DE2249424B2 - Verfahren zur Herstellung von hoch 238 Pu hoch 16 0 tief 2 - Google Patents

Description

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geöffnetes Ventil 5 an eine Abgasleitung 9 angeschlossen.

Über die Zuführungsleitung 8 wird ein Gasgemisch aus Cl und CCl₄ etwa im Mischungsverhältnis 1 : 1 zugeführt und chloriert das im Schiffchen 3 befindliche Pu O₂ zu Pu Cl₄. Dieser Stoff ist bei den Reaktionstemperaturen von etwa 600 C flüchtig und k >ndensiert bzw. sublimiert im Kondensationsrohr 2 als fester Niedeibchlag. Dabei findet auch eine räumliche Trennung der ebenfalls chlorierten Verunreinigungen des ursprünglichen Materials statt, so daß damit auch eine Feinreinigun:* des Plutoniums verbunden ist. Über das geöffnete Ventil 5 und die Abgasleitung 9 werden der Überschuß im Reaktionsgas sowie flüchtiger Chloride der Verunreinigungen sowie CO₂ als Reaktionsprodukt abgeführt.

Die Oxidation der nunmehr sa-erstofffreien Plutoniumverbindung erfolgt nach Fig. 1 b mit Hilfe von Wasserdampf, dessen Sauerstoffanteil praktisch nur aus dem erwünschten Sauerstoffisotop ¹⁶O besteht.

Die in Fig. la dargestellte Einrichtung wird nach Abkühlung auf Raumtemperatur getrennt und am Schliff des Kondensationsrohrs 2 ein Kolben 7 mit einem entsprechenden Anschlußstück 6 angesetzt. Der Ofen 4 wurde vorher über das Kondensationsrohr geschoben und das Ventil geschlossen. Im Kolben 7 befindet sich Wasser mit einem Zusatz von Natronlauge. Letztere hat die Aufgabe, das frewerdende Chlor zu binden und die Flüssigkeit im Kolben 7 alkalisch zu halten, damit im Raum oberhalb des Fliissigkeitsspiegels nur reiner Wasserdampf vorhanden ist. Durch eine nicht dargestellte Heizeinrichtung wird in dem Raum oberhalb des Flüssigkeitsspiegels sowie im Kondensationsrohr ein Wasserdampfpartialdruck von 0,01 ata eingestellt und das Kondensationsrohr 2 zunächst für etwa 1 h auf Raumtemperatur gehalten. Dabei wird das an den Wandungen in fester Form haftende PuCI₄ zu PuOCl oxidiert. Das dabei freiwerdende HCl-Gas löst sich in der Lauge, es einsteht Na Cl und Wasser. Anschließend wird durch entsprechende Einstellung der Heizeinrichtung der Wasserdampfpartialdruck auf etwa 1 ata erhöht und durch den Ofen 4 eine Temperatur von 300 bis 600 C eingestellt. Dadurch findet eine vollständige Oxidation zu Pu O₂ statt. Durch eine weitere Erhöhung der Temperatur können eventuell noch verbleibende Chlorrcste ausgetrieben werden. Auch für die zweite Oxidationsstufe ist eine Reaktionszeit von 1 h vorgesehen.

Die Apparatur kann so lange betrieben werden, als noch eine genügende Menge von Natronlauge zur Neutralisation des gebildeten HCl-Gases vorhanden ist. Die verbrauchte Menge Natronlauge wird dann nach Entfernung des Kochsalzes (NaCl) wieder ersetzt.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Einrichtung zur mehr technischen Durchführung des Verfahrens dargestellt, wobei in Fig. 3 das bei den verschiedenen Verfahrensschritten einzustellende Temperaturprofil des Ofens dargestellt ist. Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht hier aus einem durchgehenden horizontalen Reaktionsrohr, vorzugsweise aus Quarz, das an die Gaszuführungsleitung 8 und die Gasabführungsleitung 9 unter Zwischenschaltung der Ventile 10 und 11 angeschlossen ist. Das Reaktionsrohr 12 ist durch seitliche Stopfen 13 und 14 abgeschlossen, die mit dem Platinschiffchen 3 bzw. einer Kondensationshülse 20 mechanisch verbunden sind. Diese Hülse kann dabei beispielsweise aus Quarz bzw. Platin bestehen und schließt an ihrem dem Platinschiffchen 3 zugewandten Ende möglichst dicht an das Reaktionsrohr 12 an. Auf diese Weise ist es möglich, das sich bildende Plutoniuir.cxid ohne Zerstörung der Appaiatur aus dem Reaktionsrohr durch Abnahme des Stopfens 14 zu entnehmen.

An die Stelle des Kolbens 7 treten hier die miteinander kommunizierenden Gefäße 71 und 72, die mit regelbaren Heizeinrichtungen 73 und 74 verbunden sind. Diese beiden Gefäße sind über die Leitungen

ίο 15 und 16 sowie die Ventile 17 und 18 in der dargestellten Weise mit dem Reaktionsrohr 12 verbunden. Der Ofen 4 erstreckt sich praktisch über die gesamte Länge der Einrichtung, seine im einzelnen nicht dargestellten Abschnitte ermöglichen die Einstellung des benötigten Temperaturprofils, das in der Fig. 3 dargestellt ist. Dabei wird von einer Länge des Reaktionsrohrs von 100 cm ausgegangen. Da die Fig. 3 über der Fig. 2 gezeichnet ist, ergibt sich aus dem auf der Abszisse angegebenen Längenmaßstab auch die ungefähre

ao Größe der im Reaktionsrohr 12 enthaltenen Teile. Der Durchmesser des Reaktionsrohrs beträgt dabei etwa 5 cm.

Zur Durchführung des Verfahrensschritts gemäß Fig. la werden die Ventile 10 und 11 geöffnet und die Ventile 17 und 18 geschlossen. Durch den Ofen wird im Reaktionsrohr das Temperaturprofil α eingestellt. Über das Rohr 8 wird sodann Chlor und CCl₄ eingeleitet. Das im Schiffchen 3 befindliche Plutoniumdioxid mit natürlicher Sauerstoffisotopenzusammensetzung wird dadurch in PuCl₄ umgewandelt. Die Abgase entweichen wie in Fig. la durch die Leitung 9, die in nicht dargestellter Weise an eine Filteranlage für die Verunreinigungen und eine Gasrückgewinnungsanlage angeschlossen ist. Nach einer Zeit von etwa 1 h werden

die Ventile 10 und II geschlossen und nach Abkühlung des Reaktionsrohrs 12 das Schiffchen 3 durch Abnahme des Stopfens 13 entnommen. Anschließend werden das Rohr 12 wieder verschlossen und die Ventile 17 und 18 geöffnet. Durch die Heizeinrichtung 73

und 74 wird nunmehr ein Wasserdampfpartialdruck von 0,01 ata eingestellt. Die Temperatur im Gefäß 72 wird etwas niedriger als im Gefäß 71 gehalten, damit eine Kreislaufströmung des im Gefäß 71 gebildeten Dampfs über das Kondensationsrohr 20 stattfinden kann. Der über die Leitung 16 im Gefäß 72 ankommende Wasserdampf wird dort kondensiert, gleichzeitig wird dort das mitgeführte HCl-Gas durch die Natronlauge neutralisiert.
Anschließend wird mit Hilfe des Ofens 4 das Temperaturprofil b eingestellt und die Oxidation des im Kondensationsrohr 20 ursprünglich vorhandenen PuCl₄ zu Pu O₂ vollendet. Die in dieser Vorrichtung eingesetzte Menge von Plutoniumdioxid beträgt etwa 50 g, das in den Behältern 71 bzw. 72 eingesetzte Wasser hat ein Volumen von etwa 100 ml. Diese Behälter können selbstverständlich in nicht dargestellter Weise noch mit einem Vorratsbehälter für H₂ ¹⁰O bzw. Na ¹⁶OH verbunden sein. Das sich während des Betriebs bildende Na Cl kann aus der Behälterfüllung durch einsetzbare und kühlbare Einsätze, an denen eine Auskrislallisierung des gelösten Kochsalzes stattfindet, aus dem Kreislauf herausgenommen werden. Nicht unerwähnt soll bleiben, daß zur Reinigung und Kontrolle der Strömung des Reaktionsgases Waschflaschen in die Leitungen 8 und 9 eingebaut sein können.

Im Gegensatz zu dem bereits erwähnten Stand der Technik wird durch dieses Verfahren ein praktisch 100 "zeiger Anteil des Sauerstoffisotops ¹⁶O im PIu-

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toniumdioxid erzielt. Diese Reinheit hängt ausdrücklich vom Anreicherungsgrad des eingesetzten Wassers in diesem Sauerstoffisotop ab. Ein Verlust dieses wertvollen Wassers bei der Reaktion bzw. eine Abreicherung des darin enthaltenen Sauerstoffisotops tritt nicht auf. Das gebildete Plutoniumdioxid kann in äußerst reiner Form dem Kondensationsrohr 20 entnommen werden und steht dann ohne weitere Reinigungsmaßnahmen für die Weiterverarbeitung als Energiequelle z. B. für Herzschrittmacher bereit.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

23 49 424 ι 2 der Offenlegungsschrift 17 92 435 bekannt, Plutonium-Patentansprüche: dioxid mit natürlicher Sauerstoffisotopenzusammen- setzung mit Wasserdampf zu behandeln, der an den

1. Verfahren zur Herstellung von ²³⁸Pu O₂, des- Sauerstoffisotopen ¹⁷O und ¹⁸O abgereichert ist. Dieses sen Sauerstoffanteil praktisch nur aus dem Isotop 5 Verfahren eines Isotopenaustauschs muß dabei im ¹⁶O besteht, dadurch gekennzeichnet, Temperaturbereich zwischen 500 und 800 C geführt daß Pu O₂ mit natürlicher Sauerstoff-1sotopenzu- werden. Außerdem ist eine kaskadenartige Durchsammensetzung bei etwa 600°C in einem Gasstrom führung desselben notwendig, um entsprechende Abaus Chlor und CCl₄ zu PuCl₄ umgesetzt und in reicherungsgrade an den unerwünschten Sauerstoffeiner Kondensationsstrecke bei 400 bis 200X in i° isotopen zu erzielen. Es stellte sich daher die Aufgabe, fester Form niedergeschlagen wird, anschließend nach einer Möglichkeit zu suchen, die nicht nur einen in zwei weiteren Schritten zunächst bei Raumtem- wesentlichen geringeren apparativen und auch zeitperatur sowie einem Wasserdampf-Partialdruck liehen Aufwand benötigt, sondern auch zu einem von etwa 0,01 ata und dann kz\ Temperaturen von besseren Endergebnis hinsichtlich der Anreicherung etwa 300 bis 600 C sowie einem Druck von etwa 15 des Sauerstoffisctops ¹⁶O im ²³⁸Pu O, führt.
1 ata mit Hilfe von H₂ ¹⁶O Dampf über eine Zwi- Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß schenstufe zu ²³⁸Pu ¹⁶O₂ oxidiert wird. vorgeschlagen, das Pu O₂ mit natürlicher Sauerstoff-I.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens isotopenzusammensetzung bei etwa 600 C in einem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gasstrom aus Chlor und CCl₄ zu PuCl₄ umzusetzen horizontales Reaktionsrohr (12) von einem über »° und in einer Kondensationsstrecke bei 400 bis 200 C seine Länge im Temperaturprofil einstellbaren in tester Form niederzuschlagen und anschließend in Ofen (4) umgeben ist, das Reaktionsrohr (12) an zwei weiteren Schritten zunächst bei Raumtemperatur beiden Enden Verschlußstopfen (13 und 14) auf- sowie einem Wasserdampf-Partialdruck von 0,01 ata weist, von denen der eine (13) ein in das Reaktions- und dann bei Temperaturen von etwa 300 bis 600 C rohr ragendes Platinschiffchen (3) und der andere »5 sowie einem Druck von etwa 1 ata mit Hilfe von (14) eine in das Reaktionsrohr (12) ragende Kon- H₂ ¹⁶O Dampf über eine Zwischenstufe von Pu ¹O Cl densationshülse trägt und schließlich das Reak- zu Pu ¹⁶O₂ zu oxidieren.

tionsrohr (12) an dem Ende mit der Platinschiff- Dieses Verfahren umgeht also die bekannte Technik cheneinführung wahlweise über ein Ventil (10) mit des Isotopenaustauschs mit seinem großen apparativen einer Cl/CCl₄-Zuleitung (8) oder über ein Ventil (17) 30 Aufwand und oxidiert das Pu zu Plutoniumdioxid mit einer H₂ ¹⁶O-Dampfzuleitung (15) und an dem durch Anwendung des Sauerstoff-Isotops ¹⁶O. Dieses Ende mit der Kondensationshülseneinführung Isotop wird aus Wasser entnommen, das vorher an wahlweise über ein Ventil (11) mit einer CO₂- den beiden schädlichen Sauerstoffisotopen ¹⁷O und Abgasleitung (9) oder über ein Ventil (18) mit einer ¹⁸O mit Hilfe an sich bekannter Verfahren, die nicht Abiampf- und HCl-Abgas'seitung (16) verbunden 35 Gegenstand dieser Erfindung sind, abgereichert wurde. ist, wobei die Dampfzuleitung (15) mit dem Ober- Die dazu erforderliche Umsetzung des Ausgangsteil eines H₂ ¹⁶O enthaltenden Dampferzeuger- materials in eine sauerstofffreie Verbindung erfolgt gefäßes (71) mit Heizung (73) und die Abdampf- dabei nach einer Methode, wie sie in ihren Grundzügen und HCl-Abgasleitung (16) mit dem Oberteil eines für die Aufarbeitung von Kernbrennstoffen vorgeschlamit Heizung (74) versehenen Gefäßes (72), das 40 gen wurde, siehe die deutsche Offenlegungsschrift Natronlauge mit ¹⁶O-Sauerstoffanteil enthält, in 15 92 413, und auch schon für die Feinreinigung von Verbindung steht und das Dampferzeugergefäß (71) ²³⁸Pu benutzt worden ist. Das erfindungsgemäße und das Natronlaugengefäß (72) am Boden mit- Verfahren stellt somit in besonders vorteilhafter Weise einander kommunizieren. die Kombination einer Feinreinigung des Plutoniums

45 mit der Oxidation desselben dar.

Der technische Fortschritt gegenüber dem genannten Stand der Technik ist dabei insbesondere durch die

Qualität des Endprodukts gegeben sowie außerdem

durch den wesentlich geringeren Verbrauch des sehr

50 kostspieligen H₂ ¹⁶O, da keinerlei Isotopenaustausch stattfindet, sondern vielmehr eine chemische Um-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver- setzung.

fahren zur Herstellung von Plutonium 238 Oxid, Die Fig. 1 bis 3 dienen der weiteren Veranschaudessen Sauerstoffantei! aus dem Isotop ¹⁶O besteht. lichung dieses Verfahrens, wobei die Fig. 1 und Ib Ein derartig aufgebautes Plutoniumoxid hat große 55 einen labormäßigen Aufbau zur Durchführung desBedeutung als Wärmequelle für biomedizinische selben und die Fig. 2 und 3 eine fabrikationstechnische Zwecke, also z. B. für Herzschrittmacher. Bei normalen Einrichtung zeigen.

Plutoniumoxiden ist der Sauerstoffanteil zusammen- Die Fig. la zeigt einen labormäßigen Aufbau für gesetzt aus den Isotopen ¹⁶O, ¹⁷O und ¹⁸O. Die natür- die Umsetzung des Plutoniumoxids mit natürlicher liehe Verteilung derselben beträgt dabei für ¹⁶O 99,7%, 60 Sauerstoffzusammensetzung in eine sauerstofffreie für ¹⁷O 0,037% und für ¹⁸O 0,204%. Die ausnutzbare Plutoniumverbindung. Das ursprüngliche PuO₂ be-Hauptenergiestrahlung des Plutoniums 238 besteht in findet sich in einem Platinschiffchen 3 innerhalb eines einer leicht abschirmbaren α-Strahlung. Diese a-Strah- Reaktionsrohrs 1 aus Quarz, an das eine Gaszufühlung führt jedoch bei Verunreinigungen c'urch leichte rungsleitung 8 angeschlossen ist. Dieses Reaktions-Elemente sowie an den Sauerstoffisotopen ¹⁷O und ⁶5 rohr 1 ist von einem in seinem Temperaturprofil ein-¹⁸O in Folge einer (α, n)-Reaktion zu einer hohen stellbaren Ofen 4 umgeben und über einen Schliff Neutronenaktivität, die nur schwer abgeschirmt wer- mit einem Kondensationsrohr 2, ebenfalls aus Quarz, den kann. Zur Vermeidung dieser Aktivität ist es aus verbunden. Dieses Kondensationsrohr 2 ist über ein