DE1160647B - Schmelzelektrolytisches Verfahren zur Anreicherung von Uran und/oder Plutonium in Aluminiumlegierungen - Google Patents

Schmelzelektrolytisches Verfahren zur Anreicherung von Uran und/oder Plutonium in Aluminiumlegierungen

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DE1160647B
DE1160647B DEU6380A DEU0006380A DE1160647B DE 1160647 B DE1160647 B DE 1160647B DE U6380 A DEU6380 A DE U6380A DE U0006380 A DEU0006380 A DE U0006380A DE 1160647 B DE1160647 B DE 1160647B
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Germany
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aluminum
plutonium
uranium
alloy
cathode
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Application number
DEU6380A
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English (en)
Inventor
William Earl Roake
Ward Lewis Lyon
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US Atomic Energy Commission (AEC)
Original Assignee
US Atomic Energy Commission (AEC)
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    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25CPROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/34Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of metals not provided for in groups C25C3/02 - C25C3/32
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/007Recovery of isotopes from radioactive waste, e.g. fission products

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Ausführungsform einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gut geeigneten Vorrichtung ist in der Zeichnung in Form eines schematischen Längsschnittes dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Schmelzelektrolytisches Verfahren zur Anreicherung des Gehalts einer Spaltprodukte enthaltenden und neutronenbeschossenen Aluminium-Uran-Legierung an in ihr enthaltenem Uran undloder Plutonium, dadurch gekennzeichnet, daß di.- 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.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als schmelzflüssiger Elektrolyt Kryolith verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode aus Graphit verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kathode aus flüssigem Aluminium verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 600 555, 666 090, 809110.
DEU6380A 1958-06-24 1959-06-12 Schmelzelektrolytisches Verfahren zur Anreicherung von Uran und/oder Plutonium in Aluminiumlegierungen Pending DE1160647B (de)

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE600555C (de) * 1932-11-08 1934-07-25 Alais & Froges & Camarque Cie Verfahren zum elektrolytischen Raffinieren von Aluminium
DE666090C (de) * 1937-06-03 1938-10-10 Aluminium Ind Akt Ges Verfahren zur Zugabe von Elektrolyt zu nach dem Dreischichtenverfahren arbeitenden Aluminiumraffinationsoefen
DE809110C (de) * 1945-12-03 1951-07-23 Alais & Froges & Camarque Cie Verfahren zur Gewinnung von raffiniertem Aluminium aus Abfaellen von Aluminiumlegierungen

Patent Citations (3)

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