DE1533097A1

DE1533097A1 - Verfahren zum Aufbereiten von Brenn- oder Brutelementen sowie von beschichteten Brenn- oder Brutstoffpartikeln

Info

Publication number: DE1533097A1
Application number: DE19661533097
Authority: DE
Inventors: Knacke Dr Ottmar
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1966-12-12
Filing date: 1966-12-12
Publication date: 1969-12-04
Also published as: US3485594A; GB1202074A

Description

Kernforschungsanlage Julien des Landes Nordrhein-Westfalen-e.V.

Verfahren zum Aufarbeiten von Brennoder Brutelementen sowie von beschichteten Brenn- oder Brutstoffpartikeln

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufarbeiten von Brenn- oder Brutelementen mit Umhüllungen aus Metall, Graphit oder Karbiden sowie von als coated particles bezeichneten beschichteten Brenn- oder Brutstoffteilchen.

Zweck der Aufarbeitung von Bronn- oder Brutelementen ist es, die noch nicht verbrauchten oder im Reaktor gebildeten Spalt- und Brutstoffe von den Konstruktions- und Hüllmaterialien sowie von den unerwünschten Spaltprodukten zu trennen. Da in vielen Fällen der Spaltstcff oder der Brutstoff in Umhüllungen aus Metall, wie beispielsweise Stahl oder Zirkaloy, oder auch in Umhüllungen aus Graphit enthalten ist, ist es zuvor erforderlich, diese Umhüllungen mechanisch oder chemisch zu zerstören oder abzulösen. Eine Wiederaufarbeitung ist auch dann erforderlich, wenn diese Elemente aufgrund von Fehlern bei der Herstellung nicht verwendbar sind oder infolge der Beanspruchung im liealctor-

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betrieb beschädigt worden sind.

Bei den bisher bekannten Verfahren zur Aufarbeitung von Brenn- und Brutelementen werden die metallischen Hüllen mechanisch entfernt oder in Säuren gelöst. Graphitisches Hüllmaterial wird

abgebrannt oder gemahlen auch durch chemische oder elektrochemische/

Einwirkung zerstört. Nachteilig ist jedoch, daß die mechanische Entfernung der Hüllstoffe, beispielsweise durch Schneidwerkzeuge, ein störanfälliger Vorgang ist, besonders deshalb, weil es im allgemeinen erforderlich ist, diese Arbeiten in heißen Zellen mittels Fernbedienungswerkzeugen durchzuführen. Bei der Auflösung der Umhüllung in Säuren ergeben sich die aus der Kontaminierung mit flüchtigen Spaltprodukten zusammenhängenden Probleme. Außerdem werden die wässrigen Lösungen mit Metallen, die aus den Umhüllungen und gegebenenfalls sonstigem Konstruktionsmaterial stammen, verunreinigt.Bei der Verbrennung von Graphit ist es nachteilig, daß die Abgase mit flüchtigen Spaltprodukten, insbesondere mit Krypton und Tritium kontaminiert 3ind , und daß es schwierig ist, diese Spaltprodukte aus den Abgasen zu entfernen.Hinzu kommt, daß zur Lagerung der bei der wässrigen Aufarbeitung anfallenden radioaktiven Endlösungen umständliche und kostspielige Maßnahmen zur Fixierung der radioaktiven Spaltprodukte erforderlich sind. Dies geschieht beispielsweise durcli eine sehr aufwendige Verdampfung und Kalzinierung im Vi'irbelofen.

Ils sind auch schon Verfahren zur Aufarbeitung

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bekannt geworden, bei denen in erster Linie metallurgische Maßnahmen angewendet werden, und bei denen mechanische Verfahrensschritte praktisch vermieden sind. Durch diese Verfahren ist auch die Abtrennung unerwünschter Spaltprodukte möglich. Nach einem bekannten Verfahren zur Aufarbeitung werden beispielsweise metallischer Brennstoff, bestehend aus Uran und Plutonium, und die entstandenen Spaltprodukte in einem Tiegel aus Zirkondioxid · aufgeschmolzen, wobei die flüchtigen Spaltprodukte j wie Edelgase, Cäsium und Jod und andere verflüchtigt werden, während die sauerstoffaffinen Komponenten der geschmolzenen Legierung oxidiert und damit aus der Schmelze entfernt werden.Die so behandelte Schmelze ist ausreichend dekontaminiert. Die Ldgierung kann nach dem Vergießen wieder in den Reaktor eingesetzt werden, wobei die erforderliche Zeitspanne von der Entfernung der Brennelemente aus dem Reaktor hlatuihrer Wiederverwendung nur einige Tage beträgt.

Es ist ferner ein Verfahren bekannt, bei dem Elemente aus metallischem Uran mit Umhüllungen aus Magnesiumlegierungen aufgeschmolzen und die Spaltprodukte aus dem Uran durch eine zweite flüssige Metallphase extrahiert werden. Auch bei diesem Schmelzprozeß erfolgt eine weitgehende Dekontaminierung durch Verflüchtigung. Vorteil-

¹Af^ ^fifracW AftfifiF^{61 die verfluchti}B^ten Spaltprodukte/aufgefangen und xoAdbaoBH. gelagert werden können. Dieses Verfahren ist jedoch nur anwendbar, wenn der Brennstoff in metallischer Form vorliegt. Auf Brenn- und Brutstoffe, die in Verbindungsform vorliegen, ist er nicht anwendbar.

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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen zur Aufarbeitung von Brenn- oder Brutelementen oder auch von coated particles, bei dem keine nennenswerte mechanische Vorarbeit zu leisten ist, bei dessen Anwendung die flüchtigen Spaltprodukte aus der flüssigen Lösung abdestillieren, während die übrigen Spaltprodukte in lagerbarer Form fixiert sind, und bei dessen Anwendung die wertvollen Brenn- und Brutstoffe in oxidischer Form weitgehend dekontaminiert abgetrennt werden.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß Brenn- oder Brutelemente, bei denen der Brennstoff oder der Brutstoff in Umhüllungen aus Metall, Graphit oder Karbiden enthalten ist, oder auch als coated particles bezeichnete

beschichtete Kernbrennstoff- oder Brutstoffmetilliechen

teilchen in einem/Material mit guter Löslichkeit für die Umhüllungen oder Beschichtungen aufgelöst werden, worauf der in unlöslicher oder schwerlöslicher Font vorliegende Brennstoff

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oder der Brutstoff nach Maßgabe des spezifisch

und des Brutetoff« Gewichts der Schmelze und des Brennstoffs/in an sich bekannter Welse von dem Schmelzbad abgezogen wird. Eine sehr vorteilhafte Maßnahme zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, als Lösungephase Elsen zu verwenden, wobei es gemäß der Erfindung ohne weiter·· möglich ist, handelsübliches Eisen, Rohelsen oder auch Stahlschrott oder dergleichen zu verwenden. Die Auewahl des Lösungemittels richtet eich naoh der Art der aufzulösenden Brennelemente und des

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gegebenenfalls zusammen mit den Brennelementen zu lösenden Strukturmaterials. Es ist daher beispielsweise zweckmäßig, von Stahlschrott als Lösungsphase auszugehen, wenn graphitumhüllte Brennelemente oder auch Strukturmaterial aus Graphit aufgelöst werden sollen. Eine erfindungsgemäße Maßnahme zur Durchführung des neuen Verfahrens besteht darin, die Brenn- oder Brutelemente oder auch die coated particles zunächst in eine Umhüllung aus Eisen einzubringen und im Anschluß daran* die Umhüllung einschließlich der darin enthaltenen Brenn- und Brutstoffe, beispielsweise in eines Hochfrequenzofen, aufzuschmelzen.

Nach einer anderen sehr vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufarbeiten von Brenn- oder Brutelementen oder von coated particles werden die Elemente oder die coated particles in ein flüssiges Eisenbad eingebracht und in diesem Bad aufgelöst.

Der große Vorzug bei der Verwendung von Eisen bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß es besonders wirtschaftlich ist, da daa als Ausgangsmaterial verwendete Bisen beziehungsweise Roheisen oder Stahlechrott in größeren Mengen preiswert bezogen werden können und das erstarrte Eisen mit den in ihm tataaltenen Spaltprodukten ohne weiteres gelagert ftvdM kann. Darüberhinaus ist es ein Vorteil, daß sich sowohl metallisches Hüllmaterial als auch als Billmaterial verwendeter Graphit sowie pyrolytischer Kohlenstoff und SiC,die in vielen Fällen

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als Beschichtung von coated particles auf die Brenn- oder Brustoffkerne aufgebracht sind, sich in flüssigem Eisen sehr schnell auflösen. Bei der Auflösung der Brenn- *μμΓ Brutelemente oder der coated particles freiwerdende gasförmige Spaltprodukte wie Cäsium, Jod, Tritium, die verschiedenen Edelgase oder dergleichen werden bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels an sich bekannter Filter zurückgehalten oder abgepumpt.

Für den Fall, daß der Brennstoff oder der Brufetoff der aufzuarbeitenden Elemente oder der coated particles in der Metallphase löslich ist -wie z.B. metallisches Uran, oder Urankarbide - werden dem Eisenbad Eisenoxide oder andere an sich bekannte Oxidationsmittel zugegeben, oder es wird Luft, Sauerstoff, CO₂ oder H₂O auf das Bad aufgeblasen oder durch das Eisenbad hindurchgeblasen. Auf diese Weise ist es ohne weiteres möglich, durch selek tive Oxidation die Brenn- und Brutstoffe aus dem Metallbad zusammen mit sauerstoffaffinen Elementen, wie den seltenen Erden, abzutrennen, während edlere Metalle und Kohlenstoff in der metallischen Phase zurückbleiben, wie dies aus dem Verfahrensablauf bei der Stahlgewinnung bekannt ist. Dabei wird gemäß der Erfindung in an sich bekannter Weise eine feste oder flüssige Schlacke gebildet, wobei dieser Schlacke gegebenenfalls an sich bekannte Fluteittel zugegeben werden.

Beim Aufarbeiten von Brenn- oder Bruts^toffen, die in Verbindung mit Graphit als Strukturmaterial in das Elsenbad eingebracht werden, wird nach einer

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weiteren erfindungsgemäßen Maßnahme das aufgekohlte Eisenbad in an sich bekannter Weise entkohlt und damit zur erneuten Auflösung von Graphit regeneriert. Vorteilhaft ist dabei, daß die hierbei entstehenden in erster Linie aus CO und 0O₂ bestehenden Abgase nicht mehr mit gefährlichen, flüchtigen Spaltprodukten kontaminiert sind, weil diese bereits bei der Auflösung der Brennelemente verflüchtigt und niedergeschlagen worden sind.

Dadurch, daß es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich ist, das Eisen mehrmals zu verwenden, wird der Verlust an Brut- und Brennstoffen, der wegen der - wenn auch geringen -Löslichkeit nicht ganz vermeidbar 1st, auf ein wirtschaftlich vertretbares MaB reduziert.

Daher ist das erflndungsgemäße Verfahren bevorzugt anwendbar für Brenn- oder Brutelemente, bei denen der Brenn- oder Brutstoff in eine GmphltumhUllung eingefüllt 1st oder bei denen die coated particles eine Beschichtung aus pyroljrtischem Kohlenstoff aufweisen. Ia Bedarfsfalle 1st es ferner ohne weiteres möglich, aus Gmphlt bestehendes Moderatormaterial oder aus Gaphit gebildeten Werkstoff für Konstruktionselemente -beispielsweise für das Reaktorcore - in dem Usenbad aufzulösen. Dabei wird der Kohlenstoff zunächst im Eisen gelöst und sodann als dekontaminiertes Oxid verflüchtigt. Selbstverständlich 1st es ebenfalls möglich, metallisches Konstruktionsmaterial des Reaktorvores im Eisen aufzulösen.

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Bei der Anwendung des neuen Verfahrens won oxidischen Brenn und/oder Brütetoffen 1st es vorteilhaft, daß dl· Umhüllungen der Elemente oder die Beschichtungen der Partikel sich auflösen, während dl· oxidischen Teilchen unverändert bleiben und sich von der Metallphase abtrennen. Ein ganz besonders großer Vorteil bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die bisher bestehenden Schwierigkeiten, die sich aus der Lagerung des bei der Wiederaufarbeitung von Brennelenenten anfallenden radioaktiven Abfalls ergeben, praktisch vollständig vermieden sind. Denn ·β ist ohne weiteres möglich, nach Durchführung des neuen Verfahrens das Ilsen zu lagern, ohne daß es zusätzlicher Maßnahmen bedarf.

Das bei des erfindungsgemäßen Verfahren entstehende Erzeugnis liegt In einer Reihe von Pillen zunächst als Mischung von Oxiden In BchlACkMi- oder Pulverfora vor. Diese« Erzeug»!· kamm Ohne weiteres auf nassem oder trockenes ¥·§· wvlterverarbeitet werden. Die Verarbeitung hingt natürlich davon ab, in welcher fei·· |Ur Brennstoff wieder Verwendung finden »oll.

Statt nach d*a erfindungegemäOen Verfflmlttl· die Brenn- oder Bnitelemente oder die beeohlühteten Teilchen in flüssigen Eisen aufsulö*·»» ist es ohne weiteres möglich, zur Auflösung auch Zinn oder sonstige niederig schmelsend· Metall· oder Legierungen^ verwenden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Aufarbeiten von Brennelementen oder Brutelementen mit Umhüllungen aus Metall, Graphit oder zur Verwendung im Reaktorbetrieb geeigneten Karbiden sowie von als coated particles bezeichneten beschichteten Kernbrennstoffen oder Brutstoffen, dadurch gekennzeichnet, daB die Brenn- oder Brutelemente oder die coated particles in einem/Material mit guter Löslichkeit für die Umhüllungen oder Beschichtungen aufgelöst werden, worauf der Brennstoff oder der Brutstoff nach Mafigabe des spezifischen Gewichts der Schmelze und des Brennstoffes oder des Brutstoffes in an sich bekannter weise von dem Schmelzbad abgezogen wird.

2. Verfahren nach Anpruch 1, dadurch gekennzeichnet , daB als Losungsphase handelsübliches Bisen, Roheisen oder Stahlschrott verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Brenn- oder Brutelemente oder die coated particles in eine Umhüllung aus Bisen eingefüllt und im Anschluß daran aufgeschmolzen werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dal» die Brenn- oder Brutelemente oder die coated particles in ein flüssiges lieenbad oder Stahlbad eingebracht werden.

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5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a -durch gekennzeichnet, daß in der Metallphase löslicher Brenn- oder Brutstoff durch selektive Oxidation des Eisenbades durch Zugabe von Eisenoxiden oder anderen an sich bekannten Oxidationsmitteln wie Luft, °2* °°2 ^{oder H}2° ^unter Bildung einer festen oder flüssigen Schlacke, gegebenenfalls unter Zugabe von an sich bekannten "cnlacken bildendenden Flußmitteln, abgetrennt werden.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d adurch gekennzeichnet, daß bei Auflösung größerer Mengen an Kohlenstoff die Metallphase durch Verbrennen des Kohlenstoffes in an sich bekannter Weise regeneriert wird.

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