DE2004967A1

DE2004967A1 - Verfahren zur Rückgewinnung von Bestandteilen aus Kernbrennstoff-Schrott

Info

Publication number: DE2004967A1
Application number: DE19702004967
Authority: DE
Inventors: Henry M.; McGlanahan Henry H.; Lynchburg Va. Heidt (V.St.A.)
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1969-03-14
Filing date: 1970-02-04
Publication date: 1970-09-24
Also published as: GB1296892A; FR2034937B1; FR2034937A1

Description

THE BABCOCK & WILCQX COMPANY, New York, N.Y., 161 East 42nd Street, V.St.A. .

"Verfahren zur Rückgewinnung von Bestandteilen aus Kernbrennstoff -Schrott"

Die vorliegende Erfindung bezieht sieh auf ein Verfahren zur Wiedergewinnung eines oder mehrerer Bestandteile in Schrottmaterial durch Verdampfung und nachfolgende Kondensation der verdampften Bestandteile. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Rückgewinnung des,Urans aus Kernbrennstoff-Schrott in einer Form, die für eine nachfolgende Reinigung geeignet ist.

Bisher wurde der aus Herstellungsvorgängen stammende Kernbrennstoff -Schrott verarbeitet, um d,en Urangehalt des Materiales zurückzugewinnen. In einigen Fällen würde das Schrottmaterial

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durch Verdampfung des Schrottmaterials in Kontakt mit einem aktiv oder passiv reagierenden gasförmigen Anströmmedium in einer Wirbelbett-Reaktionszone verarbeitet. Die bekannten Wirbelbett-Verfahren verwenden einen inerten Feststoff, wie z.B. Sand einer bestimmten Korngröße oder Aluminium-Oxid als Wirbelschicht-Masse, wobei der zu verarbeitende Schrott ebenfalls eine bestimmte Korngröße besitzt und in die Schichtung eingelagert ist. Die Schichtung wird dann zum Fließen bzw. Wirbeln durch ein gasförmiges Medium gebracht, das einen Reaktionsstoff enthält, der einen oder mehrere der Stoffe im Schrott zum Verdampfen bringt» indem flüchtige Salze gebildet werden, die außerhalb der Reaktionszone kondensiert und gesondert verarbeitet werden. Ein Halogen ist in solchen Fällen ein gebräuchlicher Bestandteil im Anströmmedium. Nachteiligerweise ist der Durchsatz in derartigen Wirbelbettschichtungen durch die Grenzgeschwindigkeit des Anströmens, durch Verdünnung der Schichtung und der Entstehung von Flugstaub, der aus dem Reaktionsgefäß entweicht, begrenzt.

Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen ein pulsierendes Wirbelbett benutzt, um den Kontakt zwischen dem Schrottmaterial und dem Anströmmedium herzustellen* Es wurde herausgefunden, daß das Reaktionsgefäß mit Schrott von stark variierender Gestalt und Größe beschickt werden kann, und daß es weder notwendig noch wünschenswert ist, einen inerten gekörnten Stoff im Wirbelbett zu benutzen. Das Pulsieren in der Reaktions-

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zone verkleinert das Schrottmaterial und erlaubt eine hohe Fließgeschwindigkeit ohne ernsthafte Verluste von,feinem
Feststoff aus der Schichtung. Das Pulsieren der Schichtung ist derartig, daß das Anströnunedium die Schichtungsmasse
anhebt, wenn die Fließfront in die Reaktionszone eintritt; dadurch wird ein Auf- und Abgehen wie bei einem Kolben
hervorgerufen, wobei im Verlauf des anfänglichen Hochgehens das Anströmmedium in Blasen durchbricht, wenn die Front sich durch die Schichtung bewegt. Die Schichtungsmasse bricht auf, fließt im Gegenstrom-Prinzip durch die Blasen hindurch und es erfolgt ein Trennen von Feststoff und Gas. Bevor eine
vollständige Trennung erfolgt ist, wiederholt der folgende Zyklus des Anströmmediums das Auf- und Abgehen. Da die
Schichtung angehoben und fallengelassen wird, werden Fließgeschwindigkeiten des Anströmmediums benutzt, die größer als die bekannten sind, mit verstärktem Kontakt zwischen Gas und Feststoffen; massive Stücke in der Schichtung werden durch Abrieb und Stoß zerbrochen.

In der Figur der Zeichnung ist ein schematisches Schaubild der Vorrichtung, in der das Verfahren der Erfindung arbeitet, dargestellt.

Wie dargestellt, ist das Reaktionsgefäß Io aufrechtgestellt.. Es kann die Form eines Zylinders besitzen, dessen Verhältnis Länge zu Durchmesser im allgemeinen 12 : 1 beträgt. Das Gefäß Io ist mit einem Einlaß 11 im Boden 12 versehen,

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wobei der Boden im allgemeinen die Form eines umgekehrten Kreiskegelstumpfes haben kann, in dessen Mitte sich der Einlaß befindet. Der Kopf des Gefäßes ist mit einem Tellerdeckel 13 mit einem zentrischen Auslaß darin versehen. Das Gefäß ist mit Flanschen 15 versehen, um den Zugang und das Auswechseln der zu beschickenden Masse darin zu erleichtern. Ein Filter 16 ist in Verbindung mit dem Gasauslaß 14 vorgesehen, um das Austragen von Feststoffen mit entweichenden Gasen zu unter-

drücken. si■;

Das Anströmmedium wird durch ein Ventilrohr 16a geschickt, das das Gefäß. Io mit einem Ende eines Zylinders 17 verbindet, der im wesentlichen ungefähr ein Drittel der Volumenkapazität des Gefäßes Io besitzt. Der Zylinder 17 ist mit einem Ventilrohr 18 versehen, das vom gegenüberliegenden Ende zu einer Quelle oder Quellen 2o des Anströmmediums führt.

Um das gewünschte Pulsieren innerhalb des Gefäßes Io zu erreichen, sind die Rohre 16a und 18 mit Schnellventilen 21 bzw. 2 2 versehen. Die Ventile werden elektrisch oder mechanisch durch einen zeitlich steuerbaren Betätigungsmechanismus 2 3 bekannter Ausführung betätigt. Gewöhnlich werden die Ventile 21 und 22 gleichzeitig betätigt, so daß eines öffnet, während das andere schließt; jedoch kann auch eine Zeitverschiebung benutzt werden, so daß die Betätigung der Ventile nicht gleichzeitig zu sein braucht. Die Wahl der Arbeitsweise hängt von der Frequenz und Amplitude des pulsierenden Fließens des An-

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Wenn die :Charge sieh im jgefäß Ip befindet₃ ¹WiJPd das pHlsierende fließen des i^strömmediums durch .Betätigung dejr Itorrietitung gestartet» ß° daß der zyklische fluß aus dem itylindei' If durch das Sphr 16a in das Sefäß Ip getriefeen wenden kann _p um das Auf- und Abgehen einzuleiten. Die frequenz und Amplitude des pulsierenden Flußes hängt von der Srößeiaprdnung der sich in dem Gefäß befindenden Charge ab j 'wpbei die firtJßenprdniMg der fließbedingungen und dös Chargengewichtes sp ausgewählt sind₃ daß das Auf- und Abgehen wie pben beschrieben erreicht wird.

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Die Mischung des Anströmmediums ist auf die Zusammensetzung der Schrott-Charge und auf die Art der Trennung der Setzung abgestellt. Wenn Kernbrennstoff-Schrot* wird, enthält die Zusammensetzung des Mediums ein medium, z.B. ein Halogenid, eine Halogen^Säure_a eine bindung, zu denen ein Halogenid gehört, z.B. eine gasförmige Jnter-Halogenid-Verbindung, Brom-Trifluorid, Brom-Pentafluorid O..dgl., oder sogar Sauerstoff, wenn die sich ergebende Reaktion in dem Gefäß Io exotherm ist und die Reaktionstemperatur durch den Prozentgehalt an inertem Gas in dem Anströmmedium gesteuert werden kann.

Gewöhnlich ist Kernbrennstoff-Schrottmaterial aus Uran oder Uran-Oxid und Hüllstoffen gebildet, letztere können eventuell rostfreier Stahl oder Zirkonium sein. Andere Stoff« sijid bekannt. Welche Stoffe es auch immer sein mögen, so können ein oder mehrere der Reaktionsstoffe benutzt werden. Ist z.-B,. das Hüllenmaterial rostfreier Stahl, so können Fluor oder «ine Fluor-Reaktionsverbindung benutzt werden. Es wird die Bildung yon flüchtigen Salzen ausgenutzt, die auch von Uran gebildet werden, wobei dessen und andere Fluorverbindungen entstehen,, die ein differentielles Kühlen zum Kondensieren der Salze zum getrennten Rückgewinnen des Metalls erfordern.

Ein Verfahrensbeispiel der Erfindung, das in einem

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Reaktor durchgeführt wird, ist:

Das Gefäß Io ist ein Zylinder mit 7,6 cm Innendurchmesser und 91,H cm Länge. Die Kammer 17 hat 7,6 cm Innendurchmesser und 3o,5 cm Länge. Die Frequenz des pulsierenden-Fließens, gesteuert durch den Betätigungsmechanismus 23, ist 25 Stöße/min; das Anströnunedium in der Kammer 17 wird mit Io psi (=7,o3 kp/cm ) gedrückt. Die Charge des Sehrottmaterials wiegt 6,1 kp mit Brocken aus Zirkonium-umhülltem Uran-Oxid, die eine Maximalgröße von 2 cm besitzen, und enthielt etwa lo% Staub der Korngröße -2oo mesh. Bei diesem Verfahrensbeispiel ist das Reaktions-Gas HCl (eine Halogen-Säure) und das inerte Gas Argon.

Unter den oben genannten Bedingungen wird die Charge im Gefäß Io bei einer Reaktionstemperatur von 65o°C gehalten, indem die Mischung des Anströmmediums reguliert wird. Die Mischung wird in Obereinstimmung mit der folgenden Tabelle zur Regulierung der Temperatur verändert. Am Endpunkt der Füllungsbehandlung ist die Uranwiedergewinnung reichlich über 95% in Form von UOj, während Zirkoniran aus dem Gefäß Io in Form von Zirkonrum-Tetrachlorid CZrCl^) abgetrieben und im Kondensor 25 zur ' Wiedergewinnung, des Zirkoniums niedergeschlagen wird.

Zusammengefaßt gilt, daß die vorliegende Erfindung ein. . pulsierendes Wirbelbett benutzt, um verschiedene; Kompon.enten. von Kernbrennstoff-Schröttmaterial abzutrennen, wobei es nicht notwendig ist, inerte Feststoffe ,in Pa-ptifcelform·-für, die Wirbelbett-Schicht vorzusehen. Als Ergebnis wird eine gesteuerte,

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hohe Kontaktrate ohne Verdünnungseffekt durch solche Feststoffe erhalten. Das pulsierende Auf- und Abgehen des An'strömmediums erlaubt eine starke Variation der Größe der Einsatzstoffe, wobei die größeren Teile in ihrer Größe durch das pulsierende Fließen und Auf- und Abgehen in der Reaktionszone verkleinert werden.

Tabelle

Reaktor-Werte	Temp
Zeit	(°C)
(min.)	65o
3o	• 65o
60	6 5o
9o	6 5o
12o	65o
15o	65o
I80	6 5o
2 Io	65o
2Ho	65o
27o	65o
3oo	65o
33o	65o
36o	65o
39o	65o
42o	65o
45o	6 5o
U80	65o
51o	65o
54o	65o
57o	65o
600	65o
6 3o	65o
660	65o
69o	65o
72o	65o
75o

Verhältnis des	HCi
Anströmgemisches	Io
Ar	2o
9o	2o
80	2o
80	2o
80	25
80	25
75	4o
75	5o
60	5o
5o	5o
5o	65
5o	65
35	65
35	80
35	80
2o	80
2o	80
2o	80
2o	80
2o	9o
2o	9o
Io	9o
Io	9o
Io	9o
Io
Io

Gesamtdurchfluß (scfm)

2.6

Nni min

Patentansprüche

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Claims

* 3

Verfahren zur Abtrennung von Metallen aus 3 Schröt«mäite;riai £» töirbelscMfeht^ttechnifc,, wobei in Reäk%ionjs2<ine eine SehMntüng von einem Medium von unten ängest;^5«it wiifd unä iti säef» lieaktiönsatöne ^eiin® iin

Stattfindet:, gefeettnzeiehnfet

a5 Köntaictieren des B^ennstofi^SeltrottfliatetiaiiS

def Reaktiöns^öne fiiit" einefti anströmenden Üedium tmter pulsierendem Fließen,

£>) eine Misöiiung des Änsti?onimeiälunis aus inertem Gas und gasförmigen ReaktiiDinsstoffen^i

e3 Anpassijng des pulsierenden Fließens in ©ruck und Volumen^ Sö daß ein Auf- und Abgehen der Wirbelbe tt*· Schichtung im Reaktor hervorgerufen wird, und

d) selektives Kondensieren der entstehenden, verdampfenden Metallsalze außerhalb der Reäktionszone,

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein gas" förmiges Halogen als Reaktionsstoff,

3» Verfahren nach Anspruch I₁ gekennzeichnet durch eine gasförmige Inter-Halogen- Verbindung als Reaktionsstoff.

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-loll·. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Halogen-Säure als gasförmigen Reaktionsstoff.

5. Verfahren nach Anspruch I₃ gekennzeichnet durch Sauerstoff als gasförmigen Reaktionsstoff.

6» Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Steuerung der Zusammensetzung des Anströmmediums zur Aufrechterhaltung einer gewählten Temperatur in der Reaktionszone.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kernbrennstoff-Schrottmaterial Ausschuß der Kernbrennstoff-Herstellung enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Zirkonium-umhülltes Uran als Krenbrennstoff-Schrott.

9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das inerte Gas Argon und der gasförmige Reaktionsstoff Chlor-Wasserstoff (HCl) enthält.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Chlor-Wasserstoff-Gehalt in dem Anströmmedium derartig gesteuert wird, daß eine Temperatur von etwa 65o C in der Reaktionszone aufrechterhalten wird.

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11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anströnunedium mehr als eines der Metalle im Schrottmaterial zur Verdampfung bringt, und der Metalldampf außerhalb der Reaktionszone getrennt zur Kondensation gebracht und gesammelt wird.

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