DE1533052B1

DE1533052B1 - Process for the preparation of irradiated nuclear fuel

Info

Publication number: DE1533052B1
Application number: DE19661533052
Authority: DE
Inventors: Juergen Dr-Ing Hartwig
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1966-09-07
Filing date: 1966-09-07
Publication date: 1970-08-27
Also published as: GB1185098A

Description

1 21 2

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein aus dem Eutektikum ist nach der vorliegenden Erfin-The present invention relates to a from the eutectic is according to the present invention

Verfahren zur Aufbereitung von kugelförmigen dung auf verschiedenem Wege möglich. Einmal kannProcess for the preparation of spherical manure possible in different ways. Once can

Brennelementen, bei denen sogenannte coated par- man durch vollständige Halogenisierung alle radio-Fuel elements in which so-called coated par- man through complete halogenation all radio-

ticles in einer Graphitmasse eingebettet sind. aktiven Bestandteile gleichzeitig in ihre flüchtigenticles are embedded in a graphite mass. active ingredients at the same time in their volatile

Die Aufbereitung der verbrauchten Brennelemente 5 Verbindungen überführen und diese Verbindungen von Kernreaktoren ist bisher nur in sehr aufwen- als Gemische abtrennen. Besonders vorteilhaft ist es digen mechanischen und chemischen Prozessen mög- aber, den Prozeß der Halogenisierung so ablaufen lieh gewesen. Das Problem der Überführung der in zu lassen, daß die einzelnen Stoffe je nach ihrer solchen Brennelementen noch enthaltenen Kern- Affinität zu dem verwendeten Halogen nacheinander brennstoffe in eine für die Wiederverarbeitung zu io in flüchtige Verbindungen überführt werden, die einneuen Brennelementen geeignete Form ist besonders zein abgetrennt werden können,
schwierig in den Fällen, in denen die Kernbrennstoffe Nach einem weiteren Schritt der Erfindung werden — z. B. Thoriumoxyd, Uranoxyd oder die Karbide die aufzubereitenden Brennelemente vor dem Erhitdieser Metalle — mit anderen Stoffen, z. B. dem zen auf Temperaturen zwischen 2500 und 3200° C Graphitmoderator des Reaktors, mehr oder weniger 15 bis auf Korngrößen unter 10 mm, vorzugsweise auf homogen vermischt sind oder in diesen Stoffen gleich- Korngrößen zwischen 10 und 1 mm, mechanisch zermäßig verteilt vorliegen. Brennelemente dieser Art fin- kleinert. Ferner kann vorteilhaft vor dem Erhitzen denbekanntlichAnwendungingasgekühltenHochtem- der aufzubereitenden Brennelemente auf hohe Temperatur-Reaktoren, beispielsweise bei dem als Kugel- peraturen eine selektive Oxydation des Graphits haufen-Reaktor bekannten Typ. Bei diesen Reakto- 20 durch Erhitzen in Luft oder Sauerstoff bei Temperen werden Brennelemente verwendet, bei denen der raturen zwischen 400 und 1000° C erfolgen.
Kernbrennstoff — z. B. das Thoriumkarbid oder ein Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens Thorium-Uran-Mischkarbid — in Form kleiner, fest- nach der vorliegenden Erfindung wird dieses zweckgesinterter Teilchen vorliegt, welche mit einer Hülle mäßig in einem induktiv beheizten gasdichten Beaus pyrolithischem Graphit umgeben sind, die den 25 hälter durchgeführt, der mit entsprechenden Schleu-Austritt der unter den Reaktorbetriebsbedingungen sen zur Abtrennung der bei der Durchführung des flüchtigen radioaktiven Zerfallsprodukte in die Kühl- Verfahrens entstehenden Stoffe ausgestattet ist.
gasatmosphäre und damit deren Verseuchung ver- Die Zeichnung zeigt schematisch eine Anlage zur hindert. Diese sogenannten coated particles sind wie- kontinuierlichen Aufbereitung von verbrauchten derum in einem größeren Graphitelement — z. B. 30 kugelförmigen Kernelementen,
einer Kugel oder einem Stab — eingebracht und ent- Im wesentlichen besteht diese Anlage aus einem weder in diesem Graphitelement gleichmäßig verteilt aus Graphit bestehenden Rohr 1, das in einem Vaeingebunden oder in verschiedenartig angeordneten kuumgefäß 2 untergebracht und mit Schleusen 3 verschlossenen Hohlräumen untergebracht. Selbst bzw. 4 zum Zu- und Abführen der zu behandelnden dann aber, wenn der eigentliche Kernbrennstoff in 35 kugelförmigen Brennelemente K versehen ist. Um den Hohlräumen von Graphitelementen unterge- das Rohr 1 ist konzentrisch eine Wärmeisolierung 5 bracht ist und zum Aufbereiten mechanisch von die- angebracht, die z. B. aus Graphitfaserpackungen sen Elementen getrennt werden kann, muß nach den bestehen kann. Ebenso umgibt konzentrisch das bekannten Verfahren bei der Aufbereitung des Kern- Vakuumgefäß 2 eine Induktionsspule 6, die zum brennstoffe der mit diesem verbundene Graphit ent- 40 Aufheizen der in das Rohr 1 eingebrachten Brennweder durch Oxydation und damit Überführung in elemente dient. Mit 7 und 8 sind Ventile in Zuleitundie Gasform oder aber durch aufwendige mechani- gen 9 bzw. 10 bezeichnet, durch die Spülgas zunächst sehe Verfahren entfernt werden, was naturgemäß in das Vakuumgefäß 2 und radial durch die poröse sehr teuer ist. Wärmeisolierung 5 sowie durch ein System feinerThe processing of the spent fuel assemblies transfer 5 compounds and these compounds from nuclear reactors has so far only been separated in very expensive mixtures. It is particularly advantageous for mechanical and chemical processes to be carried out in this way. The problem of converting the in to let the individual substances, depending on their nuclear affinity still contained in such fuel elements, for the halogen used, successively be converted into volatile compounds in a form suitable for reprocessing to io, the form suitable for a new fuel element is particularly zein can be separated,
difficult in cases where the nuclear fuels are after a further step of the invention - e.g. B. thorium oxide, uranium oxide or the carbides the fuel elements to be processed before the Erhitd these metals - with other substances, e.g. B. the zen at temperatures between 2500 and 3200 ° C graphite moderator of the reactor, more or less 15 to grain sizes below 10 mm, preferably mixed homogeneously or in these substances evenly grain sizes between 10 and 1 mm, mechanically distributed. Fuel elements of this type are fine-tuned. Furthermore, the fuel elements to be processed, which are known to be gas-cooled, can advantageously be placed in high-temperature reactors before heating, for example in the type known as spherical temperatures, a selective oxidation of the graphite heap reactor. In these Reakto- 20 by heating in air or oxygen at tempering, fuel elements are used with temperatures between 400 and 1000 ° C.
Nuclear fuel - e.g. B. the thorium carbide or a In the practical implementation of the method thorium uranium mixed carbide - in the form of small, solid - according to the present invention this purpose-sintered particles are present, which are moderately surrounded with a shell in an inductively heated gas-tight Beaus pyrolithic graphite, which is carried out by the container, which is equipped with the appropriate Schleu outlet for the substances generated under the reactor operating conditions for the separation of the substances produced during the carrying out of the volatile radioactive decay products in the cooling process.
gas atmosphere and thus its contamination. The drawing shows schematically a system for preventing. These so-called coated particles are like- continuous processing of used derum in a larger graphite element - z. B. 30 spherical core elements,
a ball or a rod - introduced and ent- Essentially this system consists of a pipe 1, which is neither evenly distributed in this graphite element, which is housed in a vacuum vessel 2 or in variously arranged vacuum vessels 2 and closed with sluices 3 cavities. Even or 4 for supplying and removing the to be treated but when the actual nuclear fuel is provided in 35 spherical fuel assemblies K. To the cavities of graphite elements under the tube 1 is concentrically a thermal insulation 5 is brought and mechanically attached for the preparation of the z. B. from graphite fiber packs sen elements can be separated, must be after the can. Likewise, the known method concentrically surrounds an induction coil 6 during the preparation of the core vacuum vessel 2, which is used to de-heat the graphite connected to this fuel either by oxidation and thus conversion into elements. 7 and 8 are valves in supply and gas form or else by complex mechanical 9 and 10 respectively, through which the flushing gas is initially removed, which is naturally very expensive in the vacuum vessel 2 and radially through the porous. Thermal insulation 5 as well as finer through a system

Die vorliegende Erfindung zeigt nun einen Weg zur 45 Bohrungen 11 in dem Graphitrohr 1 in die Heizeinfachen und verhältnismäßig billigen Trennung der zone des Ofens eingeleitet werden kann. Durch diese radioaktiven Stoffe und des mit ihnen in den Brenn- Spülgasführung wird der Diffusion von verdampfenelementen verbundenen Graphits. Sie geht von der den Stoffen von im Innern des Rohres 1 verdampfen-Erkenntnis aus, daß die gebräuchlichen Kernbrenn- den Stoffen in die kühleren Zonen dieses Rohres stoffe und deren Zerfallsprodukte, soweit es sich um 50 entgegengewirkt. Mit 12 ist eine seitliche Öffnung metallische Stoffe handelt, mit dem sie begleitenden bezeichnet, durch die das Innere des Graphitrohres 1 Graphit beim Erhitzen auf Temperaturen zwischen mit einer Schleuse 13 verbunden ist, die zum Ab-2500 und 3200° C eutektisch schmelzen, wobei die scheiden der bei der Durchführung des Verfahrens bei diesen Temperaturen flüchtigen Zerfallsprodukte entstehenden gas- und staubförmigen sowie flüssigen verdampfen und so abgetrennt werden können. Nach 55 Stoffen dient. In dieser Schleuse befindet sich ein dieser Teildekontamination können nach dem Vor- Filter 14, das beispielsweise aus porösen Graphitschlag der vorliegenden Erfindung durch eine ge- faserpackungen besteht und das über ein Graphiteignete Behandlung des Eutektikums, nämlich durch rohr 15 mit dem Graphitrohr 1 in Verbindung steht, eine Halogenisierung, vorzugsweise eine Behandlung Die Schleuse 13 ist in einem gasdichten Gefäß 16 mit Chlor, die im Eutektikum noch enthaltenen 60 angeordnet, das mit dem Behälter 2 gasdicht verbunradioaktiven Stoffe in flüchtige Verbindungen über- den ist und in dem eine Einrichtung 17 zum Entführt und als solche extrahiert werden. Die in Form fernen bzw. Auswechseln des Filters 14 angeordnet ihrer flüchtigen Verbindungen abgetrennten radio- ist. Mit 18, 19, 20 und 21 sind Leitungen bezeichnet, aktiven Stoffe können anschließend einer weiteren durch die die Schleusen 3 und 4, der Innenraum des Trennung, z. B. durch fraktionierte Kondensation 65 Behälters 16 und die Einrichtung 17 mit einer Pumpe oder Adsorption, unterworfen und auf diese Weise für und einem Filter in Verbindung stehen, die in einem sich getrennt wiedergewonnen werden. Gehäuse 22 untergebracht sind.
Die Herauslösung von flüchtigen Verbindungen Beim kontinuierlichen Betrieb dieser EinrichtungThe present invention now shows a way to 45 bores 11 in the graphite tube 1 can be introduced into the heating simple and relatively cheap separation of the zone of the furnace. These radioactive substances and the graphite associated with them in the fuel and purge gas guide prevent the diffusion of evaporating elements. It is based on the knowledge that the substances evaporate from inside the tube 1, that the usual nuclear fuel substances in the cooler zones of this tube and their decay products, insofar as it is counteracted by 50. With 12 a lateral opening is metallic substances, with the accompanying designates, through which the inside of the graphite tube 1 graphite is connected when heated to temperatures between with a lock 13 that melts eutectically to Ab-2500 and 3200 ° C, the The gaseous, dusty and liquid decomposition products that are volatile at these temperatures during the implementation of the process evaporate and can thus be separated off. Serves after 55 substances. In this lock there is one of these partial decontamination can after the pre-filter 14, which consists for example of porous graphite flake of the present invention through a fiber packing and which is connected to the graphite tube 1 via a graphite-suitable treatment of the eutectic, namely through tube 15 , a halogenation, preferably a treatment. The lock 13 is in a gas-tight vessel 16 with chlorine, the 60 still contained in the eutectic, which is converted into volatile compounds with the container 2 in a gas-tight manner, and in which a device 17 for hijacking and extracted as such. The radio- is arranged in the form of remote or replacement of the filter 14 of its volatile compounds separated. With 18, 19, 20 and 21 lines are designated, active substances can then another through the locks 3 and 4, the interior of the separation, z. B. by fractional condensation 65 container 16 and the device 17 with a pump or adsorption, are subjected and in this way for and a filter in connection, which are recovered separately in one. Housing 22 are housed.
The leaching of volatile compounds in the continuous operation of this facility

werden die verbrauchten Brenn- bzw. Brutstoffkugeln K durch die Schleuse 3 in das Rohrl eingeführt und durchlaufen dieses in Richtung auf die Schleuse 4, wobei zunächst eine Erwärmung auf die Höchsttemperatur erfolgt, die etwa in Höhe der Gasauslaßöffnung erreicht wird. Bei dieser Höchsttemperatur tritt die Zerstörung der pyrolitischen Überzüge und gegebenenfalls das eutektische Schmelzen des Brenn- bzw. Brutstoffes mit dem Graphit ein. In der darauf folgenden Heizzone, die unterhalb der öffnung 12 liegt, wird eine für die Verdampfung der jeweils zu entfernenden Spaltprodukte geeignete Temperatur eingestellt. Daraufhin durchlaufen die Kugeln eine Kühlzone und werden schließlich durch die Auslaßschleuse 4 aus dem Ofen entfernt. Die während der Behandlung in dem Rohr 1 aus den Kugeln verdampfenden Spaltprodukte werden durch das Spülgas aus dem Ofen in das Filter 14 geführt und dort staubförmig oder als Kondensat abgeschieden. Nur die bei der eingestellten Temperatur fluchtigen Substanzen (z. B. Edelgase) treten durch das Filter aus der Einrichtung aus und werden besonders aufgefangen. Nach Beladung mit einer bestimmten Menge Kondensat bzw. nach einer bestimmten Staubabscheidung kann das Filter 14 über die Einrichtung 17 entfernt und durch ein neues Filter ersetzt werden.the consumed fuel or breeding material balls K are introduced through the lock 3 into the Rohrl and pass through this in the direction of the lock 4, initially heating to the maximum temperature, which is reached approximately at the level of the gas outlet opening. At this maximum temperature, the pyrolytic coatings are destroyed and, if necessary, the fuel or breeding material melts eutectically with the graphite. In the subsequent heating zone, which lies below the opening 12, a temperature suitable for the evaporation of the respective cleavage products to be removed is set. The balls then pass through a cooling zone and are finally removed from the furnace through the outlet lock 4. The fission products which evaporate from the spheres in the tube 1 during the treatment are guided by the flushing gas from the furnace into the filter 14 and are deposited there in the form of dust or condensate. Only substances that are volatile at the set temperature (e.g. noble gases) exit the device through the filter and are specially captured. After loading with a certain amount of condensate or after a certain dust separation, the filter 14 can be removed via the device 17 and replaced by a new filter.

Um Spaltprodukte gegebenenfalls in mehreren Fraktionen verdampfen und abführen zu können, werden entweder mehrere Einrichtungen der beschriebenen Art mit verschiedener Temperatureinstellung nacheinandergeschaltet oder aber an einem Heizrohr eine entsprechende Anzahl von Gasabführungssystemen und -filtern angebracht.In order to be able to evaporate and remove fission products in several fractions, if necessary, there are either several devices of the type described with different temperature settings connected one after the other or a corresponding number of gas evacuation systems on a heating pipe and filters attached.

Die Halogenisierung und die Trennung der dabei erhaltenen Stoffe kann grundsätzlich in ähnlichen Einrichtungen erfolgen wie der Aufschluß der verbrauchten Brennelemente und die Verdampfung der Spaltprodukte. Hierbei wird jedoch das entsprechende Halogen allein oder vermischt mit Spülgas in das Vakuumsystem und das beheizte Graphitrohr eingeführt. Die sich bildenden Halogenide werden in erforderlichenfalls gekühlten Filtern und entsprechenden Schleusen aufgefangen. Die Trennung von Halogenidgemischen kann durch direkte fraktionierte Verdampfung aus den Brennelementen als Teilschritt der Halogenisierung erfolgen. Es können aber auch die Halogenidgemische zunächst gemeinsam in entsprechenden Filtern kondensiert und in diesen dann fraktioniert verdampft und so voneinander getrennt werden.The halogenation and the separation of the substances obtained can basically be similar Facilities take place such as the digestion of the spent fuel elements and the evaporation of the Fission products. Here, however, the corresponding halogen is used alone or mixed with purge gas the vacuum system and the heated graphite tube introduced. The halides that form are in If necessary, cooled filters and appropriate locks are collected. The separation from Halide mixtures can be carried out as a partial step by direct fractional evaporation from the fuel assemblies the halogenation take place. However, the halide mixtures can also initially be used together in corresponding Filters condensed and then vaporized in these fractionated and thus separated from each other will.

Nach dem Verfahren der Erfindung lassen sich bei entsprechender Abwandlung der vorbeschriebenen Einrichtung nicht nur kugelförmige, sondern auch stabförmige Brennelemente verarbeiten. Ebenso können Schüttungen aus gebrochenen kugelförmigen oder stabförmigen Brennelementen in entsprechender Weise behandelt werden. An Stelle einer induktiven Beheizung kann auch eine Widerstandsheizung der verwendeten Graphitrohre vorgesehen werden. Bei induktiver Beheizung kann das Graphitrohr als Suszeptor dienen. Es können aber auch bei geeigneter Ausbildung der Einrichtung die Brennelemente selbst als Suszeptor dienen und so direkt ohne ein mittelbares Heizelement erwärmt werden.According to the method of the invention, with a corresponding modification, the above-described Facility to process not only spherical but also rod-shaped fuel assemblies. Likewise can Fills of broken spherical or rod-shaped fuel elements in appropriate Way to be treated. Instead of inductive heating, resistance heating can also be used of the graphite tubes used. With inductive heating, the graphite tube can be used as Serve susceptor. But it can also with a suitable design of the device, the fuel assemblies themselves serve as a susceptor and are thus heated directly without an indirect heating element.

Claims

Patent claims:

1. Process for the preparation of fuel and breeding material elements in which coated particles are embedded in a graphite mass, e.g. B. Oxide or carbide built into graphite of thorium and uranium, characterized that the nuclear fuel to be processed with separation of the volatile decomposition products that evaporate in the process for so long at temperatures between 2500 and 3200 ° C is heated until graphite, the nuclear fuel and the decay products form a eutectic, from which initially by evaporation at suitably adjusted Temperatures, the decomposition products are separated and then by halogenation the remaining radioactive substances are converted into volatile compounds and as such be separated.

2. The method according to claim 1, characterized in that after the formation of the eutectic by heating to temperatures between 2500 and 3200 ° C this at low Temperatures is treated with chlorine, through which the radioactive still contained in the eutectic Substances are converted into volatile compounds.

3. The method according to claim 2, characterized in that that the treatment of the eutectic with chlorine is carried out in stages in such a way that the decay products present in the eutectic depending on their affinity for chlorine and the volatility of the chlorides that are formed successively converted into volatile compounds and separated off one after the other.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the to be processed Fuel and / or breeding material elements are mechanically crushed to grain sizes between 10 and 1 mm before heating.

5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a selective oxidation of the graphite occurs prior to heating at temperatures from 2500 to 3200 ⁰ C by heating in air or oxygen at temperatures between 400 and 1000 ° C.

1 sheet of drawings