DE1758368A1 - Aufbereitungsofen fuer bestrahlte Kernbrennstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Aufbereitung von bestrahlten Kernbrennstoffen, insbesondere zur Vorbehandlung von hochangereicherten Brennstoffen im pyrometallurgiechen Wege.

Die Extraktion von angereichertem Uran aus bestrahlten Brennstoffelementen der Bauart M_OT.R. (Material Testing Reactor), die das Spaltmaterial beispielsweise in einer Aluminiummatrix enthalten, erfolgt im allgemeinen auf dem üblichen wässrigen Wege. Das Brennstoffelement wird vollständig (Matrix und Spaltmaterial) in einer Säure gelöst, worauf das Spaltmaterial in einem organischen Lösungsmittel extrahiert wird. Dieser Brennstoffzyklus weist trotzdem zahlreiche Mängel auf:

1) Das gesamte Brennstoffelement muss von dem Reaktor zur Auf-

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bereitungsanlage transportiert werden. '

2) Nach der Aufbereitung auf wässrigem Wege ianelt sioh eine erhebliche Menge flüssiger radioaktiver Abfälle an, die entweder gelagert oder konzentriert werden müssen«

Zum Beheben dieser Mängel ist es zweokmässig, das Spaltmaterial mit Hilfe eines pyrometallurgisohen Verfahrens unmittelbar in oder an dem Reaktor in einem Ofen zu konzentrieren, der für Vorgänge in heisser Zelle besonders geeignet und ganzIioh ferngesteuert ist.

Dieser den Erfindungsgegenstand darstellende Ofen weist die nachstehend aufgeführten Hauptmerkmale auf:

a) Er besitzt in seinem Inneren einen Tiegel aus Graphit oder einem beliebigen geeigneten feuerfesten Material von sehr langer Form, damit er ein ganzes Brennstoffelement aufnehmen kann, wobei die Form vorzugsweise etwas konisch ist mit zum Boden des Tiegels hin abnehmendem Querschnitt, an welohem die Konizität sioh verstärkt, um sohliesslioh in einem Hohlraum von geringerem Querschnitt als dem des oberen Teiles des Tiegels zu enden, so dass es naoh dem Herausziehen eines kalten bzw· erstarrten Barrens leicht ist, die

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das konzentrierte Brennstoffmaterial enthaltende Spitze abzusägen«

b) Der Tiegel ist durch einen Innendeckel aus feuer— festem Material verschlossen, der ein abdichtendes Verschliessen des Innentiegels bewirkt, während ein Aussendeekel die Abdichtung des Innenraums bewirkt·

c) Der Ofen ist um eine horizontale Aufhängungsquer-» aohse kippbar, um das Einführen eines bestrahlten Brennstoffelements bei horizontaler Lage des Ofens zu gestatten — was für die Arbeit im Inneren einer heissen Zelle einen Vorteil darstellt — und um

1) das Bewegen des schmelzflässigen Inhalts des Tiegels durch Kippen des Ofens aus seiner horizontalen Lage in seine senkrechte Lage und umgekehrt sowie

2) das Herausnehmen des kalten bzw· erstarrten Barrens aus dem Tiegel bei horizontaler Lage des Ofens möglich zu machen«

Ein AusfUhrungsbeispiel der Erfindung ist in der einzigen, ei nen Teilschnitt durch den erfindungsgemässen Ofen veranschaulichenden Figur dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

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D«r Ofen enthält den «ehr langen Tiegel I₁ der an seinem Boden den Hohlraum 2 aufweist, der gegenüber dem oberen Teil des Tiegels 1 einen kleineren Durchmesser hat· Der Tiegel 1, der auf Tragelementen 4 ruht, ist von einem zylindrischen Mantel* 3 aus rostfreiem Stahl umgeben* Auf Isolierteile 5 sind Heizwiderstände 6 gewickelt« Die aus dem Tiegel I₁ dem Mantel 3, den Isolierteilen 5 und den Helz-Spulen 6 bestehende Einheit ruht in einer Isoliermasse 7_t deren unterer Teil auf der Innenseite eine Zentrieröffnung θ aufweist, in die ein Zentrierzapfen 9 eingreift. Ein aus einem Mantel aus rostfreiem Stahl gebildeter Ofenkörper IO verleiht dem Ganzen Starrheit. Dieser Mantel ist zur Herbeiführung der Kühlung in seinem zylindrischen Teil doppelwandig. Der Ofen und der Tiegel 1 sind durch ein Deokelsystem verschlossen, und zwar durch einen Innendeokel 11 aus Graphit und einen Aussendeokel ■ 12, der die Isoliermasse 13 des Deckels trägt· Die aus den Deokeln bestehende Einheit ist um eine an dem Mantel 10 des Ofens befestigte Aohse 14 schwenkbar· Der Innendeokel Il aus Graphit passt sich dem Tiegel 1 an und ist in einer Fassung

15 aus rostfreiem Stahl angebracht« Ein pneumatisches System

16 wird durch einen Kolben 17 gebildet, der eine Stange 18 trägt, die die Isoliermasse 13 des Deokels durchragt, um die Fassung 15 zu halten, die ein Drehgelenk darstellt, so dass der Innendeokel 11 einen bestimmten Winkelspielraum hat, der ein pneumatisch bewirktes einwandfreies Anpressen auf den Tiegel 1 gewährleistet«

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Der Ofen ruht auf einem Gestell i9 mit Hilfe von zwei Lager» zapfen 20, die an dem Mantel 10 des Ofens befestigt sind und die Schwenkachse bilden·

Einer der Lagerzapfen trägt ein Zahnsegment 21, das mittels eines Untersetzungsgetriebes 22 mit Vor- und Rückwärtsgang angetrieben wird« An dem anderen Lagerzapfen ist ein Segment 23 befestigt, das auf Mikrorelais einwirkende Nooken bzw. Steuerflächen trägt. Diese Mikrorelais steuern den Übergang aus dem Vorwärts- auf den Rückwärtsgang sowie das Anhalten, um den Ofen in einer vorbestimmten Stellung zum Stillstand zu bringen.

Das Öffnen und Schliessen des Deokelsystems erfolgt mit HiI-* fe eines mit dem Ofenkörper oder -mantel fest verbundenen Kolbens Über eine Zahnstange.

Der duroh einen mit dem Ofenkörper oder —mantel fest verbundenen weiteren Kolben betätigte Ring 2k trägt Zapfen, die in Vertiefungen oder Ausnehmungen des Deokels 12 eingreifen.

Dieses Bajonettsystem bewirkt einen hervorragenden Verschluss. Zwei von dem Körper des Dedcels 12 getragene Dichtungen 25 bewirken die Abdichtung des eigentlichen Ofens, indem sie sich gegen eine ebene Ringfläche an der Oberseite des Ofens anlegen.

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Zu« Schütze der Dichtungen 125 vor Van« ist in des Deckel 12 eine besondere Wasserkühlung vorgesehen, wobei sich die Kühlung des Ofenkürpers oder -mantels 10 bis in den Hohlraum 27 unter der Stützfläche des Deckels hinein erstreckt.

Der Zusammenbau der einzelnen Teile des Ofens ist so vorge- ^ sehen, dass ein Auseinandernehmen oder ein Ausbau mit Hilfe des ferngesteuerten Manipulators in der heissen Zelle möglioh ist· Dazu ist der Mantel 3 aus rostfreiem Stahl an den Plansoh 28 angesohweisst, der auf den Ofenkttrper 10 geschraubt ist. Bei einem Riss in dem Tiegel lässt sich somit die aus Tiegel 1 und Mantel 3 bestehende Einheit leicht und bequem auswechseln* Auch lässt sich die Achse 14 des Deckels leicht absohrauben.

Bei geschlossen gehaltenem Aussendeokel 12 ist es möglich, " den Innendeckel 11 aus Graphit unabhängig von dem Aussendeokel mit Hilfe eines pneumatischen Systems 16, 17, 18 anzuheben oder zu sohliessen. Auf diese Weise kann eine Entgasung im Teilvakuum oder ein Schmelzen in neutraler Atmosphäre durchgeführt werden, insbesondere zur Beseitigung von gasförmigen Spaltprodukten·

Die vorgesehenen seitlichen Vakuum»ffnungen werden ausserdem als Zu- und Auslass für eine Sohutzatmosphäre verwendet.

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Entsprechend den Verwendungs- oder Betriebsbedingungen kann der Aussendeckel mil^einem VasserkUhlungssystera versehen sein»

Die Hauptvorteile des Ofens nach der Erfindung liegen darin, dass:

1.) er von sehr gedrungener Bauart ist, so dass er ohne

Schwierigkeiten in einer abgeschirmten Zelle von ver- M

hältnismässig beschränkten Abmessungen in unmittelbarer Nähe des Lagerungsbeckens für die Brennstoffelemente des Kernreaktors installiert werden kann;

2.) alle Vor- und Arbeitsgänge, für die der Ofen bestimmt ist, von ausserhalb der abgeschirmten Zelle her gänzlich ferngesteuert sind ohne Zuhilfenahme des Fernmanipulators, ausser zum Beschicken und zum Entladen.

Der den Erfindungsgegenstand bildende Ofen ist also zur Durchführung der nachstehend aufgeführten aufeinanderfolgenden Arbeitsgänge vorgesehen:

1) Vollständiges Schmelzen des Brennstoffelements (Matrix und Spaltmaterial) entweder im Teilvakuum oder in neutraler Atmosphäre bei Abführung der flüchtigen Spaltprodukt e„

2) Zusetzen eines das Abscheiden des Spaltmaterials herbei-

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führenden anderen Metalls·

3) Vollständiges Schmelzen und homogenes Vermischen des Metalls der Matrix und des das Abscheiden herbeiführenden Metalls· Das Vermischen wird bewirkt durch Kippen des Ofens aus seiner senkrechten Lage in seine naoh unten geneigte Lage und umgekehrt· Das Kippen oder Schwenken kann für eine gewünschte Zeitspanne automa-, tisch geregelt werden«

4) Für die Sedimentationsphase des infolge des Zusatzes eines anderen Fällungemetalls in Form von intermetallischen Verbindungen abgeschiedenen Spaltmaterials hält man den Ofen in senkrechter Lage, so dass sich das Spaltmaterial am Boden 2 des Graphittiegels konzentriert bzw. ansammelt· Im Verlaufe dieser Zeitspanne wird die Temperatur auf - 2 bis 3⁰C genau stabil gehalten mit Hilfe eines Programmierers, der durch das die Temperatur in der Nähe der Spitze des Graphittiegels abfühlende Thermoelement gesteuert wird,

5) Das Herausziehen des Barrens läset sioh wie folgt vorteilhafter durchführen:

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Sobald die Temperatur des Inhalts des Tiegels etwas unter der Gesamterstarrungstemperatur des Barrens liegt, kippt man den Ofen mit seinem Kopf nach unten, geneigt in der Weise, dass sioh der Barren infolge seiner thermisch bedingten Kontraktion von der Graphitwand des Tiegels etwas löste Sobald der Barren Umgebungstemperatur aufweist, wird der Deckel in horizontaler Lage des Ofens geöffnet, worauf der Ofen etwas geneigt wird, um den Barren aus dem Ofen herausgleiten zu lassen,, Durch Abscheiden der unteren Spitze des Barrens erhält man ein Spaltmaterialkonzentrat, dessen Volumen auf etwa l/20 des Volumens des Ausgangsbrennstoffelements reduziert ist· Der Transport dieses Konzentrats in einem Container von geringem Volumen sowie die Aufbereitung dieses Konzentrats erfolgt unter wirtschaftlicheren Bedingungen als für ein vollständiges Brennstoffelement«

Patentansprüche:

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   1· Ofen zur Aufbereitung von bestrahlten Kernbrennstoffen, insbesondere zur pyrometallurgischen Behandlung von bestrahlten angereicherten Brennstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass er in seinem Inneren einen Tiegel (1) aus Graphit oder eine« beliebigen geeigneten feuerfesten Material von sehr langer Fora enthält, so dass er ein ganzes Brennstoffelement aufnehmen kann, wobei die Form vorzugsweise etwas konisch ist mit zum Boden des Tiegels hin abnehmendem Querschnitt, an welchem die Konizität sich verstärkt, um schliesslioh in einem Hohlraum (2) von geringerem Querschnitt als dem des oberen Teiles des Tiegels (l) zu enden, so dass die das konzentrierte Brennstoffmaterial enthaltende Spitze naoh dem Herausziehen eines kalten bzw· erstarrten Barrens leioht abgesägt werden kann·

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2. 2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er durch ein Deckelsystea verschlossen ist, und zwar durch einen Innendeckel (11) aus Graphit und einen Aussendeckel (12), von welchen sich der Innendeckel (11) auf den Innentiegel (1) legt und einen abdichtenden Verschluss bildet, während er sich bei noch geschlossenem Aussendeokel (12) pneumatisch anheben lässt,

   3c Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass er um eine horizontale Aufhängungsquerachse (20 - 20) kippbar ist, unyias Einführen eines bestrahlten Brennstoffelements bei horizontaler Lage des Ofens und somit ausserdem

   a) das Bewegen des schmelzf Hiesigen Inhalts des Tiegels (l) durch Kippen des Ofens aus seiner horizontalen Lage in seine senkrechte Lage und umgekehrt,

   b) das Herausnehmen des kalten bzw· erstarrten Barrens aus dem Tiegel bei horizontaler Lage des Ofens

   zu ermöglichen·

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