-
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung bestrahlter keramischer Kernbrennstoffelemente
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung sur Behandlung von bestrahlten
Xernbrennstoffeleenten,die keraije sches Brennmaterial enthalten, wobei zunächst
das Kernbrennmaterial von der Hülle getrennt und dann in Fluoride umgewandelt wird,
Die erste Stufe der Behandlung bestrahlter Kernbrsnnstoffelemente besteht im allgemeinen
in einer Trennung der Hülle von dem darin enthaltenen Brennmaterial. Die für mit
schnellen Neutronen arbeitenden Kernreaktoren bestimmten Kernbrennstoffelemente
besitzen im allgemeinen die Porm von Tabletten aus gesintertem, also verhältnismäßig
zerbrechlichem Keramikmaterial, die in einer Hülle geringen Durchmessers aus rostfreiem
Stahl gestapelt sind.
-
Um das Brennmaterial aus der Hülle zu extrahieren, sind bereits verschiedene
Methoden bekannt, Insbesondere ist ein chemischen Verfahren zur Zerstörung der Hülle
durch Einwirkung eines Gasgemisches von Fluorwasserstoffsäure und Sauerstoff bei
stwa 6000 C bekannt. Es ist auoh ein mechanisches Verfahren bekannt,
wobei
das Kernbrennstoffelement zu kurzen Stücken zerschnitten oder in die Hülle Löcher
gebohrt werden, um anschließend den Angriff von Fluorierungsreagenzien auf das Kernbrennmaterial
von innen her su ermöglichen.
-
Keines dieser bekannten Verfahren ist voll befriedigend. Das erste
weist als Nachteile auf, daß stark korrodierende Reagensien bei 6000 C benutzt werden
und beim Enthülsen Produkte entstehen, welche die Beseitigung des Urans und Plutonlums
in der Fluorierungephase stören könnten. Das zweite Verfahren führt nur schwer zu
einer vollständigen Umsetzung, insbesondere wenn der Brennstoff ein Oxid (U02 oder
U02-Pu02) ist Die bei der Bildung von UF6 auftretenden Zwischenprodukte sind feste
Stoffe und hindern die Diffusion der Reagenzien und der Umsetzungsprodukte zur Oberfläche
der Tabletten, Es bildet sich die Zwischenverbindung U30B, deren spezifisches Volumen
größer als das des Ausgangsoxids U02 ist und die die Tabletten in der Hülle blockiert.
-
Die Erfindung bezweckt ein Verfahren, das den praktischen Anforderungen
besser als die bisherigen Verfahren entspricht und inabew sondere eine rasche und
vollständige Extraktion des Kernbrenn-Stoffs aus der Hülle und eine Beschleunigung
der.gleichzeitigen oder anschließenden Angriffsreaktion garantiert. Zur Lösung dieser
Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Behandlungsverfahren vorgeschlagen, wobei nach
Zerschneiden des Kernbrennstoffele@ menge zu Stücken geringer Länge diese StUcke
in einer.rotierenden Kugelmühle genügend lange, um das Zerbröckeln des Brennmaterials
und sein Herausfallen aus den Stücken der Hülle in Pulverform zu bewirken, gehämmert
werden.
-
Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Oxide des tirane und/oder
Plutoniums, die gegenwärtig diejenigen Brennstoffe sind, welche in mit schnellen
Neutronen arbeitenden Kernreaktoren am häufigsten.verwendet werden. Es eignet sich
aber ebenso für keramische Kernbrennstoffe, die aus gesinterten Carbiden, Nitriden
oder allgemeiner den gesinterten keramischen Kernbrennstoffen bestehen, welche genügend
zerbrechlich sind, daß ate durch die Stöße von Kugeln aur die Stücke pulverisiert
werden.
-
Die Erfindung besteht ferner in weiteren Maßnahmen, die vorteilhafterweise
in Verbindung mit den oben erwähnten, Jedoch auoh unabhängig davon angewandt werden
können, sowie in einer Vorrichtung zur Ausführung des obigen Verfahrens.
-
Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung einer
nur als Beispiel angegebenen Ausführungsform, wobei auf die beigefügten Zeichnungen
Bezug genommen wird. Hierin zeigen: Fig. 1 gans schematisch eine Kugelmühle, in
der die Trennung der Stücke der Hülle und des Kernbrennstoffs am Ausgang erfolgt
und die einen Peil einer für Urandioxid-Kernbrennstoffelemente bestimmten erfindungsgemäßen
Behandlungsvorrichtung bildet; Fig. 2 ähnlich Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung,
in der eine Fluorierung des Kernbrennstoffs in der Kugelmühle selbst bei Gegenstromführung
der Stücke und der Fluorierungsmittel erfolgt.
-
Die in Fig. 1 gezeigte, in einer nicht gezeigten dichten Schutzkammer
aufgestellte Vorrichtung ist zur Behandlung von Kernbrennstoffelementen
beßtimmt,
die Jedes aus einer Säule von Tabletten von Urandioxid UO2 oder von dem gemischten
Oxid UO2-PuO2 in einer Hülle aus rostfreiem Stahl besteht. Diese Kernbrennstoff-
@ elemente 10 werden durch eine schematisch geneigte Scheren. batterie 14 zu Stücken
12 zerschnitten. Die Stücke 12 fallen in einen Einlauftrichter 16 einer Kugelmühle
18 mit Stahlkugeln.
-
Diese Kugelmühle besteht aus einer um Zapfen 22 drehbaren Trommel
20, die leicht, geneigt ist, um die Weiterförderung der Stücke der behandelten Kernbrennstoffelemente
zu bewirken. Diese Trommel 20 ist in einem als Halter dienenden'feststehenden Mantel
24 angeordnet. Die Trommel 20 ist mit regelmäßig verteil-'' ten Querwänden 26 versehen,
die an ihrem Umfang Durchtrittsöffnungen 28 für die Stücke besitzen. Diese Durchtrittsöffnungen
sind genügend klein bemessen, daß die Wände die Kugeln 30 zurückhalten. Um das Anheben
der Kugeln längs der zylindrischen Wand zu erleichtern und ihre Fallhöhe zu vergrößern,
ist die Innenseite der Wand mit mehreren, beispielsweise sechs, längs Mantellinien
angeschweißten Längsrampen 32 versehen.
-
Die Trommel 20 speist einen Auslauftrichter 34, der die Stücke der
Hülle und das gepulverte Brennmaterial auf ein Sieb 36 ag.'-' führt, das durch nicht
gezeigte Vorrichtungen in Schwingungen versetzt wird, Die Stücke der leeren Hülle
gleiten über das Sieb 36 utd werden abgeflihrt, während das gepulverte Kernbrennstoff-'
material durch das Sieb geht und sich in einem Sammelbehälter 38 sammelt.
-
Die Arbeitsweise der Vorrichtung erscheint klar: Beim Drehen der Trommel
20 durch einen Motor 40 unterliegen die längs der Trommel wandernden Stücke der
hämmernden Einwirkung der Kugeln 30.
-
Das Brennstoffmaterial zerbröckelt allmählich und tritt aus den Enden
der Stücke der Hülle auß, die längs der Trommel umlaufen und sich allmählich entleeren.
Am Ausgang der Kugelmühle fallen diese Stücke auf das Schwingsieb 36, wodurch der
gepulverte Kernbrennstoff in einem Sammelbehälter 38 getrennt von den leeren Hüllenstücken
aufgefangen werden kann0 Im folgenden ist als Beispiel, ohne die Erfindung darauf
su begrenzen, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
Die zu behandelnden Kernbrennstoffelemente bestehen aus einer Säule von Tabletten
von 5,7 mm Durchmesser aus gesintertem U02 in einer Hülle aus rostfreiem Stahl von
0,9 mm Wandstärke und 6,7 mm Außendurchmesser. Diese Elemente sind in Stücke von
etwa 15 mm Länge zerschnitten und werden in die Kugelmühle eingeführt, deren Trommel
sich mit 60 Umdrehungen/Min. dreht Die Dauer der Behandlung zur vollständigen Entleerung
des Kern brennstoffinhalts aus 90 Hüllenstücken beträgt 15 Mini, wenn man 12 Kugeln
von 31 mm Durchmesser und Je t20 g Gewicht verwendet. Sie beträgt nur 10 Mini, wenn
man zum Entleeren des Kernbrennstoffs aus 100 Hüllenstücken 10 Kugeln mit 40 mm
Durchmesser und je 270 g Gewicht benutzt. Im letzteren Fall verbleibein jedoch in
einigen Hüllenstücken einige nicht entfernte U02.
-
Teilchen. Wie ersichtlich, ermöglicht die Erhöhung des Kugelgewichts
eine Verringerung der Behandlungsdauer0 Dieses Gewicht
kann Jedoch
nicht unbegrenzt erhöht werden, da ein gewisses "Verstemmen" der Hüllenstücke an
den Enden auftritt, wodurch sie verschlossen werden und der Austritt des Oxidpulvers
behindert wird. Man muß also innerhalb annehmbarer Grenzen bleiben und sich im obigen
Fall mit Kugeln von höchstens einigen 100 g Gewicht begnügen.
-
Nach beendetem Arbeitsgang verfügt man am Ausgang der Kugelmühle über
das isolierte Oxidpulver, das für anschließende Behandlungen bereit ist, die einerseits
die flüchtigen Hexafluoride UF6 und PuF6 und andererseits Verbindungen, welche Spaltprodukte
enthalten, liefern sollen.
-
Wie bereits oben gesagt, eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung bestens zur unmittelbaren Fluorierung9 welche
zu den flüchtigen und daher von den Fluoriden der Spaltprodukte leicht abtrennbaren
Verbindungen UF6 und PuFs führt. Diese Fluorierungsbehandlung kann in mehreren Stufen
auf verschiedene Weise erfolgen, wobei bestimmte Verfahrensweisen den Vorteil besitzen,
daß nur eine einzige Vor richtung benötigt wird, um gleichzeitig oder nacheinander
die Kernbrennstoffelemente von der Hülle zu befreien und einen Teil der anschließenden
Fluorierungsbehandlung, der zu UF4 und PuF4 führt, durchzuführen.
-
1. Eine erste Verfahrensweise besteht darin, die vollständige Pluorierungsbehandlung
in zwei Stufen durchzuführen: a) entweder durch eine Oxydation bei etwa 4000 C zu
U3O8 und PuO2 in der Kugelmühle und anschließende Fluorierung zu UF6 und PuF6 anßerhalb
der
Kugelmühle oder b) durch eine Vorfluorierung mittels Fluorwasserstoffsäure zu UF4
und PuF4 in der Kugelmühle und anschließende Fluorierung. a) Im Fall der Oxydation
reagiert der Sauerstoff mit dem Uran dioxid UO2 bei einer Temperatur von etwa 4000
C und liefert das Oxid U308 in Form feiner Teilchen. Der Vorteil dieser Verfahrensweise
ist, daß U308 sich durch Einwirkung von Fluor viel leichter als das Urandloxid UO2,
selbst wenn es pulverisiert ist, zu Hexafluorid umsetzen läßt. Außerdem ist das
U3O8 noch zerbrechlicher als UO2, und die Oxydation erleichtert das Entfernen der
Hülle, wenn dieser Arbeitsgang gleichzeitig vorgenommen wird. b) Im Fall einer Vorfluorierung
durch Fluorwasserstoffsäure gefolgt von einer vollständigen Fluorierung, laufen
die folgenden Reaktionen bei etwa 4000 a ab:
Die Vorteile dieser Verfahrensweise liegen in der Verringerung des Fluorverbrauche
sowie darin, daß eine zusätzliche Dekontaminierung ermöglicht wird, da bestimmte,
mit der Fluorwasserstoffsäure flüchtige Fluoride liefernde Spaltprodukte bei dieser
Verfahrenastufe in der KugelmUhle abgetrennt werden und sich daher nicht in den
gebildeten Tetrafluoriden von Uran oder Plutonium wiederfinden, welche fest sind.
-
In beiden Fällen verwendet man für die erste Stufe die in Fig.1 gezeigte
Vorrichtung bei kontinuierlichem oder diskontinuierlichem Betrieb. Bei kontinuierlichem
Betrieb führt man das gasförmige Reagens im Gegenstrom zu den Stücken, während die
Entleerung der
Hüllen erfolgt. Bei diskontinuierlichem Betrieb führt
man das Reagens am Ende des mit einer Füllung Yon Stücken durchgeführten, Arbeitsgangs
der Entleerung der Hüllen durch.
-
In beiden Fällen kann man die Trommel der Kugelmühle als Heizmantel
benutzen. Für eine kontinuierliche Verfahrensweise muß die gemäß Fig. 1 beschriebene
Vorrichtung an ihrer stromabwärte gelegenen Seite (am rechten Ende in Fig. 1) eine
Zuführungsleitung für das Reagens und an der stromaufwärts gelegenen Seite eine
Abführungsleitung für die flüchtigen Reaktionsprodukte und überschüssiges Reagens
besitzen0 Die Neigung der Vorrichtung wird so gewählt, daß der Durchlauf der Stücke
mit einer solchen Geschwindigkeit erfolgt, daß das Kernbrennstoffmaterial während
einer für die vollständige Fluorierungsreaktion ausreichenden Zeit in der Kugelmühle
verbleibt0 Selbstverständlich müssen die Vorrichtungen zum. Eintragen und Austragen
der Stücke mit dichten Schleusen versehen sein, um das Entweichen von in der Kugelmühle
strömenden gasförmigen Produkten zu vermeiden.
-
Für einen diskontinuierlichen Betrieb fügt man der mit Bezug auf Fig.
1 beschriebenen Vorrichtung eine Reagenszuleitung und eine Ableitung für flüchtige
Produkte an, die mit Filtern zur Verhinderung des Mitreißene von Pulvern versehen
ist. Die erhaltenen Produkte, d.hB die feinen Oxidteilchen U308 und Pu02 in einem
Fall und die Tetrafluoride im anderen Fall, sind fest und können in einen für die
vollständige Fluorierungsreaktion geeigneten Reaktor ausgetragen werden.
-
2. Eine zweite Verfahrensweise besteht darin, die Pluorierungsbehandlung
in drei Stufen durchzuführen: Zunächst eine Oxydation, die in der Kugelmühle selbst
durchgeführt wird und zu Oxiden U308 und PuO2 führt: -Eine Vorflhorierung durch
Fluorwasserstoffsäure, um die festen Tetrafluoride UF und PuP4 zu erhalten, die
ebenfalls in der 4 Kugelmühle durchgeführt werden kann; Schließlich eine Fluorierung
mittels Fluor, welche die flüchtigen Hexafluoride UF6 und PuF6 liefert.
-
Die beiden ersten Stufen dieser Behandlung in der Kugelmühle können
diskontinuierlich durch aufeinanderfolgende Zugabe der Kombinations-Reagenzien oder
kontinuierlich unter Verwendung eines / reaktors, der mehrere aufeinanderfolgende
Reaktionsbereiche enthält, durchgeführt werden* Fig, 2 zeigt schematisch eine Vorrichtung
zur kontinuierlichen Durchführung der Oxydationsstufe und der Vorfluorierungsstufe
der oben beschriebenen, aus drei Stufen bestehenden vollständigen Behandlung in
der Kammer der Kugelmühle. Zur Verein fachung sind entsprechende Teile der Fig.
1 und 2 mit den gleichen Bezugsseichen bezeichnet, die jedoch in Fig. 2 mit einem
Indexetrich versehen sind, Die Vorrichtung besitzt eine zylindrische Kammer 24e,
in der die Trommel 209 der Kugelmühle angeordnet ist0 Nur ein erster Abschnitt 42
dieser Trommel besitzt Trennwände 26' zum Zurückhalten von Kugeln 30'. Der zweite
Teil der Trommel, der ohne Trennwände ausgebildet ist,wird von nicht gezeigten Heizvorrichtungen
umgeben,
wodurch die Temperatur in ihm geregelt werden kanne In diesem zweiten Teil mündet
am stromabwärts gelegenen Ende der Trommel eine Fluorwasserstoffsäure-Zuführungsieitung
48. An einem mittleren Punkt mündet eine Sauerstoffzuführungsleitung 50. Diese beiden
Leitungen sind selbstverständlich in die Tronel durch eine Drehdichtung eingeführt.
Man kann den zwischen der letzten Wand 26 und de@ Hündung der Leitung 50 liegenden
Bereich 44 als einen Oxydations-Vorfluorierungsbereich und den Endbereich 46 als
einen Vorfluorierungsbereich bezeichnen. Eine Zuführungsschleuse 52 für Stücke und
eine Austragechleuse 54 für entleerte Hüllenstücke und die festen Reaktionsprodukte
sind offensichtlich vor. gesehen.
-
Die Arbeitsweise der Vorrichtung ergibt sich aus der obigen Be° schreibung:
Die Stücke der Kernbrennstoffelemente werden nach einander im Bereich 42 von den
Hüllen getrennt. Das Urandioxid wird im Bereich 44 zu U308 oxydiert und teilweise
fluoriert, wobei dieser Bereich durch die Heizvorrichtungen bei einer Temperatur
von etwa 4000 C gehalten und von dem Gemisch von Fluorwasserstoffsäure und Sauerstoff,
die durch die Leitungen 48 bzw. 50 zugeführt werden, durchspült wird. Schließlich
erfolgt die Vorfluorierung zu UF4 und PuF4 im Bereich 46, der durch Heizvorrichtungen
bei etwa 5000 a gehalten wird und durch den im Gegenstrom reine zugeführte Fluorwasserstoffsäure
strömt. Die entleerten Hüllenstücke, die nicht fluorierten Spaltprodukte und das
Gemisch der Tetrafluoride werden von der Austrägschleuse 54 aufgenommen. Die flüchtigen
Spaltprodukte und der Überschuß an Fluorwasserstoffsäure und Sauerstoff entwe,chen
durch den Rohrstutzen 22' und die Leitung,56. Die aufgefangenen Fluide können
in
üblicher Weise gereinigt und in Hexafluoride umgewandelt werden.
-
Die obige Verfahrensweise bssitst verschiedene Vorteiler Tor allem
führt die Vorbehandlung mit Fluorwasserstoffsäure, für welche man befriedigende
Drehdiohtungen herstellen kann, zu einer anschließenden Einsparung an Fluor, das
ein teures Reagens ist. Da die Endbehandlung in Gegenwart von reiner Fluorwasserstoffsäure
und nicht mit einem Gemisch HP-02, das zu einem Produkt mit immer noch einem hohen
Gehalt an Oxid fuhren würde, durchgeführt wird, wird ein größer Teil des Urans und
Plutoniums zu Tetrafluorid voriluoriert. Eine Teildekontaminierung erfolgt durch
das Entweichen von flüchtigen Spaltprodukten durch die Leitung 56.
-
Die Erfindung kann vielfach abgewandelt werden, insbesondere hinsichtlich
der Art der zur Umsetzung des als Oxid vorliegenden Kernbrennstoffe zum Fluorid
benutzten Fluorierungsmittel. Je nach der Art dieser Mittel (Fluorwasserstoffsäure,
Fluor, Brompentafluorid usw.) sind die in der Vorrichtung einzuhaltenden Temperaturen
offensichtlich verschieden.