WO2005021810A1 - Verfahren zur trennung von dreiwertigem americium von dreiwertigem curium - Google Patents

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Guiseppe Modolo
Reinhard Odoj
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Forschungszentrum Jülich GmbH
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    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
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    • G21F9/00—Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
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    • G21F9/06—Processing
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    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to a method for separating trivalent americium from trivalent curium according to the preamble of claim 1.
  • a process provided by the applicant for the extraction of trivalent actinides from aqueous solutions which contains trivalent actinides and trivalent lanthanides enables separation at high acid concentrations of 0.01 to 2 mol / 1 HN0 3 (EP 1 019 552 Bl).
  • an acidic aqueous solution which contains a mixture of trivalent lanthanides and actinides is extracted by means of an organic solvent which contains a bis (aryl) dithiophosphinic acid with the addition of a synergist.
  • the characteristic values used for evaluating the separation behavior are the distribution coefficient D and the separation factor SF (separation factor).
  • D Ln (in) distribution coefficient for a trivalent lanthanide (dimensionless)
  • the separation factors SF between trivalent actinic acid obtained by the process using bis (aryl) dithiophosphinic acid in a strongly acidic medium The and trivalent lanthanides are between 20 and 2000, depending on the synergist.
  • the applicant has developed a process for the separation of actinide-lanthanide from nitric acid solution (0.5-1.0 mol / L HNO 3 ).
  • the process is known as the ALINA process (Actinide (III) -Lanthanide (III) INter- group Separation in Acidic medium) (Modolo, G.; Odoj, R.; Baron, P.
  • the ALINA Process for An (III ) / Ln (III) Group Separation from strong Acidic Medium Proceedings of Global 99, International Conference on Future Nuclear Systems, Jackson Hole, Wyoming, USA, August 29 - September 3, 1999; American Nuclear Society, Inc.).
  • the new process is said to be able to be integrated or connected well into already known processes for separating lanthanides from actinides.
  • the object is achieved according to the invention with the features specified in the characterizing part of claim 1.
  • Fig. 1 A diagram in which the separation process according to the invention for americium (III) and curium (III) is connected to a PUREX process.
  • Fig. 2 A scheme for a process control in which both cations americium (III) and curium (III) are first separated from a lanthanide solution and then the americium (III) from the curiu (III).
  • the ions in an aqueous phase can be separated from americium (III) and curium (III).
  • the solution can also contain other lanthanides and / or actinides and other components.
  • the aqueous solution containing americium (III) and curium (III) is brought into contact with an organic phase which contains an extractant and a synergist.
  • Aromatic solvents in particular solvents which are liquid at room temperature, such as benzene, toluene and tert.
  • Butylbenzene, xylene, bis- or tris (ter.-butyl) benzene, isopropylbenzene, bis- or tris (isopropyl) benzene can be used alone or in a mixture of at least two components.
  • branched and / or unbranched aliphatic solvents a chain length of, for example, C5 to C14, more generally, aliphatic solvents which are liquid at room temperature, alone or in a mixture comprising at least two components.
  • a mixture of aromatic and aliphatic solvents is preferably used as the solvent, particularly preferably with an aromatic solvent as the main component, ie> 50%.
  • solvents which can be used are toluene, hexane, a mixture of toluene and hexane, a mixture of isooctane and tert. Butylbenzene can be called.
  • the organic solvent is advantageously an aromatic component, such as benzene, toluene, xylene, tert. Solvent containing butylbenzene or a purely aromatic solvent.
  • At least one component from the group of toluene, xylene, tert is used as the solvent.
  • -Butylbenzene, and bis- or tris (tert-butyl) -benzene, isopropylbenzene, bis- or tris (isopropyl) -benzene are used.
  • the use of these solvents leads to an additional positive effect: the distribution coefficients of the actinides Am (III) and Cm (III) are additionally improved.
  • the separation factor remains constant at around 10.
  • the extractant in the organic phase is preferably an aromatic dithiophosphinic acid, preferably bis (chlorophenyl) dithiophosphinic acid.
  • the extraction is generally carried out using an organic solvent, which is used as the extraction agent bis (aryl) dithiophosphinic acid of the general formula (4) R 2 PS (SH) contains.
  • Ri phenyl- or naphthyl
  • R 2 phenyl- or naphthyl
  • X YP 0 (5) Z
  • X and / or Y and / or Z RO (alkoxy) or R (alkyl), where R can be branched and unbranched and preferably ranges from C4-C10. All radicals can be X, Y, Z, R or RO. However, each can be one or two residues of X, Y, Z RO or R.
  • the organic phase particularly preferably contains at least one synergist from the group consisting of trioctyl phosphate (formula (6)), tris- (2-ethylhexyl) phosphate (formula (7)) and tris- (2-propylpentyl) phosphate (formula ( 8th) ) .
  • the separation of Am (III) from Cm (III) is carried out at an acid concentration which is dependent on both the material nature and concentration of the extractant, the synergist and the solvent.
  • the conditions must be set so that the partition coefficient of Am (III) is greater than 1 and that of Cm (III) is therefore less than 1.
  • Table 4 shows examples of possible acid concentrations for two different solvents for 0.5 mol / L (ClPh) 2 PSSH + 0.15 mol / L TEHP.
  • the H + concentrations in the separation according to the invention can be between 0.01-1 mol / L.
  • a range between 0.05 and 0.5 mol / L is preferred.
  • HCl, H 2 S0 and in particular HN0 3 can be used as acids, since HN0 3 forms easily soluble salts.
  • Am (III) of Cm (III) can be obtained both from a solution containing these components alone and from a solution which contains additional ions or cations, such as, for example, alkali elements, alkaline earth metals and lanthanides (III) and actinides ( IV, V, VI).
  • additional ions or cations such as, for example, alkali elements, alkaline earth metals and lanthanides (III) and actinides ( IV, V, VI).
  • composition of concentrated synthetic actinides (III) / lanthanides (III) solutions from a DIAMEX process which were traced with Am-241 and Cm-244.
  • concentrations of the lanthanides (III) correspond to 2.5 or 10 times the expected concentrations.
  • KF 2.5 and 10.
  • the separation factor is, however, almost 2 orders of magnitude smaller and is 36-40.
  • Table 4 shows some extraction results for the Am (III) / Cm (III) separation from nitric acid solution. The results show that the partition coefficients are strongly dependent on the solvent, but the Am / Cm separation factor SF Am / Cm is almost unaffected.
  • the distribution coefficients of Am and Cm (together in solution) were determined using alpha spectroscopy and those of Am additionally using gamma spectroscopy.
  • Alpha spectroscopy has the advantage that both nuclides (here Am-241 and Cm-244) can be measured simultaneously.
  • Aqueous phase Aqueous phase:
  • the method according to the invention can be connected to known separation methods.
  • FIG. 1 a reprocessing of spent fuel elements for the separation of uranium and plutonium (neptunium), as well as the subsequent separation of the trivalent actinides americium and curium from the HAW (PUREX raffinate) shows how a separation process can be seen. can look matically:
  • the spent fuel elements can be fed to a PUREX process in which U, Pu and Np are separated.
  • the highly active, liquid waste (HAW) is separated from the actinides (III) and lanthanides (III).
  • the separated actinides (III) and lanthanides (III) are fed to a selective actinide (III) separation, which can be carried out, for example, according to the process according to European patent 1019552.
  • a selective actinide (III) separation which can be carried out, for example, according to the process according to European patent 1019552.
  • trivalent ions of lanthanides (cerium), (Ce), praseodymium (Pr), neodymium (Nd), promethium (Pr), samarium (Sm), europium (Eu) are exemplified in an aqueous phase , Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb), Luthenium (Lu), as well as Lanthanum (La) and Yttrium (Y ) or at least one component from this group and ions of
  • the aqueous phase has a low pH, which corresponds to a ⁇ concentration of a strong acid of 0.01 to 2 mol / 1.
  • HCl, H 2 S0 4 and in particular HN0 3 can be used as acids, since HN0 3 forms readily soluble salts.
  • the extraction is carried out using an organic solvent which contains bis (aryl) dithiophosphinic acid of the general formula (4) R 2 PS (SH) as the extraction agent.
  • Ri phenyl- or naphthyl
  • R 2 phenyl- or naphthyl
  • the organic phase contains at least one synergist from the group consisting of tri-octyl phosphate (formula (6)), tris (2-ethylhexyl) phosphate (formula (7)) and tris (2-propylpentyl) phosphate (formula (8th)).
  • (CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 - 0 -) 3 P 0 (6)
  • the organic solvent is advantageously an aromatic component, such as benzene-containing solvent or a purely aromatic solvent.
  • At least one component from the group of toluene, xylene, tert is used as the solvent.
  • - Butylbenzene, and bis- or tris (tert-butyl) benzene, isopropylbenzene, bis- or tris (isopropyl) benzene are used.
  • the use of these solvents leads to two additional positive effects: on the one hand the selectivity of the An 3+ extraction is further increased, on the other hand the distribution coefficient Dtoi ⁇ i) is additionally improved.
  • the order of effectiveness for the separation factor SF and the distribution coefficient are as follows: Benzene ⁇ toluene ⁇ xylene ⁇ tert. -Butylbenzene ⁇ bis- (isopropyl) -benzene, tri-isopropylbenzene, bis- (tert-butyl) -benzene, tris- (tert-butyl) -benzene.
  • the americium III and curium III are then separated using the process according to the invention.
  • FIG. 2 shows a The LUCA process for the actinide (III) / lanthanide (III) separation and subsequent americium / curium separation.
  • the actinides (III) from an aqueous solution containing an americium (III) and curium (III) and lanthanides (III) containing 0.1 mol / L HN0 3 with an extracting agent consisting of 0.4 mol / L (ClPh) 2 PSSH and 0.15 mol / L trisethylhexyl phosphate, extracted in an organic solvent. Curium III is then re-extracted with a 0.3 mol / L HN0 3 solution. Then back extraction of americium (III) with 1.0 mol / L HN0 3 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von dreiwertigem Americium von dreiwertigem Curium bei dem eine mindestens diese Kationen enthaltenden wässrigen Lösung bei einer Säurekonzentration von 0,01 mol/l - 1 mol/l mit einem organischen Lösungsmittel enthaltend eine Bis(aryl)dithiophosphinsäure der allgemeinen Formel (4) mit R1 = phenyl- oder naphthyl, R2 = phenyl- oder naphthyl, sowie mit methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl-, F-, Br-, J-) substituierten Resten von R1 und R2 wobei R1 und R2 mit mindestens einer Komponente aus der Gruppe von methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl-, F-, Br-, J-) substituiert sein können sowie einen Synergisten der allgemeinen Formel (5) mit X und/oder Y und/oder Z = RO (=Alkoxy) oder R (=Alkyl), wobei R verzweigt und/oder unverzweigt sein kann in Kontakt gebracht wird. Der Trennfaktor für Americium (III) und Curium (III) hat eine Grössenordnung von 10.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren zur Trennung von dreiwertigem Americium von dreiwertigem Curium
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von dreiwertigem Americium von dreiwertigem Curium nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Trennung von dreiwertigen Actiniden, wie Americium (Am) oder Curium (Cm) , von den dreiwertigen Lanthaniden ist ein seit langem bestehendes Problem. Verantwortlich für die Schwierigkeiten beim Trennen dieser Elemente ist das sehr ähnliche chemische und physikalische Verhalten der dreiwertigen Ionen der Lanthaniden und Actiniden. Insbesondere die sehr ähnlichen lonenradien tragen zum ähnlichen Verhalten dieser beiden Elementegruppen bei . So wurden schon zahlreiche Versuche unternom- raen, die dreiwertigen Ionen der Actiniden und Lanthaniden mit möglichst hoher Selektivität und hoher Effizienz zu trennen.
Es ist zwar bekannt, dass Extraktionsmittel mit weichen Donorgruppen, welche Stickstoff oder Schwefel als kom- plexbildende Strukturkomponenten enthalten, bei der Flüssig-Flüssig-Extraktion eine gewisse Selektivität gegenüber dreiwertigen Actiniden besitzen, jedoch konnten die Trennungen bisher nur bei relativ hohen pH- Werten, bei denen die dreiwertigen Actiniden zur Nie- derschlagsbildung neigen, vorgenommen werden. Nach dem aus der Veröffentlichung K. L. Nash, Solvent Extr. Ion Exch. 11 (4), 729-768 (1993) bekannten Talspeak Prozess ist eine selektive Extraktion von Lanthaniden mit Hilfe von Komplexierungsmitteln, welche die dreiwertigen Actiniden in Lösung halten, möglich.
Jedoch erfolgt dieses Trennverfahren wiederum bei relativ hohen pH-Werten von 3-4 und erfordert den Zusatz von weiteren Salzen.
Ein von der Anmelderin zur Verfügung gestelltes Verfah- ren zur Extraktion von dreiwertigen Actiniden aus wäss- rigen Lösungen, welche dreiwertige Actiniden und dreiwertige Lanthaniden enthält, ermöglicht eine Trennung bei hohen Säurekonzentrationen von 0,01 bis 2 mol/1 HN03 (EP 1 019 552 Bl) . Nach diesem Verfahren wird eine solche saure wässrige Lösung welche ein Gemisch aus dreiwertigen Lanthaniden und Actiniden enthält mittels einem organischen Lösungsmittel extrahiert, welches als Extraktionsmittel eine bis (aryl) dithiophosphin Säure unter Zusatz eines Synergisten enthält. Mit diesem Ver- fahren wird aufgrund des niedrigen pH-Wertes, beziehungsweise der hohen Säurekonzentration eine Niederschlagsbildung der dreiwertigen Actiniden verhindert und es werden bereits gute Trennergebnisse erzielt. Die zur Bewertung des Trennverhaltens herangezogenen Kenn- werte sind hierbei der Verteilungskoeffizient D sowie der Trennfaktor SF (engl. Separation Factor) .
Dtadiu = [An(III)org]/[An(III)w] (1) In Formel 1 sind:
Djüidii) = Verteilungskoeffizient für ein dreiwertiges Actinid (dimensionslos)
[An(III)org] = Konzentration des dreiwertigen Acti- nids in der organischen Phase (mol/1]
[An (III) w] = Konzentration des dreiwertigen Acti- nids in der wässrigen Phase (mol/1) .
DLΠ (III) = [Ln ( II I ) org]/[Ln ( I I I ) w] (2 )
In Formel 2 sind:
DLn(in) = Verteilungskoeffizient für ein dreiwertiges Lanthanid (dimensionslos)
[Ln(III)org] = Konzentration des dreiwertigen Lantha- nids in der organischen Phase (mol/1)
[Ln(III)w] = Konzentration des dreiwertigen Lantha- nids in der wässrigen Phase (mol/1) .
Figure imgf000005_0001
SF = Trennfaktor (dimensionslos)
Mit einem Trennfaktor von SF = 1 ist keine Trennung möglich.
Die nach dem Verfahren unter Verwendung von bis (aryl) dithiophosphinsäure im stark sauren Medium erzielten Trennfaktoren SF zwischen dreiwertigen Actini- den und dreiwertigen Lanthaniden liegen in Abhängigkeit vom Synergisten zwischen 20 bis 2000.
Es existieren verschiedene Verfahren zur Abtrennung der dreiwertigen Actiniden An (III) Am und Cm aus dem flüssigen hochaktiven Abfall, dem Raffinat des PUREX- Prozesses (Madie, C. in 6th Information Exchange Meeting on Actinide and Fission Product Partitioning and Transmutation, Madrid, Spain, 11-13 December 2000, EUR 19783, 2001, S. 53- 64) . Im ersten Schritt werden die An (III) gemeinsam mit den Lanthaniden Ln(III) koextra- hiert und vom Großteil der Spaltprodukte (z. B. Mo, Zr, Cs, Fe, usw.) abgetrennt. Zu den bekanntesten Verfahren gehören der TRUEX, TRPO und der DIAMEX-Prozess . Bei all diesen Verfahren fallen An (III) /Ln (III) Fraktionen an, deren weitere Trennung bisher große Probleme bereitete. Bisher gab es kein Extraktionsmittel, das selektiv An (III) von Ln(III) aus stark aziden Lösungen abtrennt. Betrachtet man aber den P&T Brennstoffkreislauf, in dem langlebige Actiniden zuerst abgetrennt (Partitioning, P) und anschließend durch Transmutation T vernichtet werden, so ist aus folgenden Gründen eine An (III) /Ln (III) - Trennung unerlässlich:
• Etwa ein Drittel der Spaltprodukte sind Lanthaniden. • Die Ln(III) besitzen die gleiche Oxidationsstufe III und das chemische Verhalten ist dem der An (III) sehr ähnlich.
• Einige Lanthaniden haben sehr große Neutronenein- fangquerschnitte und wirken daher als Neutronengifte bei der Transmutation. Im DIAMEX-Prozess werden mit Hilfe von Malonsäurediami- den An (III) und Ln(III) gemeinsam aus dem 3 - 4 mol/L HN03 enthaltenen Purex-Raffinat extrahiert . Nach dem Rück-Extrahieren mit verdünnter HN03 erhält man ein Produkt, das vornehmlich aus An (III) und Ln(III) besteht sowie eine HN03-Konzentration von ca. 0,5 mol/L aufweist (Madie, C.; Hudson, M.J.; Liljenzin, J.O.; Glatz, J.P.; Nannicini, R. ; Facchini, A. ; Kolarik, Z.; Odoj , R. New partitioning techniques for minor actini- des, European report, EUR 19149, 2000) .
Von der Anmelderin wurde ein Verfahren zur Actiniden- Lanthaniden-Trennung aus salpetersaurer Lösung (0,5-1,0 mol/L HNO3) entwickelt. Der Prozess ist unter dem Namen ALINA-Prozess (Actinide (III) -Lanthanide (III) INter- group Separation in Acidic medium) bekannt (Modolo, G. ; Odoj, R. ; Baron, P. The ALINA Process for An (III) /Ln (III) Group Separation from strong Acidic Medium, Proceedings of Global 99, International Confer- ence on Future Nuclear Systems, Jackson Hole, Wyoming, USA, August 29 - September 3, 1999; American Nuclear Society, Inc.) . Als Extraktionsmittel wurde ein Gemisch aus aromatischer Dithiophosphinsäure und Triok- tylphosphinoxid (TOPO) in tert . Butylbenzol verwendet . Einzelheiten zur Synthese der neuen Extraktionsmittel, deren radiolytischen Stabilität sowie deren Eignung zur An (III) /Ln (III) Trennung sind in (Modolo, G. ; Odoj, R. Synergistic selective extraction of actinides (III) over lanthanides from nitric aeid using new aromatic dior- ganyldithiophosphinic aeids and neutral organophospho- rus compounds. Solvent Extr. Ion Exch. 1999, 17 (1), S. 33-53) offenbart.
Die Trennung von Americium und Curium ist allerdings noch schwieriger als die Actiniden (III) -/Lanthaniden (III) -Trennung und stellt daher eine noch größere Herausforderung an die Prozesschemie dar. Dies hat folgende Gründe : Im dreiwertigen Zustand haben Americium und Curium sehr ähnliche chemische Eigenschaften aufgrund der nahezu identischen Ionenradien (0,99 bzw. 0,986 Angstrδm) . Americium verhält sich in seinen höheren Oxidationsstu- fen (IV, V, VI,) als sehr starkes Oxidationsmittel und daher eignen sich die bekannten hydrometallurgischen (Flüssig-Flüssig Extraktion) Prozesse (z. B. PUREX- Prozess) zur Abtrennung von heterovalenten Actiniden nicht aufgrund der Instabilität aller Oxidationsstufen bis auf die dreiwertige. Daher ist in der Literatur bisher kein hydrometallurgi- scher Prozess beschrieben worden, der Americium und Curium in der natürlichen Oxidationsstufe von Drei voneinander trennt .
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Trennung von Americium und Curium zur Verfügung zu stellen, welches einen besonders hohen Trennfaktor SF besitzt. Das neue Verfahren soll sich gut in bereits bekannte Verfahren zur Lanthaniden-Actiniden-Trennung integrieren, bzw. anschließen lassen. Ausgehend vom Oberbegriff des Anspruchs 1 wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nunmehr möglich, Americium (III) und Curium (III) mit einem Trennfaktor in der Größenordnung von 10 zu trennen. Es ermöglicht neben der Americium (III) -/Curium (III) -Trennung auch eine Actiniden (III) -/ (Lanthaniden) (III) -Trennung.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Figuren zeigen beispielhaft schematische Prozessab- laufe.
Es zeigt : Fig.l: Ein Schema, bei dem das erfindungsgemäße Trennverfahren für Americium (III) und Curium (III) an einen PUREX-Prozess angeschlossen ist. Fig.2: Ein Schema für eine Prozessführung, bei der aus einer Lanthanidenlösung zunächst beide Kationen Americium(III) und Curi- um(III) gemeinsam abgetrennt werden und da- nach das Americium (III) vom Curiu (III) .
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren können die in einer wässrigen Phase befindlichen Ionen von Americium (III) und Curium (III) getrennt werden. Die Lösung kann dabei auch andere Lanthaniden und/oder Actiniden sowie andere Komponenten enthalten.
Hierzu wird die Americium(III) und Curium(III) enthaltende wässrige Lösung mit einer organischen Phase in Kontakt gebracht, welche ein Extraktionsmittel und einen Synergisten enthält.
Als organisches Lösungsmittel kommen verschiedene Systeme in Betracht. So können reine Lösungsmittel, sowie Lösungsmittelgemische enthaltend mindestens zwei Lö- sungsmittelkomponenten eingesetzt werden.
Es können aromatische Lösungsmittel, insbesondere bei Raumtemperatur flüssige Lösungsmittel, wie Benzol, To- luol, Tert . Butylbenzol, Xylol, bis- oder tris-(Ter.- Butyl) -benzol, Isopropylbenzol, bis- oder tris (Isopro- pyl) -benzol alleine oder im Gemisch von mindestens zwei Komponenten eingesetzt werden.
Es können auch weiterhin verzweigte und/oder unverzweigte aliphatische Lösungsmittel, einer Kettenlänge von beispielsweise C5 bis C14, allgemeiner, bei Raum- temperatur flüssige aliphatische Lösungsmittel alleine oder im Gemisch umfassend mindestens zwei Komponenten eingesetzt werden. Insbesondere kommen n-Hexan, c. -Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Decan, Undecan, Dode- can, Kerosin oder TPH in Betracht. Vorzugsweise wird als Lösungsmittel ein Gemisch aus aromatischen und aliphatischen Lösungsmitteln eingesetzt, besonders bevorzugt mit einem aromatischen Lösungsmittel als Hauptkomponente, d. h. > 50%. Als Lösungsmittel können beispielhaft Toluol, Hexan, ein Gemisch aus Toluol und Hexan, ein Gemisch aus Isooctan und Tert. Butylbenzol genannt werden.
Das organische Lösungsmittel ist vorteilhaft eine aro- matische Komponente, wie Benzol, Toluol, Xylol, tert. Butylbenzol enthaltendes Lösungsmittel oder ein rein aromatisches Lösungsmittel.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird als Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe von Toluol, Xylol, tert . -Butylbenzol , sowie bis- oder tris- (tert . -Butyl) -benzol, Isopropylbenzol , bis- oder tris- (Isopropyl) -benzol eingesetzt. Der Einsatz dieser Lösungsmittel führt zu einem zusätzlichen positiven Effekt: Die Verteilungskoeffizienten der Actiniden Am (III) und Cm (III) werden zusätzlich verbessert . Der Abtrennfaktor bleibt konstant bei etwa 10.
Die Reihenfolge der Wirksamkeit für den Verteilungskoeffizienten verhalten sich wie folgt:
Benzol < Toluol < Xylol < tert . -Butylbenzol < n-Hexan /Toluol (50/50 Tab. 4) Bis- (isopropyl) -benzol , Tri- isopropylbenzol , Bis- (tert . -Butyl) -benzol, Tris- (tert. - Butyl) -benzol .
Das in der organischen Phase befindliche Extraktions- mittel ist vorzugsweise eine aromatische Dithiophosphinsäure, vorzugsweise bis (chlorphenyl) dithiophosphinsäure .
Die Extraktion erfolgt allgemein mittels eines organischen Lösungsmittels, welches als Extraktionsmittel bis (aryl) dithiophosphinsäure der allgemeinen Formel (4) R2PS(SH) enthält.
Ri ^ (4) R2 SH
mit Ri = phenyl- oder naphthyl, R2 = phenyl- oder naphthyl,
sowie mit methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F", Br",J") substituierten Resten von Rx und R2 wobei Rx und R2 mit mindestens einer Komponente aus der Gruppe von methyl-, ethyl-, pro- pyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F", Br",J") substituiert sein können. Diese Gruppen sind beispielhaft für die Acidität des Extraktionsmittels bis (aryl) dithiophosphin Säure steigernde Substituenten, die zu besonders gutem Extraktionsverhalten führen. Entscheidend ist die Steigerung der Acidität des Extraktionsmittels, auf die genaue Stellung der Substituenten kommt es weniger an.
Der in der organischen Phase befindliche Synergist ist vorzugsweise ein Trialkylphosphat (Formel (5) ) mit X,Y,Z = RO, vorzugsweise Tris (ethylhexyl) phosphat (TEHP) oder ein Trialkylphosphinoxid mit X,Y,Z = R, wie beispielsweise Trioctylphosphinoxid (TOPO) . X Y-P=0 (5) Z
Mit X und/oder Y und/oder Z = RO (Alkoxy) oder R(Alkyl), wobei R verzweigt und unverzweigt sein kann und vorzugsweise von C4-C10 reicht. Hierbei können alle Reste X, Y, Z, R oder RO sein. Es können jedoch aus jeweils ein oder zwei Reste von X, Y, Z RO oder R sein.
Besonders bevorzugt enthält die organische Phase mindestens einen Synergisten aus der Gruppe bestehend aus Trioctylphosphat (Formel (6) ) , Tris- (2-ethylhexyl) - phosphat (Formel (7)) und Tris- (2-propylpentyl) - phosphat (Formel (8) ) .
(CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2 - 0 -)3P = 0 (6)
CH2CH3 (CH3CH2CH2CH2CH2CH2 - O -)3 P = O (7)
CH2CH2CH3 (CH3CH2CH2CH2CH2 - 0 -)3 P = O (8)
Mit der Zugabe des erfindungsgemäßen Synergisten wird eine erhebliche Zunahme des Trennfaktors SF bewirkt. Die Selektivität bei der Abtrennung des Americium III von Curium III wird erheblich gesteigert.
Die Trennung von Am (III) von Cm (III) wird bei einer Säurekonzentration durchgeführt, die abhängig ist vom sowohl von der stofflichen Beschaffenheit und Konzentration des Extraktionsmittels, des Synergisten und des Lösungsmittels. Die Bedingungen müssen so eingestellt werden, dass der Verteilungskoeffizient des Am (III) größer als 1 ist und der des Cm (III) folglich kleiner als 1 ist. Beispielhaft sind in Tabelle 4 mögliche Säurekonzentrationen für zwei verschiedene Lösungsmittel für 0.5 mol/L (ClPh) 2PSSH + 0.15 mol/L TEHP aufgeführt. Die H+ -Konzentrationen können bei der erfindungsgemä- ßen Abtrennung zwischen 0,01-1 Mol/L liegen. Bevorzugt ist ein Bereich zwischen 0,05 und 0,5 Mol/L. Als Säuren können beispielsweise HCl, H2S0 und insbesondere HN03 eingesetzt werden, da HN03 leicht lösliche Salze bildet.
Mit dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann Am(III) von Cm(III) sowohl aus einer Lösung enthaltend alleine diese Komponenten als auch einer Lösung, die zusätzliche Ionen bzw. Kationen, wie beispielsweise Al- kalielemente, Erdalkalimente enthält sowie Lanthaniden (III) und Actiniden (IV,V,VI) , getrennt werden.
Bei den Extraktionsversuchen mit Dithiophosphinsäuren zur Actiniden (III) /Ln (III) Trennung nach dem Stand der Technik wurde bisher davon ausgegangen, dass Americi- um(III) und Curiu (III) sich ähnlich Verhalten und die gleichen Extraktionseigenschaften besitzen, d. h. ähnliche Verteilungskoeffizient besitzen und somit SFAm/Cm~ 1. Daher wurde Curium (III) bisher nicht berücksichtigt. Die Ergebnisse der Extraktionsversuche mit Curium (III) zeigen erstaunlicherweise ein unterschiedliches Verhalten beider Actinidenelemente . Erfindungsgemäß wurden Extraktionsexperimente mit synthetischen Actiniden (III) /Lanthaniden (III) Lösungen durchgeführt deren Zusammensetzung in Tabelle 1 dargestellt ist. Diese Actiniden (III) /Lanthaniden (III) Lösungen fallen bei einem DIAMEX Prozess zur Actinden (III) Abtrennung aus einem PUREX Raffinat an.
Tabelle 1 :
Zusammensetzung von konzentrierten synthetischen Actiniden (III) /Lanthaniden (III) Lösungen aus einem DIAMEX- Prozess, die mit Am-241 und Cm-244 getracert wurden. Die Konzentrationen der Lanthaniden (III) entsprechen dem 2.5 bzw. 10-fachen der zu erwartenden Konzentrationen. Daher KF = 2.5 und 10.
Figure imgf000016_0001
* KF = Konzentrationsfaktor
Die Ergebnisse von Extraktionsexperimenten sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. Man erkennt das die Verteilungskoeffizienten von Y, Nd, Sm, Eu und Gd deutlich kleiner sind als die von La, Ce und Pr.
Ce ist das bestextrahierbarste Lanthanid. Folglich ist z. B. der Am/Eu Abtrennfaktor sehr hoch (SFAm/Eu > 1000), jedoch z. B. der Am/Ce Abtrennfaktor nur moderat (SFAra/Ce = 25-40). Zur kontinuierlichen An (III) /Ln (III) Trennung wären diese Trennungsfaktoren mehr als ausreichend. Da aber der Verteilungskoeffizient des Cm um den Faktor 10 kleiner als der des Am ist, (SFAm/Cm = 10) ist auch eine Trennung des Cm möglich.
Die Ergebnisse in Tabelle 3 verdeutlichen das mit diesem Extraktionssystem (ClPh)2PSSH + TEHP auch konzent- riertere An/Ln Lösungen (KF = 10) behandelt werden können. Der Vergleich mit den Werten in Tabelle 2 zeigt, dass zwar die Verteilungskoeffizienten aller Elemente unter den gleichen Bedingungen etwas kleiner werden, aber die Abtrennfaktoren SFAm/Eu, SFAm/Ce, SFCm/Eu und SFcm/ce zunehmen. Bemerkenswert sind die hierbei erzielten hohen Am/Eu und Am/Gd Abtrennfaktoren von über 2000. Der Am/Ce-
Abtrennfaktor ist allerdings um fast 2 Größenordnungen kleiner und liegt bei 36-40.
Der Am/Cm Abtrennfaktor liegt auch hier bei etwa 10. An dieser Stelle sei erwähnt, dass in der Literatur bisher kein höherer Abtrennfaktor zitiert wurde. Bisher waren nur Werte unter 2 bekannt .
Tabelle 2 :
Extraktion von Am(III) , Cm(III) und Lanthaniden (III] mit 0.4 mol/L (ClPh)2PSSH + 0.15 mol/L TEHP in 20 % Isooctan/tert . Butylbenzol aus einer synthetischen An(III) -/Ln(III) -Lösung.
Organische Phase:
0.4 mol/L (ClPh)2PSSH + 0.15 mol/L TEHP in 20 % Isooctan/tert . Butylbenzol . Wässrige Phase:
Synthetische An (III) /Ln (III) Lösung mit der Zusammensetzung in Tabelle 1 (KF=2.5), verschiedene HN03 -Konzentrationen.
Figure imgf000018_0001
Tabelle 3 :
Extraktion von Am(III), Cm (III) und Lanthaniden (III) mit 0.4 mol/L (ClPh)2PSSH + 0.15 mol/L TEHP in 20 % Isooctan/tert . Butylbenzol aus einer synthetischen An(III) -/Ln(III) -Lösung.
Organische Phase:
0.4 mol/L (ClPh)2PSSH + 0.15 mol/L TEHP in 20 % Isooctan/tert . Butylbenzol . Wässrige Phase:
Synthetische An (III) -/Ln (III) -Lösung mit der Zusammensetzung in Tabelle 1 (KF=10) , verschiedene HN03 -Konzentrationen
Figure imgf000019_0001
In Tabelle 4 sind einige Extraktionsergebnisse zur Am(III) -/Cm(III) -Trennung aus salpetersaurer Lösung aufgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verteilungskoeffizienten stark vom Lösungsmittel abhängig sind, jedoch der Am/Cm Abtrennfaktor SFAm/Cm nahezu un- beeinflusst wird. Die Verteilungskoeffizienten von Am und Cm (gemeinsam in Lösung) wurden mit Hilfe der Alphaspektroskopie bestimmt und der des Am zusätzlich mit der Gammaspektroskopie . Die Alphaspektroskopie hat den Vorteil dass beide Nuklide (hier Am-241 und Cm-244) gleichzeitig gemessen werden können.
Tabelle 4:
Extraktion von Am(III) und Cm(III) mit 0.5 mol/L (ClPh)2PSSH + 0.15 mol/L TEHP in Abhängigkeit vom Lösungsmittel .
Organische Phase:
0.5 mol/L (ClPh)2PSSH + 0.15 mol/L Trisethylhxylphos- phat in verschiedenen Lösungsmitteln.
Wässrige Phase:
Tracermengen von Am-241 und Cm-244, verschiedene HN03
Konzentrationen .
Figure imgf000021_0001
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich, wie in Figur 1 dargestellt, an bekannte Trennverfahren anschließen.
In Figur 1 ist an Hand einer Wiederaufarbeitung von ab- gebrannten Brennelementen zur Abtrennung von Uran und Plutonium (Neptunium) , sowie anschließende Abtrennung der dreiwertigen Aktiniden Americium und Curium aus dem HAW (PUREX Raffinat gezeigt, wie ein Trennprozeß sehe- matisch aussehen kann:
Die abgebrannten Brennelemente können einem PUREX- Verfahren zugeführt werden, bei dem U, Pu und Np abgetrennt werden. Der hochaktive, flüssige Abfall (HAW) wird einer Trennung der Actiniden (III) und Lanthaniden (III) zugeführt.
Die abgetrennten Actiniden (III) und Lanthaniden (III) werden einer selektiven Actiniden (III) -Trennung zugeführt, die beispielsweise nach dem Verfahren gemäß dem europäischen Patent 1019552 durchgeführt werden kann. Nach dem Verfahren aus dem europäischen Patent 1019552 sind in einer wässrigen Phase beispielhaft dreiwertige Ionen von Lanthaniden (Cer) , (Ce) , Praseodym (Pr) , Neodym (Nd) , Promethium (Pr) , Samarium (Sm) , Europium (Eu) , Gadolinium (Gd) , Terbium (Tb) , Dysprosium (Dy) , Holmium (Ho) , Erbium (Er) , Thulium (Tm) , Ytterbium (Yb) , Luthenium (Lu) , sowie Lanthan (La) und Yttrium (Y) oder mindestens eine Komponente aus dieser Gruppe und Ionen von dreiwertigen Actiniden, wie Americium (Am) und/oder Curium (Cm) enthalten. Die wässrige Phase weist einen niedrigen pH-Wert auf, der einer ^-Konzentration einer starken Säure von 0,01 bis 2 mol/1 entspricht. Als Säuren können HCl , H2S04 und insbesondere HN03 eingesetzt werden, da HN03 leicht lösliche Salze bildet. Die Extraktion erfolgt mittels eines organischen Lösungsmittels, welches als Extraktionsmittel bis (aryl) dithiophosphinsäure der allgemeinen Formel (4) R2PS(SH) enthält.
Figure imgf000023_0001
mit Ri = phenyl- oder naphthyl, R2 = phenyl- oder naphthyl,
sowie mit methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F", Br",J") substituierten Res- ten von Ri und R2 wobei Ri und R2 mit mindestens einer
Komponente aus der Gruppe von methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F", Br~,J") substituiert sein können. Diese Gruppen sind beispielhaft für die Acidität des Extraktionsmittels bis (aryl) dithiophosphinsäure steigernde Substituenten, die zu besonders gutem Extraktionsverhalten führen. Entscheidend ist die Steigerung der Acidität des Extraktionsmittels, auf die genaue Stellung der Substituenten kommt es weniger an.
Beispielhaft enthält die organische Phase mindestens einen Synergisten aus der Gruppe bestehend aus Trioc- tylphosphat (Formel (6)), Tris- (2 -ethylhexyl) -phosphat (Formel (7) ) und Tris- (2-propylpentyl) -phosphat (Formel (8)). ( CH3CH2CH2CH2CH2CH2CH2CH2 - 0 - ) 3P = 0 ( 6 )
CH2CH3 ( CH3CH2CH2CH2CH2CH2 - 0 - ) 3 P = O ( 7 ) CH2 CH CH3 ( CH3CH2CH2CH2CH2 - O - ) 3 P = 0 ( 8 )
Es können aber auch die Synergisten der allgemeinen Formel (5) eingesetzt werden.
Mit der Zugabe der Synergisten wird eine erhebliche Zu- nähme des Trennfaktors SF bewirkt. Die Selektivität bei der Abtrennung der Actinide von den Lanthaniden wird erheblich gesteigert.
Das organische Lösungsmittel ist vorteilhaft eine aro- matische Komponente, wie Benzol enthaltendes Lösungsmittel oder ein rein aromatisches Lösungsmittel .
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe von Toluol, Xylol, tert . - Butylbenzol, sowie bis- oder tris- (tert . -Butyl) - benzol, Isopropylbenzol, bis- oder tris- (Isopropyl) - benzol eingesetzt. Der Einsatz dieser Lösungsmittel führt zu zwei zusätzlichen positiven Effekten: Zum einen wird die Selektivität der An3+ Extraktion weiter- hin gesteigert, zum anderen wird der Verteilungskoeffizient Dtoiπi) zusätzlich verbessert.
Die Reihenfolge der Wirksamkeit für den Trennfaktor SF und den Verteilungskoeffizienten verhalten sich wie folgt : Benzol < Toluol < Xylol < tert . -Butylbenzol < Bis- (isopropyl) -benzol , Tri-isopropylbenzol, Bis- (tert. - Butyl) -benzol , Tris- (tert . -Butyl) -benzol .
Im Anschluss erfolgt die Trennung von Americium III und Curium III mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Eine Prozessführung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist beispielhaft in Figur 2 angegeben. Figur 2 zeigt einen Der LUCA-Prozess zur Actiniden (III) /Lanthaniden (III) Abtrennung und anschließender Americium/Curium Trennung.
In dieser Darstellung werden die Actiniden (III) aus einer, eine Americium(III) und Curium(III) sowie Lanthaniden (III) enthaltende, wässrigen Lösung mit 0,1 Mol/L HN03 mit einem Extraktionsmittel, bestehend aus 0,4 Mol/L (ClPh)2PSSH und 0,15 Mol/L Trisethylhe- xylphosphat, in einem organischen Lösungsmittel extrahiert. Mit einer 0,3 Mol/L HN03-Lösung wird anschließend Curium III reextrahiert. Danach erfolgt die Rückextraktion von Americium (III) mit 1,0 Mol/L HN03.
Das Flussschema sieht wie folgt aus :
1. Selektive Extraktion von Am und Cm. Die Lanthaniden Ln(III) hier Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm Eu und Gd verbleiben im Raffinat (in Abbildung = Ln(III)) .
2. Selektives Strippen von Cm (III)
3. Strippen von Am(III) .

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Trennung von dreiwertigem Americium von dreiwertigem Curium aus einer mindestens diese Kationen enthaltenden wässrigen Lösung, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung bei einer Säurekonzentration von 0,01 mol/1 - 1 mol/1 mit einem organischen Lösungsmittel enthaltend eine Bis (aryl) dithiophosphinsäure der allgemeinen Formel (3)
Figure imgf000026_0001
mit Ri = phenyl- oder naphthyl, R2 = phenyl- oder naphthyl, sowie mit methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F", Br",J") substituierten Resten von Ri und R2 wobei Ri und R2 mit mindestens einer Komponente aus der Gruppe von methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, haloge- nyl- (Cl", F", Br",J") substituiert sein können sowie einen Synergisten der allgemeinen Formel (5) X Y-P=0 (5) Z mit X und/oder Y und/oder Z = RO (=Alkoxy) oder R(=Alkyl), wobei R verzweigt und/oder unverzweigt sein kann in Kontakt gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das organische Lösungsmittel ein aromatisches Lösungsmittel, ein aliphatisches Lösungsmittel oder ein Gemisch davon ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2 ; dadurch gekennzeichnet, dass das aromatische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Benzol, To- luol, Tert. Butylbenzol, Xylol, bis- oder tris- (Ter. -Butyl) -benzol, Isopropylbenzol, bis- oder tris (Isopropyl) -benzol ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das aliphatische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe der verzweigten oder unverzweigten aliphatischen Lösungsmittel einer Kettenlänge von C5 bis C14 ist .
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das aliphatische Lösungsmittel mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus n-Hexan, c-Hexan, Heptan, Octan, Nonan, Decan, Undecan, Dode- can, Kerosin oder TPH ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aromatische Lösungsmittel als Hauptkomponente eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es einem Lanthaniden-Actiniden-Trennverfahren nachgeschaltet ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass das Lanthaniden-Actiniden-Trennverfahren ein Talspeak-, TRUEX- , TRPO- oder Diamex-Prozess ist.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lanthaniden-Actiniden-Trennverfahren ein Prozess ist, bei dem die Actiniden aus einer wässrigen Lösung mittels eines Lösungsmittels, enthaltend eine Bis (aryl) dithiophosphinsäure der allgemeinen Formel (4)
Figure imgf000028_0001
mit Ri = phenyl- oder naphthyl, R2 = phenyl- oder naphthyl, sowie mit methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F", Br",J") substitu- ierten Resten von Rx und R2 wobei Rx und R2 mit mindestens einer Komponente aus der Gruppe von methyl-, ethyl-, propyl-, isopropyl-, cyano-, nitro-, halogenyl- (Cl", F~, Br",J") substituiert sein können sowie einen Synergisten der allgemeinen Formel (5)
Figure imgf000029_0001
mit X und/oder Y und/oder Z = RO (=Alkoxy) und/oder R(=Alkyl), wobei R verzweigt und/oder unverzweigt sein kann, extrahiert wird.
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