DE3409707A1

DE3409707A1 - Verfahren und vorrichtung zum abtrennen von keramischen kernbrennstoffen von metallischen huell- oder traegerkoerpern

Info

Publication number: DE3409707A1
Application number: DE19843409707
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Dipl.-Ing. 5100 Aachen Koch
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1984-03-16
Filing date: 1984-03-16
Publication date: 1985-09-19
Also published as: GB8506273D0; FR2561432B1; DE3409707C2; GB2156573A; JPS60211393A; FR2561432A1; GB2156573B

Description

Kernforschungsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen von keramischen Kernbrennstoffen von metallischen Hüll- oder Trägerkörpern

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtrennen von keramischen Kernbrennstoffen aus metallischen Trägerkörpern oder Trägerkörperteilen, in denen die Kernbrennstoffe haften, insbesondere nach Abbrand der Kernbrennstoffe in Kernreaktoren.

Von ihren Trägerteilen sind die Kernbrennstoffe insbesondere vor Wiederaufarbeitung des Kernbrennstoffs in Wiederaufarbeitungsanlagen abzulösen. Als Trägerteile werden beispielsweise Hüllrohre aus Zircaloy verwendet, in die die keramische Kernbrennstoffe, ggf. umgeben von keramischen Hüllwerkstoffen, eingefüllt sind. Von diesen Trägerteilen sind die Kernbrennstoffe vor Wiederaufarbeitung vor allem deshalb zu trennen, damit der Kernbrennstoff bei seiner Wiederaufarbeitung nicht durch metallische Reste der Trägerteile verunreinigt wird.

Vor chemischer Auflösung der Kernbrennstoffe in Auflösern ist es bekannt, die Brennelemente mechanisch oder beispielsweise auch mittels Wasserstrahl, vergleiche DE-OS 3007876, in Abschnitte zu schneiden. Die erhaltenen Brennelementstücke werden anschließend in den Auflöser eingebracht und der Kernbrennstoff wird 1.723
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aus den übrig bleibenden Trägerkörperteilen in siedender Salpetersäure herausgelöst. Dieses Verfahren ist mit verhältnismäßig geringem Aufwand verbunden. Insgesamt ist jedoch mit langen Laugungszeiten zu rechnen, weil die chemische Auflösung infolge der nur durch Scheren erhaltenen Angriffsflächen für die Salpetersäure eine lange Zeitspanne in Anspruch nimmt. Beim Auflösen der Kernbrennstoffe in Salpetersäure bleiben die metallischen Hüllrohrteile aus Zircaloy im wesentlichen erhalten.

Schwierigkeiten ergeben sich jedoch bei der Auflösung thoriumhaltigen Kernbrennstoffs. Für die Auflösung solcher Kernbrennstoffe werden der Salpetersäure Fluoridionen beigegeben, so daß die metallischen Trägerkörperteile angegriffen werden. Das dabei in Lösung gehende Metall stört die nachfolgenden chemischen Wiederaufarbeitungsschritte.

Bei mechanischer Trennung von metallischen Trägerkörpern und keramischen Kernbrennstoffen gelingt es bisher nicht, metallische Teile und keramisches Material einwandfrei zu separieren. Dies vor allem dann nicht, wenn die Hüllrohre oder Trägerkörper nach Abbrand der Kernbrennstoffe Schäden, wie Verformungen, Schwellungen, Risse o.a. aufweisen. Die Trennagregate unterliegen hohem Verschleiß und der

apparative Aufwand ist erheblich. Bildung radioaktiven Staubs oder freiwerdende gasförmige radioaktive Produkte stellen weitere Probleme beim Zurückhalten radioaktiver Stoffe und bei der Dekontamination dar. So dürfen beispielsweise bei der Bearbeitung von Trägerkörpern aus Zircaloy keine feinen Metallpartikeln entstehen, da dies mit Brand- und Explosionsgefahr verbunden ist. Aus dem gleichen Grunde sind auch hohe Temperaturen bei der Bearbeitung der Brennelemente zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abtrennen keramischen Kernbrennstoffes vom Trägerkörper zu schaffen, bei dem eine Gewinnung des Kernbrennstoffs ohne Verunreinigung durch Trägerkorpermaterial und in wenigen Bearbeitungsschritten möglich ist. Das Verfahren soll staubfrei arbeiten und einfach durchzuführen sein. Außerdem soll das Verfahren hinsichtlich variabler Abmessungen der Brennelemente und bei Brennelementschaden flexibel handhabbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Danach wird der keramische Kern brennstoff vom Trägerkörper mittels eines Flüs sigkeitsstrahls abgespült, der unter hohem Druck steht. Der Flüssigkeitsstrahl ist auf den Kernbrennstoff ausgerichtet und der Flüs-

sigkeitsdruck so hoch eingestellt, daß der am Trägerkörper haftende Kernbrennstoff vollständig entfernt wird. Der Flüssigkeitsstrahl findet selbständig den Übergang von keramischem Kernbrennstoff zu metallischem Trägerkörpermaterial, so daß auch bei einer Brennstabschwellung und Verformung der Trägerkörperteile ein einwandfreies Ablösen des Kernbrennstoffes erreicht wird. Die metallischen Trägerkörper oder Trägerkörperteile bleiben erhalten und werden nach Abspülen des Kernbrennstoffes abgesondert, in den chemischen Auflöser werden nur die Kernbrennstoffbruchstücke eingeführt.

Bevorzugt wird der Kernbrennstoff vom metallischen Trägerkörper oder den Trägerkörperteilen im getauchten Zustand im Flüssigkeitsbad unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche abgespült, Patentanspruch 2. Dabei beruht das Zerstören und Herauswaschen des keramischen Materials mittels des Flüssigkeitsstrahls auf Kavitation_;bei der infolge Implosion von Dampfblasen im Flüssigkeitsstrahl Stöße hohen Drucks und hoher Frequenz auftreten. Diese hohe dynamische Belastung greift das spröde keramische Material an, zeigt jedoch kaum Wirkung auf das relativ duktile metallische Hüll- bzw. Trägermaterial, in gasförmigem sowie auch innerhalb des flüssigen Mediums ist für die Wirksamkeit des Flüssigkeitsstrahls dessen Querschnitt und der Flüssigkeitsdruck maßgebend.

Je nach Beschaffenheit und Haftung des Kernbrennstoffes ist ein Mindestdurchmesser und ein Mindestdruck erforderlich, um das keramische Material vom Trägerkörper oder den Trägerkörperteilen abzulösen. Der Mindestdurchmesser und der Mindestdruck werden empirisch bestimmt.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens für stabförmige Brennelemente, bei denen der keramische Kernbrennstoff in Hüllrohren eingebettet ist, wird in Patentansprüchen 3 bis 6 angegeben. Die Vorrichtung weist eine Halterung für die metallischen Hüllrohre oder die Hüllrohrteile auf, die durch Scheren erhalten werden, und ist mit einer oder mehreren Flüssigkeitsstrahldüsen ausgerüstet, die zum Spülen dienen. Um die Flüssigkeitsstrahldüsen in die Hüllrohre einzubringen, sind die Düsen auf einer Lanze befestigt, die beim Abspülen des keramischen Materials in den dabei entstehenden Hohlraum in die Hüllrohre einschieb bar ist. Die Lanze kann drehbar angeordnet sein oder die Flüssigkeitsstrahldüsen sind auf der Lanze drehbar gelagert und bevorzugt exzentrisch zur Drehachse angeordnet, wodurch ein intensiveres Bespülen über den gesamten Querschnitt von Kernbrennstoff und Hüllrohr erreicht wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in der Zeichnung schematisch wiedergegeben ist. Die Zeichnung zeigt im einzelnen:

Figur 1 Spülanlage zum Abtrennen keramischen Kernbrennstoffes aus Trägerkörperteilen,

Figur 2 Teilschnitt der Spülanlage nach Figur 1 gem. Schnittlinie II/II.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, werden im Ausführungsbeispiel in einem Tauchbecken 1 durch Scheren erhaltene Hüllrohrstücke 2 als Trägerkörperteile stabförmiger Brennelemente bearbeitet. Die Hüllrohrstücke 2 sind mit keramischem Kernbrennstoff gefüllt. Das keramische Material haftet zumindest teilweise insbesondere nach Abbrand des Kernbrennstoffs am Hüllrohr. Im Ausführungsbeispiel wurde deshalb zur Erprobung der Vorrichtung keramischer Simulationswerkstoff mittels eines 2-Komponenten-Klebers in einem Hüllrohrteil aus Zircaloy fixiert. Mit dem Kleber wurden Adhäsionskräfte zwischen keramischem Material und Hüllrohrstücken erreicht, die die tatsächlich auftretenden Adhäsionskräfte nach Abbrand der Brennelemente in einem Kernreaktor wesentlich übersteigen.

Die Hüllrohrstücke 2 sind in das Tauchbecken 1 mittels einer fernbedienbaren Vorrichtung einführbar. Hierzu eignet sich beispielsweise ein in Figur 2 in Seitenansicht dargestelltes Revolvermagazin 3, das um seine Achse im Ausführungsbeispiel in Drehrichtung 4 gedreht werden kann. Auf dem Umfang des Revolvermagazins .3 lassen sich die Hüllrohrstücke aus einem Trichterspeicher 5 aufsetzen und anschlies send befestigen. Das Revolvermagazin wird im

Ausführungsbeispiel über ein Gurtband oder eine Kette 6, die über Führungsrollen 7 zu spannen sind, schrittweise bewegt. Das Revolvermagazin führt dabei die Hüllrohrstücke 2 in den Bereich von Flüssigkeitsstrahldüsen 8, die unter der Flüssigkeitsoberfläche im Tauchbecken 1 in einer Bearbeitungszone 9 angeordnet sind. Im Ausführungsbeispiel sind Flüssigkeitsstrahldüsen auf zwei Lanzen 10 befestigt, die von beiden Stirnseiten des Hüllrohrstükkes 2 her in das Hüllrohrstück einschiebbar gelagert sind. Abweichend vom Ausführungsbeispiel können auch mehrere Flüssigkeitsstrahldüsen auf jeder der Lanzen angeordnet werden. Die Flüssigkeitsstrahldüsen auf den Lanzen oder die Lanzen selbst können drehbar sein. Darüberhinaus können die Flüssigkeitsstrahldüsen exzentrisch zur Drehachse angeordnet sein.

Im Ausführungsbeispiel dienen die Lanzen zugleich als Wasserzuleitungsrohre und sind an druckwasserführende Druckleitungen 11 angeschlossen. Die Druckleitungen 11 werden von einer elektrisch angetriebenen Flüssigkeitspumpe 12 gespeist. Unterhalb des Tauchbeckens befindet sich ein Auffangbehälter 13 für das mit der Spülflüssigkeit aus den Trägerkörperteilen ausgewaschene Material. Das ausgewaschene Material und die Spülflüssigkeit fließen durch eine zentrale Öffnung 14 im Boden des

Tauchbeckens in den Auffangbehälter 13 ein. Über einen Überlauf 15 am Auffangbehälter 8 wird die Spülflüssigkeit im Kreislauf geführt. Der überlauf 15 ist mit einem Sieb versehen, das keramische Bruchstücke im Auffangbehälter 13 zurückhält. Die zurückbleibenden Bruchstücke gleiten mit Flüssigkeitsresten im Auffangbehäter zu einem Ablauf 16 und werden von dort in den in der Zeichnung nicht wiedergegebenen chemischen Auflöser für die Kernbrennstoffe gepumpt.

Im Ausführungsbeispiel weisen die mit Druckwasser gespeisten Flüssigkeitsstrahldüsen einen Durchmesser von 1,8 mm auf. Der Wasserdruck betrug 750 bar. Das keramische Material in Hüllrohrteilen von 200 mm Länge wurde aus einer Düsenentfernung von etwa 50 mm mit dem kavitierenden Wasserstrahl innerhalb von ca. 30 see. herausgearbeitet. Wird der Durchmesser der Flüssigkeitsstrahldüsen oder der Wasserdruck verringert, ergeben sich bei sonst unveränderten Verhältnissen längere Spülzeiten. So verlängerte sich bei Verringerung des Durchmessers der Flüssigkeitsstrahldüsen auf 1,6 mm oder bei Verringerung des Wasserdruckes auf 650 bar die Bearbeitungszeit gegenüber dem vorgenannten Ausführungsbeispiel bei sonst gleichen Verhältnissen auf etwa das Doppelte.

Die bei dieser Bearbeitung erhaltenen Teilchengrößen des keramischen Materials schwankten zwischen 1mm und 5 mm. Materialreste in den

Hüllrohren waren nach der Bearbeitung der simu lierten Brennelementstücke mit Unterwasserstrahldüsen nicht vorhanden.

Als Arbeitsflussigkeit und -medium läßt sich auch die im Auflöser benutzte Säure verwenden. Abgesehen von den dann entsprechend auszu wählenden Werkstoffen für Spülanlage und Flüssigkeitsstrahldüsen, die säurebeständig ausgebildet sein müssen, kommt diese Möglichkeit aus den einleitend genannten Gründen nur bei UO_-, Pu0₂-Brennstoffen in Frage.

Claims

Kernforschungsanlage Julien
Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Patentansprüche

Verfahren zum Abtrennen von keramischen Kernbrennstoffen aus metallischen Trägerkörpern oder Trägerkörperteilen, in denen die Kernbrennstoffe haften,

dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Kernbrennstoffe vom Trägerkörper oder Trägerkörperteil mittels Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl abgespült wird.
2. Verfahren nach Anspruch Ί,

dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper oder Trägerkörperteil mit dem an ihm haftenden Kernbrennstoff in die Flüssigkeit getaucht wird und der Kernbrennstoff im getauchten Zustand mit dem Hochdruck-Flüssigkeitsstrahl abgespült wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Halterung für metallische Trägerkörper oder Trägerkörperteile, in deren von außen zugänglichem Innenraum keramischer Kernbrennstoff haftet, und mit zumindest einer an einer Druckleitung anschließbaren Flüssigkeitsstrahldüse, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahldüse (8) zum Abtragen des Kernbrennstoffs in den Innenraum des Trägerkörpers oder Trägerkörperteils (2) einschieb-

1..723 bar angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Flüssigkeitsstrahldüsen (8) auf einer Lanze (10) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahldüsen (8) oder die Lanze (10) drehbar gelagert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsstrahldüse (8) zur Drehachse exzentrisch angeordnet ist.