DE2125915C3 - Verfahren zur Denitrierung und Verfestigung von salpetersauren Kernspaltprodukten unter Bildung eines Phosphatglases - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung von hoch aktiven flüssigen Abfällen aus Aufarbeitungsanlagen von bestrahltem Kernbrennstoff, insbesondere die Denitrierung und Verfestigung von Spaltproduktlösungen mit Hilfe eines Verfahrens, dessen Endprodukt ein Phosphatglas ist.

Wie bekannt, bestehen einige übliche Verfahren zur Verfestigung von Spaltproduktlösungen aus folgenden Stufen:

Teilweise oder völlige Denitrierung und eventuelle Konzentration der vorkonzentrierten Spaltproduktlösung; Zugabe von Zusatzstoffen, die zur Bildung einer guten Glasqualität erforderlich sind; Trocknung der oben genannten Beimischung und Schmelzen der so erhaltenen festen Substanz.

Das Hauptziel dieser Verfahren besteht darin, einem Glas von guter Qualität die höchstmögliche Menge Spaltprodukte einzuverleiben und den Gehalt an diesen Produkten im zweiten Verfahrenslauf auf ein Minimum zu reduzieren. Dies kann so erreicht werden, daß in der ersten Stufe eine weitgehende Denitrierung erfolgt und daß die Qualität und die Menge der Zusätze, die anschließend der denitrierten Lösung beigegeben werden, richtig ausgewählt werden, um ein bestmögliches Endprodukt zu erhalten. Salpetersäure, die bekanntlich beim Aufarbeiten der Spaltprodukte verwendet wird, muß aus folgenden Gründen aus den Spaltprodukten entfernt werden:

a) Salpetersäure fördert infolge ihrer oxydierenden Wirkung — besonders während dem Rösten und Verfestigen der Lösungen — die Bildung "on Ru(X welches äußerst flüchtig ist. Dies schließt für Ruthenium einen Abfall des Entgiftungsfaktors ein.

b) Die Nitrate der Spaltprodukte sind im Vergleich zu

anderen Salzen äußerst löslich. Daher führt ihre

Anwesenheit im festen Endprodukt selbst in

kleinen Mengen an einem Glas, das teilweise löslich und qualitativ nicht voll befriedigend ist

Naheliegend sind die Nitratspuren auf ein Minimum reduziert, wenn die Lösung zuvor denitriert ist. Bestimmte Zusätze sind den entweder denitrierten

ίο oder nicht denitrierten Lösungen der Spaltprodukte beizugeben, um die Glaseigenschaften zu verbessern. Der anionische Anteil eines Gases besteht im allgemeinen aus SiOi B2O3 oder P2O5 oder einer Mischung derselben. Diese Anteile sind jedoch nicht ursprünglich in den Lösungen der Spaltprodukte eingeschlossen und müssen daher beigegeben werden.

Ein Glas wird als Silikatglas, Boratglas oder Phosphatglas klassifiziert, was davon abhängt, welcher Anteil im Glas vorherrscht

2« Der kationische Anteil umfaßt die Oxide der Spaltprodukte und die Verfahrensoxide, die in der zu verfestigenden Lösung enthalten sind oder andere Metalloxide, die ggf. als Zusätze beigegeben sind. Das Phosphatglas hat den Vorteil, daß in ihm große Mengen

2Ί an Spaltprodukten fixiert werden können und daß es relativ niedrig schmelzend ist. Es wird gewöhnlich unter Verwendung von Phosphorsäure {H3PO4) und in einigen besonderen Fällen von phosphoriger Säure (H₃PO₃) oder unterphosphoriger Säure (H3PO2) als Zusatz

κι hergestellt, welche infolge ihrer reduzierenden Wirkung die Bildung von RuO₄ aufheben.

Die bekanntesten Methoden zur Entfernung von Salpetersäure aus den Lösungen der Spaltprodukte sind folgende:

a) Einfache Destillation der Salpetersäure und Ergänzung des ursprünglichen Volumens mit Wasser;

b) Zugabe von Phosphorsäure zur Salpetersäurelösung und Entfernung der Salpetersäure durch

tu Destillation;

c) Entfernung der Salpetersäure mit Hilfe von reduzierenden Stoffen.

Die Methode der einfachen Destillation der Salpeter-

Vi säure und Ergänzung des Volumens durch Wasser hat den Nachteil, daß beträchtliche Wassermengen im Verfahrensveriauf eingeführt werden, die später wieder unter großem Energieaufwand entfernt werden müssen. Außerdem sind die Kondensatmengen, die dann wieder

■>o entgiftet werden müssen, stark erhöht. Vor dem endgültigen Verfestigen muß eine Zwischenstufe durchgeführt werden, während der die glasbildenden Zusätze beigemischt werden. Durch die Verdrängung von Salpetersäure durch Phosphorsäure werden syrup-

V) artige Flüssigkeiten gebildet, weiche nicht leicht zu transportieren sind. Ein bemerkenswerter Betrag an Wärme ist zur Verdampfung der Salpetersäure notwendig.

Bei beiden obengenannten Methoden wirkt das

ho Milieu während dem Rösten und Verfestigen nicht reduzierend, infolgedessen sind die Verluste an Ruthenium beträchtlich (bis zu 40%).

Die Verflüchtigung von Ruthenium wird durch Zugabe von reduzierenden Substanzen, wie Phosphiten

iv> ο i'T Hypophosphiten, verringert. |edoch werden dabei ,,1 die Werte erreicht, welche den Umlauf der Kondensate von den Rost und Verfestiyungsstufen erlauben.

Ein erster Gegenstand der Erfindung ist daher die starke Denitrierung der Lösungen der Spaltprodukte mit Hilfe von rotem Phosphor. Infolge der reduzierenden Wirkung von Phosphor wird die Salpetersäure zu Gasprodukten (NO, NO2, H₂) reduziert, weiche leicht aus den Lösungen ohne Destillation entfernt werden können.

Ein anderer Gegenstand der Erfindung besteht darin, während der Verfestigungsstufe einen hohen Entgiftungsfaktor v-on Ruthenium zu erreichen, der dem Entgiftungsfaktor von anderen Elementen, die entfernt werden müssen, gleichkommt

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung die Ausnutzung der Reaktionswärme bei der Umsetzung P —HNO3, um die Reaktion selbst zu unterstützen und die Abgase zu entfernen.

Ein weiterer Schritt der Erfindung ist die Zugabe einer Substanz, welche sowohl als Denitrierungsmittel als auch als glasbildendes Mittel wirkt Tatsächlich wirken die Oxidationsprodukte von Phosphor (Phosphate, Phosphite, Hypophosphite) unter Bildung des anionischen Teils des Glasproduktes zusammen, welcher Teil anderweitig zugegeben werden sollte.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus folgender Beschreibung:

Die Reaktion P— HNOj ist eine heterogene exotherme Reaktion, bei der eine bemerkenswerte Menge von Gasprodukten entsteht Für einen exakten Reaktionsverlauf ist es wichtig, daß die entstehende Hitze und die Reaktionsgase abgeleitet werden, um plötzliche Druckänderungen zu vermeiden. Die Reaktionswärme kann bei der Siedetemperatur der Mischung als Verdampfungswärme entfernt werden.

Bei einer HNO3-Konzentration im Bereich von 2 bis 4 M entspricht scheinbar die kritische Geschwindr .., d. h. die Geschwindigkeit, bei der die Reaktion nicht mehr kontrollierbar ist, einem Wert von C durch C = 0,675, wobei C die Salpetersäurekonzentration (HNO3 Mol Pro Liter) und C die Grammatome Phosphor bedeuten. Von der obigen Beziehung sind die Maximalmengen Phosphor abgeleitet, die mit einer Salpetersäurelösung von bekannter Zusammensetzung reagieren können. Die Anfangstemperatur der Reaktion liegt bei 70 bis 8O⁰C, wobei die Startzeit vernachlässigbar ist. Die bei der Reaktion der Salpetersäure entstehenden Stoffe sind N₂ (etwa 39%), NO₂ (etwa 29%) und NO (etwa 32%). N₂0-Spuren wurden ebenfalls gefunden. Von Produkten aus den roten Phosphor ist HjPO₄ in einer Menge von etwa 89% und HjPOß in einer Menge von etwa 11%, berechnet auf Gesamtmenge, vorhanden. Die Anfangskonzentration der Salpetersäure beeinflußt nicht die Zusammensetzung der Reaktionsprodukte.

Die Reaktionsleistung, d. h. das Verhältnis von zerstörten HNO3-Molen zu oxidierten Phosphor-Grammatomen war gleich 0,97 ± 0,02. Die experimentell gemessene Reaktionswärme ist gleich - 165 ± 19 Kcal/g von rotem Phosphor. Der sich aus den Reaktionsprodukten und der Reaktionswärme ergebende Reaktionsverlauf ist folgender:

2 HNOj + 2 P + 2 H₂C -. ί Hj

+ N₂

Bei einem relativ engeren Verhältnis ergibt sich folgender Reaktionsablauf:

5HNO, + 3 P + 2 HjO-5HNOi -r P- 5NOj +

3H₁PO., + 5NO
1.PO₄ + H₂O

Zur Herstellung eines Glases gemäß dem Verfahren der Erfindung wird zunächst die Startlösung mit Hilfe von rotem Phosphor, wie oben beschrieben, denitriert Anschließend werden geeignete Zusätze beigegeben, sofern sie 2ur Verbesserung der technischen Eigenschaf ten des Glasproduktes erforderlich sind. Schließlich wird die Lösung in einem Metalltiegel gegeben, der in einem Ofen auf 750 bis 900° C eingelassen ist

Die Lösung verdampft schnell in einem Tiegel, der trockene Rückstand wird kalziniert und geschmolzen.

lu Das Endprodukt besteht noch im Tiegel aus einer glasartigen geschmolzenen Masse. Durch Abkühlung entsteht ein festes Glasprodukt, in dem alle Metalle enthalten sind, die sich in der Lösung befanden.

In der Verdampfungsstufe ist die Flüchtigkeit des Rutheniums stark verringert weil der Phosphor als Denitrierungs- und glasbildenden Mittel während der Kaizinierungsstufe ein stark reduzierendes Milieu bildet, wobei die Bildung von stark flüchtigem RuO₄ verhindert wird.

In Verbindung mit der Zeichnung wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben:

F i g. 1 zeigt ein Kurvenblatt auf dem die Mengen an verflüchtigtem Ruthenium (kleine Kreise) auf der Ordinatenachse aufgetragen sind. Auf der Abszisse sind

2) die Werte des Verhältnisses zwischen anfänglichen Grammatomen P und anfänglichen MoI HNO₃ aufgetragen. Die kleinen Quadrate direkt über der Abszisse zeigen die Prozentwerte an Eisen an, die bei den verschiedenen Werten des Verhältnisses zwischen den

J» anfänglichen Grammatomen von P und den HNOj-Molen mitgerissen sind und verloren gehen.

F i g. 2 zeigt eine Vorrichtung für die Reaktion zwischen P und HNO3 bei der Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung.

J-; Fig.3 zeigt eine vollständige Vorrichtung für die Gewinnung eines Glaces aus einer Lösung von Spaltprodukten.

Das erste Beispiel betrifft eine P —NHOj Reaktion zur Bildung eines Glases aus einer denitrierten Lösung

•in von Spaltprodukten in dem die Metalle in der Startlösung der Spaltprodukte als Oxyde vorhanden sind.

Beispiel 1

■i"> Die zur Reaktion P-HNO₃ dienende Vorrichtung (F i g. 2) bestand aus einem 750 ml Reaktionsgefäß 1, das mit einem Thermoregulator 2, Rührer 3, elektrischem Heizkörper 4 (350 W) und einem Kühlsystem 5 ausgerüstet war, ferner aus einer Flasche 6 und einer

5" Blase 7 aus Polyäthylen zur Aufnahme der gekühlten Gase. Zwischen Gefäß 1 und Kühler 5 war ein Heizelement 8 zur Verhinderung von Kondensationen eingeschaltet, entlang der Gasführung ein U-förmiges Manometer 9.

ν") In das Gefäß 1 wurden 250 ml salpetersaure Lösung eingefüllt, dann roter Phosphor (in Pulverform mit spezifischer Oberfläche = 0,36 m²/g) zugegeber, und auf 70⁰C erwärmt. Nach Beginn der Reaktion wurde die Erhitzung abgebrochen, und die Reaktionstemperatur

do der Mischung stieg schnell bis zum Siedepunkt (etwa 100⁰C). Die in der Blase 7 aufgefangenen Gase wurden gaschromatographisch und mit Hilfe eines Apparates zur Gasanalyse für selektive Absorption (ORSAT) analysii_rt. Die Salpetersäure wurde volumetrisch durch

""' Titration und gravimetrisch als Nitronnkrat (CiNiHIbN₄-HNOj) bestimmt. Phosphorige Säure wurde volumetrisch mit Iod bestimmt. Phosphorsäure durch Titration mit Alkali.

Die Resultate der drei Tests sind im folgenden tabellarisch zusammengestellt.

Tabelle 1

Anfangsvolumen der 250 250 250

Lösung (ml)

Anfangsmolarität der 1,86 2,8 3,86

Anfangsmole der HNO., 0,465 0,700 0,965

Verwendeter P in 0,30 0,471 0,6

Grammatomen

Anfangswert des 0,645 0,67 0,62

Verhältnisses P/HNO.,

End volumen der Lösung 171
EndmolaritätvonHNO₃ 0,98

172

1,22

0,210

0,117

16,8

53,3

10,8

221

1,64

0,363

0,102

36,3

10,5

53,2

51,5

-.1

37

11,5

4,2X10'

0,246	0,384	0,566
0,049	0,083	0,034
83,4	82,0	94,3
16,6	18,0	5,7
0,297	0,490	0,602
0,99	1,04	1,00

10

20

25

JO

Endmole von HNO₃ 0,168

HNO₃-MoIe im Destillat 0,058

% Rückstands-HNO₃ 36

% destill. HNO₃ 12,5

% gasförmige HNO₃ 51,5

% (Volumen-) NO₂ 51
im Gas

% (Volumen-) N₂ 49 58,2

im Gas

% (Volumen-) NO - 31,0

im Gas

Nicht reagierteGramm- 7x10
atome Phosphor

Produzierte Mol H₃PO₄
Produzierte Mol H₃PO₃
% H₃PO₄
% H₃PO₃
Zerstörte Mol HNO₃

Zerstörte HNO₃/
Anfangs P

Beispiel 2

Verfahren zum Denitrieren und Verfestigen einer -15 Lösung von Spaltprodukten mit einer Vorrichtung nach Fig. 3.

Die Vorrichtung bestand aus einem Pyrex-Reaktionsgefäß 10, das mit Rührer 11 und Heizmantel 12, einem Kühler 13, einem Alkali-Waschturm 14, einem Wäscher 50 15 für die Abgase und einem Tiegel 16. eingelassen in einem 2,5 kW-Schachtofen und beschickt von Gefäß 10, ausgestattet war. Pumpen 18 und 19 regulierten den Flüssigkeitsstrom. Eine inaktive Lösung, welche in ihrer Zusammensetzung (Tabelle 2) den Lösungen der Spalt- 55 produkte entspricht, wurde zur Reaktion mit dem roten Phosphor in dem Gefäß 10 gebracht Die Zusatzstoffe wurden nach Zusammensetzung und Menge zugegeben, um ein Glas entsprechend Tabelle 3 zu erhalten. Die bei 90⁰C gehaltene Lösung wurde mit einer Geschwindig- 60 keit von 350 ml/Stunde in den Tiegel 16 geleitet, dessen Schachtofen bei 800⁰C gehalten war. Nachdem 3 Liter Lösung in den Tiegel eingebracht waren, wurde dieser 12 Stunden bei 800⁰C gehalten, dann gekühlt Die abgehenden Dämpfe wurden im Kondensationsturm 20 65 verdichtet und die Kondensate im Gefäß 21 gesammelt Die Abgase wurden in Turm 14 mit einer Alkalilösung gewaschea

Vier Glasmuster wurden aus denitrierten Lösungen unter Verwendung steigender Mengen an rotem Phosphor hergestellt. Praktisch wurde der anionische Glasanteil P2O5 durch Verwendung einer Mischung von rotem Phosphor mit Phosphorsäure erhalten, wobei der Gehalt an P zwischen 0 und 100% schwankte. Wesentliche Werte bei der Denitrierungsreaktion wurden erhalten, welche mit denen identisch sind, welche im vorhergehenden und Beispiel 1 angegeben sind. Was die Rutheniumverflüchtigung betrifft, basiert die Kurve nach F i g. 1 auf den Rutheniumkonzentrationen im Destillat von der Glasverfestigung im Tiegel. Die Abnahme der Rutheniumverflüchtigung während der Kalzinierung und Glasbildung ist beträchtlich.

Einem Verhältniswert P/Grammatome ·/■ HNOj-MoIe = 1,1 entspricht eine Rutheniumverflüchtigung von 0,75%, die mit den Eisenverlusten vergleichbar ist, welche lediglich durch das Mitreißen auftreten.

Die hohe Qualität der Glasprodukte und die verringerte Flüchtigkeit des Rutheniums sind ein Beweis für die erfindungsgemäße Anwendung von rotem Phosphor als Denitrierungs- und glasbildendes Mittel.

Tabelle

Verwend. Salze

HNO₃

H₂SO₄

H₃PO₄

Ru

Al

Mg

Cr

Ni

Fe

Gd

Eu

Sm

Nd

Pr

Ce

La

Ba

Cs

Sr.

Cd

Te

Mo

Zr

Sr

Se

Tabelle

P₂O₅ PbO Mo₂O Oxide in der Lösung RuCI₃

A1(NO₃)₃9H₂O

Mg(NO₃)₂6H₂O

Cr(NO,)₃9H₂O

Ni(NO₃)₂6H₂O

Fe(NO₃)₂9H₂O

Gd₂O₃

Eu₂O₃

Sm₂O₃

Nd₂O₃

Pr₆O₁,

Ce(NO₃)₃6H₂O

La(NO₃)₃6H₂O

Ba(NO₃)₂

CsNO₃

SnCh

Cd(NO₃)₂

Na₂TeO₄2H₂O

Na₂MoO₄2HjO

Zr(NO₃J₄
Y(NO₃)₃6H₂O
Sr(NO₃)₂
Na₂SeO₄

57,5% Molar-Prozentsatz

15,0% Molar-Prozentsatz

19,0% Molar-Prozentsatz

8,5% Molar-Prozentsatz

g/l

189 1,58 0,18 4,16 19,7 27,12 2,08 0,6 8,02 0,04 0,07 1,53 6,9 1,89 9,84 4,8 2,79 6,75 0,05 0,06 2,37 11,34 20,07 3,39 3,81 0,14

Hierzu 3 Blatt Zcichnunccn

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Denitrierung und Verfestigung von salpetersauren Kernspaltproduktlösungen unter Bildung eines Phosphatglases, das alle in der Ausgangslösung enthaltenden Metalle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der salpetersauren Lösung pulverförmiger roter Phosphor zugesetzt und eine exotherme Reaktion in Gang gesetzt wird, wobei leicht entfernbare gasförmige Produkte, wie Stickstoff und Stickoxide erhalten werden neben einer reinen konzentrierten Lösung von Nitraten, enthaltend Phosphite und Phosphate, daß die denitrierte Lösung in einem in einem Ofen befindlichen Tiegel kontinuierlich überführt wird, in dem die Lösung verdampft, der Rückstand kalziniert und das Kalzinat geschmolzen wird und daß die gebildete Glasschmelze absatzweise gekühlt und verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als salpetersaure Ausgangslösung eine Lösung von Spaltprodukten aus der Aufarbeitung von bestrahltem Kernbrennstoff verwendet und in eine feste glasartige Masse umgewandelt wird, in der die Spaltprodukte und insbesondere Ruthenium enthalten sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Metalltiegel in einen Schachtofen eingelassen und bei einer Temperatur von 950° C gehalten wird.