CH407347A - Verfahren zum Betrieb eines Suspensionsreaktors - Google Patents
Verfahren zum Betrieb eines SuspensionsreaktorsInfo
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Description
Verfahren zum Betrieb eines Suspensionsreaktors Die vorliegende Erfindung bezieht sich tauf ein Verfahren zum Betrieb eines Suspensionsreaktors mit einem Durchmesser ider Teilchen des möglichst hoch auszunutzenden Kernbrennstoffs von 0,1-10 u. Er findungsgemäss werden die Brennstoffteilchen,
vor zugsweise vor ihrem Eintritt in den Reaktorkern, mit einer wasserunlöslichen, säurelöslichen, ,die Neu tronen nur wenig absorbierenden, jedoch die Spalt produkte zurückhaltenden ianorganisch:en Hülle um mantelt, nach Erreichung der Grenze der Spalt produktvergiftung wieder aus dem Suspensionskreis- lauf des Reaktors :
entfernt, von Iden Spaltprodukten .befreit, neu ummantelt und bis zur Erschöpfung ,des Spalkstoffgehaltes immer wieder neu Odem Sus- pensionskreislauf des Reaktors zugeführt.
Die Spaltprodukte werden :also nach dein .er findungsgemässen Verfahren zurückgehalten, also am Übertritt in :das wässrige Transportmedum der Teil- chengehindert. Der Überzug der Teilchen und da mit die darin enthaltenen .Spaltprodukte können zu einem grossen :Prozentsatz :
durch chemische Beljand- iungbeseitgt, und die im wesentlichen spaltpro- duktfreien Teilchen können erneut mit einem Auf-. fang -ü#berzug versehen wenden.
Diese Aufbereitung der Spaltstoffteilchen für einen wiederholten Ein satz im Reaktor-Kern kann dabei mit verhältnis- mässig einfachen chemischen Methoden in einem Durchlaufverfahrmerfolgm.
Die Fig. 1 und 2 dienen ider Erläuterung von Ausführungsformen der vorliegenden Die Fig. 1 stellt einen schematischen Querschnitt durch einen Suspenssonsreaktor und,den zugehörigen Spalt- stoffkreislauf (dar.
Dabei ist das Reaktorgefäss mit 24, die .darin befindliche Suspension mit 22 und ,die Kreislaufleitung ider Spaltstoffsuspension mit 26 bezeichnet.
Die Richtung des Kreislaufes ist durch entsprechende Pfeile @angedeutet. Die erwärmte aus- pension, die gleichzeitig :das Wärmeübertragungsmit- tel darstellt, ;
gibt ihre Wärmeenergie in ,den Wär metauscher 28 @an rdas Arbeitsmittel 30 @ab. Der Dampflieses Arbeitsmittels entweicht durch die Rohrleitung 3.2 zum Verbraucher, z. B. einer Turbine und gelangt ,als Kondensat über die Leitung 34 wieder in den Wärmetauscher zurück.
Die Pumpe 38 sorgt für den stetigen Kreislauf der Suspension, ,die Abzweigleitungen 40 und 36 führen zu einer Aufbereitungsanlage, die in Fig. 2 schematisch @dar- gestellt ist.
Die Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Verfahrensflusses für die Aufmboitung der Spalt- @stoffteilchen. Diese können ,z. B.
aus Thorium- und Uranoxyd bestehen, einen mittleren Durchmesser von 0,1-10 ,u aufweisen und sind mit einer wasserun löslichen, säurelöslichen, die Neutronen nur wenig ab;
sorbmerenden, anorganischen Umhüllung, die die Spaltprodukte zurückhält, idiese also ,am Austritt in das wässrige Beförderungsmittel hindert, versehen.
Es wurde gefunden, dass für solche Umhüllungen speziell die Verbindungen Aluminiumoxyd, Magne- siumoxyd, .Alununiumhydroxyd und Magnesiumhy- droxyd geeignet sind.
Jedes Oxydteilchen der Suspension enthält dabei zweckmässig spaltbares Material, in Gestalt von Uran 235 und Brutmaterial Thorium 232. Wenn natürliches Uran verwendet wird,
kann zusätzlich eine kleine Menge rdes Brutstoffes Uran 2.38 in dem grösstenteils aus dem Isotop U 235 bestehenden Spaltstoff enthalten sein. Die Umhüllung der Reak- torbrennstoffteilchen wird vorzugsweise unter Erhit- zung und ;erhöhtem ,Druck in :
einer geeigneten Kam@- mer, ,z. B. einem Autoklaven, durchgeführt. Zu die- ser Zweck wird die ,gewünschte Menge .der Brenn stoffteilchen mit Wasser und dem Umhüllungsmittel, das eine ,der ,genannten Verbindungen enthält, in eine derartige Kammer gegeben.
Nach mehreren Stunden umhüllt eine dünne Lage ,dieses Umhüllungs- mittels die Oberfläche :der Teilchen. Diese werden dann durch geeignete Methoden, wie Filtration oder Zentrifugieren, von denn flüssigen Medlum getrennt und schliesslich getrocknet.
Dadurch wird jede Feuchiigk; it .ausgetrieben und die aufgebrachte Um- hüllung ausgehärtet.
Ein anderes ,beispielsweises Verfahren zur Um hüllung der Brennstoffteilchen arbeitet mit einer Aluminium enthaltenden Verbindung. Aus einer Lö sung von Aluminiumnitrat wird ;das Aluminiumnitrat ,durch die :
darin .aufgeschwemmten Spaltstoffteilchen adsorbiert. Diese dadurch mit einer Aluminiumnitrat- umhüllung versehenen Teilchen werden wie oben unter Druck in ,einer geeigneten Kammer erhitzt. Anschliessend werden die Teilchen mit einer Lauge <I>wie z. B.</I> Natriumhydroxyd .gewaschen, so @dass sich aus ,dem Aluminiumnitrat Aluminlumhydroxyd bil det.
Die Teilchen werden ,dann zur Entfernung der 'überschüssigen Lauge ;gewaschen und abschliessend wieder erhitzt, um jede Restfeuchtigkeit aus:zutrei- b:en uni die Umhüllung der Teilchen zu härten.
Anderseits kannaher :auch die Aulschwemmung -der Spaltstoffteilchen in der Aluminiumnitratlösung bei höheren Temperaturen und Drücken behandelt werden. Dadurch werden die Nitrationen zerlegt und die Aluminiumoxyd- oder Aluaniniumhydroxyd- ummantelung ,gebildet.
Auch können die mit einem Film aus Alumi- niumnitraten versehenen Teilchen von der Lösung getrennt und ,durch Erhitzen in einem Ofen ent@- wässert werden.
Dadurch zersetzt sich gleichfalls das Nitration, so ,dass ein Film aus Aluminiumoxyd .auf den Spaltstoffteilchen niedergeschlagen wird.
Die z. B. .durch ,diese Verfahren umhüllten Brenn- stoffteilchen wenden zum Betrieb ,des Kernreaktor- systems 21 nach F!,. 1 in :einem Beförderungs- mittel z.
B. ,aus schwerem Wasser (D20), suspen diert und über die Einlassleitung 36 ,zugeführt. Wie bereits kurz ,beschrieben, läuft diese Suspension 22 durch (den Kreislauf 26 mit Hilfe der Pumpe 38 ,um.
Durch Erhöhung der Konzentration der Suspen sion wird ,die kritische Masse, die ;zu einer Kern reaktion notwendig ist, im Reaktionskessel 24, der ein grosses Volumen besitzt, eingestellt. Die Spalt- produkte werden fast vollständig in ,den Suspensions- teilchen,
die sich jeweils innerhalb des Reaktor kessels selbst befilden, @entstehen und nur eine ver- hältnismässig kurze Strecke in :
der Grössenordnung von 1/Io ,u, von der Reaktionsstelle in jedem Teil- chen,ausgemessen, wandern. Darmwerden sie inner halb einer verhältnismässig kurzen Zeit ,durch die Umhüllung der Spaltstbffteilchen adsorbiert. Als Folge :
dieser Reaktion wird die Suspension ,auf hohe Temperaturen ,erhitzt. Der heisse Suspensionsstxom verlässt :den Reaktorkessel 24 über die Leitung 26 und gelangt in einen Wärmetauscher 28, in dem durch Verndampfung der .darin enthaltenen Flüssig- keit 30 Arbeitsdampf :entnvickelt wird.
Durch Iden ständigen Kreislauf der Spaltstoff suspension .bildet sich nach einiger Zeit eine nennens werte Spaltproduktkonzentration, wobei ein hoher Prozentsatz der Spaltprodukte in der Umhüllung der Teilchen adsorbiert wird.
Zu diesem Zeitpunkt wind ein kleiner Teil der verseuchten Brennstoff suspension über idie Leitung 40 vorzugsweise mehr :oder weniger kontinuierlich :entnommen, nach dem Schema gemäss Fig. 2 aufgearbeitet und,anschliessend :dem Kreislauf über die Leitung 36 wieder zugeführt.
Nach der Fig. 2 geht die Aufarbeitung etwa folgendermassen vor sich: Zunächst wird ;das schwere Wasser vom Brennstoff durch geeignzte Mittel 6 wie z. B. Abdampfen oder Filtriereinrichtungen ger- trennt. Die verbleibenden festen Stoffe 3, die aus ,dem eigentlichen Brennstoffteilchen 2 mit der Hülle 4 bestehen, werden sodann mehrere Stunden lang mit kochender konzentrierter Salpetersäure (5n :
Salpeter .säure wurde zu diesem Zweck .als speziell :geeignet gefunden) in einem :entsprechenden Behälter 8 be handelt. Dadurch werden wenigstens die äusseren Teile .der Umhüllung, welche die Mehrzahl der Spalt produkte enthalten, aufgelöst, wobei die Spaltpro dukte nicht wieder von den Teilchen adsorbiert werden, sondern in der .Säure verbleiben.
In ,der nächsten Stufe 10 werden ,die festen Teilchen von der ,Säure getrennt und anschliessend einem Wasser bad 12 zugeführt, wodurch die Säurereste entfernt wenden, so dass ein gereinigtes Brennstoffteilchen 14 übrig ,bleibt.
In der nächsten Arbeitsstufe 16 werdendiese Teilchen wieder wie vorher beschrieben umhüllt, so d@ass ein wiederverwendbares Brennstoff- teilchen 19 :entsteht, das aufs ,dz#m eigentlichen Brenn stoffteilchen 18 ,und seiner Oxyd- oder Hydroxyd- hülle 20 ,besteht.
Die für die Adsorbierung der Spaltprodukte not wendige Umhüllung der ,Brennstoffteilchen kann auch noch lauf ,eine ,andere Art und Weise erzielt werden: ,die nichtumhüllten Teilchen werden durch .das Reak- torwärmetauschersystem gepumpt, :das aus rostfreiem Stahl aufgebaut ist.
Vor dem eigentlichen Anfahren ;des Reaktors werden auf diese Weise Korrosions- produkte aus den metallischen Wänden des Systems gebildet, idie teilweise die Brennstoffteilchen ein hüllen. Nach dem Einschalten des Reaktors werden sowohl Spaltprodukte als auch mehr metallische Korrosionsprodukte erzeugt.
Dabei werden die Spalt produkte in einer verhältnismässig kurzen Zeit von ,der Korrosionsproduktschicht der Bennstoffteilchen adsorbiert.
Da die Korrosion des Metalls innerhalb ,des ganzen Kreislaufsystems stattfindet :und ein grosser Teil ,dieses Systems ausserhalb des Reaktors liegt, haben die kleinen Brennstoffteilchen die Möglichkeit, sich rasch genug anit Korrosionsprodukten zu um hüllten, so :
dass die innerhalb des Reaktorgefässes gebildeten Spaltprodukte sofort nach ihrer Entste- hung aufgefangen werden können. Eine andere Möglichkeit zur Umhüllung der Teil chen besteht idarin, dieses Verfahren -mit dem erst gerannten zu kombinieren, also die Spaltstoffsuspen- sion, die noch nicht die kritische Konzentration be sitzt, z.
B. für mehrere .hundert Stunden im Re aktorkreislauf oder in einem diesen entsprechenden Kreislauf (hinsichtlich der Abgabe der Korrosions- produkte)
mit metallischen KorrosionsproJukten zu ummanteln und anschliessend nochmals mit einer Hülle aus Aluminium- oder Magnesiumoxyd ib.zw. Hydroxyd wie voribeschrieben zu umgeben.
Die Aufbereitung des so ummantelten Brenn stoffes erfolgt in ähnlicher Weise wie bereits be schrieben. Dabei wird für idie Wiedereinführung des aufgearbeiteten Bnennstoffos in ,den Reaktorkreislauf darauf hingewiesen, idass es zweckmässig ist, zusätz lich frischen Brennstoff einzubringen.
Für die Reinigung der Teilchen bei der Auf- bereitung kann selbstverständlich jede Säure ver wendet werden, die sich zur Auflösung der ad sorbierten Spaltprodukte eignet, ohne dabei gleich zeitig die Brennstoffteilchen selbst ganz.au,fzulösien.
Die folgenden Beispiele zeigen verschipdene Mög lichkeiten zur Ablösung der Spaltprodukte, wobei zur Simulienung des nicht durchgeführten ,kritischen Reaktorbetriebes bestimmte Konzentrationen von Zerium (als Spaltprodukt) in die Umhüllung mit eingebracht wurden.
Zerium wurde gewählt, da es eines der schwie- rIgsten Spaltprodukte für die Herauslösung, laus Oxydt- brennstoff aus ider Reihe der Ordnungszahlen zwi schen 37 und 63 ist.
Die folgenden Untersuchungen zeigen daher mit grosser Deutlichkeit .die grosse Be deutung der vorliegenden Erfindung. <I>Beispiel 1</I> Eine bestimmte Menge einer Thorium-Uranium oxydsuspension,deren Teilchen eine mittlere Grösse zwischen 0,1 und 1 ,u besassen, wunde zur Erzeu gung einer Zeriumkonzentration von 0,
004 in mit einer entsprechenden Menge von Zeriumnitnat [Ce (N03)3], :die mit radioaktivem Zerium 144 ver setzt war, zusammengegeben. <B>Die</B> Teilchen wunden dann im Autoklaven 12 - 15 Stunden lang bei etwa 320 C (600 F) behandelt, dadurch wunde das Zerium auf den Teilchen adsorbiert und das Nitrat (N0;
3) durch Pyrolyse zersetzt. Anschliessend wurden die zeriumumhüllten Teilchen etwa 6 Stun den lang in 5n Salpetersäure ,gekocht und dadurch 45 des adsorbierten Zeriums herausgelöst.
<I>Beispiel 2</I> Proben von Thor ium-Unanium-Oxydsuspensionen wurden in einem Kreislauf aus rostfreiem Stahl, der dem Kreislauf in einem Re.aktor-Wärmetauscher- system, siehe Fig. 1, nachgebildet war, für mehrere h:und"rt Stunden unigepumpt.
Mehrere Siuspensions- proben mit Konzentrationen bis zu 300 ig Oxyd (285 Th0z und 15 g U03) ,pro Liter Wasser wurden damit hergestellt.
Danach wurde eine Ze- riumnitnatlösung mit radioaktiven Zerium 144 und jeder der Suspensonsproben zugegeben, so dass die Proben ischlesslich eine Zeriumkonzen- tration von 0,004 m hatten.
Jede Probe wurde dann im Autoklaven 10-15 Stunden lang bei etwa 320 C (600 F) behandelt. Dadurch wunde das Zenium von Iden Brennstoffteilchen ,ad.sonbiert und das Nitrat durch Pyrolyse zersetzt.
Aus lall den genannten Proben wurden nahezu 75 % .des Zeriums durch annähernd 6stündiges Kochen in 5n Salpeter säure ,zurückerhalten. <I>Beispiel 3</I> Eine Suspensionsprobz, idie wie in Beispiel 2 vonumgepumpt wund--, wurde mit ,
genügend frisch gefälltem Aluminiumhyd'roxyd [Al (0H)3] ge mischt. Dadurch wurde eine Aluminiumkonzentra- tion von 0,003 in erzeugt. Die Probe wurde dann wieder im Autoklaven Ibis zu 15 Stunden lang bei .etwa 320 C (600 F) behandelt und @anschliessenid ,
die festen Teilchen von der Flüssigkeit getrennt und getrocknet. Anschliessend wurde eine Zeriumnitrai Lösung mit radioaktivem Zerium 14.4. versetzt und dieser ,Probe zugegeben, so dass wiederum eine Ze- riumkonzentnation von 0,004 m erreicht wurde.
Nach .der bekannten Behandlung im Autoklaven wunden die Teilchen 6 Stunden lang in kochender 5n Salpetersäure behandelt und ;dabei 75 % .des Ze- riumsabgelöst.
<I>Beispiel 4</I> Zur Erzielungeiner Aluminiumkonzentration von 0,1 m vwlde eine Probe einer frischen Suspension ,entsprechend Beispiel 1 mit Alwminmmnhydroxyd ge mischt und im Autoklaven unter den üblichen vor beschriebenen Bedingungen behandelt.
Anschliessend wunde die Zersu mlösung zugegeben und die Be handlung im Autoklaven wiederholt. Durch Kochen ider so behandelten .Suspension über etwa 6 Stunden in 5n ,Salpetersäure -kann nahezu 70 % des Zeriums wieder herausgelöst werden.
<I>Beispiel S</I> Eine Suspension wurde nach demselben Ver fahren wie in Beispiel 3 behandelt mit der Aus nahme, @dass ;die Alummiumkonzentnation 0,03 m betrug.
Durch etwa 6stündiges Kochen der b.ehan- @de1ten Suspension in .5n ;Salpetersäure wurden nahezu 95 % des Zeniums wiedergewonnen,
RTI ID="0003.0228" WI="9" HE="4" LX="1687" LY="2162"> wobei bereits etwa <B>50%</B> des Zeriums durch Untertauchen in Salpetersäure bei Raumtemperatur erhalten wurden. <I>Beispiel 6</I> Es wurde das gleiche Verfahren wie in Beispiel 3 wiOderholt, jedoch anstelle von Aluminvumhydroxyd Magnesiumhydroxyd Mg (OH)2 ,beigeimischt,
so idass sich eine Magnesiumkonzentration von 0,3 m ein stellte. Auch hier wunden fast 95 % ides Zeriums durch etwa 6stündiges Kochen in 5.n Salpetersäure wieder- gewonnen bzw.
50 % bereits durch Eintauchen in Salpetersäure bei Raumtemperatur erhalten. Aus den genannten Beispielen geht hervor, dass aus Suspensionsteilchen die einem .denn Rü.aktor- system nachgebildeten .Kreislauf aus rostfreiem Stahl etwa tausend Stunden vor der eigentlichen Um mantelung umgepumpt wurden,
das Zerium in we sentlich höheren Beträgen wieder herausgelöst werden kann gegenüber Suspensiongteilohen, die vorher nicht umgDpumpt wurden.
Dieser Unterschied ist den adsonbierten metalli- schen .Korrosionsprodukten zu verdanken.
Aus der Tatsache, dass Abis zu 95 % des Zeriums, Idas un# m ittelbar aus einer 0,004 m Zeriumlösung adsor- biert wurde, durch eine Behandlung mit heisser Säure wieder herausgelöst werden kann, ist zu folgern,
dass .alle während des Reaktorbetriebes adsorbierten Ele mente zwischen den Ordnungszahlen 37 und 63 in wenigstens ;dem gleichen Ausmasse wiedergewon- n-.n werden können.
Diese Elemente stellen nun etwa 70 % der zu erwartenden Gleichgewnchtskon- zentration der Spaltprodukte dar.
,Die verbleibenden 30ä bestehen aus den Elementen Zirkon, Niob und Molybdän. Auch wenn diese ,zuletzt genannten Ele mente nicht in nennenswertem Masse zurückgewon- nen werden :
können, @so ist ihre Wirkung als Neu tronengift verhältnismässig gering, @da der Ab sorptionsquerschnitt für thermische Neutronen bei .diesen 3 Elementen nichtgross ist.
Die genannten Beispiele dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung, die selbstver- ständfch @dadurch nicht eingeschränkt werden soll.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH Verfahren ,zum Betrieb .eines Suspensionsreaktors mit einem Durchmesser :der Teilchen des möglichst hoch auszunutzenden Kernbrennstoffs von 0,1-,10,u, dadurch :gekennzeichnet, dass die Brennstoffieilchen mit einer wasserunlöslichen, isäurelöslichen, die Neu- tronen nur wenig absorbierenden, die Spaltprodukte jedoch zurückhaltenden .anorganischen Hülle um mantelt werden,.nach Erreichung der Grenze der Spaltproduktvergiftung wieder aus dem Suspensions- kreislauf des Reaktors entfernt, von den Spaltpro dukten befreit, neu ummantelt und bis zur Er schöpfung des Spaltstoffgehaltes :immer wieder neu d= Suspensionskreislauf des Reaktors zugeführt werden.UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch, ,dadurch ge kennzeichnet, idass die unwesentlichen aus Thorium- und Uranoxyd bestehenden Brennstoffteilchen aus wenigstens einer der Verbindungen Aluminiumoxyd, Aluminiumhydroxyd oder Magnesiumhydroxyd um mantelt werden.2. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, idass die Brennstoffteilchen zusiammen mit Wasser und den Ausgangsstoffen für die Um hüllung mehrere Stunden lang :unter Druck erwärmt und anschliessend zur Erhärtung -der damit erzielten Umhüllung ;getrocknet werden.,3. Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge- kennzeichnet, @dass ,die Brennstoffteilchen vor der Aufbringung der eigentlichen Hülle für eine be- stimmte Zeit Iden ,abgeschalteten Reaktorkreislauf bzw.einen simulierten Kreislauf, der .aus demselben Material wie der Reaktorkreislauf .aufgebaut ist, zur oberflächlichen Aufnahme von metallischen Korro sionsprodukten durchlaufen. 4.Verfahren nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass ,die Brennstoffteilchen zur Be freiung von den versgiftenden Spaltprodukten etwa 5 Stunden lang in einer kochenden Salpetersäure lösung behandelt, die Säurereste mit einer Lauge neutralisiert und vor der erneuten Ummantelung mit Wassergespült und ,getrocknet werden.
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