DE4023793A1

DE4023793A1 - Nuclear sepn. from fission prods. - in nitric acid soln. using pure tri:butyl-phosphate extractant

Info

Publication number: DE4023793A1
Application number: DE19904023793
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Prof Dr Stoll
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-08-08
Filing date: 1990-07-26
Publication date: 1991-02-14

Abstract

Nuclear fuel (esp. U and Pu) is sepd. from fission prodts in nitric acid soln. by countercurrent contact of the soln. with solvent free tributyl phosphate. Pref. the two streams are maintained at 50-300 deg. C. and at a pressure above the corresponding boiling pressure of the nitric acid. ADVANTAGE: Omission of diluent (usually perosine) allows higher vol. throughout of the nitric acid soln. through the extn. vessel and avoids the flammability problems of kerosine so tributyl phosphate can be heated to reduce its viscosity and to accelerate nuclear fuel transfer to the tributyl phosphate, thus minimising radiolytic decomposition of the tributyl phosphate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen von Kernbrenn stoff von Kernspaltprodukten entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for separating nuclear fuel material of fission products according to the generic term of Claim 1.

Ein derartiges Verfahren ist bereits üblich. Der Gegenstrom aus Tributylphosphat enthält bei dem üblichen Verfahren Kerosin als Verdünnungsmittel für das Tributylphosphat. Das Tributylphosphat bildet mit dem Kernbrennstoff im Hinstrom Komplexverbindungen, die in die aus dem Tributylphosphat und dem Kerosin bestehende organische Phase übergehen und mit dieser aus dem Extraktionsgefäß ausgetragen werden. Die Kern spaltprodukte verbleiben in der salpetersauren Lösung und werden mit dieser ebenfalls aus dem Extraktionsgefäß abge trennt von dem Kernbrennstoff ausgetragen. Besonders geeignet ist dieses Verfahren zum Abtrennen von Uran und Plutonium von Kernspaltprodukten.Such a method is already common. The countercurrent off Tributyl phosphate contains kerosene in the usual process Diluent for the tributyl phosphate. The Tributyl phosphate forms with the nuclear fuel in the downstream Complex compounds derived from the tributyl phosphate and the existing kerosene organic phase and with these are discharged from the extraction vessel. The core Fission products remain in the nitric acid solution and are also removed with this from the extraction vessel separated from the nuclear fuel. Particularly suitable is this process for separating uranium and plutonium from Fission products.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hohen Volumen durchsatz an Kernbrennstoff und Kernspaltprodukte enthaltender salpetersaurer Lösung durch das Extraktionsgefäß zu erzielen.The invention has for its object a high volume throughput of nuclear fuel and fission products to achieve nitric acid solution through the extraction vessel.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs er wähnten Art erfindungsgemäß entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 durchgeführt. Das Fehlen des Ver dünnungsmittels für das Tributylphosphat hat geringe Mengen ströme durch das Extraktionsgefäß zur Folge, so daß sich in erwünschter Weise der hohe Volumendurchsatz an Kernbrennstoff und Kernspaltprodukte enthaltender salpetersaurer Lösung durch das Extraktionsgefäß ergibt. Ferner ist Tributylphosphat für sich allein weit weniger feuergefährlich als Kerosin, und durch Erwärmen kann dem Tributylphosphat ohne weiteres eine für eine ausreichende Fließfähigkeit innerhalb des Extraktionsge fäßes erforderliche Viskosität verliehen werden.To solve this problem, a method of the beginning he mentioned type according to the invention according to the characterizing Part of claim 1 performed. The lack of ver Tributyl phosphate fertilizer has small amounts flow through the extraction vessel so that in desirably the high volume throughput of nuclear fuel and nitric acid solution containing fission products results in the extraction vessel. Furthermore, tributyl phosphate is for alone is far less flammable than kerosene, and by heating the tributyl phosphate can easily be used for adequate fluidity within the extraction ge required viscosity.

Patentanspruch 2 ist auf eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet, durch die die Bildung der Komplexverbindungen des Tributylphosphats mit dem Kern brennstoff und damit der Übergang des Kernbrennstoffs aus der salpetersauren Lösung in die nur noch aus Tributylphosphat be stehende organische Phase im Extraktionsgefäß beschleunigt wird, so daß das Tributylphosphat im Extraktionsgefäß kaum einer radiolytischen Zersetzung unterliegt.Claim 2 is an advantageous development of method directed by the formation the complex compounds of the tributyl phosphate with the core fuel and thus the transfer of the nuclear fuel from the nitric acid solution in the only be from tributyl phosphate standing organic phase accelerated in the extraction vessel is so that the tributyl phosphate in the extraction vessel hardly undergoes radiolytic decomposition.

Die Erfindung und ihre Vorteile seien anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:The invention and its advantages are based on the drawing an embodiment explained in more detail:

In der Zeichnung ist stark schematisiert und im Längsschnitt ein Extraktionsgefäß dargestellt. Dieses Extraktionsgefäß weist ein langgestrecktes Außengefäß 2 mit vertikal angeordneter Längsachse auf. Innerhalb dieses Außengefäßes 2 befindet sich ein langgestrecktes Innengefäß 3 mit ebenfalls vertikaler Längsachse. Am Oberende weist dieses Innengefäß 3 ein Kopf teil 4 und am Unterende ein Fußteil 5 auf. Zwischen Kopf- und Fußteil 4 und 5 ist das Innengefäß 3 etwas verengt und weist dort eine Siebbodenkolonne aus quer zur Längsachse des Innen gefäßes 3 angeordneten, übereinander befindlichen Siebböden 6 auf, die innerhalb des Innengefäßes 3 angeordnet sind. In das Bodenteil 5 des Innengefäßes tritt von außen durch das Außen gefäß hindurch eine Zuführleitung 7 für Tributylphosphat ein. Diese Zuführleitung 7 hat im Innengefäß 3 unterhalb der Sieb böden 6 einen in Richtung dieser Siebböden 6 geöffneten Brausenkopf.The drawing is highly schematic and an extraction vessel is shown in longitudinal section. This extraction vessel has an elongated outer vessel 2 with a vertically arranged longitudinal axis. Within this outer vessel 2 there is an elongated inner vessel 3 with a likewise vertical longitudinal axis. At the upper end, this inner vessel 3 has a head part 4 and a foot part 5 at the lower end. Between head and foot sections 4 and 5 the inner vessel 3 is narrowed slightly and there comprises a perforated-plate column from transversely to the longitudinal axis of the inner vessel 3 arranged one above the other contained sieve trays 6, which are arranged within the inner vessel. 3 In the bottom part 5 of the inner vessel, a feed line 7 for tributyl phosphate occurs from the outside through the outer vessel. This supply line 7 has in the inner vessel 3 trays below the sieve 6 is an open in the direction of the sieve trays 6 shower head.

Ferner mündet in den Fußteil 5 des Innengefäßes 3 ein von außen kommendes, durch das Außengefäß 2 hindurch verlaufendes Pul satorrohr 8, an dem außen ein Pulsator 9 angeschlossen ist. Furthermore, opens into the foot part 5 of the inner vessel 3 from the outside, through the outer vessel 2 passing through Pul satorrohr 8 , to the outside of which a pulsator 9 is connected.

Schließlich geht über dem Boden des Fußteiles 5 des Innenge fäßes 3 seitlich ein Auslaufrohr 10 für von Kernbrennstoff befreite salpetersaure Lösung durch das Außengefäß 2 hindurch nach außen ab.Finally, above the bottom of the foot part 5 of the inner vessel 3, an outlet pipe 10 for nitric acid solution freed from nuclear fuel passes through the outer vessel 2 to the outside.

Innerhalb des Kopfteiles 4 des Innengefäßes 3 befindet sich eine Verteilerbrause 11 mit einer durch das Außengefäß 2 hindurch nach außen geführten Zuleitung 12 für eine aus Salpe tersäure bestehende Waschflüssigkeit. Seitlich am Kopfteil 4 ist ferner oberhalb der Verteilerbrause 11 ein durch das Außengefäß 2 hindurch nach außen geführter Überlauf 13 in Höhe des Pulsators 9 vorgesehen, durch den Tributylphosphat nach außen abfließt, das Kernbrennstoff aufgenommen hat.Within the head part 4 of the inner vessel 3 is a distributor spray 11 with a through the outer vessel 2 through to the outside supply line 12 for a washing liquid consisting of nitric acid. On the side of the head part 4 , above the distributor shower 11 there is also an overflow 13, which is led through the outer vessel 2 to the outside at the level of the pulsator 9 , through which tributyl phosphate flows outwards and has absorbed the nuclear fuel.

Am die Siebböden 6 enthaltenden Teil des Innengefäßes 3 zwischen Kopf- und Fußteil 4 und 5 ist seitlich eine von außen durch das Außengefäß 2 hindurch geführte Zuführleitung 14 angebracht, die im oberen Drittel des die Siebböden 6 enthal tenden Teiles des Innengefäßes 3 mündet. Diese Zuführleitung 14 enthält ein Entlüftungsgefäß 15, das mit einem Entlüftungs stutzen 19a an einer mit Ventilen 16 abschließbaren Abgaslei tung 17 angeschlossen ist. Unterhalb des Entlüftungsstutzens 19a hat dieses Entlüftungsgefäß 15 einen Zufuhrstutzen 18 für salpetersaure Ausgangslösung, in der sowohl Kernbrennstoff als auch Kernspaltprodukte gelöst enthalten sind. An der Ab gasleitung 17 ist auch ein Entlüftungsstutzen 19b angeschlos sen, der oben vom Kopfteil 4 des Innengefäßes 3 durch das Außengefäß 2 hindurch nach außen geführt ist.On the sieve trays 6 containing part of the inner vessel 3 between the head and foot parts 4 and 5 is laterally attached from the outside through the outer vessel 2 through feed line 14 which opens into the upper third of the sieve trays 6 containing part of the inner vessel 3 . This feed line 14 contains a venting vessel 15 which is connected to a vent 19 a to a valve 16 lockable device 17 is connected. Below the vent port 19 a, this vent vessel 15 has a feed port 18 for nitric acid starting solution, in which both nuclear fuel and fission products are contained in solution. From the gas line 17 and a vent 19 b is ruled out, which is guided from the top part 4 of the inner vessel 3 through the outer vessel 2 to the outside.

Das Außengefäß 2 weist am Oberende einen in dieses Außenge fäß 2 mündenden Dampfzufuhrstutzen 20 und am Unterende ein Kondensatablaufstutzen 21 mit Ventil auf.The outer vessel 2 has at the upper end in this Außenge vessel 2 opening steam supply pipe 20 and at the lower end a condensate drain pipe 21 with valve.

Durch den Zufuhrstutzen 18 wird dem Innengefäß 3 über die Zu führleitung 14 kontinuierlich eine salpetersaure Lösung zuge führt, die durch Auflösen von abgebranntem Kernbrennstoff in Salpetersäure entstanden ist und die beispielsweise je 100 kg abgebranntem Kernbrennstoff 96 kg Uran, 1 kg Plutonium und 3 kg Kernspaltprodukte wie Strontium, Cäsium und andere enthält. Durch die Zuführleitung 7 wird vorgewärmtes und un verdünntes Tributylphosphat kontinuierlich in den Fußteil des Innengefäßes 3 eingeleitet. Ebenso wird kontinuierlich durch die Zuleitung 12 Salpetersäure als Waschflüssigkeit in das Innengefäß 3 eingeleitet. Druch stetiges Hin- und Herbewegen des Pulsatorkolbens im Pulsator 9 wird die Flüssig keitssäule im Innengefäß 3 durch die Löcher in den Siebböden 6 hindurch pulsierend hin und her bewegt.Through the supply pipe 18 , the inner vessel 3 via the supply line 14 leads to a nitric acid solution which is formed by dissolving spent nuclear fuel in nitric acid and which, for example, per 100 kg of spent nuclear fuel contains 96 kg uranium, 1 kg plutonium and 3 kg nuclear fission products such as Contains strontium, cesium and others. Preheated and undiluted tributyl phosphate is continuously introduced into the foot part of the inner vessel 3 through the feed line 7 . Likewise, nitric acid is continuously introduced as washing liquid into the inner vessel 3 through the feed line 12 . Druch back and forth movement of the pulsator piston in the pulsator 9 , the liquid speed column in the inner vessel 3 through the holes in the sieve plates 6 through pulsating back and forth.

Durch den Dampfzufuhrstutzen 20 wird kontinuierlich Wasserdampf in das Außengefäß 2 eingeführt und durch den Kondensatablauf stutzen 21 Kondensat abgelassen. Dadurch wird erreicht, daß die Flüssigkeitssäule im Innengefäß 3 eine Temperatur im Bereich von 50°C bis 300°C, vorzugsweise von 200°C, hat. Mit den Ventilen 16 der Abgasleitung 17 wird günstigerweise ein Innen druck in dem Innengefäß 3 eingestellt, der oberhalb des Siede druckes der zugeführten salpetersauren Lösung ist, so daß Salpetersäure in diesem Innengefäß 3 nicht siedet.Steam is continuously introduced into the outer vessel 2 through the steam supply nozzle 20 and 21 condensate is drained through the condensate drain. It is thereby achieved that the liquid column in the inner vessel 3 has a temperature in the range from 50 ° C. to 300 ° C., preferably from 200 ° C. With the valves 16 of the exhaust pipe 17 , an internal pressure in the inner vessel 3 is advantageously set, which is above the boiling pressure of the supplied nitric acid solution, so that nitric acid does not boil in this inner vessel 3 .

Während die durch die Zuführleitung 14 in das Innengefäß 3 ein geleitete, Kernbrennstoff und Kernspaltprodukte gelöst ent haltende salpetersaure Lösung im Hinstrom durch die Löcher der Siebböden 6 hindurch zum Fußteil 5 des Innengefäßes 3 strömt, steigt das durch die Zuführleitung 7 zugeführte Tributyl phosphat durch die Löcher der Siebböden 6 hindurch im Gegen strom zum Kopfteil 4 des Innengefäßes 3 auf. Hierbei bildet das Tributylphosphat mit dem Kernbrennstoff, also beispielsweise Uran und Plutonium, in der im Hinstrom fließenden salpeter sauren Lösung Komplexverbindungen und transportiert diese Komplexverbindungen mit zum Kopfteil 4 des Innengefäßes 3, wo das Tributylphosphat beladen mit den Komplexverbindungen aus dem Überlauf 13 nach außen austritt. Die vom Kernbrennstoff, also Uran und Plutonium gereinigte, nur noch Kernspaltprodukte enthaltende salpetersaure Lösung fließt durch das Auslaufrohr 10 nach außen ab.While the nitric acid solution which is passed through the feed line 14 into the inner vessel 3 and contains dissolved nuclear fuel and fission products ent flows through the holes in the sieve trays 6 to the foot part 5 of the inner vessel 3 , the tributyl phosphate supplied through the feed line 7 rises through the holes the sieve trays 6 through in countercurrent to the head part 4 of the inner vessel 3 . Here, the tributyl phosphate forms complex compounds with the nuclear fuel, for example uranium and plutonium, in the nitric acid solution flowing in the upstream and transports these complex compounds to the top part 4 of the inner vessel 3 , where the tributyl phosphate, laden with the complex compounds, emerges from the overflow 13 to the outside. The nitric acid solution cleaned of the nuclear fuel, ie uranium and plutonium, and containing only fission products flows out through the outlet pipe 10 .

Die durch die Verteilerbrause 11 in das Innengefäß 3 gelangte Salpetersäure wäscht auf ihrem Weg zum Fußteil 5 des Innen gefäßes 3 letzte Reste von Kernspaltprodukten aus dem Tributyl phosphat aus, das zum Kopfteil 4 des Innengefäßes 3 aufsteigt.The nitric acid that got through the distributor spray 11 into the inner vessel 3 washes the last residues of fission products from the tributyl phosphate on its way to the foot part 5 of the inner vessel 3 , which rises to the head part 4 of the inner vessel 3 .

Claims

1. A process for separating nuclear fuel, in particular uranium and plutonium, from nuclear fission products which are present in nitric acid solution in an extraction vessel in which an outflow from the nitric acid solution is carried out in the opposite direction to a countercurrent from a liquid containing tributyl phosphate, characterized in that that solvent-free tributyl phosphate is used as the liquid for the countercurrent.

2. The method according to claim 1, characterized, that the liquid of the outflow and the counterflow in the Extraction vessel at a temperature in the range of 50 ° C up to 300 ° C and a pressure above the associated boiling point pressure of nitric acid can be kept.