DE1152096B - Verfahren zur Abtrennung von Uran aus Uran, Zirkonium und Spaltprodukte enthaltenden, verbrauchten Uranbrennelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung und Wiedergewinnung von Uran aus Uran, Zirkonium und Spaltprcdukte des Urans enthaltenden, verbrauchten Kernbrennelementen.

Uranhaltige feste Brennelemente haben, selbst wenn sie mit Metall umhüllt sind, nur eine begrenzte Lebensdauer als Reaktorbrennstoff. Ein Grund hierfür ist die weitgehende physikalische Schädigung, der die Elemente durch die Reaktorsirahlung unterliegen. Auch der Abbrand oder die Erschöpfung dbs Urans auf Grund von Spaltung, Nichtspaltungseinf ang durch das Uran und seine Spaltprodukte verringert die Reaktivität des Reaktors und macht auf diese Weise eine Entfernung der verbrauchten Brennelemente notwendig. Die verbrauchten Brennelemente enthalten noch eine beträchtliche Menge Uran, die man erneut verwenden könnte, wenn das Uran in wirtschaftlicher Weise von Spaltprodukten und anderen Verunreinigungen im wesentlichen frei wiedergewinnbar wäre.

Auf Grund seiner zufriedenstellenden nuklearen Eigenschaften und seiner Korrosionsbeständigkeit bei Temperaturen in der Größenordnung von 316° C hat man Zirkonium und dessen Legierungen als Umhüllung für Reaktorbrennstoffe, wie Uran, verwendet. Eine Umhüllung fester Reaktorbrennstoffe ist notwendig, um die Oxydation und einen sonstigen korrosiven Angriff des Urans zu verhindern und radioaktive Spaltprodukte des Urans zu umschließen. Es hat sich auch gezeigt, daß Zirkonium in einer Legierung mit Uran diesem erhöhte mechanische Festigkeit und Oxydationsbeständigkeit verleiht. Diese vorteilhaften Eigenschaften werden aber dadurch aufgewogen, daß noch keine völlig zufriedenstellende Methode entwickelt worden ist, um Uran aus Brennelementen abzutrennen, die Zirkonium in der Umhüllung oder als Teil des Kerns enthalten.

Ideal für die Abtrennung von Uran aus zirkoniumhaltigen Brennelementen wäre die Abtrennung des Zirkoniums vom Uran in einem Frühstadium des Verfahrens. Die Abtrennung sollte rasch, aber mit steuerbarer Geschwindigkeit durchgeführt werden können. Es wäre auch sehr erwünscht, das Volumen der radioaktiven Spaltproduktrückstände des Trennungsverf ahrens minimal zu halten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von Uran aus Uran, Zirkonium und Spaltprodukte enthaltenden, verbrauchten Uranbrennelementen durch Überführung von Zirkonium in Zirkoniumtetrachlorid und Uran in Uranhexafluorid besteht darin, daß man das Uranbrennelement in einem Umsetzungsgefäß in einer aus Aluminiumoxydteilchen bestehenden Wirbelschicht mit Chlorwasserstoffgas Verfahren zur Abtrennung von Uran

aus Uran, Zirkonium und Spaltprodukte

enthaltenden, verbrauchten

Uranbrennelementen

Anmelder:

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

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

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 6. April 1959 (Nr. 804 556)

Loranus Pendieton Hatch, Brookhaven, N. Y.,

William Henry Regan jun., Holtsville, N. Y.,

und James Joseph Reilly, Bellport, N. Y. (V. St. A.),

sind als Erfinder genannt worden

umsetzt, das gebildete Zirkoniumtetrachlorid entfernt, gasförmiges Fluor in das Umsetzungsgefäß einleitet und das gebildete Uranhexafluorid in an sich bekannter Weise gewinnt.
Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung des Zirkoniums mit Chlorwasserstoffgas bei einer Temperatur von 350 bis 600° C. Die Fluorierung des Urans kann bei einer Temperatur von 400 bis 600° C vorgenommen werden.
Es ist an sich bekannt, chemische Umsetzungen in einer Wirbelschicht von als Wärmeträger wirkenden Feststoffen durchzuführen. Insbesondere ist die Überführung von Zkkoniuinsilicat in Zirkonmmtetrachlorid durch Umsetzung mit gasförmigem Chlor in der Wirbelschicht in Gegenwart von Kohlenstoff bei Temperaturen von 800 bis 1100° C bekannt. Hierbei bestehen die Feststoffe der Wirbelschicht aus Zirkoniumsilicat und Kohlenstoff, während nach dem er-

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findungsgemäßen Verfahren das in dem Uranbrennelement enthaltene oder als Umkleidung für das Uranbrennelement dienende metallische Zirkonium durch Umsetzung mit Chlorwasserstoff in einer das Element umgebenden Wirbelschicht aus Aluminiumoxydteilchen bei erheblich niedrigeren Temperaturen in Zirkoniumtetrachlorid übergeführt wird'.

Bekannt ist ferner die Reduktion von gasförmigem Uranhexaftuorid mit gasförmigem Chlorwasserstoff zu

diesem Suspenisionszustand kann die Schicht als Wirbelschicht bezeichnet werden, und in einer solchen Wirbelschicht liegt ein praktisch vollständig ungeordneter Zustand und eine regellose Vermischung der festen und gasförmigen Phasen der Suspension vor. Die Gasgeschwindigkeit wird auf einem solchen Minimalwert gehalten, daß der Druckabfall in der Schicht der Summe aus dem Gewicht der Schicht und jeglicher Reibungskräfte entspricht, die sich zwischen

aus Aluminiumoxydteilchen so zu behandeln, daß zunächst nur das Zirkonium mit Hilfe von Chlorwasserstoffgas in Zirkoniumtetrachlorid übergeführt

elementes durch Umsetzung mit Fluor in Uranhexafluorid umgewandelt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, das Zirkonium von dem Uran

Urantetrafiuorid in einer Reaktionsvorrichtung, in der io den festen Teilchen und den Wänden der sie umdie gebildeten Urantetrafiuoridteilchen sich in einer schließenden Kammer ergeben. Art Wirbelzustand befinden. Nach einer speziellen Ausführungsform der Er-

Schließlich ist auch ein Verfahren zur Aufbereitung findung ist das Ausgangsgut ein neutronenbestrahltes von Uranerzen zu Uranhalogeniden bekannt, bei wel- Brennelement mit Urankern und Zirkoniumumhülchem zunächst aus dem Erz durch Einwirkung von 15 lung. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auf Wasserstoff und Fluorwasserstoff Urantetrafiuorid jede beliebige physikalische oder chemische Mischung hergestellt und dieses dann in fließfähigem Zustand von Uran und Zirkonium anwendbar. Im Falle fester mit gasförmigem Fluor in Uranhexafluorid über- Brennelemente, die Zirkonium enthalten, kann der geführt wird. Kern des Elementes aus metallischem Uran oder einer

Es war jedoch noch nicht bekannt, mit Zirkonium 20 Uranlegierung bestehen. Beispiele für Metalle, die umkleidete Uranbrennelemente in einer Wirbelschicht man zur Bildung des Kerns von Brennelementen mit

Uran legiert hat, sind Zirkonium, Aluminium, Molybdän und rostfreier Stahl.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Vor- und auf diese Weise von dem Uran getrennt und 25 richtung, die bei der Durchführung des Verfahrens dann der aus Uran bestehende Kern des Brenn- gemäß der Erfindung Anwendung finden kann;

Fig. 2 zeigt in graphischer Darstellung die Veränderung der Reaktionsgeschwindigkeit bei der Chlorwasserstoffbehandlung der Zirkoniumlegierung »Zirbei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen auf dem 30 caloy« mit der Oberfläche der behandelten Probe; Wege der Verflüchtigung zu trennen. Dabei erfolgt Fig. 3 zeigt in graphischer Darstellung die Aus-

zunächst die Entfernung des Zirkoniummantels und dann die Umsetzung des Urankerns in dem gleichen Reaktionsgefäß.

In der ersten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das mit Zirkonium umkleidete Brennelement bei einer Temperatur von etwa 400° C mit wasserfreiem gasförmigem Chlorwasserstoff in einer Wirbelschicht von Aluminiumoxydteilchen behandelt

werden, die als Wärmeträger zwischen den einer 40 und Lustman und Kerze, »Metallurgy of Zircostark exothermen Umsetzung unterliegenden Reak- nium«, 1955, S. 631). tionsteilnehmern und einem äußeren Kühlmittel
wirken. Jeder momentane oder plötzliche Anstieg der
Wärmeentwicklung wird von der Feststoffwirbelschicht aufgenommen, so daß die Reaktion innerhalb 45 aktionskammer soll aus einem Werkstoff bestehen, mit Sicherheit gesteuerter Temperaturgrenzen gehal- welcher der korrodierenden Wirkung der bei dem ten wird. Die gasförmigen Produkte dieser Umsetzung Verfahren verwendeten Halogenierungsmittel und der sind Zirkoniumtetrachlorid und Wasserstoff. Der Rest erzeugten Reaktionsteilnehmer zu widerstehen verder Brennelementbestandteile wird nach der Haloge- mag. Nickel und Inconel (eine Nickellegierung) haben nierung in der Wirbelschicht belassen; er besteht aus 50 sich als zufriedenstellende Werkstoffe für diesen Uran und anderen Metallverunreinigungen. Das gas- Zweck erwiesen. Alle Ventile, Dichtungen usw. sollen förmige Zirkoniumtetrachlorid und andere Reaktionsprodukte werden aus der Wirbelschicht entfernt. Man
heizt dann die Wirbelschicht auf eine Temperatur im
Bereich von 350 bis 450° C auf und führt gasförmi- 55
ges Fluor ein. Bei dieser Temperatur reagiert das
Fluor mit dem Uran mit hoher und lenkbarer Geschwindigkeit unter Bildung von gasförmigem Uranhexafluorid, Plutoniumhexafluorid und einem kleinen

Prozentsatz anderer flüchtiger Metallfluoride. Die 60 eingeführt ist, ein gasförmiges Wirbelmedium unter flüchtigen Fluoride können dann von der Schicht Druck eingeführt; man kann hierzu mit Helium, nach bekannten Methoden der fraktionierten Destil- Argon oder anderen sauerstofffreien inerten Gasen lation abgetrennt werden. arbeiten. Das Gas strömt nach oben durch die poröse

Bei der Wirbelschicht, die bei der Erfindung An- Platte 12 und durch die Feststoffschüttung unter Erwendung findet, wird ein Gas mit genügender Ge- 65 zeugung der Wirbelschicht. Die Geschwindigkeit des schwindigkeit durch eine Ruheschüttung körniger Wirbelgases wird so gelenkt, daß eine Wirbelschicht inerter Feststoffe in Aufwärtsrichtung hindurchgeleitet, bis zu etwa der bei 19 gezeigten Höhe der Reaktionsum die Schicht im Suspensionszustand zu halten. In kammer entsteht.

wirkung der Temperatur auf die Reaktionsgeschwindigkeit bei der Chlorwasserstoffbehandlung von »Zircaloy«.

»Zircaloy« ist eine Zirkoniumlegierung, die etwa 1,5 °/o Zinn sowie geringere Mengen an Eisen, Chrom und Nickel enthält (vgl. Römpp, »Chemie-Lexikon«, 5. Auflage, Bd. III, Spalte 5799; »Reactor Handbook«, New York, 2. Auflage, Bd. 1, 1960, S. 709,

Bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1 bezeichnet 10 eine Reaktionskammer, in der die oben beschriebenen Umsetzungen durchgeführt werden können. Die Re-

aus einem Material gefertigt werden, das gegenüber den Halogenierungsmitteln und Reaktionsprodukten nicht reaktiv ist.

Die Reaktionskammer 10 enthält eine Masse körniger Feststoffe, die auf einer porösen Platte 12 ruht, die mit der Innenwand des unteren Endes der Kammer 10 dicht verbunden ist. In die Kammer 10 wird aus der Rohrleitung 14, die am Boden in den Reaktor

Als Festphase des Wirbelmediums sollen körnige Stoffe gewählt werden, die bei den beschriebenen Arbeitsbedingungen stabil sind. Bei der Chlorwasserstoffbehandlung von Zirkonium haben sich Stoffe in Art des Aluminium- und Siliciumoxydes als wirkungsvoll erwiesen. Bei der Fluorierung des Urans kann man mit Calciumfluorid und anderen festen inerten Metallfluorverbindungen arbeiten.

Um der Wirbelschicht Wärme zuzuführen oder von ihr Wärme abzuziehen, ist auf der Außenwand der Kammer 10 in wärmeaustauschender Beziehung zu dieser ein Ringmantel 16 vorgesehen, der die Zone der in den Wirbelzustand versetzten Feststoffe in der Kammer 10 umgibt. Der Mantel ist zur Zirkulation eines Wärmeaustauschmediums mit einem Einlaß 18 und einem Auslaß 20 versehen. Dieses Medium kann ein fließfähiges Material mit verhältnismäßig hoher Wärmekapazität sein; als Kühlmittel kann man Luft oder ein flüssiges Metall, wie Natrium oder Wismut, verwenden.

Das Brennelement wird in der Wirbelschicht von einer durchbrochenen Platte 26 gestützt, die in der Feststoff-Wirbelzone in Kammer 10 vorgesehen ist. Ein Brennelement 22 der beschriebenen Art wird dann über nicht gezeichnete Klemmorgane von dem Rohr 25 am Kammerkopf in die Kammer 10 gesenkt. Das Element wird am Boden durch die Platte 26 gestüzt und vollständig in die Wirbelschicht getaucht. Die Wirbelschicht wird dann auf eine Temperatur von 350 bis 450" C erhitzt, indem man durch den Mantel 16 eine aufgeheizte Flüssigkeit, wie Natrium, einführt. Die Menge der im Wirbelzustand befindlichen Feststoffe im Reaktor 10 soll in bezug auf die hindurchströmende Menge der Reaktionsteilnehmer so abgestimmt werden, daß jegliche sich während der Reaktion ergebende scharfe Schwankung durch die Wirbelschicht bei nur minimaler Temperaturänd'erung auf das durch den Mantel 16 zirkulierende äußere Kühlmittel übertragen wird. Während die Wirbelschicht aufgeheizt wird, ändert sich die zur Aufrechterhaltung einer gewünschten Schichtausdehnung erforderliche Wirbelgasmenge mit Zunahme der Gasviskosität, so daß man während der Aufheizzeit durch Lenkung der Strömungsgeschwindigkeit des Wirbelgases die Höhe der das Brennelement 22 umgebenden, in den Wirbelzustand versetzten Feststoffe relativ konstant halten soll. Wenn die Schicht auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt ist, wird wasserfreier Chlorwasserstoff aus Rohrleitung 28 und weiter Rohrleitung 14 in den Reaktor 10 eingemessen. Der Chlorwasserstoff reagiert mit dem Zirkonium des Brennelementes 22 unter Bildung von gasförmigem Zirkoniumtetrachlorid und Wasserstoff. Ein kleiner Teil des Urans kann einer Umwandlung in ein festes, nichtflüchtiges Uranchlorid unterliegen. Die gasförmigen Reaktionsprodukte strömen in der Reaktionskammer 10 nach oben und durch ein Filter 30 im oberen Ende der Kammer 10, das mitgerissene Feststoffe aus dem Gas entfernt. Nach Passieren des Filters 30 werden die Reaktionsgase aus der Anlage durch die Rohrleitung 32 abgezogen; sie können in der jeweils erforderlichen Weise zur Wiedergewinnung gewünschter Produkte behandelt werden.

Es ist eine Reihe von Zirkoniumproben nach der obigen Arbeitsweise behandelt worden. In allen Fällen zeigte sich, daß bei leicht lenkbaren Bedingungen eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit erzielt wird.

Die Ergebnisse verschiedener Versuche sind in Fig. 3 zusammengestellt, die in graphischer Darstellung die Reaktionsgeschwindigkeiten (in Milligramm Probe, die je Quad'ratzentimeter Probenoberfläche in der Stunde umgesetzt werden) bei Temperaturen im Bereich von 350 bis etwa 460° C zeigt, wobei das Wirbelgas aus etwa 84% wasserfreiem Chlorwasserstoff, Rest Helium, besteht. Bei diesen Temperaturen werden bei der Umwandlung des Zirkoniums in ein gasförmiges Zirkoniumtetrachloridprodukt Reaktionsgeschwindigkeiten von 1000 bis 6000 mg/cm²/h erzielt. Höhere Reaktionsgeschwindigkeiten werden bei Temperaturen von mehr als 460° C erzielt. Zur Erzielung bester Ergebnisse soll die Temperatur aber unterhalb 600° C gehalten werden. Bei einer Temperatur von etwa 600° C wird die Korrosion der Werkstoffe durch die Chlorwasserstoffatmosphäre unangemessen stark. Auch der Dampfdruck der Uranverbindungen, die während der Chlorwasserstoffbehandlung des Zirkoniums anfallen, wird bei dieser hohen Temperatur bedeutend, so daß es schwierig wird, eine saubere Abtrennung des Zirkoniums von dem Uran zu erzielen.

Es hat sich gezeigt, daß die Reaktionsgeschwindigkeit sich mit der Oberfläche der Probe ändert (Fig. 2). Mit Zunahme der Oberfläche nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit von etwa 5500 mg/cm² Oberfläche je Stunde ab, bis sie bei etwa 2500 mg/cm² Oberfläche je Stunde verhältnismäßig konstant bleibt.

In Fig. 3 zeigt die voll ausgezogene Kurve die Reaktionsgeschwindigkeiten, die man durch Chlorwasserstoffbehandlung einer Zirkoniumprobe in einer Wirbelschicht erhält, während die gestrichelt gezeichnete Kurve die Reaktionsgeschwindigkeiten veranschaulicht, die bei der gleichen Reaktion in Abwesenheit einer Wirbelschicht erzielbar sind. Bei der letztgenannten Bedingung weicht die Reaktionsgeschwindigkeit in dem gleichen Temperaturbereich wie bei dem Wirbelschichtverfahren um einen Faktor von etwa 30 bei 36O⁰C und einen Faktor von mehr als 10 bei 460° C ab. Um vergleichbare hohe Reaktionsgeschwindigkeiten ohne Anwendung der Wirbelschicht zu erzielen, müßte die Reaktion bei einer Temperatur von etwa 700 bis über 1000° C durchgeführt werden. Bei diesen hohen Temperaturen und in Abwesenheit des oben beschriebenen Wirbelsystems ist die Reaktion schwer zu lenken. Darüber hinaus reagiert bei diesen hohen Temperaturen das Uran mit dem wasserfreien Chlorwasserstoff unter Bildung eines flüchtigen Uranchloridproduktes, wodurch die Abtrennung des Urans vom Zirkon ohne weitere Verarbeitung ausgeschlossen wird. Es hat sich gezeigt, daß bei Fehlen der Wirbelschicht die Zirkoniumprobe nur an örtlichen Stellen auf ihrer Fläche rasch reagiert. Wenn das voluminöse gasförmige Reaktionsprodukt, das Zirkoniumtetrachlorid, von diesen örtlichen Reaktionsstellen ausgeht, umgibt es die gesamte Probe. Die Reaktionsgase haben keine genügende Wärmekapazität, um die Reaktionswärme abzuführen. Im Ergebnis werden an diesen örtlichen Stellen abnorm hohe Reaktionsgeschwindigkeiten erhalten und »heiße Stellen« erzeugt, trotzdem die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit der Probe verhältnismäßig gering ist. Wenn man diese Reaktion in einer Feststoff-Wirbelschicht der oben beschriebenen Art durchführt, wird die Bildung dieser lokalen »heißen Stellen« vermieden. Die wirbelnden Feststoffe »scheuern« die Metalloberfläche von jeglichem isolie-

rendem Zirkoniumtetrachlorid frei, wodurch die gesamte Oberfläche der Wirkung des Chlorierungsgases ausgesetzt wird. Außerdem überträgt die Wirbelschicht die Wärme so, daß die Reaktion auf der gesamten Oberfläche gleichmäßig mit einer verhältnismäßig konstanten Geschwindigkeit abläuft.

Man erzielt somit durch die Umsetzung von Zirkonium mit wasserfreiem Chlorwasserstoff in einer Wirbelschicht inerter Feststoffe hohe Reaktionsgeschwindigkeiten bei gelenkten Bedingungen unter Umwandlung des Zirkoniums in ein flüchtiges Produkt und auf diese Weise die Abtrennung des Zirkoniums von dem Uran. Der Rückstand, der in der Reaktionskammer verbleibt, nachdem die Verflüchtigung des Zirkoniums erfolgt ist, besteht aus Uran, Plutonium und Spaltprodukten. Eine sehr zweckmäßige Methode zur Abtrennung des Urans von diesen Verunreinigungen besteht in der Bildung der flüchtigen Uranverbindüng, des Uranhexafluorides.

Man kann Uranmetall durch Verbrennung in einer Fluoratmosphäre direkt in das Hexafluorid überführen. Die Reaktion zwischen Uranmetall und Fluor führt zur Freisetzung einer sehr großen Wärmemenge in der Größenordnung von 2200 Cal/kg Uran. Es ist

Wirbelschichtfluorierung

Ver such	Gaszusammensetzung	Temperatur 0C	Gesamt- reaktions- geschwin digkeit mg/cm2/h
1 2 3 4 5 6	5 % F2, 95% He 5 »/0 F2, 95% He 20%F„ 80% He 50%F~, 50% He 50% F0, 50% He 65 o/oF;, 35% He	225 300 bis 345 350 bis 380 400 bis 425 450 bis 475 450 bis 475	310 550 1300 2300 5400

Beträchtliche Reaktionsgeschwindigkeiten treten erst bei Erreichung einer Temperatur im Bereich von 400 bis 425° C und einem gasförmigen Gemisch mit einem Fluorgehalt von 50 Volumprozent auf. Die Reaktionsgeschwindigkeiten nehmen dann bei einer Temperatur im Bereich von 450 bis 475° C rasch zu; bei leichter Erhöhung der Fluorkonzentration wird eine Reaktionsgeschwindigkeit von 5400 mg/cm² in der Stunde erreicht. Es hat sich gezeigt, daß die

bisher praktisch nicht möglich gewesen, diese Wärme- 25 Reaktionsgeschwindigkeit bei einer gegebenen Temperatur mit der Fluorkonzentration zunimmt. Mit zunehmender Temperatur der Wirbelschicht nimmt die Reaktionsgeschwindigkeit ebenfalls zu. Aus praktischen Gründen soll die Reaktionstemperatur jedoch

einen Wert von etwa 600° C nicht erreichen. Wie im Falle der Chlorwasserstoffbehandlung des Zirkoniums wirkt die Halogenierungsatmosphäre bei höheren Temperaturen übermäßig korrodierend auf die Werkstoffe. Wenn man die gleiche Reaktion in Abwesenheit einer Wirbelschicht der beschriebenen Art durchführt, können vergleichbare Reaktionsgeschwindigkeiten nur bei viel höheren Temperaturen und nur mit dem Risiko eines Weglaufens und/oder potentiell explosiver Bedingungen erzielt werden. Wie bei der Chlor

menge in einer Fest-Gas-Umsetzung abzuführen. Selbst bei Brennelementen, bei denen nur kleine Uranmengen umgesetzt zu werden brauchen, hat sich die direkte gasförmige Fluorierung zu dem Hexafluorid als gefährliche und unpraktische Methode erwiesen. Die einzige bisher bekannte praktische Methode zur Herstellung von Uranhexafluorid sind Umsetzungen in flüssiger Phase, wobei die Reaktionswärme durch die Flüssigkeit abgeführt und dadurch eine mäßig rasche Fluorierung des Brennelementes möglich wird. Durch die Erfindung wird es möglich, Uran direkt bei lenkbaren Bedingungen und hohen Reaktionsgeschwindigkeiten zu dem gasförmigen Hexafluorid zu fluorieren.

Zur Abtrennung des Urans von diesen Spalt- 40 wasserstoifbehandlung des Zirkoniums entwickelt sich produkten wird bei der Vorrichtung nach Fig. 1 die an lokalen Reaktionsstellen ein voluminöses gasförmiges Reaktionsprodukt, nämlich in diesem Falle

restlichen Ober-

Wirbelschicht auf eine Temperatur von etwa 400° C aufgeheizt, indem man durch den Mantel 16 ein fließfähiges Heizmedium leitet. Wenn die gewünschte Temperatur erreicht ist, führt man aus der Leitung 34 gasförmiges Fluor in die Reaktionskammer 10 ein, um das dort befindliche Uran in das flüchtige Uranhexafluorid umzuwandeln. Die Fluorkonzentration kann 5 bis 100% der gasförmigen Phase betragen, was von der bei einer beliebigen gegebenen Temperatur erwünschten Reaktionsgeschwindigkeit abhängt. Das gasförmige Reaktionsprodükt besteht aus einem Gemisch von Uranhexafluorid, Plutoniumhexafluorid und anderen flüchtigen Spaltproduktfluoriden. Dieses Uranhexafluorid, und bedeckt die flächenbezirke. Hierdurch entsteht eine isolierende Schicht, welche die Oberfläche des Metalls verringert, die für die Umsetzung mit dem gasförmigen Halogenierungsmittel verfügbar ist. Das Ergebnis ist eine Entzündung der Probe bei extrem hohen Reaktionsgeschwindigkeiten an örtlichen Stellen der Probenoberfläche, aber verhältnismäßig geringe Gesamtgeschwindigkeit der Reaktion, und die Bedingungen sind schwer zu lenken.

Ein Grund für die verbesserte Lenkung dieser hochexothermen Reaktion ergibt sich bei einer Be

flüchtige Gemisch strömt durch die Reaktionskammer 55 Stimmung des Wärmeübergangskoeffizienten, der zwi-

10 nach oben und tritt durch das Filter 30 am oberen Teil der Kammer 10 oberhalb der im Wirbelzustand befindlichen Feststoffteilchen hindurch, das aus den Reaktionsgasen mitgerissene Feststoffe entfernt. Die Gase werden von der Reaktionsvorrichtung 10 durch die Rohrleitung 32 und die Rohrleitung 36 entfernt und dann einer Destillationszone zugeführt, in welcher das Uranhexafluorid durch fraktionierte Destillation vom Plutoniumhexafluorid und den anderen Spaltproduktfluoriden getrennt werden kann.

In der Reaktionskammer 10 wurden in der obigen Weise eine Reihe von Uranproben fluoriert. Ergebnisse:

sehen der reagierenden Probe und der Wirbelschicht erzielbar ist. Gemäß der Erfindung wird ein Wärmeübergangskoeffizient zwischen der reagierenden festen Fläche und der Wirbelschicht von etwa 1942 kcal/m²/ h/°C erzielt; in Abwesenheit der Wirbelschicht errechnet sich für den Wärmeübergangskoeffizient zwischen dem reagierenden Feststoff und der Umgebungsatmosphäre ein Wert in der Größenordnung von 49 kcal/m²/h/° C in dem gleichen Temperatur-

⁶5 bereich.

Dies zeigt, daß die Erfindung eine bessere Abtrennung von Uran von einem Uran und Zirkonium enthaltenden Material ermöglicht.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Abtrennung von Uran aus Uran, Zirkonium und Spaltprodukte enthaltenden, verbrauchten Uranbrennelementen durch Überführung von Zirkonium in Zirkoniumtetrachlorid und Uran in Uranhexafluorid, dadurch gekenn zeichnet, daß man das Uranbrennelement in einem Umsetzungsgefäß in einer aus Aluminiumoxydteilchen bestehenden Wirbelschicht mit Chlorwasserstoffgas umsetzt, das gebildete Zirkoniumtetrachlorid entfernt, gasförmiges Fluor in das Umsetzungsgefäß einleitet und das gebildete

Uranhexafluorid in an sich bekannter Weise gewinnt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung des Zirkoniums mit Chlorwasserstoffgas bei einer Temperatur von 350 bis 600° C vornimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Fluorierung des Urans bei einer Temperatur von 400 bis 600° C vornimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 759 724, 593 180;
USA.-Patentschriften Nr. 2 811414, 2768 872.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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