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Schmelzelektrolytisches Verfahren zur Anreicherung von Uran und/oder
Plutonium in Aluminiumlegierungen Die Erfindung betrifft ein schmelzelektrolytisches
Verfahren zur Anreicherung des Gehaltes einer Spaltprodukte enthaltenden und neutronenbeschossenen
Aluminium-Uran-Legierung an in ihr enthaltenem Uran und/oder Plutonium.
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Aluminiumlegierungen der beschriebenen Art werden z. B. als Spaltstoffmaterial
für Leistungsreaktoren, wie den sogenannten Plutoniumkreislauf-Versuchsreaktor,
verwendet. In diesen Reaktoren wird der Spaltstoff gewöhnlich bis zu maximal etwa
50 °/o, aber vorzugsweise in einem geringeren Grade, ausgebrannt. Die quasierschöpften
Aluminiumlegierungen müssen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit rekonditioniert werden,
d. h., man muß ihren Plutoniumgehalt erhöhen, um sie für die Wiederverwendung in
Reaktoren geeignet zu machen.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, um Uran und/'öder
Plutonium in neutronenbeschossenen, Spaltprodukte enthaltenden Aluminium-Uran-Legierungen
derart zu konzentrieren, daß es nicht erforderlich ist, in einer Zwischenstufe eine
wäßrige Lösung herzustellen, daß ferner nur kleine Massenvolumina gehandhabt zu
werden brauchen, so daß die Behandlung auf kleinem Raum und bei verhältnismäßig
geringer Abschirmung möglich ist, daß außerdem die Spaltprodukte in hochkonzentrierter
Form erhalten werden und dadurch verhältnismäßig leicht manipulierbar sind und da.ß
die Spaltstofflegierung bei der Rekonditionierung im metallischen Zustand bleiben
kann, so daß die Arbeitsstufen der Metallbildung nicht benötigt werden. Das Verfahren
gemäß der Erfindung erfordert keine große Anzahl von Arbeitsstufen, ist einfach
und wirtschaftlich und läßt sich leicht unter Fernsteuerung durchführen.
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Das schmelzelektrolytische Verfahren zur Anreicherung des Gehalts
einer Spaltprodukte enthaltenden und neutronenbeschossenen Aluminium-Uran-Legierung
an in ihr enthaltenem Uran und/oder Plutonium besteht darin, daß die flüssige Legierung
als Anode unter Verwendung eines sie berührenden schmelzflüssigen aluminiumfluoridhaltigen
Elektrolyten der Elektrolyse unterworfen und die durch Entfernung von Aluminium
und Spaltprodukten aus der Legierung an Spaltstoff angereicherte Legierung gewonnen
wird.
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Bei diesem Verfahren wandert etwas Aluminium zur Kathode, aber der
größere Teil desselben wird durch die Luft der Atmosphäre zu Aluminiumoxyd oxydiert,
das sich in dem Elektrolyten löst.
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Als Elektrolyt ist zwar jeder beliebige, eine wesentliche Menge Aluminiumfluorid
enthaltende Stoff verwendbar, aber Kryolith wird bevorzugt. Für die Kathode sind
verschiedene Stoffe verwendbar; flüssiges Aluminium und Graphit haben sich als besonders
geeignet erwiesen. Die Kathode und die Anode können in der bei Elektrolysen üblichen
Art durch eine poröse Membran voneinander getrennt sein. Ein anderer Weg zu dieser
Trennung besteht darin, die Elektroden und den Elektrolyten so in Schichten anzuordnen,
daß der Elektrolyt selbst die Kathode von der Anode trennt. Zum Beispiel kann in
einem nichtleitenden Behälter die zu behandelnde geschmolzene Aluminium-Plutonium-Legierung
die Bodenschicht bilden, die als Anode geschaltet wird. Über der Anoden-Bodenschicht
ist eine Zwischenschicht aus dem schmelzflüssigen Elektrolyten und über dieser eine
Deckschicht aus flüssigem Aluminium angeordnet, die als Kathode geschaltet wird.
Um gut getrennte Schichten zu erhalten, ist manchmal der Zusatz eines die Dichte
beeinflussenden Mittels zum Elektrolyten erforderlich, was von der Zusammensetzung
der Aluminium-Plutonium-Legierung und des Elektrolyten abhängt. Geeignete Stoffe
dieser Art sind beispielsweise Aluminiumfluorid oder Bariumfluorid.
Die
Betriebstemperatur hängt vom Schmelzpunkt der Stoffe und mithin ihrer Zusammensetzung
ab und ist, davon abgesehen, nicht kritisch.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung beruht auf dem bekannten Prinzip
der Dreischichtenelektrolyse, die hauptsächlich bei der Raffination von Aluminium
aus Aluminiumlegierungen angewandt wird und ebenfalls in der oben beschriebenen
Weise durchgeführt wird. Während jedoch bei der bekannten Dreischichtenelektrolyse
die als Anode geschaltete Bodenschicht an Elementen, wie Kupfer, Eisen, Silicium
und Mangan, angereichert wird, erfolgt bei dem vorliegenden Verfahren eine Anreicherung
dieser Bodenschicht an Uran undfoder Plutonium, die nicht ohne weiteres zu erwarten
war, weil diese beiden Elemente bekanntlich mit Alkalifluoriden (die ja in einem
Kryolithelektrolyten vorliegen) Komplexverbindungen bilden und man daher hätte erwarten
können, daß Uran und Plutonium weitgehend in den Elektrolyten in Form von Komplexverbindungen
übergehen würden, statt sich in dem anodisch geschalteten Aluminium anzureichern.
Abgesehen davon findet aber auch bei dem Verfahren gemäß der Erfindung eine überraschende
Entseuchung von Spaltprodukten statt, weil sich, wie festgestellt wurde, einige
der Spaltprodukte bei der bei der Elektrolyse herrschenden Temperatur verflüchtigen,
während ein großer Teil derselben, besonders die Lanthaniden, durch die Luft oxydiert
werden und als Oxyde in den Elcktrolyten übergehen, wodurch sie aus der Legierung
entfernt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet daher außer der Anreicherung
von Uran und/oder Plutonium in der als Anode geschalteten Bodenschicht einen zusätzlichen
Vorteil, der auf Grund des bekannten Dreischichten-Elektrolyseverfahren nicht vorhergesehen
werden konnte.
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Eine Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens gut geeigneten Vorrichtung ist in der Zeichnung in Form eines schematischen
Längsschnittes dargestellt.
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Der mit einer Zuleitung 2 versehene Tiegel 1, z. B. aus Graphit, enthält
das Kathodenmetall 3, vorzugsweise Aluminium. Auf dem Kathodenmetall 3 schwimmt
der Elektrolyt 4. In den Elektrolyten 4 ist der mit der Zuleitung 6 verbundene poröse
Graphitbehälter 5 so eingehängt, daß er den Tiegel 1 nicht berührt. Der Behälter
5 enthält die anodisch geschaltete, an spaltbarem Material anzureichernde, geschmolzene
Legierung 7. Die Vorrichtung ist mit Induktionsspulen 8 umgeben, um die Stoffe auf
die gewünschten Temperaturen erhitzen zu können.
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Bei der Elektrolyse wird ein kleiner Teil des aus der Legierung entfernten
Aluminiums an der Kathode abgeschieden, während der andere Teil oxydiert wird und
sich in dem Elektrolyten als Aluminiumoxyd löst. Häufig ist das Aluminium an der
Kathode etwas mit Plutonium verunreinigt. Dieser Plutoniumabzug von der Anodenlegierung
und die Abscheidung an der Kathode bedeuten zwar eine gewisse Herabsetzung des Wirkungsgrades
des Verfahrens, aber keinen Verlust, da man die plutoniumhaltige Kathodenlegierung
als Reduktionsmittel bei der Herstellung von metallischem Plutonium aus seinen Verbindungen
verwenden und somit das Plutonium aus der Kathodenlegierung zurückgewinnen kann.
Der Elektrolyt erweist sich stets als plutoniumfrei, was wahrscheinlich auf der
Reduktion jeglicher Plutoniumverbindung beruht, die sich mit metallischem Aluminium
bilden könnte.
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Beispiel 1 22,4 g einer Aluminium-Uran-Legierung mit einem Urangehalt
von 0,7.+ Gewichtsprozent werden als Anode unter Verwendung einer Graphitkathode
in der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung der Elektrolyse mit 2't Ah unterworfen.
Als Elektrolyt diont Kryolith, der auf 970= C Gehalten wird. In der Anodenlegierung
reichert sich der Urangehalt dabei auf 1.,17 Gewichtsprozent an. Praktisch alles
von der Anode entfernte Aluminium löst sich als Aluminiumoxyd in dem Kryolith. Beispiel
2 Man arbeitet mit 10 g reinem Aluminium als Kathode unter Verwendung von
17,15 g der gleichen Legierung wie im Beispiel 1 als Anode. Nach der Elektrolyse
mit 26 Ah ist die Legierung auf einen Urangehalt von 20/0 angereichert. Die Kathode
zeigt keinen nennenswerten Urangehalt.
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Beispiel 3 In der in der Zeichnung dargestellten Weise werden in einem
Graphittiegel eine Schicht aus 46g flüssigem Aluminium und eine Schicht aus Kryolith
angeordnet, wobei die Kryolithschicht auf einer Temperatur zwischen 1015 und l035'=
C gehalten und das Aluminium kathodisch geschaltet wird. Mittels eines Graphitstabes
wird ein Graphitbecher eingehängt, der 23,15 g einer geschmolzenen Aluminiumlegierung
mit einem Plutoniumgehalt von 1,54"l0 enthält. Durch die Zelle wird 234 Stunden
ein Strom von 8,0 A geleitet.
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Die Anodenlegierung hat nach der Elektrolyse ein Gewicht von 18.0
g und enthält 1,82";'o Plutonium, was einer Anreicherung von 1811l0 entspricht.
Die Kathodenlegierung hat ein Gewicht von 41,5 g und einen Plutoniumgehalt von 0,04270,7o.
Ein Teil des Aluminiums der Anodenlegierung ist von der Luft zu Aluminiumoxyd oxydiert
worden, das sich in dem Elektrolyten gelöst hat.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wurde vorstehend an Hand binärer, Uran
bzw. Plutonium als zweite Komponente enthaltender Aluminiumlegierungen erläutert,
ist aber ebenso auf andere uran- oder plutoniumhaltige Aluminiumlegierungen anwendbar.
Zum Beispiel eignet sich das Verfahren zur Anreicherung siliciumhaltiger Aluminiumlegierungen,
welche die obengenannten Spaltstoffe enthalten.