DE1533138C3

DE1533138C3 - Verfahren zur Trennung des Plutoniums von Uran

Info

Publication number: DE1533138C3
Application number: DE1533138A
Authority: DE
Inventors: James Barker Joliet Knighton; Robert Keppel Naperville Steunenberg
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1966-02-08
Filing date: 1966-11-16
Publication date: 1973-09-27
Also published as: BE685007A; DE1533138B2; US3282681A; DE1533138A1; GB1137625A; SE307201B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Trennung des Plutoniums von Uran.

Das »Reactor Handbook«, 2. Ausgabe, Bd. II, Brennstoffwiederaufarbeitung (1961), bespricht eine Anzahl von Verfahren, die verwendet werden, um Plutonium von Uran und radioaktiven Spaltprodukten zu trennen. Diese können in zwei primäre Verfahren konzentriert werden, eines, das als eine hydrometallurgische Trennung bekannt ist, und das andere, das normalerweise als das pyrometallurgische Verfahren bezeichnet wird.

Das hydrometallurgische Verfahren erfordert die. Auflösung des bestrahlten Kernreaktorbrennstoffes vor der Trennung der Spaltprodukte von Uran und Plutonium durch die Verwendung verschiedener

ίο organischer und anorganischer Lösungsmittel. Wegen des Lösungsmittelzusammenbruchs, der durch die Strahlung verursacht wird, muß der bestrahlte Brennstoff während eines beträchtlichen Zeitraumes nach Entfernen aus dem Reaktor gekühlt werden, bevor eine Wiederverarbeitung beginnen kann. Die Auflösung des Bnennstoffmaterials in Salpetersäure erfprdert, daß große Mengen von Flüssigkeit gehandhabt werden, was es notwendig macht, daß Einrichtungen mit großen Kapazitäten für das Verfahren verwendet werden, und wobei auch gefordert wird, daß große Mengen an Abfallprodukten während •einer längeren Lagerzeit behandelt werden.

Wegen dieser Probleme, die mit dem hydrometall- · urgischen Verfahren der Brennstoffaufarbeitung- zusammenhängen, wurde die Aufmerksamkeit auf das pyrochemische Verfahren gelenkt.

Pyrometallurgische Verfahren für die Wiedergewinnung von spaltbarem Material aus verbrauch-

. ten Reaktorbrennstoffen sind vielversprechend im Hinblick auf das Erzielen einer Verringerung von Brennstoffkosten im Zusammenhang mit der Kernreaktorkraft. Die Vorteile des pyrometallurgischen Verfahrens liegen darin, daß.ein schnelles Wiederin-den-Kreislauf-bringen des Brennstoffes gegeben ist mit einer sich daraus ergebenden Verringerung an Brennstofflagerhaltung, einem.Minimum an chemischen Umwandlungsschritten, kleinen Lösungsyolumen und sich daraus ergebenden kompakten Anlagen und der direkten Produktion von festen Abfallstoffen. ■ · ■

Das pyrometallurgische Verfahren umfaßt eine Anzahl von verschiedenen Vorgängen einschließlich einer Schmelzraffinierung und verschiedenen Vorgängen zur Aufarbeitung von Kern und Mantel oder Hülle, wobei flüssige Metalle und geschmolzene Salze als Verarbeitungs-Medien verwendet werden. Wegen der hohen Temperaturen, die zu dem pyrometallurgischen Verfahren gehören, würde jegliche Änderung des Verfahrens, die den erforderlichen

Umfang der Handhabung der geschmolzenen Metalle verringert, auch die Kosten des Verfahrens verringern und demgemäß die Wirksamkeit des Systems verbessern.

Nach der Erfindung ist ein Verfahren erdacht worden, um Plutonium von Uran zu trennen, das den Umfang der dazu erforderlichen Handhabung verringert und den Wirkungsgrad des Trennungsverfahrens erhöht.
Demgemäß ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, um Plutonium aus Uran und aus bestrahltem Kernreaktorbrennstoff und aus bestrahltem Kernhüllenmaterial wiederzugewinnen, das einfach anzuwenden ist und ein Minimum an Schritten erfordert.

Es ist eine weitere Zielsetzung der Erfindung, ein Verfahren der Trennung des Plutoniums von Uran und bestrahltem Kernreaktorbrennstoff und aus bestrahltem Kernhüllenmaterial zu schaffen, wobei die

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ursprüngliche Zusammensetzung des Brennstoff- rung mit der Salzschmelze durch jede Legierung auf-

materials unbedeutend ist. rechterhalten werden kann, ohne die Legierung zu

Das Verfahren nach der Erfindung umfaßt das vermischen.

Hinzufügen des bestrahlten Kernreaktorbrennstoffs Das geschmolzene Salz kann aus reinem Magne- oder Hüllenmaterials, aus dem der größte Teil der 5 siumchlorid oder aus einer Mischung von Magne-Selten-Erdmetall-Spaltprodukte entfernt wurden, zu sium- mit Alkalimetallchlorid bestehen, oder es kann einer geschmolzenen Magnesiumlegierung, in der auch Erdalkalimetallchlorid verwendet werden. Ma-Plutonium und die edlen Metallspaltprodukte auf- gnesiumchlorid hat beispielsweise einen relativ hohen gelöst werden und das Uran ausfällt. Schmelzpunkt (ungefähr 715° C) und ist daher nicht Nach der Auflösung der Metalle in der Magne- io immer sehr geeignet. Eine gleich molare Mischung siumlegierung wird die Legierung in Kontakt mit aus Lithiumchlorid und Magnesiumchlorid schmilzt einem geschmolzenen Magnesiumhalidsalz gebracht, bei ungefähr 600° C und wird oft bevorzugt. Eine das selektiv das Plutonium in der geschmolzenen Mischung aus 30 Molprozent Natriumchlorid, Legierung zu Plutoniumchlorid oxydiert, das in dem 20 Molprozent Kaliumchlorid und 50 Molprozent geschmolzenen Salz löslich ist, wodurch das aufge- 15 Magnesiumchlorid schmilzt bei einem noch niedrigelöste edle Metall in Lösung in der geschmolzenen ren Schmelzpunkt, nämlich 396° C. Es hat sich ge-Magnesiumlegierung verbleibt. Hochschmelzende zeigt, daß, je höher die Konzentration des Magne-Metallspaltprodukte bleiben ebenso in der geschmol- siumchlorids ist, desto höher ist der Verteilerkoeffizenen Legierung zurück. Das geschmolzene Salz be- zient des Metalls in bezug auf die Salzschmelze und findet sich auch in Berührung mit einer geschmolze- 20 desto schneller ist die Überführungsgeschwindigkeit nen Zinkmagnesiumlegierung, die als eine Wasch- von Plutonium. Jedoch ist die Menge an wiederlösung wirkt, und die, wenn sie mit Plutoniumchlorid gewonnenem Plutonium geringer, da mehr Plutoin Lösung in dem geschmolzenen Salz in Berührung nium in dem Salz verbleibt, wenn das Gleichgewicht gebracht wird, dieses zu metallischem Plutonium erreicht ist.

reduziert, das dann die Legierung sättigt und als eine 25 Die geschmolzene Waschlegierung besteht aus 2 intermetallische Plutonium-Zink-Verbindung in der bis 10 Gewichtsprozent in Zink, die ständig in Begeschmolzenen Zink-Magnesiumlegierung ausfällt, rührung mit dem geschmolzenen Salz gehalten wird, worin" das Plutonium ohne weiteres aus dem Zink Das im Salz gelöste Plutoniumchlorid wird reduziert, durch eine Erhitzung in der Retorte wiedergewon- 'wenn es in Kontakt mit der 2 bis 10 Gewichtspronen werden kann. 30 zent Magnesium enthaltenden Zinklegierung kommt, Mit Neutronen bombardierte Uran- und Pluto- und das reduzierte Plutonium wird in der Legierung nium-Metallegierungen, Oxyde oder Karbide kön- aufgenommen. Es konnte festgestellt werden, daß, nen als Ausgangsmaterial für das Verfahren nach der während die Menge des in der Zinklegierung geErfindung verwendet werden, obwohl die Verwen- lösten Plutoniums konstant bleibt, es sich in der Ledung eines Karbids erfordert, daß es zunächst chlo- 35 gierung als eine intermetallische Zink-Plutoniumriert oder oxydiert wird. Die Oxyde und Chloride Verbindung niederschlägt, wenn das zusätzliche werden dann durch die Magnesiumlegierung redu- Plutonium reduziert wird.

ziert. Die Zusammensetzung der Magnesiumlegie- Bei den gemachten Versuchen wurde ein Tantalrung, in der das Plutonium aufgelöst ist, kann so tiegel verwendet. Es können jedoch andere, den lange verändert werden, als das Plutonium in der 40 Fachleuten bekannte Materialien verwendet werden. Legierung löslich ist, während das Uran verhältnis- Die Trennung kann in einer Luftatmosphäre durchmäßig unlöslich bleibt, ein Faktor, der von der geführt werden. Wenn jedoch das Tiegelmetall bei Menge an Magnesium abhängt, das in der binären der hohen Temperatur mit dem Sauerstoff reagiert, Legierung vorhanden ist. 15 bis 77 Gewichtsprozent ist die Verwendung einer neutralen Atmosphäre, wie Kupfer, 15 bis 97 Gewichtsprozent Kadmium und 45 etwa Argon oder Helium, notwendig. Die Mischungs-15 bis 76 Gewichtsprozent Zink sind geeignet, um geschwindigkeit ist bedeutsam, da sie die Geschwinmit dem Magnesium eine Legierung zu bilden, die digkeit der Überführung von Plutonium zwischen die Löslichkeitsanforderungen bei Temperaturen von den beiden Legierungen beeinflußt. Es muß jedoch 600 bis 650° C erfüllt. Die Menge an Kupfer, Kad- darauf geachtet werden, daß das mechanische Übermium "oder Zink, die innerhalb der obigen Grenzen 50 tragen von Legierung aus einem Behälter in den anverwendet wird, hängt von der Schmelztemperatur deren verhütet wird.

der anderen Legierung oder des Salzes ab, das in Im folgenden werden zwei Beispiele zur Erläutediesem Verfahren verwendet wird. Im allgemeinen rung aufgeführt. Die in diesen Experimenten verwurde festgestellt, daß eine Legierung, die die ge- wendeten Legierungen waren Kupfer mit 35 Geringste Schmelztemperatur ergab und beständig 55 wichtsprozent Magnesium und Zink mit 5 Gewichtsgegenüber dem verwendeten geschmolzenen Salz prozent Magnesium. Das geschmolzene Salz bestand war, die zufriedenstellendsten Ergebnisse ergab, üb- aus 30 Molprozent Natriumchlorid, 20 Molprozent licherweise von 600 bis 650° C. Jedoch könnten Kaliumchlorid und 50 Molprozent Magnesium-Temperaturen bis zum Siedepunkt einer jeglichen chlorid. Der Versuch bestand darin, das System auf Legierung oder eines jeglichen Salzes angewendet 60 700° C zu erhitzen und Plutoniummetall der Mawerden, wenn ein geeignetes Gefäß zur Verfügung gnesium-Kupferlegierung hinzuzufügen, in der das stünde. Uranmetall bereits vorhanden war. Festes Pluto-Zusätzlich, und weil das Verfahren nach der Er- nium, das einen Schmelzpunkt von ungefähr 650° C findung darin besteht, zwei binäre Legierungen in hat, schmilzt leicht beim Hinzufügen zur Schmelze, gegenseitige Berührung mit einem geschmolzenen 65 Das System wurde auf 600° C gekühlt, zu welchem Salz zu bringen, ist es wichtig, daß das spezifische Zeitpunkt gefilterte Proben beider Metalle und des Gewicht der Legierung im Verhältnis zur Salz- entsprechenden Salzes abgenommen wurden. Das geschmelze größer ist, damit die gegenseitige Beruh- schmolzene Salz schwamm oben auf den beiden Le-

gierungen und kam mit beiden gleichzeitig in Berührung.

Beispiel I

4 g Plutonium und 4,35 g Uran wurden 300 g einer Kupfer-Magnesium-Legierung hinzugefügt. Das Uran schlug sich nieder, und das Plutonium wurde in der Legierung aufgelöst. 600 g geschmolzenes Salz wurden in Berührung mit der Kupfer-Magnesium-Legierung gebracht, während sie sich gleichzeitig in Berührung mit 500 g Zinklegierung mit 5 Gewichtsprozent Magnesium befanden. Die Schmelze wurde mit 100 U/min gerührt, und periodenweise wurden Proben .von den zwei Legierungen und dem geschmolzenen Salz über einen Zeitraum von 50 Stünden entnommen" Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.

TabeUe I

	Cu-Mg-Legierung	2,22	Salz	Zn-Mg-Legierung	w/o Mg	w/o Pu	Salz
Zeit	Metall	2,26	w/o Pu	Metall	5,3	6,33 · ΙΟ"⁵	w/o Pu
	w/o mg I w/o Pu	0,473
OMin.	32,6	0,743
30 Min.		0,0904			0,347
60 Min.		0,0329			0,323
120 Min.		6,27 · ΙΟ"⁴		0,35	5,26 · 10-4
24 Std.		2,95 · 10-4	3,1 -ΙΟ"⁴ ■
50 Std.

Der Plutoniumgehalt in den ersten beiden Proben der* Kupfer-Magnesium-Legierung ist fragwürdig, und ein ungenügendes Mischen wurde angenommen. Die Endergebnisse zeigten jedoch, daß 97,5 % des PIu- 'go toniums von der Kupfer-Magnesiumlegierung in die Zink-Magnesiumlegierung überführt werden.

Ebenso .wurden weniger als 1 % Uran in dem sich ergebenden Plutoniumerzeugnis gefunden.

Beispiel II

Ein zweites Experiment wurde unter gleichartigen Bedingungen wie in Beispiel I durchgeführt, mit der Ausnahme, daß 6 g Plutonium und 4,35 g Uran der Kupfer-Magnesium-Legierung hinzugefügt wurden. Nachdem cfas Plutonium sich aufgelöst und das Uran sich niedergeschlagen hatte, wurde das Rühren bei 300 U/min begonnen, und periodische Proben wurden entnommen, deren Zusammensetzung in Tabelle II gezeigt sind. Am Ende des 24-Stunden-Zeitraumes wurde die Temperatur auf 870° C angehoben, um Plutoniumausscheidungen in der Zink-Magnesium-Legierung als eine intermetallische Plutonium-Zink-Verbindung zu lösen.

Tabelle!!

Cu-Mg-Legierung	Zeit w/o Mg	w/o Pu	Salz	Zn-Mg-Legierung	w/o Mg	w/o Pu	Salz
Metall	Vorschmelze	1,78	w/o Pu	Metall			w/o Pu
OMin.	1,325			0,00823
30 Min.	0,578
60 Min.	0,433
120 Min.	0,1585			0,444
*24 Std.	0,0124			0,427
	1,18 · 10-3		1,18-10-3

Es wurde bestimmt, daß mehr als 99 Prozent des während weniger als ein Prozent des Urans, das dem Plutoniums in die Zn-Mg-Legierung übergingen, 55 System zugefügt wurde, dort gefunden wurde.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Trennung des Plutoniums von Uran, wobei Plutonium und Uran in einer geschmolzenen Magnesiumlegierung gelöst werden, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Legierung mit einem geschmolzenen Salz in Berührung gebracht wird, das Magnesiumchlorid enthält, um das Plutonium zu Plutoniumchlorid zu oxydieren, das sich in dem Salz auflöst und das Salz mit einer geschmolzenen Zinklegierung in Berührung gebracht wird, die 2 bis 10 Gewichtsprozent Magnesium enthält, um das Plutoniumchlorid zu Plutonium zu reduzieren, das sich aus der geschmolzenen Zinklegierung als eine intermetallische Plutonium-Zink-Verbindung ausscheidet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnesiumlegierung verwendet wird, die Kadmium oder Zink enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnesiumlegierung mit einem Kupfer-Kadmium oder Zink-Gehalt von 15 bis 97 Gewichtsprozent verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschmolzene Magnesiumlegierung mit 15 bis 77 Gewichtsprozent Kupfer verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Salzschmelze verwendet wird, die Lithiumchlorid oder Natriumchlorid enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Salzschmelze verwendet wird, in der das Lithiumchlorid 25 bis 75 Molprozent beträgt, das Natriumchlorid und Kaliumchlorid in Konzentrationen von je 25 bis 75 Molprozent vorhanden sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Salzschmelze verwendet wird, in der das Magnesiumchlorid 50 Molprozent, das Natriumchlorid 30 Molprozent und das Kaliumchlorid 20 Molprozent beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in neutraler Atmosphäre gearbeitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß bei einer Temperatur von 600 bis 650° C gearbeitet wird. , , ■

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine geschmolzene Zinklegierung verwendet wird, die 5 Gewichtsprozent Magnesium enthält.