, ferner gekennzeichnet durch Mittel zur Erhitzung des Gefasses, durch Mittel zur Evakuierung des Gefäßes und durch Mittel zum Einführen einer nichtoxidierenden Stickstoff enthaltenden Atmosphäre in das Gefäß zur Bildung von actiniden Nitriden innerhalb des geschmolzenen Metallösungsmittels.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Gefäß ferner eine Kondensationszone, positioniert oberhalb und benachbart zur Reflux- Zone aufweist, wobei die Kondensations-Zone in der Lage ist, mit einer unterschiedlichen Temperatur zu arbeiten als die Reflux- und Reaktions-Zonen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine Auskleidung innerhalb des Gefässes angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Gefäß im wesentlichen aus Graphit gebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß ein poröses Filterglied innerhalb eines Trenngefäßwandgliedes angeordnet ist, welches den Boden des Trenngefäßes bildet, und zwar in Tragbeziehung mit dem Metallösungsmittel.

7. Vorrichtung insbesondere nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterglied eine Porengröße von ungefähr 1Ö bis 100 Mikron besitzt.

8. Verfahren zur Wiederaufbereitung und Trennung von verbrauchten Kernbrennstoffen einschließlich actiniden Brennstoffen, flüchtigen und nichtflüchtigen Spaltprodukten, wobei folgendes vorgesehen ist:

Vorsehen eines Trenngefäßes, gebildet aus einem kohlenstoffhaltigen Material und mit einem geschmolzenen Metallösungsmittel, angeordnet in dem Trenngefäß, welches eine Öffnung innerhalb eines Gefäßwandgliedes aufweist, Zugeben eines ersten Katalysators zu dem Metallösungsmittel zur Erhöhung der Löslichkeit von Kohlenstoff in dem Lösungsmittel ,

Einführung verbrauchten Kernbrennstoffs in das Trenngefäß und

Bildung von CO innerhalb des geschmolzenen Metallösungsmittels aus actiniden Brennstoffen, die Oxide sind.

9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch die Entfernung der flüchtigen Spaltprodukte und CO aus dem Reaktionsgefäß.

10. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch:

die Einführung einer nichtoxidierenden Stickstoff enthaltenden Atmosphäre in das Trenngefäß, nachdem die flüchtigen Spaltprodukte und CO daraus entfernt sind, Bildung fester Nitride aus den actiniden Brennstoffen innerhalb des geschmolzenen Metallösungsmittels, und Trennung der festen actiniden Nitride von dem geschmolzenen Metallösungsmittel und den nichtflüchtigen Spaltprodukten.

11. Verfahren zur Wiederaufbereitung und zur Trennung verbrauchter Kernbrennstoffe einschließlich actiniden Brennstoffen, flüchtigen und nichtflüchtigen Spaltprodukten in einem geschmolzenen Zinnlösungsmittel, gekennzeichnet durch:

Vorsehen eines Trenngefäßes, gebildet aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material, wobei das Trenngefäß eine Reaktions-Zone bildet, in der das geschmolzene Zinnlösungsmittel untergebracht ist, und mit einer Reflux-Zone, angeordnet benachbart zu und oberhalb der Reaktions-Zone, wobei das Trenngefäß eine öffnung, angeordnet in einem Gefäßwandglied in einer Position benachbart zur Reflux-Zone aufweist,

Zugeben eines ersten Katalysators zu dem Zinnlösungsmittel, der die Löslichkeit des Kohlenstoffs im Lösungsmittel erhöht ,

Aufrechterhalten der Reaktionszone auf einer Temperatur ausreichend zur Umwandlung der actiniden Brennstoffe in einen löslichen Zustand,

Aufrechterhaltung der Reflux-Zone auf einer Temperatur, ausreichend um das Zinnlösungsmittel rückzuführen (Reflux-Vorgang), wobei die Reflux-Temperatür niedriger ist als die Reaktionszonen-Temperatur,

Eingeben verbrauchter Kernbrennstoffe in das Zinnlösungsmittel ,

Bildung von CO innerhalb des geschmolzenen Zinnlösungsmittels aus actiniden Brennstoffen, die Oxide sind, Gestatten, daß CO und flüchtige Spaltprodukte innerhalb des geschmolzenen Zinnlösungsmittels zusammen mit etwas geschmolzenem Zinn verdampfen und in die Reflux-Zone fliessen,

Entfernung von CO und flüchtigen Spaltprodukten, die nichtkondensierbar sind, auf der Reflux-Temperatür von der Reflux-Zone durch die Gefäßöffnung, wobei Zinn und weniger flüchtige Spaltprodukte in der Reflux-Zone zurückgelassen werden, und

gestatten, daß verdampftes Zinn und weniger flüchtige Spaltprodukte, angeordnet in der Reflux-Zone, die bei der Reflux-Temperatur kondensierbar sind, hinreichend abkühlen und zu dem geschmolzenen Zinnlösungsmittel in der Reaktions-Zone zurückkehren.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Reaktionsgefäßes verändert wird, und daß das Trenngefäß evakuiert wird und verschiedene Atmosphären in das Trenngefäß eingeführt werden, und wobei die Trenngefäßinhalte durch einen porösen Filter,angeordnet innerhalb einer Trenngefäßwand, gefiltert werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Filter eine Porengröße von ungefähr 10 bis 100 Mikron besitzt.