DE2251423A1

DE2251423A1 - Verfahren und sorptionskolonne zum wiederaufarbeiten von in einer sauren loesung enthaltenen brenn- und/oder brutstoffen mit thorium als brutstoff

Info

Publication number: DE2251423A1
Application number: DE2251423A
Authority: DE
Inventors: Octave Coenegracht; Erich Dr Zimmer
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1972-10-20
Filing date: 1972-10-20
Publication date: 1974-05-02
Also published as: US3991154A; JPS4993795A; FR2204016B1; FR2204016A1

Description

Verfahren und Sorptionskolonne zum Wiederaufarbeiten von in einer sauren Lösung enthaltenen Brenn- und/ oder Brutstoffen nit Thorium, als Brutstoff

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Sorptionskolonne zum Wiederäufarbeiten von unter Verwendung von Thorium als Brutstoff hergestellten -Brenn- und/oder Bruteleraenten für Kernreaktoren, bei den der Brenn- und/oder 3rutstoff in einer Säure, wie Salpetersäure, Schwefelsäure oder dergleichen, gelöst und die Lösung einer Flüssi^-Flüssig-Reaktion nit in einen organischen Lösungsmittel Gelösten Sxtraktionsnittel, wie Tributylphosphat, unterworfen wird,, wobei Brennstoff und 3rutstoff in der organischen Phase an^ereiqhert werden und die Spaltprodukte in der wäßrigen Phase bleiben, worauf die als SaI¹Ze anfallenden Brenn- und/oder Brutstoffe in Oxide, Carbide oder dergleichen überführt werden.

Für die Umwandlung des im Reaktor eingesetzten Thoriums gilt die Formel

_φ. / » 233_Φ>1 3 233- ß 233_TT ^{Th (η}'^{γ) Th} 22 _tk min ^Pa 27 Λ d ^U

Dabei fällt als Zwischenglied in dieser Zerfallsreihe das verhältnismäßig langlebige Pa an. Zwar ist die

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Menge des anfallenden Pa verhältnismäßig gering, doch führt seine Anwesenheit zu Schwierigkeiten bei der

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-χ-

Wiederaufarbeitung der bein Durchgang durch den Kernreaktor abgebrannten Brenn- und/oder Brutstoffelemente. Denn in Brenn- und/oder Brutstofflösungen, die zur Wiederaufarbeitung gebildet werden, geht etwa die Hälfte der Gesamtradioaktivität auf Pa zurück, wenn die Elemente, bevor der Brenn- und/oder Brutstoff in Lösung gegeben wurde, nur kurzzeitig gekühlt worden waren. In diesem Falle tritt die gefürchtete Strahlenzersetzung des bei der Wiederaufarbeitung verwendeten Extraktionsmittel ein. Dieser Ilachteil läßt sich zwar vermeiden, wenn vor Einleitung der Maßnahmen zur Wiederaufarbeitung eine hinreichend lange Kühlzeit der Brenn- und/oder Brutelemente, die den Reaktor durchlaufen haben, in Kauf genommen wird. Da jedoch die in diesem Falle erforderlichen langen Wartezeiten die Inkaufnahme hoher Zinsverluste bedeuten, ist es zur wirtschaftlichen Durchführung der Wiederaufarbeitung erforderlich, Wartezeiten so weit wie möglich abzukürzen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß bei einem bisher häufig angewandten Verfahren zur Wiederaufarbeitung von Brenn- und/oder Brutelementen für Kernreaktoren, nach dem Brenn- und/oder Brutstoffe in einer Säure, beispielsweise in Salpetersäure, Schwefelsäure, Salzsäure oder dergleichen, gelöst werden, und die Lösung sodann einer Flüssig-Flüssig-Reaktion unterworfen wird, wobei als Extraktionsmittel in einem organischen Lösungsmittel, wie Dodekan, gelösten Aminen oder Tribuytlphosphat und die dabei anfallenden Salze nach der Tren-

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nung in Oxide, Carbide oder dergleichen überführt werden»

Pa zusammen mit den Spaltprodukten zum radioaktiven

Abfall gelangt. Das führt zu einem Verlust an potentiellen Spaltstoffen, der eine erhebliche Verteuerung des Verfahrens verursacht..

Es ist zwar bereits vorgeschlagen worden, die starke Sorptionsneigung des Protactiniums aus sauren Lösungen an verschiedenen bekannten Sorbenzien auszunutzen und

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das Pa von den übrigen Stoffen abzutrennen. So ist

233 · · beispielsweise vorgeschlagen worden, Pa in Silikagel zu sorbieren (Akaä. nauk SSSR. Trudy Komissii po analiticheskoi khimii. VoI XV, I965, 369 - 3T¹J- üast-tr-96). Ein weiterer Vorschlag besteht darin, ein unter der Handelsbezeichnung "Vycorglas" bekanntes, im wesentlichen aus Sieseisäure bestehendes Glas zur Sorption zu benutzen, das eine hohe spezifische Oberfläche besitzt (OHiIL-TM-563, 19δ3)»- liach diesen bekannten Vorschlägen soll das in Sorptionskolonnen enthaltene S-ilikagel oder Vycorglas

ρ ο ο

mit Pa, das zusammen mit den übrigen Stoffen ir. einer zur Tf.iederaufarbeitunä der Brenn- und/oder Brutstoffe verwendeten Säure enthalten ist, beladen werden. Anschließend sollten die Sorptionskolonnen mit einem Elutionsmittel," zum Beispiel mit in Wasser gelöster Oxalsäure eluiert werden. Dazu war es notwendig, vor Durchführung der übrigen Kaßnahmen zur Tiiederaufarbeitung die Sorptionskolonnen wechselweise zu betreiben. Von erheblichem Ilachteil waren diese Vorschlage deshalb, weil dabei Sorption und Desorption diskontinuierlich durchgeführt werden mußten, nachteilig war auch, daß

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zur Desorption die Verwendung spezieller Chemikalien erforderlich war und daß nach der Desorption das Uran in einer chemischen Verbindung, beispielsweise in oxalsaurer Lösung,vorlag, so daß es nicht oder nicht ohne zusätzliche Maßnahmen möglich war, für.die notwendige Trennung der Spaltprodukte von den spaltbaren Stoffen und den Brutstoffen die üblicherweise verwendete Flüssig-Flüssig-Extraktions-Anlage zu benutzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, durch die diese Nachteile veri.iieden werden und die insbesondere eine kontinuierliche

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Abtrennung des Pa aus Brenn- und/oder Brut stofflösungen erlaubt, so daß die Wirtschaftlichkeit der Wiederaufarbeitung von Thorium enthaltenden Brenn- und/oder Brutstoffen beträchtlich erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, daß Protactinium aus Säuren, beispielsweise Salpetersäure-, Schwefelsäure- oder Salzsäurelösungen, an einer Reihe von Sorbenzien sorbiert wird, nicht jedoch das in diesen Lösungen enthaltene Uran und daß somit beim Zerfall von sorbiertem Protactinium gebildetes Uran von diesen Lösungen desorbiert wird.

Von dieser Erkenntnis ausgehend wird die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe dadurch gelöst, daß die den Brenn- und/oder Brutstoff enthaltende Säurelösung vor der Flüssig-Flüssig-Extraktion so über eine Sorptions-

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kolonne geleitet wird, daß die Molzahl je Zeiteinheit des "bei der Umwandlung von Thorium anfallenden

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und sortierten Pa gleich der Molzahl des je Zeit-

233 einheit in der Sorptionskolonne zu U zerfallenden -

Pa ist. Ein großer Vorzug des Verfahrens gemäß der

233

Erfindung besteht somit darin, daß Sorption des Pa

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und Desorption des U durch das gleiche Lösungsmittel ermöglicht werden und daß es keiner weiteren Maßnahnen als die der Anordnung einer 'Sorptionskolonne bedarf.

Als sehr vorteilhaft hat es sich "erwiesen,.zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung eine Sorptionskolonne zu verwenden, die so bemessen ist, daß ihre Länge

D λ · q.

ist, wobei

L die Länge der Sorptionskolonne in cm,

ρ das Schüttgewicht des Sorbens je Volumeneinheit in g · cm ,

D der Durchmesser der Sorptionskolonne in cm,

R das die Kolonne in der Zeiteinheit durchströmende Volumen der Brenn- und/oder Brutstoff enthaltenden

3 · — 1

Säure, gemessen in cm * min ,

C⁰Pa die Pa-Konzentration in der sauren Lösung vor der Sorption in g * cm ,

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225U23 - ζ -

233 ~1

λ die Zerfallskonstante von Pa in min ,

2 33

q die Gleich^ewichtsbeladunG des Sorbens nit Pa,

-1

gemessen in β Pa · (τ des Sorbens,

a ein zwischen 1,0 und 1,5 liegender Faktor ist.

'■ ■ Aus f ührun "sbeispi el

Verwendet nan zur Sorption des in einer in 3ezu;; auf das Thorium 0,8 nolaren salpetersauren Lösung von Uo jato abgebrannten Brenn- und/oder Brutstoffen

233
enthaltenem Pa eine Sorptionskolonne, deren Länge

bei einem Schütt^ewicht des als Sorbens verwendeten Vycor£.lases ρ von 0,7^3 G/cm ,

einen Durchmesser D = 21,9 cn,

eines in der Zeiteinheit der Kolonne durchströmenden Volumen der Brenn- und/oder Brutstoff enthaltenden Säure R = 331 cn /nin,

233
einer Pa-Konzentration in der sauren Lösung vor der Sorption C⁰Pa von 0,12U · 10~³ g/cn , einer vorbestimmten Gleichcewichtsbelaaunc des

2 33 ~3

Vycor&lases ait Pa q, von 12,3 * 10 g/g

°* 233

bei einer Zerfallskonstanten λ für Pa von 1,76 * 10~⁵/nin

und eineu Faktor a von 1,18

L = 910 ca

2 33 ist, so liejt die Konzentration des Pa in der aus der Sorptionskolonne austretenden sauren Losung nachweislich bei 1 % bezogen auf die Konzentration der Lösung vor der Sorption.

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Claims

Keriiforschungsanlage Julien Gesellschaft ciit beschränkter Haftung

Patentansprüche

1J Verfahren zum Wiederaufarbeiten von unter Verwendung von Thorium, als Brutstoff hergestellten 3renn- und/ oder Brutelementen für Kernreaktoren, bei dem der Brenn- und/oder Brutstoff in einer Säure, wie Salpetersäure, Schwefelsäure oder dergleichen, gelöst und die Lösung einer Flüssig-Flüssig-Reaktion mit in einem organischen Lösungsmittel gelösten Extraktionsinittel, wie Tributylphosphat, unterworfen wird, wobei Brennstoff und Brutstoff in der organischen Phase ange^- reichert werden und die Spaltprodukte in der wäßrigen Phase bleiben, worauf die als Salze anfallenden Brenn--, und/oder Brutstoffe in.Oxide, Carbide oder dergleichen überführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß die den Brenn- und/oder Brutstoff enthaltende Säurelösung vor der Flussi&-Flüssig-Extraktion so über eine Sorptionskolonne geleitet wird, daß die Molzahl je Zeiteinheit des bei der Umwandlung

233 von Thorium anfallenden und sorbierten Pa gleich der Molzahl des je Zeiteinheit in der Sorptionskolonne zu U zerfallenden Pa ist.

- ² - BAD

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2. Sorptionskolonne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länße der Sorptionskolonne

_LBa._J L.^. JLLJil

P ir · D λ · q

ist, wobei

L die Länge der Sorptionskolonne in cm,

ρ das Schüttgewicht des Sorbens je Volumeneinheit in g · cm ,

D der Durchmesser der Sorptionskolonne in cm,

R das die Kolonne in der Zeiteinheit durchströmende Volumen der Brenn- und/oder Brutstoff enthaltenden Säure, gemessen in cn · min ,

C⁰Pa die Pa-Konzentration in der sauren Losung vor der Sorption in g · cm ,

2 33 ^—1 λ die Zerfallskonstante von Pa in min ,

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q__m die Gleichcewichtsbeladung des Sorbens mit Pa

gemessen in £ Pa * s des Sorbens, a ein zwischen 1,0 und 1,5 liegender Faktor

ist.

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