DE2751235A1 - Verfahren und vorrichtung zur erzeugung stickoxidfreier abgase bei der aufloesung bestrahlter brennelemente - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
• zur Erzeugung stickoxidfreier Abgase bei der Auflösung bestrahlter Brennelemente aus Kernreaktoren in Salpetersäure, wie sie bei der Aufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe notwendig ist.
• Zur Wiederaufarbeitung bestrahlter Brennelemente aus Kernreaktoren ist nach einer mechanischen Zerkleinerung eine chemische Auflösung erforderlich. Bevorzugtes Lösungsmittel fUr diesen Prozeß ist Salpetersäure, da sie eine vollständige Auflösung der bestrahlten Kernbrennstoff-, insbesondere Urandioxid-Pellets bewirkt und die entstehenden Nitratlösungen für die folgende naßchemische Aufarbeitung, beispielsweise Extraktion von Uran und Plutonium, sehr gut geeignet sind.
• Dieses Auflöseverfahren in Salpetersäure oder Salpeter#ä.uregemischen hat Jedoch den Nachteil, daß bei der Lösereaktion nitrose Gase entstehen, die bei der Isolierung der gasförmigen radioaktiven Spaltprodulcte, insbesondere der Edelgase Kr und Xe, stören und deshalb abgetrennt werden müssen.
• Die Entfernung von Stickoxiden durch bekannte Waschverfahren erfordert aber in jedem Fall überschüssigen Sauerstoff, um das bei Jeder Absorption von NO2 nach NO zu einem Drittel neugebildete NO letztendlich oxidativ j.
• ItNO3 Uberzuführen.
• Die großtechnischen Verfahren zur Absorption der Stickoxide arbeiten alle mit einem Sauerstoffüberdruck, um die maximal zulässige Stickoxid-Konzentration in der Abluft zu unterschreiten. Bei der Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen muß jedoch aus Sicherh#itsgrür#den Im Unterdruckbereich gearbeitet werden, so daß mit den bekannten Verfahren eine ausreichende Abochsldune des Stickoxids nur schwer zu erreiclien ist.
• Es ist zwar grundsätzlich möglich, durch die an sich bekannte Absorption in einer H202-haltigen Waschlösung (U.S.-PS 3,733,393) den notwendigen Sauerstoffüberschuß zu minimieren. Durch die anfallenden Stickoxid-Mengen bei der Auflösung der Brennelemente wird Jedoch in jedem Fall eine Verdünnung der radioaktiven Gase auf weniger als 1 Volumenprozent verursacht, die ihre spätere Isolierung erheblich erschwert.
• Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auflösung bestrahlter Brennelemente zu finden, bei dem der Stickoxidanteil schon bei der Lösereaktion so niedrig gehalten werden kann, daß in Kombination mit einer späteren Wasserstoffperoxid-Wäsche der Gehalt der radioaktiven Spaltprodukte im stickoxidfreien Restgas bei mindestens 10 bis 20 Volumenprozent liegt. Hierdurch wird die anschließende Entfernung des nichtradioaktiven Sauerstoffs, z.B. durch die thermische oder katalytische Reaktion mit Wasserstoff, entscheidend vereinfacht und die Isolierung der radioaktiven Spaltgase für eine Wiederaufarbeitung im technischen Maßstab ermöglicht.
• Diese Aufgabe. wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der zur Auflösung eingesetzten Salpetersäure kontinuierlich ein flüssiges Oxidationsmittel zugesetzt wird. Vorzugsweise wird der Salpetersäure ein berechneter Überschuß Wasserstoffperoxid zugesetzt, der die Reduktionsprodukte der Salpetersäure bereits während des Auflöseprozesses in der Lösung wieder aufoxidiert. Hierdurch wird die Salpeter säure nicht verbraucht und wirkt in der Lösereaktion quasi als Katalysator. Die zur Auflösung erforderlichen Oxidationsäquivalente werden allein durch das Wasserstoffperoxid geliefert. Durch die Verwendung von Wasserstoffperoxid treten nur minimale Mengen Sauerstoff im Abgas auf, aus dem Kr (und Xe) gut abgetrennt werden können.
• Besonders geeignet ist dieses Verfahren für die Wiederaufarbeitung von Kernbrennstoffen, weil es drucklos und auch im Unterdruckbereich arbeitet, was dort aus Sicherheitsgründen unbedingt erforderlich ist.
• Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den Vergleich mit einem bisher bekannten Auflöseprozeß deutlich: a) Beispiel für ein bekanntes Verfahren In einer Auflösevorrichtung werden 2 x 2000 kg U in Form bestrahlter U02-Pellets in 24 Stunden mit insgesamt 5000 kg 65prozentiger HN03 behandelt. Dabei entstehen 250 m3 Stickoxid, die mit 225 m3 Sauerstoff (20 5' Überschuß) oxidiert und in einer Waschkolonne als HNO3, abgeschieden werden. Bei dem angegebenen O2-Uberschuß liegt der Wirkungsgrad der Oxidationskolonne günstigenfalls bei ~98 5', die Zusammensetzung des gewaschenen Gases beträgt daher: 42,5 m302 ^- 88,6 Vol% 5 m3NO # 10,4 Vol5' 0,48 m3Kr =A 1,0 VolX Eine Abtrennung des aktiven Edelgases ist wegen dessen niedriger Konzentration erschwert. Bei der Verwendung von Molekularsieben stört die mögliche Bildung von N02, das am Molekularsieb nicht wie 02 und NO festgehalten wird.
• b) Beispiel fUr das erfindungsgemäße Verfahren, das anhand der Abbildung näher erläutert wird.
• In einem Auflöser (1) werden 2 x 2000 kg U in Form bestrahlter U02-Pellets in Jeweils 5 h mit insgesamt 5000 kg 65prozentiger HNO, behandelt. Während der Lösedauer werden 1900 kg 30prozentige H202-Lösung -rein oder im Gemisch mit einem Teil der Lösesäure - aus dem Vorratsgefäß (2) zugegeben. Das entstehende Abgas enthält in der Hauptsache 02 aus der Zersetzung von H202, radioaktives Krypton (und andere Edelgase), Spuren von Stickoxiden sowie HN03/H202-Aerosole und wird über die Nachreaktions- bzw. Waschkolonne (3) geschickt. Die mitgefUhrten Aerosole werden in einem Glasfasertiefbettfilter (4) mit hohem Abscheidegrad, beispielsweise 99,9 5', entfernt. Das gereinigte Gas weist dann eine Zusammensetzung von 3 700 1 O, - 88,5 Vol5' 480 1 Kr ^- 11,5 Vol% auf. Hieraus kann der Sauerstoff in einfacher Weise mit einer Molekularsiebschuttung (5) entfernt werden.
• Die Wirksamkeit des Molekularsiebes wird durch kontinuierliche O2-Messung verfolgt; sobald ein festgelegter Grenzwert überschritten wird, wird auf das zweite Molekularsieb umgeschaltet und das erste z.B. im Vakuum regeneriert.
• Eine alternative Möglichkeit zur Sauerstoff-Entfernung aus dem Abgas besteht in der thermischen oder katalytischen Reaktion mit Wasserstoff in geringem Überschuß, wobei das gebildete Wasser ebenfalls Uber Molekularsiebe entfernt wird. Die im Kr enthaltenen H2-Verunreinigungen können wegen der hohen Siedepunktsunterschiede bequem destillativ abgetrennt und in die Verbrennungsstrecke zurückgeführt werden.
• Eine Variante des Verfahrens besteht darin, die Nachreaktionskolonne (3)'mit HN03/FI202-Gemischen zu betreiben, die anschließend über das Vorratsgefäß (2) dem Auflöser (1) zugeführt werden. Die am Glasfasertiefbettfilter (4) gesammelten Aerosole werden ihrerseits in den Sumpf der Nachreaktionskolonne (3) abgeführt.

Claims (4)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung stickoxidfreier Abgase bei der Auflösung bestrahlter Brennelemente Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erzeugung stickoxidfreier Abgase bei der Auflösung bestrahlter Brennelemente in Salpetersäure oder Salpetersäuregemischen, dadurch gekennzeichnet, daß der Salpetersäure kontinuierlich ein flüssiges Oxidationsmittel zugesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Salpetersäure Wasserstoffperoxid zugesetzt wird.
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen Auflöser (1) zur Auflösung der zerkleinerten Brennelemente, der mit einem Vorratsgefäß (2) für das flüssige Oxidationsrnittel verbunden ist, einer Nachreaktions- bzw. Wasch1#olonne (3) zur Beseitigung der Stickoxidreste aus dem Abgas, einem Glasfaserfilter (4) zur Entfernung der mitgerissenen Aerosole und Molekularsieben (5) zur Adsorption des Sauerstoffs aus dem Abgas.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachreaktions- bzw. Waschkolonne (3) mit dem Vorratsgefäß (2) verbunden ist.