DE1171409B

DE1171409B - Verfahren zur Abtrennung von Uran und Plutonium aus Spaltprodukten

Info

Publication number: DE1171409B
Application number: DEU9178A
Authority: DE
Inventors: William Joseph Mecham; John Dervain Gabor
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1961-10-26
Filing date: 1962-08-08
Publication date: 1964-06-04
Also published as: GB967568A; NL282399A; US3098709A; BE621972A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: COIg

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 12 η-57/00

1171409
U9178IVa/12n
8. August 1962
4. Juni 1964

Die Erfindung betrifft die direkte Darstellung von Uranhexafluorid und/oder Plutoniumhexafluorid aus Urandioxyd und/oder Plutoniumdioxyd; insbesondere ist das Verfahren zur Aufbereitung von verbrauchten Kernbrennstoffen unter Abtrennung des spaltbaren Materials von den Spaltporodukten bestimmt.

Urandioxydbrennstoff wird, beispielsweise für Leistungs-Kernreaktoren, meist in Form dichter, kompakter Tabletten bzw. Pillen verwendet, die mit einem Zirkonium-Basismetall plattiert oder überzogen sind.

Man hat bereits Urandioxyd direkt mit Fluorgas fluoriert: wegen des hochexothermen Charakters der Reaktion mußte jedoch das Fluor mit einem inerten Gas, wie beispielsweise Stickstoff, verdünnt werden", um die Reaktion weniger gefährlich zu machen und die Korrosion auf ein Minimum herabzusetzen. Die Hexafluoride des Urans und des Plutoniums werden bei diesem Verfahren verflüchtigt, während die Spalt- ao produkte größtenteils in Form eines Rückstandes zurückbleiben.

Durch die Erfindung soll ein Verfahren zur Fluorierung von oxydischem Kernbrennstoff geschaffen werden, das eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit aufweist, eine besonders hohe Ausnutzung des eingesetzten Fluorgases gestattet und bei welchem keine Überhitzung des Reaktionsgefäßes auftritt.

Der Erfindung liegt die Feststellung zugrunde, daß man bei Verwendung von Sauerstoff als Verdünnungszusatz. zu dem Fluorgas eine wesentlich höhere Reaktionsgeschwindigkeit als mit Stickstoff als Verdünnungsmittel erhält. Auch ergab sich entgegen aller Erwartung, daß der Sauerstoff die Temperatur in dem Reaktionsgefäß-nicht erhöht. Der Sauerstoff spielt anscheinend die Rolle eines Katalysators, da er während der Reaktion nicht verbraucht wird.

Demgemäß ist bei dem Verfahren nach der Erfindung vorgesehen, daß mit Neutronen beschossenes Urandioxyd, das Plutoniumoxyd und Spaltproduktoxyde enthält, bei einer Temperatur im Bereich zwischen 350 und 500° C mit einem Fluor-Sauerstoff-Gasgemisch in Berührung gebracht wird; das Uran- und Plutoniumoxyd werden dabei in die Hexafluoride übergeführt und als solche verflüchtigt, während die Spaltprodukte Überwiegbnd in fester Form zurückbleiben.

Vor der Fluorierungsreaktion müssen die Brennstofftabletten oder sonstigen Brennstoffkörper zur Entfernung der Zirkoniumplattierung bzw. -verkleidung vorbehandelt werden. Dies kann in beliebiger, dem Fachmann an sich bekannter Weise erfolgen, Verfahren zur Abtrennung von Uran und
Plutonium aus Spaltprodukten

Anmelder:

United States Atomic Energy Commission,

Washington, D. C. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Phys. Dr. rer. nat. T, Haibach,

Patentanwalt, München 2, Kaufingerstr. 8

Als Erfinder benannt:

William Joseph Mecham, Hinsdale, JU.,

John Dervain Gabor, LaGrange, JIl. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 26. Oktober 1961

(147 997)

beispielsweise durch Behandlung mit Chlorwasserstoff und Fluorwasserstoff.

Die Fluorierung kann in der Weise ausgeführt werden, daß man das Urandioxyd in einem »Fließbzw. Wirbelbett« aus einem inerten Material unterbringt. Ein derartiges Fließ- bzw. Wirbelbett erhält man, wenn man durch eine Schicht bzw. ein Bett von Festkörperteilchen ein Gas von unten nach oben mit einer solchen Geschwindigkeit hindurchleitet, die ausreicht, um die Teilchen voneinander zu trennen und sie ohne Berührung miteinander zu erhalten. In diesem Zustand wird' den Festkörperteilchen ein gewisser Bewegungs-Freiheitsgrad zuteil, derart, daß das.Festkörper-Gasgemisch sich weitgehend wie eine Flüssigkeit verhält und unter dem Einfluß eines hydrostatischen, Druckgefälles zu fließen vermag.

Um das Urandioxyd in einen derartigen Fließzustand zu versetzen, bringt man es in ein derartiges Bett aus einem inerten, körnigen Material, beispielsweise aus Calciumfluorid, Magnesiumfluorid oder körnigem dichtem Aluminiumoxyd, wobei dieses letztgenannte Material als inertes, körniges Material vorzuziehen ist. Dieses inerte Material füllt die Zwischenräume zwischen den Tabletten aus und verbessert dadurch den Wärmeübergang; auch verhindert es in hohem Maße eine Austragung von Urandioxyd-Feinbestandteilen. Für das Verhältnis von inertem Fließbettmaterial zu Brennstoffmaterial hat sich ein

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Gewichtsverhältnis von etwa 3:1 als besonders zweckmäßig erwiesen.'

Eine wirksame Fluorierung läßt sich mit Temperaturen zwischen 350 und 500° C erzielen; am besten ist jedoch eine Temperatur zwischen 450 und 500° C, da die Reaktionsgeschwindigkeit dann höher ist. Die Temperatur kann in einfacher Weise durch Regelung der Fluor-Strömungsgeschwindigkeit eingestellt werden. Die Sauerstoffkonzentration soll vorzugsweise wenigstens 10 Volumprozent betragen. Die Reaktion kann dann für Fluorkonzentrationen bis zu 50 Volumprozent gut kontrolliert werden. Das fluorhaltige Gasgemisch wird etwa bei Atmosphärendruck durch die Apparatur geleitet.

Falls eine Temperatur zwischen 450 und 500° C angewendet wird, bereitet die Einstellung der Temperatur durch äußere Kühlung Schwierigkeiten. In diesem höheren Temperaturbereich ist es daher häufig vorteilhaft, etwas Stickstoffgas als sekundäres Verdünnungsmittel dem Fluor-Sauerstoff-Gemisch zuzusetzen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung kann in jeder beliebigen Apparatur,. wie sie dem Fachmann zur Durchführung von Reaktionen zwischen Festkörpern und Gasen bekannt sind, ausgeführt werden. Wie bereits erwähnt,' ist das Fließ- bzw. Wirbelbett die bevorzugte Art, den Brennstoff in Reaktion zu bringen. Ein derartiges Wirbelstromverfahren ist in der USA.-Patentschrift 2 911 290 beschrieben.

Beispiel I

Körniges Calciumflüörid wird in ein vertikales, an der Außenseite luftgekühltes Reaktionsgefäß mit einem Durchmesser von etwa 7,6 cm gebracht; die Schicht hat eine Höhe von etwa 91 cm. Sodann wird auf das Calciumflüörid eine Schicht von etwa 15 cm Höhe von Pillen bzw. Tabletten von etwa 1,3 cm Durchmesser aus neutronenbestrahltem Urandioxyd gebracht. Die Gesamtmenge an Urandioxyd betrug 4,5 kg. Die Tabletten sind ursprünglich durch Sinterung in einer Wasserstoffatmosphäre hergestellt. ·

Das Reaktionsgefäß wird sodann auf eine Temperatur von etwa 500° C gebracht; bei dieser Temperatur werden aufeinanderfolgend zwei parallele Versuchsreaktionen ausgeführt, einmal mit Stickstoffgas als Verdünnungsmittel, das andere Mal mit Sauerstoff. In beiden Fällen betrug die Fluorkonzentration des Gasgemisches 42°/o. Das Gas wurde mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 0,017 m^s/ Min. eingeführt, was einer durchschnittlichen Gesamt-Gasgeschwindigkeit von etwa 18 bis etwa 21 cm/Sek. entspricht. Das Gas wird auf Atmosphärendruck gehalten. Bei dem mit Stickstoff als Verdünnungsmittel ausgeführten Versuch hatte nach 12 Stunden 80% des Urandioxyds reagiert; bei Verwendung von Sauerstoff als Verdünnungsmittel hatte der gleiche Teil der Tabletten in 4 Stunden und 48 Minuten reagiert.

Das nächste Beispiel erläutert die Wirkung von Temperaturänderungen auf die Fluorierungsgeschwindigkeit.

Beispiel II

In diesem Beispiel werden dieselbe Apparatur verwendet und die gleichen Verfahrensbedingungen zugrunde gelegt wie im Beispiel I, mit der Ausnahme, daß als inertes Material körniges, dichtes Aluminiumoxyd dient. Es wurden acht Versuche bei verschiedenen Temperaturen im Bereich zwischen 350 und 500° C durchgeführt. Die jeweiligen Bedingungen und die erzielten Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle zusammengestellt.

Temperatur	Gasgemisch	Gesamtzeit bei den jeweiligen rH Tlttl Q ΓΙΤΎΊ^Λ	UFe-Bildung bzw. -Entnahme	UFe-durchschnittliche . Bildungsgeschwindigkeit
⁰C		E<1 IUl dill 1ICU in Stunden	Gramm pro 30 Minuten	Gramm pro Stunde
	.23% F₂	0,5	0
350	77% N₂	1,0 1,5	0 10	7
400 <	21% F₂ 79% O₂	2,0 2,5 3,0	40 51 69	1 107
	25% F₂ 75% N₂	0,5 1,0 1,5	11 7 55	\ 49
400	22% F₂ 78% O₂	2,0 2,5 3,0	109 147 160	278
	20% F₂ 80% N₂	0,5 1,0 1,5	78 46 50	[ 116 I
450	16% F₂	0,5	412
	46% O₂	1,0	178	428
	38% N₂	1,5	52
	25 % F₂ 75% N₂	0,5 1,0 1,5	126 115 107	232
500	16% F₂	0,5	149
	46% O₂	1,0	456	710
	38% N₂	1,5	460

Aus den angeführten Ergebnissen ersieht man, daß eine Temperatur von 500° C bessere Ergebnisse zeitigt als eine Temperatur von 350° C und ferner auch, daß die Verwendung von Sauerstoff als Verdünnungsmittel eine wesentlich schnellere Fluorierung bewirkt als bei Verwendung von Stickstoff als Verdünnungsmittel.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abtrennung von Uran und Plutonium aus Spaltprodukten in mit Neutronen beschossenem Uranoxydbrennstoff, durch Reaktion mit gasförmigem Fluor bei einer Temperatur im Bereich zwischen 350 und 500° C, wobei die sich bildenden flüchtigen Uran- und Plutoniumhexafluoride aus den Spaltprodukten abgehen, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluorgas in Form eines Gasgemisches zusammen mit Sauerstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluor-Sauerstoff-Gasgemisch zusätzlich auch Stickstoff enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch wenigstens 10 Volumprozent Sauerstoff und bis zu 50 Volumprozent Fluor enthält.

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