DE1196377B - Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen Aufloesung von verbrauchten Uranbrennstoffelementen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22d

Deutsche Kl.: 40 c-1/24

Nummer: 1196 377

Aktenzeichen: D 44238 VI a/40 c

Anmeldetag: 22. April 1964

Auslegetag: 8. Juli 1965

Die Erfindung betrifft ein elektrolytisches Verfahren zur Auflösung von verbrauchten Uran-Kernreaktorbrennstoffelementen.

Uranbrennstoffelemente bestehen aus einem Kern aus reinem Uran oder einer Uranlegierung und in der Regel einer Hülle aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Im Laufe der im Reaktor stattfindenden Kernreaktionen wird das Uran allmählich gespalten und nach einer gewissen Zeit hat die Konzentration der Spaltprodukte in den Brennstoffelementen so weit zugenommen, daß diese Elemente verbraucht sind und ersetzt werden müssen. Verbrauchte Uranbrennstoffelemente sind hoch radioaktiv und ihre Beseitigung stellt ein ernstes Problem dar.

Es ist gebräuchlich, verbrauchte Uranbrennstoffelemente zu beseitigen, indem man sie auflöst und die erhaltene Lösung zur getrennten Rückgewinnung von Uran und verschiedenen Spaltprodukten aufarbeitet. Zu diesem Zweck müssen die Elemente zuerst von ihrer Hülle befreit werden und dies geschieht üblicherweise durch Eintauchen des Elements in konzentrierte Natron- oder Kalilauge bis zur vollständigen Auflösung der Hülle. Danach wird der verbleibende Kern in eine IQ- bis 12molare Salpetersäure, die auf etwa 110° C erhitzt ist, gebracht und darin gelöst.

Dieses bekannte Verfahren besitzt eine Reihe von Nachteilen. So läßt sich während der Entfernung der Hülle die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Auflösung nur indirekt und schwierig bestimmen durch Messen der Menge an freigesetzten Wasserstoff oder der Reaktionswärme. Außerdem hat das Arbeiten mit konzentrierter Salpetersäure in der Hitze während der Auflösung des Kerns eine teilweise Zersetzung der Salpetersäure unter Bildung verschiedener Stickoxyde zur Folge. Es ist daher notwendig, besondere Vorrichtungen für die Wiedergewinnung der freigesetzten Stickoxyde und ihrer Zurückverwandlung in Salpetersäure vorzusehen. Hierdurch wird die gesamte Einrichtung kompliziert und verteuert. Hinzu kommt, daß das Arbeiten mit konzentrierter Salpetersäure bei erhöhten Temperaturen die Verwendung einer besonders korrosionsbeständigen Vorrichtung erforderlich macht.

Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ergibt sich aus der Tatsache, daß weder die Auflösung der Hülle noch die des Kerns regelbar ist. Wenn daher z. B. die Auflösung des Kerns aus irgendeinem Grund in einem Zwischenstadium unterbrochen werden soll, kann dies nur durch Fluten des Gefäßes mit so viel Wasser erreicht werden als Verfahren und Vorrichtung zur elektrolytischen
Auflösung von verbrauchten
Uranbrennstoffelementen

Anmelder:

Staat Israel,

vertreten durch das Ministerium für Verteidigung, Tel-Aviv;

Dr. Szmuel Raviv, Dr. Iddo Levin,

Beer Sheva (Israel)

Vertreter:

Dr. F. Zumstein,

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Assmann
und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Als Erfinder benannt:

Dr. Szmuel Raviv,

Dr. Iddo Levin, Beer Sheva (Israel)

Beanspruchte Priorität:

Israel vom 6. Mai 1963 (19162)

nötig ist, um die Säure so weit zu verdünnen, daß keine weitere Auflösung mehr erfolgt. Hierdurch wird jedoch die Lösung hinsichtlich des bereits gelösten Urans und der Spaltprodukte. so verdünnt, daß diese nicht mehr zurückgewonnen werden können und als verloren zu betrachten sind.
Es ist auch schon bekannt, verbrauchte Uranbrennstoffelemente elektrolytisch aufzulösen. Hierbei handelte es sich jedoch entweder um Elemente mit Hüllen aus Eisen, Nickel, Chrom usw., oder um solche mit Natriumhüllen, so daß grundsätzlich andere Voraussetzungen vorliegen.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Auflösung von Uranbrennstoffelementen, das regelbar ist und unter weniger scharfen Bedingungen arbeitet.
Die Erfindung besteht in einem Verfahren zur elektrolytischen Auflösung eines verbrauchten Uranbrennstoffelements, das eine Hülle aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und einen Kern aus Uran

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oder Uranlegierung aufweist, wobei das Brennstoff- Stoffelemente wirksam erfindungsgemäß aufgelöst

element die Anode bildet, welches darin besteht, daß werden können.

der Elektrolyt zunächst aus einer wäßrigen, eine Das hier gezeigte Gerät besteht aus einem Gefäß 1 Konzentration von 15 Gewichtsprozent nicht über- aus Kunststoff und ist mit einer abnehmbaren Glassteigenden Natrium- oder Kaliumhydroxydlösung 5 deckplatte 2 versehen. Im Inneren des Gefäßes 1 bebesteht, wobei unter Anwendung einer Potential- findet sich eine drehbare Welle 3, die bei 4 und 5 in differenz zwischen Anode und Kathode von nicht Zapfenlagern gelagert ist. Auf der Welle 3 ist ein mehr als 30 V die Auflösung der Hülle bei dieser zylindrischer perforierter Käfig 6 festgekeilt, der aus Spannung aufrechterhalten wird, solange ein Strom Isoliermaterial, z. B. Polyvinylchlorid, besteht. In durch das System fließt, und daß dann die alkalische io der Nähe des einen Endes trägt der Käfig 6 einen Lösung gegen eine für diese Zwecke an sich bekannte äußeren Platinring 7, während das Innere des perfowäßrige Salpetersäurelösung ausgetauscht wird, rierten Käfigs mit einem Platinnetz 8 ausgekleidet ist, deren Konzentration so gewählt wird, daß der Uran- das mit dem Platinring 7 so verbunden ist, daß ein kern in dieser Salpetersäure nicht chemisch, sondern elektrischer Strom vom ersteren zum letzteren flieelektrolytisch gelöst wird. 15 ßen kann. Die eine Seitenwand des Käfigs 6 weist

Indem man die Konzentration der Natrium- oder eine Anzahl von Bohrlöchern 9 und die gegenüber-Kaliumhydroxydlösung unter 15 Gewichtsprozent liegende Seitenwand eine Anzahl von Vertiefungen hält und gleichzeitig den Spannungsabfall zwischen 10 auf, wobei jede Vertiefung 10 einem Bohrloch 9 Kathode und Anode im ersten Stadium der elektro- zugeordnet ist und genau mit ihm fluchtet. Die Bohrlytischen Auflösung unter 30 V hält, wird sicher- 20 löcher 9 und die Vertiefungen 10 dienen zur Aufgestellt, daß in diesem Stadium nur die Hülle gelöst nähme von Uranbrennstoffelementstäben 11. Die wird und daß der Stromfluß automatisch aufhört, Elemente 11 stehen mit dem Platinnetz 8 in Berühwenn die Auflösung der Aluminiumhülle beendet rung, wenn sie sich in dem Käfig 6 befinden,
ist, wobei der Kern noch unangegriffen bleibt. Die Der Platinring7 dient als Kollektor und steht in Ursache hierfür besteht darin, daß unter diesen Be- 25 Verbindung mit einem Gleitkontakt 12, der sich am dingungen die Oberfläche des Urans sich mit einer Ende einer Blattfeder 13 befindet, die in der Deck-Isolierschicht aus Uranoxyd bedeckt, die unangegrif- platte 2 befestigt und zur Verbindung mit dem posifen bleibt und die elektrolytische Auflösung des tiven Pol einer Gleichstromquelle eingerichtet ist. Urans verhindert. Auf diese Weise dienen das Platinnetz 8 und die

Die elektrolytische Auflösung des Urankerns in 30 Uranbrennstoffelemente 11 im Betrieb als Anoden,

der Salpetersäure ist praktisch unabhängig von der Die Welle 3 dient als Kathode. Der Teil von ihr,

Konzentration der Salpetersäure. Infolgedessen ist der sich auf die Außenseite des Gefäßes 1 erstreckt,

es klar, daß es vorzuziehen ist, bei verhältnismäßig steht mit einem Gleitkontakt 14 in Verbindung, wel-

niederen Konzentrationen zu arbeiten, bei denen eher am Ende einer Blattfeder 15 angebracht ist, die

keine schweren Korrosionsprobleme auftreten. Als 35 in einem Ausleger 16 des Gefäßes 1 befestigt ist.

besonders geeignet erwiesen sich Konzentrationen Die Welle 3 ist außerdem zur Kupplung mit einem

von 3 bis 5 Mol/Liter. Antriebsmotor (nicht gezeigt) eingerichtet.

Im Verlauf der elektrolytischen Auflösung, sowohl Das Gefäß 1 ist ferner mit Mitteln zur Zufuhr und

der Hülle als auch des Kerns, dienen die Brennstoff- Entnahme der alkalischen und sauren Lösungen

elemente als Anoden, während die als Elektrode 40 ausgerüstet. Zur Vereinfachung der Darstellung wer-

dienende Kathode aus einem geeigneten inerten Ma- den diese Mittel ebenfalls nicht gezeigt,

terial, wie Graphit, Platin oder rostfreiem Stahl, Wenn sich die Stäbe 11 in der richtigen Stellung

besteht. befinden, wird das Gerät zuerst mit einer wäßrigen

Beide Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens Natrium- oder Kaliumhydroxydlösung gefüllt, so

können bei Raumtemperatur oder gegebenenfalls ₄₅ daß der gesamte Käfig untergetaucht ist. Dann wird

geringfügig erhöhter Temperatur, z. B. 40 bis 50° C, das Gerät mit einer Gleichstromquelle wie angegeben

wirksam durchgeführt werden. Daraus läßt sich er- verbunden und gleichzeitig wird die Welle 3 mit

kennen, daß die Arbeitsbedingungen beim erfin- einer geeigneten Geschwindigkeit gedreht. Der

dungsgemäßen Verfahren unvergleichbar weniger Strom fließt nunmehr, und es erfolgt die elektroly-

scharf sind, sowohl bezüglich der Konzentrationen _5O tische Auflösung der Hülle der Elemente 11. Sobald

als auch der Temperaturen, als es bei den bekannten diese Auflösung vollständig ist, hört der Strom auto-

Verfahren der Fall ist. Dementsprechend zersetzt matisch zu fließen auf und in diesem Stadium wird

sich die Salpetersäure nicht und das Problem der die alkalische Lösung aus dem Gefäß 1 abgezogen

Wiedergewinnung tritt nicht auf. Das Korrosions- und an ihrer Stelle wird eine Salpetersäurelösung

problem ist ebenfalls weit weniger schwer als beim ₅₅ eingeführt. Dann wird der Stromfluß erneuert bis

bekannten Verfahren. zur vollständigen Auflösung der Elemente 11.

Da außerdem die Konzentration der Salpetersäure Das folgende Beispiel erläutert das erfindungs-

so gewählt wird, daß sie den Kern nicht chemisch gemäße Verfahren:

auflöst, ist die Auflösung des Kerns steuerbar und ^- ■ 1
kann an- und abgeschaltet werden durch Beginnen 60

und Abbrechen des Stromflusses. Vorzugsweise wer- Es wurde ein Gerät, wie es in der Zeichnung ge-

den die Konzentrationen der zur Auflösung der zeigt ist, verwendet, das 400 mm lang, 200 mm breit

Hülle verwendeten alkalischen Lösung ebenfalls so und 200 mm hoch war. Der Durchmesser des Kä-

gewählt, daß keine oder lediglich eine sehr geringe figs 6 betrug 60 mm und seine Länge 120 mm. In

chemische Auflösung eintritt. Auf diese Weise läßt 65 diesen Käfig wurden Uranbrennstoffelemente von

sich auch diese Stufe in gleicher Weise regem. 80 mm Länge gebracht. Der Kern dieser Elemente

In der Zeichnung wird schematisch und im Schnitt besaß einen Durchmesser von 10 mm und bestand

ein Gerät gezeigt, mit dem verbrauchte Uranbrenn- aus 99,8% Uran und 0,2% Kohlenstoff. Die Um-

hüllung war lmm dick und bestand zu 99,9% aus Aluminium.

Das Gefäß 1 wurde mit einer 15%igen wäßrigen Natriumhydroxydlösung gefüllt, dann wurde der Käfig mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 200 U/ min gedreht. Ein Strom von 5 bis 7 A wurde bei 20° C 40 Minuten lang durchgeleitet und nach Ablauf dieser Zeit brach der Strom ab und die Auflösung der Umhüllungen war beendet.
. Nunmehr wurde die Natriumhydroxydlösung entfernt und eine 4%ige wäßrige Salpetersäurelösung wurde in das Gefäß 1 eingebracht. Die Elektrolyse wurde bei 20° C 3 Stunden fortgesetzt und nach Ablauf dieser Zeit waren die Urankerne vollständig in Lösung gegangen.

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur elektrolytischen Auflösung eines verbrauchten Uranbrennstoffelements, das eine Hülle aus Aluminium oder Aluminiumlegierung und einen Kern aus Uran oder Uranlegierung aufweist, wobei das Brennstoffelement die Anode bildet, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt zunächst aus einer wäßrigen, eine Konzentration von 15 Gewichtsprozent nicht übersteigenden Natrium- oder Kaliumhydroxydlösung besteht, wobei unter Anwendung einer Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode von nicht mehr als 30 V die Auflösung der Hülle bei dieser Spannung aufrechterhalten wird, solange ein Strom durch das System fließt, und daß dann die alkalische Lösung gegen eine für diese Zwecke an sich bekannte wäßrige Salpetersäurelösung ausgetauscht wird, deren Konzentration so gewählt wird, daß der Urankern in dieser Salpetersäure nicht chemisch, sondern elektrolytisch gelöst wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Salpetersäurelösung verwendet wird, deren Konzentration im Bereich von 3 bis 5 Mol/Liter liegt.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch ein zur Aufnahme des wäßrigen Elektrolyten eingerichtetes Gefäß (1), durch einen innerhalb dieses Gefäßes auf einer drehbaren, als Kathode dienenden Welle (3) verkeilten Käfig (6), der zur Aufnahme der Uranbrennstoffelemente eingerichtet und so angeordnet ist, daß er im Betrieb in den Elektrolyten im Inneren des Gefäßes untertaucht, durch Isolierungen in diesem Käfig für die Aufnahme der Uranbrennstoffelemente zur elektrischen Isolierung gegen die Welle und durch Mittel zur Verbindung der Elemente mit dem positiven Pol und der Welle mit dem negativen Pol einer Gleichstromquelle.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 3 024172;
»Nuclear Science Abstracts«, März 1963, Ref. 8235.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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