DE1069600B - Verfahren zur Feinreinigung von Uranoxyden - Google Patents

Description

• Verfahren zur Feinreinigung von Uranoxyden Die Reinheit des Kernbrennstoffes ist von großem Einfluß auf den Wirkungsgrad eines Reaktors. Dies gilt auch für die in neuerer Zeit vorgeschlagenen U0.-Brennstoffelemente. Von eventuell nachteiligen Veränderungen der technologischen Eigenschaften abgesehen, die durch Verunreinigungen in den Brennstoffelementen hervorgerufen werden, ist besonders ihre Auswirkung auf die Neutronenbilanz des Reaktors von Wichtigkeit. Daher ist auch der Nuclear-Reinheit von Kernbrennstoffen im allgemeinen eine größere Bedeutung beizumessen als der Reinheit insgesamt (unter @Tuclear-Reinheit wird die Reinheit in bezug auf solche Stoffe verstanden, die einen ins Gewicht fallenden Absorptionsquerschnitt für thermische Neutronen aufweisen).
• Die Herstellung der U O.,-Brennstoffeleinente erfolgt vorwiegend durch Reduktion der bei der Aufbereitung der Erze und anschließenden Reinigung anfallenden, verschiedenen Uranoxyde in einer Wasserstoffatmosphäre bei z. B. 900° C. Das hierbei gewonnene, feinkörnige UOz wird in die gewünschte Form verpreßt und bei einer Temperatur von etwa 1750° C gesintert.
• Die Abscheidung und Reinigung des Urans erfolgt bisher praktisch ausnahmslos über Fällungs- und Extraktionsverfahren. Gefordert wird, daß die Verunreinigungen unterhalb 10-4% liegen. Für einige Elemente, die einen besonders großen Absorptionsquerschnitt besitzen, wie Cadmium und Bor. liegen die Anforderungen noch höher. Die mit den bisherigen Reinigungsmethoden erzielten Reinigungsgrade erfüllen diese Forderungen nur ungenügend, insbesondere darin, wenn die Produktion im großen erfolgt.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Feinreinigung von Uranoxyd, insbesondere zur Verwendung für U02-Brennstoffelemente für Kernreaktoren, das ohne nennenswerten, zusätzlichen Aufwand bei den bisher bekannten Herstellungsverfahren eine wesentlich vereinfachte und verbesserte Reinigung ergibt. Bei dein Verfahren gemäß der Erfindung wird die Feinreinigung von Fremdstoffen durch deren Verdampfung in der Reduktionsstufe des Herstellungsprozesses von den höheren Oxyden zum Dioxyd (In -chgeführt. Dies wird in der iTeise durchgeführt. (laß - zwecks Verflüchtigung von Bor. Iridium. Rhenium, Wolfram. Osmium, 1lolvl)dän und/oder Ruthenium - diese im Sauerstoffstrom bei etwa 1200° C und bei Anwesenheit von Vanadin bei etwa 1500° C in die entsprechenden Oxyde übergeführt. gegebenenfalls finit Inertgas weggespült und anschließend - zwecks Verflüchtigung von Cadmium. Quecksilber. Indium. Selen. Antimon, Tellur, Arsen, Thalliuni. Gallium, Zink, Blei, Wismut und/oder Polonium - diese reduzierend auf etwa 1200° C und bei Anwesenheit von Silber, Germanium und/oder Zinn auf etwa l500° C erhitzt werden.
• Die Behandlung im Sauerstoffstrom und/oder Luftstrom unterbleibt, wenn nur solche Verunreinigungen zu beseitigen sind, die durch den reduzierenden Gasstrom erfaßt werden. Umgekehrt kann die eigentliche Reduktionsbehandlung mit niedrigerer Temperatur durchgeführt werden, z. B. wie bisher üblich mit etwa 900° C, wenn alle unerwünschten Verunreinigungen bereits durch den Sauerstoffstrom und/oder Luftstrom beseitigt werden.
• Das durch das Verfahren gemäß der Erfindung gewonnene Uranoxyd kann direkt gepreßt und gesintert werden. Es ergibt sich also gegenüber der bisherigen Arbeitsweise zur Gewinnung dieser Dioxyde, z. B. als Reaktorbrennstoff, kein zusätzlicher Arbeitsgang, da die Reduktionsstufe des Herstellungsprozesses zur Feinreinigung ausgenutzt wird. Über die genannten Vorteile hinaus läßt das Verfahren gemäß der Erfindung eine Vereinfachung der Vorreinigungsverfahren zu, da, wie oben angegeben, durch die Feinreinigung eine große Anzahl von Elementen gleichzeitig, darunter eine Reihe von Elementen, die wegen ihres großen Absorptionsquerschnittes besonders gefährlich :find, abgetrennt werden können. Dies ermöglicht insbesondere eine Spezialisierung der Vorreinigungsverfahren auf die Beseitigung jener Verunreinigungen, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung nicht erfaßt werden können, z. B. auf die Beseitigung von Verunreinigungen durch Seltene Erden. Die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann z. B. in einem außenbeheizten Drehrohrofen erfolgen; eine Beheizung mit innengerichteter Flamme bringt die Gefahr neuer Verunreinigungen und ungenügender Reduktionswirkung. Die Strömungsgeschwindigkeiten der Gase können unterhalb 0,5 m/sec gehalten werden; im übrigen sind sie den fbrigen Bedingungen, z.13. der vorgegebenen Verdampfungstemperatur und der Größe der Anlage, anzulia"en. Die Einwirkungszeit je Gasart wird z. B. auf etwa 2 Stunden bemessen; sie richtet sich unter anderem nach der Art der Verdampfungsanlage, nach dein gewünschten Reinheitsgrad und nach der Menge der Verunreinigungen. Erfordern die vorhandenen Verunreinigungen des zu behandelnden Oxydes die Anwendung von Sauerstoff-, Luft- und reduzierenden Gasströmen. so muß vor der Behandlung mit dem reduzierenden Gas der Behandlungsraum mit Hilfe eines inerten Gases, z. 13. mit N2 oder C02' von Sauerstoff befreit werden. Für den reduzierenden Gasstrom kommen z. B. Wasserstoff oder Kohlenoxyd in Frage. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann bezüglich der Gasführung mit einem Kreislaufsystem ausgerüstet sein. in denn durch gekühlte Abscheider die verdampften Verunreinigungen niedergeschlagen werden. Hierdurch wird der Gasverbrauch erheblich vermindert und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ent->prechend verbessert.
• Zur weiteren Erläuterung des Verfahrens gemäß der Erfindung wird das nachfolgende Beispiel ange-;eben: Ein Quarzrohr von 25 min Durchmesser wird mit ZOg U308, das Verunreinigungen von mindestens 5-10-311/o an As, B, Bi, Cd, Hg, In, Os, Pb, Ru, Sb, @e. TI bzw. Zti enthält, beschickt. Das Rohr wird in einem Drehrohrofen bei 0,7 Umdrehungen pro Minute Innerhalb von 2 Stunden auf etwa 1200° C im D2-Strom (Strömungsgeschwindigkeit 1,21proStunde) #.rhitzt. Diese Temperatur wird 2 Stunden beibehalten. !ur vollständigen Verdrängung des OZ wird an-;chließend ein _1Z Strom durch das Rohr hindurch-;eleitet und dann bei gleichbleibender Temperatur nährend 2 Stunden bei gleicher Strömungsgeschwinfigkeit wie vorher ein H2 Strom zur Einwirkung geiracht. Dabei tritt die Reduktion des U3 O8 zu U02 ein. Dieses weist eine erhebliche Abnahme an den ibengenannten Verunreinigungen auf; bezüglich B, 3i. Cd, Hg, In und Sh liegen sie unter der spektral-:nalvtischen Nachweisgrenze. Bezüglich der Verunreinigungen an Pb, Se, TI und Zn ist die Abnahme auf unter 10-6% durchgeführt, was durch radiochemische Untersuchungen und Verdampfungsanalyse nachgewiesen «erden kann. Auf den Nachweis der Abnahme an den Elementen As, Os und Ru wurde verzichtet, da diese Elemente, wie schon länger bekannt ist, z. B. durch das Abrösten von Erzen, bei derartigen Verfahren extrem stark abgereichert werden.
• Sind in dein verwendeten L308 störende Mengen an Vanadin enthalten, so wird die Behandlung im 0.-Stroni bei einer Temperatur von l500° C durchgeführt; entsprechend wird diese Temperatur bei der 1-I2- Behandlung angewandt, wenn störende Mengen an Silber, Germanium und/oder Zinn vorliegen.
• eben der Entfernung der obengenannten Elemente wird durch das Verfahren gemäß der Erfindung gleichzeitig eine Abnahme der unter Umständen vorhandenen Edelgase lenon, Krypton und Radon erreicht. Allgemein werden die obengenannten Verunreinigungen bis auf Reste unter 10-6% entfernt. Bei Cadmium z. B. gelingt eine Reinigung bis 10-$°/o. Dieser Reinheitsgrad reicht auch für Verunreinigungen mit großem Absorptionsquerschnitt aus, da sie dann den Gesamtabsorptionsquerschnitt des Kernbrennstoffes nicht mehr nennenswert beeinflussen. Es ist somit das Verfahren möglich, den Einfluß aller gemäß der Erfindung erfaßbaren Verunreinigungen auf den Gesamtabsorptionsquerschnitt des Kernbrennstoffes sicher unter der im allgemeinen geforderten Reinheitsgrenze von 0.1 °/o zu halten.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Feinreinigung von Uranoxyden, insbesondere. zur Verwendung für U02-Brennstoffelemente für Kernreaktoren, durch Reduktion der entsprechenden höheren Oxyde, dadurch gekennzeichnet, daß - zwecks Verflüchtigung von Bor, Iridium, Rhenium, Wolfram. Osmium, Molyhdän und/oder Ruthenium - diese im Sauerstoffstrom bei etwa 1200° C und bei Anwesenheit von Vanadin bei etwa 1500° C in die entsprechenden Oxyde übergeführt, gegebenenfalls mit Inertgas weggespült und anschließend - zwecks Verflüchtigung von Cadmium, Quecksilber, Indium, Selen, Antimon, Tellur, Arsen, Thallium, Gallium, Zink, Blei, Wismut und/oder Polonium - diese reduzierend auf etwa 1200° C und bei Anwesenheit von Silber, Germanium und/oder Zinn auf etwa 1500° C erhitzt werden.