LU88727A1

LU88727A1 - Process for the preparation of highly radioactive substances for transmutation and / or combustion

Info

Publication number: LU88727A1
Application number: LU88727A
Authority: LU
Inventors: Serge Fourcaudot; Claude Fuchs; Karl Richter; Joseph Somers
Original assignee: Euratom
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-09-19
Also published as: JP2000506976A; CA2249347A1; WO1997035324A1; EP0888623B1; DE59703801D1; PT888623E; ES2159115T3; ATE202235T1; EP0888623A1; GR3036593T3; DK0888623T3

Abstract

The invention concerns a method of preparing highly radioactive materials for transmutation and/or burn-up by irradiation in a nuclear plant. The invention proposes that the materials are first converted into liquid form by melting or chemical dissolution and a porous carrier material which is essentially insoluble in the liquefied materials is impregnated with the liquefied materials and then heated in such a way that the materials are converted into the finally required chemical form and density.

Description

VERFAHREN ZUR VORBEREITUN6 VON HOCHRADIOAKTIVEN STOFFEN FÜR EINE TRANSMUTATION UND/ODER VERBRENNUNGMETHOD FOR PREPARING HIGH RADIOACTIVE SUBSTANCES FOR TRANSMUTATION AND / OR BURNING

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorbereitung von hochradioaktiven Stoffen für eine Transmutation und/oder Verbrennung durch Bestrahlung in einer Nu-klearanlage.The invention relates to a method for preparing highly radioactive substances for transmutation and / or combustion by radiation in a nuclear plant.

Die Transmutation und Verbrennung von hochradioaktiven Stoffen werden insbesondere im Rahmen der nuklearen Ent-sorgung eingesetzt. Als Ergebnis der Transmutation und Verbrennung werden radioaktive Stoffe mit deutlich verringerter Halbwertzeit, die ihre radiologische Gefëhrlichkeit in tiber-schaubaren Zeiträumen verlieren, Oder Stoffe mit geringerer radiologisch gefährlicher Strahlung erzeugt.The transmutation and combustion of highly radioactive substances are used in particular in the context of nuclear waste disposal. As a result of the transmutation and combustion, radioactive substances with a significantly reduced half-life, which lose their radiological danger in manageable periods, or substances with less radiologically dangerous radiation are generated.

Es wäre nun möglich, ähnlich den Prozessen bei der Herstellung von Kernbrennstoffen die zu transmutierenden oder zu verbrennenden Stoffe in Pulverform zu bringen, mit inaktiven Pulvern zu vermischen, zu Tabletten (Pellets, Targets) zu verpressen und in Hüllrohre zu verschweißen, die dann zur Transmutation oder Verbrennung in eine Nuklearanla-ge eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren entsteht jedoch ein radiologisch hochgiftiger Staub, der sich in den heißen Zeilen oder Handschuhkästen niederschlägt und eine zusëtzli-che Strahlenbelastung für die in diesem Bereich tätigen Be-schäftigten darstellt. Außerdem besteht die Gefahr einer unvollkommenen Vermischung der Pulver und damit von Heiß-punkten bei der anschließenden Bestrahlung in der Nuklear-anlage, die zu einem vorzeitigen Abbruch des Transmutations-bzw. Verbrennungsvorgangs zwingen können.It would now be possible, similar to the processes in the production of nuclear fuels, to put the materials to be transmuted or burned in powder form, mix them with inactive powders, compress them into tablets (pellets, targets) and weld them into cladding tubes, which are then used for transmutation or incineration can be used in a nuclear plant. This process, however, creates a radiologically highly toxic dust, which is reflected in the hot lines or glove boxes and represents an additional radiation exposure for those working in this area. There is also the risk of incomplete mixing of the powders and thus of hot spots during the subsequent irradiation in the nuclear plant, which lead to premature termination of the transmutation or. Can force combustion process.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, bei dem gar kein oder kaum ein giftiger Staub entsteht und eine sehr homogene Verteilung der hochradioaktiven Stoffe erreicht wird, so daß Heißpunkte bei der Be- strahlung vermieden werden.The object of the invention is therefore to provide a method in which no or hardly any toxic dust is produced and a very homogeneous distribution of the highly radioactive substances is achieved, so that hot spots during the irradiation are avoided.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfah-ren gelöst, wie es im Anspruch 1 definiert 1st und im we-sentlichen darin besteht, ein geeignetes poröses Trägermate-rial mit den in flüssige Form gebrachten hochradioaktiven Stoffen zu tränken. Wenn das Trägermaterial pulver- oder partikelförmig vorliegt, wird es vorzugsweise nach der Trän-kung zu Pellets gepreßt. Liegt dagegen das Trägermaterial bereits in Pellet form vor der Tränkung vor, dann ist es gün-stig, dieses vor der Tränkung zu entgasen, um eine gleichmë-ßige Verteilung des radioaktiven Materials im Trëgermaterial zu erleichtern.This object is achieved according to the invention by a method as defined in claim 1 and essentially consists in impregnating a suitable porous carrier material with the highly radioactive substances brought into liquid form. If the carrier material is in powder or particle form, it is preferably pressed into pellets after impregnation. If, on the other hand, the carrier material is already in pellet form before the impregnation, then it is advantageous to degas it before the impregnation, in order to facilitate a uniform distribution of the radioactive material in the carrier material.

In manchen Anwendungen ist es wichtig, die mechanische Stabilität der Pellets zu verbessern, um deren Integrity wëhrend der ganzen Bestrahlung zu gewährleisten. Oies kann dadurch erreicht werden, daß der Kern der Pellets durch geeignete zeitliche Beschränkung des Tränkungsprozesses von den hochradioaktiven Stoffen freibleibt und damit die mechanische Stabilität des Pellets erhalten bleibt.In some applications it is important to improve the mechanical stability of the pellets in order to ensure their integrity during the entire irradiation. This can be achieved by keeping the core of the pellets free from the highly radioactive substances by appropriately limiting the impregnation process in time and thus maintaining the mechanical stability of the pellet.

Weiter kann es sinnvoll sein, einen Teil der Ober-flâche der Pellets beim Tränken auszusparen, so daß bei der Bestrahlung der im Zentrum des Pellets befindliche Kern kei-ne Spaltungswärme erzeugt, was die mechanische Stabilität erhöht. Dies kann geschehen, indem entweder die Pellets nur teilweise in die Tränkflüssigkeit eingetaucht werden oder indem sie vor dem Tränken teilweise mit einer für die Tränk-flüssigkeit undurchlässigen Schicht versehen werden.Furthermore, it can be useful to leave out a part of the surface of the pellets during soaking, so that the core located in the center of the pellet does not generate any splitting heat during irradiation, which increases the mechanical stability. This can be done either by only partially immersing the pellets in the soaking liquid or by partially providing them with a layer impermeable to the soaking liquid before soaking.

Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter AusfUhrungsbeispiele näher erläutert.The invention will now be explained in more detail with the aid of some preferred exemplary embodiments.

Als poröses Trägermaterial können Pulver, Granulatp-artikel oder Mikrokügelchen verwendet werden, wie beispiels-weise Oxide von Uranium, Plutonium, Thorium, Yttrium, Cer und Mischungen dieser und anderer Oxide, z.B. Spinell und YAG (Yttrium Aluminium Granat). Diese Liste ist jedoch kei-neswegs erschöpfend und faängt von der Art der zu transmutie- renden Oder zu verbrennenden Stoffe ab. Auch Karbide und Nitride der erwähnten und anderer Elemente kommen ggf. in Frage. Als zu transmutierende und zu verbrennende Stoffe kommen die verschiedenen Isotope von Plutonium, Americium, Neptunium, Curium und andere Actiniden sowie Spaltprodukte, z.B. Technetium, in Frage. Diese Stoffe werden entweder durch Schmelzen oder durch chemisches Lösen in einem geeig-neten Lösungsmittel in flüssige Form gebracht.Powders, granules or microspheres, such as oxides of uranium, plutonium, thorium, yttrium, cerium and mixtures of these and other oxides, e.g. Spinel and YAG (yttrium aluminum garnet). However, this list is by no means exhaustive and depends on the type of substances to be transmuted or burned. Carbides and nitrides of the mentioned and other elements may also be considered. The various isotopes of plutonium, americium, neptunium, curium and other actinides as well as fission products, e.g. Technetium, in question. These substances are brought into liquid form either by melting or by chemical dissolution in a suitable solvent.

Das Trägermaterial muß ausreichend porös sein, um durch diesen flüssigen Stoff getränkt werden zu können. Au-ßerdem darf dieses Trägermaterial bei der Tränkung durch den flüssigen Stoff im wesentlichen nicht gelöst werden. Die mechanische Form des Trägermaterials hängt von dem gewünsch-ten Tränkungsgrad ab. Es kommen Pulver und Granulate in Frage, die durch Ausfällung oder Umwandlungsprozesse entstanden sind, Mikrokügelchen, die durch ein sogenanntes Tropfen zu Partikel Konversionsverfahren (Sol-Gel) hergestellt wurden, oder Formlinge, die aus Pulvem, Granulaten oder Mikrokügelchen verdichtet wurden.The carrier material must be sufficiently porous to be soaked with this liquid substance. In addition, this carrier material must not essentially be dissolved when soaked with the liquid substance. The mechanical shape of the carrier material depends on the desired degree of impregnation. Powders and granules which have arisen from precipitation or conversion processes, microspheres which have been produced by a drop-to-particle conversion process (sol-gel) or moldings which have been compacted from powders, granules or microspheres are suitable.

Liegt das Trägermaterial bei der Tränkung in Form von Pulvern, Granulaten oder Mikrokügelchen vor, dann wird dieses Material nach der Tränkung durch mechanischen Druck oder Vibration in die gewünschte Form gebracht.If the carrier material is in the form of powders, granules or microspheres during the impregnation, then this material is brought into the desired shape after the impregnation by mechanical pressure or vibration.

In einer möglichen Ausführungsform werden vor der Tränkung aus dem Trägermaterial in Pulverform Pellets ge-preßt und vorgebrannt. Solche Pellets besitzen eine Porosi-tët von etwa 40% und können einfach getränkt werden. Im ein-fachsten Fall werden sie in eine Schmelze oder Lösung des hochradioaktiven Stoffs eingetaucht. Dabei legt man sie in einer definierten Lage auf ein Gitter und taucht dieses langsam in die Flüssigkeit. Die Tränkungsrate hängt von der Dimension der Poren, der Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit, der Benetzbarkeit des Pelletmaterials und der Tränkungsdauer ab.In one possible embodiment, pellets are pressed from the carrier material in powder form and prebaked before the impregnation. Such pellets have a porosity of around 40% and can easily be soaked. In the simplest case, they are immersed in a melt or solution of the highly radioactive substance. You place them on a grid in a defined position and slowly immerse them in the liquid. The impregnation rate depends on the dimension of the pores, the viscosity and surface tension of the liquid, the wettability of the pellet material and the duration of the impregnation.

Legt man Wert auf eine sehr homogene Verteilung derIf you value a very homogeneous distribution of the

FlUssigkeit in dem Pellet, dann können Gasblasen stören, die in dem Pellet eingeschlossen sind, so daß ungetränkte Zonen verbleiben. Dieses Problem kann gelöst werden, indem man vor der Zufuhr der Tränkflüssigkeit in dem Tränkbehälter einen Unterdruck herstellt, und solche Gasblasen absaugt.Liquid in the pellet can then interfere with gas bubbles trapped in the pellet, leaving unimpregnated zones. This problem can be solved by creating a negative pressure in the impregnation container before the impregnation liquid is supplied and suctioning off such gas bubbles.

In manchen Anwendungen 1st es j edoch erwünscht, daB die Tränkung nur die äuBere Schicht der Pellets erreicht.In some applications, however, it is desirable that the impregnation only reach the outer layer of the pellets.

Dies kann erreicht werden durch eine geeignete Wahl der Tränkungsdauer, so daß die Tränkung nur bis zu einer be-stimmten Tiefe in die Pellets reicht. Man kann auch eine für die FlUssigkeit undurchlässige Schutzschicht auf einen Teil der Oberfläche des Pellets aufbringen, urn an dieser Stelle das Eindringen der FlUssigkeit zu verhindern und damit einen durch die Trënkung nicht erreichbaren zentralen zylindri-schen Kern in den Pellets zu erhalten. Dies hat den Vor teil, daB Spaltenergie bei der Bestrahlung der hochradioaktiven Stoffe in der Nuklearanlage bevorzugt an der Pelletoberflâche als Wërme auftritt und leicht abgeführt werden kann, während der feste Kern des Pellets verhindert, daB dieses zerfällt.This can be achieved by a suitable choice of the impregnation time so that the impregnation only reaches a certain depth in the pellets. A protective layer impermeable to the liquid can also be applied to part of the surface of the pellet in order to prevent the liquid from penetrating at this point and thus to obtain a central cylindrical core in the pellet which cannot be reached by the impregnation. This has the advantage that fission energy when the highly radioactive substances are irradiated in the nuclear plant preferably occurs as heat on the pellet surface and can be dissipated easily, while the solid core of the pellet prevents it from decaying.

Nach dem Tränken kann der in flüssiger Form im Pellet vorllegende hochradioaktive Stoff durch eine Wërmebehandlung in eine gewünschte Form (z.B. Oxid, Nitrid oder Karbid) um-gewandelt werden, worauf eine Sinterung erfolgen kann.After soaking, the highly radioactive substance present in liquid form in the pellet can be converted into a desired form (e.g. oxide, nitride or carbide) by heat treatment, after which sintering can take place.

In einer anderen Ausführungsform kann das Trägermate-rial wie erwähnt aus Mikrokügelchen bestehen, die z.B. nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind. Wegen ihrer hohen Porositët (etwa 80%) eignen sie sich besonders gut, wenn eine sehr intensive Tränkung gewünscht 1st. So kann man eine zylindrische Säule mit den Mikrokügelchen füllen und dann eine Nitratlösung des hochradioaktiven Stoffes zugeben. Die Abmessungen der Säule werden so gewählt, daß keine kriti-schen Bedingungen entstehen. Nach Beendigung der Tränkung wird die verbleibende Nitratlösung des radioaktiven Stoffs in einen Speichertank zurückgepumpt. Der in den Kügelchen verbleibende Teil dieses Stoffes wird dann mit Hilfe eines Mikrowellenkonverters in ein Oxid, Nitrid oder Karbid verwandelt. Auch eine thermische Konversion ist möglich. Danach werden die Kügelchen in die für die Bestrahlung in der Nu-klearanlage gewünschte Form gepreßt.In another embodiment, the carrier material can, as mentioned, consist of microspheres, e.g. are produced by the sol-gel process. Because of their high porosity (approx. 80%), they are particularly suitable when very intensive soaking is desired. So you can fill a cylindrical column with the microspheres and then add a nitrate solution of the highly radioactive substance. The dimensions of the column are chosen so that no critical conditions arise. After the impregnation has ended, the remaining nitrate solution of the radioactive substance is pumped back into a storage tank. The part of this substance remaining in the beads is then converted into an oxide, nitride or carbide with the aid of a microwave converter. Thermal conversion is also possible. The beads are then pressed into the shape desired for irradiation in the nuclear plant.

Das Tränken der Kügelchen und deren anschließendes Pressen in die Pelletform können völlig automatisch erfol-gen, so daB die Beschäftigten nicht durch zusätzliche Strah-lung gefährdet werden. Auch entsteht bei diesem Verfahren kein Staub von hochgiftigen Stoffen.The balls can be soaked and then pressed into the pellet form completely automatically, so that the workers are not endangered by additional radiation. This process also does not create dust from highly toxic substances.

Anstelle des Tränkens der Kügelchen in einer Säule kann man auch die Kügelchen in einem Korb in die Flüssigkeit eintauchen Oder man kann die Kügelchen bewegen oder umrühren und zugleich mit dem flüssigen Stoff besprühen.Instead of soaking the beads in a column, you can also immerse the beads in a basket in the liquid. Or you can move or stir the beads and spray them with the liquid at the same time.

Die entscheidenden Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende: 1 - Beschränkung der Verfahrensschritte, bei denen hochradioaktive Stoffe eingesetzt werden, auf die Verflüssi-gung und auf die Tränkung.The decisive advantages of the process according to the invention are as follows: 1 - Limitation of the process steps in which highly radioactive substances are used to the liquefaction and to the impregnation.

2 - Das Verfahren eignet sich gut für einen fernge-steuerten und weitgehend automatischen Ablauf.2 - The procedure is well suited for a remote-controlled and largely automatic process.

3 - Es entsteht kaum giftiger Staub oder radioaktiver3 - There is hardly any toxic dust or radioactive

Abfall.Waste.

4 - Die Strahlungsbelastung der Beschäftigt^nr wird erheblich verringert.4 - The radiation exposure of employees ^ nr is considerably reduced.

Claims

1. Process for the preparation of highly radioactive substances for transmutation and / or combustion by radiation in a nuclear plant, characterized in that the substances are brought into liquid form by melting or chemical dissolution that a porous carrier material which is responsible for the substances in the liquid form is practically insoluble, soaked with the substances brought into the liquid form and then subjected to such a heat treatment that the substances are converted into the chemical form ultimately desired.

2. The method according to claim 1, characterized in that the carrier material is powder or particulate and that it is brought into the desired shape after the impregnation and the heat treatment by mechanical pressure or vibration.

3. The method according to claim 1, characterized in that the carrier material already as a molding, e.g. Pellets, present.

4. The method according to claim 3, characterized in that the molding is additionally degassed before and during the impregnation process.

5. The method according to claim 3, characterized in that the impregnation is limited in time so that the core of the pellets remains free of the impregnating liquid.

6. The method according to claim 3, characterized in that the pellets are only partially immersed in the Tränkwassig- kelt.

7. The method according to claim 3, characterized in that the pellets are partially provided with a layer impermeable to the impregnation liquid before the impregnation.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that finally a heat treatment (sintering) takes place.