DE2106903A1

DE2106903A1 - Ofen zur pyrochemischen Aufbereitung von Brennstoffelementen fur Kernreak toren

Info

Publication number: DE2106903A1
Application number: DE19712106903
Authority: DE
Inventors: Joseph Dipl Ing Mol Donk Wurm (Belgien)
Original assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Current assignee: European Atomic Energy Community Euratom
Priority date: 1970-02-09
Filing date: 1971-02-09
Publication date: 1971-08-26
Also published as: FR2079336B1; NL7001798A; FR2079336A1; LU62556A1; US3787598A; BE762216A; GB1292778A

Description

Europäische Atomgenieinschaf t (EURATOM) Europazentrum Kirchberg/Luxemburg

Ofen zur pyrochemiscben Aufbereitung von Brennstoffelementen

für Kernreaktoren

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen zur pyrochemischen Aufbereitung von Brennstoffelementen für Kernreaktoren und zwar auf einen Ofen, in welchem zwei Verfahren kombiniert durchgeführt werden können, die früher von der Anmelderin vorgeschlagen wurden, nämlich ein Verfahren zum Entfernen der Verkleidung von Brennstoffelementen für Kernreaktoren (belgisches Patent Nr. 705 939) und ein Verfahren zur Aufbereitung von Kernreaktorbrennstoff (USA-Patent Nr. 3 399 977) Die Erfindung bezieht sich in der Hauptsache auf einen Ofen, in welchem aus schnellen Reaktoren stammende Brennstoffelemente aufbereitet werden können, obwohl der Ofen auch für andere Zwecke brauchbar ist. Die Erfindung betrifft aehr im einzelnen einen Ofen, in welchem von den Brennstoffelementen eines schnellen Reaktors zunächst die Verkleidung entfernt und dann der Brennstoff selbst in Pulverform gebracht wird mit der Absicht einer weiteren Behandlung über wässrige Lösung wie das bekannte Lösen in Salpetersäure und das Abscheiden von Uran und Plutonium mit Hilfe von selektiven/ organischen Lösungsmitteln.

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Die bekannten Vorbereitungsmethoden vor dem Auflösen des bestrahlten Brennstoffes in Salpetersaure wie das mechanische Zerkleinern der Brennstoffelemente und ihrer Verkleidungshülsen, beispielsweise aus rostfreiem Stahl (die sog. "chop and leach"-Methode), haben beim Aufbereiten von aus schnellen Reaktoren stammenden Brennstoffelementen ziemlich viele Nachteile wie:

a) Brennstoffelemente aus schnellen Reaktoren, die mit flüssigen Natrium gekühlt werden, können mit anhaftendem Natrium verunreinigt sein und, sofern die Verkleidungshülsen während des Betriebs des Reaktors zerbrochen bzw. gerissen sind, selbst in ihrem Inneren Natrium enthalten. Vor Anwendung der "chop and leach"-Methode muß dieses Natrium zuerst entfernt werden.

b) Die verhältnismäßig komplexe geometrische Form eines Brennstoffelements für einen schnellen Reaktor (meistens ein längliches Bauteil oder eine Hülse mit sechseckigem Querschnitt, die eine hohe Anzahl von bleistiftdünnen, mit rostfreiem Stahl verkleideten Brennstoffstäbchen enthält) eignet sich nicht gut für die grobmechanische Behandlung nach der "chop and leach¹¹—Methode.

c) Die in solchen Brennstoffelementen vorhandenen verhältnismäßig große Jodmenge macht die unmittelbare Anwendung von organischen Lösungsmitteln weniger wirksam. Eine vorangehende Entfernung dieses Jods ist erwünscht.

d) Solche Brennstoffelemente enthalten viel Plutonium, so daß Kritizität eintreten kann, wobei ferner beia Aufbereiten dieser Elemente mehr Wärme freigesetzt wird als bei normalen Brennstoffelementen, so daß es erwünscht ist, das Verfahren thermisch gut in der Hand zu haben.

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Diese Nachteile können vermieden werden, indem das Verfahren zum Entfernen der Verkleidung von Brennstoffelementen mit Hilfe von flüssigen Metallen, wie es in dem genannten belgischen Patent Nr. 705 939 beschrieben ist, mit dem Verfahren zum Behandeln von bestrahlten Kernreaktorbrenn— Stoffen mit Hilfe von schmelzflüssigen Salzen nach dem vorgenannten USA-Patent Nr. 3 399 97? kombiniert wird.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen, in welchem dies erfolgen kann.

Der Ofen, der aus einem senkrecht angeordneten Teil besteht, das sich zumindest aus einem Außenuiantel aus feuerfestem Material und einer in diesem Mantel konzentrisch angebrachten Verkleidung aus Graphit zusammensetzt, wobei der Ofen an seiner Oberseite durch einen mit einer Gasdurchführungsöffnung versehenen Deckel verschließbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitverkleidung an der Innenseite eine Form aufweist, die mit der Form eines in ihr anzubringenden Brennstoffelements übereilstimmt, wahrend das Brennstoffelement an seiner Unterseite auf einem Filterelement aus Graphit ruhen kann,, und an der Unterseite des Ofens raindestejtis eine verschließbare Abführöffnung vorgesehen ist.

Der Ofen nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den teilweise im Längsschnitt dargestellten Ofen nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Ofen nach Figur 1{ Fig. 3 im einzelnen das Filterelement aus Graphit und

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Pig. k ein Ausführungsbeispiel einer verschließbaren Abführöffnung. ·

Die Bezugszeichen haben in allen Figuren die gleiche Bedeutung, Zunächst wird nun in großen Zügen das Aufbereitungsverfahren beschrieben und später anhand der Zeichnung erläutert. Das Verfahren läuft in drei Stufen ab:

1.) In einer ersten Stufe wird das aufzubereitende Spaltstoffelement in dem Ofen bei hoher Temperatur mit dem flüssigen Metall in Berührung gebracht,·das als Lösungsmittel zum Entfernen der Verkleidungen aus rostfreiem Stall] dient. Bereits nach einigen Minuten sind die dünnen Umhüllungen (ca. 0,3 mm) der bleistiftdünnen Brennstoffstäbchen aufgelöst, während das Gerippe der Hülse aus rostfreiem Stahl von dickerem Material (ca. 3mm) sich noch hält. Zu diesem Zeitpunkt kann die erste Behandlung unterbrochen werden. Der Brennstoff fallt in großen Brocken auseinander und bleibt in der Hauptsache in dem Ofen, obwohl ein Teil von ihm mit dem flüssigen Metall abgeführt werden kann. Das als Lösungsmittel benut-zte Metall besteht bekanntlich aus einer Antimon-Kupfer-Legierung. Die übriggebliebene Hülse oder das Gerippe des .Brennstoffelements wird erst nach Beendigung des gesamten Verfahrens aus dem Ofen entnommen. -

2) Nach dem Entfernen des flüssigen Metalls wird unmittelbar schmelzflüssiges Salz (im vorliegenden Falle ein Gemisch aus NaNO- und Na„0) in den Ofen eingebracht, um den Brennstoff völlig auseinanderfalten .zu lassen und zu pulverisieren gemäß den Reaktionen^ ■·■ ^:V";"■· -

UO₂ + NaNO- + Na₂O —τ- Na₂UO^.+ NaNO₂

oder

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ORIGINAL INSPECTED

UO_n + 2 NaNO. + Na₀O Na₀U₀O- + 2 NaNO

.Das pulverförmige Uranat und die pulverförmigen Plutoniumverbindungen, die entstanden sind, werden mit dem sehmelzfliissigen Salz aus dem Ofen entfernt.

3) Darauf wird der Ofen mit einem zweiten flüssigen Salzgemisch, beispielsweise Na₀S₀O- oder KpS₀O-, gespült, wodurch die letzten Brennstoffreste in dem schraelzflüssigen Salz in lösliche Verbindungen nach Art von Uranylsulfat umgewandelt werden. Dann werden das Brennstoffelementgerippe oder die übriggebliebene Hülse aus rostfreiem Stahl aus dem Ofen entfernt.

Der Kernbrennstoff wird aus dem flüssigen Metall (in welchem nur Spuren pulverförmigen Materials vorhanden sind) durch Sieben des flüssigen Metalls über Graphittuch, Graphitfilz oder Filter aus hochschmelzenden Metallen zurückgewonnen; aus dem sch:;ielzflüssigen Salz der zweiten Stufe ebenfalls durch Filtern über solche Filterstoffe, und aus dem schinel zf lüssigen Salz der dritten Verfahrensstufe, indem es beispielsweise mit KaOII oder Na₀O behandelt wird, worauf der jUrennstoJ'f wieder als Oxid niederschlägt und abgefiltert werden kann. .

Alle iieh.-iri'l! un.'rsj" liissii gkeiten , insbesondere das schmelzflüssiire Sn! ζ der dritten Verfahrensstufe,' können ganz oder teilweise wieder in Umlauf gesetzt werden. Das erhaltene Brennstoffpulver wird weiter in bekannter Weise auf nassem Wege aufbereitet.. Das gesamte Aufbereitungsverfahren nimmt, pro Brennstoffelement weniger aJs eine Stunde in Anspruch.

Dur Ofen, in ·,:<■ I clii;m ilie drei Vcrfnhrensstufen durchgeführt. ~^ inTiJf-u, hai. eine senkrechte ZyI inderform und ist langer als **■> das in ihn! /n behandelnde Brennstoffelement: Die (ir;Viihitver-

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k I <:i litmii" od'T der Grnphi ttiege J 5 hat vorzugsweise einen

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flüssige Salze) ausschließlich innerhalb des Mantels 6 des Brennstoffelements zirkulieren, so daß das Brennstoffelement eigentlich in dem Ofen nach der ,Erfindung die Aufgabe eines primären Schmelztiegels erfüllt; In Figur;1 sind unter dem Ofen die Gefäße oder Behälter 14und ±5 dargestellt^ Sie sind an den Ofen angeschlossen und' mit -'Leitungen für die Zu- und" Abfuhr von fließfähigem Material sowie mit Druck— und/oder Saugleitungen versehen. Sie können zwischen der¹ Innenwand 13 (aus Graphit) und der Außenwand" 11 aus hitzebeständigem Material' mit einer elektrischen Widerstandsheizung 12 versehen sein. In Figur 1 ist eine feststehende Anordnung aus zwei Gefäßen dargestellt, und zwar einem Gefäß Ik für flüssiges Metall und einem Gefäß 15 für schraelzflüssiges Salz. Jedoch gehört zur Erfindung auch die Möglichkeit einer feststehenden Anordnung aus einem oder aus drei Gefäßen. Außerdem ist es möglich, den Ofen horizontal verstellbar, beispielsweise auf Schienen verfahrbar, zu machen, um ihn in den verschiedenen Ve.rfahrensstufen über den gewünschten Behälter zu bringen, oder die Behälter verstellbar zu machen und dem Ofen eine feststehende Anordnung zu geben. Schließlich kann auch mit einem einzigen Behälter gearbeitet werden, der nach jeder Arbeitsstufe entleert und dann mit einem nächsten flüssigen Metall versehen Avird. -' ·

Die schmelzflässigen Salze und die flüssigen Metalle werden. ^v unter Druck in den Ofen hineingepreßt, während sie durch' Absaugen aus ihm entfernt werden« Mit Hilfe der elektrischen Heizung kann der Inhalt der Behälter auf einer Temperatur von 950 - 1000⁰C gehalten werden* Sie können ihrerseits wieder mit nicht dargestellten Behältern in Verbindung; stehen, die mit Filterelementen aus Graphittuch: öder -filz zum Abfiltern des pulveri'örmigen Brennstoffes versehen sfnd.'

Der Ofen nach der Erfindung hat folgende Arbeitsweise:

Das Brennstoffelement wird von seinem Aufbewahrungsort .

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OBIGlNAU INSPECTED

sechseckigen Innenquerschnitt und ist somit der Form der am häufigsten vorkommenden Brennstoffelemente für. schnelle... Reaktoren angepaßt. Um diese Innenverkleidung herum ist__t. zweekmäßigerweise ein elektrisches Heizelement k mit einem hitzebeständigen Außenmantel 3 angebracht, beispielsweise aus Tonerde (Aluminiumoxid) oder Zirkonerde (Zirkonoxid). Um den Außenmantel 3 herum kann gegebenenfalls noch ein kühlbarer Außenmantel angebracht sein. Das elektrische Heizelement muß in der Lage sein, den Ofen auf einer Temperatur von beispielsweise 800 C zu halten. Bei der dargestellten Ausführungsform paßt das zu behandelnde Brennstoffelement 6,7 mit einem Spielraum von einigen mm in den Ofen hinein. Die Oberseite des Brennstoffelements ist unmittelbar an die Gasdurchführung 1 im Deckel 2 angeschlossen, der den Ofen hermetisch verschließt. Der Boden des Ofens besteht aus einem Graphitblock 9, in welchem mindestens eine verschließbare Abführöffnung vorgesehen ist. Vorzugsweise besitzt der Block 9 jedoch zwei voneinander abhängig verschließbare Öffnungen, wie es in Figur k veranschaulicht ist. Das Graphitventil l6 läßt sich in dem Block hin—und herschieben, so daß entweder die öffnung 17 oder die Öffnung 18 mit dem Ofen in Verbindung stehen. Zwischen dem Fuß des Brennstoffelements 6, 7 und dem Block 9 befindet sich ein Filterelement 8 aus Graphit. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß das Filterelement einfach aus einem Graphitstück bestehen kann, das eine dem Fuß des Brennstoffelements angepaßte Form aufweist und mit einer Anzahl von Durchbohrungen mit einem Innendurchmesser von beispielsweise 0,5 bis 1 mm versehen ist, —» so daß nur pulverförmiges Material passieren kann, jedoch C₀ keine großen Brennstoffstücke.- Zum gleichen Zweck ist um den f° Fuß des Brennstoffelements herum ein Tuch aus Graphit oder ^OT ein Metallsieb oder ein Stück Gaze aus hochschmelzendem —» Metall angebracht. Dieses Tuch oder diese Gaze hält während J₀ der ersten Verfahrensstufe Metallstückchen und Brennstoff *° zurück: und kann sogar so angebracht, werden, daß die fließfähigen Stoffe (Antimon-Kuper-Legierung und schmelz-'

COPY BAD ORIGINAL

in den Ofen übergeführt und nach dem Anbringen des Filters IO auf den Block 8 im Ofen gestellt. Nach dem Anschließen der Gasabfuhr 1 wird der Ofen mit dem Deckel 2 verschlossen. Jetzt wird das Graphitventil 16 in eine solche Stellung gebracht, daß der Ofen mit dem Gefäß 14 in Verbindung steht. Der Ofen wird auf eine Temperatur von 800 C und die Antimon-Kupfer-Legierung in dem Gefäß 14 auf 900 C gebracht. Dann wird über eine Druckleitung auf das flüssige Metall in dem Gefäß 14 Druck ausgeübt, und man läßt es in dem Ofen hochsteigen bis genau zur Oberseite der dünnen Brennstoffstäbchen in dem Brennstoffelement G, 7. Man läßt das Metall einige Minuten einwirken und das freigesetzte Spaltungsgas über die Gasabfuhr 1 entweichen. Dann wird der Pegelstand des flüssigen Metalls in dem Brennstoffelement bis obenhin erhöht. In dieser Phase kann man das flüßige Metall zum Herbeiführen einer sicheren Rührwirkung durch Absaugen und Hineinpressen pulsieren lassen. Dann laßt man die Metallschmelze in das Gefäß 14 hinein abfließen, wobei eine kleine Menge feinpulverigen Brennstoffs mitgenommen wird. Darauf wird das Ventil umgestellt und der Ofen mit dein Gefäß 15 in Verbindung gesetzt. Das schmelzflüssige Salzgeraisch aus Natriumnitrat und Natriumoxid, das inzwischen auf eine Temperatur von ca. 500 C gebracht worden ist, wird in den Ofen hineingepreßt und in gleicher Weise, wie für das flüßige Metall beschrieben, zum Pulsieren gebr.-.cht. Nach dem Entfernen des schmelzflüßigen Salzes ist fast der gesamte Brennstoff in fein zerteilter aber nicht gelöster Form in dem Gefäß 15 vorhanden. Diese Bearbeitung kann noch mehrmals wiederholt werden.

Die letzten Brennstoffreste in dem Element 6,7 können von einem nicht dargestellten Behälter aus mit schmelzflüssigem KgS₂O- entfernt werden. Dieses schmelzflüßige Salz kann in Anbetracht der geringen Brennstoffmenge, die in ih» noch gelöst wird, viele Male erneut benutzt werden, bevor seine Aufbereitung notwendig ist. Die weiteren Verfahrensstufen,

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wie das Filtern des flüssigen Metalls aus dem Gefäß 14 und des schmelzfliißigen Salzes aus dem Gefäß 15, das Überführen des pulverförmigen Brennstoffes zu dem nassen Aufbereitungsprozeß, das Wiedergewinnen und Wiederinumlaufsetzen der benutzten flüßigen Stoffe und das Aufbereiten des benutzten schmelzflüßigen K₀S₀O-, sind zum Verständnis der Arbeitsweise des Ofens nach der Erfindung von geringerer Bedeutung.

Als die wichtigsten Vorteile des Ofens nach der Erfindung ·■ sind zu nennen:

a) Kompaktheit

Eine Anlage zum Entfernen von an den benutzten Brennstoffelementen haftendem Natrium, eine Detektoreinrichtung zum Feststellen von Beschädigungen an den Brennstoffelementen (in dem Ofen können diese ohne weiteres behandelt werden) und eine Einrichtung zum Zerkleinern der Elemente können fortgelassen werden. Der Ofen mit zugehöriger Apparatur ist so kompakt, daß er sogar in einem gegen Strahlung abgeschirmten Raum beim Kernreaktor aufgestellt werden kann, wodurch der gefährliche Transport von Brennstoffelementen unter flüssigem Natrium zu einer Aufbereitungsanlage vermieden werden icann.

b) Bedienung

Der Ofen ist bequem fernsteuerbar, und seine Bedienung kann auf einfache Weise automatisiert werden.

c) Radioaktiver Abfall

Der Ofen produziert keinen Abfall in wässrigen Lösungen, sondern nur Gase und Feststoffe (erstarrtes abgearbeitete» Salz und Metall), deren Aufbereitung einfacher ist als die mitunter großen Flüßigkeitsmengen, die bei den bekannten Verfahren anfallen.

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d) Bauweise

Der Ofen ist so einfach, daß sein Bau keine konstruktiven Schwierigkeiten bereitet. Die verwendeten Baustoffe wie Graphit, Pyrographit, Zirkonerde (Zirkonoxid) und dergleichen sind im Handel erhältlich, und ihre Bearbeitung ist bekannt und einfach durchführbar. Auch die Anpassung der Innenform an die Abmessungen der zu behandelnden Brennstoffelemente bereitet keine Schwierigkeiten.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. Ofen zur pyrochemischen Aufbereitung von Brennstoffelementen für Kernreaktoren, bestehend aus einem senkrecht angeordneten rohrförmigen Teil, das sich zumindest aus einem Aullenmantel aus feuerfestem Material und einer in diesem Mantel konzentrisch angebrachten Verkleidung aus Graphit zusammensetzt, wobei der Ofen an seiner Oberseite durch einen mit einer Gasdurchfiihrungsöffnung versehenen Deckel verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitverkleidung (5) an der Innenseite eine Form aufweist, die mit der Form eines in ihr anzubringenden Brennstoffelements (G, 7) übereinstimmt, während das Brennstoffelement an seiner Unterseite auf einem Filterelement (8) aus Graphit ruhen kann, und an der Unterseite des Ofens mindestens eine verschließbare Abführöffnung (17 bzw. 18) vorgesehen ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei voneinander abhängig verschließbare Abführöffnungen (i7, 18) in Form eines intermittierend arbeitenden Ventils (l6) aus Graphit vorgesehen sind.

3. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Graphitverkleidung (5) einen sechseckigen Innenquersehnitt aufweist.

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