EP2695167A1 - Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials - Google Patents

Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials

Info

Publication number
EP2695167A1
EP2695167A1 EP12722670.2A EP12722670A EP2695167A1 EP 2695167 A1 EP2695167 A1 EP 2695167A1 EP 12722670 A EP12722670 A EP 12722670A EP 2695167 A1 EP2695167 A1 EP 2695167A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
graphite
carbon
binder
radionuclides
materials
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12722670.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Dirk Vulpius
Werner Von Lensa
Rahim Nabbi
Eric Mauerhofer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP2695167A1 publication Critical patent/EP2695167A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/30Processing

Definitions

  • the invention relates to methods for the decontamination of radionuclides from neutron irradiated carbon and / or graphite materials, which consist of a heterogeneous compound of crystalline filler materials and microcrystalline amorphous binder materials.
  • Radiotoxic or radionuclides which are formed by neutron activation of impurities contained in graphite and / or by neutron activation of the ambient atmosphere and / or by nuclear fission.
  • radiotoxic agents present a particular disposal problem when they are volatile, such as tritium ( 3 H), or persistent and volatile such as 36 C 1 , or emit particularly penetrating radiation, such as 60 Co.
  • the carbon contained in the graphite is activated with the atomic weight 13 itself to radiocarbon ( 1 C).
  • the capture cross-section for this reaction is only 0.0014 barn, but is not negligible because of the significant concentration of 1.07% of l3 C.
  • 13 C is generated by neutron capture of 12 C (0.0035 barn) during irradiation and is thus increasingly contributing to the formation of 14 C, too.
  • radiocarbon is produced by neutron activation of nitrogen at atomic weight 14.
  • I4 represents N with 99.64% majority proportion in naturally occurring nitrogen.
  • the cross section for the neutron capture with subsequent emission of a proton is 1, 93 barn.
  • radiocarbon is formed via the 0.038% naturally occurring oxygen isotope with atomic weight 17 via neutron capture (0.257 barn) with subsequent emission of an alpha particle.
  • nitrogen and oxygen may be either part of the reactor atmosphere or part of chemical bonds in reactor materials in the neutron field.
  • Radiocarbon differs only by its atomic weight from the stable isotopes of carbon. It therefore basically has the same chemical behavior as the other carbon isotopes. Furthermore, it is implemented in biological processes such as stable carbon and not recognized as a foreign substance. Its release into the biosphere is therefore to be avoided. For this reason, the limits for the disposal and potential release of radiocarbon are extremely stringent. For example, the KONRAD repository requires a l4 C release from the waste container of ⁇ 1% of the 14 C inventory if the activity limit per waste package is to be fully utilized.
  • the radiotoxic agents and in particular 1 C form only a few ppm (parts per million) of the total mass of graphite.
  • the radiotoxic agents according to the prior art knowledge, are distributed more or less homogeneously over their entire volume, so that the entire volume is considered to be radioactive waste, which in some countries can be termed intermediate-level waste (ILW) or the half-life of 5730 years as long-lived low-level waste (LLLW). Therefore, in view of scarce and expensive repository capacities, there is a need to selectively remove and concentrate such portion of the radiotoxins from the graphite so that the remaining graphite can be classified as either low-level waste (LLW) or even cleared and reused.
  • ILW intermediate-level waste
  • LLLW long-lived low-level waste
  • the invention describes a method for the decontamination of neutron irradiated carbon and graphite materials, such as nuclear graphite and coal or even high purity graphite, the materials may be in the form of solid pieces, granules or powder.
  • the specific, selective decontamination of the releasable radionuclides is here understood to mean the extensive removal of problematic radionuclides for disposal, which can be released from the waste by leaching operations or outgassing in the short to long term.
  • any remaining in graphite residuals of radionuclides are not considered problematic if they are so firmly built into the crystalline structure that they are not removable or releasable without their complete destruction.
  • the partially decontaminated graphite obtained in this way can either be disposed of or fed to new applications.
  • the released radionuclides since they are produced in an enriched form, can be stored in a volume-saving manner or recycled or reused as valuable materials. This applies in particular to the radionuclides tritium and radiocarbon, for which there are numerous scientific and technical applications.
  • the present invention relates to a method for the decontamination of releasable radionuclides from neutron irradiated carbon and / or graphite materials, which consist of a heterogeneous compound of crystalline fillers.
  • materials and microcrystalline-amorphous binder materials comprising mechanical and / or chemical treatment methods, the mechanical treatment methods comprising the steps breaking, shaking and sieving and the chemical treatment methods comprise a supply of activation energy, which is characterized in that the mechanical treatment methods and / or the supply of the amount of activation energy is adjusted so that only the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material are attacked and dissolved, and that there is a subsequent fractionation of reaction products, which were separated from the carbon and / or graphite materials by the mechanical and chemical treatment processes.
  • the method according to the main claim is based on the common idea, on the reaction of the neutron irradiated carbon and / or graphite material to be decontaminated
  • Nuclear graphite is a technical product made from a filler material and a binder material.
  • the filler material may, for. B. natural graphite or petroleum coke exist.
  • binder material z As coal tar or Phenoiharz use.
  • Filler material and binder material are mixed together and formed into a shaped part. This is fired under atmospheric nitrogen, the binder material pyrolyzing. After further impregnation and firing processes, the molded part is then graphitized at up to 3000 ° C., with partial formation of crystalline graphite structures in the pyroxylated binder material occurring in some cases. Through this process, filler material and binder material are combined to form a solid but still heterogeneous graphitic body.
  • the invention is based on the recognition that filler and binder materials do not combine with one another in such a way that a homogeneous solid body is formed. Rather, a product with partially different density and strength arises.
  • the filler material especially if it consists of crystalline natural graphite, has a higher density and strength than the binder material.
  • the inventors have recognized that the majority of the releasable radionuclides in neutronenbestrahltem nuclear graphite (z. B. 3 H, l4 C, 36 C1, 60 Co, 90 Sr 137 Cs, among others,) is in the amorphous and microcrystalline proportions of the former binder material.
  • This binder material is pyrolyzed and graphitized during graphite production and forms the basis for the pronounced pore system of nuclear graphite.
  • the former binder material consists of microcrystalline graphite components and amorphous carbon components.
  • the binder regions behave more or less like activated carbon and adsorb impurities (eg nitrogen) not only during production but also during irradiation in nuclear plants by adsorption from the air and / or the cooling gas. Farther these areas have a higher chemical reactivity [1].
  • recoil reactions in the nuclear activation process play a role in the final incorporation of the activation products into the neighboring structures.
  • the specific, selective decontamination of neutron irradiated carbon and graphite materials according to the invention now means to remove those releasable radionuclides which are located in such binding sites.
  • radionuclides are seen which, because of their genesis, are incorporated directly into the graphite lattice of the filler particles or otherwise have no access to the outer surface or inner pore system of the graphite body. Such radionuclides can not be mobilized without complete destruction of the graphite lattice (that is, the entire graphite body).
  • Radionuclides which are in loose chemical or physical bonds and are accessible from the outside can be removed from the nuclear graphite according to the invention by targeted chemical or electrochemical reactions with or without the assistance of mechanical influences (grinding, breaking, shock waves, ultrasound, etc.).
  • the type of chemical, mechanical or electrochemical reaction is to be chosen so that only the surface of the graphite body, that is the outer (macroscopic) and inner (microscopic) is attacked.
  • the method makes use of the fact that there is an accumulation of radionuclides on the said outer and inner surfaces.
  • 13 C converts to l4 C by a ⁇ , ⁇ reaction with a cross section of 0.0014 barn for thermal neutrons.
  • 14 N transforms in l4 C by an ⁇ , ⁇ reaction with a thermal cross section of 1.93 barn.
  • l4N concentrations of 300 ppm (0.03%) are found, while the natural l3C content of carbon is 1.07%. In spite of the about 3-fold lower concentration of 14 N to 13 C, under the given conditions the
  • Concentration of oxygen in nuclear graphite can be very different. For example, on graphite surfaces in contact with atmospheric oxygen, oxygen concentrations are found to be 3%. For coal rock, oxygen concentrations in the percentage range were also measured inside. For this general consideration, therefore, an average oxygen content in nuclear graphite of 1% is assumed. The proportion of 17 0 in natural oxygen, however, is very low at 0.038%. This results in a 13 C / I 7 0 ratio of about 2800, that is, the l 7 0 concentration is about 2800 times lower than the 13 C concentration. Thus, the probability that I4 C is formed from 17 0, is still about 15 times lower than from l3 C. This means that the l 4 C-
  • Carbon and Graphitwerksto ff is produced.
  • Other nitrogen contents may also be present in the binder material in the form of heterocyclic organic compounds (eg in coal tar).
  • nitrogen and carbon are extremely inert in elemental form, nitrogen still forms covalent bonds on graphite surfaces, as confirmed by quantum mechanical calculations [2, 3]. Nitrogen is therefore on Graphite surfaces as a chemisorbed film. This can also be detected by means of secondary ion mass spectroscopy on the basis of depth profiles, as can be seen in FIG.
  • the pore system is lined with chemisorbed nitrogen in nuclear graphite, then it is likely that radiocarbon therefrom will also be on the surface or in near-surface regions of the pore system; because despite the relatively high recoil energy of the 14 C atom from the 1 N nuclear reaction of a maximum of 41.4 keV, which breaks all chemical bonds, the l4 C atom does not move so far from its origin due to numerous collisions with lattice atoms in that it is inside a graphite crystal lite. In addition, there is a low probability that it will find a free lattice site there to be firmly bound into the graphite lattice.
  • soot is finely divided microcrystalline amorphous carbon having a specific surface area of 10 to 1000 m 2 / g
  • soot is an ideal adsorbent for gases (similar to activated carbon).
  • a surface covered with soot such as the highly porous carbon and graphite materials increases the adsorption capacity of these materials for gases and other impurities many times over. The occupation of these surfaces with soot should therefore be strictly avoided.
  • the method according to the invention discriminates between the releasable radionuclide and the remaining waste in several respects and thus that only the releasable radionuclides can be selectively separated from the remaining waste.
  • Decontamination always has the goal to concentrate the radionuclide as much as possible and as little harmless material as possible, eg. As the crystalline filler particles to deduct from the waste.
  • the radionuclide is bound with a lower binding energy in the microcrystalline to amorphous binder material than in the crystalline regions. This binding energy can be chemical or physical in nature.
  • the binder area acts more like activated carbon to absorb various contaminants.
  • the binding of the radionuclide in the binder to the bond in the crystalline regions may have been selectively altered, in particular weakened.
  • the activation energy can now for example be specifically chosen so that just these changed bonds are solved to the binder. Then, the radionuclide is selectively removed from the binder while essentially being spared in the crystalline regions.
  • the invention is based essentially on exploiting the differences between the pyrolyzed and (partially) graphitized binder regions and the crystalline filler aggregates, such as, for example:
  • Exemplary embodiments are described below. They are based on methods that can be used to separate the fractions with the releasable radionuclides early and, if necessary, to apply specific treatments. Also should pretreatment stages, such. As the separation of tritium or chlorine in order to avoid isotopic mixtures in post-treatment steps where these elements occur in higher concentrations (eg hydrogen in electrolysis, chlorine in the case of volatilization of immobile carbides).
  • the method according to the invention essentially comprises chemical or mechanical treatment methods or a combination of both treatment methods.
  • an activation energy is supplied to the neutron-irradiated carbon and graphite material, wherein the amount of the supplied activation energy is adjusted so that only the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material attacked and will be dissolved and thus the microcrystalline amounts of binder and / or bound to the entire porous body of the amorphous carbon contents of the carbon and / or graphite material only radionuclides g surface on the upper, released.
  • the amount of activation energy supplied should be adjusted so that preferably the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material react and the crystalline region does not react or only very much later.
  • a corrosion medium eg, oxygen
  • the carbon atoms of the graphite are attacked. These are more loosely bound in the binder than in the filler particles (because they are crystalline and larger).
  • radionuclides such. B. I4 C released.
  • the key to this is that naturally in the binder, which is preferably attacked, the radionuclides are present in increased concentration. This is also true because of the other surface to volume ratio.
  • the corrosion medium preferably attacks the microcrystalline constituents. Along with this, the mechanical stability is considerably reduced.
  • Radionuclides that are bound there, for example, by
  • a halogen or halogen ions are transferred from the corrosion medium into at least one gaseous reaction product.
  • the reaction of the corrosion medium with the radionuclide may be a redox reaction in which the corrosion medium is reduced and the radionuclide is oxidized.
  • the hydrogen, the hydrogen ions, the oxygen, the oxygen ions, the halogen and / or the halogen ions can be presented as such. They can be presented, for example, in low concentration in an inert gas stream. But they can also be formed when supplying the activation energy from the corrosion medium.
  • a peroxide, water / steam, an acid, a caustic, carbon dioxide, a complexing agent, a halogen compound, a hydrocarbon, a halohydrocarbon and / or other pyrolyzable and / or dehydratable reagent may be used as Corrosion medium can be selected.
  • the corrosion medium can be used in liquid form or in the form of solid pieces, as granules or powder.
  • the corrosion medium preferably contains at least one binary metal oxide, sulfate, nitrate, hydroxide, carbonate, hydride and / or halosuccinimide.
  • the hydrogen, the hydrogen ions, the oxygen, the oxygen ions, the halogen and / or the halogen ions can react in particular in the nascent state (see electrolysis) with the radionuclide. They are particularly reactive in this state.
  • Another form of supply of activation energy may be by the electrolysis of neutron-irradiated carbon and graphite materials.
  • the electrolysis uses various different properties of binder and filler areas, such. B. the different porosity between filler and binder area with regard to penetration and wetting by the electrolyte, the chemical reactivity of the binder components and the mechanical stability.
  • the conditions of the electrolysis are preferably chosen such that disintegration of the microcrystalline and amorphous binder regions occurs.
  • the electrolysis of neutron-irradiated carbon and graphite materials is a universal process by which in principle a wide range of radionuclides can be removed from carbon and graphite materials.
  • the electrolysis z. B. in dilute nitric acid, wherein the graphite to be decontaminated as anode (positive pole) is connected in a DC circuit.
  • graphite nitrate a known graphite intercalation compound which hydrolyzes immediately in the aqueous medium to form graphite oxide (graphite with varying proportions of hydroxyl groups).
  • graphite oxide graphite with varying proportions of hydroxyl groups.
  • This disintegration during the electrolysis can be mechanically z. B. support by ultrasound, so that the filler particles are early and undestroyed dissolved out of the graphite or Kohleste in alliance. It has been proven that the carbon oxides occurring in this process and especially the carbon dioxide have a particularly high proportion of radiocarbon,
  • the resulting carbon dioxide is enriched with radiocarbon and can be used, for example, by reaction with alkaline absorbents (eg alkalis), for example by conversion to barium carbonate as the radiocarbon source, or converted to other stable compounds (eg carbides) for disposal.
  • alkaline absorbents eg alkalis
  • barium carbonate as the radiocarbon source
  • other stable compounds eg carbides
  • tritium can also go into solution.
  • the electrolysis of irradiated nuclear graphite should be carried out as possible after separation of the tritium.
  • the electrolysis can be used with appropriate choice of voltage for the triggering of ion migrations.
  • the preferred electrolyte is sodium perchlorate, since it does not form any complexes that interfere with electromobility with the contaminants. This process can also be used to accelerate leaching.
  • the magnitude of the electrical voltage or of the electric field in the solid is dimensioned such that it is at least sufficient to overcome the activation energy for the diffusion (> 1 eV).
  • the result is the following procedure: The irradiated nuclear graphite voltage is applied in a certain amount, whereby a displacement of the radionuclide compounds enforced in the field direction and thus a spatial concentration of these compounds is achieved (for the purpose of chemical release / separation).
  • the result of the method consists in the positive influence on the migration or diffusion of radiocarbon compounds by an externally applied electric field of certain field strength.
  • Another embodiment is the surface electrolysis z.
  • B the spent fuel pellets of high temperature reactors on the ball-pile principle. It is well known that radiocarbon deposited preferentially on the spherical surface and in near-surface layers because, despite the high purity of the graphitic matrix material, the concentration of chemisor physisorbed nitrogen was highest there. Selective anodic electrolysis of the upper layers of the fuel element sphere releases the l4 C contained therein in concentrated form as l4 C0 2 . This can be collected with sodium hydroxide solution or another alkaline absorbent and processed further. The electrolysis can for example be adjusted so that only the surface is removed by 1 to 2 mm. Furthermore, by monitoring the 14 C concentration, for example via a scintillation detector in the online process, the electrolysis can then be stopped when the 14 C concentration decreases.
  • Mechanical treatment methods :
  • One embodiment of the mechanical treatment method relates to the mechanical comminution of neutron-irradiated carbon and graphite materials.
  • the binder areas are significantly weaker in their mechanical strength than the filler components.
  • the mechanical cohesion of the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon fractions of the neutron-irradiated carbon and / or graphite material can be destroyed and the Fractionate ingredients so that filler and binder areas can be separated from one another using different crystal sizes / grain sizes
  • the mechanical crushing is carried out to the maximum grain size of the filler particles, which can vary depending on the graphite or carbon type.
  • the binder particles are smaller due to their lower breaking strength.
  • the finely crystalline portion of the binder reacts preferably with the grinding, breaking or sieving.
  • Subsequent sighting and post-treatment procedures e.g. B. with corrosive agents may be advantageous. This also leads to the preferential release of contaminants of the binder and to the surfaces of the filler crystallites. These reactions may, for. B. in a rotating reaction vessel, in a mixer or in a fluidized bed reactor.
  • a thermal pretreatment is advantageous in which certain contaminants / radionuclides are partially expelled by pyrolysis of hydrocarbons (eg tritium) or by slight corrosion.
  • An upstream thermal pretreatment or corrosion especially at temperatures between 350 to 900 ° C., in particular below 500 ° C. (chemical oxidation range, see FIG. 5), can increase the mechanical stability of the waste material. targeted weaken in the binder areas with minor mass losses or degrees of corrosion and support the subsequent mechanical comminution and fractionation.
  • a removal of the outer layers can also be achieved by other methods such.
  • mechanical trimming, brushing, laser ablation or - particularly advantageous - oxidation with oxygen accomplish.
  • An oxidation with oxygen can be carried out, for example, at temperatures of more than 350 to ⁇ 900 ° C or carried out above 900 ° C. Different areas can be attacked by the choice of the oxidation temperature:
  • Boundary layer diffusion area (/> 900 ° C) [5]
  • the oxygen can penetrate deep into the pores of the graphite and thereby oxidize the binder, which leads to a disintegration of the graphite and thus to an exposure of the filler particles (see FIG. 5).
  • the binder and volatile with oxygen radionuclides such. B. released radiocarbon.
  • the reaction rate is very low (see FIG. 6). This reaction is applicable to graphites in which the radionuclide to be removed is distributed throughout the graphite body and has to be concentrated by the process.
  • the radionuclide to be removed is concentrated in a certain area of the graphite body - such as.
  • the radiocarbon on the surface of the spent fuel pellets of high temperature reactors - it is advantageous in view of the effectiveness of the method to increase the oxidation temperature to get into the pore diffusion region or the boundary layer diffusion region.
  • a radio-carbon-enriched combustion gas because the Enrichment already exists in the material and does not have to be accomplished by the process.
  • the non-releasable fraction of radionuclides are very firmly bound in the graphite, their removal for disposal is not required because z. B. the release rates are below 1%.
  • the graphite can even be used to chemisorb radionuclides on its inner surfaces and thus fix them securely for long times. This may possibly be supported by measures to close the pore system.
  • a corrosive agent eg pure oxygen
  • a corrosive agent can also be adsorbed before heating in the interior, ie in the pore system, of the carbon and / or graphite materials. This is particularly the case when radionuclides such as tritium and radiocarbon are to be obtained in high enrichment in order to supply them to the recycling cycle.
  • both the proportions of previously chemisorbed nitrogen and thus of the 14 C which has also accumulated there as well as fractions of deposited corrosion media eg oxygen, C0 2 , H 2 , H 2 0
  • a heating of the carbon and / or graphite materials in an inert gas atmosphere (eg N 2 or Ar) or in a vacuum at a temperature range between 500 and 1500 ° C can be carried out, so that only a part of the radionuclides are removed from the carbon and / or graphite material, but this in a particularly high enrichment.
  • FIGS. 9 and 10 show this state of affairs on the basis of measurement series carried out. Shown is the proportion of released tritium or radiocarbon versus the released (corroded) portion of total carbon ( 12 C and 13 C).
  • the reaction media used were inert gas (N 2 or Ar) or water vapor at different temperatures. It can be seen that the enrichment ratio 3 H / total carbon or 14 C / total carbon in the case of heating tests in inert gas (N or argon) is greatest.
  • the shape of the sample is decisive: In massive graphite samples, the release of radionuclides is higher than in the case of milled ones, in which the pore system with the reactive gases contained therein is largely destroyed.
  • This method is made possible by the oxygen adsorbed especially in the binder material of the carbon and / or graphite material and / or other adsorbed corrosion media (eg water vapor) which preferentially react with the radionuclides present in concentrated form in reactive form and on the surfaces.
  • adsorbed corrosion media eg water vapor
  • oxidizing functional groups eg hydroxyl, carbonyl, carboxyl, ether or epoxy groups
  • the functional groups are split off from their binding in graphite at temperatures above 500 ° C and can react directly with radionuclides such as tritium and radiocarbon, which are finely distributed in the binder system, to form gaseous (easily releasable) reaction products.
  • radionuclides such as tritium and radiocarbon
  • the proportion of these functional groups can even be increased by the carbon and / or graphite material is converted by suitable methods before the thermal treatment in oxidized carbon and / or graphite material (graphite oxide).
  • suitable methods may be purely chemical (treatment with strong oxidizing media such as hydrogen peroxide) or electrochemical (anodic oxidation in dilute acids).
  • the released in these reactions in the form of gaseous compounds radionuclides such. B. 14 CO can then also be supplied to the recycling cycle due to their high concentration.
  • the thermal energy kB corresponding to the temperature T. Boltzmann constant) must correspond at least to this activation energy.
  • the activation energy can be reduced by a catalyst.
  • a temperature between 350 to 1500 ° C, preferably selected between 500 and 1300 ° C. In this temperature range, the reaction takes place depending on the nature of the orrosion medium with a practical reaction rate.
  • Concentration e.g., pure oxygen
  • Concentration may be added to it at the inner
  • the penetration depth of the corrosive medium can be adjusted via the suitable choice of the process temperature and the process duration.
  • This may possibly also be a precursor for a mechanical aftertreatment (eg in rotating drums), because this corrosion treatment at high temperatures causes a weakening of the binder or disintegration of the microcrystalline and amorphous binder regions, which coincides with the contamination profile.
  • the released radionuclides eg 14 C, metallic radionuclides
  • chemical and mechanical treatment methods can be combined.
  • first the carbon and / or graphite materials under "mild" conditions ie at temperatures below 700 ° C, for example, under an oxygen atmosphere over a period of, for example be heated for about a few hours, then an electrolysis is carried out.
  • the electrolysis can, for example, additionally be supported by treatment with ultrasound.
  • the remaining after the separation of the binder material crystalline graphite can be supplied to the recycling cycle and reused.
  • FIG. 2 Scanning electron micrograph in FIG.
  • Fig. 3 14 N depth profile (as CN ⁇ ion) of irradiated (a) and unirradiated (b) AVR reflector graphite (AVR - Häyer remplisreaktor GmbH, Jülich)
  • FIG. 4 l3 C depth profile of irradiated (a) and unirradiated (b) AVR reflector graphite (AVR - Häyer remplisreaktor GmbH, Jülich)
  • FIG. 5 Schematic representation of the reaction areas of graphite oxidation [5]
  • FIG. 6 Kinetic representation of the reaction areas of graphite oxidation [6]
  • FIG. 7 Scanning electron micrograph of untreated irradiated AVR fuel matrix (A3 starting material)
  • FIG. 8 Scanning electron micrograph of disintegrated irradiated AVR fuel element matrix (graphite oxide)
  • the electrolysis conditions were the following:
  • Table 1 shows radionuclide release and measurable residual activity in the electrolysis of a graphite sample of an irradiated AVR fuel.
  • the fallen graphite flakes were filtered from the electrolyte solution, washed with distilled water and dried for 9 hours in a drying oven at 80 ° C. The same procedure was followed with the graphite particles still adhering to the graphite sample, which were removed by gentle scratching with a spatula.
  • the resulting reaction product was identified as "graphite oxide", a non-stoichiometric graphite compound with varying proportions of oxygen-containing functional groups (mainly hydroxyl groups) containing 60% of the starting material of the graphite sample.
  • the nuclide-specific activity of the electrolytic solution, the graphite oxide and the graphite electrode residue was determined by gamma spectrometry (60Co, 137Cs, etc.) or liquid scintillation measurement (3H, 14C, 90Sr - after combustion of a sample liquor and subsequent radiochemical separation) ,
  • Radionuclide release was determined by determination of radioactivity (Bq / g) before and after electrolysis. It indicates by what percentage a reaction product is less active than the starting material. This statement clearly illustrates the decontamination success of the process.
  • the measured release of activity is not a release of radionuclides from a homogeneous solid, but a release of radionuclides from parts of a heterogeneous solid.
  • the releasable portion of the radionuclides of irradiated carbon and graphite materials is in the regions of the binder material. This is preferably attacked by the electrolysis and the radionuclides therein are selectively released. As solid reaction products remain those parts of the nuclear graphite, which are less affected by the electrolysis. These are the filler particles. However, these have from the outset less activatable components and thus a significantly lower radioactivity than the binder material.
  • the radionuclide release thus means a preferential release of radionuclides the binder material leaving the less contaminated constituents of the nuclear graphite.
  • the values for I4 C in Table 1 mean that z. B. only about 13% of the total activity of l4 C in the remaining filler particles in graphite electrode residue.
  • the graphite oxide consists essentially of the detached filler particles and has 21% of the mean starting activity at l4 C. This may mean that even minor residues of the binder adhere to the graphite oxide particles, because they were only exposed to electrolysis for a short time.
  • Table 1 Radionuclide release and residual activity in the electrolysis of a graphite sample of an irradiated AVR fuel assembly
  • the graphite oxide was then subjected to a thermal treatment of 6 hours at 900 ° C under N 2 . With elimination of water (pyrolysis of the hydroxyl groups), the graphite oxide changed back into graphite.
  • Figures 7 and 8 show scanning electron micrographs of untreated irradiated AVR fuel assembly matrix (A3 starting material) and disintegrated, ie treated by electrolysis, irradiated AVR fuel element matrix (graphite oxide from the filler particles).
  • A3 starting material untreated irradiated AVR fuel assembly matrix
  • disintegrated, ie treated by electrolysis, irradiated AVR fuel element matrix graphite oxide from the filler particles.
  • graphite oxide from the filler particles.
  • the binder material which in the present case constitutes only the thin boundary layer between the graphite particles, has been converted by the electrolysis process into gaseous reaction products (carbon dioxide).

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)

Abstract

The invention relates to a method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials, which are composed of a heterogeneous combination of crystalline filler materials and microcrystalline-amorphous binder materials, comprising mechanical and/or chemical treatment methods, wherein the mechanical treatment methods comprise the steps of fracturing, shaking, and sifting and the chemical treatment methods comprise supplying activation energy, characterized in that the mechanical treatment methods and/or the supply of the amount of activation energy is set in such a way that only the microcrystalline regions of the binder material and/or the entire porous body of the amorphous carbon fractions of the carbon and/or graphite material are acted on and dissolved, and that reaction products that were separated from the carbon and/or graphite materials by the mechanical and chemical treatment methods are subsequently fractionated.

Description

B e s c h r e i b u n g  Description
Verfahren zur Dekontamination von Radionukliden aus neutronenbestrahlten  Method for the decontamination of radionuclides from neutron irradiated
Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffen  Carbon and / or graphite materials
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Dekontamination von Radionukliden aus neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffen, welche aus einer heterogenen Verbindung von kristallinen Füllermaterialien und mikrokristallinamorphen Bindermaterialien bestehen. The invention relates to methods for the decontamination of radionuclides from neutron irradiated carbon and / or graphite materials, which consist of a heterogeneous compound of crystalline filler materials and microcrystalline amorphous binder materials.
Stand der Technik State of the art
Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe, wie z. B. Nukleargraphit und Kohlestein, werden beim Einsatz in Kernreaktoren mit verschiedenen Radiotoxika bzw. Radionukliden kontaminiert, die durch Neutronenaktivierung von im Graphit enthaltenen Verunreinigungen und/oder durch Neutronenaktivierung der Umgebungsatmosphäre und/oder durch Kernspaltung gebildet werden. Diese Radiotoxika stellen ein besonderes Problem für die Entsorgung dar, wenn sie, wie beispielsweise Tritium (3H), leichtflüchtig oder, wie 36C1, langlebig und flüchtig sind oder, wie beispielsweise 60Co, eine besonders durchdringende Strahlung emittieren. Carbon and graphite materials, such. As nuclear graphite and coal, are contaminated when used in nuclear reactors with various radiotoxic or radionuclides, which are formed by neutron activation of impurities contained in graphite and / or by neutron activation of the ambient atmosphere and / or by nuclear fission. These radiotoxic agents present a particular disposal problem when they are volatile, such as tritium ( 3 H), or persistent and volatile such as 36 C 1 , or emit particularly penetrating radiation, such as 60 Co.
Zusätzlich wird der im Graphit enthaltene Kohlenstoff mit dem Atomgewicht 13 selbst zu Radiokarbon (1 C) aktiviert. Der Einfangsquerschnitt für diese Reaktion beträgt nur 0,0014 barn, ist aber wegen der signifikanten Konzentration von 1,07 % an l3C nicht zu vernachlässigen, Außerdem wird 13C durch Neutroneneinfang von l2C (0,0035 barn) während der Bestrahlung erzeugt und trägt so zunehmend auch zur Bildung von 14C bei. Zusätzlich wird Radiokarbon durch Neutronenaktivierung von Stickstoff mit dem Atomgewicht 14 erzeugt. I4N stellt mit 99,64 % den Hauptanteil in natürlich vorkommendem Stickstoff. Der Wirkungsquerschnitt für den Neutroneneinfang mit anschließender Emission eines Protons beträgt 1 ,93 barn. Außerdem bildet sich Radiokarbon über das mit 0,038 % natürlich vorkommende Sauerstoffisotop mit dem Atomgewicht 17 über Neutroneneinfang (0,257 barn) mit anschließender Emission eines Alpha-Teilchens. Stickstoff und Sauerstoff können im Neutronenfeld entweder Bestandteil der Reaktoratmosphäre oder Teil von chemischen Bindungen in Reaktormaterialien sein. In addition, the carbon contained in the graphite is activated with the atomic weight 13 itself to radiocarbon ( 1 C). The capture cross-section for this reaction is only 0.0014 barn, but is not negligible because of the significant concentration of 1.07% of l3 C. In addition, 13 C is generated by neutron capture of 12 C (0.0035 barn) during irradiation and is thus increasingly contributing to the formation of 14 C, too. In addition, radiocarbon is produced by neutron activation of nitrogen at atomic weight 14. I4 represents N with 99.64% majority proportion in naturally occurring nitrogen. The cross section for the neutron capture with subsequent emission of a proton is 1, 93 barn. In addition, radiocarbon is formed via the 0.038% naturally occurring oxygen isotope with atomic weight 17 via neutron capture (0.257 barn) with subsequent emission of an alpha particle. nitrogen and oxygen may be either part of the reactor atmosphere or part of chemical bonds in reactor materials in the neutron field.
Radiokarbon unterscheidet sich nur durch sein Atomgewicht von den stabilen Isotopen des Kohlenstoffs. Es hat daher grundsätzlich dasselbe chemische Verhalten wie die anderen Kohlenstoffisotope. Weiterhin wird es in biologischen Prozessen wie stabiler Kohlenstoff umgesetzt und nicht als Fremdsubstanz erkannt. Seine Freisetzung in die Biosphäre ist daher zu vermeiden. Aus diesem Grund sind auch die Grenzwerte für die Endlagerung und potentielle Freisetzung von Radiokarbon extrem stringent. So wird für das Endlager KONRAD eine l4C- Freisetzung aus dem Abfallgebinde von < 1 % des 14C -Inventars gefordert, wenn die Aktivitätsbegrenzung pro Abfallgebinde voll ausgeschöpft werden soll. Radiocarbon differs only by its atomic weight from the stable isotopes of carbon. It therefore basically has the same chemical behavior as the other carbon isotopes. Furthermore, it is implemented in biological processes such as stable carbon and not recognized as a foreign substance. Its release into the biosphere is therefore to be avoided. For this reason, the limits for the disposal and potential release of radiocarbon are extremely stringent. For example, the KONRAD repository requires a l4 C release from the waste container of <1% of the 14 C inventory if the activity limit per waste package is to be fully utilized.
Die Radiotoxika und hier insbesondere 1 C bilden nur einen Anteil von wenigen ppm (parts per million) an der Gesamtmasse des Graphits. Die Radiotoxika sind nach den bisherigen Kenntnissen des Stands der Technik mehr oder weniger homogen über sein gesamtes Volumen verteilt, so dass das ganze Volumen als radioaktiver Abfall gilt, der in einigen Ländern als mittelaktiver Abfall (intermedi- ate-level waste, ILW) oder wegen der Halbwertszeit von 5730 Jahren als langlebiger schwachaktiver Abfall (long-lived low-level waste, LLLW) einzustufen ist. Angesichts knapper und teurer Endlagerkapazitäten besteht daher ein Bedürfnis, einen solchen Anteil der Radiotoxika selektiv aus dem Graphit zu entfernen und aufzukonzentrieren, so dass der verbleibende Graphit entweder als schwachaktiver Abfall (low-level waste, LLW) eingestuft oder sogar freigemessen und wiederverwendet werden kann. The radiotoxic agents and in particular 1 C form only a few ppm (parts per million) of the total mass of graphite. The radiotoxic agents, according to the prior art knowledge, are distributed more or less homogeneously over their entire volume, so that the entire volume is considered to be radioactive waste, which in some countries can be termed intermediate-level waste (ILW) or the half-life of 5730 years as long-lived low-level waste (LLLW). Therefore, in view of scarce and expensive repository capacities, there is a need to selectively remove and concentrate such portion of the radiotoxins from the graphite so that the remaining graphite can be classified as either low-level waste (LLW) or even cleared and reused.
Aus der DE 10 2004 036 631 AI ist ein Verfahren zur selektiven Entfernung von Radiokarbon über eine chemische Reaktion bei höheren Temperaturen bekannt. Dabei wird an äußeren und inneren Oberflächen des Graphits ein gasförmiges Korrosionsmedium vorgelegt, wobei nur wenige Prozent des Graphits korrodieren, aber ein großer Anteil des Radiokarbons freigesetzt wird. Das Verfahren nutzt die Erkenntnis aus, dass der überwiegende Teil des Radiokarbons in der Nähe innerer Oberflächen im Porensystem des Graphits konzentriert ist, weil angenommen wurde, dass das Radiokarbon im Wesentlichen durch Aktivierung von adsorbiertem Stickstoff oder Sauerstoff im Porensystem des Graphits entsteht und deshalb bevorzugt oxidiert wird. From DE 10 2004 036 631 Al a method for the selective removal of radiocarbon via a chemical reaction at higher temperatures is known. In this case, a gaseous corrosion medium is placed on the outer and inner surfaces of the graphite, wherein only a few percent of the graphite corrode, but a large proportion of the radio-carbon is released. The method exploits the knowledge that most of the radiocarbons are concentrated near internal surfaces in the pore system of graphite, because it was thought that the radiocarbon was essentially activated by activation of adsorbed nitrogen or oxygen in the pore system of graphite is formed and therefore preferably oxidized.
Der bisherige Stand der Technik bemüht sich, aus bestrahltem Nukleargraphit möglichst große Mengen an Radionukliden bei möglichst geringen Masseverlusten zu entfernen. Dabei wird keine Unterscheidung zwischen„freisetzbaren" und „nicht freisetzbaren" Anteilen an Radionukliden getroffen. Dies ist ungünstig bei der Festlegung des Dekontaminationszieles und der Bewertung des Dekontaminationserfolges von entsprechenden Verfahren. Bei der Endlagerung oder Wiederverwendung von Nukleargraphit ist es jedoch von entscheidender Bedeutung, den Unterschied zwischen„freisetzbaren" und„nicht freisetzbaren" Anteilen an Radionukliden zu kennen, denn nur die freisetzbaren, das heißt locker gebundenen Anteile an Radionukliden gelten als problematisch für Mensch und Umwelt. Diese Anforderung spiegelt sich auch in den Annahmebedingungen für das Endlager KONRAD wieder und stellt ein zusätzliches Ziel der Erfindung dar, indem eine Fraktionierung und Separierung des Anteils im Abfall angestrebt wird, welcher sowohl geringe Restanteile an 14C als auch Freisetzungsraten unterhalb von 1 % aufweisen. Dieser Anteil ließe sich unter KONRAD-Bedirigungen problemlos nach weiterer Konditionierung einlagern. Der höher kontaminierte Anteil kann über nach dem Stand der Technik beschriebene Verfahren weiter behandelt und entweder soweit dekontaminiert werden, dass er ebenfalls den Annahmebedingungen entspricht oder z. B. durch Umwandlung in Karbide dem Kriterium niedriger Freisetzungsraten unter 1 % entspricht. The prior art endeavors to remove irradiated nuclear graphite as large amounts of radionuclides with the lowest possible mass losses. There is no distinction between "releasable" and "non-releasable" levels of radionuclides. This is unfavorable in setting the decontamination target and evaluating the decontamination success of corresponding methods. In the final disposal or reuse of nuclear graphite, however, it is crucial to know the difference between "releasable" and "non-releasable" proportions of radionuclides, because only the releasable, that is loosely bound proportions of radionuclides are considered to be problematic for humans and the environment , This requirement is also reflected in the acceptance conditions for the KONRAD repository and constitutes an additional aim of the invention by aiming at fractionation and separation of the fraction in the waste, which have both low residual fractions of 14 C and release rates of less than 1%. This proportion could easily be stored under KONRAD conditions after further conditioning. The higher contaminated fraction can be further treated by methods described in the prior art and either decontaminated to the extent that it also corresponds to the conditions of acceptance or z. B. by conversion into carbides the criterion of lower release rates below 1% corresponds.
Darüber hinaus wurde jetzt aber auch erkannt, dass bei der Herstellung von Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen für nukleare Anwendungen unter Bedingungen gearbeitet wird, die - wegen der Anwesenheit von Stickstoff während der Imprägnierungsvorgänge, des Graphitierungsprozesses und der anschließenden langen Abkühlphase - das Entstehen chemisorbierter Stickstoffverbindungen und damit insbesondere hoher Anteile von freisetzbarem Radiokarbon begünstigen. Aufgabe und Lösung In addition, however, it has now been recognized that the production of carbon and graphite materials for nuclear applications operates under conditions which, due to the presence of nitrogen during the impregnation operations, the graphitization process and the subsequent long cooling phase, result in the formation of chemisorbed nitrogen compounds and thus especially favor high levels of releasable radiocarbon. Task and solution
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine spezifische, selektive Dekontamination der freisetzbaren Radionuklide aus neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen ermöglicht.  It is therefore an object of the invention to provide a method which allows a specific, selective decontamination of the releasable radionuclides from neutron irradiated carbon and graphite materials.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Dekontamination von neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen, wie beispielsweise Nukleargraphit und Kohlestein oder auch hochreiner Graphit, Die Werkstoffe können in Form fester Stücke, als Granulat oder Pulver vorliegen. The invention describes a method for the decontamination of neutron irradiated carbon and graphite materials, such as nuclear graphite and coal or even high purity graphite, the materials may be in the form of solid pieces, granules or powder.
Unter der spezifischen, selektiven Dekontamination der freisetzbaren Radionuklide wird hier die weitgehende Entfernung der für die Endlagerung problematischen Radionuklide verstanden, die kurz- bis langfristig aus dem Abfall durch Auslaugvorgänge oder Ausgasung freigesetzt werden können. The specific, selective decontamination of the releasable radionuclides is here understood to mean the extensive removal of problematic radionuclides for disposal, which can be released from the waste by leaching operations or outgassing in the short to long term.
Eventuell im Graphit verbleibende Restanteile von Radionukliden (nicht freisetzbaren Radionukliden) werden als nicht problematisch verstanden, wenn diese so fest in die kristalline Struktur eingebaut sind, dass sie ohne deren vollständige Zerstörung nicht entfernbar oder freisetzbar sind. Der so erhaltene teildekontami- nierte Graphit kann entweder endgelagert oder neuen Anwendungen zugeführt werden. Die freigesetzten Radionuklide können, da sie in angereicherter Form entstehen, volumensparend endgelagert oder als Wertstoffe neuen Anwendungen zugeführt bzw. wiederverwendet werden. Dies betrifft insbesondere die Radionuklide Tritium und Radiokohlenstoff, für die es zahlreiche wissenschaftliche und technische Anwendungen gibt. Any remaining in graphite residuals of radionuclides (non-releasable radionuclides) are not considered problematic if they are so firmly built into the crystalline structure that they are not removable or releasable without their complete destruction. The partially decontaminated graphite obtained in this way can either be disposed of or fed to new applications. The released radionuclides, since they are produced in an enriched form, can be stored in a volume-saving manner or recycled or reused as valuable materials. This applies in particular to the radionuclides tritium and radiocarbon, for which there are numerous scientific and technical applications.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verfahren gemäß Haupt- und Nebenanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Unteransprüchen. This object is achieved by methods according to the main and secondary claim. Further advantageous embodiments will be apparent from the dependent claims.
Gegenstand der Erfindung Subject of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dekontamination von freisetzbaren Radionukliden aus neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffen, welche aus einer heterogenen Verbindung von kristallinen Fül- lermaterialien und mikrokristallin-amorphen Bindermaterialien bestehen, umfassend mechanische und/oder chemische Behandlungsverfahren, wobei die mechanischen Behandlungsverfahren die Schritte Brechen, Rütteln und Sieben umfassen und die chemischen Behandlungsverfahren eine Zufuhr von Aktivierungsenergie umfassen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die mechanischen Behandlungsverfahren und/oder die Zufuhr der Menge der Aktivierungsenergie so eingestellt werden, dass nur die mikrokristallinen Bereiche des Bindermaterials und/oder der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des Kohlenstoff- und/oder Graphit Werkstoffs angegriffen und aufgelöst werden, und dass eine anschließende Fraktionierung von Reaktionsprodukten erfolgt, welche durch die mechanischen und chemischen Behandlungsverfahren von den Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffen abgetrennt wurden. The present invention relates to a method for the decontamination of releasable radionuclides from neutron irradiated carbon and / or graphite materials, which consist of a heterogeneous compound of crystalline fillers. materials and microcrystalline-amorphous binder materials, comprising mechanical and / or chemical treatment methods, the mechanical treatment methods comprising the steps breaking, shaking and sieving and the chemical treatment methods comprise a supply of activation energy, which is characterized in that the mechanical treatment methods and / or the supply of the amount of activation energy is adjusted so that only the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material are attacked and dissolved, and that there is a subsequent fractionation of reaction products, which were separated from the carbon and / or graphite materials by the mechanical and chemical treatment processes.
Die Verfahren gemäß Hauptanspruch beruht auf der gemeinsamen Idee, auf die Reaktion des zu dekontaminierenden neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs The method according to the main claim is based on the common idea, on the reaction of the neutron irradiated carbon and / or graphite material to be decontaminated
1. über die Nutzung von spezifischen chemischen und physikalischen Eigenschaften der pyrolysierten bzw. graphitierten Zuschlagstoffe (Füller) gegenüber dem Binder, 1. on the use of specific chemical and physical properties of the pyrolyzed or graphitized additives (filler) in relation to the binder,
2. aus den unterschiedlichen örtlichen Konzentrationen aktivierbarer Elemente (z. B. Stickstoff) in den Zuschlagstoffen und Bindermaterialien bei der Herstellung von nuklearen Graphiten und Kohlestein und  2. from the different local concentrations of activatable elements (eg nitrogen) in the aggregates and binder materials in the production of nuclear graphites and coal rocks and
3. aus den unterschiedlichen chemischen oder physikalischen Bindungen von Radionukliden im Vergleich zu natürlichen Isotopen gezielt Einfluss zu nehmen, um einen möglichst hohen Anteil an freisetzbaren Radionukliden aus den Abfallmatrices der neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe zu entfernen.  3. to selectively influence the different chemical or physical bonds of radionuclides compared to natural isotopes in order to remove the highest possible proportion of releasable radionuclides from the waste matrices of the neutron-irradiated carbon and graphite materials.
Wegen der besonderen Schwierigkeit bei der Entfernung von Radiokarbon aus Abfallmatrices der neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe werden die Verfahren besonders ausführlich am Beispiel der Dekontamination von Nukleargraphit (nahezu vollständig graphitierter hochreiner Graphit) und von Kohlestein (unvollständig graphitierter technischer Graphit) diskutiert. Because of the particular difficulty in removing radiocarbon from waste matrices of neutron-irradiated carbon and graphite materials, the methods become particularly detailed with the example of decontamination of nuclear graphite (almost completely graphitized high-purity graphite) and of coal-stone (incompletely graphitized engineering graphite).
Nukleargraphit ist ein technisches Produkt, welches aus einem Füllermaterial und einem Bindermaterial hergestellt wird. Das Füllermaterial kann z. B. aus Naturgraphit oder Petrolkoks bestehen. Als Bindermaterial findet z. B. Steinkohlenteer oder Phenoiharz Verwendung. Füllermaterial und Bindermaterial werden miteinander vermischt und zu einem Formteil geformt. Dieses wird unter Luftstickstoff gebrannt, wobei das Bindermaterial pyrolysiert. Nach weiteren Imprägnations- und Brennvorgängen wird anschließend das Formteil bei bis zu 3000 °C graphi- tiert, wobei es teilweise zur Ausbildung von kristallinen Graphitstrukturen im py- rolysierten Bindermaterial kommt. Durch diesen Vorgang werden Füllermaterial und Bindermaterial zu einem festen aber immer noch heterogenen graphitischen Körper verbunden. Nuclear graphite is a technical product made from a filler material and a binder material. The filler material may, for. B. natural graphite or petroleum coke exist. As binder material z. As coal tar or Phenoiharz use. Filler material and binder material are mixed together and formed into a shaped part. This is fired under atmospheric nitrogen, the binder material pyrolyzing. After further impregnation and firing processes, the molded part is then graphitized at up to 3000 ° C., with partial formation of crystalline graphite structures in the pyroxylated binder material occurring in some cases. Through this process, filler material and binder material are combined to form a solid but still heterogeneous graphitic body.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich Füller- und Bindermaterial nicht so miteinander verbinden, dass ein homogener Festkörper entsteht. Vielmehr entsteht ein Produkt mit partiell unterschiedlicher Dichte und Festigkeit. So hat das Füllermaterial, besonders wenn es aus kristallinem Naturgraphit besteht, eine höhere Dichte und Festigkeit als das Bindermaterial. Diese Materialeigenschaften bleiben auch im graphitierten Nukleargraphit erhalten: Sowohl mit bloßem Auge als auch unter dem Mikroskop erkennt man das ursprüngliche Füllermaterial als Zonen größerer Dichte und das ursprüngliche Bindermaterial als Zonen geringerer Dichte (siehe Figur 1).  The invention is based on the recognition that filler and binder materials do not combine with one another in such a way that a homogeneous solid body is formed. Rather, a product with partially different density and strength arises. Thus, the filler material, especially if it consists of crystalline natural graphite, has a higher density and strength than the binder material. These material properties are also retained in the graphitized nuclear graphite: both with the naked eye and under the microscope can be seen the original filler material as zones of greater density and the original binder material as zones of lower density (see Figure 1).
Weiterhin sieht man in den Zonen des Bindermaterials ein weitverzweigtes Porensystem, welches für den Festigkeits- und Dichteunterschied mitverantwortlich ist. Dieser Dichteunterschied und die Unterschiede in den Größen der Kristall ite und deren mechanischen Brücken kann nun verwendet werden, um durch geeignete Methoden Füller- und Bindermaterial trotz vorangegangener Graphitierung wieder voneinander zu trennen. Diese Trennung ist vorteilhaft, da erkannt wurde, dass sich Radionuklide, die den Nukleargraphit durch Neutronenbestrahlung kontaminiert haben, vorrangig in den Zonen des ursprünglichen Bindermaterials, also in den porösen mikrokristallin-amorphen Strukturen, festsetzen (siehe Figur 2). Furthermore, one sees in the zones of the binder material a widely branched pore system, which is partly responsible for the difference in strength and density. This difference in density and the differences in the sizes of the crystals and their mechanical bridges can now be used to separate filler and binder material again by suitable methods, despite previous graphitization. This separation is advantageous since it has been recognized that radionuclides which have contaminated the nuclear graphite by neutron irradiation are located primarily in the zones of the original binder material, ie in the porous microcrystalline-amorphous structures, set (see Figure 2).
Die Erfinder haben erkannt, dass sich der Großteil der freisetzbaren Radionuklide in neutronenbestrahltem Nukleargraphit (z. B. 3H, l4C, 36C1, 60Co, 90Sr, 137Cs u. a.) in den amorphen und mikrokristallinen Anteilen des ehemaligen Bindermaterials befindet. Dieses Bindermaterial wird während der Graphitherstellung pyrolysiert und graphitiert und bildet die Grundlage für das ausgeprägte Porensystem von Nukleargraphit. Chemisch gesehen besteht das ehemalige Bindermaterial aus mikrokristallinen Graphitanteilen und amorphen Kohlenstoffanteilen. Die Oberfläche der mikrokristallinen Graphitanteile sowie der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile bilden mit deren reaktiven Zentren (Ecken und Kanten an den Kristallen, ungebundene Bindungsplätze an Kohlenstoffatomen des amorphen Anteils) die bevorzugten Orte der Anbindung von radioaktiven und nichtradioaktiven Verunreinigungen in Nukleargraphit, wobei die Beladung dieser Orte mit Verunreinigungen schon größtenteils während der Herstellung dieser Materialien durch die dabei vorhandene Atmosphäre (vorwiegend Stickstoff) und durch Verunreinigungen im Bindermaterial (z. B. Steinkohlenteer) geschieht. Es ist dabei zu beachten, dass eine Vielzahl von chemischen Bindungen in den Zuschlagstoffen während der Aufheizphase zersetzt bzw. gebildet wird. Aber auch während der Abkühlphase nach dem Graphitierungs- oder Pyrolyseprozess werden sukzessive diverse chemische Gleichgewichte durchlaufen, die quasi bei weiterer Abkühlung auf den Oberflächen der kristallinen und amorphen Strukturen eingefroren' bzw. , konserviert' werden. Je feinkristalliner bzw. amorpher diese Strukturen sind, desto reaktiver reagieren sie bei der Anlagerung von nichtkohlenstoffhaltigen Elementen (z. B. Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff) bzw. chemischen Verbindungen (z. B. Hydroxylgruppen). Ein besonders hoher Anteil amorpher Strukturen in den Binderbereichen tritt z. B. bei der kohlenstoffbasierten Matrix von Kugelbrennelementen (sog. A3-Matrix), bei (nichtgraphitiertem) Kohlestein und bei hochbestrahlten Graphiten (durch strahleninduzierte Defekte) auf. Aufgrund dieser Strukturen verhalten sich die Binderbereiche quasi wie Aktivkohle und adsorbieren Verunreinigungen (z. B. Stickstoff) nicht nur während der Herstellung sondern auch während der Bestrahlung in nuklearen Anlagen durch Adsorptionen aus der Luft und/oder dem Kühlgas. Weiterhin weisen diese Bereiche eine höhere chemische Reaktivität auf [1]. Außerdem spielen Rückstoßreaktionen beim nuklearen Aktivierungsprozess eine Rolle bei der endgültigen Einlagerung der Aktivierungsprodukte in die benachbarten Strukturen. Die erfindungsgemäße spezifische, selektive Dekontamination von neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen bedeutet nun, diejenigen freisetzbaren Radionuklide, die sich auf solchen Bindungsplätzen befinden, zu entfernen. Im Unterschied dazu werden Radionuklide gesehen, die aufgrund ihrer Genese direkt in das Graphitgitter der Füllerpartikel eingebaut sind oder auf andere Weise keinen Zugang zur äußeren Oberfläche bzw, zum inneren Porensystem des Graphitkörpers haben. Solche Radionuklide können ohne vollständige Zerstörung des Graphitgitters (das heißt des gesamten Graphitkörpers) nicht mobilisiert werden. The inventors have recognized that the majority of the releasable radionuclides in neutronenbestrahltem nuclear graphite (z. B. 3 H, l4 C, 36 C1, 60 Co, 90 Sr 137 Cs, among others,) is in the amorphous and microcrystalline proportions of the former binder material. This binder material is pyrolyzed and graphitized during graphite production and forms the basis for the pronounced pore system of nuclear graphite. Chemically speaking, the former binder material consists of microcrystalline graphite components and amorphous carbon components. The surface of the microcrystalline graphite portions as well as the entire porous body of the amorphous carbon moieties with their reactive centers (corners and edges on the crystals, unbonded bonding sites on carbon atoms of the amorphous portion) form the preferred sites of attachment of radioactive and nonradioactive impurities in nuclear graphite, the loading These places with impurities already largely happens during the production of these materials by the existing atmosphere (mainly nitrogen) and by impurities in the binder material (eg coal tar). It should be noted that a large number of chemical bonds in the aggregates are decomposed or formed during the heating phase. But even during the cooling phase after the graphitization or pyrolysis process successively various chemical equilibria are passed, which are quasi 'frozen' or 'conserved' upon further cooling on the surfaces of the crystalline and amorphous structures. The more finely crystalline or amorphous these structures are, the more reactive they react in the attachment of non-carbonaceous elements (eg oxygen, nitrogen, hydrogen) or chemical compounds (eg hydroxyl groups). A particularly high proportion of amorphous structures in the binder areas occurs, for. For example, in the carbon-based matrix of ball fuel elements (so-called A3 matrix), in (non-graphitized) coal rock and highly irradiated graphites (by radiation-induced defects) on. Because of these structures, the binder regions behave more or less like activated carbon and adsorb impurities (eg nitrogen) not only during production but also during irradiation in nuclear plants by adsorption from the air and / or the cooling gas. Farther these areas have a higher chemical reactivity [1]. In addition, recoil reactions in the nuclear activation process play a role in the final incorporation of the activation products into the neighboring structures. The specific, selective decontamination of neutron irradiated carbon and graphite materials according to the invention now means to remove those releasable radionuclides which are located in such binding sites. In contrast, radionuclides are seen which, because of their genesis, are incorporated directly into the graphite lattice of the filler particles or otherwise have no access to the outer surface or inner pore system of the graphite body. Such radionuclides can not be mobilized without complete destruction of the graphite lattice (that is, the entire graphite body).
Diejenigen Radionuklide, die sich in lockeren chemischen oder physikalischen Bindungen und von außen zugänglich befinden, können erfindungs emäß durch gezielte chemische oder elektrochemische Reaktionen mit oder ohne Unterstützung von mechanischen Einwirkungen (Mahlen, Brechen, Schockwellen, Ultraschall etc.) aus dem Nukleargraphit entfernt werden. Die Art der chemischen, mechanischen oder elektrochemischen Reaktion ist dabei so zu wählen, dass nur die Oberfläche des Graphitkörpers, das heißt die äußere (makroskopische) und innere (mikroskopische), angegriffen wird. Das Verfahren macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, dass sich auf den genannten äußeren und inneren Oberflächen eine Akkumulation von Radionukliden befindet. Those radionuclides which are in loose chemical or physical bonds and are accessible from the outside can be removed from the nuclear graphite according to the invention by targeted chemical or electrochemical reactions with or without the assistance of mechanical influences (grinding, breaking, shock waves, ultrasound, etc.). The type of chemical, mechanical or electrochemical reaction is to be chosen so that only the surface of the graphite body, that is the outer (macroscopic) and inner (microscopic) is attacked. The method makes use of the fact that there is an accumulation of radionuclides on the said outer and inner surfaces.
Der beschriebene Sachverhalt soll am Beispiel der Bildung und Verteilung von Radiokohlenstoff (l4C) erläutert werden: Für die Bildung von l4C durch thermi- sehe Neutronen gibt es, wie zuvor schon erläutert, drei wesentliche Quellen: dasThe described situation will be illustrated by the example of the formation and distribution of radiocarbon ( l4 C): For the formation of l4 C by thermal neutrons there are, as already explained, three main sources: the
Kohlenstoffisotop l3C, das Stickstoffisotop 1 N und das Sauerstoffisotop l70. Zunächst soll das Aktivierungsverhalten von 14N gegenüber l3C betrachtet werden: Carbon isotope l3 C, the nitrogen isotope 1 N and the oxygen isotope l7 0. First, the activation behavior of 14 N versus l3 C is considered:
13C wandelt sich in l4C durch eine η,γ-Reaktion mit einem Wirkungsquerschnitt von 0,0014 barn für thermische Neutronen um. 14N wandelt sich in l4C durch eine η,ρ-Reaktion mit einem thermischen Wirkungsquerschnitt von 1,93 barn um. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein l4C-Atom aus einem l4N-Atom entsteht, rund 1400 mal höher ist als aus einem l3C-Atom. Andererseits findet man in Nukleargraphit l4N-Konzentrationen von 300 ppm (0,03 %), während der natürliche l3C-Gehalt von Kohlenstoff 1,07 % beträgt. Trotz der rund 3Sfach nied- rigeren Konzentration von 14N zu l3C ist unter den gegebenen Bedingungen die 13 C converts to l4 C by a η, γ reaction with a cross section of 0.0014 barn for thermal neutrons. 14 N transforms in l4 C by an η, ρ reaction with a thermal cross section of 1.93 barn. The means that the probability that a l4 C atom is formed from a l4 N atom is about 1400 times higher than from a l3 C atom. On the other hand, in nuclear graphite, l4N concentrations of 300 ppm (0.03%) are found, while the natural l3C content of carbon is 1.07%. In spite of the about 3-fold lower concentration of 14 N to 13 C, under the given conditions the
Bildung von 14C aus l4N noch rund 40 mal höher als aus l3C. Formation of 14 C from l4 N still about 40 times higher than from l3 C.
Eine ähnliche Betrachtung lässt sich für l70 anstellen: 170 wandelt sich in l C durch eine η,α-Reaktion mit einem thermischen Wirkungsquerschnitt von A similar observation can be made for l7 0: 17 0 is transformed into l C by an η, α-reaction with a thermal cross section of
0,257 barn um. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass ein 14C-Atom aus einem O-Atom entsteht, rund 180 mal höher ist als aus einem C-Atom. Die0.257 barn around. This means that the probability that a 14 C atom is formed from an O atom is about 180 times higher than from a C atom. The
Konzentration von Sauerstoff in Nukleargraphit kann sehr unterschiedlich sein. So findet man auf Graphitoberflächen, die in Kontakt mit Luftsauerstoff standen, Sauerstoffkonzentrationen um 3 %. Für Kohlestein wurden auch im Inneren Sau- erstoffkonzentrationen im Prozentbereich gemessen. Für diese allgemeine Be- trachtung wird deswegen ein durchschnittlicher Sauerstoffgehalt in Nukleargraphit von 1 % angenommen. Der Anteil an 170 in natürlichem Sauerstoff ist mit 0,038 % allerdings sehr gering. Somit ergibt sich ein 13C/I 70-Verhältnis von rund 2800, das heißt, die l 70-Konzentration ist gegenüber der 13C -Konzentration rund 2800 mal niedriger. Damit ist die Wahrscheinlichkeit, dass I4C aus 170 gebildet wird, immer noch rund 15 mal geringer als aus l3C. Das bedeutet, dass der l 4C-Concentration of oxygen in nuclear graphite can be very different. For example, on graphite surfaces in contact with atmospheric oxygen, oxygen concentrations are found to be 3%. For coal rock, oxygen concentrations in the percentage range were also measured inside. For this general consideration, therefore, an average oxygen content in nuclear graphite of 1% is assumed. The proportion of 17 0 in natural oxygen, however, is very low at 0.038%. This results in a 13 C / I 7 0 ratio of about 2800, that is, the l 7 0 concentration is about 2800 times lower than the 13 C concentration. Thus, the probability that I4 C is formed from 17 0, is still about 15 times lower than from l3 C. This means that the l 4 C-
Anteil aus l70 ca. 1/15 des ,4C-Anteils aus 13C ist. Das maßgebliche Ausgangs- nuklid für die Bildung von 14C in Nukleargraphit ist demnach ,4N. Diese Gegebenheit wird im Folgenden berücksichtigt. Proportion from 17 0 approx. 1/15 of the , 4 C-portion from 13 C is. The decisive starting nuclide for the formation of 14 C in nuclear graphite is therefore , 4 N. This situation is considered below.
!4N, welches im natürlichen Stickstoff zu 99,6 % enthalten ist, wird in den Nukle- argraphit vorwiegend durch die Stickstoffatmosphäre eingebaut, unter welcher der ! 4 N, which is 99.6% contained in natural nitrogen, is incorporated into the nucleus graphite mainly by the nitrogen atmosphere, under which the
Kohlenstoff- und Graphitwerksto ff hergestellt wird. Weitere Stickstoffanteile können auch noch im Bindermaterial in Form von heterozyklischen organischen Verbindungen vorkommen (z. B. im Steinkohlenteer). Obwohl Stickstoff und Kohlenstoff in elementarer Form sehr reaktionsträge sind, bildet Stickstoff den- noch auf Graphitoberflächen kovalente Bindungen aus, wie durch quantenmechanische Berechnungen bestätigt worden ist [2, 3]. Stickstoff liegt demnach auf Graphitoberflächen als chemisorbierter Film vor. Dies kann auch mit Hilfe der Sekundärionenmassenspektroskopie anhand von Tiefenprofilen nachgewiesen werden, wie in Figur 3 zu sehen ist. Carbon and Graphitwerksto ff is produced. Other nitrogen contents may also be present in the binder material in the form of heterocyclic organic compounds (eg in coal tar). Although nitrogen and carbon are extremely inert in elemental form, nitrogen still forms covalent bonds on graphite surfaces, as confirmed by quantum mechanical calculations [2, 3]. Nitrogen is therefore on Graphite surfaces as a chemisorbed film. This can also be detected by means of secondary ion mass spectroscopy on the basis of depth profiles, as can be seen in FIG.
Wenn das Porensystem in Nukleargraphit mit chemisorbiertem Stickstoff ausgekleidet ist, dann ist es wahrscheinlich, dass sich daraus bildender Radiokohlenstoff ebenfalls auf der Oberfläche oder in oberfiächennahen Bereichen des Porensystems befindet; denn trotz der relativ hohen Rückstoßenergie des 14C-Atoms aus der l N-Kernreaktion von maximal 41 ,4 keV, wodurch alle chemischen Bindungen gebrochen werden, bewegt sich das l4C-Atom aufgrund zahlreicher Zusammenstöße mit Gitteratomen nicht so weit von seinem Ursprung weg, dass es sich im Innern eines Graphitkristal lits befände. Außerdem ist die Wahrscheinlichkeit gering, dass es dort einen freien Gitterplatz findet, um fest in das Graphitgitter eingebunden zu werden. Vielmehr wird 14C auf oberfiächennahen Defektplätzen sitzen, wie es für neutroneninduzierte Strahlungsdefekte in Graphit bekannt ist [4], Dieser Teil des 14C-Inventars in neutronenbestrahltem Nukleargraphit lässt sich durch eine geschickte Auswahl der Reaktionsbedingungen, wie im Folgenden gezeigt wird, aus dem Graphit entfernen. ,4C-Atome, die jedoch durch Zufall einen freien Gitterplatz gefunden haben und somit fest in das Graphitgitter eingebunden werden, können auf diese Weise nicht entfernt werden, stellen aber auf Grund ihrer festen Bindung auch kein Problem bei der Entsorgung dar. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit sind das diejenigen l C-Atome, die aus 13C-Atomen entstanden sind, welche entsprechend der natürlichen Isotopenzusammensetzung von Kohlenstoff homogen über den gesamten Graphitkörper verteilt sind, wie in Figur 4 zu sehen ist. Dabei ist zu berücksichtigen, dass zusätzliches l3C durch Neutronenaktivierung von C entsteht. If the pore system is lined with chemisorbed nitrogen in nuclear graphite, then it is likely that radiocarbon therefrom will also be on the surface or in near-surface regions of the pore system; because despite the relatively high recoil energy of the 14 C atom from the 1 N nuclear reaction of a maximum of 41.4 keV, which breaks all chemical bonds, the l4 C atom does not move so far from its origin due to numerous collisions with lattice atoms in that it is inside a graphite crystal lite. In addition, there is a low probability that it will find a free lattice site there to be firmly bound into the graphite lattice. Rather, 14 C will be located near defect sites close to the surface, as is known for neutron-induced radiation defects in graphite. [4] This part of the 14 C inventory in neutron-irradiated nuclear graphite can be determined from the graphite by a judicious choice of reaction conditions, as shown below remove. However, 4 C atoms, which by chance have found a free lattice site and thus are firmly bound into the graphite lattice, can not be removed in this way, but due to their strong bond also do not pose a problem in disposal Probability are those 1 C atoms, which have arisen from 13 C atoms, which are distributed homogeneously over the entire graphite body according to the natural isotopic composition of carbon, as shown in Figure 4. It should be noted that additional l3 C is formed by neutron activation of C.
Ein Extremfall ist das im Ruß enthaltene 13C. Ruß entsteht z. B. aus Kohlenmono- xid während der Abkühlphase des Glüh- und Graphitierungsprozesses bei Temperaturen unter 1000 °C entsprechend der Rückreaktion des Boudouard- Gleichgewichtes An extreme case is the 13 C contained in the carbon black. B. from carbon monoxide during the cooling phase of the annealing and graphitization process at temperatures below 1000 ° C according to the back reaction of the Boudouard equilibrium
2 CO ^ C02 + C. Dieser Ruß setzt sich auf den inneren und äußeren Oberflächen des Kohlenstoff- /Graphitwerkstoffes ab. Wird dieser 13C-Anteil zu l4C aktiviert, liegt dieses 14C wiederum auf den inneren und äußeren Oberflächen des Kohlenstoff-/Graphit- werkstoffes vor und ist gemäß dem oben Gesagten leicht freisetzbar, weil es mit einer Rückstoßenergie aus der η,γ-Aktivierungsreaktion von maximal 2,60 keV nicht in die inneren Strukturen der Graphitkristallite eingebaut wird. 2 CO ^ C0 2 + C This soot settles on the inner and outer surfaces of the carbon / graphite material. If it is activated 13 C content to l4 C, is this 14 C again on the inner and outer surfaces of the carbon / graphite material before and is easily released in accordance with the above, because it with a recoil energy from the η, γ- Activation reaction of a maximum of 2.60 keV is not incorporated into the internal structures of the graphite crystallites.
Der Ruß stellt noch ein weiteres Problem dar: Da Ruß feinverteilter mikrokristallin-amorpher Kohlenstoff mit einer spezifischen Oberfläche von 10 bis 1000 m2/g ist, ist Ruß ein ideales Adsorptionsmittel für Gase (ähnlich wie Aktivkohle). Eine mit Ruß bedeckte Oberfläche wie die der hochporösen Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffe steigert die Adsorptionsfähigkeit dieser Werkstoffe für Gase und andere Verunreinigungen um ein Vielfaches. Die Belegung dieser Oberflächen mit Ruß ist deshalb strikt zu vermeiden. The soot presents another problem: since soot is finely divided microcrystalline amorphous carbon having a specific surface area of 10 to 1000 m 2 / g, soot is an ideal adsorbent for gases (similar to activated carbon). A surface covered with soot such as the highly porous carbon and graphite materials increases the adsorption capacity of these materials for gases and other impurities many times over. The occupation of these surfaces with soot should therefore be strictly avoided.
Es ist darauf hinzuweisen, dass - neben Stickstoff - auch andere Elemente wie z. B. Sauerstoff, Wasserstoff und sogar Kohlenstoffatome etc. auf Graphitoberflä- chen chemisorbteren können [3], It should be noted that - in addition to nitrogen - other elements such. For example, oxygen, hydrogen and even carbon atoms, etc. on graphite surfaces can be chemisor- phoresed [3],
Andere Kontaminationen im Graphit gehen auf chemische Verunreinigungen im unbestrahlten Material zurück. So ist beispielsweise das Tritium auf Lithium- und Borverunreini ungen zurückzuführen. Es gibt auch Hinweise darauf, dass das Porensystem derartige Verunreinigungen als oberflächennahe Abscheidungen in Form von sogenannten„Hotspots" (= hohe Konzentrationsansammlungen) aufweist. Other contaminants in graphite are due to chemical contaminants in the unirradiated material. For example, the tritium is due to lithium and Borverunreini ments. There is also evidence that the pore system such impurities as near-surface deposits in the form of so-called "hotspots" (= high concentration accumulations) has.
Es wurde erkannt, dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in mehrfacher Hinsicht zwischen dem freisetzbaren Radionuklid und dem restlichen Abfall diskriminiert werden und somit nur die freisetzbaren Radionuklide selektiv vom restlichen Abfall getrennt werden können. Dekontamination hat immer zum Ziel, das Radionuklid möglichst stark aufzukonzentrieren und möglichst wenig unbedenkliches Material, wie z. B. die kristallinen Füllerpartikel, aus dem Abfall abzuziehen. In vielen Fällen ist das Radionuklid mit einer geringeren Bindungsenergie im mikrokristallinen bis amorphen Bindermaterial gebunden als in den kristallinen Bereichen. Diese Bindungsenergie kann chemischer oder physikalischer Natur sein. So wirkt der Binderbereich quasi wie Aktivkohle zur Aufnahme diverser Kontaminationen. Ist beispielsweise das Radionuklid an Ort und Stelle durch eine Kernreaktion entstanden oder ist es an seinem Platz im Abfall einer Neutronenbestrahlung ausgesetzt gewesen, so kann die Bindung des Radionuklids im Binder gegenüber der Bindung in den kristallinen Bereichen selektiv geändert, insbesondere geschwächt worden sein. Die Aktivierungsenergie kann nun beispielswiese gezielt so gewählt werden, dass gerade diese geänderten Bindungen an den Binder gelöst werden. Dann wird das Radionuklid selektiv aus dem Binder entfernt, während es in den kristallinen Bereichen im Wesentlichen verschont bleibt. It has been recognized that the method according to the invention discriminates between the releasable radionuclide and the remaining waste in several respects and thus that only the releasable radionuclides can be selectively separated from the remaining waste. Decontamination always has the goal to concentrate the radionuclide as much as possible and as little harmless material as possible, eg. As the crystalline filler particles to deduct from the waste. In many cases, the radionuclide is bound with a lower binding energy in the microcrystalline to amorphous binder material than in the crystalline regions. This binding energy can be chemical or physical in nature. Thus, the binder area acts more like activated carbon to absorb various contaminants. If, for example, the radionuclide has been formed in situ by a nuclear reaction or has been exposed to neutron irradiation in its place in the waste, the binding of the radionuclide in the binder to the bond in the crystalline regions may have been selectively altered, in particular weakened. The activation energy can now for example be specifically chosen so that just these changed bonds are solved to the binder. Then, the radionuclide is selectively removed from the binder while essentially being spared in the crystalline regions.
Vor diesem Hintergrund basiert die Erfindung im Wesentlichen auf der Nutzung der Unterschiede zwischen den pyrolysierten und (teil-)graphitierten Binderbereichen und den kristallinen Füllerzuschlägen, wie zum Beispiel: Against this background, the invention is based essentially on exploiting the differences between the pyrolyzed and (partially) graphitized binder regions and the crystalline filler aggregates, such as, for example:
• Korngrößen und Oberflächen zu Volumenverhältnissen von Kristalliten• Grain sizes and surfaces to volume ratios of crystallites
• Dichte / Porosität • Density / porosity
• Mechanische Eigenschaften und Stabilität / Festigkeit  • Mechanical properties and stability / strength
• Chemische Reaktivität inkl. Bindungsenergien von Verunreinigungen • Chemical reactivity including binding energies of impurities
• Adsorption bzw. Desorption • adsorption or desorption
• Elektrische / thermische Leitfähigkeit / Ionenwanderung  • Electrical / thermal conductivity / ion migration
Diese Unterschiede sind z. T. untereinander verknüpft oder bedingen sich gegenseitig, aber sie lassen sich zur Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fraktionierung der Binderbereiche und der Füllerpartikel zwecks Trennung der freisetzbaren Radionuklide aus dem Bindermaterial und den nicht freisetzbaren Radionukliden aus dem Füllermaterial verwenden. These differences are z. T. are mutually linked or conditional upon each other, but they can be used to develop the process of the present invention for fractionating the binder regions and filler particles for the purpose of separating the releasable radionuclides from the binder material and the non-releasable radionuclides from the filler material.
Ausführungsbeispiele sind im Folgenden beschrieben. Sie basieren auf Verfahren, die dazu genutzt werden können, die Anteile mit den freisetzbaren Radionukliden frühzeitig abzutrennen und ggf. spezifischen Behandlungen zuzuführen. Auch sollen Vorbehandlungsstufen, wie z. B. die Abtrennung von Tritium oder Chlor vorgenommen werden, um Isotopen Vermischungen bei Nachbehandlungsschritten zu vermeiden, bei denen diese Elemente in höheren Konzentrationen auftreten (z. B. Wasserstoff bei Elektrolyse, Chlor bei Verflüchtigung von immobilen Karbiden). Exemplary embodiments are described below. They are based on methods that can be used to separate the fractions with the releasable radionuclides early and, if necessary, to apply specific treatments. Also should pretreatment stages, such. As the separation of tritium or chlorine in order to avoid isotopic mixtures in post-treatment steps where these elements occur in higher concentrations (eg hydrogen in electrolysis, chlorine in the case of volatilization of immobile carbides).
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst im Wesentlichen chemische oder mechanische Behandlungsverfahren oder eine Kombination beider Behandlungsverfahren. The method according to the invention essentially comprises chemical or mechanical treatment methods or a combination of both treatment methods.
Chemische Behandlungsverfahren: Chemical treatment methods:
Die unterschiedliche chemische Reaktivität von Binder- und Füllermaterialien ist ein Ansatzpunkt für die Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens. The different chemical reactivity of binder and filler materials is a starting point for the development of the method according to the invention.
Beim chemischen Behandlungsverfahren wird dem neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoff eine Aktivierungsenergie zugeführt, wobei die Menge der zugeführten Aktivierungsenergie so eingestellt wird, dass nur die mikrokristallinen Bereiche des Bindermaterials und/oder der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs angegriffen und aufgelöst werden und dadurch nur die Radionuklide, die an der Ober- g fläche der mikrokristallinen Binderanteile und/oder an dem gesamten porösen Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs gebunden sind, freigesetzt werden. In the chemical treatment method, an activation energy is supplied to the neutron-irradiated carbon and graphite material, wherein the amount of the supplied activation energy is adjusted so that only the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material attacked and will be dissolved and thus the microcrystalline amounts of binder and / or bound to the entire porous body of the amorphous carbon contents of the carbon and / or graphite material only radionuclides g surface on the upper, released.
Unter der Bezeichnung Zufuhr von Aktivierungsenergie soll im Rahmen der Erfindung beispielsweise die Zugabe eines Korrosionsmediums, die Durchführung einer Elektrolyse, die Zufuhr von thermischer Energie, d. h. beispielsweise Aufheizen oder eine Oxidation verstanden werden. In the context of the invention, for example, the addition of a corrosive medium, the performance of an electrolysis, the supply of thermal energy, ie. H. for example, heating or oxidation.
Die Menge der zugeführten Aktivierungsenergie sollte so eingestellt werden, dass bevorzugt die mikrokristallinen Bereiche des Bindermaterials und/oder der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs reagieren und der kristalline Bereich gar nicht oder nur sehr viel später reagiert. Bei der Zugabe eines Korrosionsmediums (z, B. Sauerstoff) werden die Kohlenstoffatome des Graphits angegriffen. Diese sind im Binder lockerer gebunden als in den Füllerpartikeln (weil diese kristallin und größer sind). Mit dem Angriff des Korrosionsmediums an die Kohlenstoffatome des Graphits werden gleichzeitig damit verbundene Radionuklide wie z. B. I4C freigesetzt. Der Schlüssel dazu ist, dass naturgemäß im Binder, der bevorzugt angegriffen wird, die Radionuklide in erhöhter Konzentration vorliegen. Dies gilt auch wegen des anderen Oberflächen zu Volumen Verhältnisses. Durch das Korrosionsmedium werden bevorzugt die mikrokristallinen Bestandteile angegriffen. Damit einhergehend wird die mechanische Stabilität erheblich reduziert. The amount of activation energy supplied should be adjusted so that preferably the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material react and the crystalline region does not react or only very much later. When adding a corrosion medium (eg, oxygen), the carbon atoms of the graphite are attacked. These are more loosely bound in the binder than in the filler particles (because they are crystalline and larger). With the attack of the corrosion medium to the carbon atoms of the graphite simultaneously associated radionuclides such. B. I4 C released. The key to this is that naturally in the binder, which is preferably attacked, the radionuclides are present in increased concentration. This is also true because of the other surface to volume ratio. The corrosion medium preferably attacks the microcrystalline constituents. Along with this, the mechanical stability is considerably reduced.
Bei der Zugabe eines Korrosionsmediums kommt es zunächst zu einer Reaktion mit den mikrokristallinen bzw. amorphen Bereichen des Bindermaterials. When a corrosion medium is added, a reaction initially takes place with the microcrystalline or amorphous regions of the binder material.
Radionuklide, die dort gebunden sind, können durch beispielsweise Radionuclides that are bound there, for example, by
• Wasserstoff oder Wasserstoffionen, • hydrogen or hydrogen ions,
• Sauerstoff oder Sauerstoffionen und/oder  • oxygen or oxygen ions and / or
• ein Halogen oder Halogenionen aus dem Korrosionsmedium in mindestens ein gasförmiges Reaktionsprodukt überführt werden.  • A halogen or halogen ions are transferred from the corrosion medium into at least one gaseous reaction product.
Die Reaktion des Korrosionsmediums mit dem Radionuklid kann insbesondere eine Redoxreaktion sein, bei der das Korrosionsmedium reduziert und das Radionuklid oxidiert wird. In particular, the reaction of the corrosion medium with the radionuclide may be a redox reaction in which the corrosion medium is reduced and the radionuclide is oxidized.
Der Wasserstoff, die Wasser stoffionen, der Sauerstoff, die Sauerstoffionen, das Halogen und/oder die Halogenionen können als solche vorgelegt werden. Sie können beispielsweise in geringer Konzentration in einem Inertgasstrom vorgelegt werden. Sie können aber auch beim Zuführen der Aktivierungsenergie aus dem Korrosionsmedium gebildet werden. Beispielsweise können ein Peroxid, Wasser/Wasserdampf, eine Säure, eine Lauge, Kohlendioxid, ein Komplexbildner, eine Halogenverbindung, ein Kohlenwasserstoff, ein Halogenkohlenwasserstoff und/oder ein sonstiges pyrolysierbares und/oder dehydratisierbares Reagens als Korrosionsmedium gewählt werden. The hydrogen, the hydrogen ions, the oxygen, the oxygen ions, the halogen and / or the halogen ions can be presented as such. They can be presented, for example, in low concentration in an inert gas stream. But they can also be formed when supplying the activation energy from the corrosion medium. For example, a peroxide, water / steam, an acid, a caustic, carbon dioxide, a complexing agent, a halogen compound, a hydrocarbon, a halohydrocarbon and / or other pyrolyzable and / or dehydratable reagent may be used as Corrosion medium can be selected.
Das Korrosionsmedium kann in flüssiger Form oder in Form von festen Stücken, als Granulat oder Pulver eingesetzt werden. The corrosion medium can be used in liquid form or in the form of solid pieces, as granules or powder.
Das Korrosionsmedium enthält vorzugsweise mindestens ein binäres Metalloxid, Sulfat, Nitrat, Hydroxid, Karbonat, Hydrid und/oder Halogensuccinimid. The corrosion medium preferably contains at least one binary metal oxide, sulfate, nitrate, hydroxide, carbonate, hydride and / or halosuccinimide.
Der Wasserstoff, die Wasserstoffionen, der Sauerstoff, die Sauerstoffionen, das Halogen und/oder die Halogenionen können insbesondere im naszierenden Zustand (siehe Elektrolyse) mit dem Radionuklid reagieren. Sie sind in diesem Zustand besonders reaktiv. The hydrogen, the hydrogen ions, the oxygen, the oxygen ions, the halogen and / or the halogen ions can react in particular in the nascent state (see electrolysis) with the radionuclide. They are particularly reactive in this state.
Eine weitere Form der Zufuhr von Aktivierungsenergie kann durch die Elektrolyse von neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen erfolgen. Die Elektrolyse nutzt diverse unterschiedliche Eigenschaften von Binder- und Füllerbereichen, wie z. B. die unterschiedliche Porosität zwischen Füller- und Binderbereich bzgl. Eindringen und Benetzung durch den Elektrolyten, die chemische Reaktivität der Binderanteile und die mechanische Stabilität. Die Bedingungen der Elektrolyse werden vorzugsweise so gewählt, dass es zu einer Desintegration der Mikrokristallinen und amorphen Binderbereiche kommt. Another form of supply of activation energy may be by the electrolysis of neutron-irradiated carbon and graphite materials. The electrolysis uses various different properties of binder and filler areas, such. B. the different porosity between filler and binder area with regard to penetration and wetting by the electrolyte, the chemical reactivity of the binder components and the mechanical stability. The conditions of the electrolysis are preferably chosen such that disintegration of the microcrystalline and amorphous binder regions occurs.
Die Elektrolyse von neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen ist ein universelles Verfahren, durch welches prinzipiell ein breites Spektrum an Radionukliden aus Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen entfernt werden kann. The electrolysis of neutron-irradiated carbon and graphite materials is a universal process by which in principle a wide range of radionuclides can be removed from carbon and graphite materials.
Vorzugsweise wird die Elektrolyse z. B. in verdünnter Salpetersäure durchgeführt, wobei der zu dekontaminierende Graphit als Anode (Pluspol) in einem Gleichstromkreis geschaltet wird. Dabei kommt es zur Bildung von Graphitnitrat, einer bekannten Graphit-Interkalationsverbindung, die im wässrigen Medium sofort unter Bildung von Graphitoxid (Graphit mit wechselnden Anteilen an Hydroxylgruppen) hydrolysiert. Durch diesen Vorgang sowie durch gleichzeitig ablaufende Oxidationsprozesse aufgrund der Bildung von nativem Sauerstoff kommt es neueren Erkenntnissen zufolge vorzugsweise zu einer Desintegration der filigranen und amorphen Binderbereiche. Diese Desintegration während der Elektrolyse lässt sich mechanisch z. B. durch Ultraschalleinwirkung unterstützen, sodass die Füllerpartikel frühzeitig und unzerstört aus dem Graphit bzw. Kohleste in verbünd herausgelöst werden. Dabei ist erwiesen, dass die bei diesem Prozess auftretenden Kohlenstoffoxide und speziell das Kohlendioxid einen besonders hohen Anteil an Radiokarbon aufweisen, Preferably, the electrolysis z. B. in dilute nitric acid, wherein the graphite to be decontaminated as anode (positive pole) is connected in a DC circuit. This results in the formation of graphite nitrate, a known graphite intercalation compound which hydrolyzes immediately in the aqueous medium to form graphite oxide (graphite with varying proportions of hydroxyl groups). By this process, as well as by simultaneously occurring oxidation processes due to the formation of native oxygen, it is according to recent findings preferably to a disintegration of the filigree and amorphous binder areas. This disintegration during the electrolysis can be mechanically z. B. support by ultrasound, so that the filler particles are early and undestroyed dissolved out of the graphite or Kohleste in alliance. It has been proven that the carbon oxides occurring in this process and especially the carbon dioxide have a particularly high proportion of radiocarbon,
Das entstehende Kohlendioxid ist mit Radiokohlenstoff angereichert und kann beispielsweise durch Reaktion mit alkalischen Absorbentien (z. B. Laugen), beispielsweise durch Umwandlung in Bariumcarbonat als Radiokohlenstoffquelle genutzt werden oder in andere stabile Verbindungen (z. B. Karbide) zwecks Endlagerung überführt werden. The resulting carbon dioxide is enriched with radiocarbon and can be used, for example, by reaction with alkaline absorbents (eg alkalis), for example by conversion to barium carbonate as the radiocarbon source, or converted to other stable compounds (eg carbides) for disposal.
Vor einer Elektrolyse kann es vorteilhaft sein, eine thermische Vorbehandlung bei Temperaturen im Bereich von 700 bis 1300°C durchzuführen. So kann beispielsweise bei der Elektrolyse von bestrahltem Nukleargraphit auch Tritium in Lösung gehen. Hier ist es vorteilhaft, das Tritium vor der Elektrolyse durch vorangehendes Ausheizen abzutrennen, um den hohen Anreicherungsgrad der Ausheizgase zu nutzen und größere Mengen an schwachangereichertem Tritiumwasser als radioaktivem Abfall zu vermeiden. Ebenso ist zu beachten, dass bei der Elektrolyse von tritiumhaltigem Wasser an der Kathode Tritiumwasserstoff entsteht, der von der anteilig weit größeren Menge an gewöhnlichem Wasserstoff nicht oder nur sehr schwer zu trennen ist, wodurch das gesamte Kathodengas zum radioaktiven Abfall werden würde. Deshalb sollte die Elektrolyse von bestrahltem Nukleargraphit möglichst nach Abtrennung des Tritiums erfolgen. Before electrolysis, it may be advantageous to carry out a thermal pretreatment at temperatures in the range of 700 to 1300 ° C. For example, in the electrolysis of irradiated nuclear graphite, tritium can also go into solution. Here, it is advantageous to separate the tritium prior to electrolysis by preheating to use the high degree of enrichment of the baking gases and to avoid larger amounts of weakly enriched tritium as radioactive waste. It should also be noted that in the electrolysis of tritium-containing water at the cathode tritiated, which is not or very difficult to separate from the proportionately far greater amount of ordinary hydrogen, whereby the entire cathode gas would become radioactive waste. Therefore, the electrolysis of irradiated nuclear graphite should be carried out as possible after separation of the tritium.
Es ist grundsätzlich vorteilhaft, die Elektrolyse von bestrahltem Nukleargraphit in getrennten Elektrodenräumen, die mit einem Diaphragma verbunden sind, durchzuführen, um zu verhindern, dass Graphitpartikel von der Anode zur Kathode gelangen. Durch Reaktion von naszierendem Wasserstoff mit Graphit entsteht Methan, welches Anteile an Radiokohlenstoff enthalten und somit zu einer weiteren unerwünschten Kontamination des Kathodengases fuhren kann. It is generally advantageous to carry out the electrolysis of irradiated nuclear graphite in separate electrode compartments connected to a diaphragm to prevent graphite particles from passing from the anode to the cathode. Reaction of nascent hydrogen with graphite produces methane, which contains portions of radiocarbon and thus can lead to further undesired contamination of the cathode gas.
Bei granulierten Abfallformen wird vorgeschlagen, das Diaphragma als Behälter für das Granulat auszuführen und den elektrischen Strom durch eine Elektrode oder mehrere Elektroden im Inneren dieses Behälters oder über das an der Oberfläche anstehende Granulat zuzuführen, mit welcher oder welchen das elektrisch leitende Granulat im Elektrolyten in Kontakt steht. Auch hier lässt sich durch gleichzeitige Anwendung von Ultraschall die rechtzeitige Fraktionierung in Binder- und Fülleranteile beschleunigen. Diese Anwendung des Ultraschalls ist auch bei massiven Graphit- oder Kohlesteinabfällen möglich, die in einen Elektrolyten eingetaucht werden. In granulated waste molds, it is proposed to carry out the diaphragm as a container for the granules and the electric current through an electrode or to supply a plurality of electrodes in the interior of this container or via the surface-standing granules with which or which the electrically conductive granules are in contact in the electrolyte. Here, too, timely fractionation into binder and filler fractions can be accelerated by the simultaneous use of ultrasound. This application of ultrasound is also possible with massive graphite or coal wastes immersed in an electrolyte.
Als abschließende Behandlung der elektrolytischen Dekontamination von bestrahltem Nukleargraphit empfiehlt sich eine Rückführung des entstandenen Graphitoxids in Graphit durch Ausheizen im Inertgasstrom bei ca. 900 °C. Damit verbunden ist eine weitere Entfernung von Tritium und Radiokohlenstoff ähnlich dem zu Anfang genannten Ausheizprozess um 10 bis 50 % der Restaktivität des Graphitoxids. As a final treatment of the electrolytic decontamination of irradiated nuclear graphite, recirculation of the graphite oxide formed in graphite by baking in an inert gas stream at about 900 ° C. is recommended. Associated with this is a further removal of tritium and radiocarbon similar to the initially mentioned annealing process by 10 to 50% of the residual activity of the graphite oxide.
Die Elektrolyse kann bei entsprechender Wahl der Spannung auch zur Auslösung von Ionenwanderungen genutzt werden. Damit kommt es schon vor dem Einsetzen der Entstehung von nativem Sauer- und Wasserstoff an den Elektroden zum Übertritt ionischer Kontaminanten in den Elektrolyten. Als Elektrolyt eignet sich in diesem Fall vorzugsweise Natriumperchlorat, da dieses mit den Kontaminanten keine die Elektromobilität störenden Komplexe bildet. Dieser Vorgang kann auch zur Beschleunigung von Auslaugvorgängen genutzt werden. The electrolysis can be used with appropriate choice of voltage for the triggering of ion migrations. Thus, even before the onset of native sour and hydrogen formation at the electrodes, ionic contaminants are transferred to the electrolyte. In this case, the preferred electrolyte is sodium perchlorate, since it does not form any complexes that interfere with electromobility with the contaminants. This process can also be used to accelerate leaching.
Mit dem Anlegen einer elektrischen Spannung wird ein weiterer Effekt genutzt: nämlich die Beeinflussung von Selbstdiffusion von Ionen der Radiokohlenstoffverbindungen und anderen aktiven Nuklidverbindungen, welche nach der Entstehung bei Bestrahlung und anschließender Wanderung im kristallinen und amorphen Graphit eine relativ schwache Bindung eingehen und darüber hinaus eine ungesättigte Elektronenkonfiguration bzw. leicht ionisierte Form annehmen. Die Stärke der (Selbst-)Diffusion wird im Wesentlichen vom Verhältnis der Aktivierungsenergie zur Temperatur bestimmt. Da die Aktivierungsenergie für die (Selbst-)Diffusion in kristallinen und amorphen Strukturen im Bereich von 1 eV liegt, ist davon auszugehen, dass eine Migration bzw. Verlagerung dieser Verbindungen - im Unterschied zur temperaturbedingten isotropen Diffusion - durch eine von außen angelegte Spannung in einer bestimmten Richtung begünstigt bzw. beschleunigt wird. Das äußere Feld bewirkt dabei - im Zug der Wanderung - auch eine Polarisation der Verbindungen. With the application of an electrical voltage another effect is used: namely the influence of self-diffusion of ions of the radiocarbon compounds and other active nuclide compounds, which form a relatively weak bond after formation upon irradiation and subsequent migration in crystalline and amorphous graphite and beyond an unsaturated Assume electron configuration or slightly ionized form. The strength of the (self-) diffusion is essentially determined by the ratio of the activation energy to the temperature. Since the activation energy for the (self-) diffusion in crystalline and amorphous structures in the range of 1 eV, it can be assumed that a migration or displacement of these compounds - in contrast to the temperature-induced isotropic diffusion - by an externally applied voltage is promoted or accelerated in a certain direction. The outer field causes - in the train of migration - also a polarization of the compounds.
Die Höhe der elektrischen Spannung bzw. des elektrischen Feldes im Feststoff ist so bemessen, dass sie mindestens zur Überwindung der Aktivierungsenergie für die Diffusion ausreicht (> 1 eV). Daraus ergibt sich folgendes Verfahren: Am bestrahlten Nukleargraphit wird eine elektrische Spannung in bestimmter Höhe angelegt, wodurch eine Verlagerung der Radionuklidverbindungen in die Feldrichtung erzwungen und damit eine räumliche Konzentration dieser Verbindungen erzielt wird (zwecks chemischer Freisetzung/ Abtrennung). The magnitude of the electrical voltage or of the electric field in the solid is dimensioned such that it is at least sufficient to overcome the activation energy for the diffusion (> 1 eV). The result is the following procedure: The irradiated nuclear graphite voltage is applied in a certain amount, whereby a displacement of the radionuclide compounds enforced in the field direction and thus a spatial concentration of these compounds is achieved (for the purpose of chemical release / separation).
Das Ergebnis des Verfahrens besteht in der positiven Beeinflussung der Migration bzw. Diffusion von Radiokohlenstoffverbindungen durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld bestimmter Feldstärke. The result of the method consists in the positive influence on the migration or diffusion of radiocarbon compounds by an externally applied electric field of certain field strength.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist die oberflächliche Elektrolyse z. B. der abgebrannten Brennelementkugeln von Hochtemperaturreaktoren nach dem Kugel- haufenprinzip. Es ist bekannt, dass sich Radiokohlenstoff vorzugsweise auf der Kugeloberfläche und in oberflächennahen Schichten abgelagert hat, da dort - trotz hoher Reinheit des graphitischen Matrixmaterials - die Konzentration an chemi- oder physisorbiertem Luftstickstoff am höchsten war. Durch gezielte anodische Elektrolyse der oberen Schichten der Brennelementkugel wird das darin in konzentrierter Form enthaltene l4C als l4C02 freigesetzt. Dieses kann mit Natronlauge oder einem anderen alkalischen Absorbens aufgefangen und weiterverarbeitet werden. Die Elektrolyse kann beispielsweise so eingestellt werden, dass nur die Oberfläche um 1 bis 2 mm abgetragen wird. Weiterhin kann durch Überwachung der l4C-Konzentration, beispielsweise über einen Szintillationsdetektor im Online Verfahren, die Elektrolyse dann gestoppt werden, wenn die 14C -Konzentration nachlässt. Mechanische Behandlungsverfahren: Another embodiment is the surface electrolysis z. B. the spent fuel pellets of high temperature reactors on the ball-pile principle. It is well known that radiocarbon deposited preferentially on the spherical surface and in near-surface layers because, despite the high purity of the graphitic matrix material, the concentration of chemisor physisorbed nitrogen was highest there. Selective anodic electrolysis of the upper layers of the fuel element sphere releases the l4 C contained therein in concentrated form as l4 C0 2 . This can be collected with sodium hydroxide solution or another alkaline absorbent and processed further. The electrolysis can for example be adjusted so that only the surface is removed by 1 to 2 mm. Furthermore, by monitoring the 14 C concentration, for example via a scintillation detector in the online process, the electrolysis can then be stopped when the 14 C concentration decreases. Mechanical treatment methods:
Ein Ausführungsbeispiel des mechanischen Behandlungsverfahrens bezieht sich auf das mechanische Zerkleinern von neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und Gra- phitwerkstoffen. One embodiment of the mechanical treatment method relates to the mechanical comminution of neutron-irradiated carbon and graphite materials.
Die Binderbereiche sind in ihrer mechanischen Festigkeit deutlich schwächer als die Füllerbestandteile. Damit lässt sich durch bekannte Verfahren mit hochenergetischen Schallimpulsen / Schockwellen oder aber auch durch fortschreitendes Brechen, Aufmahlen und Sieben der mechanische Zusammenhalt der mikrokristallinen Bereiche des Bindermaterials und/oder der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs zerstören und die Bestandteile so fraktionieren, dass Füller- und Binderbereiche anhand unterschiedlicher Kristallgrößen/Korngrößen voneinander getrennt werden können The binder areas are significantly weaker in their mechanical strength than the filler components. Thus, by known methods with high-energy sound pulses / shock waves or else by progressive breaking, grinding and sieving, the mechanical cohesion of the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon fractions of the neutron-irradiated carbon and / or graphite material can be destroyed and the Fractionate ingredients so that filler and binder areas can be separated from one another using different crystal sizes / grain sizes
Das mechanische Zerkleinern wird bis zur maximalen Korngröße der Füllerpartikel durchgeführt, die je nach Graphit- oder Kohlesteinsorte variieren können. Die Binderpartikel sind aufgrund ihrer geringeren Bruchfestigkeit kleiner. Neben der Freisetzung von z. B. Radiokarbon aus eventuellen flüchtigen Verbindungen aus dem geschlossenen Porensystem, reagiert der feinkristalline Anteil des Binders bevorzugt mit beim Aufmahlen, Brechen oder Sieben. Nachfolgende Sichtungsund Nachbehandlungsverfahren z. B. mit Korrosionsmitteln können vorteilhaft sein. Auch dadurch kommt es zur bevorzugten Freisetzung von Kontaminationen des Binders und an den Oberflächen der Füllerkristallite. Diese Reaktionen können z. B. in einem rotierenden Reaktionsgefäß, in einem Mischer oder in einem Wirbelschichtreaktor durchgeführt werden. The mechanical crushing is carried out to the maximum grain size of the filler particles, which can vary depending on the graphite or carbon type. The binder particles are smaller due to their lower breaking strength. In addition to the release of z. B. radiocarbon from any volatile compounds from the closed pore system, the finely crystalline portion of the binder reacts preferably with the grinding, breaking or sieving. Subsequent sighting and post-treatment procedures e.g. B. with corrosive agents may be advantageous. This also leads to the preferential release of contaminants of the binder and to the surfaces of the filler crystallites. These reactions may, for. B. in a rotating reaction vessel, in a mixer or in a fluidized bed reactor.
Auch hier ist ggf. eine thermische Vorbehandlung von Vorteil, bei welcher gewisse Kontaminanten/Radionuklide durch Pyrolyse von Kohlenwasserstoffen (z. B. Tritium) oder durch geringfügige Korrosion partiell ausgetrieben werden. Eine vorgeschaltete thermische Vorbehandlung bzw. Korrosion speziell bei Temperaturen zwischen 350 bis 900 °C, insbesondere unterhalb von 500 °C (chemischer Oxidationsbereich siehe Figur. 5) kann die mechanische Stabilität des Abfallmate- rials in den Binderbereichen bei geringfügigen Masseverlusten bzw. Korrosionsgraden gezielt schwächen und die anschließende mechanische Zerkleinerung und Fraktionierung unterstützen. Here, too, if necessary, a thermal pretreatment is advantageous in which certain contaminants / radionuclides are partially expelled by pyrolysis of hydrocarbons (eg tritium) or by slight corrosion. An upstream thermal pretreatment or corrosion, especially at temperatures between 350 to 900 ° C., in particular below 500 ° C. (chemical oxidation range, see FIG. 5), can increase the mechanical stability of the waste material. targeted weaken in the binder areas with minor mass losses or degrees of corrosion and support the subsequent mechanical comminution and fractionation.
Ein Abtrag der äußeren Schichten läßt sich aber auch durch andere Verfahren wie z. B. mechanisches Abdrehen, Abbürsten, Laserablation oder - besonders vorteilhaft - Oxidation mit Sauerstoff bewerkstelligen. Eine Oxidation mit Sauerstoff kann beispielsweise bei Temperaturen von mehr als 350 bis < 900 °C durchgeführt werden oder über 900°C durchgeführt werden. Dabei können durch die Wahl der Oxidationstemperatur verschiedene Bereiche angeriffen werden: A removal of the outer layers can also be achieved by other methods such. As mechanical trimming, brushing, laser ablation or - particularly advantageous - oxidation with oxygen accomplish. An oxidation with oxygen can be carried out, for example, at temperatures of more than 350 to <900 ° C or carried out above 900 ° C. Different areas can be attacked by the choice of the oxidation temperature:
Es ist bekannt, dass die Oxidation von Nukleargraphit mit Sauerstoff in drei temperaturabhängige Bereiche eingeteilt werden kann: It is known that the oxidation of nuclear graphite with oxygen can be divided into three temperature-dependent ranges:
den chemischen Bereich (t < 500 °C), the chemical range (t <500 ° C),
den Porendiffusionsbereich (500 °C < t < 900 °C) und den the pore diffusion region (500 ° C <t <900 ° C) and the
Grenzschichtdiffusionsbereich (/ > 900 °C) [5],  Boundary layer diffusion area (/> 900 ° C) [5],
Im chemischen Bereich kann der Sauerstoff tief in die Poren des Graphits eindringen und dabei den Binder oxidieren, was zu einer Desintegration des Graphits und somit zu einer Freilegung der Füllerpartikel führt (siehe Figur 5). Dabei werden gleichzeitig die im Binder konzentrierten und mit Sauerstoff flüchtigen Radionuklide wie z. B. Radiokohlenstoff freigesetzt. In diesem Bereich ist die Reaktionsgeschwindigkeit allerdings sehr gering (siehe Figur 6). Diese Reaktion ist anwendbar für Graphite, in denen das zu entfernende Radionuklid über den gesamten Graphitkörper verteilt ist und erst durch das Verfahren aufkonzentriert werden muss. In the chemical field, the oxygen can penetrate deep into the pores of the graphite and thereby oxidize the binder, which leads to a disintegration of the graphite and thus to an exposure of the filler particles (see FIG. 5). At the same time concentrated in the binder and volatile with oxygen radionuclides such. B. released radiocarbon. In this area, however, the reaction rate is very low (see FIG. 6). This reaction is applicable to graphites in which the radionuclide to be removed is distributed throughout the graphite body and has to be concentrated by the process.
Wenn jedoch das zu entfernende Radionuklid in einem bestimmten Bereich des Graphitkörpers konzentriert ist - wie z. B. der Radiokohlenstoff auf der Oberfläche der abgebrannten Brennelementkugeln von Hochtemperaturreaktoren -, dann ist es im Hinblick auf die Effektivität des Verfahrens vorteilhaft, die Oxidationstemperatur zu erhöhen, um in den Porendiffusionsbereich oder den Grenzschichtdiffusionsbereich zu gelangen. Somit erhält man in relativ kurzer Zeit ein mit Radiokohlenstoff angereichertes Verbrennungsgas, weil die Anreicherung bereits im Material vorliegt und nicht erst durch das Verfahren bewerkstelligt werden muss. However, if the radionuclide to be removed is concentrated in a certain area of the graphite body - such as. As the radiocarbon on the surface of the spent fuel pellets of high temperature reactors -, it is advantageous in view of the effectiveness of the method to increase the oxidation temperature to get into the pore diffusion region or the boundary layer diffusion region. Thus, one obtains in a relatively short time a radio-carbon-enriched combustion gas, because the Enrichment already exists in the material and does not have to be accomplished by the process.
Da der nicht freisetzbare Anteil der Radionuklide sehr fest im Graphit gebunden sind, ist deren Entfernung für die Endlagerung nicht erforderlich, weil z. B. die Freisetzungsraten unterhalb von 1 % liegen. Im Gegenteil kann der Graphit sogar genutzt werden, um Radionuklide an seinen inneren Oberflächen zu chemisorbie- ren und somit für lange Zeiten sicher zu fixieren. Dies kann ggf. noch durch Maßnahmen zum Verschließen des Porensystems unterstützt werden. Since the non-releasable fraction of radionuclides are very firmly bound in the graphite, their removal for disposal is not required because z. B. the release rates are below 1%. On the contrary, the graphite can even be used to chemisorb radionuclides on its inner surfaces and thus fix them securely for long times. This may possibly be supported by measures to close the pore system.
Die Erfinder haben erkannt, dass für den Fall, dass das Porensystem der Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe bereits reaktive Gase enthält, auf die Zugabe eines Korrosionsmittels von außen ganz verzichtet werden kann. Weiterhin kann aber auch ein Korrosionsmittel (z. B. reiner Sauerstoff) vor dem Aufheizen im Innern, d.h. im Porensystem, der Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe adsorbiert werden. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn Radionuklide wie Tritium und Radiokohlenstoff in hoher Anreicherung gewonnen werden sollen, um sie dem Wertstoffkreislauf zuzuführen. Wegen des hohen Oberflächen- zu Volumenverhältnisses der Binderpartikel werden im Bereich der Binderpartikel sowohl die Anteile zuvor chemisorbiertem Stickstoffs und damit des dort ebenfalls angelagerten 14C als auch Anteile von angelagerten Korrosionsmedien (z. B. Sauerstoff, C02, H2, H20 (Feuchte) höher sein. So kann erfindungsgemäß eine Erhitzung der Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe in einer Inertgasatmosphäre (z. B. N2 oder Ar) oder im Vakuum bei einem Temperaturbereich zwischen 500 und 1500°C durchgeführt werden, so dass zwar nur ein Teil der Radionuklide aus dem Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff entfernt werden, dieser aber in besonders hoher Anreicherung. The inventors have recognized that in the event that the pore system of the carbon and / or graphite materials already contains reactive gases, the addition of a corrosive agent from the outside can be completely dispensed with. Furthermore, however, a corrosive agent (eg pure oxygen) can also be adsorbed before heating in the interior, ie in the pore system, of the carbon and / or graphite materials. This is particularly the case when radionuclides such as tritium and radiocarbon are to be obtained in high enrichment in order to supply them to the recycling cycle. Because of the high surface area to volume ratio of the binder particles, both the proportions of previously chemisorbed nitrogen and thus of the 14 C which has also accumulated there as well as fractions of deposited corrosion media (eg oxygen, C0 2 , H 2 , H 2 0 Thus, according to the invention, a heating of the carbon and / or graphite materials in an inert gas atmosphere (eg N 2 or Ar) or in a vacuum at a temperature range between 500 and 1500 ° C can be carried out, so that only a part of the radionuclides are removed from the carbon and / or graphite material, but this in a particularly high enrichment.
Die Figuren 9 und 10 zeigen diesen Sachverhalt anhand durchgeführter Messreihen. Dargestellt ist der Anteil an freigesetztem Tritium oder Radiokohlenstoff gegenüber dem freigesetzten (korrodierten) Anteil an Gesamtkohlenstoff (12C und 13C). Als Reäktionsmedien wurden Inertgas (N2 oder Ar) oder Wasserdampf bei unterschiedlichen Temperaturen eingesetzt. Es ist zu erkennen, dass das Anreicherungsverhältnis 3H/Gesamtkohlenstoff bzw. 14C/Gesamtkohlenstoff bei den Aus- heizversuchen in Inertgas (N oder Argon) am größten ist. FIGS. 9 and 10 show this state of affairs on the basis of measurement series carried out. Shown is the proportion of released tritium or radiocarbon versus the released (corroded) portion of total carbon ( 12 C and 13 C). The reaction media used were inert gas (N 2 or Ar) or water vapor at different temperatures. It can be seen that the enrichment ratio 3 H / total carbon or 14 C / total carbon in the case of heating tests in inert gas (N or argon) is greatest.
Weiterhin ist die Probenform entscheidend: Bei massiven Graphitproben ist die Radionuklidfreisetzung höher als bei gemahlenen, bei denen das Porensystem mit den darin enthaltenen reaktiven Gasen weitgehend zerstört ist. Furthermore, the shape of the sample is decisive: In massive graphite samples, the release of radionuclides is higher than in the case of milled ones, in which the pore system with the reactive gases contained therein is largely destroyed.
Möglich wird dieses Verfahren durch den speziell im Bindermaterial des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs adsorbierten Sauerstoff und/oder andere adsorbierte Korrosionsmedien (z. B. Wasserdampf), weiche mit den in reaktiver Form und an den Oberflächen konzentriert vorliegenden Radionukliden bevorzugt reagieren. Auch oxidierend wirkende funktionelle Gruppen (z. B. Hydroxyl-, Carbo- nyl-, Carboxyl-, Ether- oder Epoxy-Gruppen), die unbestrahlter Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff und insbesondere im Kernreaktor mit Neutronen bestrahlter Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff naturgemäß enthalten, können an dieser Reaktion beteiligt sein. Die funktionellen Gruppen werden bei Temperaturen oberhalb von 500 °C aus ihrer Bindung im Graphit abgespalten und können direkt mit Radionukliden wie Tritium und Radiokohlenstoff, die im Bindersystem feinverteilt vorliegen, unter Bildung gasförmiger (leicht freisetzbarer) Reaktionsprodukte reagieren. This method is made possible by the oxygen adsorbed especially in the binder material of the carbon and / or graphite material and / or other adsorbed corrosion media (eg water vapor) which preferentially react with the radionuclides present in concentrated form in reactive form and on the surfaces. Also oxidizing functional groups (eg hydroxyl, carbonyl, carboxyl, ether or epoxy groups), the unirradiated carbon and / or graphite material and in particular in the nuclear reactor with neutrons irradiated carbon and / or graphite material naturally contained, may be involved in this reaction. The functional groups are split off from their binding in graphite at temperatures above 500 ° C and can react directly with radionuclides such as tritium and radiocarbon, which are finely distributed in the binder system, to form gaseous (easily releasable) reaction products.
Der Anteil dieser funktionellen Gruppen kann sogar noch erhöht werden, indem der Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff durch geeignete Methoden vor der thermischen Behandlung in oxidierten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff (Graphitoxid) umgewandelt wird. Solche Methoden können rein chemischer (Behandlung mit stark oxidierend wirkenden Medien wie z. B. Wasserstoffperoxid) oder elektrochemischer Natur (anodische Oxidation in verdünnten Säuren) sein. Die bei diesen Reaktionen in Form von gasförmigen Verbindungen freiwerdenden Radionuklide wie z. B. 14CO können dann ebenfalls aufgrund ihrer hohen Anreicherung dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden. The proportion of these functional groups can even be increased by the carbon and / or graphite material is converted by suitable methods before the thermal treatment in oxidized carbon and / or graphite material (graphite oxide). Such methods may be purely chemical (treatment with strong oxidizing media such as hydrogen peroxide) or electrochemical (anodic oxidation in dilute acids). The released in these reactions in the form of gaseous compounds radionuclides such. B. 14 CO can then also be supplied to the recycling cycle due to their high concentration.
Welche Temperatur vorteilhaft bzw. notwendig ist, hängt unter anderem auch von der Aktivierungsenergie des konkret verwendeten Korrosionsmediums ab. Die der Temperatur T entsprechende thermische Energie kB = Boltzmann-Kon- stante) muss mindestens dieser Aktivierungsenergie entsprechen. Dabei kann die Aktivierungsenergie durch einen Katalysator herabgesetzt sein. Vorteilhaft wird eine Temperatur zwischen 350 bis 1500 °C, bevorzugt zwischen 500 und 1300 °C gewählt. In diesem Temperaturbereich findet die Umsetzung je nach Art des orrosionsmediums mit einer praktikablen Reaktionsrate statt. Which temperature is advantageous or necessary, inter alia, also depends on the activation energy of the concrete used corrosion medium. The thermal energy kB corresponding to the temperature T. = Boltzmann constant) must correspond at least to this activation energy. In this case, the activation energy can be reduced by a catalyst. Advantageously, a temperature between 350 to 1500 ° C, preferably selected between 500 and 1300 ° C. In this temperature range, the reaction takes place depending on the nature of the orrosion medium with a practical reaction rate.
In einer vorteilhaften Ausführung kann das Korrosionsmedium in hoher In an advantageous embodiment, the corrosion medium in high
Konzentration (z.B. reiner Sauerstoff) zugeführt werden, um es an den innerenConcentration (e.g., pure oxygen) may be added to it at the inner
Oberflächen unter Variation der Anlagerungs- und Diffusionsbedingungen (Temperatur und Druck) adsorbieren zu lassen. Bei anschließendem Aufheizen unter Inertgas wird dann ein höherer Teil des Radiokarbons freigesetzt als dies nur bei vorheriger Lagerung unter Normaldruck, Raumtemperatur und Luft der Fall ist. Auch durch geeignete Auswahl der Druck- und Temperaturbedingungen kann der Vorgang der Anlagerung von Korrosionsmedien beschleunigt werden. Surfaces adsorbed under variation of the deposition and diffusion conditions (temperature and pressure). Upon subsequent heating under inert gas, a higher part of the radio-carbon is then released than is the case only when previously stored under normal pressure, room temperature and air. Also by a suitable selection of the pressure and temperature conditions, the process of accumulation of corrosion media can be accelerated.
Gemäß dem bekannten Korrosionsprofil im Bereich II von Fig. 6. kann die Eindringtiefe des Korrosoinsmediums über die geeignete Wahl der Prozeßtemperatur und die Prozeßdauer eingestellt werden. Dies kann dann ggf. auch eine Vorstufe für eine mechanische Nachbehandlung (z.B. in rotierenden Trommeln) sein, weil durch diese Korrosionsbehandlung bei hohen Temperaturen eine Verschwächung des Binders bzw. Desintegration der mikrokristallinen und amorphen Binderbereiche erfolgt, die mit dem Kontaminationsprofil übereinstimmt. Die freigesetzten Radionuklide (z.B. 14C, metallische Radionuklide) werden inAccording to the known corrosion profile in region II of FIG. 6, the penetration depth of the corrosive medium can be adjusted via the suitable choice of the process temperature and the process duration. This may possibly also be a precursor for a mechanical aftertreatment (eg in rotating drums), because this corrosion treatment at high temperatures causes a weakening of the binder or disintegration of the microcrystalline and amorphous binder regions, which coincides with the contamination profile. The released radionuclides (eg 14 C, metallic radionuclides) are released in
Form eines gasförmigen Reaktionsprodikt s freigesetzt und können wie schon zuvor erläutert in Lösung überfuhrt werden, z.B. durch Einsatz von alkalischen Adsorbentien. Form of a gaseous Reaktionsprodikt s released and can be converted as already explained in solution, e.g. by use of alkaline adsorbents.
Bei besonders vorteilhaften Ausführungen des Verfahrens können chemische und mechanische Behandlungsmethoden miteinander kombiniert werden. So kann es beispielsweise von Vorteil sein, dass zunächst die Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe unter„milden" Bedingungen, d. h. bei Temperaturen von unter 700°C z.B. unter Sauerstoffatmosphäre über einen Zeitraum von beispielsweise ca. wenigen Stunden aufgeheizt werden, anschließend eine Elektrolyse durchgeführt wird. Die Elektrolyse kann beispielsweise zusätzlich durch Behandlung mit Ultraschall unterstützt werden. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe unter milden Temperaturen aufzuheizen und anschließend eine mechanische Behandlung durch beispielsweise Brechen, Mahlen, Ultraschall, oder elektrische Entladungen zur Erzeugung von Schockwellen anzuschließen. In particularly advantageous embodiments of the method, chemical and mechanical treatment methods can be combined. For example, it may be advantageous that first the carbon and / or graphite materials under "mild" conditions, ie at temperatures below 700 ° C, for example, under an oxygen atmosphere over a period of, for example be heated for about a few hours, then an electrolysis is carried out. The electrolysis can, for example, additionally be supported by treatment with ultrasound. Furthermore, it may be advantageous to heat the carbon and / or graphite materials under mild temperatures and then to connect a mechanical treatment by, for example, breaking, grinding, ultrasound, or electrical discharges to generate shock waves.
Der nach der Abtrennung des Bindermaterials verbliebene kristalline Graphit kann dem Wertstoffkreislauf zugeführt und wiederverwendet werden. The remaining after the separation of the binder material crystalline graphite can be supplied to the recycling cycle and reused.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 : Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Füllerpartikels (großer flächiger Berich in der Mitte der Figur) mit umgebendem Bindermaterial einer AVR-Kohlesteinprobe (AVR= Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor Jülich) FIG. 1: Scanning electron micrograph of a filler particle (large area in the middle of the figure) with surrounding binder material of an AVR coal test sample (AVR = Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor Jülich)
Figur 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme im FIG. 2: Scanning electron micrograph in FIG
Rückstreuelektronenmodus der AVR-Kohlesteinprobe von Abbildung 1 (weiße Flecken = Verunreinigungen) Backscatter electron mode of the AVR coal sample of Figure 1 (white spots = impurities)
Fig. 3 : 14N-Tiefenprofil (als CN~-Ion) von bestrahltem (a) und unbestrahltem (b) AVR-Reflektorgraphit (AVR - Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, Jülich) Fig. 3: 14 N depth profile (as CN ~ ion) of irradiated (a) and unirradiated (b) AVR reflector graphite (AVR - Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, Jülich)
Figur 4: l3C-Tiefenprofil von bestrahltem (a) und unbestrahltem (b) AVR- Reflektorgraphit (AVR - Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, Jülich) FIG. 4: l3 C depth profile of irradiated (a) and unirradiated (b) AVR reflector graphite (AVR - Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, Jülich)
Figur 5: Schematische Darstellung der Reaktionsbereiche der Graphitoxidation [5] FIG. 5: Schematic representation of the reaction areas of graphite oxidation [5]
Figur 6: Kinetische Darstellung der Reaktionsbereiche der Graphitoxidation [6] FIG. 6: Kinetic representation of the reaction areas of graphite oxidation [6]
Figur 7: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von unbehandelter bestrahlter AVR-Brennelementmatrix (A3 -Ausgangsmaterial) Figur 8: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von desintegrierter bestrahlter AVR- Brennelementmatrix (Graphitoxid) FIG. 7: Scanning electron micrograph of untreated irradiated AVR fuel matrix (A3 starting material) FIG. 8: Scanning electron micrograph of disintegrated irradiated AVR fuel element matrix (graphite oxide)
Figur 9: 3H-Freisetzung gegen 12C-Freisetzung (Korrosion) unter unterschiedlichen Bedingungen (MM = massive und MP = pulverförmige Graphitprobe des MERLI -Forschungsreaktors, FRJ-1) FIG. 9: 3 H release against 12 C release (corrosion) under different conditions (MM = massive and MP = pulverulent graphite sample of the MERLI research reactor, FRJ-1)
Figur 10: l4C-Freisetzung gegen 12C-Freisetzung (Korrosion) unter unterschiedlichen Bedingungen (MM = massive und MP = pulverförmige Graphitprobe des MERLIN-Forschungsreaktors, FRJ-1 ; AVR = pulverförmige Graphitprobe des A V R- Versuchsreaktor s) FIG. 10: l4 C release against 12 C release (corrosion) under different conditions (MM = massive and MP = powdery graphite sample of the MERLIN research reactor, FRJ-1, AVR = pulverulent graphite sample of the AV R experimental reactor)
Ausfühningsbeispiel : Example:
Im Folgenden wird beispielhaft eine Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Elektrolyse beschrieben: An embodiment of the process according to the invention by electrolysis is described below by way of example:
Die Elektrolysebedingungen waren die folgenden: The electrolysis conditions were the following:
Elektrolyt: 5 % HN03 Electrolyte: 5% HN0 3
Stromstärke: 0,5 A Current: 0.5 A
Elektrolysedauer: 2 h Electrolysis time: 2 h
In Tabelle 1 werden die Radionuklidfreisetzung und die messbare Restaktivität bei der Elektrolyse einer Graphitprobe eines bestrahlten AVR-Brennelementes wiedergegeben. Table 1 shows radionuclide release and measurable residual activity in the electrolysis of a graphite sample of an irradiated AVR fuel.
Als Graphitprobe wurde ein Stück aus der Kugeloberfläche eines AVR-Brennelementes (AVR = Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, Jülich) mit einer Masse von 1,8 g genommen. Als Elektrolyt diente 5 %ige Salpetersäure. Die Graphitprobe wurde als Anode (Pluspol) in einem Gleichstromkreis geschaltet. Als Kathode (Minuspol) diente eine inaktive (nichtradioaktive) Graphitelektrode. Die Stromstärke wurde mit Hilfe eines Potentiostaten auf 0,5 Ampere eingestellt. Die Elektrol sedauer betrug 2 Stunden. Während dieser Zeit blähte sich die Gra- phitprobe auf und es fielen Graphitflitter von der Graphitprobe ab. Nach Beendigung der Elektrolyse wurden die abgefallenen Graphitflitter von der Elektrolytlösung abfiltriert, mit destilliertem Wasser gewaschen und 9 Stunden in einem Trockenschrank bei 80 °C getrocknet. Ebenso wurde mit den noch an der Graphitprobe anhaftenden Graphitpartikeln, die durch leichtes Kratzen mit einem Spatel entfernt wurden, verfahren. Mit Hilfe der Infrarot-Spektroskopie wurde das erhaltene Reaktionsprodukt als„Graphitoxid", einer nichtstöchiometrischen Graphitverbindung mit wechselnden Anteilen an sauerstoffenthaltenden funktionellen Gruppen (hauptsächlich Hydroxylgruppen), identifiziert. In diesem Reaktionsprodukt waren 60 % der Ausgangsmasse der Graphitprobe enthalten. Die übrigen 40 % verblieben im Rest der Graphitprobe (Graphitelektrodenrest). Anschließend wurde die nuklidspezifische Aktivität der Elektrolytlösung, des Graphitoxides und des Graphitelektrodenrestes durch Gammaspektrometrie (60Co, 137Cs u. a.) bzw. Flüssigszintillationsmessung (3H, 14C, 90Sr - nach Verbrennung eines Probena- liquots und anschließender radiochemischer Trennung) bestimmt. As a graphite sample, a piece was taken from the spherical surface of an AVR fuel assembly (AVR = Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor GmbH, Jülich) with a mass of 1.8 g. The electrolyte used was 5% nitric acid. The graphite sample was switched as an anode (positive pole) in a DC circuit. The cathode (negative pole) was an inactive (non-radioactive) graphite electrode. The current was set to 0.5 amps using a potentiostat. The Elektrol sedauer was 2 hours. During this time, the phitprobe on and it dropped graphite flakes from the graphite sample. After completion of the electrolysis, the fallen graphite flakes were filtered from the electrolyte solution, washed with distilled water and dried for 9 hours in a drying oven at 80 ° C. The same procedure was followed with the graphite particles still adhering to the graphite sample, which were removed by gentle scratching with a spatula. By means of infrared spectroscopy, the resulting reaction product was identified as "graphite oxide", a non-stoichiometric graphite compound with varying proportions of oxygen-containing functional groups (mainly hydroxyl groups) containing 60% of the starting material of the graphite sample Subsequently, the nuclide-specific activity of the electrolytic solution, the graphite oxide and the graphite electrode residue was determined by gamma spectrometry (60Co, 137Cs, etc.) or liquid scintillation measurement (3H, 14C, 90Sr - after combustion of a sample liquor and subsequent radiochemical separation) ,
Die Radionuklidfreisetzung wurde durch Bestimmung der Radioaktivität (Bq/g) vor und nach der Elektrolyse bestimmt. Sie gibt an, um wie viel Prozent ein Reaktionsprodukt aktivitätsärmer ist als das Ausgangsmaterial. Mit dieser Angabe wird der Dekontaminationserfolg des Verfahrens anschaulich dargestellt. Radionuclide release was determined by determination of radioactivity (Bq / g) before and after electrolysis. It indicates by what percentage a reaction product is less active than the starting material. This statement clearly illustrates the decontamination success of the process.
Es wurde erkannt, dass es sich bei der gemessenen Aktivitätsfreisetzung nicht um eine Freisetzung von Radionukliden aus einem homogenen Festkörper handelt, sondern um eine Freisetzung von Radionukliden aus Teilen eines heterogenen Festkörpers. Wie bereits dargelegt worden ist, befindet sich der freisetzbare Anteil der Radionuklide von bestrahlten Kohlenstoff- und Graphitwerkstoffen in den Regionen des Bindermaterials. Dieses wird durch die Elektrolyse bevorzugt angegriffen und die sich darin befindenden Radionuklide werden selektiv freigesetzt. Als feste Reaktionsprodukte bleiben diejenigen Teile des Nukleargraphits übrig, die durch die Elektrolyse weniger angegriffen werden. Das sind die Füllerpartikel. Diese haben jedoch von vornherein weniger aktivierbare Bestandteile und somit eine signifikant geringere Radioaktivität als das Bindermaterial. Die Radionuklidfreisetzung bedeutet demnach eine bevorzugte Freisetzung von Radionukliden aus dem Bindermaterial unter Zurücklassung der weniger kontaminierten Bestandteile des Nukleargraphits. It was recognized that the measured release of activity is not a release of radionuclides from a homogeneous solid, but a release of radionuclides from parts of a heterogeneous solid. As has already been stated, the releasable portion of the radionuclides of irradiated carbon and graphite materials is in the regions of the binder material. This is preferably attacked by the electrolysis and the radionuclides therein are selectively released. As solid reaction products remain those parts of the nuclear graphite, which are less affected by the electrolysis. These are the filler particles. However, these have from the outset less activatable components and thus a significantly lower radioactivity than the binder material. The radionuclide release thus means a preferential release of radionuclides the binder material leaving the less contaminated constituents of the nuclear graphite.
Die Werte für l4C in der Tabelle 1 bedeuten, dass sich z. B. im Graphitelektrodenrest lediglich ca. 13 % der Gesamtaktivität an l4C in den verbliebenen Füllerpartikeln befinden. Das Graphitoxid besteht im Wesentlichen aus den abgelösten Füllerpartikeln und weist 21 % der mittleren Ausgangsaktivität an l4C auf. Dies kann bedeuten, dass noch geringfügige Reste des Binders an den Graphitoxidpartikeln anhaften, weil sie nur kurze Zeit der Elektrolyse ausgesetzt waren. The values for I4 C in Table 1 mean that z. B. only about 13% of the total activity of l4 C in the remaining filler particles in graphite electrode residue. The graphite oxide consists essentially of the detached filler particles and has 21% of the mean starting activity at l4 C. This may mean that even minor residues of the binder adhere to the graphite oxide particles, because they were only exposed to electrolysis for a short time.
Tabelle 1 : Radionuklidfreisetzung und Restaktivität bei der Elektrolyse einer Graphitprobe eines bestrahlten AVR-Brennelementes Table 1: Radionuclide release and residual activity in the electrolysis of a graphite sample of an irradiated AVR fuel assembly
' Enthält 40 % der Ausgangsmasse der Graphitprobe  Contains 40% of the initial mass of the graphite sample
2) Enthält 60 % der Ausgangsmasse der Graphitprobe 2 ) Contains 60% of the initial mass of the graphite sample
Die Bildung eines der Reaktionsprodukte, des Graphitoxids, war mit einem Massegewinn von 17 % gegenüber der Masse des Ausgangsgraphits verbunden. Dies ist auf die Anbindung von Sauerstoff an die Graphitgitterebenen zurückzuführen. The formation of one of the reaction products, the graphite oxide, was associated with a mass gain of 17% over the mass of the starting graphite. This is due to the binding of oxygen to the graphite lattice planes.
Das Graphitoxid wurde anschließend einer thermischen Behandlung von 6 h bei 900 °C unter N2 unterzogen. Unter Abspaltung von Wasser (Pyrolyse der Hydroxylgruppen) wandelte sich dabei das Graphitoxid wieder in Graphit um. The graphite oxide was then subjected to a thermal treatment of 6 hours at 900 ° C under N 2 . With elimination of water (pyrolysis of the hydroxyl groups), the graphite oxide changed back into graphite.
Die Figuren 7 und 8 zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von unbehandelter bestrahlter AVR-Brennelementmatrix (A3-Ausgangsmaterial) und desintegrierter, d. h. durch Elektrolyse behandelter, bestrahlter AVR-Brenn- elementmatrix (Graphitoxid aus den Füllerpartikeln). In beiden Figuren sieht man deutlich die flitterfbrmi en Graphitpartikel, die in Abbildung 7 noch durch den Binder verbunden und in Abbildung 8 durch die Elektrolyse getrennt (und chemisch modifiziert) sind. Das Bindermaterial, welches im vorliegenden Fall nur die dünne Grenzschicht zwischen den Graphitpartikeln ausmacht, ist durch den Elektrolysevorgang in gasförmige Reaktionsprodukte (Kohlendioxid) umgewandelt worden. Figures 7 and 8 show scanning electron micrographs of untreated irradiated AVR fuel assembly matrix (A3 starting material) and disintegrated, ie treated by electrolysis, irradiated AVR fuel element matrix (graphite oxide from the filler particles). In both figures one can clearly see the flickering graphite particles, which are still connected by the binder in Figure 7 and separated (and chemically modified) in Figure 8 by the electrolysis. The binder material, which in the present case constitutes only the thin boundary layer between the graphite particles, has been converted by the electrolysis process into gaseous reaction products (carbon dioxide).
Literatur literature
[1] H.-K. Hinssen, K. Kühn, R. Moormann, B. Schlögl, M. Fechter, M. Mitchell: Oxidation experiments and theoretical examinations on graphite materials relevant for the PBMR, Nucl. Eng. Des. 238 (2008) 3018-3025. [1] H.-K. Hinssen, K. Kuhn, R. Moormann, B. Schlögl, M. Fechter, M. Mitchell: Oxidation experiments and theoretical examinations on graphite materials relevant to the PBMR, Nucl. Closely. Of. 238 (2008) 3018-3025.
[2] R. Dovesi, C. Pisani, F. Ricca, C. Roetti; Chemisorption of periodic overlayers of atomic nitrogen on graphite, Surface Sei. 77 (1978) 409-415. [2] R. Dovesi, C. Pisani, F. Ricca, C. Roetti; Chemisorption of periodic overlayers of atomic nitrogen on graphite, Surface Sei. 77 (1978) 409-415.
[3] T. Fromherz, C. Mendoza, F. Ruette: Chemisorption of atomic Hs C, N and O on a cluster-model graphite surface, Mon. Not. R. Astron. Soc. 263 (1993) 851- 860. [3] T. Fromherz, C. Mendoza, F. Ruette: Chemisorption of atomic H s C, N and O on a cluster model graphite surface, Mon. R. Astron. Soc. 263 (1993) 851-860.
[4] R. H. Telling, M. I. Heggie: Radiation defects in graphite, Phil. Mag. 87 (2007) 4797^1846. [4] R.H. Telling, M.I. Heggie: Radiation Defects in Graphite, Phil. Mag. 87 (2007) 4797 ^ 1846.
[5] W. Delle, K. Koizlik, H. Nickel: Graphitische Werkstoffe für den Einsatz in Kernreaktoren. Teil 2: Polykristalliner Graphit und Brennelementmatrix, Karl Thiemig AG, München, 1983, S. 133. [5] W. Delle, K. Koizlik, H. Nickel: Graphitic materials for use in nuclear reactors. Part 2: Polycrystalline graphite and fuel element matrix, Karl Thiemig AG, Munich, 1983, p. 133.
[6] B. Schlögl: Oxidationskinetik innovativer Kohlenstoffmaterialien hinsichtlich schwerer Lufteinbruchstörfülle in HTR 's und Graphitentsorgung oder Aufarbeitung, Dissertation, Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2009. Die Arbeiten, die zu dieser Erfindung geführt haben, wurden gemäß der Finanzhilfevereinbarung Nr. 21 1333 im Zuge des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Atomgemeinschaft [RP7/2007-201 1 ] gefördert. [6] B. Schlögl: Oxidation kinetics of innovative carbon materials with respect to heavy air intrusion perturbation in HTR 's and graphite disposal or processing, dissertation, RWTH Aachen University, 2009. The work leading to this invention has been funded under the Grant Agreement No 21 1333 under the Seventh Framework Program of the European Atomic Energy Community [FP7 / 2007-201 1].

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Patent claims
1. Verfahren zur Dekontamination von freisetzbaren Radionukliden aus neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffen, welche aus einer heterogenen Verbindung von kristallinen Füllermaterialien und mikrokristallin-amorphen Bindermaterialien bestehen, umfassend mechanische und/oder chemische Behandlungsverfahren, A method of decontaminating releasable radionuclides from neutron irradiated carbon and / or graphite materials consisting of a heterogeneous compound of crystalline filler materials and microcrystalline amorphous binder materials, comprising mechanical and / or chemical treatment methods,
wobei die mechanischen Behandlungsverfahren die Schritte Brechen, Rütteln und Sieben umfassen und  the mechanical treatment methods comprising the steps of breaking, shaking and sieving, and
die chemischen Behandlungsverfahren eine Zufuhr von Aktivierungsenergie umfassen,  the chemical treatment methods comprise a supply of activation energy,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die mechanischen Behandlungsverfahren und/oder die Zufuhr der Menge der Aktivierungsenergie so eingestellt werden, dass nur die mikrokristallinen Bereiche des Bindermaterials und/oder der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs angegriffen und aufgelöst werden, und  the mechanical treatment processes and / or the supply of the amount of activation energy are adjusted such that only the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material are attacked and dissolved, and
dass eine anschließende Fraktionierung von Reaktionsprodukten erfolgt, welche durch die mechanischen und/oder chemischen Behandlungsverfahren von den Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffen abgetrennt wurden.  that a subsequent fractionation of reaction products, which were separated by the mechanical and / or chemical treatment processes from the carbon and / or graphite materials.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Radionuklid, mit dem die neutronenbestrahlten Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe belastet sind, durch eine Kernreaktion, insbesondere Kernspaltung oder Neutronenaktivierung, gebildet wurde. 2. The method according to claim 1, characterized in that at least one radionuclide, with which the neutron irradiated carbon and / or graphite materials are loaded, by a nuclear reaction, in particular nuclear fission or Neutronenaktivierung was formed.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass Graphit, Nukleargraphit oder Kohlestein als neutronenbestrahlte Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffe gewählt werden. 3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that graphite, nuclear graphite or carbonaceous material are selected as neutron irradiated carbon and / or graphite materials.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein 12C- und/oder 13C-haltiger Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoff gewählt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a 12 C and / or 13 C-containing carbon and / or graphite material is selected.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Form fester Stücke, als Granulat oder Pulver vorliegender Kohlenstoff- und oder Graphitwerkstoff gewählt wird. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the form of solid pieces, as granules or powder present carbon and or graphite material is selected.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, Method according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die Radionuklide entfernt werden, die an ein Bindermaterial gebunden sind, das bei der Herstellung der Matrix des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs verwendet wird.  that the radionuclides bound to a binder material used in the preparation of the matrix of the carbon and / or graphite material are removed.
. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, , Method according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die mikrokristallinen Bereiche des Bindermaterials und/oder der gesamte poröse Körper der amorphen Kohlenstoffanteile des Kohlenstoff- und/oder Graphitwerkstoffs durch Schallimpulse, Schockwellen, Brechen, oder Aufmahlen bis zur maximalen Korngröße des Füllermaterials zerkleinert werden.  characterized in that the microcrystalline regions of the binder material and / or the entire porous body of the amorphous carbon components of the carbon and / or graphite material are comminuted by sonic pulses, shock waves, breaking, or grinding up to the maximum grain size of the filler material.
Verfahren nach Anspruch 7, Method according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die entstandenen Bestandteile aus Füller- und Bindermaterial anhand der unterschiedlichen Kristall größe/Korngröße voneinander fraktioniert werden.  the resulting components of filler and binder material based on the different crystal size / grain size are fractionated from each other.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem rotierenden Reaktionsgefäß, in einem Mischer oder in einem Wirbel schichtreaktor durchgeführt wird. Method according to one of claims 7 to 8, characterized in that it is carried out in a rotating reaction vessel, in a mixer or in a fluidized bed reactor.
0. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, 0. Method according to one of claims 7 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
vor mechanischen Behandlungsverfahren eine thermische Vorbehandlung, insbesondere bei Temperaturen von 350 bis 900 °C durchgeführt wird.  Before mechanical treatment, a thermal pretreatment, especially at temperatures of 350 to 900 ° C is performed.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 11. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that
eine Öxidation mit Sauerstoff bei Temperaturen von mehr als 350 °C und unter 900 °C durchgeführt wird.  an oxidation with oxygen at temperatures of more than 350 ° C and below 900 ° C is performed.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 12. The method according to any one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein Korrosionsmedium zugeführt wird.  a corrosion medium is supplied.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein binäres Metalloxid, Sulfat, Nitrat, Hydroxid, Karbonat, Hydrid und/oder Ha- logensuccinimid als Korrosionsmedium gewählt wird. 13. The method according to claim 12, characterized in that at least one binary metal oxide, sulfate, nitrate, hydroxide, carbonate, hydride and / or halogeno-succinimide is selected as the corrosion medium.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiges Korrosionsmedium gewählt wird. 14. The method according to any one of claims 12 to 13, characterized in that a liquid corrosion medium is selected.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Peroxid, Wasserdampf, eine Säure, Kohlendioxid, ein Komplexbildner, eine Halogenverbindung, ein Kohlenwasserstoff, ein Halogenkohlenwasserstoff und/oder ein sonstiges pyrolysierbares und/oder dehydratisierbares Reagens als Korrosionsmedium gewählt wird. 15. The method according to any one of claims 12 to 14, characterized in that a peroxide, water vapor, an acid, carbon dioxide, a complexing agent, a halogen compound, a hydrocarbon, a halohydrocarbon and / or other pyrolyzable and / or dehydratisierbares reagent selected as the corrosion medium becomes.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 , 16. The method according to any one of claims 12 to 15,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Wasserstoff, die Wasserstoffionen, der Sauerstoff, die Sauerstoffionen, das Halogen und/oder die Halogenionen beim Zuführen der Aktivierungsenergie aus dem Korrosionsmedium gebildet werden.  the hydrogen, the hydrogen ions, the oxygen, the oxygen ions, the halogen and / or the halogen ions are formed in supplying the activation energy from the corrosion medium.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff, die Wasserstoffionen, der Sauerstoff, die Sauerstoffionen, das Halogen und/oder die Halogenionen im naszierenden Zustand mit dem Radionuklid reagieren. 17. The method according to any one of claims 12 to 16, characterized in that the hydrogen, the hydrogen ions, the oxygen, the oxygen ions, the halogen and / or the halogen ions react in the nascent state with the radionuclide.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein in Form fester Stücke, als Granulat oder Pulver vorliegendes Korrosionsmedium gewählt wird. 18. The method according to any one of claims 12 to 17, characterized in that a present in the form of solid pieces, as granules or powder corrosion medium is selected.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Wasser, ein Peroxid, eine Säure, eine Lauge, ein Komplexbildner und oder ein Elektrolyt als Korrosionsmedium gewählt werden. 19. The method according to any one of claims 12 to 18, characterized in that water, a peroxide, an acid, an alkali, a complexing agent and or an electrolyte are selected as the corrosion medium.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 20. The method according to any one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine Elektrolyse durchgeführt wird, wobei die Bedingungen der Elektrolyse so gewählt werden, dass es zu einer Desintegration der mikrokristallinen und amorphen Binderbereiche kommt.  an electrolysis is carried out, wherein the conditions of the electrolysis are chosen so that there is a disintegration of the microcrystalline and amorphous binder regions.
21. Verfahren nach Anspruch 20, 21. The method according to claim 20,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Elektrolyse in getrennten Elektrodenräumen, die mit einem Diaphragma verbunden sind, durchgeführt wird.  the electrolysis is carried out in separate electrode compartments connected to a diaphragm.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21 , 22. The method according to any one of claims 20 to 21,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
vor der Elektrolyse eine thermische Vorbehandlung bei Temperaturen von 700 bis 1300 °C durchgeführt wird.  before the electrolysis, a thermal pretreatment at temperatures of 700 to 1300 ° C is performed.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, 23. The method according to any one of claims 1 to 22,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
gasförmige Reaktionsprodukte durch alkalische Absorbentien, insbesondere Laugen, aufgefangen werden.  gaseous reaction products by alkaline absorbents, in particular alkalis, are collected.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 24. The method according to any one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine thermische Behandlung bei Temperaturen zwischen 350 und 1500 °C, bevorzugt zwischen 500 und 1300 °C durchgeführt wird.  a thermal treatment at temperatures between 350 and 1500 ° C, preferably between 500 and 1300 ° C is performed.
25. Verfahren nach Anspruch 24, 25. The method according to claim 24,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass die thermische Behandlung über die Einstellung der Prozeßtemperatur und Prozeßdauer so gesteuert wird, dass es zu einer Desintegration der mikrokristallinen und amorphen Binderbereiche kommt. that the thermal treatment is controlled by the adjustment of the process temperature and process time so that there is a disintegration of the microcrystalline and amorphous binder regions.
26. Verfahren nach einer der Ansprüche 24 bis 25, 26. The method according to any one of claims 24 to 25,
dadurch gekennzeichnet,  characterized,
dass eine mechanische Nachbehandlung gemäß Anspruch 7 bis 9 durchgeführt wird.  a mechanical aftertreatment according to claims 7 to 9 is carried out.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass 14C und/oder ein metallisches Radionuklid in mindestens ein gasförmiges Reaktionsprodukt umgewandelt und in Lösung überführt wird. 27. The method according to any one of claims 1 to 26, characterized in that 1 4 C and / or a metallic radionuclide is converted into at least one gaseous reaction product and converted into solution.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 27, 28. The method according to any one of claims I to 27,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Abtrennung des Bindermaterials der verbliebene kristalline Graphit wiederverwendet wird.  characterized in that after separation of the binder material of the remaining crystalline graphite is reused.
EP12722670.2A 2011-04-06 2012-03-30 Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials Withdrawn EP2695167A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE201110016272 DE102011016272A1 (en) 2011-04-06 2011-04-06 Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and / or graphite materials
PCT/DE2012/000345 WO2012136191A1 (en) 2011-04-06 2012-03-30 Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2695167A1 true EP2695167A1 (en) 2014-02-12

Family

ID=46147219

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP12722670.2A Withdrawn EP2695167A1 (en) 2011-04-06 2012-03-30 Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2695167A1 (en)
DE (1) DE102011016272A1 (en)
WO (1) WO2012136191A1 (en)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2997543A1 (en) * 2012-10-29 2014-05-02 Electricite De France THERMAL TREATMENT OF CARBON WASTE, PERFECTED BY THE CHOICE OF INJECTED GASES.
DE102013003847B3 (en) * 2013-03-07 2014-09-04 Forschungszentrum Jülich GmbH Fachbereich Patente Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and / or graphite materials
US9793018B2 (en) * 2013-10-29 2017-10-17 Westinghouse Electric Company Llc Ambient temperature decontamination of nuclear power plant component surfaces containing radionuclides in a metal oxide
DE102014110168B3 (en) * 2014-07-18 2015-09-24 Ald Vacuum Technologies Gmbh Method of decontaminating contaminated graphite
GB202008809D0 (en) * 2020-06-10 2020-07-22 Univ Manchester Graphite decontamination
WO2024038283A1 (en) * 2022-08-18 2024-02-22 Jacobs U.K. Limited Decontamination and regeneration of irradiated graphite
GB2621621A (en) * 2022-08-18 2024-02-21 Jacobs U K Ltd Decontamination and regeneration of irradiated graphite
CN116517526A (en) * 2023-04-12 2023-08-01 安徽中核桐源科技有限公司 Radioisotope tracer and preparation method thereof

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3149795C2 (en) * 1981-12-16 1986-05-15 Kernforschungsanlage Jülich GmbH, 5170 Jülich Process for separating structural graphite from nuclear fuel in nuclear reactor fuel elements
DE102004036631B4 (en) 2004-07-28 2013-02-21 Forschungszentrum Jülich GmbH Process for the treatment of a radiocarbon contaminated ceramic, in particular reactor graphite
DE102010026936A1 (en) * 2010-07-12 2012-01-12 Forschungszentrum Jülich GmbH Method for partial decontamination of radioactive waste

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2012136191A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102011016272A1 (en) 2012-10-11
WO2012136191A1 (en) 2012-10-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2695167A1 (en) Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and/or graphite materials
DE102010026936A1 (en) Method for partial decontamination of radioactive waste
US9181605B2 (en) Treatment method of spent uranium catalyst
US9480965B2 (en) Method for preparing granulated inorganic adsorbent for radionuclides
EP1771865B1 (en) Method for treating ceramic contaminated with radiocarbon, in particular reactor graphite
KR101580643B1 (en) Composition for reducing the concentration of radon including activated carbon process for producing thereof
EP2828205B1 (en) Process for removal of radioactive contamination from wastewater
JP6238214B2 (en) Decontamination method for radioactive material-contaminated particulate matter
DE102013003847B3 (en) Method for decontaminating radionuclides from neutron-irradiated carbon and / or graphite materials
DE102012009119A1 (en) Thermal graphite decontamination with reducing gases
JP5946044B2 (en) Decontamination method for radioactive material contaminated soil
JP2013088184A (en) Alkali metal iron oxide for radioactive ion adsorption/desorption and radioactive ion adsorption/desorption apparatus
US20190224642A1 (en) Methods of use and manufacture of silver-doped, nano-porous hydroxyapatite
Riley et al. Efforts to Consolidate Chalcogels with Adsorbed Iodine
DE1064163B (en) Nuclear reactor shielding material and process for its manufacture
DE3117862C2 (en)
KR102404671B1 (en) Method for treatment of iodine in spent nuclear fuel
KR20150086665A (en) Method of Removing Cesium from Wastewater by the Solidified Sericite
JP2013167570A (en) Method for manufacturing radioactivity reduction treatment agent and method for treating radioactivity reduction of radioactive contamination
EP0139955B1 (en) Process for determining gaseaos radioactive components from exhaust gases
DE102011016273A1 (en) Process for producing carbon and graphite materials and carbon and graphite materials produced thereby
EP2421663B1 (en) Method for reprocessing solid combustion products of coal
Papynov et al. Manganese oxide-based sorbent for Sr-90 radionuclide removal from seawater
JP2023029304A (en) Method for separating glass solidification blocking element from radiative waste solution
Forsberg et al. A new repository waste form: graphite–carbon high-level waste

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20130926

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

RIN1 Information on inventor provided before grant (corrected)

Inventor name: VON LENSA, WERNER

Inventor name: MAUERHOFER, ERIC

Inventor name: NABBI, RAHIM

Inventor name: VULPIUS, DIRK

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN WITHDRAWN

18W Application withdrawn

Effective date: 20150219