DE2741402A1

DE2741402A1 - Verfahren zur behandlung von bestrahlten kernbrennstoffen auf trockenem weg

Info

Publication number: DE2741402A1
Application number: DE19772741402
Authority: DE
Inventors: Michel Bourgeois; Georges Manevy; Jean-Pierre Roux
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1976-09-20
Filing date: 1977-09-14
Publication date: 1978-03-23
Also published as: JPS5338896A; SU791271A3; US4202861A; BE858830A; FR2365187B1; FR2365187A1; GB1576657A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Behandlung bzw. Nachbehandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg.

Bestrahlte Kernbrennstoffe, wie die Oxide, Carbide oder Nitride des Plutoniums und/oder Urans müssen nach deren Verwendung in Reaktoren mit schnellen Neutronen oder Leichtwasserreaktoren umgewandelt werden, insbesondere in die Hexafluoride des Plutoniums und/oder Urans. Die Plutonium- und/oder Uranverbindungen sind nach deren Verwendung im Reaktor mit gewissen anderen Verbindungen vermengt, insbesondere mit Spaltprodukten.

Ein bekanntes Verfahren zur Behandlung von Brennstoffen auf trockenem Weg, die in einem Reaktor mit schnellen Neutronen oder einem Leichtwasserreaktor verwendet wurden, die aus gemischten Oxiden des Urans und des Plutoniums bestehen, besteht darin, daß die gemischten Oxide mit einem gasförmigen fluorhaltigen Reagenz, wie Fluor, Brompentafluorid oder Chlortrifluorid, in einer Wirbelschichtreaktionszone umgesetzt werden. Die festen Bestandteile der Wirbelschicht bestehen aus einem inerten Feststoff, beispielsweise aus elektrogeschmolzenen Aluminiumoxidkörnern bestimmter Korngröße, die die Schicht bilden, in die die gemischten Oxide, die UO_, PuO_ und die Spaltprodukte enthalten, die gleichfalls bestimmte Korngröße aufweisen, eingebracht werden. Die Wirbelschicht wird mit einer Gasmischung fluidisiert, die in unterschiedlichen Anteilen das gewählte gasförmige, fluorhaltige Reagenz enthält. Es bilden sich flüchtige Salze, die hauptsächlich eine Mischung aus UF, und

PuF, sowie gewisse Salze der Spaltprodukte enthalten, b

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Diese flüchtigen Salze werden außerhalb der Wirbelbettreaktionszone zwecks deren getrennter Weiterbehandlung kondensiert. Bei diesem Verfahren ist die Wirkung der Wirbelschicht eine thermische. Die während der Fluorierung der Ausgangsoxide und jenen von den Spaltprodukten stammenden, die bis zum Ende des Betriebs in der Masse verdünnt verbleiben, gebildete Wärme wird entfernt.

Das vorstehend beschriebene Verfahren zeigt eine Reihe von Nachteilen. Die Fluorierungsreaktionen des Plutoniumoxids oder des Plutoniumtetrafluorids (Zwischenprodukt bei der Umsetzung von PuO _ zu PuF_fi) sind langsame Reaktionen und in Gegenwart eines inerten Bestandteils, wie Aluminiumoxid, in der Wirbelschicht laufen diese Reaktionen noch langsamer ab. Andererseits kann das Verfahren nicht bei Temperaturen oberhalb 600⁰C betrieben werden, und zwar aufgrund der Korrosion des für die Vorrichtung verwendeten Materials (Nickel oder Monel) und der möglichen Verklumpung des Aluminiumoxids im Wirbelschichtbett bei Temperaturen oberhalb 600⁰C. Die Begrenzung der Temperatur führt gleichfalls dazu, daß die Reaktionen langsam ablaufen. Aus vorstehenden Gründen ist es schwierig, dieses Wirbelschichtverfahren kontinuierlich einzusetzen.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Nachbehandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg besteht darin, daß die Körner des Plutoniumoxids und/oder Uranoxids begleitet von den Spaltprodukten oben in den Turm eines Flammenreaktors eingeführt werden, der ein reaktives, fluorhaltiges Gas enthält. Die Brennstoffkörner, die voneinander isoliert vorliegen, brennen einzeln beim Herunterfallen ab und es bildet sich spontan eine

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Flamme, die sich selbst erhält. Die Flamme hat keinen Kontakt zu den Wänden des Reaktors. Bei diesem Verfahren ist die Kinetik der Fluorierungsreaktion aufgrund der hohen Temperatur im Reaktionsmedium hoch. Die Wände des Flammenreaktors werden überdies gekühlt, um die durch die Flamme freigesetzte Wärme zu entfernen. Die Erhöhung der Temperatur im Reaktionsmilieu begünstigt die Bildung von UF, und PuF, aufgrund der Kinetik der Reaktionen und favorisiert ferner die Bildung von PuF, aufgrund der Thermodynamik, weil weniger fluorhaltiges Reagenz verwendet wird.

Das vorstehend beschriebene Verfahren unter Einsatz eines Flammenreaktors zeigt nichts desto weniger eine Reihe von Nachteilen. Die Reaktionen sind bei Erreichen des Flammenniveaus nicht vollständig abgelaufen. Die unverbrannten oder beim Durchgang durch die Flamme nur teilweise umgewandelten Produkte verlassen diese in festem Zustand. In der Reaktorzone stromab von der Flammenzone liegt die Temperatur jedoch zwischen jener der Flamme (oberhalb 1000⁰C) und der Temperatur des Gnsaustritts (in der Größenordnung von 50 bis 100⁰C). In dieser Zone können gewisse in der Flamme verflüchtigte Reaktionsprodukte wieder in den festen Zustand kondensieren (dies ist der Fall bei dem größten Teil der flüchtigen Salze der Spaltprodukte) oder gewisse Produkte können sich zersetzen (dies trifft beispielsweise auf PuF. zu, das bei der Zersetzung eines Teils des bereits in der Flamme gebildeten gasförmigen PuF, entsteht). Es ist deshalb erforderlich, alle diese nach Durchgang durch die Reaktorflamme anfallenden festen Produkte aufzunehmen, die noch einen Teil des ursprünglichen Urans und ins-

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besondere des ursprünglichen Plutoniums enthalten, und diese getrennt mit Fluor zu behandeln, bis die Umwandlung dieser Verbindungen in die Hexafluoride erreicht wird.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trokkenem Weg, bei dem die vorgenannten Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden und das es gestattet, in einfacher und schneller Weise die Uran- und/oder Plutoniumverbindungen sowie die diese begleitenden Spaltprodukte mit sehr hoher Ausbeute in die Fluoride überzuführen .

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg, die insbesondere Verbindungen des Plutoniums und/oder des Urans, wie die Oxide, Carbide und Nitride enthalten, wobei die Verbindungen des Plutoniums und/oder Urans in die Hexafluoride überführt werden, das dadurch gekennzeichnet ist, daß in einer ersten Stufe in einer ersten Reaktorzone die Verbindungen mit einer Gasmischung, die wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz enthält, in Kontakt gebracht werden, und in einer zweiten Stufe in einer zweiten Zone desselben Reaktors der Rest der Verbindungen, die in der ersten Stufe nicht in die Fluoride überführt wurden, mit einer Wirbelschicht, die mit einer Gasmischung, die wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz enthält, fluidisiert wird, direkt in Kontakt gebracht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird in zwei aufeinanderfolgenden Stufen in einem einzigen Reaktor durchgeführt,

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wobei die Verbindungen, die in der ersten Stufe nicht in Fluoride überführt wurden, direkt in der zweiten Stufe behandelt werden. Dieses Verfahren zeigt wesentliche Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren. Behandelt man beispielsweise die festen, nicht in Fluoride umgesetzten Produkte getrennt in einem anderen Reaktor, ist es notwendig, einen Transport pneumatischer oder mechanischer Art vorzusehen und gegebenenfalls eine Zwischenkonditionierung vorzusehen, um die nicht in Fluoride umgewandelten Produkte auf eine erforderliche Korngröße zu bringen. Werden die nicht in Fluoride überführten Feststoffe durch Rückführung dieser festen Verbindungen in dem gleichen Reaktor behandelt, ist gleichfalls ein Transport der Produkte erforderlich. Der Transport ist aufgrund der behandelten Produkte, die aus einer Mischung aus Fluoriden, Oxyfluoriden und Oxiden bestehen, schwierig, da diese im allgemeinen adhäsivo Eigenschaften aufweisen, und zwar hauptsächlich infolge der thermischen Spaltung aufgrund der Radioaktivität der Spaltprodukte, die diese enthalten. Es ist folglich ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren außerordentlich große Vorteile bezüglich der Umwandlung bietet und es zum erstenmal möglich ist, den Hauptteil der festen Ausgangsverbindungen durch Umsetzung in einer selbsterhaltenden Flamme in die Fluoride zu überführen und danach die verbleibenden festen Verbindungen, die während der ersten Stufe nicht umgesetzt wurden, mittels Reaktion in einer Wirbelschicht zu behandeln, wobei diese zweite Stufe im gleichen Reaktor erfolgt. Auf diese Weise werden sämtliche Transportprobleme und eine diskontinuierliche Verfahrensführung vermieden.

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Bei dem Verfahren werden in der ersten Zone des Reaktors die bestrahlten Kernbrennstoffe mit einer gasförmigen Mischung, die wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz, wie Fluor, Brompentafluorid oder Chlortrifluorid, in Kontakt gebracht. Es bildet sich spontan eine Flamme, die erhalten bleibt, bis der größte Teil der Ausgangsoxide in die gasförmigen Hexafluoride überführt ist. In einer Zwischenzone zwischen der ersten und der zweiten Reaktorzone fallen die festen Verbindungen, die noch nicht in die Fluoride überführt wurden, aufgrund der Gravität nach unten und die in gasförmige Fluoride überführten Verbindungen werden von den verbleibenden festen Verbindungen getrennt und abgezogen. In der zweiten Reaktorzone werden dann die verbleibenden, aus der ersten Flammenzone stammenden Verbindungen in einer Wirbelschicht, die aus fluidisierten Aiuminiumoxidkörnern besteht, mit einer Gasmischung in Kontakt gebracht, die wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz, wie Fluor, Brompentafluorid oder Chlortrif luorid, enthält. Dies führt zur endgültigen Umwandlung der festen verbleibenden Verbindungen in Fluoride. Anschließend werden die gasförmigen Fluoride von letzten Feststoffresten getrennt, die insbesondere aus refraktären Produkten bestehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die in der ersten Stufe verwendete Gasmischung wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz, ein inertes Gas und ein Zusatzbrenngas. Das Brenngas kann insbesondere aus Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen bestehen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält die in der zweiten Stufe verwendete Gasmischung wenigstens

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- 1 1 ein fluorhaltiges Reagenz und ein inertes Gas.

Die eingesetzten Plutonium- und/oder Uranverbindungen können mit einem zweiten festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff gemischt werden. Dieser zweite Brennstoff kann beispielsweise Kohle sein.

Die nach der Verbrennung erhaltenen festen Produkte sind unverbrannte Feststoffe und/oder teilweise umgesetzte Produkte in fester Phase und/oder in der Flamme verflüchtigte Reaktionsprodukte, die bei Austritt aus der Flamme aufgrund der Abkühlung des Gases wieder kondensieren und/ oder Redekompositionsprodukte einer gasförmigen Phase. Ein Beispiel für ein Redekompositionsprodukt der gasförmigen Phase ist Plutoniumtetrafluorid.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Umwandlung von Feststoffen in Gas hoher Temperatur durch vollständige "Verbrennung" der Feststoffe, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie in einem einzigen Reaktor von oben nach unten gesehen eine erste Reaktionszone zur Umsetzung der Feststoffe mit einer Gasmischung, die in der Lage ist, einen Teil der Feststoffe in ein Gas hoher Temperatur umzuwandeln, vorgesehen ist, die erste Reaktionszone mit Einrichtungen zur Zuführung der Feststoffe und der Gasmischung versehen ist, eine Zwischenzone zur Trennung des gebildeten Gases von den nicht zu Gas umgewandelten Feststoffen vorgesehen ist, die Zwischenzone Einrichtungen zum Abziehen des gebildeten Gases aufweist, eine zweite Reaktionszone zur Umsetzung der in der ersten Reaktionszone nicht umgewandelten Feststoffe mit einer Wirbelschicht, die mit einer Gasmischung

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fluidisiert wird, die die Umwandlung der Feststoffe in Gas hoher Temperatur erlaubt, vorgesehen ist, und die zweite Reaktionszone mit Einrichtungen zur Zuführung zur Wirbelschicht und Einrichtungen zum Abziehen der verbleibenden Feststoffe versehen ist.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist zur Durchführung des nachstehend näher beschriebenen Verfahrens geeignet jedoch auch für sämtliche anderen nicht kerntechnischen Anwendungen, wie die Herstellung Gas hoher Temperatur ausgehend von Feststoffen unter Umwandlung des physikalischen und chemischen Zustandes einer festen Masse. Als Anwendungsmöglichkeiten können insbesondere die Verwendung als Heizkessel, Reaktor oder Gasturbine, auch Ofen und dergl. genannt werden.

Die Einrichtungen zum Abziehen des gebildeten Gases können eine zylinderförmige Leitung umfassen, die in die Trennzone mündet und in deren Inneren Filtereinrichtungen für die gebildeten Gase vorgesehen sind.

Der Reaktor kann insbesondere zylinderförmig ausgebildet sein und vertikal angeordnet werden. Die erste Reaktorzone, die Flammenzone genannt wird, befindet· sich im oberen Teil des Reaktors. Es sind Einrichtungen zur Zuführung der umzuwandelnden Feststoffe und zur Zuführung der gasförmigen Mischung vorgesehen, die aus einer oder mehreren Leitungen bestehen können, die in den oberen Teil des Reaktors einmünden. Die Zwischenzone des Reaktors, die Trennzone genannt wird, in der die nicht in Gas umgesetzten festen Verbindungen aufgrund der Schwerkraft nach unten fallen, umfaßt Ein-

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richtungen zum Abziehen des gebildeten Gases, die eine zylinderförmige Leitung, die in diese Trennzone mündet, umfassen können. Die zweite Reaktionszone, die als Wirbelschicht bezeichnet wird, ist unterhalb der Xwischenzone angeordnet und umfaßt Einrichtungen zur Zuführung der Wirbelschicht und Einrichtungen zum Abziehen der verbleibenden Restfeststoffe, die Leitungen umfassen, die in den unteren Teil des Reaktors einmünden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung, die eine beispielshafte Ausführungsform zeigt, näher erläutert. Es ist eine Ausführungsform schematisch im Schnitt gezeigt. In der nachfolgenden Beschreibung wird der Einfachheit halber ein Verfahren zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg beschrieben. Es ist jedoch festzuhalten, daß die Vorrichtung auch zur Durchführung anderer Verfahren zur Umwandlung von Feststoffen in Gase hoher Temperatur geeignet ist.

Die in der Zeichnung gezeigte Vorrichtung umfaßt einen einstückigen Reaktor 1. Dieser Reaktor umfaßt von oben nach unten: eine erste Reaktionszone 2, genannt Flammenzone, eine Zwischenzone 3, genannt Trennzono, und eine zweite Zone 4, genannt Wirbelschichtzone.

Der obere Teil des Reaktors 1 weist eine Schließplatte 5 auf, durch die eine Leitung 6 zur Zuführung des pulverförmigen bestrahlten Kernbrennstoffs und eines inerten Gases und eine weitere Zufuhrleitung 7 für das fluorhaltige Reagenz führen. Der untere Teil 8 der Leitung kann die Brennöffnung bilden. Die Flammenzone 2 weist Fenster 9 auf, die am Ende von seitlichen Stutzen 10 unterhalb der Austrittsebene des Brenners 8 vorgesehen sind, um die gebildete Flamme beobachten zu können.

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Die Wände der Flammenzone 2 können am äußeren Umfang des Reaktors Heizeinrichtungen 11 (wie Widerstandswicklungen) oder Kühleinrichtungen 12 (beispielsweise solche, bei denen eine Kühlflüssigkeit durch einen Doppelmantel zirkuliert) aufweisen. Die Verwendung von HeizeLnrichtungen 11 oder Kühleinrichtungen 12 hängt von der Art der behandelten Brennstoffe und der Notwendigkeit des Betriebs im Verhältnis zu den Charakteristiken der Vorrichtung ab.

In die Zwischenzone 3 des Reaktors 1, die Trennzone genannt wird, führt eine zylindrische Leitung 13, die zum Abziehen der gebildeten gasförmigen Fluoride dient. In dieser Trennzone 3 werden die nicht in Gas umgesetzten Feststoffe durch Abtrennen der gebildeten gasförmigen Fluoride separiert und diese fallen aufgrund der Schwerkraft in den unteren Teil des Reaktors, der die Wirbelschichtzone 4 aufweist, während die gebildeten gasförmigen Fluoride über die Leitungen 13 und 13' austreten. Die Leitung 13 ist mit Filtern 14 versehen, die dazu dienen, die kleinen Feststoffteilchen zurückzuhalten, die mit den aus der Trennzone 3 austretenden Gasen mitgeführt werden können. Die Leitung 13 ist gleichfalls mit Kühleinrichtungen 12' (wie solche mit einer Kühlflüssigkeit in einem Doppelmantel) und Heizeinrichtungen 11' (wie Widerstandswicklungen) versehen.

Der untere Teil 15 der Wirbelschichtzone 4 endet kegelstumpf förmig. In diesen kegelstumpfförmigen Teil 15 mündet eine Leitung 16 zur Zuführung einer Mischung aus fluorhaltigem Reagenz und inertem Gas und eine Leitung 17 zum Abziehen der letzten verbleibenden Feststoffreste. Die Wände der Wirbelschichtzone 4

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können mit Heizeinrichtungen 11" (wie Widerstandswicklungen) oder Kühleinrichtungen 12" (wie solche mit einer Kühlflüssigkeit in einem Doppelmantel) versehen sein.

Bei der Verwendung der Vorrichtung zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen wird folgendermaßen vorgegangen.

Ein Pulver einer Mischung der Oxide U0_? und PuO„ der
Spaltprodukte und ein inertes Gas werden über Leitung

6 eingeführt und gleichzeitig wird Fluor über Leitung

7 zugeführt. In der Ebene des Teils 8 der Leitung 6
bildet sich spontan eine Flamme, die sich selbst erhält bis der größte Teil der Produkte verbrannt ist.

Die Flamme wird durch die Fenster 9 beobachtet. Der

Brenner 8 kann zusätzlich zur zentralen Zufuhröffnung für die pulverförmigen Brennstoffe eine oder mehrere
weitere konzentrisch zur zentralen öffnung kranzförmig angeordnete öffnungen aufweisen, die zur Zuführung von verschiedenen geeigneten Gasen in den Reaktor dienen.

Die aus der Flammenzone 2 austretenden gasförmigen Produkte sowie die nicht vollständig in Gas umgesetzten
Produkte oder in der Flamme im festen Zustand gebliebene Produkte werden auf ihrem Weg in der Zone 2 durch die Einrichtungen 12 gekühlt.

In der Trennzone 3 wird die Trennung der verbleibenden festen Verbindungen von den gebildeten Gasen durchgeführt. Während der Hauptteil der festen Teilchen aufgrund der Gravität in die Zone 4 des Reaktors fällt,
werden die gasförmigen Produkte, die aus einer Mischung

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- 16 von überschüssigem Fluor, Sauerstoff, UF,, PuF.. und

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einigen flüchtigen Salzen der Spaltprodukte bestehen, über Leitung 13 zu den Filtern 14 geführt.

Die Wirbelschichtzone 4 umfaßt ein Bett aus festen Aluminiumoxidteilchen in Mischung mit den Teilchen der festen Verbindungen, die nicht in Fluoride überführt wurden. Dieses Bett wird mit einer Mischung aus Fluor und inertem Gas, die über Leitung 16 zugeführt werden, fluidisiert. Aufgrund der konischen Form des unteren Teils 15 dieser Zone 4 erfolgt eine Bewegung der festen Bestandteile der Wirbelschicht. Dies ist erforderlich, da eine unzureichende Bewegung aufgrund der möglichen exothermen Reaktionen mit den festen noch nicht in Fluoride umgesetzten Verbindungen eine Erhöhung der Temperatur hervorrufen könnte, die ein Sintern der festen Teilchen uml ein Unterbinden der Reaktionen hervorrufen könnte. Die Wirbelschichtzone kann mit Heizeinrichtungen 11" während des Durchtritts der Fluidisiermischung durch das Bett aus festen Teilchen geheizt werden. Diese Zone kann gleichfalls mittels geeigneter Einrichtungen 12" gekühlt werden.

Die gasförmigen Produkte, die sich im oberen Teil der Wirbelschichtzone 4 bilden, und die aus einer Mischung aus gasförmigem Fluor und gasförmigem PuF, bestehen, werden über die Leitung 13 zu den Filtern 14 geführt. Die Geschwindigkeit des Verbrauchs der Wirbelschicht an Plutonium kann durch äußere Vibration des Reaktors oder durch häufiges Blasen im Gegenstrom mittels eines inerten Gases oder Fluor, die zu den Filtern 14 geleitet werden, aufrechterhalten werden. Die Filter 14 sind

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parallel angeordnet. Während einer in Betrieb ist, wird der andere durch ein im Gegenstrom geführtos Gas gereinigt.

Die Umsetzungen in der Flammenzone 2 und dor Wirbelschichtzone 4 können gleichzeitig durchgeführt werden. Diese können auch unabhängig durchgeführt werden, beispielsweise indem zuerst die Flammenzone 2 und dann die Wirbelschichtzone 4 betrieben werden. Die Bewegung der Wirbelschicht kann durch strömendes geeignetes inertes Gas während des Betriebes der Flammenzone 2 vorgenommen werden. Während der periodischen Unterbrechungen des Betriebs der einen oder der anderen Zone kann die nicht in Betrieb befindliche Zone gespült werden, indem ein geeignetes inertes Gas durchgeführt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann kontinuierlich oder semikontinuierlich betrieben werden, wenn geeignete Zufuhreinrichtungen für die pulverförmigen Brennstoffe in die Flammenzone 2 vorgesehen werden, beispielsweise ein Trichter mit einer Förderschnecke, und geeignete Zufuhreinrichtungen für die festen Bestandteile der Wirbelschicht zur Einführung in die Zone 4 vorgesehen werden, sowie geeignete Einrichtungen zum kontinuierlichen oder intermittierenden Abziehen der verbrauchten Beschikkung der Wirbelschicht.

Die Zusammensetzung der bei 7 und 16 eingeführten gasförmigen Mischungen hängt von den durchgeführten Reaktionen, also von der Art der Brennstoffe, die zur Behandlung bei 6 eingeführt werden, und den Erfordernissen in der Wirbelschicht ab. Einrichtungen zur Regelung der

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Zusammensetzung der gasförmigen Mischungen und ihrer Einführung in die Vorrichtung sind in der Zeichnung nicht wiedergegeben.

Beispielsweise kann die vorstehend beschriebene Vorrichtung einen Reaktor 1 mit einem Innendurchmesser von 80 nun aufweisen, dessen kegelstumpfartiger unterer Teil 4 eine Neigung von 2° aufweist. Die Zufuhr an pulverförmigen gemischten Oxiden UO_ und PuO_? und Spaltprodukten kann 5 bis 6 kg/h betragen. Man erhält am Ausgang der Flammenzone 2 eine Umsetzung von UO₂ in UF_fi von 90 bis 99 % und eine Umsetzung von PuO₂

in PuF, von 70 bis 85 %. In der Wirbelschichtzone 4 ο

weisen die Körner aus elektrogeschmolzenem Aluminiumoxid einen Durchmesser zwischen 20 und 250 μ auf. Die Temperatur in dieser Wirbelschichtzone 4 beträgt zwischen 300 und 600⁰C. Nach dor Fluorierung in dieser Wirbelschichtzone 4 erreicht die Ausbeute der Umwandlung der Oxide des Urans und des Plutoniums in Hexafluoride 99,9 %. Man stellt fest, daß in der Wirbelschicht keine Ansammlung des Plutoniums erfolgt, wenn die Zufuhr an Kernbrennstoffen in die Flammenzone in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Fluorierung des Plutoniums in der Wirbelschicht eingestellt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet bei Verwendung der Vorrichtung gemäß der Erfindung eine fast vollständige Umwandlung des Uranoxids und eine weitgehende Umwandlung des Plutoniumoxids in Hexafluoride in der ersten Stufe in der Flammenzone 2. Die Wirkung der zweiten Stufe in der Wirbelschichtzone 4 ist außerordentlich hoch, weil die Menge an verbleibenden in dieser Wirbelschicht

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zu behandelnden Oxide bedeutend verringert ist. Dies steht im Gegensatz zu einer direkten Behandlung der Kernbrennstoffe durch eine solche Wirbelschicht. Dadurch wird auch das Risiko des Verklumpens der IVirbelschicht aufgrund der exothermen Reaktionen sehr stark herabgesetzt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann außer zur Nachbehandlung von Kernbrennstoffen auf trockenem Wege auch für andere Anwendungen eingesetzt werden.

Die Vorrichtung kann für alle jene Anwendungen eingesetzt werden, bei denen zwei Reaktionszonen erforderlich sind, wobei in der ersten Zone gleichzeitige Umsetzungen Gas/ Gas, Gas/Feststoff und Gas/Flüssigkeit bei selbsterhaltender Verbrennung unter Bildung von gasförmigen und festen Produkten durchgeführt werden können und wobei die zweite Zone, die mit den Feststoffen beschickt wird, Umsetzungen in einer Wirbelschicht gestattet.

Die Vorrichtung kann insbesondere zur Verbrennung von Kohle verwendet werden, wobei Mengen oberhalb 10t je Stunde verbrannt werden können. Bei einem solchen Betrieb wird fein zerkleinerte Kohle über Leitung 6 eingeführt und Luft über Leitung 7. Ein Teil des am Ausgang der Zone 2 erhaltenen Gases wird über Leitung 13 abgezogen und der Rest der pulverisierten Kohle, die Asche, Schlacke und unbrennbare Rückstände, werden in die Wirbelschichtzone 4 geführt und dort mit einem heissen, bei 16 eintretenden Luftstrom fluidisiert. Die letzten unverbrannten Feststoffe der Zone 2 werden verbrannt und in ein Gas überführt, das über Leitung 13 abgezogen wird.

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Claims

PATENTANWÄLTE DR. KADOR & DR. KLUNKER K 11 977/3S 274U02 Commissariat ä I1Energie Atomique 29, rue de la Federation 75752 Paris Cedex 15 / Frankreich Verfahren zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg Patentansprüche

1. Verfahren zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg, die insbesondere Verbindungen des Plutoniums und/oder des Urans, wie die Oxide, Carbide und Nitride, enthalten, wobei die Verbindungen des Plutoniums und/oder Urans in die Hexafluoride überführt werden, dadurch gekennzeichnet , daß in einer ersten Stufe in einer ersten Reaktorzone die Verbindungen mit einer Gasmischung, die wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz enthält, in Kontakt gebracht werden, und in einer zweiten Stufe in einer zweiten Zone desselben Reaktors der Rest der Verbindungen, die in der ersten Stufe nicht in die Fluoride überführt wurden, mit einer Wirbelschicht, die mit einer Gasmischung, die wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz enthält, fluidisiert wird, direkt in Kontakt gebracht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß am Ausgang der ersten Stufe die

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gebildeten gasförmigen Fluoride von den festen Verbindungen, die nicht in gasförmige Fluoride umgewandelt wurden, getrennt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die in der ersten Stufe eingesetzte Gasmischung wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz, ein inertes Gas und zusätzlich ein Brenngas enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Brenngas Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmischung, die in der zweiten Stufe eingesetzt wird, wenigstens ein fluorhaltiges Reagenz und ein inertes Gas enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als fluorhaltiges Reagenz Fluor eingesetzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die eingesetzten PIutonium- und/oder Uranverbindungen mit einem zweiten festen, flüssigen oder gasförmigen Brennstoff gemischt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η -

zeichnet, daß als zweiter Brennstoff Kohle eingesetzt wird.

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9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß als feste Bestandteile der Wirbelschicht ein kornförmiges, gegenüber dem fluorhaltigen Reagenz inertes Material, insbesondere Aluminiumoxid, verwendet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß in der zweiten Stufe bei einer Temperatur zwischen 300 und 600⁰C gearbeitet wird.

11. Vorrichtung zur Umwandlung von Feststoffen in Gas bei hoher Temperatur durch vollständige Verbrennung der Feststoffe, dadurch gekennzeichnet , daß in einem einzigen Reaktor (1) von oben nach unten gesehen eine erste Reaktionszone (2) zur Umsetzung der Feststoffe mit einer Gasmischung, die in der Lage ist, einen Teil der Feststoffe in ein Gas hoher Temperatur umzuwandeln, vorgesehen ist, die erste Reaktionszone

(2) mit Einrichtungen (6, 7) zur Zuführung der Feststoffe und der Gasmischung versehen ist, eine Zwischenzone (3) zur Trennung des gebildeten Gases von den nicht zu Gas umgewandelten Feststoffen vorgesehen ist, die Zwischenzone (3) Einrichtungen (13) zum Abziehen des gebildeten Gases aufweist, eine zweite Reaktionszone (4) zur Umsetzung der in der ersten Reaktionszone (2) nicht umgewandelten Feststoffe mit einer Wirbelschicht, die mit einer Gasmischung fluidisiert wird, die die Umwandlung der Feststoffe in Gas hoher Temperatur erlaubt, vorgesehen ist, und die zweite Reaktionszone (4) mit Einrichtungen (16) zur Zuführung zur Wirbelschicht und Einrichtungen (17) zum Abziehen der ver-

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- 4 bleibenden Feststoffe versehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtungen (13) zum Abziehen des gebildeten Gases eine zylinderförmige Leitung, die in die Zwischenzone (3) mündet und in der im Inneren Filtereinrichtungen (14) für die gebildeten Gase vorgesehen sind, umfaßt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet , daß an den Wänden des Reaktors (1) Heizeinrichtungen (11) und/oder Kühleinrichtungen (12) vorgesehen sind.

14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 zur Behandlung von bestrahlten Kernbrennstoffen auf trockenem Weg.

15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 für Verbrennungsbehandlungen unter Anwendung von zwei Reaktionszonen, wobei in der ersten Reaktionszone Gas/Gas-, Gas/Feststoff- und Gas/Flüssigkeits-Reaktionen bei selbsterhaltender Verbrennung unter Bildung gasförmiger und fester Produkte ablaufen können und in der zweiten Reaktionszone, der die Feststoffe zugeführt werden, die Umsetzung in einer Wirbelschicht erfolgt.

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