DE1296281B

DE1296281B - Aufloesungsanlage fuer Kernbrennstoffe

Info

Publication number: DE1296281B
Application number: DEC33410A
Authority: DE
Inventors: Faugeras Pierre; Michel Pierre; Talmont Xavier
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1963-07-22
Filing date: 1964-07-14
Publication date: 1969-05-29
Also published as: BE650575A; GB1031873A; LU46531A1; NL6407828A; SE327186B; CH424003A; ES302278A1; FR1373712A; US3352645A

Description

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Die Erfindung betrifft eine Auflösungsanlage für wirkt, und eine am Kopf der Anlage angeordnete, Kernbrennstoffe mit kontinuierlichem Lösungsmittel- vom Heizkessel her gespeiste und mit dem ankreislauf, die im Hinblick auf Kernspaltungsbedin- schließenden Dampfkondensator zusammenwirkende gungen sicher ist, und einen Auflösungsbehälter, der Phasentrennvorrichtung für das Lösungsmittelden Abmessungen und Mengen der in ihm aufzu- 5 Dampf-Gemisch, die das Lösungsmittel wieder dem lösenden Kernbrennstoffe angepaßt ist, einen damit Auflösungsbehälter zuführt, vorgesehen sind, wobei verbundenen Lösungsmittelzwischenbehälter und die Summe der Raumwinkel, unter denen man von einen zur Kondensation und Rückführung der bei der einem Bauteil alle anderen spaltbare Stoffe enthal-Auflösung entstehenden Lösungsmitteldämpfe die- tenden Bauteile und Rohre sieht, kleiner ist als nenden Kondensator umfaßt. ίο 1 Steradiant.

Die Wiedergewinnung von (bestrahlten oder nicht Weitere vorteilhafte Ausbildungen ergeben sich

bestrahlten) Kernspaltungs- oder radioaktiven Mate- aus den Unteransprüchen.

rialien geschieht im allgemeinen auf »nassem« Weg. Diese Konstruktionsmerkmale verleihen die fol-

Man löst den Kernbrennstoff in einem Lösungsmittel, genden Eigenschaften:

wie Salpeter- oder Salzsäure. Diese Maßnahme, die 15 1. Sicherheit im Hinblick auf die Kernspaltung

im Fall von an spaltbaren Stoffen reichen Materialien durch die Abmessungen jedes Teils und die

eine im Hinblick auf die Kernspaltung sichere Auf- gegenseitige räumliche Anordnung dieser Teile;

lösungsvorrichtung erfordert, ist schwierig durch- ₂_ _{Anpassung der} Abmessungen des Auflösungs-

zuführen und hat bisher im technischen Maßstab behälters an die der aufzulösenden Materialien,

noch keine m allen Fallen zufriedenstellende Losung 20 _{o]me daß man sdne Flüssi}g_{keitskapazität in}

gefunden. _ Betracht ziehen müßte, da diese vom Zwischen-

Die heute tatsächlich vorhandenen Vorrichtungen bebmter _{gewahrleistet ist;}

zur Auflösung von Kernspaltstoffen sind im allge- . .

meinen nur für einen einzigen Typ von Kernbrenn- ³· Möglichkeit der Verwendung von je nach Bedarf stoffen bestimmt und besitzen eine beschränkte a₅ ^sf ^r verschiedenen Volumina der Reagenzien Kapazität, da man offensichtlich die Abmessungen ^ohne . Veränderung der Vorrichtung und bei

der Vorrichtungen aus Sicherheitsgründen nicht be- unveränderter Betriebsweise da der Zwischen-

liebig vergrößern kann. Zur Erhöhung der Kapazität ^halter auf einem tieferen Niveau als der Aufmuß man entweder die Anzahl der mit der Auf- losungsbehalter angeordnet ist, und entspre-

lösungsvorrichtung verbundenen Vorratsgefäße oder 30 ^ch™^{d de}* notwendigen Losungsmittelmenge die Zahl der Verbindungsleitungen zwischen der Auf- f^M£ ^wer,^{den ka}™ ^und ^da™\ ^der Möglichkeit

lösungsvorrichtung und dem oder den Vorrats- der Veränderung des »Tauchfaktors« und damit

behältern) erhöhen, was die kerntechnische Sicher- ^dt* Losungsumlaufgeschwmdigkeit, wie unten

heit herabsetzt. erläutert.

Aus der USA.-Patentschrift 3 034 868 ist eine 35 Die Figur zeigt einen schematischen senkrechten kontinuierlich arbeitende Auflösungsanlage für Kern- Schnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung, brennstoffe mit einem Lösungsmittelzwischengefäß Der Auflösungsbehälter ist mit 1 bezeichnet und

bekannt, die jedoch keine Veränderung der ein- läuft im allgemeinen in einen kegelstumpfförmigen zusetzenden Lösungsmittelmenge zur Anpassung an Boden aus. Er besitzt einen abnehmbaren Deckel, die verschiedenartigen aufzulösenden Kernbrennstoffe 40 um die Einführung der aufzulösenden Kernspaltgestattet. Das Auflösungsgefäß und das stets voll materialien zu ermöglichen, und eine Haltevorrichgefüllte Lösungsmittelzwischengefäß sind hier auf tung für diese Materialien.

gleicher Höhe angeordnet, wodurch sich die Strah- Das Volumen des Auflösungsbehälters ist so be-

lungsintensitäten addieren und eine entsprechende rechnet, daß er im Hinblick auf die Kernspaltung Beschränkung des Fassungsvermögens erforderlich ⁴⁵ sicher ist. Man berücksichtigt dabei die entsprechenmachen, um den Sicherheitsforderungen im Hinblick den Tabellen, z. B. TID-7016 »nuclear safety guide auf die Kernspaltungsbedingungen zu genügen. 1961« der US Atomic Energie Commission and

Die Erfindung bezweckt demgegenüber eine kern- Good year Atomic Corporation (LAMS 2415). technisch sichere Auflösungsanlage, die mit einer je Seine Abmessungen sind auf die der aufzulösenden nach der Form und Art der aufzulösenden Kern- ⁵° Materialien abgestimmt.

brennstoffe und den sonstigen Auflösungsbedingun- Der mit 2 bezeichnete Zwischenbehälter ist vor-

gen innerhalb weiter Grenzen wählbaren Lösungs- zugsweise trapezförmig, flach und hochkant gestellt, mittelmenge, d. h. bei sehr verschiedenen Füllungs- Der Heizkessel 3 kann zylinderförmig gebaut sein Verhältnissen des Lösungsmittelzwischenbehälters und und wird durch einen Heizmantel geheizt; in diesen unabhängig vom Volumen der für die Auflösung 55 tritt der Dampf bei 3 a ein und bei 3 b aus. Die notwendigen Reaktionsflüssigkeit betrieben werden Phasentrennvorrichtung 4 ist zylinderförmig gebaut, kann. ihre Abmessungen entsprechen den vorgesehenen

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer höchsten Durchsatzmengen im Hinblick auf die Auflösungsanlage für Kernbrennstoffe, wie sie ein- höchste Heizleistung und das größte Tauch- bzw. gangs angegeben ist, dadurch gelöst, daß der 60 Niveauverhältnis. Dieses Verhältnis wird im folgen-Lösungsmittelzwischenbehälter vom Auflösungs- den definiert.

behälter getrennt und tiefer als dieser angeordnet ist Der Dampfkondensator 6 muß eine genügende

und ein der größten anzuwendenden Lösungsmittel- Kühlfläche haben, um den erzeugten Dampf zu mengen entsprechendes Fassungsvermögen besitzt kondensieren.

und daß ein unterhalb des Zwischenbehälters und 65 Die bei der Auflösung gewonnene Lösung wird ihm gegenüber verschoben angeordneter, mit dem bei 8 abgezogen.

unteren Ende des Zwischenbehälters verbundener Der Auflösungs- und der Zwischenbehälter weisen

Heizkessel, der den Umlauf des Lösungsmittels be- zwei Rohre 9 und 10 auf, die zur Abführung nitroser

Dämpfe dienen. Die natürliche Kühlung ist im allgemeinen ausreichend, so daß der größte Teil der nitrosen Dämpfe im Dampfkondensator rückoxydiert und absorbiert wird. Die im Kondensator nicht absorbierten Stickstoffoxyde werden durch die Leitung 11 in eine Ätznatronabsorptionskolonne geleitet.

Die erfindungsgemäße Auflösungsvorrichtung arbeitet in folgender Weise:

Der Heizkessel 3 bewirkt den Umlauf der Lösung im Sinn Zwischenbehälter—Auflösungsbehälter, wobei er die Lösung erhitzt und aus dem Wasser der Lösung Dampf erzeugt. Der erzeugte Dampf sowie die im Fall von Salpetersäure als Lösungsmittel erzeugten nitrosen Gase bilden mit der Lösung eine Mischung, deren spezifisches Gewicht kleiner ist als das des Lösungsmittels, und führen das Lösungsmittel in flüssiger Phase mit sich. Der während des Aufstiegs nicht kondensierte Dampf trennt sich von der Lösung in der Phasentrennvorrichtung 4 und so wird über einen Dampfkondensator 6 wieder zum Heizkessel 3 zurückgeführt. Mit diesem Umlaufsystem kann man Stundenleistungen von mindestens dem lOfachen Gesamtvolumen erreichen. Der Umlauf der Lösung im Sinn Auflösungsgefäß—Zwischengefäß geschieht einfach durch Schwerkraft. Die Lösung fließt hinunter in das Auflösungsgefäß 1, rieselt über den aufzulösenden Kernbrennstoff und greift ihn an und läuft in das Zwischengefäß 2 ab. Damit ist der Kreislauf geschlossen.

Um Übersättigungen und Ausfällungen zu vermeiden und im Auflösungsgefäß 1 eine hohe Auflösungsgeschwindigkeit zu erhalten, sorgt man für eine ziemlich große Umlaufgeschwindigkeit der Lösung in der Vorrichtung. Diese Umlaufgeschwindigkeit hängt von der Heizleistung des Heizkessels und von einem sogenannten »Tauchfaktor« ab, der dem in Prozent ausgedrückten Verhältnis des Abstands zwischen dem Kopf des Heizkessels 3 und der Höhe der Lösung im Zwischenbehälter 2 und dem Abstand zwisehen dem Kopf des Heizkessels 3 und der Höhe der Lösung in der Phasentrennvorrichtung 4 entspricht; die Anlage arbeitet zufriedenstellend bei einem Tauchfaktor über 30 %.

Die erfindungsgemäße Anlage ist außerdem mit einer Einrichtung versehen, die zwecks schnellerer und gleichmäßigerer Ingangsetzung der Auflösung das Einblasen von beispielsweise Luft gerade am Ausgang des Heizkessels bei 7 ermöglicht, wobei dieses Einblasen nach Erreichen des Gleichgewichtszustands des Umlaufs abgestellt wird.

Im folgenden werden als Beispiel, ohne daß damit eine Beschränkung beabsichtigt ist, die Merkmale einer erfindungsgemäßen Anlage zur Auflösung unter unterkritischen Bedingungen angegeben.

Die räumliche Gestaltung und Anordnung der Teile hängen von den durch die Sicherheit im Hinblick auf die Kernspaltung gestellten Bedingungen ab.

Für die in die Anlage gegebene Materialmenge ist ein Höchstgehalt an spaltbarem Material äquivalent zu 1,5 kg 239 Pu zulässig.

Jeder Teil ist nach den geometrischen Normen der Kernenergie - Sicherheitsvorschriften (LAMS 2415, TID 7016) gestaltet. Ihre Anordnung im Raum ist so berechnet, daß die Summe der Raumwinkel, unter denen man von einem Teil alle anderen, spaltbaren Stoffe enthaltenden Teile und Rohre sieht, kleiner als 1 sr (Steradiant) ist.

Folgende Einzelteile bilden die Anlage:
Ein 4,51 fassendes Auflösungsgefäß, bestehend aus einem der Form der aufzulösenden Stücke angepaßten Zylinder, der in einen kegelstumpfförmigen Boden ausläuft und mit einem abnehmbaren Deckel versehen ist, von wo aus man den zu behandelnden Kernbrennstoff einführt.

Zylindrischer Teil:
Höhe 125 mm,
Durchmesser 180 mm;

Kegelstumpf-Teil:

Großer Durchmesser 180 mm,
Kleiner Durchmesser 25 mm,
Höhe 100 mm.

Ein hochkant gestellter, flacher trapezförmiger Zwischenbehälter von 1001 höchstem Fassungsvermögen, der Lösungen mit einer Konzentration an spaltbaren Stoffen von nicht über 200 g/l enthält. Seine Abmessungen sind wie folgt:

Breite 1700 mm

Große Länge 2300 mm

Kleine Länge 1700 mm

Dicke 30 mm

Die Durchmischung wird durch die Anordnung der Zuleitungs- und Ablaufrohre gewährleistet. Seine Trapezform verhindert die Ansammlung kleiner Teilchen, da sein Boden zum Auslauf hin geneigt ist.

Ein Heizkessel, bestehend aus einem Zylinder von 100 mm Innendurchmesser und 1000 mm Länge sowie einer Heizfläche von ungefähr 0,3 m². Die Dampfheizung leistet bis zu 15 kW.

Eine Phasentrennvorrichtung vom Cyclon-Typ mit 120 mm Durchmesser, die ungefähr 15001/Std. Lösung von lOmVStd. Dampf abtrennen kann.

Ein Dampfkondensator:

Kühlfläche 0,8 m²,

Kondensationskapazität 25 kg Dampf je Stunde.

Eine Vorrichtung zur Neutralisierung der nitrosen Dämpfe.

Bei einer Heizleistung von 10 kW und einem »Tauchfaktor« über 30 % erhält man einen Stundendurchsatz vom 5- bis zum 40fachen des Gesamtvolumens der Lösung.

Jeder Teil der Anlage ist im Hinblick auf Kernspaltungserfordernisse sicher, und die Gesamtlage weist keinerlei Gefahr von Neutronenwechselwirkungen auf, da die Achsen sämtlicher Teile und Verbindungsrohre, in denen die Lösung umläuft, die bereits erwähnte Raumentwickelbedingung erfüllen.

Claims

Patentansprüche:

1. Auflösungsanlage für Kernbrennstoffe mit kontinuierlichem Lösungsmittelkreislauf, die im Hinblick auf Kernspaltungsbedingungen sicher ist, und einen Auflösungsbehälter, der den Abmessungen und Mengen der in ihm aufzulösenden Kernbrennstoffe angepaßt ist, einen damit verbundenen Lösungsmittelzwischenbehälter und einen zur Kondensation und Rückführung der bei der Auflösung entstehenden Lösungsmitteldämpfe dienenden Kondensator umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Lösungsmittelzwi-

schenbehälter (2) vom Auflösungsbehälter (1) getrennt und tiefer als dieser angeordnet ist und ein der größten anzuwendenden Lösungsmittelmenge entsprechendes Fassungsvermögen besitzt und daß ein unterhalb des Zwischenbehälters und ihm gegenüber verschoben angeordneter, mit dem unteren Ende des Zwischenbehälters verbundener Heizkessel (3), der den Umlauf des Lösungsmittels bewirkt, und eine am Kopf der Anlage angeordnete, vom Heizkessel her gespeiste und mit dem anschließenden Dampfkondensator (6) zusammenwirkende Phasentrennvorrichtung (4) für das Lösungsmittel-Dampf-Gemisch, die das Lösungsmittel wieder dem Auflösungsbehälter zuführt, vorgesehen sind, wobei die Summe der Raumwinkel, unter denen man von einem Bauteil alle anderen spaltbaren Stoffe enthaltenden Bauteile und Rohre sieht, kleiner ist als 1 Steradiant.

2. Auflösungsanlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenbehälter trapezförmig, flach und hochkant gestellt ist.

3. Auflösungsanlage gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf des Lösungsmittels zwischen Reaktionsgefäß und Zwischenbehälter mittels des im Heizkessel erzeugten Dampfes bewirkt wird.

4. Auflösungsanlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung des Heizkessels und das Verhältnis des Abstands zwischen dem Kopf des Heizkessels und der Höhe der Lösung im Zwischenbehälter zum Abstand zwischen dem Kopf des Heizkessels und der Höhe der Lösung in der Trennvorrichtung so groß gewählt werden, daß sich eine ausreichende Umlaufgeschwindigkeit der Lösung ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen