DE1150207B

DE1150207B - Verfahren zur Gewinnung von Plutonium

Info

Publication number: DE1150207B
Application number: DEU8143A
Authority: DE
Inventors: Raymond Hugh Moore
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1960-09-21
Filing date: 1961-06-30
Publication date: 1963-06-12
Also published as: BE605763A; GB931632A; US3029130A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbereiten des Spaltstoffmaterials von Kernreaktoren, insbesondere zum Abtrennen und Gewinnen von Plutonium. Die Erfindung ist auf die Auf arbeitung chlorierbarer, neutronenbeschossener Gemische von Uran-, Plutonium- und Spaltproduktoxyden oder von Legierungen oder Gemischen dieser Metalle anwendbar. Das Verfahren eignet sich besonders zur Behandlung neutronenbeschossener Uranoxyd-Spaltstoffe, wie sie in den sogenannten Plutoniumkreislauf-Versuchsreaktoren Verwendung finden; solche Reaktoren sind z. B. in dem Bericht HW-50700 der General Electric Company beschrieben, Uran-Aluminium-Legierungen werden auch in anderen Niedertemperaturreaktoren verwendet.

Nach dem Verfahren gemäß der deutschen Patentschrift 1118 770 wird zur Gewinnung von Plutoniumchlorid bzw. metallischem Plutonium die neutronenbeschossene, Plutonium, Spaltprodukte und Uran enthaltende Masse in einem Überschuß von geschmolzenem Alkali-Aluminium-Doppelchlorid gelöst und das so erhaltene Gemisch in Gegenwart von metallischem Aluminium unter einem inerten Gas auf einer Temperatur zwischen 260 und 800° C, vorzugsweise zwischen 400 und 800° C gehalten, wobei sich eine das Uran enthaltende Metallphase und eine Plutoniumchlorid und Spaltproduktchloride enthaltende Salzphase bildet, worauf die Metallphase von der Salzphase getrennt und letztere auf Plutoniumchlorid aufgearbeitet bzw. dieses dann zu metallischem Plutonium in üblicher Weise reduziert wird.

Dieses Verfahren ist in einer Hinsicht verbesserungsbedürftig, da nämlich dort das Uran an Stelle des Plutoniums extrahiert wird, d. h. die Hauptmasse des Gemisches von einer sehr kleinen Menge Plutonium und Spaltproduktchloriden abgetrennt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Abtrennung von Plutonium von Uran in neutronenbeschossenen, oxydischen oder metallischen Spaltstoffen, wobei das Plutonium aus dem Uran herausextrahiert wird.

Es hat sich gezeigt, daß bestimmte Chloridgemische im geschmolzenen Zustand mit geschmolzenem Kalium-Aluminium-Doppelchlorid etwa äquimolarer Zusammensetzung nicht mischbar sind. Diese mit dem Doppelchlorid nicht mischbaren Chloridgemische enthalten 40 bis 60 Molprozent Lithiumchlorid, 15 bis 40 Molprozent Natriumchlorid und 0 bis 40 Molprozent Kalium- oder Calciumchlorid und werden nachfolgend als »Plutonium-Extraktionsmittel« bezeichnet.

Es hat sich weiter gezeigt, daß Verbindungen des Verfahren zur Gewinnung von Plutonium

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,
Germantown, Md. (V. St. A.)

Lo Vertreter: Dr.-Ing. W. Abitz, Patentanwalt,
München 27, Pienzenauer Str. 28

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 21. September 1960 (Nr. 57 593)

Raymond Hugh Moore, Kennewick, Wash.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

vierwertigen Urans bei der Behandlung mit einem Gemisch des Plutonium-Extraktionsmittels und des Kalium-Aluminium-Doppelchlorides bevorzugt von dem Doppelchlorid, Verbindungen des dreiwertigen Urans dagegen bevorzugt von dem Plutonium-Extraktionsmittel aufgenommen werden; auch Plutoniumtrichlorid geht bevorzugt in das Plutonium-Extraktionsmittel über. Das Plutonium-Extraktionsmittel ist schwerer als das geschmolzene Kalium-Aluminium-Doppelchlorid und setzt sich daher am Behälterboden ab, während das Doppelchlorid die obere Schicht bildet.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Plutonium aus einer chlorierbaren, neutronenbeschossenen, Plutonium, Spaltprodukte und Uran enthaltenden Masse, wobei man die Masse in ein geschmolzenes etwa äquimolares Gemisch von Aluminiumchlorid und Kaliumchlorid eingibt und dadurch Uran und Plutonium in Form der Tetrachloride löst, ist dadurch gekennzeichnet, daß man das so erhaltene Gemisch zur Umwandlung des Plutoniumtetrachlorids in Plutoniumtrichlorid auf oberhalb 700° C erhitzt und mit dieser Reaktionsmasse ein Plutonium-Extraktionsmittel vermischt, das aus 40 bis 60 Molprozent Lithiumchlorid, 15 bis 40 Molprozent Natriumchlorid und 0 bis 40 Molprozent Kalium- bzw. Calciumchlorid besteht, und daß man das bevorzugt extrahierte und am Boden der Masse als gesonderte Phase abgesetzte

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Plutoniumtrichlorid von der das Urantetrachlorid enthaltenden Oberschicht trennt und das Plutoniumtrichlorid dann in bekannter Weise zu metallischem Plutonium reduziert.

Wie oben erwähnt, haben sich verschiedene Zusammensetzungen als mit dem Kalium-Aluminium-Doppelchlorid nicht mischbar erwiesen. Zum Beispiel hat ein Gemisch, das 45 bis 55 Molprozent Lithiumchlorid, 40 bis 30 Molprozent Kaliumchlorid und 13 bis 17 Molprozent Natriumchlorid enthält, gute Ergebnisse geliefert, wobei sich in diesem Bereich etwa 50 Molprozent Lithiumchlorid, 15 Molprozent Natriumchlorid und 35 Molprozent Kaliumchlorid als optimal erwiesen haben. Andere mit dem Doppelchlorid nicht mischbare Extraktionsmittel für die Zwecke der Erfindung enthalten etwa 40 Molprozent Lithiumchlorid, 20 Molprozent Natriumchlorid und 40 Molprozent Calciumchlorid oder 60 Molprozent Lithiumchlorid und 40 Molprozent Natriumchlorid.

Das Kalium-Aluminium-Doppelchlorid wird vorzugsweise in dem etwa Drei- bis Zehnfachen der Gewichtsmenge des zu behandelnden plutoniumhaltigen Uranspaltstoffes verwendet und das Plutonium-Extraktionsmittel in etwa der gleichen Menge wie das Doppelchlorid zugesetzt.

Die Umwandlung von Plutoniumtetrachlorid in Plutoniumtrichlorid erfolgt zweckmäßig in einer inerten Atmosphäre, wie Argon oder Helium. Man arbeitet vorzugsweise zwischen 700 und 750° C.

30 Beispiel

2 g einer festen Lösung von 1 Gewichtsteil Plutoniumdioxyd und 5 Gewichtsteilen Urandioxyd werden mit 15,9 g des äquimolaren Kalium-Aluminium-Doppelchlorides gemischt. Das Gemisch wird unter Argon geschmolzen und 1 Stunde zwischen 700 und 750° C gehalten, worauf die Oxyde vollständig in Lösung gegangen sind.

Zu dem geschmolzenen Gemisch setzt man 15,15 g eines ternären Salzgemisches aus 50 Molprozent Lithiumchlorid, 35 Molprozent Kaliumchlorid und 15 Molprozent Natriumchlorid zu und hält die Temperatur weitere 15 Minuten zwischen 700 und 750° C. Die Reaktionsmasse wird dann zur Erstarrung erkalten gelassen, was 2 bis 3 Minuten erfordert. Dann werden Proben beider Phasen analysiert. Die Doppelchlorid-Oberschicht enthält 2,02% Uran und ergibt 2,88 · 10⁸ d/m/g, und die Bodenphase des ternären Salzgemisches enthält 1,00% Uran und ergibt für das Plutonium 7,5 · 10⁸ d/m/g, d.h. etwa 70% des vorliegenden Plutoniums, aber nur 33% des Urans sind in das ternäre Salzgemisch extrahiert worden.

Die Trennung kann durch Wiederholung des Trennungsganges natürlich weitergeführt werden.

Jede Phase kann dann einer Behandlung unterworfen werden, um das metallische Uran bzw. Plutonium zu gewinnen. Zur Reduktion des Uranchlorides kann man dem Salzgemisch in der in der deutschen Patentschrift 1118 770 beschriebenen Weise Aluminium zusetzen. Das Plutonium kann nach bekannten Methoden gewonnen werden. Die Reduktion der Chloride bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Gewinnung von Plutonium aus einer chlorierbaren, neutronenbeschossenen, Plutonium, Spaltprodukte und Uran enthaltenden Masse, wobei man die Masse in ein geschmolzenes etwa äquimolares Gemisch von Aluminiumchlorid und Kaliumchlorid eingibt und dadurch Uran und Plutonium in Form der Tetrachloride löst, dadurch gekennzeichnet, daß man das so erhaltene Gemisch zur Umwandlung des Plutoniumtetrachlorides in Plutoniumtrichlorid auf oberhalb 700° C erhitzt und mit dieser Reaktionsmasse ein Plutonium-Extraktionsmittel vermischt, das aus 40 bis 60 Molprozent Lithiumchlorid, 15 bis 40 Molprozent Natriumchlorid und 0 bis 40 Molprozent Kalium- bzw. Calciumchlorid besteht, und daß man das bevorzugt extrahierte und am Boden der Masse als gesonderte Phase abgesetzte Plutoniumtrichlorid von der das Urantetrachlorid enthaltenden Oberschicht trennt und das Plutoniumtrichlorid dann in bekannter Weise zu metallischem Plutonium reduziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung des Plutoniumtetrachlorides in Plutoniumtrichlorid in einer inerten Atmosphäre, vorzugsweise in Argon, bei einer Temperatur zwischen 700 und 750° C durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Plutonium-Extraktionsmittel ein Salzgemisch aus 45 bis 55 Molprozent Lithiumchlorid, 15 bis 17 Molprozent Natriumchlorid und 40 bis 30 Molprozent Kaliumchlorid verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Extraktionsmittel aus 50 Molprozent Lithiumchlorid, 15 Molprozent Natriumchlorid und 35 Molprozent Kaliumchlorid verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Extraktionsmittel aus 40 Molprozent Lithiumchlorid, 20 Molprozent Natriumchlorid und 40 Molprozent Calciumchlorid verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Extraktionsmittel aus 60 Molprozent Lithiumchlorid und 40 Molprozent Natriumchlorid verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kalium-Aluminium-Doppelchlorid dem Spaltstoffmaterial in einer Gewichtsmenge gleich dem Drei- bis Zehnfachen der Menge des Spaltstoffmaterials und das Plutonium-Extraktionsmittel in ungefähr der gleichen Menge wie das Doppelsalz zugesetzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Spaltstoffmaterial ein Gemisch von Plutoniumoxyd und Uranoxyd der Behandlung unterworfen wird und das Doppelsalz wie auch das Plutonium-Extraktionsmittel jeweils in einer Gewichtsmenge gleich dem etwa Fünffachen der Menge des Spaltstoffmaterials zugesetzt werden.