DE1464647C

DE1464647C - Process and device for processing rod-shaped fissile material elements that have been used up in nuclear reactors

Info

Publication number: DE1464647C
Application number: DE19631464647
Authority: DE
Inventors: Harry Ernst Zurich Gunten Hans Rudolf von Nußbäumen Baertschi Peter Birsfelden Zust, (Schweiz) HOIj 31 50
Original assignee: Gesellschaft zur Forderung der For schung an der Eidgenossischen Technischen Hochschule GFF, Zurich (Schweiz)
Priority date: 1962-12-12
Filing date: 1963-12-11
Publication date: 1973-06-07

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbe reitung von in Kernreaktoren verbrauchten, stabförmigen Spaltstoffelementen, die in Graphit eingeschlossenes Spaltmaterial auf Karbidbasis enthalten, durch Verbrennung in einem Sauerstoffstrom unter Zuführung zusätzlicher Heizleistung von außen und durch nachfolgende chemische Behandlung der bei der Verbrennung anfallenden Asche. The invention relates to a method for preparing consumed in nuclear reactors, rod-shaped fissile material elements that contain carbide-based fissile material enclosed in graphite , by combustion in an oxygen stream with additional heating from the outside and by subsequent chemical treatment of the ash produced during combustion.

Spaltstoffelemente für Hochtemperatur-Kernreaktoren bestehen bekanntlich überwiegend aus Graphit und enthalten nur einen verhältnismäßig geringen Mengenanteil an Spaltmaterial. Die in Hochtemperatur-Kernreaktoren verwendeten Spaltstoffelemente haben die Gestalt von Stäben, die in der Praxis bis zu mehreren Metern Länge haben können. Beim Betrieb im Kernreaktor werden die Spaltstoffelemente stark radioaktiv, was die Handhabung und Aufbereitung der im Kernreaktor verbrauchten Spaltstoffelemente sehr erschwert. Fissile material elements for high-temperature nuclear reactors are known to consist predominantly of graphite and contain only a relatively small proportion of fissile material. The fissile material elements used in high-temperature nuclear reactors have the shape of rods, which in practice can be up to several meters in length. During operation in the nuclear reactor, the fissile material elements become highly radioactive, which makes the handling and processing of the fissile material elements used in the nuclear reactor very difficult.

Es ist bekannt, daß der verbrauchte Spaltstoff für die erneute Verwendung im Kernreaktor durch konventionelle chemische Verfahren aufbereitet werden kann, wenn er einmal in löslicher Form vorliegt. Hierfür wurde bislang der Spaltstoff auf Karbidbasis, wie z. B. Urankarbid, Thoriumkarbid oder Plutoniumkarbid, zuerst auf mechanische Weise von der Graphitumhüllung getrennt und gegebenenfalls anschließend zerkleinert, wonach der Karbidspaltstoff entweder mit Salpetersäure-Flußsäure ausgelaugt, im Sauerstoffstrom oxydiert oder durch Halogene, Interhalogene usw. chemisch desintegriert wurde. Dieses Verfahren der chemischen Spaltstoffaufbereitung ist bisher jedoch nicht über das Stadium von Laboratoriurnsstudien hinaus entwickelt worden, v/eil die erforderliche mechanische Trennung des Karbidspaltstoffes von der Graphitumhüllung in der Praxis auf erhebliche Schwierigkeiten stößt, da beim Reaktorbetrieb die Bestandteile der Spaltstoffelemente fest zusammenbacken und eine sehr hohe Radioaktivität annehmen.It is known that the used fissile material for reuse in the nuclear reactor by conventional chemical process can be processed once it is in soluble form. For this purpose, the fissile material based on carbide, such as. B. uranium carbide, thorium carbide or plutonium carbide, first mechanically separated from the graphite coating and, if necessary, then crushed, after which the carbide fissile material either leached with nitric acid-hydrofluoric acid, im Oxygen stream has been oxidized or chemically disintegrated by halogens, interhalogens, etc. This The chemical processing of fissile materials has not yet reached the stage of laboratory studies In addition, the necessary mechanical separation of the carbide fissile material has been developed from the graphite coating encounters considerable difficulties in practice, since during reactor operation the components of the fissile material elements firmly stick together and a very high level of radioactivity accept.

Es ist ferner bekanntgeworden, aus Karbidspaltstoff und diesen einhüllendem Graphit bestehende Proben, d. h. verhältnismäßig kleine Teilstücke von Spaltstoffelementen, ohne vorgängige Trennung des Spaitstoffes und des Graphites in einem Sauerstoffstrom zu verbrennen und nachher die als Asche anfallenden Oxide chemisch zu verarbeiten (ORNL-Repori 3 186 vom 30. 11. 1961). Auch dieses Verfahren konnte bisher nicht in einem für die Praxis brauchbaren Umfang zur Anwendung gebracht werden, da es schwierig ist, Graphit zu verbrennen, sobald er in größeren zusammenhängenden Blöcken vorliegt, selbst wenn die Verbrennung in einem Sauerstoffstrom unter Zuführung zusätzlicher Heizleistung von außen durchgeführt wird. Weil stabförmige Spaltstoffelemente von Hochtemperatur-Kernreaktoren überwiegend aus Graphit bestehen, ist die Verbrennung ganzer Spaltstoffelemente mit ebenso großen Schwierigkeiten wie die Verbrennung entsprechender Graphitstäbe verbunden, wobei noch die hohe Radioaktivität hinzukommt.It has also become known that samples consisting of carbide fissile material and graphite enveloping it, i.e. relatively small pieces of fissile material elements, can be burned in an oxygen stream without prior separation of the fissile material and graphite and then chemically processed the oxides that arise as ash (ORNL-Repori 3 186 dated November 30, 1961). Also this process could not be used to a practical extent because it is difficult to burn graphite as soon as it is present in larger coherent blocks, even if the combustion is carried out in an oxygen stream with the addition of additional heating power from the outside . Because the rod-shaped fissile material elements of high-temperature nuclear reactors consist predominantly of graphite, the combustion of entire fissile material elements is just as difficult as the combustion of corresponding graphite rods, with the high level of radioactivity being added.

Zwar ist es seit längerem auch bekannt, radioak tiv beladene Stoffe, die bei der Filtration von radioaktiv verseuchten Flüssigkeiten anfallen und auf lange Zeit aufbewahrt werden müssen, als Ganzes durch Verbrennung in eine Asche mit wesentlich geringerem Volumen umzuwandeln, damit die strahlungssichere Aufbewahrung weniger Raum beansprucht. Der Veraschungsvorgang wird dabei in einer hermetisch abschließbaren, druckfesten Kammer durch Zündung, beispielsweise elektrisch, eingeleitet und durchgeführt (deutsche Auslegeschrift 1 071 861). Dieses Verfahren bietet technisch keine nennenswerten Schwierigkeiten, da weitaus der größte Teil der zu veraschenden Stoffe aus verhält nismäßig leicht verbrennbarem Filtermaterial, insbesondere Braunkohle, besteht.It has been known for a long time that radioactive substances that arise during the filtration of radioactively contaminated liquids and have to be stored for a long time can be converted as a whole by incineration into ashes with a much smaller volume, so that radiation-proof storage takes up less space . The incineration process is initiated and carried out in a hermetically lockable, pressure-tight chamber by ignition, for example electrically (German Auslegeschrift 1 071 861). This method offers no significant difficulties technically, since by far the largest part of, is to be incinerated substances from behaving ately easily combustible filter material, in particular lignite.

Aufgabe der Erfindung ist es, das für verhältnismäßig kleine Teilstücke von Spaltstoffelementen bekannte Verfahren zur Aufbereitung von in Kernreaktoren verbrauchten, stabförmigen Spaltstoffelementen, die in Graphit eingeschlossenes Spaltmaterial auf Karbidbasis enthalten, durch Verbrennung in einem Sauerstoffstrom unter Zuführung zusätzlicher Heizleistung von außen und durch nachfolgende chemi- The object of the invention is to provide the method known for relatively small sections of fissile material elements for processing rod-shaped fissile material elements which have been used in nuclear reactors and which contain carbide-based fissile material enclosed in graphite, by combustion in an oxygen stream with the addition of additional heating power from the outside and by subsequent chemical

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sehe Behandlung der bei der Verbrennung anfallen- der zweckmäßig durch das elektrostatische Filter zuden Asche, derart zu verbessern, daß es nicht nur auf rückgehalten wird, um eine emissionsfreie Durchfühkleine Teilstücke von Spaltstoffelementen, sondern rung der Verbrennung zu gewährleisten.see the treatment of the incineration that is expediently through the electrostatic filter Ash, to be improved in such a way that it is not only retained on, in order to achieve an emission-free run-through Sections of fissile material elements, but rather to ensure combustion.

auf ganze, d. h. unzerteilte stabförmige Spaltstoffele- Die Erfindung ist nachstehend an Hand eineson whole, d. H. Undivided rod-shaped Faltstoffele- The invention is below on the basis of a

mente anwendbar ist, damit eine mit erheblichen 5 Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die technischen Schwierigkeiten und verhältnismäßig ho- Zeichnung näher erläutert.ments is applicable, so that a significant 5 embodiment with reference to the technical difficulties and relatively ho- drawing explained in more detail.

hen Kosten verbundene mechanische Zerkleinerung Fig. 1 stellt eine zum Aufbereiten von insbeson-mechanical comminution associated with high costs.

der verbrauchten, stark radioaktiven Spaltstoffele- dere stabförmigen Spaltstoffelementen bestimmtethe used, highly radioactive fissile material elements determined rod-shaped fissile material elements

mente vermieden werden kann. Einrichtung und ein aufrecht darin eingebrachtesments can be avoided. Device and one inserted upright in it

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen io Spaltstoffelement teils im vertikalen Schnitt und teils Verfahren gelöst, welches zur Hauptsache darin be- in Seitenansicht dar;This object is achieved partly in vertical section and partly with the inventive splitting element Method solved, which is mainly in side view;

steht, daß man die ganzen Spaltstoffelemente in ihrer F i g. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie II-II init says that all of the fissile material elements are in their F i g. Fig. 2 is a cross section along the line II-II in Fig

Längsrichtung im Sauerstoffstrom durch eine elektri- Fig. 1.Longitudinal direction in the oxygen flow through an electrical Fig. 1.

sehe Hochfrequenz-Induktionsheizzone hindurch be- Die gezeigte Einrichtung weist einen horizontalsee high-frequency induction heating zone through it. The device shown has a horizontal

wegt und die der Induktionsheizzone von außen zu- 15 angeordneten Rost 10 auf, oberhalb welchem ein zygeführte elektrische Hochfrequenzleistung derart re- lindrischer Verbrennungsraum 11 vorhanden ist, der guliert, daß in der Induktionsheizzone fortschreitend zur Aufnahme eines aufrecht gestellten ganzen Spalteine praktisch vollständige Oxydation der Bestand- Stoffelementes 12 dient. Der unmittelbar an den Rost teile der Spaltstoffelemente erfolgt. 10 angrenzende untere Teil des Verbrennungsraumesaway and the induction heating zone from the outside 15 arranged grate 10, above which a zyführung electrical high-frequency power such a cylindrical combustion chamber 11 is available, the gulated that in the induction heating zone progressive to accommodate an upright entire column practically complete oxidation of the constituent material element 12 is used. The one directly on the grate parts of the fissile material elements takes place. 10 adjacent lower part of the combustion chamber

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein 20 11 weist eine aus elektrisch nicht leitendem keramiganzes, stabförmiges Spaltstoffelement, im Gegensatz schem Werkstoff bestehende Wandung 13 auf, deren zu einer Probe eines solchen, unter praktikablen Be- untere Endpartie von einer elektrischen Induktionsdingungen nicht in einem Zug als Ganzes der Ver- spule 14 umgeben ist. Die Spule 14 steht mit einer brennung unterworfen werden kann und daß die von hochfrequenten elektrischen Wechselstromquelle 15 außen zugeführte Heizleistung möglichst trägheitslos 25 in Verbindung und ist aus Rohrmaterial gebildet, regulierbar sein soll, damit die beim Verbrennen von durch das Kühlwasser hindurchströmen kann. Graphit auftretenden Schwierigkeiten gemeistert wer- Außerhalb der Spule 14 ist ein Stahlmantel 16 vorden können. Die erste der erwähnten Erkenntnisse ist handen, der von einer Rohrschlange 17 zum Durchbei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch be- leiten von Kühlwasser umgeben ist. Der obere Teil rücksichtigt, daß man die Verbrennung der stabför- 3° des Verbrennungsraumes 11 besitzt eine aus Stahl migen Spaltstoffelemente in Längsrichtung desselben bestehende Wandung, welche aus einem Kopfstück fortschreitend vollzieht. Der zweiten Erkenntnis ist 18 und einem Zwischenstück 19 zusammengesetzt durch die Anwendung einer elektrischen Hochfre- ist. Letzteres ist auswechselbar, damit die Höhenabquenz-Induktionsheizung Rechnung getragen, die im messung des Verbrennungsraumes 11 der Länge der Vergleich zu einer elektrischen Widerstandsheizung 35 aufzubereitenden Spaltstoffelemente 12 angepaßt außer einer weitgehend trägheitslosen Regulierbar- werden kann. Um das Zwischenstück 19 herum verkeit noch den Vorteil bietet, daß die Induktionsspule läuft eine Rohrschlange 20 zum Durchleiten von selbst außerhalb des Verbrennungsraumes angeord- Kühlwasser. Das obere Ende des Stahlmantels 16 net und mit einer Kühlung versehen werden kann. steht mit dem Zwischenstück 19 in gasdichter Ver-The invention is based on the knowledge that a 20 11 has an electrically non-conductive ceramic rod-shaped fissile material element, in contrast to this material existing wall 13, whose to a sample of such, under practicable lower end part of an electrical induction conditions is not surrounded as a whole of the coil 14 in one go. The coil 14 stands with a can be subjected to combustion and that the high frequency electrical alternating current source 15 externally supplied heating power in connection with as little inertia as possible and is formed from pipe material, should be adjustable so that it can flow through the cooling water when burning. Difficulties encountered in graphite can be mastered. Outside the coil 14, a steel jacket 16 is provided be able. The first of the mentioned findings is that of a pipe coil 17 to pass the method according to the invention is thereby surrounded by cooling water. The upper part takes into account that the combustion of the stabför- 3 ° of the combustion chamber 11 is made of steel Migen fissile material elements in the longitudinal direction of the same existing wall, which consists of a head piece progressively takes place. The second finding is composed of 18 and an intermediate piece 19 by using an electrical high frequency. The latter is interchangeable, so that the height sequence induction heating Into account that in the measurement of the combustion chamber 11 the length of the comparison to an electrical resistance heater 35 adapted to be processed fissile material elements 12 except for a largely inertia-free adjustable. To the intermediate piece 19 around verkeit still has the advantage that the induction coil runs a coil 20 for passing through even outside the combustion chamber arranged cooling water. The upper end of the steel jacket 16 net and can be provided with cooling. is in a gas-tight connection with the intermediate piece 19

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen 40 bindung. Das Kopfstück 18 ist oben mit einem Dek-Verfahrens kann man die stabförmigen Spaltstoffele- kel 21 versehen, der durch eine übliche Festspannmente zweckmäßig in aufrechter Lage auf einem vorrichtung 22 festgehalten ist und zum Einbringen Rost abstützen, oberhalb welchem sich die Induk- eines Spaltstoffelementes 12 in den Verbrennungstionsheizzone befindet, so daß die Spaltstoffelemente raum, abnehmbar ist. Ebenfalls am Kopfstück 18 ist von unten nach oben fortschreitend verbrannt wer- 45 eine Abgasleitung 23 angeordnet, in deren Verlauf den und sich entsprechend dem Abbrand durch die ein elektrostatisches Filter 24 mit Spülvorrichtung Schwerkraft gegen den Rost absenken. Damit wird eingeschaltet ist.In a further embodiment of the 40 binding according to the invention. The head piece 18 is at the top with a Dek process the rod-shaped fissile material element 21 can be provided by a conventional fastening element is appropriately held in an upright position on a device 22 and for introduction Support the grate, above which the induction of a fissile material element 12 is located in the combustion station heating zone is located so that the fissile material elements space, is removable. Also on the head piece 18 is Burned from bottom to top, an exhaust gas line 23 is arranged in the course of which the and according to the burn through the an electrostatic filter 24 with rinsing device Lower gravity against the grate. This is turned on.

automatisch die erforderliche Bewegung der Spalt- Der Rost 10 besteht aus einer hitzebeständigenautomatically the required movement of the gap The grate 10 consists of a heat-resistant

Stoffelemente durch die Induktionsheizzone hindurch Metallegierung und ist durch eine an der Unterseite erzielt. 50 des Rostes angebrachte .Rohrschlange 25 durchFabric elements through the induction heating zone through metal alloy and is through one at the bottom achieved. 50 of the grate attached .Snake 25 through

Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zum Durchleiten von Kühlwasser gekühlt. Unterhalb des Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens: Rostes 10 befindet sich ferner ein Aschesammelbe-Diese Einrichtung, die in bekannter Weise oberhalb halter 26, der mit dem unteren Ende des Stahlmaneines Rostes einen Verbrennungsraum, an den eine tels 16 des Verbrennungsraumes in gasdichter Ver-Abgasleitung angeschlossen ist, sowie unterhalb des 55 bindung steht. In den Aschesammelbehälter 26 mün-Rostes einen Aschesammelbehälter aufweist und mit det eine Rohrleitung 27 zum Zuführen von Sauereiner Sauerstoffzuleitung versehen ist, zeichnet sich stoff ein. Eine im Aschesammelbehälter 26 angeordgemäß der Erfindung dadurch aus, daß der Verbren- nete Ablaßklappe 28 ist mittels eines Handhebels 29 nungsraum zur Aufnahme mindestens eines ganzen von außen betätigbar. Schließlich ist unten am stabförmigen Spaltstoffelementes in aufrechter Stel- 60 Aschesammelbehälter 26 noch ein Entnahmestutzen lung ausgebildet und der an den Rost angrenzende 30 vorhanden.The invention also relates to a device for the passage of cooling water in a cooled manner. Below the Carrying out the method according to the invention: grate 10 is also an ash-collecting same-this Device, in a known manner above holder 26, which is connected to the lower end of the Stahlmaneines Grate a combustion chamber to which one means 16 of the combustion chamber in a gas-tight Ver exhaust pipe is connected, as well as below the 55 binding is. In the ash container 26 mün-grate having an ash collection container and with det a pipe 27 for supplying acid purifier If the oxygen supply line is provided, the substance is marked. One arranged in the ash container 26 of the invention in that the burned drain flap 28 is opened by means of a hand lever 29 Opening space for receiving at least one whole can be operated from the outside. Finally is down on Rod-shaped fissile material element in upright 60 ash collecting container 26 still has a removal nozzle ment and the adjacent to the grate 30 is present.

Teil des Verbrennungsraumes von einer elektrischen Mit der beschriebenen Einrichtung, deren Bedie-Part of the combustion chamber of an electrical With the device described, the operation of which

Hochfrequenz-Induktionsheizvorrichtung umgeben nung für den Betrieb in einer gegen radioaktive ist. ■ Strahlung abschirmenden Zelle fernbetätigbar seinHigh frequency induction heating device surround voltage for operation in an anti-radioactive environment is. ■ The radiation shielding cell can be operated remotely

In vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, daß 65 muß, lassen sich in Kernreaktoren verbrauchte, grain die Abgasleitung ein elektrostatisches Filter einge- phiturhhüllte Spaltstoffelemente auf Karbidbasis baut ist, da bei der Verbrennung der Spaltstoffele- nach folgendem Verfahren aufbereiten:
mente ein sehr feiner radioaktiver Flugstaub entsteht, Ein aufzubereitendes Spaltstoffelement 12 wirdIn an advantageous embodiment it is provided that 65 grains consumed in nuclear reactors can be built into the exhaust gas line using an electrostatic filter encased carbide-based fissile material elements, since during the combustion the fissile material elements are processed according to the following process:
elements a very fine radioactive fly ash is produced, a fissile material element 12 to be processed is

bei abgenommenem Deckel 21 in aufrechter Stellung in den Verbrennungsraum 11 eingebracht und auf dem Rost 10 abgestützt. Das Spaltstoffelement 12 ist weder zerkleinert noch ist der Spaltstoff von seiner Umhüllung befreit. Wenn die hochfrequente Wechselstromquelle 15 eingeschaltet ist, wird die unterste Endpartie des Spaltstoffelementes 12 durch Induktionsheizung auf eine Temperatur von beispielsweise 600 bis zu 1600° C oder eventuell noch höher erwärmt. Durch die Rohrleitung 27 läßt man Sauerstoff einströmen, der durch den Rost 10 hindurch in den Verbrennungsraum 11 gelangt und dort bewirkt, daß die mittels Hochfrequenzinduktion aufgeheizte Partie des Spaltstoffelementes 12 zu Asche verbrennt, welche im Behälter 26 gesammelt wird. Infolge des fortschreitenden Abbrandes der unteren Endpartie des Spaltstoffelementes 12 rutscht dieses unter dem Einfluß der Schwerkraft ständig nach unten auf den Rost 10, so daß nach und nach das gesamte Spaltstoffelement die Induktionszone der Spule 14 durchläuft und dabei verbrennt. Der überschüssige Sauerstoff und die Verbrennungsgase entweichen durch die Abgasleitung 23, wobei der Gasstroft' das elektrostatische Filter 24 durchläuft, in welchem die durch den Gasstrom allenfalls mitgerissenen Spaltstoffoxidpartikeln aufgefangen und mit der erwähnten Spülvorrichtung zurückgewonnen werden. Die durch das Filter 24 hindurchgehenden gasförmigen und leichtflüchtigen Spaltprodukte werden anschließend durch Auswaschen und Adsorption auf bekannte Weise aus dem Gasstrom entfernt. Die bei der Verbrennung im Behälter 26 anfallende Asche, welche aus praktisch reinem Oxid des entsprechenden Spaltstoffes und aus den schwerflüchtigen Oxiden der Spaltprodukte besteht, wird von Zeit zu Zeit durch Betätigen der Ablaßklappe 28 aus dem Stutzen 30 entnommen und nachher direkt auf chemischem Weg entweder in wässeriger Phase oder über eine trockene Fluorierung nach den für Uran- und Thoriumverbindungen gebräuchlichen Aufarbeitungs- und Reinigungsverfahren weiter verarbeitet. Literatur betreffend nasse Verfahren:with the cover 21 removed, placed in the upright position in the combustion chamber 11 and open the grate 10 is supported. The fissile material element 12 is neither crushed nor is the fissile material of his Wrapping exempt. When the high-frequency AC power source 15 is turned on, the lowest End portion of the fissile material element 12 by induction heating to a temperature of, for example 600 to 1600 ° C or possibly even higher. Oxygen is passed through pipe 27 flow in, which passes through the grate 10 into the combustion chamber 11 and causes there, that the part of the fission element 12 heated by high frequency induction burns to ash, which is collected in the container 26. As a result of the progressive burn-off of the lower At the end of the fissile material element 12, this constantly slides downward under the influence of gravity on the grate 10, so that gradually the entire fission element, the induction zone of the Coil 14 runs through and burns. The excess oxygen and combustion gases escape through the exhaust line 23, the gas stream 'passing through the electrostatic filter 24, in which the fission oxide particles possibly entrained by the gas flow are caught and with the mentioned flushing device can be recovered. Those passing through the filter 24 Gaseous and volatile fission products are then washed out and adsorbed removed in a known manner from the gas stream. The incineration in the container 26 Ash, which consists of practically pure oxide of the corresponding fissile material and of the less volatile Oxides of the fission products consists, is from time to time by actuating the drain valve 28 from the Nozzle 30 removed and then directly by chemical means either in the aqueous phase or via a dry fluorination according to the work-up process customary for uranium and thorium compounds and cleaning processes further processed. Literature on wet processes:

R. F. Blanco, L. M. Ferris und D. E. Ferguson, Aqueous processing of Thorium fuels; ORNL-CF-61-6.-14. Trockene Verfahren: (fused salt volability processes) ORNL, Chemical Technology Division, Annual Progreß Report for Period ending May 31, 1961.ORNL-3153.R. F. Blanco, L. M. Ferris, and D. E. Ferguson, Aqueous processing of Thorium fuels; ORNL-CF-61-6-14. Dry processes: (fused salt volability processes) ORNL, Chemical Technology Division, Annual Progress Report for Period ending May 31, 1961.ORNL-3153.

Die Frequenz des für die Induktionsheizung verwendeten Wechselstromes beträgt z.B. 10 bis 500 kHz und ist nicht kritisch, da durch die Frequenz nur die Eindringtiefe der Erwärmungszone im Spaltstoffelement beeinflußt wird. Da die Umhüllung des Spaltstoffelementes in der Regel aus Graphit besteht, der eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt, stellt sich nach kurzer Betriebszeit ein gleichmäßiger Temperaturverlauf in der unteren Partie des Spaltstoffelementes ein. Ohne Zufuhr von elektrischer Hochfre quenzenergie kommt die Verbrennung zum Stillstand wegen des ungünstigen Verhältnisses von Oberfläche zu Masse eines stabförmigen Spaltstoffelementes. Weil durch die Wasserkühlung der Spule 14 ein großer Teil der Verbrennungswärme abgeführt wird und die Rohrschlangen 17 und 20 eine zusätzliche Kühlung des Mantels 16 und der Wandung 19 des Verbrennungsraumes bewirken, bleibt die Temperatur der Abgase verhältnismäßig niedrig, z. B. unter 100° C, was für die Abgasreinigung von Vorteil ist.The frequency of the alternating current used for induction heating is e.g. 10 up to 500 kHz and is not critical because the frequency only affects the depth of penetration of the heating zone in the Fissile material element is affected. Since the cladding of the fissile material element is usually made of graphite, which has a high thermal conductivity, after a short operating time a uniform temperature profile is achieved in the lower part of the fissile material element. Without supply of electrical high frequency With quenching energy, the combustion comes to a standstill because of the unfavorable surface area to the mass of a rod-shaped fissile material element. Because the water cooling of the coil 14 is a large one Part of the heat of combustion is dissipated and the coils 17 and 20 provide additional cooling of the shell 16 and the wall 19 of the combustion chamber, the temperature remains the exhaust gases are relatively low, e.g. B. below 100 ° C, which is advantageous for exhaust gas cleaning.

Für größere Anlagen können zwei oder mehr Einrichtungen der beschriebenen Art in raumsparender Weise zu einer Batterie zusammengebaut werden.For larger systems, two or more devices of the type described can be used in a space-saving manner Way to be assembled to a battery.

Zum Schluß sei noch ein Versuchsbeispiel für das Verbrennungsverfahren angegeben:Finally, an experimental example for the combustion process should be given:

An Stelle eines radioaktiven Spaltstoffelementes wurde ein etwa gleich dimensionierter Graphitstab von 6 cm Durchmesser und etwa 1 m Länge in den Verbrennungsraum 11 eingebracht. Die Sauerstoffzufuhr betraug 30 l/min und die Hochfrequenz-Wechselstromquelle 15 lieferte an die Spule 14 eine Leistung zwischen 5 und 7 kW bei einer Frequenz von 10 kHz. Dabei ergab sich eine mittlere Verbrennungstemperatur von 1200° C, im Maximum 1400° C, wobei die Verbrennung des Graphitstabes annähernd 600 g/h betrug. Die eigentliche Verbrennungszone maß in der Längsrichtung des Stabes etwa 20 cm und lief gegen das untere Ende konisch spitz aus.Instead of a radioactive fissile material element, a graphite rod of roughly the same size was used 6 cm in diameter and about 1 m in length are introduced into the combustion chamber 11. The oxygen supply was 30 l / min and the high frequency AC power source 15 delivered a power between 5 and 7 kW to the coil 14 at a frequency of 10 kHz. This resulted in an average combustion temperature of 1200 ° C, at the maximum 1400 ° C, the combustion of the graphite rod being approximately 600 g / h. The actual combustion zone measured about 20 cm in the longitudinal direction of the rod and tapered towards the lower end out.

Das oben beschriebene Verfahren der Spaltstoffelement-Aufbereitung ist auch dann ohne Schwierigkeit anwendbar, wenn die einzelnen Spaltstoffpartikeln speziell umhüllt sind.The above-described process for the preparation of fissile material elements can also be used without difficulty when the individual fissile material particles are specially wrapped.

Besonders geeignet ist die Erfindung zur Aufbereitung von verbrauchten Spaltstoffelementen des DRAGON-Reaktors (OECD-Projekt, Winfrith, England), von Pebble-Bed-Reaktoren und des HTGR, Peach Bottom, Ohio. Entsprechende Literatur über die erwähnten Spaltstoffelemente:The invention is particularly suitable for processing used fuel elements of the DRAGON reactor (OECD project, Winfrith, England), from Pebble Bed reactors and the HTGR, Peach Bottom, Ohio. Corresponding literature on the mentioned fissile material elements:

a) The OEEC-Dragon high temperature reactor project. Annual Reports 1959/60, 1960/61, 1961/62 OECD-ENEA;a) The OEEC-Dragon high temperature reactor project. Annual Reports 1959/60, 1960/61, 1961/62 OECD-ENEA;

b) H. P. Fraas et al, Design study of a pebble bed reactor power plant. ORNL-CF 60-12-5 (1960); R. Schulten und E. Jantsch: Der gasgekühlte Hochtemperaturreaktor der Arbeitsgemeinschaft, BBC-Krupp* Brown-Boveri Mitt. 47, V* (1960), S. 88 bis 96;b) H. P. Fraas et al, Design study of a pebble bed reactor power plant. ORNL-CF 60-12-5 (1960); R. Schulten and E. Jantsch: The gas-cooled high-temperature reactor of the working group, BBC-Krupp * Brown-Boveri Mitt. 47, V * (1960), pp. 88 to 96;

Sanderson & Porter: Design and feasibility study of a pebble-reactor steam power plant S+P-1963 (1958);Sanderson & Porter: Design and feasibility study of a pebble-reactor steam power plant S + P-1963 (1958);

c) A review of fuel element research and development for the HTGR, Report GA 2283 (1961);
F. de Hoffmann: Application of high tmperature gascooling to nuclear power plants, the HTGR, Paper SMPR/32 IAEA-Conference on small and medium power reactors, Viena Sept. 5-9 (1960).c) A review of fuel element research and development for the HTGR, Report GA 2283 (1961);
F. de Hoffmann: Application of high temperature gas cooling to nuclear power plants, the HTGR, Paper SMPR / 32 IAEA Conference on small and medium power reactors, Viena Sept. 5-9 (1960).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for processing rod-shaped fissile material elements that have been used up in nuclear reactors, containing carbide-based fissile material enclosed in graphite, by combustion in a stream of oxygen with the addition of additional heating power from the outside and through subsequent chemical treatment of the ashes resulting from the incineration, thereby characterized in that the entire fissile material elements in their longitudinal direction in the flow of oxygen through an electrical high-frequency induction heating zone moves through it and regulates the electrical high-frequency power supplied from the outside to the induction heating zone in such a way that that in the induction heating zone a practically complete oxidation of the constituents progresses the fissile material elements takes place.

2. The method according to claim 1, characterized in that the rod-shaped fissile material elements are supported in an upright position on a grate, above which the induction heating zone is located, so that the fissile material elements are gradually burned from bottom to top and are countered according to the burn-up by gravity lower the grate.

3. Device for performing the method according to claims 1 and 2 with a Combustion chamber arranged above a grate to which an exhaust pipe is connected is, with an ash collecting container underneath the grate and with an oxygen supply line, characterized in that the combustion chamber (11) for receiving at least one entire rod-shaped fissile material element (12) formed in the upright position and the part of the combustion chamber adjoining the grate (10) (11) by a high frequency electric induction heater (14) is surrounded.

4. Device according to claim 3, characterized in that an electrostatic filter (24) is built into the exhaust pipe (23).