DE1277812B

DE1277812B - Verfahren zur Trennung von Uran, Plutonium und Spaltprodukten aus verbrauchtem Uran-Kernbrennstoff

Info

Publication number: DE1277812B
Application number: DEN22979A
Authority: DE
Inventors: Johkun Akatsu; Tomitaro Ishimori; Toshiko Kobune; Eiko Nakamura
Original assignee: Nihon Genshiryoku Kenkyusho
Current assignee: Nihon Genshiryoku Kenkyusho
Priority date: 1962-04-02
Filing date: 1963-04-02
Publication date: 1968-09-19
Also published as: FR1382924A; GB1031194A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4fflT®& PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int CL:

Deutsche Kl.:

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

BOId

COIg

12c-l

12n-43/0Z?
12 η -57/00

P 12 77 812.0-43 (N 22979)

2. April 1963

19. September 1968

Die Isolierung von Uran aus verbrauchtem Uranbrennstoff geschieht gewöhnlich durch Abtrennung des Urans in einem aus zwei Schritten bestehenden Verfahren. Beim ersten Schritt werden Uran und Plutonium mit Tri-n-butylphosphat (TBP) aus einer Lösung von verbrauchtem Uranbrennstoff mit einer ziemlich hohen Salpetersäurekonzentration extrahiert. Dabei bleiben die Spaltprodukte in der wäßrigen Phase zurück. Uran und Plutonium werden voneinander im nächsten Verfahrensschritt abgetrennt. Zusätzlich muß das Uran dann noch in die wäßrige Lösung zurückextrahiert werden.

Es sind bereits Verfahren zur Trennung von Uran, Plutonium und Spaltprodukten aus verbrauchtem Uran-Kernbrennstoff durch Gegenstromextraktion mittels zweier Serien von Chargen aus miteinander nicht mischbaren flüssigen Phasen bekannt.

Bei einem solchen Verfahren ist keine Rückextraktion notwendig, wenn erfindungsgemäß als erste Serie von Chargen wäßrige Lösungen mit senkenden Konzentrationen an Salpetersäure und als zweite Serie von Chargen eine Lösung von Tri-n-butylphosphat in Tetrachlorkohlenstoff eingesetzt werden und das zu trennende Substanzgemisch in der ersten Charge der ersten Serie gelöst wird.

Abb. 1 ist eine schematische Darstellung aller Arbeitsgänge des erfindungsgemäßen Extraktionsverfahrens.

Die erste wäßrige Charge besteht aus einer Salpetersäurelösung von verbrauchtem Uranbrennstoff, welcher Uran, Plutonium und Spaltprodukte enthält. Die folgenden Chargen bestehen aus Salpetersäurelösungen mit abnehmender Säurestärke. Diese Füllungen sind mit den Nummern 2, 3 ... η bezeichnet. Die Ausgangslösung wird nacheinander mit jeder der Chargen der organischen unteren Schicht geschüttelt und sodann abgetrennt, bis sie schließlich von der letzten organischen Charge abgetrennt wird.- Nach Beendigung des Austausches der gelösten Stoffe befinden sich die Spaltprodukte in den ersten Chargen der wäßrigen Serie, das Plutonium in den mittleren Chargen und das Uran in den letzten Chargen. Die getrennten Stoffe befinden sich alle in wäßriger Lösung, so daß eine Rückextraktion nicht erforderlich ist. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine diskontinuierliche Gegenstromapparatur oder eine Misch-Absetz-Vorrichtung verwendet. Die schwerere organische Flüssigkeit wird als stationäre Phase in jede der Mischzellen hineingegeben, bevor das Gegenstromverfahren beginnt. Die organische Flüssigkeit wird mit der wäßrigen Phase in jeder Zelle während einer geeigneten Zeit-Verfahren zur Trennung von Uran, Plutonium
und Spaltprodukten aus verbrauchtem
Uran-Kernbrennstoff

Anmelder:

Nihon Genshiryoku Kenkyu Sho, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Phys. G. Liedl, Patentanwalt,

8000 München 22, Steinsdorfstr. 22

Als Erfinder benannt:

Tomitaro Ishimori,

Johkun Akatsu,

Eiko Nakamura,

Toshiko Kobune, Ibaraki-ken (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 2. April 1962 (12 584),

vom 16. Oktober 1962 (44 814)

dauer geschüttelt. Die obere Lösung wird hierauf nach Phasentrennung dekantiert und anschließend in die nächste Mischzelle eingeführt. Zur gleichen Zeit wird die nächste Charge der oberen Schicht, d. h. eine wäßrige Lösung mit geringerer Säurestärke, in die erste Mischzelle eingeführt.

Die folgenden vier Beispiele zeigen, wie das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt wird.

In den Beispielen bis 3 wurde eine Gegenstromextrahierkette von acht Mischzellen des Craig-Typs verwendet. 5 ml der wäßrigen Lösung wurden mit dem gleichen Volumen der organischen Lösung in jeder Mischzelle während einer vorbestimmten Zeitdauer (etwa 2 Minuten) geschüttelt. Tabelle 1 zeigt die experimentellen Bedingungen der Beispiele 1 bis 3; insbesondere die Konzentration des Tri-n-butylphosphates, die Säurestärke der Salpetersäure in der wäßrigen Lösung, welche von Charge zu Charge absinkt, und die Bestandteile der Ausgangslösung.

809 617/479

Tabelle 1 Verfahrensbedingungen

Beispiel

%TBP
in organischen

Chargen

Nr.
der organischen

Chargen

87654321

1 I 2 3

HNOs-Konzentration in den wäßrigen Chargen

Nr. der wäßrigen Chargen 4 I 5 6 7 8 9 I 10 1112 13 I 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Ausgangsmaterial

20
20

12
12

-1,5-

■ 1,5-

Wasser

0,37

Wasser

Wasser
Wasser

Die Urankonzentration im Beispiel 1 betrug 0,2 g/ml.

Beispiel 4 wurde mit Hilfe einer Misch-Absetz-Vorrichtung mit sieben Mischzellen durchgeführt. 80 ml der organischen Lösung wurden mit 80 ml der wäßrigen Lösung vermischt. Die Mischschritte, die Phasentrennung und die Dekantierung der oberen Schicht waren dieselben wie bei den Gegenstromverf ahren.

Beispiel 1 (Abb. 2)

Dreiundzwanzig behandelte wäßrige Fraktionen 1 bis 23 wurden nach Austausch der gelösten Stoffe erhalten, nachdem man durch acht Extraktionsgefäße hindurchlaufen ließ. Die ersten fünf Fraktionen 1 bis 5 enthielten nur Spaltprodukte: nämlich Caesium-137 und Zirkon-Niob-95. Plutonium-239 war in den nächsten wäßrigen Fraktionen 6 bis 10 enthalten, und das Uran war in den letzten zehn Fraktionen 10 bis 20 konzentriert. Nach der Durchführung des Verfahrens enthielten die organischen Lösungen in den Extraktionsgefäßen keine Metalle und waren gegenüber dem Beginn des Verfahrens unverändert.

Beispiel 2 (Abb. 3)

Bei der Anwendung dieser Trennmethode auf eine während einer langen Zeit betrahlte Uranprobe stellte man ebenfalls fest, daß sich Uran, Plutonium und die Spaltprodukte in Fraktionen getrennt hatten.

Bei der Anwendung dieser Trennmethode auf eine während einer kurzen Zeit bestrahlte Uranprobe wurde an Stelle von Plutonium-239 Neptunium-239 festgestellt.

Beispiel 3

Die Ausgangsprobe bestand aus demselben Material wie im Versuchsbeispiel 2; jedoch war das ganze Plutonium durch Anwendung eines Anionenaustauschers entfernt. Da keine Alpha-Radioaktivität in den wäßrigen Fraktionen 6 bis 10 festgestellt wurde, macht dies deutlich, daß Plutonium in den wäßrigen Mischung aus 239_Pu,137_Csund95_Zr._Nb

UO₂ bestrahlt in JRR-I während 75 bis 194 Stunden

UO₂ bestrahlt in JRR-I während 2 Stunden

Das gleiche Material wie in Beispiel 2 mit der Ausnahme, daß hier Pu vorher durch Ionenaustausch ausgeschieden war

Fraktionen 6 bis 10 des Versuchsbeispiels 2 (Abb. 3) konzentriert war. Mit anderen Worten: es konnte damit die in den wäßrigen Fraktionen 6 bis 10 des Beispiels 2 festgestellte Alpha-Radioaktivität dem Plutonium-239 zugeschrieben werden. Da die organische Lösung in den Extrahiergefäßen nach der Durchführung des Verfahrens keine radioaktiven Materialien enthielt, konnte dieselbe Lösung aus TBP und CCl₄ wiederholt verwendet werden. Dieselbe organische Lösung wurde fünfmal verwendet, und es wurden die gleichen Ergebnisse wie bei der zum ersten Male verwendeten organischen Lösung erhalten. Wurde die Konzentration des Extraktionsmittels der organischen Chargenserien als auch die Kon-

■-.· zentration der Salpetersäure in den wäßrigen Chargenserien abgestuft, waren die erhaltenen Ergebnisse im wesentlichen dieselben wie diejenigen aus den Beispielen 1 bis 3.

Beispiel 4

Die in sieben Extrahiergefäßen enthaltene organische Lösung bestand aus jeweils 80 ml einer 30°/oigen (V/V) TBP-CCl₄-Lösung. Die Chargen der

wäßrigen Lösung bestanden aus jeweils 80 ml Salpetersäurelösung mit folgenden abgestuften Konzentrationen: fünf Gefäße mit 7,5 n; zehn Gefäße mit 3,0 n; zwölf Gefäße mit 1,5 η-Salpetersäure und neun Gefäße mit Wasser.

Die erzielten Ergebnisse sind in den Abb. 4 und 5 wiedergegeben; die A b b. 4 zeigt die Alpha- und Beta-Radioaktivitäten, wie sie bei den erhaltenen sechsunddreißig wäßrigen Fraktionen gemessen wurden. Die Abb. 5 zeigt die Ergebnisse einer y-Strahlenmessung und einer kolorimetrischen Uranbestimmung. In beiden Abbildungen sind die Zählrate und die Uranmenge bezüglich der Nummern der wäßrigen Fraktionen logarithmisch angegeben. Wie aus Abb. 4 und 5 ersichtlich ist, läßt sich die gegenseitige Abtrennung von Uran, Plutonium und den Spaltprodukten in außerordentlich wirkungsvoller Weise durchführen. Diese Tatsache wird durch die Dekontaminationsfaktoren von Uran und Pluto-

nium (berechnet für die Spaltprodukte) bewiesen. Die Werte sind aus Tabelle 2 ersichtlich.

Tabelle 2
Dekontaminationsfaktoren

Plutonium ...
Uran

Dekontaminations-

faktor für
Gamma-Aktivität

1,5 · 103
1-1O⁴

Dekontaminationsfaktor für
Beta-Aktivität

21-10³
1-10*

Die oben angegebenen Ergebnisse zeigen, daß Uran, Plutonium und Spaltprodukte erfolgreich mit sehr hohen Dekontaminationsfaktoren unter Anwendung der vorliegenden Erfindung abgetrennt werden können. Die Erfindung bietet den Vorteil, daß Uran, Plutonium und Spaltprodukte sämtlich in wäßriger Lösung erhalten werden, so daß die Notwendigkeit einer Rückextraktion entfällt. Die anschließende Behandlung der erhaltenen Lösung wird also wesentlich vereinfacht. Ein zusätzlicher Vorteil liegt darin, daß die organische Lösung in den Extraktionszellen immer wieder verwendet werden kann, ohne daß eine Reinigung notwendig wird. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich deshalb ohne weiteres auch in großtechnischem Maßstab unter Verwendung einer Fernsteuerung durchführen.

Der Fortschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Craig-Verfahren ist aus dem folgenden Versuch ersichtlich:

Beispiel 2 wurde wiederholt, wobei jedoch die Konzentration der Salpetersäure in der wäßrigen Phase in allen Chargen auf lnormal konstant eingestellt wurde. Unter diesen Bedingungen war die Verwendung von achtzig organischen Chargen zur Abtrennung der Spaltprodukte und des Plutoniums erforderlich. Das Uran mußte in einem besonderen Arbeitsgang aus der organischen Phase zurückextrahiert werden, um es in wäßriger Phase zu sammeln. Es wurde 1 η-Salpetersäure gewählt, weil dies die Konzentration ist, bei welcher die beste Abtrennung zu erwarten ist. Wird HNO₃ einer höheren Konzentration eingesetzt, ist die Abtrennung der Spaltprodukte und des Plutoniums nicht wesentlich besser, während das Uran in der ersten organischen Charge konzentriert wird. Bei einer 2normalen oder

ίο höheren HNO₃-Konzentration wird das Plutonium zusammen mit dem Uran in der organischen Phase zurückgehalten.

Ist die HNO₃-Konzentration geringer, beispielsweise 0,5normal, bewegt sich der Scheitelpunkt des Plutoniums weiter nach links, wodurch die Spaltprodukte und Plutonium sich schwieriger trennen lassen.

Im Vergleich hierzu erzielt das erfindungsgemäße Verfahren die Trennung von Uran, Plutonium und Spaltprodukten in wäßriger Phase lediglich durch die Verwendung von acht organischen Chargen.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Trennung von Uran, Plutonium und Spaltprodukten aus verbrauchtem Uran-Kernbrennstoff durch Gegenstromextraktion mittels zweier Serien von Chargen aus miteinander nicht mischbaren flüssigen Phasen, dadurch gekennzeichnet, daß als erste Serie von Chargen wäßrige Lösungen mit sinkenden Konzentrationen an Salpetersäure und als zweite Serie von Chargen eine Lösung von Tri-n-butylphosphat in Tetrachlorkohlenstoff eingesetzt werden und das zu trennende Substanzgemisch in der ersten Charge der ersten Serie gelöst wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Chemie für Labor und Betrieb, 11 (1960), 10, S. 397.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

809 617/479 9.68 ® Bundesdruckerei Berlin