DE1942948A1 - Einrichtung zum Aufarbeiten von thoriumhaltigen Brenn- und/oder Brutelementen - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Auf arbeiten von thoriumhaltigen Brenn-und/oder Brutelementen Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung, bei der ein Fließbett mit Anströmboden und dem Fließbett nachgeschalteten Kondensatoren vorgesehen ist, zum Aufarbeiten von thoriumhaltigen Brenn- und/oder Brutelementen, insbeT sondere von Brenn- und/oder Brutelementen, bei denen der Brennstoff oder der Brutstoff in Form von mit Siliciumverbindungen beschichteten, in einer Matrix aus Graphit ein -gebetteten Teilchen vorliegt.
• In Hochtemperaturreaktoren, das heißt in Kernreaktoren, bei denen das Warmeübertragungsmittel auf Temperaturen erhitzt wird, die einen den Wärmekraftwerken nahekommenden Wirkungsgrad haben, werden häufig Brenn- und/oder Brutelemente verwendet, bei denen Thorium- und Urankarbide oder Oxide in einer Matrix aus Graphit eingebettet vorliegen. Der Brennstoff oder der Brutstoff hat dabei häufig die Form kleiner Teilchen mit einem Durchmesser von lmm, wobei auf die Teilchen eine Beschichtung aus pyrolytischei Kohlenstoff und/oder auch aus Siliciumverbindungen, wie Siliciumkarbid, aufgebracht ist.
• Um nach der Bestrahlung in d.em Kernreaktor den Brennstoff und gegebenenfalls den Brutstoff zur erneuten Verwendung von den bei der Kernspaltung entstehenden Spaltprodukten zu befreien, hat man nach einem bekannten Verfahren zur Wiederaufarbeitung solcher Brenn- und/oder Brutelemente bislang den gesamten Graphit und mittels Solventextraktion Brennstoff und Brutstoff separiert und von Reaktorgiften befreit. Dabei ergab sich jedoch die Schwierigkeit, daß die beim Abbrennen des Graphits freiwerdenden radioaktiven Spalt gase nicht ohne: weiteres in die Atmosphäre abgelassen werden dürfen. Es war daher erforderlich; besondere Gasreinigungsanlagen zu entwickeln, die deshalb ziemlich aufwendig waren, weil die Spaltgase durch die große Menge des Anteìls der Abgabe an CO2 und CO sehr verdünnt wurden.
• Sind die Brenn- oder Brutstoffteilchen mit einer Siliciumkarbidschicht umhüllt, so ist entweder der Aufschluß durch Verbrennen nicht möglich, oder die Weiterverarbeitung mittels Solventextration ist erschwert, weil sich bei den Temperaturn, bei denen die Verbrennung erfolgt, Uran-Siliciumyerbindungen bilden, die nur schwer auslösbar sind. Erschwerend ist ferner, daß festgestelLt worden ist , daß während des Abbrandes der Brennstoff teilchen sich Verbindungen zwischen Silieium, h1enstoff, Uran und Sauerstoff bilden. Ein fürdie Praxis gangbarer Weg.- wie aus derartigen Elementen das Uran wiedergewonnen werden kann, ist bisher noch nicht aufgezeigt worden.
• Man hat zwar auch schon versucht, Oxide oder Carbide von Uran und Thorium in ihre Chloride zu überführen und die Chloride anschließend mittels iC1 zu extrahieren und unter Verwendung von Aminen zu dekontaminieren. Dabei ergab sich Jedoch die Schwierigkelt, daß für die Durchführung dieses Verfahrens keine geeignete Vorrichtung, insbesondere kein geeigneter Werkstoff für eine solche Vorrichtung, gefunden werden konnte, da bei den für die Durchführung des V9rfahrens infrage kommenden Temperaturen von etwa 1000 oC die Gefahr der Korrosion durch Chlor besteht.
• Im Zusammenhag mit der Chlorierung von TiO2 hat man zwar auch schon vorgeschlagen, für die Durchfthrung der Reaktion ein poröses Graphitrohr zu verwenden, das dadurch gasdicht gemacht wird, daß es innerhalb eines gekühlten Stahlmantels angeordnet ist. Wegen der Kontaminationsgefahr durch Chloride, die sich in den kälteren Teilen der Einrichtung unkontroliért niederschlagen, ist diese Einrichtung jedoch für die Chlorierung von Brenn- und/ader Brutelementen, bei denen der Brenn- oder der Brutstoff in einer Graphitmatrix eingebettet vorliegt, nicht verwendbar.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Einrichtung zu schaffen, durch die Brenn- und/oder Brutstoffe, bei denen der Brenn- oder der Brutstoff in einer Graphitmatrix eingebettet vorliegt, bei Temperaturen von 1000 °C und mehr chloriert werden können, ohne daß die Gefahr einer radioaktiven Verseuchikng oder einer Korrosion des Strukturmaterials besteht.
• Die Erfindung geht dabei von der überraschenden Erkenntnis aus, daß die Chlorierung in einer Einrichtung aus Graphit durchfürbar:.ist, obwohl bei der Durchführung des Verfahrens zum Aufbereiten von Brenn- und/oder Brutelementen der KohlenstoftSelbst Reaktionspartner ist.
• Zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe wird eine Einrichtung, bei der ein Fließbett mit Anströmboden und dem Fließbett nachgeschalteten Kondensatoren vorgesehen ist, verwendet, bei der das Fließbett gemäß der Erfindung aus Graphit oder einem sonstigen an sich bekannten, bei Temperaturen oberhalb 1000 0C beständigen Wirkstoff, auf dem eine Beschichtung aus pyrolytischem Kohlenstoff aufgebracht ist,besteht, wobei auf die Außenwandung des Fließbettes eine dünne Schicht aus Titansilicid oder Siliciumcarbid aufgebracht ist. Es hat sich gezeigt, daß dieses Fließbett bis zu Reaktionstemperaturen von 1500 OC verwendbar war. Durch die allseitige Beschichtung des Fließbettes mit pyrolytischem Kohlenstoff blieb der Graphit auch bei diesen Temperaturen gasdicht, die Beschichtung mit Titansilicid oder Siliciumcarbid bot sicheren Schutz vor Oxidation.
• Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Einzelteile des Fließbettes lösbar, insbesondere mittels Schraubenverbindingen miteinander zu verbinden, wobei die Nahtstellen mittels Folien aus Graphit abgedichtet sind. Solche Graphitfölien sind beispielsweise unter den Handelsbezeichnungen Sigriflex, Papyes oder Grafoil bekannt. Die Beheizung des Fließbettes kann in an sich bekannter Weise von außen erfolgen. Sehr vorteilhaft ist jedoch auch die Beheizung im direkten Stromdurchgang nach Art eines Tammannofens.
• Der Anströmboden besteht zweckmäßig aus porösem Koks. Der dadurch -in Abhängigkeit von der Wandstärke der verwendeten Anströmböden verursachte Druckverlust beim Einleiten des Chlorgases kann ausgenutzt werden zur Beeinflussung des Fließverhaltens der Reaktionspartner im Fließbett. Außerdem wird durch den beim Durchströmen des Anströmbodens erzielten Druckverlust der Verbrauch an Chlorgas reduziert. Zweckmäßig ist der Anströmboden zum Entleeren des Fließbettes in senkrechter Richtung so verschiebbar, daß zwischen dem unteren Rand des Fließbettes und dem Anströmboden ein Spalt gebildet werden kann, durch den der Inhalt des Fließbettroaktors abfließen kann, sobald die Reaktion abgiaufen ist Im Kopf des Fließbettes ist ferner ein Filter angeordnet, das zweckmäßig ebenfalls aus Koks besteht. Dadurch wird das Austragen von Feinstaub sehr wirksam verbindert.
• Als zweckmäßig hat es sich ferner erwiesen, die an das Filter anschließende Ableitung, sowie die in der Ableitung in an sich bekannter Weise angeordneten Kondensatoren, aus mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtetem Graphit zu bilden, wobei in den Kondensatoren eine Schüttung aus gekörngtem Koks vorgesehen ist. Vorteilhaft ist, daß durch die Verwendung von Graphit als Werkstoff die Bildung von Thoriumoxid in den Leitungen verhindert wird, die zum Verstopfen der Leitungen führen kann. Wird die Ableitung, wie es sich ferner als vorteilhaft erwiesen hat auf SoO aufgeheitzt und treten somit die gasförmigen Reaktionsprodukte bei Temperaturen zwischen 400°ß00°C in die Kondensatoren ein, so ergibt sich durch dieFülIung aus Koks der weitere Vorteil, daß innerhalb der Kondensatoren reduzierende Bedingungen geschaffen werden, Durch die Porösitt des Kokses ist ferner gewährleistet, daß er zusätzlich in gleicher Weise wie das Filter wirkt, so daß auch dadurch verhindert wird, daß der Feinstaub ausgetragen wird. Es hat sich gezeigt, daß in dem zwischen den Kokskörnem gebildeten Volumen für das Kondensat genügend Platz vorhanden ist. Die Verwendung von Graphit als Werkstoff hat außerdem den Vorzug, daß er mechanisch leicht bearbeitbar ist und außerdem sehr billig ist.
• Die Einrichtung gemäß der Erfindung wird zweckmäßig in der Weise betrieben, daß das Fließbett auf etwa 1000 °C aufgeheitzt wird, wobei durch den Anströmboden Chlorgas mit einer solchen Geschwindigkeit eingeleitet wird, daß sich im Fließbett eine Wirbelschicht bildet, und wobei der mit den Elementeneingebrachte Graphit zur Reduktion benutzt wird. Dabei laufen im Fließbettreaktor, wenn die Brenn- und/oder Brutstoffe als Oxide eingebracht werden, die nachfolgenden Reaktionen ab: Wird nun nach einer weiteren sehr zweckmäßigen Verfahrensmaßuahme von oben und von unten in die in der an das Filter/ Ableitung angeordneten Kondensatoren zur Einstellung eines hohen Chlorpotentials Chlorgas eingeblasen, so verschiebt sich dadurch das thermodynamische Gleichgewicht der Reaktionen zu Gunsten von UCI5 und UCL6. Das hat zur Folge, daß im Kondensator nur CBCI4 kondensiert während SiCl4, UCl5 und UCL6 in der Gasphase verbleiben. Thorium und Uran lassen sich somit in einfacher Weise separieren.
• In einem nachgeschalteten Kondensator, der auf einer Temperatur von 300C gehalten wird, werden sodann die Uranchloride unter Einspeisung von Stickstoff an einer Füllung aus gekörntem Koks niedergeschlãgen. In einem weiteren nachgeschalteten Kondensator, in dem in an sich bekannter Weise eine Kühlschlange vorgesehen ist, wird SiCl4 niedergeschlagen.
• Daran anschließend werden in einer Adsorbtionsfalle Kohlenmonoxid und Stickstoff in an sich bekannter Weise aus dem Gaskreislauf entfernt.
• Ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung zum Aufarbeiten von thoriumhaltigen Brenn- und/oder Brutelementen gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung dargesteflt und wird im folgenden näher beschrieben, es zeigen: Fig. 1 Eine schematische Darstellung der Einrichtung zum Aufarbeiten von Brenn- undsoder Brutelementen, Fig. 2 e:inen Längsschnitt durch das Fließbett der Einrichtung nach Figur 1.
• Wie aus der Zeichnung hervorgeht, gelangen die Brenn- und/ oder Brutelemente aus dem Vorratsbehälter 1 in die Happlpermühle 2, in der sie zerkleinert werden. Das dabei anfallenden Gut mit einem Durchmesser von weniger als 0,3mm wird mittels des Siebes 3 abgesiebt. Während das Gut mit größerer Durchmesser zunächst in der Kuge4schwingmühle 4 weiterhin wird zerkleinert/und dann erst in den Vorratsbehälter 5 geffingt, wird das Gut mit dem unterhalb 0,3mm liegenden Durchmesser direkt in den Vorratsbehälter 5 eingespeist. Von hier aus gelangt das Mahlgut über das zum Dosieren angeordnete Zellenrad 6 und das Chargierrohr 7 in das Fließbett S. Das Fließbett 8 ist mittels der Heizung 9 auf eine Temperatur von etwa 0°C aufheizbar. Die Füllung des Fließbettes 8 wird zunächst mit Stickstoff aufgewirbelt. Anschließend werden die aus dem Fließbett 8 und die beim Durchströmen der Mühle 4 mit dem Stickstoffstrom mitgeführen Spaltgase mittels an sich bekannter Einrichtungen (A) entfernt. In der anschließenden Verfahrensstufe wird in das Fließbett 8 Chlorgas mit einer auf den zylindrischen Querschnitt bezogenen Strömungsgeschwindigkeit von 0,5 bis 0,7 Ncm3/cm2 sec eingeleitet.
• Dabei richtet sich die Strömungsgeschwindigkeit nach der Kornverteilung des Reaktionsgutes in dem Fließbett 8. Das Chlorgas strömt dabei durch den Anströmboden 10 in das Fließbett 8 ein, der zum Entleeren des Fließbettes in senkrechter Richtung verschiebbar ist. Als Werkstoff für den Anstromboden 10 wird zweckmäßig poröser Koks benutzt. Das hat den Vorteil, daß entsprechend der verwendeten Wandstärke der Druckverlust des einströmenden Gases einstell?ar ist so @ daß auf diese Weise das Flie'ßbettverhalten des eaktionsgutes im Fließbett 8 beeinflußbar ist. Mit dem Fließbett 8 sind ein Unterteil 11 und ein Oberteil 12 in an sich bekannter Weise lösbar, beispielsweise durch Verschrauben, verbunden, wobei, wie aus der Zeichnung nicht hervorgeht, als Dichtungen Folien aus Graphit vorgesehen sind. Das Unterteil 11 und das Oberteil 12 aus einem an sich bekannten chlorbeständigen metallischen Werkstoff wie Nickel, oder einem sonstu geeigneten Werkstoff werden zur Kühlung von einem geeigneten Kühlmittel durchströmt. Im oberen Teil des Flief'ettes :st ein Filter 13 aus Koks so angeordnet, daß das Austragen von Feinstaub verhindert wird. Der von dem Filter 13 zurückgehaltene und ihm anhaftende Staub wird entsprechend dem jeweiligen Bedarf in gewissen Zeitabständen abgeblasen. Die bei der Reaktion im Fließbett 8 entstehenden Reaktionsprodukte strömen, nachdem sie das Filter 13 passiert haben, durch die Ableitung 14 in den Kondensator 15 . Dabei wird die Ableitung 14 in an sich bekannter Weise zweckmäßig auf eine Temperatur oberhalb 8000C aufgeheizt. Die Temperatur des Kondensators 15 liegt zwischen 4000 und 500°C. Die Ableitung 14 und der Kondensator 15 bestehen zweckmäßig ebenfalls aus Graphit, wobei der Graphit durch Beschichten mit pyrolytischem Kohlenstoff gasdicht gemacht worden ist. Der.Kondensator 15 enthält, wie aus der Zeichnung nicht hervorgeht, eine Schüttung aus gekörntem Koks. Dadurch werden in dem Kondensator 15 reduzierende Bedingungen geschaffen. Da außerdem in dem Kondensator 15 Chlorgas zur Einstel1ung eines hohen Chlorpotentials eingeblasen wird, wird erreicht, daß eine Verschiebung des thermodynamischen Gleichgewiehts der in der Einrichtung zum Quçarbeiten von Brenn- und/oder Brutelementen gemäß der Erfindung ablausndelReaktionen der Art eintritt, daß in dem Kondensator 15 nur Tee14 kondensiert. Der Kondensator 15 ist über Leitungen aus einem unter der Handelsbezeichnung Hastelioy C bekanten Werkstoff über die Leitung 16 mit einem weiteren Kondensator 17 verbunden, der auf einer Temperatur von etwa 30°C gehalten wird. Der Kondensator 17 besteht ebenfalls aus dem unter der Bezeichnung Hastelloy C hergestellten Werkstoff. In dem Kondensator 17 werden die gebildeten Uranchloride unter Einspeisung von Stickstoff an einer gleichfalls in dem Kondensator 17 enthaltenen-in der Zeichnung nicht dargestellten - Füllung aus gekörntem Koks niedergeschlagen. Dem Kondensator 17 ist über die Leitung 18 ein weiterer Kondensator 19 nachgeschaltet, in dem das bei der Reaktion im Fließbett 8 gebildete SiCl4 in flüssiger Form an einer in dem Kondensator 19 vorgesehenen Kühlschlange 20 niedergeschlagen und nach uhtenabgezogen wird. Als Werkstoff für die Leitung 18 und den Kondensator 19 hat sich ebenfalls der unter der Bezeichnung Hastelloy C bekannte Werkstoff bewährt. An den kondensator 19 ist mittels der Leitung 21 eine Adsorbtionsfalle 22 angeschlossen, in der in an sich bekannter Weise Kohlenmonoxid und Stickstoff aus dem Gaskreislauf entfernt werden. In einer daran angeschlossenen Kühlfalle 23 werden in gewissen Zeitabständen die in dem Chlorgas enthaltenen Spaltgase ausgefroren. Eine an sich bekannte Chlorpumpe 24 fördert das Chlorgas sodann im Kreislauf zum Fließbett 8 wieder zurück.
• Beim Betrieb der Einrichtung zur Aufarbeitung von Brenn- und/ oder Brutelementen gemäß der Erfandung wurdsaschald die Aufnahmefähigkeit der Kondensatoren nachließ, die Kondensatorenfüllungen in Ertraktoren abgelassen, die Chloride mit 4M HC1 in an ich bekannter Weise extrahiert und unter Verwendung von Amicen gleichfalls in an ssen benannter Weise dekontaminiert. Die Kobsfüllungen der Kondensatoren sind nach Trocknung wieder verwendbar. Das bei dem Verfahren der Einrichtng zum Aufarbeiten von Brenn- und/oder Brutstoffelementen gemäß der Erfindung gewonnene Uran und Thorium wird, beispielsweise nach dem Sol-Gel Verfahren, wieder zu oxiduschen Kernen verarbeitet.

Claims (7)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Einrichtung zum Aufarbeiten von Brenn- und/oder Brutelementen insbesondere von Brenn- und/oder Brutelementen, bei denen der Brennstoff oder der Brutstoff in Form von mit Silicium beschschteten in einer Matrix aus Graphit eingebetteten Teilchen vorliegt, wobei ein Fließbett mit Anströmboden und dem Fließbett nachgeschalteten Kondensatoren vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Fließbett (8) aus Graphit oder einem sonstigen an sich bekannten, bei Temperauren oberhalb 1090 °C beständigen Werkstoff, auf dem eine Beschichtung aus pyrolytischem Sohlenst.off aufgebracht ist, besteht, wobei auf die Außenwandung des Fließbettes (8) eine dünne Schicht aus Titansilicsum oder Siliciumcarbid aufgebracht int.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 ski a d u r @ h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Ein seile des Flisßbettes (8) lösbar, insbesondere mittels Schraukenverbindngenymiteinander verbunden sind, wobei die Nahtstellen mittels Folien aus Graphit abgedichtet sind.

3.Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Fließbett (8) im direkten Stromdurchgang nach Art eines Tammannofens aufheizbar ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Anströmboden aus porösem Koks besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß d.er Anströmboden(10) in senkrechter Richtung so verschiebbar ist,daßzwischen dem unteren Rand des Fließbettes(8)und dem Anströmboden (10) ein Spalt gebildet werd.eWkann

6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d. u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Kopf des Fließbettes (8) ein aus Koks bestehendes Filter (13) angeordnet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i e h n e t, daß d.ie Kondensatoren (15,17) aus mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichteten Graphit bestehen, wobei in den Kondensatoren (150, 17) eine Füllung aus gekörntem Koks vorgesehen ist.

L e e r s e i t e