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Verfahren zur Rückgewinnung von Neptunium aus einer wässerigen, Neptunium und Plutonium enthaltenden Lösung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufbereitung von bestrahltem Brennstoff aus Kernspaltungsreaktoren und insbesondere auf ein verbessertes chemisches Verfahren für die Trennung von Neptunium von Plutonium (selbst in Gegenwart von Uran) in Lösungen solcher Materialien, die durch Auflösen solcher Reaktorbrennstoffe entstehen. Bei diesem Verfahren wird die Masse der Spaltprodukte, die sich durch Bestrahlung des Brennstoffes gebildet haben, zuerst als ein Gemisch von Uran und den Transuranen, wie Neptunium und Plutonium, durch Extraktion mit einem organischen Lösungsmittel abgetrennt und das Plutonium und das Neptunium werden in der Folge getrennt.
Dabei ist eine besondere Vorgangsweise zur Regelung der Plutonium- und Neptuniumvalenz vorgesehen, die die wirksame Trennung dieser Elemente voneinander ermöglicht.
Nukleare Kettenspaltreaktionen und die Reaktoren, in welchen solche Reaktionen ausgeführt werden, sind bekannt. Im allgemeinen wird ein Kernreaktor aus einer Kettenreaktionsanordnung aufgebaut, die Kernbrennstoffmaterial in Brennstoffelementen mit verschiedenen geometrischen Formen, wie Platten, Rohren oder Stäben, enthält. Diese Brennstoffelemente werden üblicherweise an ihren Aussenflächen mit einer korrosionsbeständigen, nichtreaktive wärmeleitenden Schicht oder Umkleidung ausgestattet.
In Leistungsreaktoren sind diese Elemente üblicherweise in Fixabständen voneinander in einem Kühlmittelkanal oder-bereich angeordet, wobei ein sogenanntes Spaltstoffbündel gebildet wird.
Eine genügend grosse Anzahl solcher Bündel wird in der Kettenreaktionanordnung oder im Kern vereinigt, um eine regelbare, selbständige Kernspaltungskettenreaktion zu ermöglichen. Der Reaktorkern ist in einem Behälter eingeschlossen, durch den das Reaktorkühlmittel zirkuliert. In Reaktoren mit thermischem Neutronenspektrum wird auch ein Neutronenmoderator vorgesehen und in manchen Fällen kann dieser Moderator auch als Reaktorkühlmittel dienen. Die bekannten Siedewasserreaktoren und Druckwasserreaktoren sind Beispiele für solche thermische Reaktoren.
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terial kann in Elementform oder in Form von Verbindungen vorliegen. Nach Absorption eines Neutrons durch die Kerne solchen spaltbaren Atoms tritt häufig eine Kernspaltung ein.
Dabei bilden sich im Durchschnitt zwei Spaltproduktatome mit niedrigerem Atomgewicht und grosser kinetischer Ener- gie. Bei einer solchen Spaltung werden auch verschiedene Neutronen mit hoher Energie freigesetzt. Beispielsweise werden bei der Spaltung von U235-Atomen leichte Spaltproduktatome mit Massenzahlen zwischen 80 und 110 und schwere Spaltproduktatome mit Massenzahlen zwischen 125 und 155 gebildet. Im Durchschnitt werden 2, 5 Neutronen je Spaltungsereignis freigesetzt. Die Gesamtenergie, die dabei freigesetzt wird, ist nahezu 200 MeV (Millionen Elektronenvolt) je Spaltung.
Die kinetische Energie der Spaltproduktatome sowie die der Spaltungsneutronen verliert sich rasch
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in den Brennstoffelementen des Reaktors unter Bildung von Wärme. Etwas zusätzliche Wärme entsteht infolge von Strahlungswirkungen direkt in den Baumaterialien des Reaktors, im Kühlmittel und im gegebenenfalls vorhandenen Moderator. Falls ein Netto-Neutron im Durchschnitt auf jedes Spaltungsereignis entfällt und dieses Neutron in der Folge ein Spaltereignis induziert, so wird die Spaltreaktion selbständig und als Kettenreaktion bezeichnet. Zur Aufrechterhaltung der Wärmeerzeugung und zur Abführung der Wärme kann ein Kühlmittelmedium, das mit den Brennstoffelementen in Wärmeaustausch steht, hindurchgeführt werden. Auf diese Weise werden die spaltbaren Atome allmählich verbraucht.
Einige der gebildeten Spaltproduktatome sind starke Neutronenabsorber (Spaltproduktgifte). Dadurch tritt die Tendenz zur Abnahme der Spaltreaktion ein und die Reaktion kann nicht unendlich lang auf einem gegebenen Wert gehalten werden.
In manche Kernreaktorbrennstoffelemente können Brut-Atome, wie Us, zusätzlich zu den oben erwähnten spaltbaren Atomen einverleibt werden. Ein derzeit sehr verbreitet verwendetes Brennstoffmaterial für Leistungskernreaktoren besteht aus angereichertem Urandioxyd (zin dem etwa 2, 0 % der Uranatome durch thermische Neutronen leicht spaltbares U2S5 sind, während die restlichen 98 % aus U2s bestehen, das in einem nennenswerten Ausmass nicht so spaltbar ist. Im Laufe des Betriebes eines mit solchen spaltbaren und Brut-Atomen beschickten Reaktors werden die ursprünglich vorhandenen
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fänglich nimmt die Konzentration dieser neu entstandenen, spaltbaren Atome allmählich mit der Bestrahlung zu und dann wird eine Annäherung an einen Gleichgewichtswert erreicht.
Diese Atome sind durch thermische Neutronen spaltbar und tragen so zur Aufrechterhaltung der Kettenspaltungsreaküon bei, so dass die Reaktion länger fortgesetzt werden kann als dies der Fall wäre, falls nur die ursprüngliche Beschickung an spaltbaren Atomen verfügbar wäre.
Da die Geschwindigkeit, mit der spaltbare Atome durch Brutatomumwandlung gebildet werden, immer (ausgenommen beim Brut-Konverter-Reaktortyp spezieller Konstruktion) kleiner ist als die Geschwindigkeit, mit der die ursprüngliche Beschickung mit spaltbaren Atomen während des Betriebes verbraucht wird, kann der Reaktor diese Wärmeerzeugung bei einem gegebenen Leistungswert nur für eine begrenzte Zeitdauer aufrechterhalten. Schliesslich muss der maximale Leistungswert, bei dem der Reaktor arbeiten kann, absinken, und schliesslich muss der Reaktor zur erneuten Beschickung mit Brennstoff abgeschaltet werden. Einige oder alle der bestrahlten Brennstoffbündel werden entfernt und durch neue Bündel ersetzt, die eine höhere Konzentration an spaltbaren Atomen und keine Spaltproduktgifte enthalten.
Die Reaktivität des erneut mit Brennstoff beschickten Reaktorkerns ist höher und der ursprüngliche Leistungswert kann so wiederhergestellt werden.
Der bestrahlte, aus dem Reaktor entnommene Brennstoff enthält üblicherweise eine wertvolle, nicht verbrauchte Menge des ursprünglichen spaltbaren Materials sowie eine signifikante Menge spaltbaren Materials (die spaltbaren Atome), das aus solchem Brutmaterial (den Brutatomen) gebildet worden ist, das eine Komponente des ursprünglichen Brennstoffs gewesen sein kann. Bestrahlter Brennstoff kann auch Spaltprodukte (die Spaltproduktatome) oder Transuranisotope (oder beides) enthalten, die von beträchtlichem Wert sind.
Ausser dem oben erwähnten Plutonium ist eines solcher Transurane das Neptuniumisotop Ni237, das durch Neutronenstrahlung des U2S5 und U238 gemäss folgenden Reaktionen gebildet wird :
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Obgleich Np237 anderwärtig verwendet werden kann, liegt eine derzeitige Verwendung in der Bildung von Pu238 durch weitere Neutronenbestrahlung gemäss folgender Reaktion :
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PU238 ist einlanglebiges (Halbwertszeit 89 Jahre) emitterenergiereiches a-Teilchen, dessen radioaktiver Zerfall thermische Energien mit zum Betrieb von direkten Umwandlungsvorrichtungen für thermische in
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elektrische Energie ausreichender Leistung liefert.
Demgemäss ist es in hohem Masse wünschenswert, den bestrahlten Brennstoff aufzuarbeiten, um spaltbares und Brut-Material zur erneuten Verwendung zu gewinnen und abzutrennen und Transuranisotope, wie Plutonium zur Verwendung in Reaktorbrennstoffen und NpMT zur Verwendung bei der Herstellung von Pu238 oder für andere Zwecke, rückzugewinnen.
Gemäss einem älteren Verfahren'wird eine saure Lösung des bestrahlten Brennstoffes mit einem Anionenaustauscherharz in Berührung gebracht, um Plutonium aus dem Uran und den Spaltprodukten abzutrennen, das Plutonium aus dem Harz rückgewonnen und anschliessend gereinigt, während die Uranium-Spaltproduktfraktion entwässert und zur Oxydform kalziniert wird ; die gemischten Oxyde werden fluoriert und das flüchtige Uranhexafluorid wird aus den Spaltproduktfluoriden verschiedener Flüchtigkeit abgetrennt.
Die Erfindung ist auf eine Verbesserung eines solchen Verfahrens gerichtet, das die Trennung und Gewinnung von Neptunium (einschliesslich Npsr), Uran und Plutonium ermöglicht.
Es ist daher eines der Ziele der Erfindung, ein vereinfachtes chemisches Aufbereitungsverfahren zur Gewinnung von Neptunium, Plutonium und Uran aus bestrahltem Kernreaktorbrennstoff bei hohen Trenn- [Dekontaminierungs- (decontamination)]-faktoren in einer minimalen Anzahl von Arbeitsstufen zu schaffen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert, worin Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschema darstellt, das die Grundprinzipien des Verfahrens gemäss der Erfindung veranschaulicht ; Fig. 2 ist ein vereinfachtes Fliessdiagramm des Verfahrens, worin die Stufen des erfindungsgemässen Verfahrens veranschaulicht werden, in welchen Neptunium vom Plutonium und Uran abgetrennt wird.
Gemäss Fig. l wird bestrahlter Kernreaktorbrennstoff--1--in die mechanische Bearbeitungsstufe - eingeführt. Hier werden die Fliesskanäle, Hebeeinrichtungen, Nasenstücke und andere, nicht Brennstoff enthaltende entfernbare Teile des Brennstoffbündels entfernt. Gewünschtenfalls kann auch eine mechanische Zerlegung des Brennstoffbündels, wie Abtrennung der einzelnen Brennstoffstäbe, durchgeführt werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden einzelne Brennstoffstäbe weiter in kurze Abschnitte mit etwa einer Länge von 7, 6 cm zerkleinert. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Brennstoffstäbe in voller Länge durch eine Walz- und Schlageinrichtung geführt, in der der Mantel durchlöchert und in geringem Ausmass das im Brennstoffelement enthaltene Brennstoffmaterial gebrochen wird.
Jede dieser beiden letztgenannten Operationen ist dazu bestimmt, den Zutritt der Lösesäure zum Brennstoffmaterial zu erhöhen.
Der mechanisch aufbereitete Brennstoff wird in die Brennstofflösestufe-12-eingebracht. Bei dieser Stufe wird der bestrahlte Brennstoff mit einer starken Mineralsäure (wie Salpetersäure)-2-zusam- mengebracht, um das Brennstoffmaterial aufzulösen, wobei vorzugsweise das Mantelmetall (wie z. B. Zirkon oder Edelstahl) im wesentlichen unangegriffen bleibt. Diese Behandlung führt zu einer wässerigen, sauren Lösung des Urans und der Transuran-Bestrahlungsprodukte, wie Plutonium und Neptunium, und Spaltprodukte, die vom ungelösten Mantelmaterial durch Dekantieren, Filtrieren oder ähnlichen Arbeitsweisen abgetrennt werden können.
Die wässerige saure Lösung --3-- wird in die organische Extraktionsstufe --14-- eingeführt, wo sie im Gegenstrom mit einem organischen Lösungsmittel in Berührung kommt. Es gibt eine Anzahl bekannter Extraktionsverfahren unter Verwendung organischer Lösungsmittel, die für die Durchführung dieser Trennung geeignet sind, wie das Purexverfahren, bei dem eine Lösung von Tributylphosphat in Paraffinkohlenwasserstoffen als Lösungsmittel verwendet wird, das Redoxverfahren, bei dem Dialkyläther als Lösungsmittel verwendet wird, u. a.
Das Uran- und Transuran-, wie Plutonium- und Neptuniumkonzentrat in der organischen Lösungsextraktphase wird so von den Spaltprodukten abgetrennt, die im wesentlichen zur Gänze in der sauren, wässerigen Raffinatphase zurückgehalten werden.
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aus Stufe-14-- kannSpaltprodukte --8-- in fester Form für die weitere Verarbeitung oder sonstige Verfügung gewonnen.
Bei Verfahrensweisen, bei welchen der Brennstoff in einer flüchtigen Säure, wie Salpetersäure, aufgelöst worden ist, kann das wässerige Raffinat zur Verdampfung von Wasser und zur Rückgewinnung eines wesentlichen Teiles der Säure zur Wiederverwendung eingedampft werden. Die Spaltprodukt- Feststoffe die zurückbleiben, können kalziniert werden, um einen Strom von im wesentlichen wasserfreiem Spaltproduktoxyd zu liefern.
Der organische Extrakt --6-- aus Stufe --14-- wird in die organische Extraktabstreifstufe --18-- eingeführt, wo der Extrakt im Gegenstrom mit einer verdünnten (etwa 0, 01-molaren) Lösung von Sal-
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petersäure in Berührung gebracht wird. Die verdünnte Salpetersäure entzieht das Neptunium, Plutonium und Uran unter Bildung eines wässerigen Extraktes --9--, der diese Materialien enthält, und lässt das organische Lösungsmittel zur Behandlung in der Losungsmittelreinigungsstufe-20-zurück, das zur Extraktionsstufe --14-- rückgeführt wird.
Der wässerige Extrakt -9-- wird in die Plutoniumvalenzeinstellstufe --22-- geleitet, in die ein durch Wärme zerstörbares Plutoniumreduktionsmittel --5-, wie Aminoguanidin, Ferroion, Semicarbazid, Ascorbinsäure oder ein Hydroxylaminsalz, eingeführt wird. Vorzugsweise ist dieses Reduktion9mittel Hydroxylaminnitrat, welches ein durch Wärme zerstörbares, rasch wirkendes Mittel darstellt, das kein Rückstands-Festmaterial bildet. Das bevorzugte Reduktionsmittel wird eingeführt, um die Lösung hinsichdichHydroxylaminnitratetwa 0, 02-molarzumachen. Es vermindert den höheren Valenzzustand des Plutoniums auf eine Valenz von 3 (Pu ; III) und den höheren Valenzzustand des Neptuniums auf einen Valenzwert von 4 (Np ; IV).
Die so reduzierte Lösung aus Stufe-22-wird in die Anreicherungsstufe-24-für den wässerigenExtrakteingeführt. Bei dieser Stufe wird die wässerigeExtraktphaserasch einer siedenden Lösung starker Salpetersäure zugesetzt und durch Eindampfen um einen Faktor von etwa 2 eingeengt. Das beim Eindampfen entstehende Kondensat --23-- wird rückgeführt. Dadurch wird das in Stufe --22-- eingeführte Reduktionsmittel unwirksam und das Plutonium als anionischer Hexanitratokomplex des Pu (IV) oxydiert und stabilisiert. Gleichzeitig wird das vorhandene Neptunium im wesentlichen vollständig auf eine Wertigkeit grösser als 4 [Np ( > IV)], möglicherweise zu einem Gemisch von Np (V) undNp (VI oxy- diert.
Die stabilisierte Lösung, die auf diese Weise erhalten wird, wird auf etwa 60uC abgekühlt und in die Plutonium-Anionenaustauscherstufe --26-- eingeführt. Hier wird die Lösung mit einem Bett eines Anionenaustauscherharzes der stark basischen, quaternären Amintype in Berührung gebracht, wie sol-
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werden im wesentlichen unter diesen Bedingungen unangegriffen bleiben und gehen hindurch, wobei sich ein erstes wässeriges Anionenaustauscherraffinat bildet. Anschliessend wird das Harz mit starker Salpetersäure gewaschen, um Uran und Spaltproduktmaterialien zu entfernen, und das das Plutonium
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von Uran, Neptunium und Spaltprodukten ist.
Das erste Raffinat, das Neptunium ( > IV) und Uranium enthält, wird dann in der Neptunium-Va- lenzeinstellungsstufe-28-mit einem zweiten, durch Wärme zerstörbaren Reduktionsmittel --31--, wie einem Gemisch aus Ferroion und Hydrazin behandelt, wobei eine ausreichende Menge verwendet wird, um das Np ( > IV) zu Np (IV) zu reduzieren. Gleichzeitig werden Spurenmengen von Plutonium, die in Stufe --26-- nicht extrahiert worden sind und in dem ersten Raffinat --29-- enthalten sein könken, zu Pu (III) reduziert. Das reduzierte erste Raffinat wird anschliessend auf einer Temperatur von etwa 600C gehalten, um das zweite Reduktionsmittel zu inaktivieren und das Neptunium als Np (IV) zu stabilisieren, sowie um Spuren von Plutonium als Pu (IV) zu reoxydieren und zu stabilisieren.
Ein alternativ anzuwendendes Neptunium-Reduktionsmittel ist Semicarbazid.
In diesem Zustand und etwa bei derselben Temperatur wird das stabilisierte reduzierte erste Raffinat in die Neptuniumaustauscherstufe --30-- eingeführt, wo es mit einem zweiten Bett des Anionenaustauscherharzes derselben Type in Berührung gebracht wird, das oben im Zusammenhang mit der Plutoniumanionenaustauscherstufe --26-- beschrieben worden ist. In Stufe -30-- wird das Neptunium als Np (IV) bevorzugt durch das Harz extrahiert, während das Uranium im wesentlichen unbeeinflusst hindurchgeht und als ein zweites Raffinat --35-- austritt. Das so behandelte Harz wird anschliessend mit starker Salpetersäure, die Ferroionen und Hydrazin enthält, gewaschen, um Uran, Plutonium und Spaltproduktmaterialien zu entfernen.
Anschliessend wird das gewaschene Harz mit einem zweiten Eluierungsstrom --33-- behandelt, der verdünnte Salpetersäure enthält, wobei das Np (IV) als Produktlösung, die im wesentlichen von Plutonium, Uran und Spaltprodukten frei ist, verdrängt wird.
Das zweite Raffinat wird dann in die Entwässerungsstufe --32-- eingeführt, wo es zwecks Entfernung von Wasser und restlicher Säure --36-- unter Bildung eines wasserfreien, das Uran als Urantrioxyd (U03) enthaltenden Feststoffmaterials erhitzt wird. Die rückgewonnenen Säuren --36 und 39-werden zur Wiederverwendung in den Prozess rückgeführt. Die wasserfreien Feststoffe aus Stufe --32-werden in die Fluorierungsstufe-34-eingeführt. Hier wird das U03 direkt mit elementarem Fluor - fluoriert, um das U03 in Uranhexafluorid umzuwandeln. Das fluorierte Material wird zur Entfernung anderer Fluoride entsprechend gereinigt und liefert als Produkt ein relativ niedrig siedendes
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(etwa 550C) Uranhexafluorid.
In Fig. 2 ist ein schematisches Fliessdiagramm jenes Teiles des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt, der den Stufen --22, 24, 26, 28 und 30-- der Fig. 1 entspricht. Die Beschreibung der Fig. 2 wird im Rahmen eines speziellen Beispiels der Erfindung unter Anwendung auf die Aufarbeitung von bestrahltem Leistungsreaktorbrennstoff vom UO-Typ gebracht, der einer Strahlung von etwa 20000 Megawatt/ Tag/Tonne Uran ausgesetzt war ; der Brennstoff ist mechanisch zerlegt und mit starker Salpetersäure bei Siedetemperatur behandelt worden, um das UO-Material unter Bildung einer Salpetersäurelösung aufzulösen, aus der das Plutonium, Neptunium und Uran aus der Hauptmenge der Spaltprodukte durch Lösungsmittelextraktion mit einem organischen Lösungsmittel abgetrennt worden sind ;
darauf folgte ein Abstreifen des Lösungsmittels, um einen wässerigen Extrakt zu bilden, der dem von Stufe --18-- der Fig. 1 entsprach. Die relativen Mengen von Uran, Transuranisotopen und Spaltprodukten, die in dem bestrahlten Brennstoff vorhanden sind, sind, ausgedrückt in elementarer Form, etwa die folgenden :
Tabelle 1 :
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<tb>
<tb> Bestrahlte <SEP> Brennstoffzusammensetzung
<tb> U <SEP> 1000 <SEP> kg
<tb> Pu <SEP> 6, <SEP> 9 <SEP> kg
<tb> Np <SEP> 0, <SEP> 35 <SEP> kg <SEP>
<tb> Spaltprodukte <SEP> 12 <SEP> kg
<tb>
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versehen ist ; der Kühler --46--; der Plutoniumanionenaustauscher --48--. der mit Trennventilen --50, 52 und 54-ausgestattet ist, durch die der Austauscher in eine Plutoniumextraktionszone --56--, Waschzone --58-- und Plutoniumeluierungszone --60-- aufgeteilt wird;
sowie der Neptuniumanionenaustauscher--64--, der mit Trennventilen --66,68 und 70-- ausgestattet ist, durch die der Austauscher in eine Neptuniumextraktionszone --72--, Waschzone --74-- und Neptunium-Eluierungszone --76-- ge- teilt wird.
Der wässerige Extraktstrom (gebildet durch Abstreifen des organischen Extraktes in Stufe --18-- der Fig. 1) hat die folgende Zusammensetzung, wobei die angeführten Materialien in dem Strom als wasserlösliche Nitratsalze vorliegen und ihre Konzentrationen so angegeben sind, als lägen sie in Elementform vor :
Tabelle 2 :
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<tb>
<tb> Wässeriger <SEP> Extrakt
<tb> U <SEP> 90 <SEP> go
<tb> HNO <SEP> 0, <SEP> 2-molar <SEP>
<tb> Pu <SEP> (IV), <SEP> (VI) <SEP> 0, <SEP> 6 <SEP> g/l <SEP>
<tb> Np <SEP> (IV), <SEP> (V), <SEP> (VI) <SEP> 0, <SEP> 03 <SEP> g/l <SEP>
<tb>
Der wässerige Extrakt mit einer Temperatur von etwa 450C wird über Leitung --80-- und Ventil --82-- im Gemisch mit einer genügenden Menge Hydroxylaminnitrat als Plutoniumreduktionsmittel über Leitung --84-- und geregelt durch Ventil --86-- zugeführt, so dass die Reduktionsmittelkonzentration im wässerigen Extrakt auf etwa 0, 02-molar ansteigt.
Diese flüssige Mischung fliesst über Leitung --88-- in den oberen Abschnitt des Dampfabstreifers --42--, wo sie im Gegenstrom zum aufsteigenden Strom des Wasserdampfes und Salpetersäuredampfes, die im Kocher --44-- verdampft werden, abwärts läuft. Über Kopf abgehende Dämpfe werden im Kühler --90-- kondensiert und teilweise über Leitung --92-- und Ventil --94-- als Rückfluss zum Abstreifer --42-- zurückgeführt, teilweise über Leitung --96-- und Ventil --98-- wieder in den Kreislauf rückgeführt.
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Während des Durchganges des wässerigen Extrakt-Plutoniumreduktionsmittelgemisches durch Leitung - 88-und in Abwärtsrichtung durch den Abstreifer --42-- wird die Reduktion des Plutoniums zu Pu (III) und die Reduktion des Neptuniums zu Np (IV) vervollständigt ; dabei handelt es sich um Reaktionen, die unter diesen Bedingungen eine Zeit erfordern, die zwischen etwa 3 und etwa 10 min liegen kann, und eine Säurekonzentration, die etwa 2-molar nicht überschreitet.
Diese Reduktion könnte in einer beliebig geeigneten Reaktionsanlage bewirktwerden, jedoch muss sie in jedem Fall bis zur Beendigung fortschreiten gelassen werden, bevor die rasche Einführung des Gemisches in den Strom hoher Azidität am Boden des Konzentrators erfolgt, der in den Kocher --44-- rückgeleitet wird.
Durch die Rückzirkulation durch den Kocher --44-- und die Leitungen --100, 102 und 104--, zu-
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und Neptunium- Waschflüssigkeiten,Beispiel bei etwa 110 C, wobei etwa die folgende Zusammensetzung vorliegt :
Tabelle 3 :
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<tb>
<tb> Bodenprodukt <SEP> des <SEP> Konzentrators
<tb> U <SEP> 180 <SEP> g/l
<tb> HNO3 <SEP> 7 <SEP> - <SEP> molar
<tb> Pu <SEP> (IV) <SEP> 1,2 <SEP> g/1
<tb> Np <SEP> ( > <SEP> IV) <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> g/l <SEP>
<tb>
Während das wässerige Extrakt-Plutoniumreduktionsmittel-Gemisch vom Abstreifer --42-- abwärts fliesst und rasch mit der siedenden, 7-molaren Salpetersäure als Bodenstrom des Konzentrators vermischt wird, wird das Reduktionsmittel zerstört,
die 7-molare Salpetersäure oxydiert das vorhandene Neptunium zu Np ( > IV), und oxydiert und stabilisiert das Plutonium als Pu (IV). Das so stabilisierte Konzentrat wird über Leitung -110-- und Ventil --112-- abgezogen und im Kühler --46-- auf etwa 600C abgekühlt.
In diesem Zustand ist das Konzentrat zur Trennung des Plutoniums vom Neptunium und Uran in Plutoniumanionenaustauscher-48-geeignet. Die im Kocher --44-- aufrechterhaltene Salpetersäurekonzentration ist für die erfolgreiche Einstellung der Plutonium- und Neptuniumvalenzen von kritischer Bedeutung. Für diesen Zweck muss die Azidität des Kocher-Konzentratorbodenstromes ausreichend sein, um die Hexanitratoplutoniumkomplexe zu bilden, nämlich wenigstens etwa 4-molar hinsichtlich Salpetersäure und vorzugsweise etwa 7-molar.
Beide Anionenaustauscher-48 und 64--, die in Fig. 2 dargestellt sind, sind im Handel erhältliche, halbkontinuierliche Anionenaustauscherharz-Kontaktanlagen mit beweglichem Bett, obgleich eine Anlage mit stationärem Harzbett ebenfalls verwendet werden könnte.
Diese Einrichtung wird nicht mehr im einzelnen beschrieben, abgesehen vom Hinweis, dass unter den Arbeitsbedingungen die verschiedenen Flüssigkeitsströme durch die einzelnen Kontaktzonen (56, 58 und 60 ; 72, 74 und 76) fliessen, während die Trennventile (50, 52 und 54 ; 66, 68 und 70) geschlossen sind und das Harzbett stationär ist, dass das Harzbett durch übliche Mittel, die nicht dargestellt sind, in einem vorbestimmten Ausmass periodisch im Gegenuhrzeigersinn bewegt werden können (wie in der Einrichtung gemäss Fig. 2 dargestellt ist), während der Fluss beendet wird und die Trennventile geöffnet werden, und dass nach Schliessen der Trennventile der Fluss wieder aufgenommen wird, wodurch ein halbkontinuierliches Extraktions-, Reinigungs- bzw. Wasch- und Eluiersystem geschaffen wird.
Der vom Boden des Konzentrators ablaufende Strom mit der in Tabelle 3 angegebenen Zusammen-
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hiert, wobei ein erstes Raffinat gebildet wird, das über Leitung --112-- und Ventil --114-- austritt und in den Neptuniumanionenaustauscher --64-- eingespeist wird. Dieser Strom hat folgende angenäherte Zusammensetzung :
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<tb>
<tb> Erstes <SEP> Raffinat
<tb> U <SEP> 165 <SEP> g/l
<tb> HNO <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP> - <SEP> molar <SEP>
<tb> Pu <SEP> Spuren
<tb> Np <SEP> ( > <SEP> IV) <SEP> 0, <SEP> 06 <SEP> g/l <SEP>
<tb>
Das in der Waschzone --58-- vorliegende Harz, das vorher mit Plutonium beim Durchgang durch die Extraktionszone --56-- beladen worden ist, wird mit 6-molarer Salpetersäure bei einer Temperatur von 600C gewaschen und über Leitung-116-und --116-- und Ventil --118-- eingeführt, um Spurenmengen von Uran und Spaltprodukten, die in der Extraktionszone --56-- aufgenommen worden sind, zu entfernen.
Die entstehende Plutonium-Waschflüssigkeit wird aus der Waschzone --58-- über Leitung --120- und Ventil --122-- entfernt und über Leitung --108-- zwecks Wiederbehandlung dem Kocher -44-- zuge- führt.
Das in der Plutonium-Eluierungszone-60-- vorliegende Harz, das im wesentlichen von Verunreinigungen freigewaschen wurde, wird mit 0, 6-molarer Salpetersäure als einem ersten Eluierungsstrom, der über Leitung-124-und --124-- und Ventil -126-- eingeführt wird, bei einer Temperatur von etwa 600C in Berührung gebracht.
Dadurch wird das Plutonium vom Harz eluiert und es entsteht über Leitung --128-und Ventil --130-- ein wässeriges Eluat, das die Lösung des Plutoniumproduktes mit folgender Zusammensetzung darstellt :
Tabelle 5 :
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<tb>
<tb> Plutoniumproduktlösung
<tb> Pu <SEP> 15 <SEP> g/l <SEP>
<tb> HNO <SEP> 4, <SEP> 5-molar <SEP>
<tb>
Dieser Strom kann in einem nicht dargestellten Konzentrator, welcher dem Kocher --44-- ähnlich ist, weiterbehandelt werden, wobei eine wässerige Plutoniumnitratlösung mit einer Konzentration von etwa 250 g/l entsteht.
Die erste Raffinatlösung, die aus der Plutoniumextraktionszone --56-- gebildet wird und die die in Tabelle 4 angegebene Zusammensetzung aufweist, wird bei einer Temperatur von etwa 600C in Leitung --112-- mit einem Neptunium-Reduktionsmittel, das bei etwa 200C über Leitung --132-- und Ventil --134-- eingeführt wird, vereinigt.
Das Reduktionsmittel hat folgende Zusammensetzung :
Tabelle 6 :
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<tb>
<tb> Neptuniumreduktionsmittel
<tb> Ferroion <SEP> l-molar
<tb> Hydrazinnitrat <SEP> 2-molar <SEP>
<tb> HNO3 <SEP> 1-molar
<tb>
Die Menge des so zugesetzten Neptunium-Reduktionsmittels wird geregelt, damit das gesamte Np ( > IV) zu Np (IV) reduziert wird, was dadurch geschehen kann, dass im Gemisch eine Reduktionsmittelkonzentration von annähernd 0, 02-molar aufrechterhalten wird. Dadurch wird auch vorliegendes Plutonium zu Pu (III) reduziert, jedoch wird bei der Arbeitstemperatur von 600C das Reduktionsmittel letztlich zerstört, worauf das Plutonium in der Lösung zu Pu (IV) reoxydiert. Das Neptunium bleibt jedoch als Np (IV) zurück.
Das so behandelte erste Raffinat wird dann über Leitung-112-- dem Neptu-
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niumanionenaustauscher --64-- eingespeist.
Dieser Austauscher ist hinsichtlich Aufbau und Arbeitsweise mit dem oben beschriebenen Plutoniumanionenaustauscher im wesentlichen identisch. Das zweite Raffinat tritt aus der Neptuniumextrak- tionszone--72-über Leitung-136--und Ventil-138-aus und stellt eine wässerige Salpetersäurelösung von Uranylnitrat dar, die etwa folgende Zusammensetzung aufweist :
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<tb>
<tb> Uranlösung <SEP> (2. <SEP> Raffinat)
<tb> U <SEP> 160 <SEP> g/l
<tb> HNO <SEP> 6, <SEP> 3-molar
<tb> Ferriion <SEP> 0, <SEP> 02-molar <SEP>
<tb>
Dieser Strom kann in einem nicht dargestellten Konzentrator, der dem Kocher --44-- ähnlich ist, weiterbehandelt werden, um eine wässerige Uranylnitratlösung mit einer Konzentration von etwa 1000 g/l zu erhalten.
Eine Salpetersäure-Waschlösung mit etwa 600C und etwa der nachstehend angegebenen Zusammensetzung wird in die Waschzone-74-über Leitung-140-und Ventil-142-eingeführt :
Tabelle 8 :
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<tb>
<tb> Neptuniumwaschflüssigkeit
<tb> Ferroion <SEP> 0, <SEP> 02-molar <SEP>
<tb> Hydrazin <SEP> 0, <SEP> 04-molar <SEP>
<tb> HNO <SEP> 6 <SEP> - <SEP> molar <SEP>
<tb>
Über Leitung --144-- und Ventil --146-- entsteht eine Neptunium-Waschflüssigkeit, die über Leitung-108-zum --108-- zum Kocher --44-- zurückgeführt wird.
Das so beladene und gewaschene Harz in der Eluierungszone --76-- wird bei einer Temperatur von etwa 600C mit 0,6-molarer Salpetersäure als zweiter Elutionsstrom, der über Leitung --148-- und Ventil --150-- eintritt, in Berührung gebracht und ergibt über Leitung --152-- und Ventil --154-- die Neptuniumproduktlösung mit folgender angenäherter Zusammensetzung :
Tabelle 9 :
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<tb>
<tb> Neptuniumproduktlösung
<tb> Np <SEP> 1,2 <SEP> g/1
<tb> HNO3 <SEP> 3-molar
<tb>
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ungefähren Konzentration von 40 g/l entsteht.
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.