DE1592427A1 - Aufarbeitung von bestrahltem Kernbrennstoff - Google Patents

Description

759-24 D-PR- 1002

Genoral Elektric Company, 1 River Road, Sehenectady, H.T.,USA Aufarbeitung von bestrahlten Kernbrennstoff

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sur Aufarbeitung von bestrahltem Brennstoff aus Kernspaltkettenreaktoren, und insbesondere offenbart sie ein verbessertes chemisches Verfahren, das geeignet ist , gewisse transuranische Bestrahlungsprodukte voneinander sowie von Uran und Spaltprodukten su trennen. Bei diesem Vorfahren wird die Hauptmenge der Spaltprodukte, die durch Bestrahlungpes

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Brennstoff· gebildet wird.» luntehat als eine Mlsohung durch Extraktion mit eine» organiaohen Lösungsmittel abgetrennt, ohne da£ eine Aufteilung in uran und die Transurane (Plutonium und Neptunium ) stattfindet. Der Strom der Spaltprodukte wird dehydratisiert und kalsiniert und diese Materialien werden als Oxydmisohung wiedergewonnen. Das Uran und die Transurane werden von der Lösung in Form einer Misohung mit wes e ntlioh verminderten Mengen an Spaltprodukten gewonnen, die Transurane werden von dem Uran ( und falls gewünscht, voneinander ) durch Xontakt mit und Eluierung aus Anionen - Austausoherharsen getrennt. Der Uranstrom wird unter Bildung von Uranoxyd, welohes Spuren von Spaltproduktoxyden aufweist, getrocknet ( dehydratisiert ) und itUsiniert, diese im wesentlichen plutoniumfreie Oxydmisohung wird fluoriert und das Uraniumhexafluorid wird als ein Produkt wiedergewonnen, das im wesentlichen von Fluoriden der Spaltprodukte frei ist.

Kernspaltkettenreaktionen und die Reaktoren, in denen derartige Reaktionen ausgeführt werden, sind allgemein beknnt. Zn der Regel ist ein Kernreaktor aus einer Kettenreaktionseinheit aufgebaut, die Kerr.brennstoffmaterial umfaftt, das in Brennelementen mit verschiedenen geometrischen Fomen, wie Platten, Rühren oder Stöben enthalten ist. Diese Brennstoff elemente sind gewöhnlich auf ihren äußeren Oberflächen

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mit einem korrosionsbeständigen, nicht reaktiontflhigen_v wärmeleitenden Obertug'oder einer entsprechenden Bekleidung rereehen. Xn Kraektoren sind diese Elementetewöhnlich in eines Kanal oder einer Cone für den Kühlmitteldur ohf IuA su Gruppen susaMien angeordnet ( Bit festen Abetlnden voneinander ) und sie bilden ein sogenanntes Brennstoffbündel· Xn der Kettenreaktionsanordnung oder im Reaktorkern ist eine ausreiehend grofte Ansahl derartiger Bund ti susassien angeordnet, üb eine kontrollierbare, sieh selbst erhaltende Kernspalt-Kettenreaktion su erstOgliehen. Der Reaktorkern ist in eines Behälter eingeschlossen, durob den das Reaktorkühlmittel sirkuliert. Xn themiaohen Heutronenspektrua-Ileaktoren ist weiterhin ein Neutronenaoderstor vorgesehen,und in einigen Pillen kann f.ieser Moderator gleichseitig als Reaktorkühlmittel dienen. Die bekannten Siedewaaser- und Druckwasserreaktoren sind Beispiele dersrtiger thermischer Reaktoren.

Der Kernbrennstoff enthalt spaltbare Atome, wie 0-233ι Q-235· Fu-239 oder Pu-2*1. Dieses Material kann in elementarer oder in Verblndungsform totliefen. Nach der Absorption eines Neutrons durch den Kern eines solohen spaltbaren Atome tritt hlufig ein Kernserfall ein. Dieser erzeugt in Durchecnnitt swei atomare Spaltprodukte von geringerem Atomgtwlcht und großer kinetieoher Energie.aieiohfslls werden bei einem βοlohen Zerfall mehrere Neutronen mit

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hoher Energie freigesetzt. Bei der Spaltung von U-235 Atomen werden beispielsweise leichte atomare Spaltprodukte nit der Massenzahl im Bereich zwisohen 80 und 110 sowie schwere atomare Spaltprodukte mit der Massenzahl im Bereich zwischen 125 und 155 erzeugt. Weiterhin werden im Durohaohnitt 2,5 Neutronen pro eingetretene: Spaltung freigesetzt. Die dabei freigesetzte Qesamtenergie nähert sich 200 MeV (Millionen Elektronenvolt) pro Spaltung.

Die kinetische Energie der atomaren Spaltprodukte wie auch der Spaltneutronen wird sohnell unter Bildung von Wärme in den Brennstoffelementen des Reaktors verbraucht. Weitere zusätzliche Wärme wird direkt in den Reaktort&umaterlallen, in dem Kühlmittel und in irgendeinem anwesenden Moderator durch Strahlung erzeugt* Wenn im Durohschnitt bei jeder Spaltung ein nutzbares Neutron übrig bleibt und dieses Neutron eine weitere Spaltung bewirkt, entsteht eine sich selbst erhaltende Spaltreaktion, die als Kettenreakton bezeichnet wird. Die Wirmeerzeugung kann aufrecht erhalten werden, und die Wärme kann mittels einer hindurohstr8menden Kühlflüssigkeit,dit einen Wärmeaustausch mit dtn Brennstoffelementen bewirkt, entfernt werden. Die spaltbaren Atome werden so all-* m ählich verbraucht. Einige der erzeugten atomaren Spaltprodukte sind starke Neutronenabsorber (Giίte für Kernspaltprcdukte). Die Kernspaltreaktion nimmt daher ab und kann nicht auf unbegrenzte Zeit auf einem gegebenen Niveau gehalten werden,

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In eini gen Kernbrennstoffelementen werden susätslich su den vorgenannten spaltbaren Atonen sogenannte "fruchtbare" Atome (fertile atome),wie U-238 eingefügt. Ein gängiger Brennstoff für die Verwendung in Kernkraftreaktoren besteht aus angereicherten Urandioxyd (UOg) in dem ungefähr 2,0 % der Uranatome U-235 sind, die leicht durch thermische Neutronen spaltbar sind, während die verbleibenden 98 % aus U-238 bestehen, welches in keinem bedeutenden Ausmaß spaltbar ist. Beim Betrieb eines Reaktors, der mit solchen spaltbaren und fruchtbaren Atomen beschickt ist, werden die ursprünglich vorhandenen spaltbaren Atome (U-235) nach und nach verbraucht und gleichseitig wandelt die Neutronenbestrahlung der fruchtbaren Atome (U-238) einen Teil derselben in Eusätslich spaltbare Atome (Pu 239 ) um. Anfänglich steigt die Konsentration dieser neuerseugten spaltbaren Atome mit der Bestrahlung langsam an und erreicht dann ein Gleichgewicht. Diese Atome sind gleichfalls leicht durch thermische Neutronen spaltbar und tragen so sur Aufrt ihterhal&ung der Kettenspaltreaktion bei, so dafi die Reaktion länger fortgeführt werden kann,als wenn nur die ursprüngliche Beschickung mit spaltbaren Atomen sur Verfugung steht,

Oa Jii Geschwindigkeit, mit der spaltbare Atome durch diese Umwandlung von fruchtbaren Atomen erseugt werden (ausgenommen in Brutreaktoren von spezieller Konstruktion), immer geringer _c

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lst als die Geschwindigkeit, mit dtr die ursprüngliche Beschickung »it spaltbaren AtoBtn während dtr Operation vtrbraueht wird, kann dtr Reaktor die VirBeerBeugung auf tints vorgegebenen üivtau nur für tint btgrtnitt Dauer aufrecht erhalten. Lttittn Endes bus das maximale Ltietungsniveau, bei de« der Reaktor betritbtn wird, vermindert werden, und schlieslioh mu* dtr Reaktor abgeschaltet werden, üb neu sit Brennstoff btsohiokt tu werden. Einige oder alle bestrahlten BrtnnstoffbOndel werden dabei tntftrnt und durch neue, BrtnnstoffbOndtl mit einer höheren Konzentration an spaltbaren Atomen, ohne Spaltproduktgifte ersetst.Dle Reaktionsflhigktlt dltsts neu besohlokten Reaktorkerne· 1st hOher,und das ursprüngliche Leistungen!vtau kann ao wieder erreicht werden.

Der aus dem Reaktor entfernt bestrahlte Reaktorbrennstoff enthält gewöhnlich eint unverbrauchte,wertvolle Menge des ursprünglich spaltbaren !Uteriale sowie eine bedeutend ι Menge spaltbaren Materials (die spaltbaren Atome>, die aus irgendwelche« fruchtbaren Materialien fruchtbaren Atomen) umgewandelt worden sind, die Bestandteil des ursprünglichen Brennstoffe« waren. Der bestrahlte Brennstoff kann weiterhin Spaltprodukte ( die Spaltproduktatcee ) oder Transuranisotope ( oder beLl* ) enthalten, die von wesentliche» Wert sind. Erginsend su den vorstehend bereits genannten Plutonium ist ein no-¹-cn*· Transuran, das Neptuniusd sotope NP-237, welches durch Neutronenbestrahlung von U-235 und U-236 nach

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den folgenden Reaktionen gebildet wird: U - 235 U - 236 ⁽ⁿr^» ü - 237

-ÜL> _Hp __2J7

ü - 238 ü - 237 Hp - 237

Obgleich Np-237 andere Verwendungsmöglichkeiten haben kann, besteht eine hlufige Verwendung in der Herstellung von ti -238 durch weitere Neutronenbestrahlung gemU der nachfolgenden Reaktionsgleichungχ

Np - 237 Np - 238 > Fu - 238

2.10 d

Pu-238 ist ein langlebiger ( R0)Jahre Halbwertsieit) energiereioher Alphastrahler, dessen radioaktiver Zerfall thermisohe Energien von ausreichender OrOIe liefert, ve Vorrichtungen für die Direktumwandlung von thermischer in elektrische Energie mit Energie su versorgen. -»

Aus dieren Grunde ist es außerordentlich wünschenswert, den bestrahlten Brennstoff aufzuarbeiten, um die spaltbaren und fruohtbsrenrlaterialien für die Wiederverwendung eurücksuge-

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winnen und abbutrennen und die Transuranisotope, wie Flutoniun, für die Verwendung In Kernbrennstoffen und Np-237 für die Verwendung tür Herstellung von fu-?}8 oder für andere

VerwendungßEwecke wiederzugewinnen.

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Bei einem vorhergehenden Verfahren wird eine SlurelOsung eines bestrahlen Brennstoffes ait einem Anionenaustauscherhari in Kontakt gebraoht, üb Plutonium von des Uran und den Spaltprodukten abzutrennen. Das Flutoniua wird von den Austauscherhars wiedergewonnen und anschließend gereinigt. Die Fraktion der Uranspaltprodukte wird dann dehydpatleiert und unter Bildung der Oxydfor« kalsiniert. Die geaisohten Oxyde «erden fluoriert und da· flüchtige Uranhexafluorld wird von den Fluoriden der Spaltprodukte aufgrund der unterschiedlichen Flüchtigkeit abgetrennt.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine Verbesserung eines solchen Verfahrens gerichtet.

Anhand der nachfolgenden detaiSierten Beschreibung^ die auf die beigefügten Zeichnungen besugnijeat, wird die Erfindung leichter verstanden. In dienten Zeichnungen ceigt:

Figur i ein vereinfachtes Oberaichtssohenat welches die orur.dprinsipien des erfindungsgevUUen Verfahrens veranschaulicht und

Figur 2 ein fliefbild, das in Detail das erfindungsgea&fce Verfahren wiedergibt.

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Uemäfi Figur 1 wird bestrahlter Kern^eaktorbronnetoff der mechanischen Avifbereitmignaone 10 zu gefach. Hier werden die Durehflußkanäle, die Lift Ssen, die Endstück.-) u:id die anderen, keinen Brennstoff enthaltenden Teile von asai Brennstoffbflndel entfernt. Falls sewünsent,kann hi«r g.aeh die mechanische Zerlegung des Brennstoffbündelis, beispielsweise durch Abtrennung der einzelnen Brennetof!stäbe, durchgeführt werden. Gemäß einer bevorzugten Ausfflhrungsform werden die einseinen Brennstoffstabβ weiter in kurze Stocke von etwa 7,5 cn (3 inch) Länge terhackt. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Kr-* findung werden die Brennstoffstäbe in ihrer gesamten länge durch eine Walz- und Stanzvorrichtung; geschickt, die tlii umkleidung perforiert; und das Brennmaterial im inneren a(-rs Brennelementes in einom goringen AusmaS '/.^^druckt* '■ti«) diepiix beiden !»»wztgen&pnten Operatitii.*n lienfc dasu, 4:^i Zutritt dor zum LBsrm verwendeten Sftnr» ;m dem Brönn- zn vergrßßerr.

l*r? weehfinleeh eufboroUse-be Bronnstofi' wj."i In <iie Lösungs-

% mm 12 su:a Löaen dso Br«rij&i.atfeo gegcbiiK Ln diar>er der» baetrahlto Bi'ejmetofi* mit ohißv utfii'ken 'i (beiopleliiMoiü« i>alj»«tereiturn} In Kon.fcakfc am da» Brßimaatci'lii.i au lösen, wobei /orssugaweise

atm UmhiUlangeJLWtAll ( beittpialsweLeu üLrk.aL'i.n mim* x*r-eie.c fUiahl) im wsaeiifci.iihen nicht

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- ίο -

Bei dieser Behandlung wird eine wässerige Slurelösung dee Urans und der Transuranbestrahlungsprodukte (Plutonium und Neptunium) sowie der Spaltprodukte erseugt, die von den ungelösten Umhüllungen durch Dekantieren, Filtrieren oder ähnliche Operationen abgetrennt werden kann.

Die Brennstofflösung wird in eine organische Extraktions-Bone IH gegeben, wo sie Ib Oegenstroa Kit einen organischen Lösungsmittel in Xontakt gebracht wird. Es existieren eine ganse Reihe bekannter organischer LOsungsnittel, die für diese Abtrennung geeignet sind. Si· uafassen paraffiniseht Kohlenwasserstoff lösungen von Tributylphosphat, D4.alky lather, Dlbutyloarbitol und andere. Das Uran und die Transurane (Plutonium und Neptunium) werden in der organischen Wnungu nittelexüraktlrmnpbase konientriert und werden so von den Spaltprodukten *lj*trennt, die im wesentlichen alle in der wässerigen Phaa* its Lesungaalttelextraktionsraffinati surüokblelbeu.

wässerig® L{3<ung«iffllttelext;raktion8raffin&t aus Zone ^ kann eins,? wtiitiöii Veriirbeitung unterwarfen werden. Ee kann L■··& 'l·}^ i>s)hfdi'ati8iarung3Eone Iß zugeführt

liier nuvdtii al ,«psl^prötiakbe in fester Itr'in r,ur weifcer«i beitung oder r,<a. *ioifc*rön

i «rl^ J-^'gewonnen * In Verfaliren, b»i denen der a

oloff in t)I<i«i· ι lüohfclgen Säure wie Salpetersäure

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ist, kann das Lösungsmittelextraktioneraffinat erhj.t-tt werden, um das Wasser tu verdaepfen und einen wesentlichen Teil der Säure für die Wiederverwendung xurückiugewini fin. Die zurückbleibenden Spaltprckfüktfeetstoffe können unter Bildung eines im wesentlichen wasserfreien Stroaes von Oxyden der Spaltprodukte kalziniert werden.

!er organische Extrakt aus der Zone I¹I wird einer Zone 18 Γ··~ /.!-.trennung de© organischen Extraktes ruge1eitet,wo der i":-:t:rokt im Qoccnotron mit einer verdünnten Lösung Salpeterri?ure( ungefähr 0,01 molar ) in Kontakt gebrecht wird. h'.o verdünnte Salpetersäure entfernt das Neptunium, Plutonium und Uran unter Bildung eines wässerigen Lötunge-■~i*iVploxtraktionoextraktes, der diese Stoffe enthält und ukR organische Lösungsmittel bleibt eurück, um in der LöBungsmittelreinlgungBcone 20 behandelt und der Extraktioneco-ie I^ widder sugeführt tu werden.

Der wässerige LCsungsnittelextrakt wird einer Zone /2 cur EinsV-allung der Plutoniumvalen« zugeführt, in welcher tin Uieiiflisch nersetsbaree Plutoüiumreduktionsmittel, w?e iminoguanidin, Eisen-II-Ionen, Sendcarbaeid, Ascorbinsäure, oder ein Hydroxylaminaalz eugegoben wird. Dieses Reduktionsmittel ist vortugsweise Hydroxylaninnitrftt, welches thermisch rereetzbar ist und ein schnell wirkendes Mittel darnelIt₁ ■welches keine festen Rückstände liefert .Das bevorsur'-o

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Reduktionsmittel wird in der Weise zugesetzt, daß die Lösung etwa 0,02 molar an Hydroxylaminnitrat ist. Es redUEiert die höheren Valentin des Plutoniums zu einer Valent von 3 Pu (III) und die höheren Valenzen des Neptuniums su einer Valenz von Ί Np (IV).

Der so reduzierte Lösungsmittelextrakt aus Zone 22 wird der Konzentrationszone 24 zugeführt. In dieser Stufe wird der Extrakt schnell einer siedenden Lösung starker Salpetersäure zugesetzt,und er wird duroh Verdampfung etwa um den Faktor 2 konzentriert. Dies macht das in Zone 22 hinzugegebene Reduktionsmittel unwirksam und oxydiert und stabilisiert des Plutonium in Form eines anionisehen Hexanitratkomplexes, der Plutonium- (IV) enthält. Gleichzeitig wird das vorliegende Neptunium in wesentlichen vollständig zu Valenzen oxydiert, die über 4 [Np(IV)] liegen, möglicherweise zu einer Kitchung von Np (V) und Np (VI).

Der so gebildete konzentrierte und stabilisierte Lösungsmittelextrakt wird auf 60° C abgekühlt und einer Plutoniumanionenaustauscherzone 26 zugeführt. Hier wird die Lösung mit dem Bett eineο Anionenaustausoherharzes aus einer starken Bace von quartemfirem Aaintyp in Kontakt gebracht, und zwar solchen, die in Handel unter den Handelsnamen

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Permutit SK, Dovex 1 und dergleichen erhältlich sind, Dan Plutonium £Pu(Iv)J wird vorzugsweise durch das Harz extrahiert und das Neptunium [Np(>IV)J und das Uran bleiben unter diesen Bedingungen in wesentlichen unbe-■ einflußt und passieren den Austasoher unter Bildung des ersten wässerigen Anionenaustauseherraffinates. Anschließend wird das Harz mit starker Salpetersäure gewaschen» um Uran und Spaitprodukte zu entfernen und das die Plutonium enthaltende Harsbett wird dann mit verdünnter {Salpetersäure als erster Eluierungsflüssigkeit behandelt, um ein Plutonium- £pu (ivfj- Produkt zu liefern, welches im wesentlich^! frei von Uran, Neptunium und Spaltprodukt««! ist.

Worin die Rückgewinnung des Neptuniums nicht gwünsoht vird, kurm du» erste Anionenaustauschx'affinat, welches Uran, Neptunium und eine Spur von Spaltprodukten enthält, direkt der Dehydratisierungazone 32 eugeführt werden, andernfalls wiM dieses erste Raffinat in dar nachfolgend beschriebenen Welsa behandelt.

Daa öi-öt» Anionenaustauscharraffinat, welohta Np(>XV) und U?an enthält, wird in der Zone 28 eur Einstellung der Nepfcuniumvalene mit einem streiten thtmiech x*rsetibaren Reduktionsmittel; beispielsweise einer Mischung aus

Eisen-II-Ionen und Hydrazin, in einer ausreichenden Menge - BAD ORIGINAL

behandelt, um Np (>IV) su Np (IV) su reduzieren. Oleichzeitig werden Spuren von Plutonium, die in der Zone 26 nicht extrahiert worden sind und die noch im ersten Raffinat anwesend sind, su Pu (III) reduslert. Dieses erste redusierte Raffinat wird anschließend auf einer Temperatur von etwa 6o° C gehalten* um das sweite Reduktionsmittel unwirksam su machen und das Neptunium als Np (IV) su

und 8puren von Plutonium alt Pu(JV) κί r«oxy4it«*£ ujnd su stabilisieret/, Ein anderes Neptuniunreduktionsmittal lUltren.

würde Samikarbasld sein.

i.i diesem Zustand und bei ungefähr der gloiohen Temperai-.'jc wird das stabilisierte, redusierte erste Anlonenaustau acherraffinat.in die Neptuniumanionenaustasohersone 30 g^gab»n_two as mit einem sweiten Bett eines Anionenauscaeoherharses von der gleichen Art, wie sie vorstehend hai der* Plufeoniuaanionenauattuechersone 26 beschrieben Lst, in Kunfcakt gebracht wird. In der Zone 30 wird das lieptunuun Als Np (IV) bevorzugt von dem Hare extrahiert» «fahrend das Uran im wesentlichen unbeeinflußt hindurchgeht und ils ein «weites Anionenaustascherraffinat austritt» Das so behandelt« Haie wird anschließend mit etarker Eisen-II-ionen und Hydrasin enthaltender Salpetersäure gewaschen, um Ui^m, Plutonium und Spaltprodukte su entfernen. Anschließend wiiM dtn gewiisoheneBars mit einem zweiten EIuierungestrom, der verdünnte Salpetersäure enthält, gewaschen, wobei das Np (IV) In Form einsr Lösung;, die la wesentlichen

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frei von Plutonium, Uran und Spaltprodukten ist, anfeilt.

Das tweite Anionenaustauscherreffinat wirddann in die Dehydratisierungasone 32 gegeben, wo et erhitst wird, um Wasser und rückständige Stur« tu entfernen und einen wasserfreien Feststoff su ergeben, der das uran als Ürantrioxyd (UO.) enthält. Die wiedergewonnen Sturen werden sur Wiederverwendung la Verfahren Burückgeleltet. Die im wesentlichen Plutonium- und Heptuaiu»~frelen, wasserfreien Feststoffe verlassen die Zone 32 und werden in eine Fluorierungssone 3* gegeben. Bier wird das UO, direkt mit elementaren Fluor fluoriert, tut das UO- in das Uranhexafluorid übertufOhren.

Das fluorierte Material wird dann In eine Fluorid-Trenn-Kone 36 gegeben, in weloher das Uranhexafluarid von den anderen möglicherweise anwesenden Fluoriden, einsohlieilioh den Spuren d«r Spaltproduktfluoride, getrennt wird.

Die Verwendung eines einstufigen,nioht unterteilten organischen Lusungssdttelextraktionssohrittes bei der vorliegenden Erfindung iu Bewirkung einer vorläufigen Trennung der Spaltprodukte von des Uran und den transuranisohtn Beetrahlengsprodukten bedeutet unter anderem sowohl eine benerkenswerte Verbesserung bei den darauffolgenden Arbeitsverfahren als

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auch dee Qeaamtverfahrens. Er vermeidet weiterhin die Notwendigkeit einer besonderen Filtrierung oder anderer Klärbehandlungen der Zuleitungeströme für die Anionenaustauscheroperationen,er bewirkt eine wesentliche Verminderung der mitgeführton Spaltprodukte und der ihnen innenwohnenden Strahlung sowie die NitritserstOrung in den Anionenaustasoherzonen 26 und 30 und er erleichtert auch die Valenskontrolle der Transurane in den Zonen 22 und 28 außerordentlich. Weiterhin vermindert er gans wesentlich die im Zusammenhang mit den Spaltprodukten in der Dehydrierungssone 32 duroh Verflüchtigung von Ruthenium auftretenden Probleme* er eliminiert faot vollständig die Steuerungssohwierigkeiten in der Fluorierungsxone 3%, die anderenfalls im Zusammenhang mit den flüchtigen Spaltprodukten Tellur, Jod, Molybdän, Antimon, Niob,Technetium und Ruthenium auftreten, er eliminiert die Notwendigkeit spesieller Mittel, die andererseits erforderlioh sind, um die Hit«entwicklung durch Zorfall der Spaltprodukte in der Fluorierungsione 34 und der Fluorldtrennzone 36 tu beheben, er vermeidet im wesentlichen die mit der Beseitigung gasförmiger oder fester Rückstände austretenden Probleme, die anderenfalls mit den Verfahren in der Fluorlerungs- und den Fluoridtreimtonen 34 und 36 verbunden sind; er vermindert wesentlich die Sohutsvorrichtungen, die anderenfalls für die Anlage in den Xonenaustausch-und in den Fluoridtrennsonen 26,33 Und 36

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erforderlich sind, er konzentriert die Spaltprodukt· in einer andererseits salefreien Nitratlösung, die für die ?el&kiv einfache Kalzinierung in der Zone lö verantwortlich lsi·; er gestattet schließlich die Wiedergewinnung der Spalt-» produkte und der Transplutoniumisotope aus Lösungen, dl« im wesentlichen frei von Rückstanden der Verfahrensreagensien Bind.

Be!spiel!

In Figur 2 ist ein sohematischee PlieÄbild einer arflndungs· g*nflSen Ausführung*form geseigt» Die BeiohreIbung der Figur erfolgt anhand eines beetim»tan Beispiels der vovlLegenden Erfindung, welches sich auf Ή*» Aufarbeitung von bestrahltem UOg - artigen Kernkraftbi-ermstoff besieht, do*» bis £u ungefähr £0 000 MWD/T (Megawatt. Tagt / Tonnen) Upmi bestrahlt worden ist. Der bestrahlte Brennstoff ffillt In Form von Bündeln von ungefähr 3 m Lflng« (10 FuA) und 24 cn" (3*75 inch²) Querschnitt an. Diese Iflnrtal bestehen au .j oinor quadratischen 6x6 Anordnung von Brennstoff stäben von ungefähr 12,7 »an Durchmesser (0,5 inch), die »it einem f: ,bf aus Zirkoniumlegierung umkleidet sind and ursprünglich 'Ju₂ mit; etwa 2 % Anreicherung (2,0 % U 235; enthielten. Die relativen Mengen an Uran, an Transuranen (Plutonium und Neptunium) sowie an Spaltprodukten, die in ύ«rarfeige*

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bestrahlten Brennstoff vorliegen, belaufen tion, in elenan~ tarer Form ausgedrückt, ungefähr auf folgende Werte:

Tabelle I Zusammensetzung des bestrahlten Brennstoffes

U	1,000	.9	kg
Pu	6	.35	kg
Np	O		kg
Spaltprodukt·	12	kg

Die bestrahlten Brennstoffbündtl werden einer maohanisohen Aufbereitung*zone 50 zugeführt. Hier werden die Kanäle, dia LiftiSaen, und die Endstücke entfernt und die Brannatoffyfcäbe in Stücks von ungefähr 7.5 om ( 3 inch ) Länge zerhackt. Der üo vorbehandelt β Brennstoff wird zu» Lösen in einen Auflöaungsbehältar 52 gegeben. Das Mittel sum Auflösen besteht aus starker Salpetersäure. Die Aufbereitungs· säure wird durch die Leitung 5^h eusasmen mit der durch die Leitung 138 zurückgeführten Säure unter Bildung einer ungefähr 7-molaren Lösung zugegeben. Diese Lösung wird durch das Lösungsgefäß sowie die mit einem Ventil 58 versehenen Leitungen 62 und 64 uagepumpt, und zwar mit Hilfe einer sogenannten Schlammpumpe (Air lift), bei der Luft durch die Leitung 66 und das Ventil 58 eingeführt wird.Die HubIuft

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und die beim Lösen des Brennstoffes freigeaetcten Oase werden über eine Gasreinigungsanlage 55» beispielsweise GaevfiBcher, Silberreaktoren und Filter an einen Schornßtcin 53 abgeleitet.

Nach der Auflösung des Brennstoffes wird die wässerige Lösung bei geschlossenem Ventil 58 durch die Leitungen 64,70 und das Ventil 65 mittels einer Strahlpumpe 74 durch die Leitung 72 in einen Tank 76 für den laufenden Verbrauch ontleert, und twar nit einer Geschwindigkeit, die durch das Ventil 73 in der DampfeinlaAleitung 71 gesteuert wird. Die Irdaung ist an Ende des Lösungsxyklu· ungefähr 3-eolar en Salpetersäure. Die ungelösten Metallhüllen, die in eine« «iüftfc geseigten Korb «urückbehalten werden, werden aus de« Ai-'f-Xömingegeflß 52 entfernt ,und nach des Ablassen der Lösung wird eine Nachfolgende Charge τοπ bestrahltem Brennstoff eingefüllt. Der LösungsKyklus wird wiederholt und die so hergestellten Lösungen werden in den Tank 76 für-den laufen·" den Bedarf angesammelt.

Dia Lösungsmittelextraktion und die Operationen rur Abtrennung des Εκΐ-raktes werden in den Kolonnen 80 und 82 durchgeführt. Diese Kolonnen sind von bekannter Konstruktion und können mit Kontaktplatten, Fraktionierböden oder festen Füllungen versehen sein, um den Kontakt «wischen den Flüssigkeiten

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eu vergrößern. Die Kolonnen sind vorsugsweise vo· pulsierenden Typ, um einen ausreichenden Kontakt und Durchfluß dos organischen Lösungsmittels und der wässerigen Ströme EU erreichen. In der Extraktionskolonne -80 ist die organische Phase die kontinuierliche Phase und die wieβerige Phase die diskontinuierliche Phase. In der Abtrennkolonne 82 ist die organische Phase die diskontinuierliche und die wässerige Phase die kontinuierliche Phase.

Die Lösung gelangt von dea für den laufenden Bedarf vorgesehenen Tank 76 mittels einer Pump· 81 durch die Leitung 86 und das Ventil 88 an einen Zwischenpunkt der Lösungsaittelextraktionskolonne 80. Diese Lösung enthält etwa 360 g uran pro Liter in Fora von Urannitrathexahydrat und sie ist etwa 3-Bolar an Salpetersäure.Ae Kopf der Kolonne 80 wird dttrch die Leitung 90 und das Ventil 92 Salpetersäure mit einer etwa 3- molaren Konsentration eingeführt, wobei-die volumetrische Durchflußgesehwindigkeit etwa derjenigen der Eugeffihrten Lösung entspricht. An Boden der Kolonnen 80 wird durch die Leitungen 9* und das Ventil 96 eine normal·

Dodekanlösung von Tributylphosphat eingeführt. Die volumetrische Durchflußgesohwindigkeit des Lösungsmittels beträgt ungefähr 400 % der Kolonnenbeschickung. In dem unterhtlb den Beschickungspunktss der Kolonne 80 liegenden Teil trifft das organische Lösungsmittel im Qegenstromauf

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die wässerige salpetersaure BesohiokungslOsung und extrahiert das Uran,Plutonium, Neptunium und einig· der Spaltprodukte in das organische Lösungsmittel. Di· organisch· Phase steigt in der Kolonne naoh Passierung der Besohiokungsstelle mit der Lösung in den oberen Teil der Kolonne auf. Hier wird der organische Extrakt im Oegtnstro« alt der Salpetersäure in Kontakt gebracht, welche daiu dient, au· der organischen Phase im wesentlichen alle Spaltprodukt· herausBuwaschen. Diese Materlallen kehren in der wisserigen Phase durch die Kolonne nach unten lurflok, passieren den Besohiokungspunkt und gelangen für eine abermalig· Behandlung in die unter« Zone surOck.

Vom Boden der Kolonne 80 wird durch die Leitung 98 und das Ventil 100 die wässerige Lösung eines Bxtraktionsrafflnates abgegeben, welches den größten Teil der Spaltprodukt· sowie zurückgebliebene Spuren von Uran und Transuranen.«nthilt rad das in die Dehydratisierungseone 102 eingeführt wird. Hier wird das Raffinat aus der Lösungsmittelextraktion sum Sieden erhitzt, um das Wasser su verdampfen und die NitratSalzlösung su konsentrleren. Diese Lösung kann durch die Leitungen 104 und 105 und das Ventil 107 but weiteren Verarbeitung und Wiedergewinnung bestimmter radioaktiver Materialien abgeführt werden· Anderenfalls gelangt die Lösung dureh die Leitungen 104 und 109 und das Ventil 106 in die

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Kalsinierungsvorrichtung 108. Pall· gewünscht, können dieser LOsung Streckmittel sugesetst werden, dlenaeh der Kalzinierung feste Stoffe aus Streckmittel und Spaltprodukten mit verbesserten Abfall-Lagereigenecnaften ergeben. Derartige Materialien umfassen Zinknitrat, Aluminiumnitrat und die Alkali- und die Brdalkalimetallborate, Phosphate und Silikate. In jedem Falle sersetst die Kalsinierung die Nitratealse, sie entwickelt Salpetersture und gemischte Oxyde des Stickstoffs und liefert die Spaltprodukte in wasserfreier Form. Die wasserfreien Feststoffe werden durch die Leitung 110 aus der Kalsinierrorriohtung 108 abgeführt und tu einem geeigneten abgeschirmten Lager gebracht.

Der Wasserdampf, die Salpetersäuredämpfe und die gemischten Oxyde des Stickstoffs, die in den Zonen 102 und 108 entwickelt werden, gelangen durch die Leitung 112 in eine Einrichtung 114 sur Aufarbeitung von Salpetersäure« Nicht kondensler- ) bare Oase (hauptsächlich 8tiokstoff) werden entfernt und durch die Leitung 132 dem Schornstein 53 sugeleitet. Die gebildete konsentrierte Salpetersäure wird dem Auflösungsgefäft 52 durch die Leitung 138 und das Ventil l4o wieder sugeleitet.

Vom Kopf der Kolonne 80 wird der organische Extrakt, der das

Uran, das Plutonium und das Neptunium sowie Spuren der Spaltprodukte

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enthalt, durch die Leitung HiO mit überlaufgeschwindigkeit entfernt. Dieser organlache Extrakt bildet die Beschickung, die am Boden der Kolonne 82 für die Lösungsmittelabtrennung eingeführt wird. Ab Xopf der Kolonne 82 wird durch die Leitung 1*2 und das Ventil IM verdünnte Salpetersäure (ungefähr 0,01 molar) mit einer Durohfluagesohwindlgkeit, die etwa der Beechlckungegeschvlndigkelt der Kolonne 82 entspricht, «ingefahrt. Die organische Phase steigt Im Gegenstrom su

Yerdünnten

dor herabsinkenden/Salpetersäure durch die Kolonne 82 auf. Unter diesen Bedingungen extrahiert die Salpetersäure das Uran, das Plutonium und das Neptunium aus der organischen Phase unter Bildung eines veraraten Lösungsmittels und ;>inea wässerigen LOsungsmlttelextraktes. Dieser Extrakt wird am Boden der Kolonne 82 durch die Leitung 1*6 und das Ventil 148 entfernt und wird, wie nachfolgend beschrieben, sr.ur Abtrennung und Wiedergewinnung des Urans, Plutoniums und Neptuniums weiter behandelt.

Der aus einem verarmten organischen Losungsmittel bestehende überlauf der Kolonne 82 wird durch die Leitung 150 in eine alkalische Vasohkolonne 152 eingeführt. Durch die Leitungen 2 5*ί und das Ventil 156 wird eine verdünnte Lösung von Natriumkarbonat eingeleitet, die im Gegenetrom mit dem Lösungsmittel in Kontakt tritt, welches durch die Leitung 3p8 in die Säurewaschkolonne 160 gelangt. Das Abwasser

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wird durch die Leitung 162 und dae Ventil 164 abgeleitet. Das Lösungsmittel in der Kolonne 160 wird mit verdünnter Salpetersäure, die durch die Leitung 166 und daa Ventil eingeführt wird, in Kontakt gebracht.Das Abwasser wird durch die Leitung 170 und das Ventil 172 entleert. Das wiederaufbereitete Lösungsmittel wird von der Kolonne l60 durch die Leitung 171 in den Tank 173 mirüokgeleitet. Frisches * Lösungsmittel kann durch die Leitung 174 und das^ntll 176 sugesetEt werden und das organische Lösungsmittel wird mittels der Pumpe 178 durch die Leitung 94 surüok sur Kolonne 80 geleitet. Die wässerigen AbwasserstrOma werden in eine Behändlunge- und Verwendungssone 177 mit -niedrigem radioaktivem Niveau entleert, um beispielsweise durch Anwendung der Aaphalt-Versohnitteehniken, unbeweglich gemacht zu werden.

, Es sei bemerkt, daß diese vorstehend beschriebene Lösungsmittelextraktionsoperation keine Teilung oder Abtrennung das Urans von dem Plutonium und.Neptunium einschließt, sondern daß eher eine Abtrennung dieser Materialienais Mischung von dem größeren Teil der Spaltprodukte und unlöslichen feinverteilten Feststoffrückständen, die aus de» Auflösungsgefäß 52 mitgeschleppt wurden, bewirkt wird. Weiterhin wird die Salpetersäurekon«entr&tion in der wässerigen Phase in der Extraktionskolonne 80 auf relativ hohen

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Werten (etwa 3 molar oder mehr) gehalten, um die Extraktion dtr Spaltprodukte,, die als Fluoride (beispielsweise Ruthenium) flüchtig sind, durch die organische Phase zu unterdrücken.

Vom Boden der Kolonne 82 wird durch die Leitung 146 der wässerige L0sungsinittelextrakt entfernt, der das Uran, Plutonium und Neptunium sowie Spuren von Spnltprodukton enthält, und der ungefähr die folgende ZusaaanonsdtBung aufwaist:

Tabelle II . Wässeriger Extrakt U 90 Clramm/Liter

l»u (IV), (VI) 0.6 Üraram/Llter Np (IV), (V), (VI) 0,03 Qramm/Liter

1ΙΪΙ0, 0,2 molar

In dem Teil der Figur 2, der die Verfahrenenohrifct· für die Wiedergewinnung des Plutoniums und Heptuniumo beschreibt, bestehen die wesentlichsten Einzelheiten der Anlage aus dem LösungsmittelextraktionsextraktkonEentrator 180, der mit einem Dampfabscheider 182 und einem Wiedererhitser versehen ist, dem Kühler 186, dem Plutonium-Anionenmuitausoher 188, der mit den Abtrennventilen 190, 192 und 194 versehen

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lot, die don Austauscher in dia Plutoniumextraktionssone 196, in die Wasohzone 193 und die Plutoniumeluierungiaone 200 aufteilen und den Neptunium-Anionenaustauscher 202, der mit den Abtrennventilen 204, 206 und 208 versehen ist, die den Austauscher in die Neptuniumextraktionstone 21O₄ die Wasohtono 212 und die Heptuniuneluie'rungseone 214 aufteilen.

Dar Lusungsaittalextraktionsextrakt wird bei einer Temperatur v<η etwa 45°C durch die Leitung 146 und das Ventil 143 nach Zusatz einer ausreichenden Menge eines thermisch ssereafciibaren Plutmiiumreduktionsmittels( solche wie Aminoguanldin, 3e»lkarbaBid, Eiien-II-ionen, Ascorbinsäure) und vorzugsweise Hydroxylaainnitrat durch die Leitungen 220 und laa Ventil 222 eingesetst. Dies erfolgt in der Weise,, daä die Konzentration des Reduktionsmitteln in dem Extrakt aui etwa 0,02 molar ansteigt. Die flüssige Mischung fIiJiSt duroh die Leitung224 in den Kopf des Dampfabsaheid^rs 1Ö2, wo sie im Qegenstrom au dem aufütolgendan Stros aus Wasserdampf und Salpetersäured&epfen, die im Wiedererhifcüer 184 verdampft worden sind, absteigt. Die Übergehenden Dämpfe werden in dem Kondensator 226 kondensiert und teilwaiBd durch die Leitung 228 und das Ventil 230 als Rücklauf dem Dampfabscheider 182 und teilweise durch die Leitung 124das Ventil 126 im Kreis zurückgeführt,und sie kennen im Kopf der LÖBungsmittelabschaidkoionneSa wieder

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cugeoetzt werden.

dos Durohgangea der Kisohung aus Lösungsmittel·» eifcrakt.ionuextrakt und Plutonium Reduktionamittel durch die · leitung 22Ί und dann abwärt β durch den Dampfabscheider wird die .Plutoniumreduktion su Pu (ZZI) und die Neptuniumreduktion su Np (IV) vollendet. Diese Reaktionen erfordern unter diesen Bedingungen eine Zeit, die im Bereich von etwa ? bin 10 Minuten liegt und eine Säurekonsentration, die e ;wa 2 molar nicht übersteigt. Diese Reduktion kann in beliebigen RaaktionsgefU ausgeführt werden,

, daß die notwendige Seit und diese vorstehenden Bedingungen eingehalten werden. In jedem Fall muß diese Reaktion vollständig verlaufen, bevor die Mischung schnell in dem hoohsauren Strom am Konzentratorboden gelangt, der durch den Wiedererhitser 181 umltuft. Der Stroe Am Konc'intratorbodens, der durch den Wiedererhitser 184 und die Leitungen 232,234, 236 susammen mit den starksauren Plutonium- und Neptuniumwasohabwftssern, die durch die Leitung 238 zurückgeführt werden, umltuft, wird auf Siedebedingungen gehalten, die In diesem Beispiel etwa 110° C betragen,und i-y weist ungefähr die folgende Zueamaensettung auf:

Tabelle III

K-snsentr at Onbodenstrom

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U	3	180	Gramm/Liter
HNO	(IV)	7	molar
Pu	(IV)	1.2	Gramm/Liter
Nd	0.06	Gramm/Liter

3obaid die Mischung aus Lusungsmittelextraktionsextrakt und Plutonium-Reduktionsmittel von dem Dampfabscheider nach unten gelangt und sich schnell mit der siedenden 7-molaren Salpetersaure des Koneentratorbodenstromes mischt, wird das Reduktionsmittel zerstört. Die 7-molare Salpetersäure oxydiert-das anwesende Neptunium tu Np (>I7) und oxydiert und stabilisiert das Plutonium als Pu (Vf), Das so reduzierte und stabilisierte.Extraktkonsentrat wird durch die Leitung 240 und das Ventil 2*2 entfernt und in 4tm Kühler 186 auf etwa 6o° C abgekühlt. In dieses Zustand 1st das Konzentrat geeignet für die Abtrennung des Plutoniums von dem Neptunium und Uran in dem Plutonium-Anionenaustausoher 188. Die im Viedererhitser 18* aufrechterhalten· Salpetersäurekoncentration stellt dabei einen kritischen Paktor für die erfolgreiche Einstellung der Plutonium- und Nept&iumvalenzen dar. Zu diesem Zweck miß die Konsentration des Konsentratorbodenstromes ausreichend sein, um die Hexanitrat-Plutonlumkomplexe su bilden, d.h.wenigstens etwa 4-molar an Salpetersäure und vorzugsweise etwa 7-molar sein.

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Beide in Figur 2 geseigten AnionenauatauBOher 188 und 202 sind im Handel erhältliche halbkontinuierliche Fließbett" Anionenaustauacherhare-Kontaktvorrichtungen, allerdings können Festbettvorriohtungen ebenfalls verwendet werden. Diese Vorrichtungen werden im Detail nicht weiter beaohriaben, es sei lediglich bemerkt, daft bein Betrieb die verschiedenen Flüssigkeitaströme durch die einseinen Kontaktzonen (196,198 und 200; 23.0, 212 und 214) fließen, wahrend die Abtrennventile (190,192 und 194; 204, 206, 208) geschlossen sind und das Harrbotfc stationär ist, daft jedoch dann,wenn der-Flüssigkaitsdurehfluft beendet istjund die Abtrennventil» offen sind durch nicht dargsstellt* herkömmliche Mittel das · HaTPb et f. periodisch um einen vorherbestimmten Betrag entgegen daa Uhrselgerslnne besogen auf die in Figur· 2 dargestallte Vorrichtung bewegt werden kann und daft bei> anschließenden Versohlieften der Abtrannventile der Fiassigkeltsdurohfluß wieder eineetst, und swar in der Veise, daft »in halbkontinuierliches Extraktions-,Wasch- und Eluierungssystem erhalten wird.

Der Strom des Konsentratorbodens mit der in Tabelle ZII gegebenen Zusammensetzung wird durch die Leitung 240 eingeführt und geht durch die Plutoniun-Extraktione&one 196 des Plutoniust-Anionenauatauschera 188. Das Plutonium wird durch das Hars ia wesentlichen quantitativ extrahiert

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unter Bildung eines ersten Anionenaustauscherraffinates, welches durch die Leitung 244 austritt. Dieser Strom hat die folgende ungefähre Zusammensetzung:

Tabelle IV Erstes Anionenauetausoherraffinat

Ό :	165	Grama/Liter
HNO3	6.5	molar
Pu	Spuren
Hp (IV)	0.06	Qramm/Liter

Das in der Waschzone 198 vorliegende Harz, das vorher beim Durchgang durch die Extraktionsxone alt Plutonium beladen worden ist, wird mit 2-molarer Salpetersäure bei einer Temperatur von 60° C gewaschen, die durch die Leitung 247 und das Ventil 249 eingeführt wird, ua Spuren von Uran und Spaltproduktverunreinigungen, die in der Extraktionszone 196 aufgenommen worden sind, zu entfernen. Das erhaltene Plutoniuawaschwasser wird aus der Vasohzone 198 durch die Leitung 250 und das Ventil 252 entfernt und durch die Leitung 2£8 zur erneuten Behandlung in den Wiedererhitzer 184 zurückgeführt.

Das in der Plutonium-Eluierungszone 200 vorliegende Harz wird,nachdem es im wesentlichen von Verunreinigungen frei

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gewaschen int, mit 0,6 - molarer Salpetersäure bei einer Temperatur von etwa 60° C in Kontakt gebracht.die als erster Eluierungestrom durch die Leitung 254 und das Ventil 257 eingeführt wird. Hierdurch wird das Plutonium von de« Harz eluiert und ergibt ein duroh die Leitung 256 und das Ventil 258 ausströmendes erstes wässeriges Elua*·, welches die Lösung des Plutoniums darstellt, die die folgende Zusamnenaeteung aufweist:

Tabelle V PlutoniumlOsung Pu 15 Or aas/Liter

HNO₃ 4.5 molar

Dieser Strom kann in einer nioht dargestillten Kontentrierungavorrichtung, die dem Viedererhltser 184 gleioht, weiter behandelt werden, ua eine wässerige Plutoniuanitratlöeung mit einer Konzentration von ungefähr 250 Qramn pro Liter EU ergeben.

Wenn die Wiedergewinnung des Neptuniums nicht gewünscht wird, wird das erste Anionenaustauecherraffinat, das von der PlutoniumextraktionsBone duroh die Leitung 244 austritt, bei geschlossenem Ventil 246 durch die Leitung 251 und das Ventil 253 der nachfolgend beschriebenen Einrichtung zur

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Wiedergewinnung des Urans zugeführt. Anderenfalls wird das erste Raffinat wie folgt behandelt:

Die in der Plutoniumextraktionszone 196 gebildete erste Raffinatlösung, die die in Tabelle IV angegebene Zusammensetzung und eine Temperatur von etwa 60° C aufweist, passiert die Leitung 24Ί und das Ventil 246 und wird mit einem thermisch zersetzbaren Neptuniumreduktionsmittel vereinigt, welches bei etwa 20° C durch die Leitung 259 und das Ventil 260 zugegeben wird. Das Reduktionsmittel hat die folgende Zusammensetzung:

Tabelle VI
Neptuniumreduktionsmittel

Eisen-II-Ionen 1 molar Hydraeinnitrate 2 molar HNO₃ 1 molar

Die Menge des so zugegebenen Neptuniumreduktionsmittel ist so bemessen, da* das gesamte Np (> IV) zu Np (IV) reduziert wird, was durch Aufrechterhaltung einer ungefähr 0,02 molaren Reduktionsmittelkonzentration in der Mischung erreicht werden kann. Hierdurch wird gleichfalls etwa vorhandenes Plutonium zu Pu (III) reduziert. Bei der Arbeitstemperatur von 60° C wird jedoch letztlich das Reduktionsmittel zerstört, wonach

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das Plutonium in der Lösung wieder zu Pu (IV) oxydiert. Das Neptunium bleibt jedoch Np (IV). Ein anderes geeignetes Neptuniumreduktionsmittel ist Semikarbazid. Das so behandelte erste Raffinat wird dann durch die Leitung 262 dem Neptuniumanionenaustauscher 202 zugeleitet.

Dieser Austauscher ist hinsichtlich Konstruktion und Arbeitsweise mit dem vorstehend beschriebenen Plutoniumanionenaustauscher 188 im wesentlichen identisoh. Das von der Neptuniumextraktionszone 210 durch die Leitung 264 und da· Ventil 266 abgegebene zweite Anionenaustauscherraffinat ist eine wässerige salpetersaure Lösung von Oranylnitrat und hat ungefähr die folgende Zusammensetzung:

Tabelle VII Uranlösung

(Zweites Anionenaustauscherraffinat)

ü	160	.3	Gramm/Liter
HNO3	6	.02	molar
Eisen-III-Ionen	0	molar

Diese uranhaltige Lösung wird wie nachfolgend beschrieben welter behandelt.

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Durch die Leitung 268 und das Ventil 270 wird eine Salpeter sfiurewaschlösung, die ungefähr die folgende Zusammensetzung aufweist, bei etwa 60° C in die Waschzone 212 eingeleitet.

Tabelle VIII
Neptunius-WaaohlOsung

Eieen-II-Ionen 0.02 solar Hydrazin 0.04 solar

HNO, 6 molar

Sie erteugt ein durch die Leitung 272 und da· Ventil austretendes Neptunius-Wascheluat, welches durch die Leitung 238 des Wiedererhitser 184 wieder zugeführt wird.

D *· to beladene and gewaschene Austauscherhars in der Eluierungssone 214 wird bei einer Temperatur τοη etwa 60° C alt 0,6 solarer Salpetersture, die als zweiter Bluierungsstros durch die Leitung 276 und das Ventil 278 eingeführt wird, in Kontakt gebracht und liefert durch die Leitung und das Ventil 282 die Neptuniumhaltlge Lösung mit der nachfolgenden ungefähren Zusammensetzung.

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Tabolle IX
NeptunlumlBaung

Np 1.2 Qratm/Liter HNO₃ 3 molar

Di« LOeung kann in einem nioht geaeigten Konstntrator, einer | Vorrichtung, die de· Wiedererhiteer 184 thnelt, veiterb··* handelt «erden, üb eine «Maserig· Neptuniumnitratlflsung mit einer KonBcntration von ungefähr tlO g/l eu ergeben.

Dao eweite Anlonenaustauscherraffinat, dae von dem Neptunium-AplonenauBtaußchor 202 herrührt und in dor Leitung 26¹I anfällt , (odor in Falle, daß eine Neptuniumaufarbeitung nioht gewünscht wird, da· erste Raffinat, da· in dem Flutoniumanionenau8tau«ch«r 188 gebildet wird, und durch die Leitungen 2*1 und 251 anfällt), stellt den uranhaltigen Strom dar, dar in wesentlichen frei von Plutonium, Neptunium und Cpaltprodukten ist. Dieser vlsserige Strom gelangt über die Leitung 290 in die DehydratisierungSTorriohtung 292, wo die LOsung verdampft wird und eine konsentrierte Lösung mit 60 bis 100 % ürannitrathexahydrat bildet. Das entwickelte Wasser und die verdünnte Salpetersäure werden über die Leitung 29$ in eine «weite Salpetersäure-Aufarbeitungsnone 293 geleitet. Nicht kondensierbare Oase aua der Zone

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293 gelangen über die Leitung 295 sum Schornstein 53* Die wiedergewonnene Salpetersäure kann dem Verfahren wieder zugeführt werden, beispielsweise indem εie durch die Leitung 297 dem Wiedererhitzer 184 wieder zugeführt wird.

Die konzentrierte Lösung aus der Dehydratisierung vorrichtung

292 gelangt durch die Leitung 296 und das Ventil 298 in die Kalziniervorrichtung 300. Hier wird die konzentrierte Lösung bei einer Temperatur von etwa 300° C kalziniert, wobei das Uran la wesentlichen vollständig in Urantrioxyd (UO,'/ und die ausgewählten Spaltprodukte in die entsprechen* den Oxydfornen umgewandelt werden. Zurückbleibende Feuchtigkeit, Salpetersäure und die gemischten Oxyde des Stickstoffes werden durch die Leitung 302 entfernt und können der Zone ·'

293 für die Wiedergewinnung von Salpetersäure wieder zugeführt werden. Einige Spaltprodukte, wie Ruthenium₍können eich ebenfalls in der Kalzinierungsstufe verfluchtigen,und βie werden von den entwickelten Oasen durch Kontakt mit Absorptionsmittel 304 entfernt.

Die kalzinierten Feststoffe werden aus der Kalziniervorrichtung 300 durch die Leitung 306 entfernt, und sie werden direkt der Fluorierungezone 308 zugeführt. Diese Materialien werden bei einer Temperatur zwischen etwa 300° C und 600⁰C mit elementarem Fluor in Kontakt gebracht, um Urantrioxyd

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in Uranhexafluorid umzuwandeln und die Spuren der Spaltprodukte, die ebenfalls anwesend sind, in ihre: entsprechenden Fluoride umsusetsen. Das Fluor wird durch die Leitung 310 und das Ventil 312 eingeleitet·

Die Dämpfe der Reaktionsprodukte aus der Fluorierungsstufe enthalten in der Hauptsache eine Mischung aus Uranhexafluorid sowie Spuren von Plutonium- ,Neptunium- und Spaltprodukt* Fluoriden. Feste Fluoride werden periodisch aus der Fluorierungssone 308 durch die Leitung 313 und das Ventil 31$ entfernt und sie können su einer Abraumeinrichtung 177 für wenig-strahlende Produkte geschickt werden. Die an Kopf

übergehenden Dtapfe werden Ober die Leitung 314 ' der Fluorierungseinrichtung 308/in und durch Absorptionskolonnen 316 und 318 geleitet, um Spuren von anderen Fluoriden als Uranhexafluorid su entfernen. Der Uranhexafluoridstrom, der keine kondensierbaren Gase»enthält, wird in eine kalte KOhIfalle 320 geleitet. Die nicht kondeneierbaren Oase gelangen durch die Leitung 324 sum Schornstein 53· Die verdampften Materialien, im wesentlichen Uranhexafluorid, werden diskontinuierlich als Verfahrensprodukt durch die Leitung 324 und das Ventil 326 aus der Kühlfalle 320 entfernt. Falls gewünscht, kann das Uranhexafluorid welter gereinigt werden, indem es durch die Leitung 328 und das Ventil 329 in die Destillationskolonne 330 gegeben wird, die mit einem Kondensator 332 für das übergehende Kondensat und einem Wiedererhitser 334 vergehen ist.

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In diesem Fall wird das verunreinigte uranhexafluorid duroh die Leitung 336 und das Ventil 338 entfernt,und es kann der Fluorierungeeinrichtung 308 wieder angeführt werden. Das am Kopf übergehende Produkt stellt das weiter gereinigte Uranhexafluorid-Verfahrensprodukt dar, weIohe· duroh die Leitung 3*0 und das Ventil 3*2 abgesogen wird.

', Aus dem Vorgehenden ist ersichtlich, da* die Kombination einer vorläufigen, nioht unterteilten Lösungsmittelextraktion und einer Abtrennoperation die Anionenaustausohoperationen, in denen Plutonium (und falls- gewünscht Neptunium) wiedergewonnen werden, und weiterhin die Fluorierungsoperationen, in denen das Uranhexafluorid erseugt wird, wesentlich verbessert. Die dabei auftretenden verschiedenen spesiellen Vorteile und Verbesserungen wurden vorstehend besehrieben.

Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Verfahren sur Behandlung von bestrahltem Kernreaktorbrennstoff sur Wiedergewinnung von Uran und wenigstens einem Transuranisotop, welche Produkte im wesentlichen frei von Spaltprodukten sind und wobei der Kernbrennstoff in einer starken Mineralsäure unter Bildung einer wtsserigen Lösung aufgelöst wird, anschließend diese Lösung sur Abtrennung des Urans und des Transuranisotops in einer Form, die im

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   wesentlichen frei von Spaltprodukten ist, weiterbehandelt wird, gekennseiehnet duroh di· folgenden Verfahrenssohritte: Abtrennung des Urans, der Transuranieotope und der Spaltprodukte voneinander, indem deren Lösung «it efts* verarmten organischen Lösungsmittel unter Bildung eines orgnaisohen Lösungsmittels unter Bildung eines organischen Extraktes, der das Uran und ·-, dae Transuranisotop enthält, in Kontakt gebracht wird und bei des sioh ein wässeriges Lösungsmittelextraktionsraffinat bildet, welches die Spaltprodukte aufweist; Dehydratisierung des wässerigen Raffinates cur Gewinnung der Spaltprodukte; Zerlegung des organischen Extraktes unter Bildung des vertreten organischen Lösungsmittels und eher wässerigen Lösung des Extraktlonsextraktesa der das Uran und das Tran·- uranisotop enthalt; in Kontaktbringen dieses wässerigen Extraktes mit einem Anionenaustausoherhars, um das Transuranisotop unter Bildung eines wässerigen Anionenaustausoherraffinates, welohes das Uran enthalt, cu extrahieren; Bluierung des Transuranisotops aus dem Bars, Dehydratisierung des wässerigen Anlonenaustausoherrmffinates und IaI-sinierung der erhaltenen Feststoffe, um das Uran in Uranoxyd uasuwandeln und Pluorierung des Uranoxyds unter Bildung τοπ Uranhexafluorid . als Verfahrensprodukt.

   2. Vorfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennseieh· net, daß in der Brennstofflösung die Säurekonsentratlon wahrend des Kontaktes mit dem organischen Lösungsmittel wenigstens 3-molar ist um eine Extraktion der Spaltprodukte, die als Fluoride flüchtig sind, durch dieses Lösungsmittel su verhindern·

   3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die duroh Auflösen

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   des Kernbrennstoffes erhaltene LOsung nit unlOsliehen feinverteilten Peststoffrückstinden verunreinigt ist, d.g., daß das organische Lösungsmittel während des Kontaktes mit der LOsung die kontinuierliche Phase bildet und der organische Extrakt während der Auftrennung dieses Extraktes die di!kontinuierliche Fhase bildet, wobei die unlöslichen Featstoffrttckstände sioh bevorzugt gusasnen mit den loslichen Spaltprodukten in de« wtsserigen LOsungsaittelextraktlonsraffinat konsentrieren.

   *,. Verfahren nach Anspruch I₉ bei den der organisch« Extrakt weiterhin eine Spur von Spaltprodukten enthält, die diesen LCsungsftittelextraktioneextrakt verunreinigen, d.g., daß das Anionenauatausoherhars ansohlieftend an den Kontakt alt de· wässerigen Lesungssdttel-Bxtraktionaextrakt und vor der Eluierung des Transuranisotops «it einer waschflüssigkeit gewaschen WiTd₁Ua die Spaltprodukt· als Vasehabwasser aus des Hars su entfernen}und aus diesem Hars ein Bleat von •inea la wesentlichen stfaltproduktfreien Transuran erhalten wird, daA weiterhin das Vaschabwasser susaismen ait de* wässerigen LOsungenitteStextraktionsextrakt surQekgeleitet wird, wobei die Spuren der Spaltprodukte,die in den wtsserigen Anionenaustausoherraffinat susanaen Bit den Uran erscheinen als Spaltproduktfluoride in Misohung mit de« Uranhexafluorld vorliegen ,und das Uranhexafluorid von diesen SptItprodukt-

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   fluoriden abgetrennt wird·

   5. Verfahren naoh Anspruch 1, d.g., da* ein Tranauranisotop aus Plutonium besteht.

   6. Verfahren nach Anspruch I₉ d.g., da* das Traniuranisotop ' aus Plutoniiun und Neptunium besteht.

   7. Verfahren naoh Anspruch i für die Wiedergewinnung von Uran und wenigstens einem Iransuranisotop aus einer vSeserlgen Lösung von bestrahltem Kernreaktorbreanstoff· die 8pal%-produkte und unlöslich« feinverteilte FestttoffVOtjgitfnde aufweist und in der das Transuranisotop mittels eines Anionenaustauseherharses in Anwesenheit des Urans aus der Lösung extrahiert wird« wobei ein wtsseriges Raffinat, welches das Uran und die Spaltprodukte enthält» surfiokbleibt, das Transuranisotop aus dem Hars eluiert wird, daa Raffinat dehydratisiert und tu ι einer Mischung von Uranoxyd und Spaltproduktoxyden kalsiniert wird, diese.Misohung der Oxyde in praktischer Abwesenheit des Transuranisotop· unter Bildung einer Misohung τοη Uranhexafluorid und Spaltproduktfluoriden fluoriert wird und diese Mischung der fluoride sur Gewinnung des Uranhexafluorids fraktioniert wird,d.g., daß die naoh Auflösung des Kernbrennstoffes erhaltene Lösung ' als diskoitinuierliohe Phase mit einem verarmten organischen

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   BAD ORIGINAL

   Lösungsmittel als kontinuierliche Phase unter Bildung eines organischen Extraktes in Kontakt gebraoht wird, der Uran und wenigstens 1 Transuranisotop enthält und ein wässeriges LOsungsaittelextraktionsraffinat gebildet wird, welches den grüßten Teil der Spaltprodukte einschließlich der festen Rückstände aufweist, der besagte organische Extrakt in das verarmte organische Lösungsmittel und in einen wässerigen LOsungsmittelextraktionsextrakt

   " zerlegt wird, welch letzterer das uran und das eine Transuranisotop sowie einen geringen Teil der besagten Spaltprodukte enthält, jedoch im wesentlichen frei von festen Rückständen ist; das Tranuranisotop mit dem Anionenaustauscherharz aus dem LOsungsmittelextraktionsextrakt in praktischer Abwesenheit der Feststoffrüekstände unter Bildung eines Anionenaustausohraffinates extrahiert wird, welches im wesentlichen frei vom Transuranisotop ist, und da« wässerige LOaungemittelextmktionsraffinat dehydratisiert und die

   ) erhaltenen Peststoffe kalsiniert werden, um die Spaltprodukte und die Feststoffrüokstände als eine Oxydmischung zu erhalten, die im wesentlichen frei von Uran und dem Transuraniaotop ist,

   8. Verfahren nach Anspruch 7» d.g., daß durch Einstellung dos Säuregehaltes der nach Lösen des Kernbrennstoffes erhaltenen Lösung auf einen Wert von wenigstens etwa 3 molar

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   ⁸^ ORIGINAL

   die Extraktion de· Spaltprodukt·· Ruthenium duroh das organisch· lösungsmittel Yerhindert wird, so daft da« Rutheniunfluorid Ton der Mischung aus Uranhexafluorid und den 3p*ltproduktfluorlden im veeentlieben eliminiert itt.

   Q Π 8 11 / 1 P H 1

   BAD ORIGINAL

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