EP0888623B1 - Verfahren zur vorbereitung von hochradioaktiven stoffen für eine transmutation und/oder verbrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Vorbereitung von hochradioaktiven Stoffen für eine Transmutation und/oder Verbrennung durch Bestrahlung in einer Nuklearanlage.

Die Transmutation und Verbrennung von hochradioaktiven Stoffen werden insbesondere im Rahmen der nuklearen Entsorgung eingesetzt. Als Ergebnis der Transmutation und Verbrennung werden radioaktive Stoffe mit deutlich verringerter Halbwertzeit, die ihre radiologische Gefährlichkeit in überschaubaren Zeiträumen verlieren, oder Stoffe mit geringerer radiologisch gefährlicher Strahlung erzeugt.

Es wäre nun möglich, ähnlich den Prozessen bei der Herstellung von Kernbrennstoffen die zu transmutierenden oder zu verbrennenden Stoffe in Pulverform zu bringen, mit inaktiven Pulvern zu vermischen, zu Tabletten (Pellets, Targets) zu verpressen und in Hüllrohre zu verschweißen, die dann zur Transmutation oder Verbrennung in eine Nuklearanlage eingesetzt werden. Bei diesem Verfahren entsteht jedoch ein radiologisch hochgiftiger Staub, der sich in den heißen Zellen oder Handschuhkästen niederschlägt und eine zusätzliche Strahlenbelastung für die in diesem Bereich tätigen Beschäftigten darstellt. Außerdem besteht die Gefahr einer unvollkommenen Vermischung der Pulver und damit von Heißpunkten bei der anschließenden Bestrahlung in der Nuklearanlage, die zu einem vorzeitigen Abbruch des Transmutations- bzw. Verbrennungsvorgangs zwingen können.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, bei dem gar kein oder kaum ein giftiger Staub entsteht und eine sehr homogene Verteilung der hochradioaktiven Stoffe erreicht wird, so daß Heißpunkte bei der Bestrahlung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, wie es im Anspruch 1 definiert ist und im wesentlichen darin besteht, ein geeignetes poröses Trägermaterial mit den in flüssige Form gebrachten hochradioaktiven Stoffen zu tränken. Wenn das Trägermaterial pulver- oder partikelförmig vorliegt, wird es vorzugsweise nach der Tränkung zu Pellets gepreßt. Liegt dagegen das Trägermaterial bereits in Pelletform vor der Tränkung vor, dann ist es günstig, dieses vor der Tränkung zu entgasen, um eine gleichmäßige Verteilung des radioaktiven Materials im Trägermaterial zu erleichtern.

In manchen Anwendungen ist es wichtig, die mechanische Stabilität der Pellets zu verbessern, um deren Integrität während der ganzen Bestrahlung zu gewährleisten. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der Kern der Pellets durch geeignete zeitliche Beschränkung des Tränkungsprozesses von den hochradioaktiven Stoffen freibleibt und damit die mechanische Stabilität des Pellets erhalten bleibt.

Weiter kann es sinnvoll sein, einen Teil der Oberfläche der Pellets beim Tränken auszusparen, so daß bei der Bestrahlung der im Zentrum des Pellets befindliche Kern keine Spaltungswärme erzeugt, was die mechanische Stabilität erhöht. Dies kann geschehen, indem entweder die Pellets nur teilweise in die Tränkflüssigkeit eingetaucht werden oder indem sie vor dem Tränken teilweise mit einer für die Tränkflüssigkeit undurchlässigen Schicht versehen werden.

Die Erfindung wird nun anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Als poröses Trägermaterial können Pulver, Granulatpartikel oder Mikrokügelchen verwendet werden, wie beispielsweise Oxide von Uranium, Plutonium, Thorium, Yttrium, Cer und Mischungen dieser und anderer Oxide, z.B. Spinell und YAG (Yttrium Aluminium Granat). Diese Liste ist jedoch keineswegs erschöpfend und hängt von der Art der zu transmutierenden oder zu verbrennenden Stoffe ab. Auch Karbide und Nitride der erwähnten und anderer Elemente kommen ggf. in Frage. Als zu transmutierende und zu verbrennende Stoffe kommen die verschiedenen Isotope von Plutonium, Americium, Neptunium, Curium und andere Actiniden sowie Spaltprodukte, z.B. Technetium, in Frage. Diese Stoffe werden entweder durch Schmelzen oder durch chemisches Lösen in einem geeigneten Lösungsmittel in flüssige Form gebracht.

Das Trägermaterial muß ausreichend porös sein, um durch diesen flüssigen Stoff getränkt werden zu können. Außerdem darf dieses Trägermaterial bei der Tränkung durch den flüssigen Stoff im wesentlichen nicht gelöst werden. Die mechanische Form des Trägermaterials hängt von dem gewünschten Tränkungsgrad ab. Es kommen Pulver und Granulate in Frage, die durch Ausfällung oder Umwandlungsprozesse entstanden sind, Mikrokügelchen, die durch ein sogenanntes Tropfen zu Partikel Konversionsverfahren (Sol-Gel) hergestellt wurden, oder Formlinge, die aus Pulvern, Granulaten oder Mikrokügelchen verdichtet wurden.

Liegt das Trägermaterial bei der Tränkung in Form von Pulvern, Granulaten oder Mikrokügelchen vor, dann wird dieses Material nach der Tränkung durch mechanischen Druck oder Vibration in die gewünschte Form gebracht.

In einer möglichen Ausführungsform werden vor der Tränkung aus dem Trägermaterial in Pulverform Pellets gepreßt und vorgebrannt. Solche Pellets besitzen eine Porosität von etwa 40% und können einfach getränkt werden. Im einfachsten Fall werden sie in eine Schmelze oder Lösung des hochradioaktiven Stoffs eingetaucht. Dabei legt man sie in einer definierten Lage auf ein Gitter und taucht dieses langsam in die Flüssigkeit. Die Tränkungsrate hängt von der Dimension der Poren, der Viskosität und Oberflächenspannung der Flüssigkeit, der Benetzbarkeit des Pelletmaterials und der Tränkungsdauer ab.

Legt man Wert auf eine sehr homogene Verteilung der Flüssigkeit in dem Pellet, dann können Gasblasen stören, die in dem Pellet eingeschlossen sind, so daß ungetränkte Zonen verbleiben. Dieses Problem kann gelöst werden, indem man vor der Zufuhr der Tränkflüssigkeit in dem Tränkbehälter einen Unterdruck herstellt, und solche Gasblasen absaugt.

In manchen Anwendungen ist es jedoch erwünscht, daß die Tränkung nur die äußere Schicht der Pellets erreicht. Dies kann erreicht werden durch eine geeignete Wahl der Tränkungsdauer, so daß die Tränkung nur bis zu einer bestimmten Tiefe in die Pellets reicht. Man kann auch eine für die Flüssigkeit undurchlässige Schutzschicht auf einen Teil der Oberfläche des Pellets aufbringen, um an dieser Stelle das Eindringen der Flüssigkeit zu verhindern und damit einen durch die Tränkung nicht erreichbaren zentralen zylindrischen Kern in den Pellets zu erhalten. Dies hat den Vorteil, daß Spaltenergie bei der Bestrahlung der hochradioaktiven Stoffe in der Nuklearanlage bevorzugt an der Pelletoberfläche als Wärme auftritt und leicht abgeführt werden kann, während der feste Kern des Pellets verhindert, daß dieses zerfällt.

Nach dem Tränken kann der in flüssiger Form im Pellet vorliegende hochradioaktive Stoff durch eine Wärmebehandlung in eine gewünschte Form (z.B. Oxid, Nitrid oder Karbid) umgewandelt werden, worauf eine Sinterung erfolgen kann.

In einer anderen Ausführungsform kann das Trägermaterial wie erwähnt aus Mikrokügelchen bestehen, die z.B. nach dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt sind. Wegen ihrer hohen Porosität (etwa 80%) eignen sie sich besonders gut, wenn eine sehr intensive Tränkung gewünscht ist. So kann man eine zylindrische Säule mit den Mikrokügelchen füllen und dann eine Nitratlösung des hochradioaktiven Stoffes zugeben. Die Abmessungen der Säule werden so gewählt, daß keine kritischen Bedingungen entstehen. Nach Beendigung der Tränkung wird die verbleibende Nitratlösung des radioaktiven Stoffs in einen Speichertank zurückgepumpt. Der in den Kügelchen verbleibende Teil dieses Stoffes wird dann in ein Oxid, Nitrid oder Karbid verwandelt. Diese Umwandlung erfolgt unter geeigneter Atmosphäre in handelsüblichen Öfen oder mit Hilfe von Mikrowellen. Danach werden die Kügelchen in die für die Bestrahlung in der Nuklearanlage gewünschte Form gepreßt.

Das Tränken der Kügelchen und deren anschließendes Pressen in die Pelletform können völlig automatisch erfolgen, so daß die Beschäftigten nicht durch zusätzliche Strahlung gefährdet werden. Auch entsteht bei diesem Verfahren kein Staub von hochgiftigen Stoffen.

Anstelle des Tränkens der Kügelchen in einer Säule kann man auch die Kügelchen in einem Korb in die Flüssigkeit eintauchen oder man kann die Kügelchen bewegen oder umrühren und zugleich mit dem flüssigen Stoff besprühen.

Die entscheidenden Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind folgende:

1 - Beschränkung der Verfahrensschritte, bei denen hochradioaktive Stoffe eingesetzt werden, auf die Verflüssigung und auf die Tränkung.

2 - Das Verfahren eignet sich gut für einen ferngesteuerten und weitgehend automatischen Ablauf.

3 - Es entsteht kaum giftiger Staub oder radioaktiver Abfall.

4 - Die Strahlungsbelastung der Beschäftigten wird erheblich verringert.

Claims (8)

1. Verfahren zur Vorbereitung von hochradioaktiven Stoffen für eine Transmutation und/oder Verbrennung durch Bestrahlung in einer Nuklearanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoffe durch Schmelzen oder chemische Auflösung in flüssige Form gebracht werden, daß ein poröses Trägermaterial, das für die Stoffe in der flüssigen Form praktisch unlöslich ist, mit den in flüssige Form gebrachten Stoffen getränkt und dann einer solchen Wärmebehandlung unterworfen wird, daß die Stoffe in die letztlich gewünschte chemische Form umgewandelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial pulver- oder partikelförmig ist und daß es nach der Tränkung und der Wärmebehandlung durch mechanischen Druck oder Vibration in die gewünschte Form gebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial bereits als Formling, z.B. Pellets, vorliegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formling vor und während des Tränkvorgangs zusätzlich entgast wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tränkung zeitlich so beschränkt wird, daß der Kern der Pellets von der Tränkflüssigkeit freibleibt.
6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets beim Tränken nur teilweise in die Tränkflüssigkeit eingetaucht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pellets vor dem Tränken teilweise mit einer für die Tränkflüssigkeit undurchlässigen Schicht versehen werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß abschließend eine Wärmebehandlung (Sinterung) erfolgt.