FR2520151A1 - METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING AND REMOVING US NUCLEAR FUELS - Google Patents
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Abstract
PROCEDE ET APPAREIL POUR SEPARER ET RETRAITER DES COMBUSTIBLES NUCLEAIRES USES. IL COMPREND UN RECIPIENT DE SEPARATION 10 LOGEANT UN METAL FONDU 16 SERVANT DE SOLVANT DANS UNE REGION DE REACTION 14, UNE REGION DE REFLUX 18 PLACEE AU-DESSUS DE LA REGION DE REACTION 14 ET ADJACENTE A CELLE-CI, ET UN ELEMENT FILTRANT POREUX 46 DEFINISSANT LE FOND DU RECIPIENT DE SEPARATION, SUPPORTANT LE SOLVANT METALLIQUE. DES COMBUSTIBLES USES SONT AJOUTES AU SOLVANT METALLIQUE. UN GAZ CONTENANT DE L'AZOTE NON OXYDANT EST INTRODUIT DANS LE RECIPIENT DE SEPARATION, FORMANT DES NITRURES D'ACTINIDES SOLIDES DANS LE SOLVANT METALLIQUE A PARTIR DES ACTINIDES SERVANT DE COMBUSTIBLES, EN LAISSANT D'AUTRES PRODUITS DE FISSION EN SOLUTION. UNE PRESSION D'ENVIRON 1,1 A 1,2.10PA EST APPLIQUEE A LA REGION DE REFLUX 18, CHASSANT LE METAL FONDU SERVANT DE SOLVANT ET LES PRODUITS DE FISSION SOLUBLES HORS DU RECIPIENT, EN LAISSANT LES NITRURES D'ACTINIDES SOLIDES DANS LE RECIPIENT DE SEPARATION.METHOD AND APPARATUS FOR SEPARATING AND REMOVING SPENT NUCLEAR FUELS. IT INCLUDES A SEPARATION CONTAINER 10 HOUSING A MELTED METAL 16 SERVING AS A SOLVENT IN A REACTION REGION 14, A REFLUX REGION 18 PLACED ABOVE AND ADJACENT TO REACTION REGION 14, AND A POROUS FILTER ELEMENT 46 DEFINING THE BOTTOM OF THE SEPARATION CONTAINER, SUPPORTING THE METAL SOLVENT. SPENDED FUELS ARE ADDED TO THE METAL SOLVENT. A GAS CONTAINING NON-OXIDIZING NITROGEN IS INTRODUCED INTO THE SEPARATION CONTAINER, FORMING SOLID ACTINIDE NITRIDES IN THE METAL SOLVENT FROM THE ACTINIDES FOR FUEL, LEAVING OTHER FISSION PRODUCTS IN SOLUTION. A PRESSURE OF APPROXIMATELY 1.1 TO 1.2.10PA IS APPLIED TO REGION OF REFLUX 18, MOVING THE MELT METAL SERVING SOLVENT AND SOLUBLE FISSION PRODUCTS FROM THE CONTAINER, LEAVING SOLID ACTINIDE NITRIDES IN THE CONTAINER OF SEPERATION.
Description
La présente invention concerne d'une manière générale un procédé et unThe present invention generally relates to a method and a
appareil pour le retraitementapparatus for reprocessing
et la séparation de combustibles nucléaires usés corta- and the separation of spent nuclear fuel
minés par des produits de fission dans un métal fondu comme solvant Elle concerne plus particulièrement un procédé et un appareil pour retraiter et séparer des Fission products in a molten metal as a solvent It relates more particularly to a method and apparatus for reprocessing and separating
éléments de combustible usé dans un appareil de sépara- spent fuel elements in a separation device
tion logeant un métal fondu comme solvant, et comportant un élément filtrant poreux pour éliminer le solvant fondu et les composés solubles qu'il contient de l'appareil de séparation. Un solvant de métal fondu, habituellement l'étain a été utilisé comme solvant et comme milieu de réaction dans le retraitement et la séparation d'éléments The invention is characterized in that it contains a molten metal material as a solvent, and has a porous filter element for removing the molten solvent and the soluble compounds contained therein from the separation apparatus. A molten metal solvent, usually tin, has been used as a solvent and as a reaction medium in the reprocessing and separation of elements
de combustible nucléaire usés, parmi lesquels des combus- nuclear fuel, including fuel
tibles d'actinides, par exemple dans l'élimination de produits de fission et d'autres impuretés de combustibles uranium-plutonium et thoriumuranium (plutonium) usés sous forme d'oxyde, de métal ou de carbure Le combustible est d'abord débarrassé de sa gaine, si nécessaire, puis placé dans une solution d'étain fondu maintenue à une actinides, for example in the removal of fission products and other impurities from spent uranium-plutonium and thoriumuranium (plutonium) fuels in the form of oxide, metal or carbide. its sheath, if necessary, then placed in a solution of molten tin maintained at a
température d'environ 1600 'C.temperature of about 1600 ° C.
Si le combustible est un oxyde, une opération de réduction carbothermique est nécessaire A cet effet, le récipient de séparation logeant l'étain fondu est constitué d'une matière qui est une source de carbone, de préférence du graphite Le carbone se dissout dans l'étain fondu et réagit avec les oxydes de l'actinide et des produits de fission, en les transformant en une solution métallique et en formant du CO gazeux Pour un combustible uranium-plutonium, la réaction principale est représentée par: (U Pu)02 (s) + 2 C(en solution dans Sn)-* (U Pu)(en solution dans Sn) + 2 CO(g) ( 1) Au cours de la dissolution du combustible, des produits de fission volatils se dégagent et sont If the fuel is an oxide, a carbothermic reduction operation is necessary. For this purpose, the separation vessel housing the molten tin is made of a material which is a source of carbon, preferably graphite. The carbon dissolves in the Tin melts and reacts with the oxides of actinide and fission products, transforming them into a metallic solution and forming gaseous CO For uranium-plutonium fuel, the main reaction is represented by: (U Pu) 02 (s) + 2 C (in solution in Sn) - * (U Pu) (in solution in Sn) + 2 CO (g) (1) During the dissolution of the fuel, volatile fission products are released and are
balayés hors du récipient de séparation par le CO, tan- swept out of the separation vessel by CO, tan-
dis que les produits de fission les plus réfractaires restent dans l'étain fondu utilisé comme solvant Bien say that the most refractory fission products remain in the molten tin used as a solvent.
que les produits de fission volatils aient des volati- volatile fission products have volati-
lités différentes dans l'étain fondu, ils sont tous éliminés en un seul stade En même temps que les produits de fission volatils, une partie importante de l'étain fondu utilisé comme solvant s'évapore également et est different capacities in molten tin, they are all eliminated in one stage. At the same time as the volatile fission products, a large part of the molten tin used as solvent also evaporates and is
éliminée du récipient.removed from the container.
Ensuite, les actinides (en solution) sont séparés de la plus grande partie des produits de fission Then actinides (in solution) are separated from most of the fission products
restant dans l'étain fondu par une réaction de nitrura- remaining in the molten tin by a nitride
tion Une atmosphère non oxydante contenant de l'azote est A non-oxidizing atmosphere containing nitrogen is
introduite dans le récipient, ce qui conduit à la forma- introduced into the container, which leads to the forma-
tion de nitrures d'actinides dans l'étain fondu Pour actinide nitrides in molten tin
un combustible uranium-plutonium, la réaction est repré- uranium-plutonium fuel, the reaction is
sentée par l'équation suivante: (U Pu) (en solution dans Sn) + 1/2 N( 2) (g) (U Pu)Ns) ( 2) Au cours du processus de nitruration, de l'étain fondu peut aussi s'évaporer et s'échapper du récipient de séparation Dês que la nitruration est terminée, les nitrures d'actinides solides sont séparés de l'étain fondu et des produits de fission restent dans l'étain utilisé the following equation: (U Pu) (in solution in Sn) + 1/2 N (2) (g) (U Pu) Ns) (2) During the nitriding process, molten tin can also evaporate and escape from the separation vessel As soon as the nitriding is complete, the solid actinide nitrides are separated from the molten tin and the fission products remain in the tin used
comme solvant.as a solvent.
Les brevets U S No 3 843 765 du 22 octobre 1974 délivré à Anderson et coll, et N O 3 843 766 du 22 octobre 1974, délivré à Anderson et coll illustrent de tels procédés et appareil de séparation par l'étain fondu. Les brevets précités indiquent que les nitrures d'actinides sont séparés des produits de fission présents U.S. Patent Nos. 3,843,765, issued Oct. 22, 1974 to Anderson et al, and No. 3,843,766, October 22, 1974, issued to Anderson et al. Illustrate such methods and apparatus for separating with molten tin. The aforementioned patents indicate that actinide nitrides are separated from the present fission products
comme impuretés dans le récipient de séparation en y in- as impurities in the separation vessel
troduisant des systèmes mécaniques pour les éloigner physiquement les uns des autres Mais l'appareillage nécessaire pour réaliser ce type de séparation physique troducing mechanical systems to physically separate them from each other But the apparatus necessary to achieve this type of physical separation
n'est pas commode à incorporer à un système de sépara- is not convenient to incorporate into a separation system.
tion fonctionnant à la température de l'étain liquide. operating at the temperature of the liquid tin.
Il est en outre très coûteux. En conséquence, un des buts de l'invention est de fournir un appareil et un procédé pour retraiter It is also very expensive. Accordingly, it is an object of the invention to provide an apparatus and method for reprocessing
et séparer des combustibles nucléaires usés, parmi les- and separate spent nuclear fuels, among
quels des combustibles d'actinides et des produits de fission, dans lesquels les combustibles d'actinides sont which actinide fuels and fission products, in which the actinide fuels are
séparés des produits de fission à température élevée. separated fission products at high temperature.
Un autre but de l'invention est de fournir un appareil et un procédé pour séparer et retraiter des combustibles nucléaires usés, dans lesquels des combustibles d'actinides sont séparés des produits de fission sans Another object of the invention is to provide an apparatus and a method for separating and reprocessing spent nuclear fuels, wherein actinide fuels are separated from the fission products without
utiliser de moyens mécaniques.use mechanical means.
Un autre but de l'invention est de fournir un appareil et un procédé pour séparer et retraiter des combustibles nucléaires usés, dans lesquels un système de transport pour éloigner physiquement les actinides des Another object of the invention is to provide an apparatus and a method for separating and reprocessing spent nuclear fuels, in which a transport system for physically removing actinides from
produits de fission n'est pas nécessaire. fission products is not necessary.
D'autres buts, avantages et caractéristiques nouvelles de l'invention seront pour une part énumérés Other purposes, advantages and novel features of the invention will be partly enumerated
dans la description ci-après, et ils apparaîtront pour in the description below, and they will appear for
une autre part aux spécialistes à l'examen de ce qui suit on the other hand to specialists in the review of the following
ou pourront être enseignés par la pratique de l'invention. or may be taught by the practice of the invention.
Les buts et avantages de l'invention peuvent être réali- The aims and advantages of the invention can be realized
sés et atteints au moyen des instrumentations et combi- achieved and achieved by means of instrumentation and
naisons particulièrement indiquées dans les revendications particularly indicated in the claims
annexées.attached.
Pour réaliser les buts qui précèdent ainsi que d'autres, et conformément au but de la présente invention tel qu'il est incarné et décrit d'une manière générale dans le présent mémoire, l'appareil de retraitement et de séparation des combustibles nucléaires utilise un métal fondu comme solvant Il est prévu un récipient de sépara tion qui comporte une région de réaction pour loger le To achieve the foregoing and other objects, and in accordance with the purpose of the present invention as embodied and generally described herein, the nuclear fuel reprocessing and separation apparatus employs a molten metal as a solvent A separating vessel is provided which has a reaction region for accommodating the
métal servant de solvant, et une région de reflux dispo- metal as a solvent, and a reflux region
sée au-dessus de la région de réaction et adjacente à celle-ci Les deux régions sont Indépendantes en ce qui concerne la température et sont capables de fonctionner above the reaction region and adjacent thereto The two regions are independent with respect to temperature and are capable of functioning
à des températures différentes Une ouverture est prati- at different temperatures An opening is practically
quée dans un élément'de paroi du récipient de séparation, dans une position adjacente à la région du reflux Un élément filtrant poreux est disposé dans un élément de paroi du récipient de séparation, il constitue le fond du récipient de séparation et supporte le métal utilisé A porous filter element is disposed in a wall element of the separating vessel, it constitutes the bottom of the separation vessel and supports the metal used in a wall element of the separation vessel.
comme solvant Un système pour faire varier la tempéra- as a solvent A system for varying the temperature
ture du récipient de séparation est incorporé En outre, des systèmes pour faire le vide dans le récipient de séparation et des systèmes pour y introduire diverses In addition, systems for evacuating the separation vessel and systems for introducing various
atmosphères sont prévus.atmospheres are provided.
Dans un autre aspect de l'invention, le procé- In another aspect of the invention, the method
dé de retraitement et de séparation des combustibles nucléaires usés comprenant des combustibles d'actinides, des produits de fission volatils et non-volatils, utilise un métal fondu comme solvant Il est prévu un récipient de séparation qui comporte une région de réaction logeant le solvant métallique, et une région de reflux disposée spent nuclear fuel reprocessing and separation units comprising actinide fuels, volatile and non-volatile fission products, uses a molten metal as a solvent There is provided a separation vessel which has a reaction region housing the metallic solvent , and a region of reflux arranged
au-dessus de la région de réaction et adjacente à celle- above and adjacent to the reaction region
ci Le récipient de séparation comporte en outre une ouverture pratiquée dans un élément de paroi du récipient dans une position adjacente à la région de reflux, et un élément filtrant poreux disposé dans un élément de paroi The separation vessel further includes an opening in a wall member of the vessel adjacent to the reflux region, and a porous filter element disposed in a wall element.
du récipient définissant le fond du récipient, et suppor- container defining the bottom of the container, and suppor-
tant le solvant métallique Les combustibles nucléaires usés sont introduits dans le récipient de séparation, après quoi, on introduit l'atmosphère contenant de l'azote The spent nuclear fuel is introduced into the separation vessel, after which the nitrogen-containing atmosphere is introduced.
2 ZE 2015 12 ZE 2015 1
Esare
non-oxydante Des nitrures d'actinides solides sont for- non-oxidizing solid actinide nitrides are
més dans le solvant métallique, tandis que les produits de fission non volatils restent en solution La région de reflux est ensuite soumise à une pression suffisante pour forcer le métal fondu utilisé comme solvant à traverser le filtre poreux, laissant les nitrures d'actinides dans in the metal solvent, while the nonvolatile fission products remain in solution. The refluxing region is then subjected to a sufficient pressure to force the molten metal used as the solvent to pass through the porous filter, leaving the actinide nitrides in
la région de réaction du récipient de séparation. the reaction region of the separation vessel.
La présence de l'élément filtrant poreux permet la séparation des nitrures d'actinides solidifiés du métal fondu servant de solvant et des produits de fission non volatils restant en solution sans qu'il soit nécessaire de prévoir un système de transport pour recueillir les nitrures d'actinides solides, puis de les transporter physiquement hors de la solution fondue En outre, on The presence of the porous filter element allows the separation of the solidified actinide nitrides from the molten metal solvent and the nonvolatile fission products remaining in solution without the need for a transport system to collect the nitrides. actinides solid, then physically transport them out of the molten solution In addition, one
réalise des économies importantes en éliminant le sys- saves money by eliminating the
tème de transport mécanique coûteux La séparation de expensive mechanical transport system The separation of
la présente invention s'effectue avec succès aux tempéra- the present invention is successfully carried out at temperatures of
tures nécessaires pour maintenir le solvant métallique necessary to maintain the metallic solvent
à l'état fondu.in the molten state.
Le dessin en annexe, qui est incorporé au présent mémoire et en fait partie, illustre un mode de The attached drawing, which is incorporated in and forms part of this memo, illustrates a pattern of
réalisation de l'invention Avec la description, il est realization of the invention With the description, it is
destiné à en expliquer les principes. intended to explain the principles.
La figure 1 est un schéma d'un appareil de retraitement et de séparation des combustibles nucléaires usés. Les combustibles nucléaires usés, comprenant Figure 1 is a diagram of an apparatus for reprocessing and separation of spent nuclear fuel. Used nuclear fuels, including
des combustibles d'actinides sous forme d'oxyde, de carbu- actinide fuels in the form of oxide,
re ou de métal, et des produits de fission volatils et non-volatils, sont retraités et séparés avec succès en utilisant un récipient de séparation logeant un métal liquide servant de solvant dans une région de réaction du récipient, et une région de reflux disposée au-dessus de la région de réaction Un mode de réalisation d'un or metal, and volatile and nonvolatile fission products, are reprocessed and separated successfully using a separation vessel housing a liquid metal solvent in a reaction region of the vessel, and a reflux region disposed at above the reaction region An embodiment of a
tel appareil de séparation est illustré à la figure 1. Such separation apparatus is illustrated in FIG.
Le récipient de séparation 10 est formé d'éléments de paroi 12 constitués d'une matière carbonée Les parois The separation container 10 is formed of wall elements 12 made of a carbonaceous material.
12 du récipient doivent de préférence: ( 1) être réfrac- 12 of the container should preferably: (1) be refractory
taires et capables de contenir le système à des tempé- and able to contain the system at
ratures nettement supérieures aux températures de réac- tion; ( 2) être inertes vis-à-vis des actinides dans des conditions de température de réactionet de solvant utilisées; ( 3) posséder de faibles caractéristiques d'absorption des neutrons; et ( 4) être une source de carbone pour la réduction carbothermique des oxydes d'actinides Comme exemples de matières contenant du carbone, on citera des carbures, des hydrocarbures et erations significantly higher than the reaction temperatures; (2) be inert to actinides under the reaction temperature and solvent conditions used; (3) possess low neutron absorption characteristics; and (4) be a carbon source for the carbothermic reduction of actinide oxides. Examples of carbon-containing materials include carbides, hydrocarbons, and the like.
du graphite Le graphite est la matière préférée. graphite Graphite is the preferred material.
Le récipient de séparation 10 définit diverses régions distinctes: une région de réaction 14 logeant un métal fondu servant de solvant 16; une région de reflux 18 placée tout contre la région de réaction 14 et audessus d'elle; et une région de condensation 19 adjacente à la région de reflux 18 et immédiatement au-dessus d'elle La région de condensation 19 est une structure en forme de dôme, pouvant être séparée du The separation vessel 10 defines various distinct regions: a reaction region 14 housing a molten metal as a solvent 16; a reflux region 18 placed all the way against the reaction region 14 and above it; and a condensation region 19 adjacent to and immediately above the refluxing region 18. The condensation region 19 is a dome-shaped structure, which can be separated from the
reste du récipient 10, définissant le sommet du récipient. remainder of the container 10, defining the top of the container.
Un réservoir 20 est formé dans la région de condensation 19 à son intersection avec la région de reflux 18 Le réservoir 20 est défini par une paroi isolante 22 et un A reservoir 20 is formed in the condensation region 19 at its intersection with the reflux region 18. The reservoir 20 is defined by an insulating wall 22 and a
élément de paroi 12 du récipient. wall element 12 of the container.
La création de régions différentes dans le récipient 10 permet la formation d'un gradient thermique The creation of different regions in the container 10 allows the formation of a thermal gradient
dans celui-ci.In this one.
Les régions 14,,18 et 19 sont toutes les trois indépendantes en ce qui concerne la température En général, la région de réaction 14 est maintenue à une température plus élevée que les régions 18 et 19 Lorsque la région de reflux 18 et la région de condensation 19 sont maintenues à des températures plus basses, le métal évaporé provenant du solvant 16 pénètre dans la région de reflux 18, s'y condense à l'aide d'une série de déflecteurs 24, de préférence constitués de graphite et retourne dans le solvant présent dans la région de réaction 14 Les régions 14 et 18 peuvent être mainte- nues à la même température, tandis que la région de condensation 19 est maintenue à une température plus The regions 14, 18 and 19 are all three temperature independent. In general, the reaction region 14 is maintained at a higher temperature than the regions 18 and 19. When the reflux region 18 and the condensation 19 are maintained at lower temperatures, the evaporated metal from the solvent 16 enters the reflux region 18, condenses thereon with a series of deflectors 24, preferably made of graphite and returns to the The regions 14 and 18 may be maintained at the same temperature, while the condensation region 19 is maintained at a higher temperature.
basse Dans ce cas, le solvant métallique évaporé tra- In this case, the evaporated metal solvent
verse la région 18 pour gagner la région 19, o il se condense Il est recueilli sous forme liquide dans-le spends region 18 to reach region 19, where it condenses It is collected in liquid form in-the
réservoir 20.tank 20.
Dans la présente invention, le solvant métalli- In the present invention, the metal solvent
que doit avoir un bon pouvoir solvant pour l'uranium et d'autres métaux actinides; posséder une tension de that must have a good solvent power for uranium and other actinide metals; have a voltage of
vapeur suffisamment faible pour permettre la condensa- sufficiently low vapor to allow the condensation
tion du solvant dans la région de reflux; ne pas former facilement de nitrures; et avoir une section efficace de neutrons suffisamment faible Comme solvants appropriés, on citera le plomb, le zinc, le bismuth et l'étain, ainsi que leurs associations Le solvant préféré solvent in the reflux region; do not easily form nitrides; and have a sufficiently low neutron cross section Suitable solvents include lead, zinc, bismuth and tin, as well as combinations thereof. Preferred Solvent
est l'étain.is tin.
Pour réaliser le gradient thermique dans le To achieve the thermal gradient in the
récipient 10, un premier élément de chauffage par induc- container 10, a first inductive heating element
tion 26, relié à une source d'énergie appropriée est disposé àl'extérieur du récipient, entourant la région 26, connected to a suitable power source is disposed outside the container, surrounding the region
de réaction 14 Un second élément de chauffage par en- of reaction 14 A second heating element
duction 28, également relié à une source d'énergie duction 28, also connected to a power source
appropriée, est disposé àl'extérieur du récipient, en- appropriate, is placed on the outside of the container,
tourant la région de reflux 18 Chacun des éléments de chauffage par induction est indépendant de l'autre, ce qui permet la formation du gradient thermique dans le By rotating the reflux region 18 Each of the induction heating elements is independent of the other, which allows the formation of the thermal gradient in the
récipient 10 D'autres moyens de chauffage et de refroi- container 10 Other means of heating and cooling
dissement peuvent être utilisés pour établir le gradient de température Ces moyens comprennent par exemple, mais ne sont pas limités à un chauffage radiant avec des éléments chauffants à résistances, un chauffage du récipient par choc d'électrons et un chauffage direct par résistance électrique appliqué au récipient Plusieurs serpentins de refroidissement 30 entourent extérieurement la section de condensation 19 Un milieu circulant tel que l'eau, la vapeur, l'air, l'hélium etc s'écoule à travers les serpentins 30 pour refroidir la section de These means include, for example, but are not limited to radiant heating with resistance heating elements, electronically shocked heating of the vessel and direct electrical resistance heating applied to the heater. Container Several cooling coils 30 externally surround the condensing section 19 A circulating medium such as water, steam, air, helium, etc. flows through the coils 30 to cool the cross section.
condensation du récipient 10.condensation of the container 10.
Le récipient de séparation 10, les éléments de chauffage par induction 26, 28 et les serpentins de refroidissement 30 sont tous logés dans un réservoir sous vide en métal 32 Le réservoir 32 peut aussi être une chambre à gaz inerte Le réservoir sert de récipient de retenue secondaire pour les combustibles nucléaires usés et il constitue une sécurité supplémentaire pour le cas o du liquide serait répandu Le couvercle supérieur 34 du réservoir 32 est amovible, il constitue un moyen d'introduire du combustible usé dans le récipient 10 A. cet effet, on retire de la région de condensation 19 une bride 36 reliant les éléments de paroi du récipient qui définissent la région de reflux 18 et la région de condensation 19 par exemple, on sépare le dôme des autres sections du récipient 10 Du combustible usé est ensuite introduit mécaniquement ou en discontinu dans le récipient Une chemise de graphite amovible 38 peut si on le désire être incluse et disposée à l'intérieur du récipient 10 Avant de retraiter chaque nouveau lot de combustible usé, on place dans le récipient 10 une nouvelle chemise de graphite Ceci réduit l'usure sur les The separation vessel 10, the induction heating elements 26, 28 and the cooling coils 30 are all housed in a metal vacuum tank 32 The tank 32 may also be an inert gas chamber The tank serves as a holding vessel secondary use for spent nuclear fuels and it is an additional security for the case where liquid would be spilled The top cover 34 of the tank 32 is removable, it is a means of introducing spent fuel into the container 10 A. This effect, removes from the condensing region 19 a flange 36 connecting the container wall elements which define the reflux region 18 and the condensing region 19 for example, the dome is separated from the other sections of the container 10 Used fuel is then mechanically introduced or discontinuously in the container A removable graphite sleeve 38 may, if desired, be included and disposed to Before reprocessing each new batch of spent fuel, a new graphite jacket is placed in the container 10. This reduces the wear on the containers.
parois intérieures du récipient 10. inner walls of the container 10.
Une canalisation 40 traverse la paroi inférieure 42 A pipe 40 passes through the lower wall 42
du réservoir 32 et l'élément de paroi 12 du récipient 10. of the tank 32 and the wall element 12 of the container 10.
Une vanne 43 est disposée dans la canalisation 40 La canalisation 40 est en communication avec des systèmes de pompe et de vide (non représentés), divers récipients de récupération (non représentés) pour recueillir et A valve 43 is disposed in the pipe 40 The pipe 40 is in communication with pump and vacuum systems (not shown), various recovery vessels (not shown) for collecting and
conserver le CO, les produits de fission volatils etc - keep CO, volatile fission products, etc. -
éliminés du récipient 10, et aussi un récipient de rete- removed from the container 10, and also a holding container
nue (non représenté) logeant un gaz contenant de l'azote non oxydant tel que N 2 Des câbles électriques pour les éléments de chauffage par induction 26 et 28, des tuyau- teries pour les serpentins 30 et d'autres auxiliaires nécessaires sont également amenés à travers la paroi naked (not shown) housing a gas containing non-oxidizing nitrogen such as N 2 Electrical cables for the induction heating elements 26 and 28, pipelines for the coils 30 and other necessary auxiliaries are also provided through the wall
inférieure 42.lower 42.
Un élément filtrant poreux 46 portant le solvant métallique 16 est disposé dans l'élément de paroi du récipient de séparation 12 dans une position définissant le fond du récipient 10, et plus précisément le fond de la région de réaction 14 Le filtre 46 peut avoir des dimensions variables, et il peut s'étendre sur toute la largeur du fond du récipient 10 La porosité du filtre 46 doit être suffisante pour qu'il constitue un support A porous filter element 46 carrying the metal solvent 16 is disposed in the wall element of the separation container 12 in a position defining the bottom of the container 10, and more precisely the bottom of the reaction region 14. variable dimensions, and it can extend over the entire width of the bottom of the container 10 The porosity of the filter 46 must be sufficient for it to constitute a support
pour le métal fondu 16 servant de solvant lorsqu'on appli- for the molten metal 16 serving as a solvent when
que une pression d'environ 105 Pa à la région de reflux 18 et à la région de condensation 19, tout en permettant l'écoulement du solvant et des compositions solubles dans celui-ci lorsqu'on applique une pression d'environ 1,1 à 1,2 105 Pa à la région de reflux La taille de pores de la matière filtrante doit de préférence être a pressure of about 105 Pa at the reflux region 18 and at the condensation region 19, while permitting the flow of solvent and soluble compositions therein when a pressure of about 1.1 is applied. at 1.2 105 Pa at the reflux region The pore size of the filter material should preferably be
d'environ 10 à 100 microns.from about 10 to 100 microns.
Si la chemise de graphite 38 est incluse dans le récipient de séparation 10, le fond de la chemise 38 If the graphite jacket 38 is included in the separation vessel 10, the bottom of the jacket 38
est d'une nature poreuse similaire à celle du filtre 46. is of a porous nature similar to that of filter 46.
Comme matières filtrantes préférées, on citera le gra- As preferred filtering materials, mention will be made of
phite, l'acier inoxydable et d'autres matières qui peu- phite, stainless steel and other materials that can
vent être utilisées pour former le récipient de sépara- may be used to form the separating container
tion 10 La matière préférée est le graphite Lorsqu'on applique une pression'd'environ-l,1 à 1,2 105 Pa du gaz non oxydant contenant de l'azote, ou d'un gaz inerte tel que l'argon, au récipient de séparation 10 au-dessus du solvant métallique 16, ceci provoque l'écoulement du solvant du récipient dans une chambre de recyclage 48 disposée sous le récipient 10 La chambre de recyclage 48 est refroidie par circulation d'un milieu réfrigérant, The preferred material is graphite. When applying a pressure of about 1.1 to 1.2 × 10 5 Pa of the nitrogen-containing non-oxidizing gas, or an inert gas such as argon, at the separating vessel 10 above the metal solvent 16, this causes the flow of the solvent from the vessel into a recycle chamber 48 disposed under the vessel 10. The recycle chamber 48 is cooled by circulation of a cooling medium,
tel que de l'eau, à travers ses parois Le solvant métal- such as water, through its walls The metal solvent
ligue 16 ainsi que les produits de fission non volatils, sont recueillis dans la chambre de recyclage 48, refroidis et éliminés de celle-ci Un tube de drainage 49 est fixé de manière amovible au récipient de séparation 10 et il league 16 as well as the nonvolatile fission products are collected in the recycle chamber 48, cooled and removed therefrom. A drainage tube 49 is removably attached to the separation vessel 10 and
est aussi fixé de manière amovible à la chambre de recv- is also removably attached to the
clage 48 La présence d'un tube de drainage 49 est né- The presence of a drainage tube 49 is born
cessaire pour séparer la chambre de recyclage du réfri- necessary to separate the recycling chamber from the
gérant du récipient de séparation beaucoup plus chaud. manager of the separation vessel much hotter.
Le solvant métallique 16, ainsi que la région The metal solvent 16, as well as the region
de réaction 14, sont maintenus à une température suffi- 14, are maintained at a sufficient temperature
sante pour solubiliser les combustibles actinides, par exemple à la température de la région de réaction La température de la région de réaction est de préférence d'environ 1450 à 1800 'C, mieux encore de 1550 à 17000 C, et mieux encore d'environ 16300 C La région de reflux 18 est initialement maintenue à une température plus basse que la région de réaction, par exemple à la température The temperature of the reaction region is preferably from about 1450.degree. to 1800.degree. C., more preferably from 1550.degree. to 17000.degree. C., and more preferably from about 150.degree. The reflux region 18 is initially maintained at a lower temperature than the reaction region, for example at room temperature.
de reflux Cette température de reflux doit être suffisam- The reflux temperature must be sufficient
ment basse pour réaliser le reflux du solvant métallique. low for the reflux of the metallic solvent.
Lorsqu'on utilise l'étain comme solvant, on maintient une température d'environ 800 à 1200 'C L'intervalle de températures est de préférence d'environ 950 à 10500 C. When tin is used as a solvent, a temperature of about 800 to 1200 ° C is maintained. The temperature range is preferably about 950 to 10500 C.
La température de la région de condensation 19 est in- The temperature of the condensation region 19 is
férieure à celle de la région de reflux 18, mais supérieu- than that of the reflux region 18, but above
re au point de fusion du solvant métallique Un inter- at the melting point of the metallic solvent.
valle de températures d'environ 232 à environ 10500 C est approprié A ces températures inférieures, le solvant métallique résiduel ou les produits de fission volatils qui traversent la région de reflux 18 sont piégés et recueillis. The temperature range of about 232 to about 10500 C is appropriate. At these lower temperatures, the residual metal solvent or volatile fission products that pass through the reflux region 18 are trapped and collected.
ú 520151ú 520151
La vitesse de la réduction carbothermique des The speed of the carbothermic reduction of
oxydes d'actinides dépend de la quantité de carbone dis- actinide oxides depends on the amount of carbon
ponible dans le solvant métallique choisi Le carbone available in the chosen metallic solvent Carbon
est très peu soluble dans les métaux préférés, en parti- is very poorly soluble in the preferred metals, particularly
culier dans l'étain Cependant, avec l'addition d'un in the tin However, with the addition of a
premier catalyseur au métal pour augmenter la solubili- first metal catalyst to increase solubility
té et la perméabilité du carbone, la vitesse de la réduc- carbon permeability, the speed of reduction
tion carbothermique est fortement augmentée Pour être efficace, le catalyseur doit augmenter la solubilité du In order to be effective, the catalyst must increase the solubility of the
carbone dans le métal et ne pas former aisément de car- carbon in the metal and not easily form
bures stables Comme catalyseursappropriés, on citera le cobalt, le nickel, le fer et leurs associations Le catalyseur préféré est le cobalt Ces éléments sont aussi particulièrement utiles car ils sont relativement peu volatils et ne s'évaporent pas de l'étain fondu utilisé comme solvant Par exemple, l'étain est plus de 1000 fois plus volatil que le cobalt Le catalyseur est présent Suitable catalysts are cobalt, nickel, iron and their combinations. The preferred catalyst is cobalt. These elements are also particularly useful because they are relatively nonvolatile and do not evaporate from the molten tin used as the solvent. For example, tin is more than 1000 times more volatile than cobalt The catalyst is present
dans le métal fondu utilisé comme solvant dans un pour- in the molten metal used as a solvent in a
centage pondéral d'environ 0,1 à 20, de préférence d'en- weight percent of about 0.1 to 20, preferably
viron l à 20, et mieux encore d'environ 5 à 10. about 1 to 20, and more preferably about 5 to 10.
Avant d'introduire le combustible nucléaire usé dans le récipient 10, il peut être nécessaire de débarrasser le combustible de sa gaine, soit mécaniquement, Before introducing the spent nuclear fuel into the container 10, it may be necessary to remove the fuel from its sheath, either mechanically,
soit chimiquement Le combustible usé est brisé en mor- either chemically The spent fuel is broken down into
ceaux relativement petits ( 3 mm ou moins) puis introduit dans le récipient 10 avec un chargeur mécanique ou en discontinu. Dès que des combustibles nucléaires usés ont été ajoutés au solvant 16 à la température appropriée, relatively small cages (3 mm or less) then introduced into the container 10 with a mechanical feeder or batch. As soon as spent nuclear fuels have been added to the solvent 16 at the appropriate temperature,
le carbone provenant de la paroi de graphite 12, du dis- the carbon coming from the graphite wall 12, the
tributeur 52 et de la chemise 38 réduit les oxydes d'ac- tributor 52 and the jacket 38 reduces the oxides of
tinides, en dégageant du CO Au fur et à mesure que les tinnes, releasing CO As the
combustibles usés se dissolvent dans le solvant métalli- spent fuels dissolve in the metallic solvent
que, les produits de fission volatils sont libérés, tandis que les produits de fission non volatils restent en solution A la température de la région de réaction, une quantité importante de solvant provenant du solvant that the volatile fission products are released, while the nonvolatile fission products remain in solution At the temperature of the reaction region, a large amount of solvent from the solvent
fondu 16 de la région de réaction 14 s'évapore et péné- melt 16 of the reaction region 14 evaporates and penetrates
tre dans la région de reflux 18 en même temps que les produits de fission volatils et le CO Dans la région in the reflux region 18 together with the volatile fission products and CO In the region
de reflux 18, le solvant évaporé est amené à se conden- 18, the evaporated solvent is brought to
ser en raison de la température plus basse, et il est renvoyé dans la région de réaction 14 Une quantité très because of the lower temperature, and it is returned to the reaction region 14 A very
faible du solvant évaporé atteint la région de conden- of the evaporated solvent reaches the condensation region.
sation 19.19.
Les produits de fission volatils, tels que définis ici, comprennent les produits de fission énumérés dans le tableau 1 qui ont des volatilités très élevées, modérées ou faibles Les volatilités des produits de fission volatils dans la région de reflux 18 varient énormément A la température de la région de reflux, les produits de fission les moins volatils se condensent et retournent dans l'étain fondu 16 servant de solvant Ces produits de fission volatils sont désignés sous le nom de produits de fission condensables -Les produits de fission les plus volatils ne se condensent pas dans la région de reflux 18 ou la région de condensation 19 Au Volatile fission products, as defined herein, include the fission products listed in Table 1 which have very high, moderate or low volatilities Volatiles of volatile fission products in the reflux region 18 vary greatly at In the reflux region, the less volatile fission products condense and return to molten tin 16 as solvent. These volatile fission products are referred to as condensable fission products. The most volatile fission products do not occur. do not condense in the reflux region 18 or the condensation region 19 Au
lieu de cela, ils s'écoulent du récipient par la cana- Instead, they flow out of the container through the cana-
lisation 40 et sont recueillis séparément dans un réci- 40 and are collected separately in a
pient de collecte Par définition, les produits de fission les plus volatils sont appelés ici produits de fission By definition, the most volatile fission products are referred to here as fission products
non condensables.non-condensable.
Le tableau 1 énumère les volatilités estimées Table 1 lists the estimated volatilities
des produits de fission à 16270 C environ. fission products at about 16270 C.
2 a 2 C 1512 to 2 C 151
TABLEAU 1TABLE 1
VOLATILITES DES PRODUITS DE FISSIONVOLATILITIES OF FISSION PRODUCTS
A Très élevée ( 1,013 10 Fa à 1,013 10 Fa) I, Br, Cd, Cs, Rb, et Se B Modérée ( 0,101 Fa à 10,1 Fa) Sb et Te C Faible ( 1,013 103 Pa à 0,101 Pa) Ba, Eu, Sm, et Sr D Très faible (moins de 1,013 10-4 Pa) A Very high (1.013 10 Fa to 1.013 10 Fa) I, Br, Cd, Cs, Rb, and Se B Moderate (0.101 Fa to 10.1 Fa) Sb and Te C Low (1.013 103 Pa to 0.101 Pa) Ba, Eu, Sm, and Sr D Very low (less than 1.013 10-4 Pa)
Ce, Gd, La, Mo, Nd, Pd, Pm, Pr, Rh, Ru, Ta, Y et Zr. Ce, Gd, La, Mo, Nd, Pd, Pm, Pr, Rh, Ru, Ta, Y and Zr.
Au cours de l'élimination de CO et des produits During the removal of CO and products
de fission volatils non condensables, un gaz de barbota- non-condensable volatile fission, a gas of
ge est introduit dans le récipient 10 par la canalisation pour accélérer la réduction carbothermique Un gaz inerte tel que l'argon convient à cet effet Après avoir élimine les produits de fission volatils non condensables du récipient 10, on élève la température de la région de reflux 18 de sa température de reflux, par exemple 950 à 10500 C, à la température de la région de réaction Mais The inert gas such as argon is suitable for this purpose after removal of the volatile non-condensable fission products from the vessel 10, the temperature of the reflux region is raised. 18 of its reflux temperature, for example 950 to 10500 C, at the temperature of the reaction region But
la région de condensation 19 est maintenue, en refroidis- the condensation region 19 is maintained, while cooling
sant si nécessaire, à une température de 232 à 10500 C A if necessary, at a temperature of 232 to 10500 C A
la température élevée de la région de réaction, les pro- the high temperature of the reaction region, the
duits de fission volatils condensables ne se condenseront généralement pas dans la région de reflux 18 Les produits de fission volatils condensables, ainsi qu'un peu d'étain évaporé, sont essentiellement distillés, condensés et recueillis dans la région de condensation 19, dans le réservoir 20 Bien qu'un peu d'étain soit perdu dans l'opération de distillation, il s'en perd beaucoup moins Volatile condensable fission products will not generally condense in the reflux region. Condensable volatile fission products, together with some evaporated tin, are essentially distilled, condensed and collected in the condensation region 19, in the reservoir. Although a little tin is lost in the distillation operation, much less is lost.
que si L'élimination de tous les produits de fission vola- only if the elimination of all the volatile fission products
tils s'effectuait en l'absence de régions de reflux et de was carried out in the absence of ebb and flow
22 C 15122 C 151
condensation qui établissent le gradient de température. condensation that establishes the temperature gradient.
En outre, le gradient de température permet une sépara- In addition, the temperature gradient allows a separation
tion sélective des produits de fission volatils sur la base de leurs différences de x'olatilité Par exemple, les produits de fission volatils condensables et non-conden- selectively volatile fission products on the basis of their differences in volatility. For example, condensable and non-condensable volatile fission
sables sont séparés.Sands are separated.
Lorsque la distillation est terminée, la tempé- When distillation is complete, the temperature
rature de la région de reflux 18 est abaissée à la tem- erature of the reflux region 18 is lowered to the
pérature de reflux indiquée d'environ 950 à 1050 *C On introduit ensuite une atmosp-hère non oxydante contenant de l'azote dans le récipient 10 Un exemple d'une telle atmosphère est l'azote pur L'atmosphère d'azote pénètre dans le solvant métallique 16 et y est dispersée à l'aide du distributeur 52 De plus, l'atmosphère contenant de indicated reflux temperature of about 950 to 1050 ° C. A nitrogen-containing non-oxidizing atmosphere is then introduced into the vessel. An example of such an atmosphere is pure nitrogen. The nitrogen atmosphere enters the atmosphere. the metal solvent 16 and is dispersed therein with the distributor 52 In addition, the atmosphere containing
l'azote peut aussi être introduite par la canalisation 40. nitrogen can also be introduced via line 40.
On préfère une pression d'azote d'environ 105 Pa Dans le solvant 16, il se forme des nitrures d'actinides solides parmi lesquels UN, U 2 N 3, Pu N, Pu 2 N 3, Th N etc Les A nitrogen pressure of approximately 105 Pa is preferred. In the solvent 16, solid actinide nitrides are formed, among which are UN, U 2 N 3, Pu N, Pu 2 N 3, Th N, etc.
produits de fission solubles initiaux restent en solution. Initial soluble fission products remain in solution.
Pour séparer les nitrures d'actinides solides du solvant fondu et des produits de fission solubles, les régions de reflux et de condensation 18 et 19 sont In order to separate the solid actinide nitrides from the molten solvent and the soluble fission products, the reflux and condensation regions 18 and 19 are
soumises à une pression d'un gaz tel que l'azote, intro- subjected to a pressure of a gas such as nitrogen, introduced
duit par la canalisation 40 sous une pression d'environ 1,1 à 1,2 105 Pa La pression force le solvant fondu et les produits de fission solubles à s'écouler de la région de réaction 14, à travers le filtre 46 et dans la chambre de recyclage 48 Le récipient 10 est ensuite refroidi et démonté, il est par exemple séparé au niveau de la bride 36 Les nitrures d'actinides restants sont retirés du récipient 10 et traités pour donner des combustibles utilisables_, ils sont par exemple brûlés en présence The pressure causes the molten solvent and the soluble fission products to flow from the reaction region 14, through the filter 46, and into the reaction zone 14. the recycling chamber 48 The container 10 is then cooled and disassembled, for example it is separated at the flange 36. The remaining actinide nitrides are removed from the container 10 and treated to give usable fuels. presence
d'oxygène pour former des oxydes d'actinides. of oxygen to form actinide oxides.
Pour accélérer le processus de nitruration, un second catalyseur est incorporé Le second catalyseur choisi doit augmenter l'affinité de l'azote dans le solvant métallique, mais ne doit pas former de nitrures stables Comme catalyseurs appropriés, on citera le To accelerate the nitriding process, a second catalyst is incorporated. The second catalyst chosen must increase the affinity of the nitrogen in the metal solvent, but must not form stable nitrides. Suitable catalysts include
magnésium, le calcium, le strontium, le baryum, l'alu- magnesium, calcium, strontium, barium, aluminum,
minium, le manganèse, le vanadium, le chrome, et leurs minium, manganese, vanadium, chromium, and their
mélanges Le second catalyseur préféré est le calcium. The second preferred catalyst is calcium.
Suivant le second catalyseur choisi, on peut l'ajouter initialement au solvant métallique en tant que partie du solvant, ou juste avant le processus de nitruration, compte tenu des volatilités différentes des catalyseurs et de la perte potentielle des seconds catalyseurs, les plus volatils, au cours du processus de réduction Depending on the second catalyst chosen, it may be initially added to the metal solvent as part of the solvent, or just before the nitriding process, given the different volatilities of the catalysts and the potential loss of the second most volatile catalysts, during the reduction process
carbothermique Le pourcentage pondéral du second cata- carbothermic weight percentage of the second
lyseur par rapport au solvant métallique est d'environ 1,0 à 10,0, de préférence d'environ 1,8 à 2,5, et mieux relative to the metal solvent is about 1.0 to 10.0, preferably about 1.8 to 2.5, and better
encore d'environ 1,0 L'incorporation du second cataly- still about 1.0 The incorporation of the second catalyst
seur entralne une multiplication de la vitesse de nitru- it entails a multiplication of the nitrous
ration par un facteur de 3 environ.ration by a factor of about 3.
Les exemples non-limitatifs suivants sont The following non-limiting examples are
donnés à titre d'illustration de l'invention. given by way of illustration of the invention.
EXEMPLE 1.EXAMPLE 1
Dans le récipient de séparation représenté dans la figure 1, on introduit 50 g d'étain en grenaille pur pour analyses, 10 g de U 02 (appauvri) et 1 g de cobalt Le cobalt est ajouté comme catalyseur; sans In the separation vessel shown in FIG. 1, 50 g of pure shot tin for analysis, 10 g of UO 2 (depleted) and 1 g of cobalt are introduced. Cobalt is added as a catalyst; without
lui, la réduction carbothermique exigerait 20-30 heures. On chauffe ensuite la région de réaction du récipient it, the carbothermic reduction would require 20-30 hours. The reaction region of the container is then heated
et l'étain et on les maintient à une température d'en- and tin and keep them at a temperature of
viron 1600 'C, ce qui forme un solvant d'étain fondu On 1600 ° C, which forms a molten tin solvent
maintient la région de reflux du récipient à une tempé- keeps the reflux region of the container at a temperature of
rature d'environ 10000 C On ajoute à l'étain fondu ser- about 10,000 C is added to the molten tin
vant de solvant 10 g d I'UO 2 (appauvri) On fait ensuite barboter de l'argon dans l'étain fondu pendant 2 heures les produits de fission volatils non condensables sont 10 g of UO 2 (depleted). Argon was then sparged with molten tin for 2 hours. The non-condensable volatile
recueillis dans des pièges à refroidissement appropriés,- collected in suitable cooling traps, -
le CO est oxydé en CO 2 et piégé dans une matrice alca- CO is oxidized to CO 2 and trapped in an alkaline matrix
line telle que le produit du commerce vendu sous le nom d'Ascarite La température de la région de reflux est ensuite élevée à 1600 'C environ L'étain évaporé et les produits de fission volatils précédemment condensables sont recueillis dans un récipient de collecte Au bout de 15 minutes, la température de la région de reflux est abaissée à 1000 *C environ Du N 2 (sous 105 Pa) est introduit dans le récipient à travers le filtre poreux, formant des nitrures d'actinides Au bout d'une heure environ, on fait cesser l'écoulement de N 2 à-travers le filtre tandis que du N 2 est introduit dans la région de reflux sous environ 1,2 105 Pa L'étain fondu et les produits de fission non volatils présents dans l'étain fondu s'écoulent du récépient à travers le filtre poreux Such as the commercial product sold under the name Ascarite. The temperature of the refluxing region is then raised to about 1600 ° C. The evaporated tin and the previously condensable volatile fission products are collected in a collection container. 15 minutes, the temperature of the refluxing region is lowered to about 1000 ° C. N 2 (under 105 Pa) is introduced into the container through the porous filter, forming nitrides of actinides After about an hour the flow of N 2 is stopped through the filter while N 2 is introduced into the reflux region at about 1.2 105 Pa. Tin and the non-volatile fission products present in the tin melted flow from the recipe through the porous filter
et sont recueillis dans une chambre de recyclage, lais- and are collected in a recycling chamber,
sant les nitrures d'actinides solides. nitrides of solid actinides.
EXEMPLE 2.EXAMPLE 2
g de Th O 2 sont séparés d'autres combustibles g of Th O 2 are separated from other fuels
nucléaires usés dans les mêmes conditions que dans l'exem- used under the same conditions as in the example
ple 1.ple 1.
EXEMPLE 3.EXAMPLE 3
g de (U, Pu)O 2, c'est-à-dire d'un mélange de g of (U, Pu) O 2, that is to say of a mixture of
U 02 et de Pu O 2, sont séparés d'autres combustibles nuclé- U 02 and Pu O 2 are separated from other nuclear fuels.
aires usés dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. worn areas under the same conditions as in Example 1.
15 115 1
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