DE1483168A1 - Verfahren zur Aufloesung nuklearen Brennstoffs - Google Patents

Description

U83168 H, Sep. 1965

United States Atomic Energy Commission, Germantown, Maryland, USA

Verfahren zur Auflüuung nuklearen Brennstoffs

USA-Priorität vom 17. September 1964 aus der USA-Patentanmeldung Ser. No. 397 347

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Auflösung nuklearen Brennstoffs auf Aluminiumbasis wie Plutonium-Aluminium-,Uran-Aluminium- und Plutonium-Nickel-Aluminiumlegierungen. Die Auflösung bestrahlten bzw. "erschöpften" nuklearen Brennstoffs ist zur Rückgewinnung der verschiedenen Actinide und Spaltprodukte, beispielsweise nach dem Redox-Lösungaraittelextraktionsprozess erforderlich,

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Brennelemente bzw. -materialien der soeben beschriebenen Art wurden bisher in siedender Salpetersäure aufgelöst, welche als Katalysator Mercuriion enthält. Beispielsweise ist für die Auflösung von Brennelementen auf Aluminiuuibasis mit Erfolg Salpetersäure einer Konzentration zwischen 3- und 4-iüolar und an Mercurinitrat 0,002-ißolur, oder in anderen Fällen 6- bis 8-molare Salpetersäure mit einem Gehalt an 0,005-iaolarem Mereurinitrat plus 0,03-molarein Aiuiiioniumfluorid angewendet worden.

Jedoch wurden diese Salpetersäure-Mercurinitrat-Geiaische nur für die Auflösung von Brennstoff als befriedigend befunden, welcher noch nicht mit Meutronen bombardiert worden ist, jedoch wurden sie als sehr unbefriedigend für iait Neutronen bombardierten Brennstoff und insbesondere für Brennstoff befunden, welcher einen Abbrand von etwa 2OyS und darüber erfahren hat. Bei bestrahltem Brennstoff tritt eine sehr geringe Oberflächenaufrauhung bzw. "Aktivierung" ein und die Auflösung vollzieht sich extrem langsame

Es ist ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren für die schnelle Aktivierung und Auflösung von Brennstoff auf Aluminiumbasis und insbesondere von mit Neutronen bombardiertem Brennstoff zu schaffen.

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Ein anderes Erfindungsziel let die Schaffung eines Verfahrens zur Auflösung von mit Neutronen bombardiertem Brennstoff, bei welchem das Abgas eine geringere Menge an Wasserstoff als bei den bisher verwendeten Verfahren enthält, so dass die Explosionsgefahr beträchtlich, oft bis auf Null herabgesetzt wird.

Es wurde gefunden, dass bei Anwendung einer wesentlich niedrigeren Salpetersäurekonzentration in Verbindung mit dem Mercuriionenkatalysator eine sofortige Aktivierung eintritt, und zwar selbst bei mit Neutronen bombardiertem Brennstoff auf Aluminiumbasis, und dass die Salpetersäurekonzentration für diesen Zweck so niedrig wie etwa 1-molar sein soll. Nachdem die Aktivierung eingesetzt hat, kann die Salpetersäurekonzentration dann zur Beschleunigung der eigentlichen Auflösung auf die bisher angewendete Höhe, nämlich auf zwischen 4- und 6-molar, gesteigert werden.

Das erfindungsgemäaae Verfahren besteht deshalb darin, dass man einen nuklearen Brennstoff auf Aluminiumbasis in eine siedende wässrige Salpetersäurelösung eintaucht, welche Salpetersäure in einer Konzentration von etwa 1-molar und Mercuriionen in einer sehr geringen, katalytischen Menge enthält, daae man den Brennstoff in dieser

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Lösung belässt, bis die Aktivierung eingesetzt hat, was durch eine graue bis schwarze Oberflächenfärbung angezeigt wird, und dass man dann konzentrierte Salpetersäure bei Siedetemperatur in einer Menge hinzusetzt, damit eine Konzentration von zwischen 4- und 6-molar erzielt wird, woraufhin die Auflösung mit rascher Geschwindigkeit stattfindet.

Wenn der zu behandelnde Brennstoff umkleidet ist, beispielsweise mit Zirkonlegierung (Zircaloy) und in einen Verfrachtungsbehälter, gewöhnlich aus Aluminium, eingehüllt ist, so müssen vor der Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens diese beiden Materialien entfernt werden. Da diese Verfahren für beide Stufen an sich bekannt sind und keinen Teil dieser Erfindung bilden, seien Einzelheiten hierzu nicht gegeben. Es ist Jedoch angebracht, zu betonen, dass der Verfrachtungsbehälter sowohl durch mechanische Mittel als auch durch Auflösen in Natriumhydroxyd-Natriumnitrat-Lösungen entfernt werden kann und dass die "Zirealoy"-Umkleidung durch Behandlung mit einer Amiaoniumfluorid-Amnloniuianitrat-Lösung entfernbar ist«

Wie festgestellt, sollte die Salpetersäurekonzentration für die Aktivierungsstufe etwa 1-molar betragen. Eine Konzentration von zwischen 0,8- und 1,2-molar wurde als

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befriedigend befunden. Wenn auch als Mercuriionenkatalysator irgendein wasserlösliches Salz verwendet werden kann, so iat doch Mercurinitrat das bevorzugte Salz; seine Konzentration kann im Bereich zwischen O,003-molar und 0,015-uolar liegen.

Hat die Aktivierung einmal begonnen und die Oberfläche eine graue Färbung angenommen, so wird die nötige konzentrierte Salpetersäure hinzugesetzt, um die Konzentration auf zwischen 4- und 6-molar zu bringen. Dies sollte ziemlich prompt erfolgen, denn lässt man zwischen der Aktivierungsstufe und dem Zusatz der konzentrierten Salpetersäure zur eigentlichen Auflösung eine Zeit verstreichen, so ist im Abgas ein grösserer Prozentsatz an Wasserstoffgas anwesend und es besteht Explosionsgefahr. Wenn beispielsweise die konzentrierte Säure 15 Minuten nach Beginn der Aktivierung mit einem 1-molar Salpetersäure- und 0,003-molar Mercurinitrat gemisch zugesetzt wird, ao enthält das Abgas etwa 2,35 Vol.'/o Wasserstoff. Wenn andererseits die konzentrierte Salpetersäure unmittelbar nach dem Einsetzen der Aktivierung zugemischt wird, so beträgt der Wasaerstoffgehalt des Abgases nur 0,64 Vol.#. Die für die zweite Stufe, die Auflösungsstufe zuzusetzende Salpetersäure kann 12-molar oder höher sein.

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Die für beide Stufen am beaten angewendete Temperatur ist die Siedetemperatur. Jedoch setzt die Reaktion bei zwischen 60 und 70⁰C ein.

Es wurden zwei Parallelversuche mit siedender Salpetersäure einer Konzentration von 3»5-molar und einem Gehalt an

* Mercurinitrat in einer Konzentration von 0,003-molar durchgeführt, wobei man bei einem Versuch das bisher übliche Einstufenverfahren und in dem anderen Versuch das erfindungsgemäase Zweistufenverfahren anwendete. Bei der letzteren Arbeitsweise gebrauchte man zuerst zur Aktivierung 1-molare Salpetersäure mit einem 0,003-uolaren Gehalt an Mercurinitrat und daraufhin wurde sofort 12-molare Salpetersäure hinzugesetzt. Während die Auflösung beim üblichen Verfahren 65 Stunden erforderte, brachte

ι das erfindungsgemäsae Verfahren dasselbe Ergebnis in 10 Stunden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier beispielweise wiedergegebene Ausführungsform beschränkt. Im Rahmen der Erfindung sind dem Fachmann vielmehr mannigfaltige Abänderungen ohne weiteres gegeben.

- Patentansprüche 90*9806/06 63

Claims (2)

IHUOI Patentansprüche

1.) Verfahren zur Auflösung nuklearen Brennstoffs auf Aluminiumbasis, wobei dieser Brennstoff in siedende Salpetersäure mit einer Konzentration von zwischen 4- und 6-mölar und mit einem Gehalt an Mercuriionkatalysator in einer Konzentration von zwischen 0,003- und 0,015-^olar eingetaucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass man den nuklearen Brennstoff auf Aluminiumbasis vorbehandelt, indem man ihn in siedende Salpetersäure einer Konzentration von zwischen 0,8- und 1,2-molar mit einem Gehalt an dem genannten Mercuriionenkatalysator eintaucht, bis der Brennstoff eine graue ^s Färbung annimmt.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man unmittelbar nach dem Auftreten der grauen Färbung auf dem Brennstoff die Salpetersäurekonzentration auf 4- bis 6-uolar durch Zusatz konzentrierter Salpetersäure erhöht.

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