DE1767259A1 - Verfahren zur Rueckgewinnung von Plutonium und Uran aus Kern-Reaktor-Brennstoffelementen - Google Patents

Description

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VEKFAIUiEtN* ZUIi RÜCKGEWINNUNG VON PLUTONIUM UIiD URAi\ AUS KERN-

REAKTOR-BEiEiNNSTOFFELtIiEXTEN

Pi-Lori.tat ; vom 21. April I967 aufgrund der schwedischen Patentanmeldung Nr. 5O7Ö/I967

Die ErfLridun,", betrifft ein Verfahren zur Rückgewinnung von Plutonium und Uran aus mehreren Kernreaktorbreimstoffelementen, die, beispielsweise in einem Schnellreaktor, in unterschiedlichem Maße bestrahlt wurden. Bei der Verwendung des Brennstoffes in einem Keinreaktoi über einen lanzen Zeitraum ist dieser in solchem Maße abgebrannt oder erschöpft, daß die Wirksamkeit des

__» Reaktors einen Brenns toff austausch erfordei t. Der abgebrannte

cd Brennstoff wird zur Rückgewinnung von Uran und, bei Reaktoren, 00

*** in denen Plutonium gebildet wird, auch zur Rückgewinnung dieses

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_ Elementes behandelt. Xn der Regel wird die Rückgewinnung in

_* der Weise ausgeführt, daß die Brennstoffelemente, vorzugsweise ■r·

•ntkapselt, gewöhnlich In Salpetersäure aufgelöst werden und die

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resultierende wässrige Lösung mit organ L schon Lösungsmitteln iiir Uxfjii und Plutonium extrahiert wird, speziell mi L solchen Lösungsmitteln, die Urai; und/oder Plutonium selekt._iv i;ef,enüber den äpaltprodukten lösen,, Uran und Plutonium worden in unterschiedlicher Welse getrennt, gewöhnlich durch selekt/ive Reduktion von Plutonium in eine nichtextrahjerbare Form, doch kann die Trennung auch chromatografisch erfolgen, und e.s ist auch möglich, die unterschiedliche Löslichkeit von Ur ai — und Plutoniumverbindungen in verschiedenen organischen Lösungsmitteln auszunützen, so daß die Trennung beispielsweise durcli Extraktion mit einem Lösungsmittel erfolgt, das selektiv für Plutonium gegenüber Uranium und vorhandenen Spaltprodukten ist,

In einem Reaktor werden verschiedene Brennstoffelemente Strahlungen unterschiedlicher Stärke ausgesetzt und brennen daher in unterschiedlichem Maß und in unterschiedlicher Weise ab. Bisher wurden bestimmte Folien hieraus nicht beobachtet, doch wurden bei der erneuten Behandlung alle Brei'nstoffe leniente ohne Unterschied behandeLt. Nunmehr wurde jedoch gefunden, dil3 man wesentliche Vorteile erhält, wenn bei der Wiederbehandlun^ der Tatsache Aufmerksamkeit geschenkt wird, daß die Elemente in unterschiedlichem Maße bestrahlt wurden.

Demnach ist es Aufgabe der Erfindung, Plutonium in wirksamerer Weise als bisher aus dem Brennstoff von einem und demselben Kernreaktor, wenn erwünscht, in verschiedenen Isotopen-Anteilen zu gewinnen. Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, den Betrieb auf Bedingungen unter den kritischen Bedingungen ein·* zustellen, speziell' bei Kernreaktoren, wie Schnellreaktoren, in denen hohe Prozentsätze an Plutonium auftreten können.

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Das Verfahren n;tch der Erfindun; besteht darin, daß man getrennt, stärker bestrahlte Brennstoffelemente und weniger «tark bestrahlte Brennstoffelemente beispielsweise in wässriger Siüpotersäure löst und die Lösung des stärke bestrahlten Materials mit einem Lösuiiisnii ttel extrahiert, das für l'lutonium gegenüber Uran und Spaltprodukten selekt/iv ist, Plutonium aus dew Extrakt gewinnt, die restliche Lö«un/ mit der Lüpuii,", des weuigei· stark bestrahlten Materials vereinift und die vei e j iii g ten Lösungen mit einem Lös mi;, smittel extrahiert, welches für Plutonium und Uran selektiv gegenüber Spaltprodukt en ist, worauf dann der so gewonnene Extrakt einer Urali-Plutoiii uiti-Trei.tiunc unterzogeji wi rd . Es ist dann bequem, da« Plutonium in dem Ur ai>—Plutoniumextrakt in eine Form umzuwandeln, die in dem für Uran und Plutonium selekt/iven Lösungsmittel unlöslich ist, und dan Plutonium von dem Uran zu trennen. Das Uran w⁴. rd dann aus dem von Plutonium befteiten Lösungsmittel gewonnen, während das Plutonium getrennt gewonnen wi jx3,

So wird es nach dem Verfahren der Erfindun," möglich, einerseits im wesentlichen nur Plutonium aus dem stark bestrahltet: Material zu gewinnen, da« einen relativ hohen Prozentsatz ai> Plutonium besitzt, so daß dieses Plutonium getrennt gewonnen werden¹ kann, wenn dies enviinscht ist, und andererseits die kritischen Bedingungen in dem Rest der Behandlung auf milde BediiijUn/en zu reduzieren. Außerdem ist es möglich, für dje Lösuii/· oder den Extrakt von Plutonium aus den plutoniumre i clien Lösunren spezielle Lösungsmittel zu verwenden, die für Plutonium selektiv sind und gute V.i dors tandsi'ähi Vkeit i.c;giM· .stärkere

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Bestraljlun-sbedingunp.eri während der Behandlung der Lösungen von dem stark bestrahlten Material besitzen.

Als Plutonium-selektives Lösungsmittel wird vorteilhafterweise ein tertiäres oder quaternäres Amin, wie Trilauryl— ami η und Trilaurylmethylamin, verwendet, während als Uran-Pluto tii urn-selekt ives Lösungsmittel vorteilhafterweise Tribut y!phosphat, Dibutylcarbitoi, Diamylbutylphosphonat oder Dibutylphejjylpho sphonat verwendet wird.

Die Erfindung kann in folgender Weise durchgeführt werden. In einem bestimmten Fall wird berechnet, daß 20 bis 30 % der gesamten Brennstoffmenge des Reaktors als stark bestrahltes Material in dem inneren Reaktorkern anzusehen sind und eine Strab IUn.:⁷, von 100000 MVD je metrische Tonne aufnahmen. Demnach, umfaßt der äußere Reaktorkern 70 bis 80 % der gesamten Brennstoffmenge, wobei berechnet wurde, daß dieser Brennstoffanteil eine Strahlung von etwa 5000 MWD je metrische Tonne aufnahm, was bedeutet, daß die resultierende durchschnittliche Bestrahlung 25000 bis 30000 MWD je metrische Tonne beträgt, d.h. in der gleichen Größenordnung liegt, die in wenig angereicherten thermischen Kraftreaktoren erreicht wird. Die Brennstoffeinheiten aus dem inneren Reaktorkern, dl c 20 <o Plutonium enthielten, wurden in Salpetersäure gelöst und mit Trilaurylamin extrahiert. Die Extraktlösung wurde mit Salpetersäure gewaschen, Plutonium wurde erneut mit EsSi₁ säure extrahiert, uitl das erhaltene Plutonium wurde in der üblichen Weise gewonnen. Die restliche Lösung aus der Extraktion mit Trilaury]amin wurde mit der Salpetersäure-

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lösung aus den Brennstoffeinheite.t des äußeren Reaktorkernes, die 2 bis 4 '/Ö Plutonium enthielten, vereinigt, und die vereinigte wässrige Lösung wurde mit Tr Lbutylphoaphat extrahiert, welches Uran und Plutonium löste, während die Spaltprodukte in der Salpetersäurelösung blieben» Di η organische Lösun,? wurde mit Salpetersäure gewaschen, und etwa 5 /° Uran und Plutonium liefen mit der Waschflüssigkeit ab, die zu der Extraktion mit Tributyl— phosphat zurückgeführt wurde. Die auf diese Weise gewaschene organische Lösung; wurde erneuter Extraktion unterzogen. Uran blieb in der Tributylphospha tlösun.», aus welcher das Urai durch erneute Extraktion mit Wasser gewonnen wurde, während das extrahierte Plutonium in die Plutoniumbehandlungsanlage überführt wurde. Dort kann Plutonium aus dem äußeren Teil des Reaktorkernes zusammen mit Plutonium aus dem inneren Teil des Keaktorkernes oder aber getrem t von diesem behandelt werden, so daß in letzterem Falle das Plutonium in verschiedenen Xsotopen—Anteilen erhalten wird.

Durch das obige Verfahren erhält man verschiedene Vorteile. So wird die Handhabung vom Gesichtspunkt der kritischen Bedingungen vereinfacht, da gegenüber dem äußeren Reaktorkern die Erfordernisse im Sinn kritischer Bedingungen wesentlich bedeutsamer für den inneren Reaktorkern sind, der einen wesentlich höheren Gehalt an spaltbarem Material (15 bis 2.5 °/o) besitzt und auch ein kleineres Arbeitsvolumen darstellt, als für den äußeren Reaktorkern erforderi. ich ist, der einen niedrigen Gehalt an spaltbarem Material (2 bis h %) aufweist und ein wesentlich größeres Volumen besitzt. Ein anderer Vorteil

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ist, daß die Bestrahlung der verwendeten Extraktionsmittel an deren Beständigkeit gegen radiolytische Zersetzung angepaßt ist. Für den inneren Reaktorkern, der zu einem hohen Grad verbraucht wird und folglich eine hohe Konzentration an radioaktiven Spaltprodukten besitzt, werden Extraktionsmittel (tertiäres oder quaternäres Amin) vorgeschlagen, die wesentlich beständiger gegen Bestrahlung sind als jene, die für den äußerexi Reaktorkern vorgeschlagen werden (Tributyl— phosphat, Diamylbu tylphosphat usw.). Durch Vermischen der aus der Behandlung des inneren Reaktorkernes erhaltenen Restlösung mit der aus der Behandlung des äußeren Keaktorkernes erhaltenen Lösung bekommt man eine niedrigere Konzentration an Spaltprodukten und eine niedrigere radiolytische Einwirkung auf das verwendete Lösungsmittel. Außerdem wird das Uran aus dem inneren Reaktorkern dekoutaminiert und zurückgewonnen, und mögliche Plutoniumverluste aus der Behandlung des inneren Reaktorkernes werden durch diese zweite Extraktion zusammen mit dem äußeren Reaktorkern vermindert.

Schließlich ergibt die getrennte Behandlung des inneren und des äußeren Teils des Reaktorkernes eine Möglichkeit, verschiedene Plut oniuniproduk te zu erhalten. Dies ist speziell wertvoll für die Rückführung von Plutonium in einem gemischten System aus thermischen und Sclmellreaktoren, da das Plutonium aus dem äußeren Reaktorkern einen wesentlich höheren Gehalt an Pu-239i das in thermischen Reaktoren spaltbar ist, besitzt als das Plutonium aus dem inneren Reaktorkern.

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Claims (3)

1. ΡΛΤΕ N TANSPKUCHE

   1o Verfahren zur Gewinnung von Plutonium und Uran aus mehreriü: Kenn eaktorbremisstof f elementen, die, beispielsweisi¹ in einein Sclmellreaktor, in unterschiedlichem Maße bestrahlt wuitie.,, dadurch gekennzeichnet, daß man die stärker be strahl ten und die wenifer stark bestrahlten Brennstoffelemente, beispielsweise unter Bildung von wässrigen Salpi'tei säure lösunge: , getrennt voneinander lobt, die Lösung des stärker bestrahlten Materials mit einem Lösungsmittel extrahiert, das für Plutonium saLektiv gegenüber Uran und vorhandenen Spaltprodukten ist, aus diesem Extrakt Plutonium gewinnt, die dabei anfallende Restlösung mit der Lösung des weiiiger stark bestrahlten Materials vereinigt und die vereinigten Lösungen mit einem Lösungsmittel extrahiert, das für Uran und Plutonium gegenüber den Spaltprodukten selektiv ist, worauf der Extrakt einer Uran-Plutonium-Treriiiunp unterzogen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Plutonium in dem Uran-Plutonium-Extrakt in eine Form überführt, die in dem für Uran und Plutonium selektiven Lösungsmittel unlöslich ist, das Plutonium von dem Uran abtrennt, darauf das Uran aus dem von Plutonium befreiten Lösungsmittel gewinnt und das Plutonium getrennt hiervon gewinnt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als für das Plutonium, selektiv«} Lösungsmitte 1 ein

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   tejtiäres oder quiite τ näres Aniin, wie Tr ilaurylaniin und Tr i — laurvlme ühvlaini η , verwendet.

   4« Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man als für Urai und Plutonium sei okt-ive.« Lösungsmittel Tributylphosphat, Dibutylcarbitol, Diamylbutylphosphotiat oder Dibutylphenylphosphonat verwendet.

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