[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung der Wertstoffe Technetium, Ruthenium
und Palladium aus Stoffströmen, die bei der Wiederaufarbeitung von bestrahltem Kernbrennstoff
entstehen, wobei die Wertstoffe durch Fällung und Ionenaustausch aus einer salpetersäuren,
die Wertstoffe und andere Spalt-/Aktivierungsprodukte enthaltenden Stammlösung isoliert
werden.
[0002] Bei der Bestrahlung von Kernbrennstoffen in Kernreaktoren entstehen Spalt- und Aktivierungsprodukte.
Aktivierungsprodukte entstehen aus den Atomen des Kernbrennstoffs (Uran, Plutonium)
durch Neutroneneinfang; sie gehören der Gruppe der Aktiniden an.
[0003] Spaltprodukte sind Isotope von chemischen Elementen, die entstehen, wenn Atome des
Kernbrennstoffs (Uran, Plutonium) in zwei oder drei Bruchstücke gespalten werden.
Diese Isotope können selbst radioaktiv, aber auch inaktiv sein. Die Wertstoffe Technetium,
Ruthenium und Palladium gehören zu der Gruppe der Spaltprodukte. Von Technetium wird
hauptsächlich das Isotop mit der Masse 99 gebildet, das schwach radioaktiv ist und
deshalb in der Natur nicht vorkommt und somit nur künstlich durch Kernreaktionen erzeugt
werden kann.
[0004] Die Spaltprodukte Ruthenium und Palladium entstehen in Kernreaktoren in großen Mengen,
wobei sowohl radioaktive als auch nicht radioaktive Isotope gebildet werden.
[0005] Spalt-Ruthenium enthält etwa 3 % des Isotops Ru-106, das eine Halbwertszeit von etwa
1 Jahr aufweist und in inaktives Palladium (Pd-106) zerfällt. Spalt-Palladium ist
wegen seines Gehalts an Pd-107 sehr schwach radioaktiv. Diese Radioaktivität schränkt
die Verwendbarkeit zu technischen Zwecken jedoch nicht wesentlich ein.
[0006] Bei der Wiederaufarbeitung wird der bestrahlte Kernbrennstoff in kochender halbkonzentrierter
Salpetersäure aufgelöst. Dabei geht der Hauptteil der Kernbrennstoffe und der Spalt-
und Aktivierungsprodukte in Lösung.
[0007] Ein kleiner Rest des bestrahlten Kernbrennstoffs verbleibt im Auflöser in ungelöster
Form. Dieser Rückstand wird als Feedklärschlamm bezeichnet. Er enthält wesentliche
Anteile an Molybdän, Zirkonium, Technetium und Edelmetallen.
[0008] Aus der Lösung des bestrahlten Kernbrennstoffs wird durch Extraktion unverbrauchtes
Uran und das erzeugte Plutonium abgetrennt. Die verbleibenden Spaltprodukte werden
schließlich in Glas eingeschmolzen.
[0009] Wegen des kommerziellen Wertes der Spaltprodukte Technetium, Ruthenium und Palladium
wurde eine Reihe von Vorschlägen zur Abtrennung dieser Wertstoffe aus Lösungen, die
bei der Wiederaufarbeitung bestrahlter Kernbrennstoffe hergestellt werden, veröffentlicht
(M.W. Davis, The Extraction of Cs, Sr and the Platinum Group Metals from Acidic High
Activity Nuclear Waste, DOE/SR/10714-T3).
[0010] Diese Vorschläge beziehen sich auf die Verwendung mehrerer hintereinandergeschalteter
Kolonnen, an denen zuerst die störenden und später die gewünschten Nuklide mit einer
Rückhaltung zwischen 75 % und 95 % an den Kolonnen fixiert werden. Dies bedingt einen
hohen apparativen Aufwand durch den notwendigen Einsatz mehreren Kolonnen.
[0011] Weiterhin entsteht dabei eine erhebliche Menge an Sekundärabfall, da verbrauchte
Kolonnen stark kontaminiert sind und gesondert entsorgt werden müssen.
[0012] Aus der US-3,848,048 ist ein Verfahren bekannt, bei dem Palladium, Technetium, Rhodium
und Ruthenium aus sauren Kernbrennstofflösungen abgetrennt werden, indem diese Lösungen
nacheinander über drei Kohlebetten geleitet werden, die mit verschiedenen Chelatisierungsmitteln
imprägniert sind. Auf diesen Betten werden nacheinander die Elemente Palladium, Technetium
und Ruthenium/Rhodium in chelatisierter Form zurückgehalten.
[0013] Die beladenen Betten werden vorzugsweise verascht und die Wertstoffe aus der Asche
isoliert.
[0014] Dieses Verfahren weist mehrere Nachteile auf. Die Chelatisierungsmittel können die
von den Wertstoffen befreite Lösung verunreinigen und auf diese Weise die Abtrennung
weiterer Wertstoffe oder die Konditionierung der restlichen Inhaltsstoffe empfindlich
stören. Die Kohlebetten stellen wegen ihrer Brennbarkeit ein wesentliches Gefährdungspotential
dar. Sie werden nach ihrer Beladung verbrannt, wobei radioaktive Bestandteile als
Gase oder Aerosole freigesetzt werden und durch eine wirksame Abgasreinigungsanlage
mit Hilfe von Wäschern und Filtern zurückgehalten werden müssen. Waschflüssigkeiten
und Filter müssen als Sekundärabfall entsorgt werden.
[0015] Aufgabe der Erfindung ist, die Wertstoffe Technetium, Ruthenium und Palladium aus
sauren Lösungen von bestrahltem Kernbrennstoff selektiv und mit hohem Wirkungsgrad
abzutrennen. Die Abtrennung dieser Wertstoffe soll bei der weiteren Behandlung der
radioaktiven Stoffe keine zusätzlichen Probleme verursachen; insbesondere sollen
nur Stoffe angewendet werden, die die von den Wertstoffen befreite Lösung nicht verunreinigen
oder sich durch einfache Maßnahmen wie z. B. durch Erhitzen oder Extrahieren der
Lösung beseitigen lassen. Leicht brennbare Stoffe sollen nicht eingesetzt werden.
Das Verfahren soll sich in einfacher Weise durchführen lassen, wobei möglichst wenig
Sekundärabfall anfallen soll.
[0016] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs aufgeführten
Merkmale gelöst.
[0017] Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens an.
[0018] Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell mit allen während des Wiederaufarbeitungsprozesses
hergestellten salpetersauren Lösungen, die Technetium, Ruthenium und Palladium enthalten,
durchgeführt werden.
[0019] Eine bevorzugte Quelle für diese Wertstoffe bildet der Feedklärschlamm, denn er
enthält die Wertstoffe in konzentrierter Form.
[0020] Der Feedklärschlamm kann dadurch in Lösung gebracht werden, daß er in an sich bekannter
Weise mit reduzierenden Gasen wie CO oder H₂ behandelt und mit Carbonaten geglüht
wird. Der Glührückstand wird mit 3-7-molarer Salpetersäure aufgenommen und die Lösung
auf 1 Mol HNO₃/l eingestellt. Dabei bleibt Rhodium als Rh₂O₃ im Rückstand.
[0021] Die von festem Rh₂O₃ befreite Lösung bildet die Stammlösung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, die neben den Wertstoffen Technetium, Ruthenium und Palladium je nach
Herkunft und Vorbehandlung des bestrahlten Kernbrennstoffs noch wechselnde Mengen
der Elemente Pu, U, Am, Mo, Zr, Ce und weitere Spalt- und Aktivierungsprodukte enthalten
kann.
[0022] Die Stammlösung wird mit Diäthylthioharnstoff (DETH) in fester Form oder als wäßrige
Lösung versetzt. Die Menge an DETH richtet sich nach der Menge an Palladium und Ruthenium
in der Stammlösung. Pro Mol Palladium werden 4 Mol DETH und pro Mol Ruthenium zusätzlich
6 Mol DETH zugegeben. Dabei bildet Palladium mit dem Reagens DETH selektiv einen
unlöslichen Niederschlag, in dem mehr als 99 % des vorhandenen Palladiums ent halten
sind. Spektralphotometrische Untersuchungen lassen die Vermutung zu, daß es sich um
polymere Pd-DETH-Komplexe handelt.
[0023] Der Palladium enthaltende Niederschlag wird in üblicher Weise abgetrennt und bei
ca. 500° C geröstet. Dabei bildet sich PdO, das durch Glühen bei 900° C zum Metall
reduziert werden kann.
[0024] Das Filtrat des Pd-Niederschlags wird zur Beschleunigung der Komplexbildung des DETH
mit Ruthenium für etwa 30 min auf eine Temperatur von ungefähr 70° C erhitzt.
[0025] Die erkaltete Lösung wird durch einen stark sauren Kationenaustauscher geleitet.
Dabei werden die ausschließlich in kationischer Form vorliegenden Ru(NO)-DETH-Verbindungen
gemeinsam mit den in diesem Medium im vierwertigen Zustand vorliegenden TcO²⁺-Ionen
quantitativ am Adsorber zurückgehalten, während die begleitenden Verunreinigungen
nur teilweise adsorbiert werden und durch Waschen der Kolonne mit etwa 2-molarer
HNO₃ wieder desorbiert werden können.
[0026] Als besonders leistungsfähig hinsichtlich Kapazität und Sorptionskinetik erwies
sich der stark saure Kationenaustauscher AG 50 W-X2; er besteht aus einem makroporösen
Ko-Polymerisat von Polystyroldivinylbenzol mit 2 % Vernetzung.
[0027] Nachdem der Kationenaustauscher durch Waschen von den adsorbierten unerwünschten
Stoffen befreit wurde, wird das Technetium selektiv und quantitativ eluiert. Die
Eluierung erfolgt vorzugsweise mit einer Lösung aus ca. 0,1 - 1 Mol H₂O₂/l und 0,1
- 1 Mol HNO₃/l. Technetium liegt nach der Eluierung als Pertechnetat vor.
[0028] Anschließend wird Ruthenium eluiert; vorzugsweise wird 6-8-molare HNO₃ als Elutionsmittel
verwendet.
[0029] Ein wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß - außer
der zur Auflösung von bestrahltem Kernbrennstoff ohnehin notwendigen Salpetersäure
- nur Chemikalien eingesetzt werden, die durch einfaches Verkochen bzw. Extrahieren
aus der von den Wertstoffen befreiten Lösung entfernt werden können. Deshalb wird
die weitere Behandlung dieser Lösungen nicht erschwert. Das Verfahren kann in das
Verfahrensschema der Wiederaufarbeitung integriert werden, ohne daß der Wiederaufarbeitungsprozeß
verändert werden muß.
[0030] Die verwendeten Chemikalien stellen an die Korrosionsbeständigkeit einer Anlage
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine höheren Anforderungen als
der Wiederaufarbeitungsprozeß. Das Verfahren kann einfach und kostengünstig durchgeführt
werden. Wegen der Verwendung einer einzigen Abtrennkolonne, die - im Gegensatz zum
Verfahren nach US-3,848,048 - wiederverwendet wird, fallen keine wesentlichen Mengen
von Sekundärabfall an.
[0031] Die Wasserlöslichkeit der verwendeten Chemikalien macht den Zusatz brennbarer organischer
Lösungsmittel überflüssig.
[0032] Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Wirksamkeit aus; die
erzielbaren hohen Beladungsgrade erlauben den Bau kompakter, problemlos zu bedienender
Anlagen.
[0033] Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Durchführungsbeispielen näher erläutert.
[0034] Die Durchführungsbeispiele gehen von einer Stammlösung aus, die durch Carbonataufschluß
von Feedklärschlamm erhalten wird. Hierbei bleibt Rhodium im Rückstand. Für den Feedklärschlamm
wurde ein inaktives Simulat verwendet, das auf veröffentlichten Daten zur Zusammensetzung
des Feedklärschlamms basiert (K. Naito et al, Recovery of Noble Metals from Insoluble
Residue of Spent Fuel, J. Nucl. Sc. and Tech., 23 (6), pp. 540 - 549 (June 1986);
H. Kleykamp, Zusammensetzung von Rückständen aus der Auflösung von bestrahltem LWR-(U,
PU)O₂ mit rückgeführtem Pu, Atomwirtschaft, Juli 1982).
[0035] Das inaktive Simulat wurde mit radioaktiven Isotopen der entsprechenden Elemente
geträgert. Für Plutonium wurde das Isotop 239 verwendet; die Seltenen Erden werden
durch das Element Cer repräsentiert.
[0036] Die Tabelle 1 gibt die mittlere Zusammensetzung des Feedklärschlamms in Gew.-% an.
Tabelle 1
Mittlere Zusammensetzung des Feedklärschlamms bei einem Abbrand von 33000 MWd/t. |
Spalt- und Aktivierungsprodukte |
Mittlere Zusammensetzung Gewichtsprozent |
Molybdän |
15 |
Technitium |
3 |
Ruthenium |
40 |
Rhodium |
4 |
Palladium |
8 |
Aktiniden |
|
Uran |
4 |
Plutonium |
0,1 |
Andere (Zr, Fe, Cr) |
26 |
Summe |
100 |
[0037] Die Tabellen 2 und 3 geben die molaren Konzentrationen der einzelnen Elemente in
der verwendeten Stammlösung an.
Tabelle 2
(Versuch 1) |
Element |
Konzentration (Mol/l) |
Verhältnis Ru/Fremdnuklid |
Dekontaminationsfaktor DF |
Ru |
5 x 10⁻³ |
-- |
3 x 10³ |
U |
5 x 10⁻⁴ |
10 |
4,6 x 10² |
Pu |
1,25 x 10⁻⁵ |
400 |
>1 x 10³ |
Am |
3 x 10⁻⁶ |
333 |
>6 x 10² |
Mo |
1,87 x 10⁻³ |
2,67 |
>1 x 10⁶ |
Tc |
3,75 x 10⁻⁴ |
13,33 |
1 x 10⁴ |
Pd |
1 x 10⁻³ |
5 |
> 99 |
Zr |
3,75 x 10⁻⁵ |
133,33 |
6,25 x 10² |
Ce |
1,25 x 10⁻⁴ |
40 |
5 x 10⁴ |
Tabelle 3
(Versuch 2) |
Element |
Konzentration (Mol/l) |
Verhältnis Ru/Fremdnuklid |
Dekontaminationsfaktor DF |
Ru |
1 x 10⁻² |
-- |
2,8 x 10³ |
U |
1 x 10⁻³ |
10 |
5,1 x 10² |
Pu |
2,5 x 10⁻⁵ |
400 |
>1 x 10³ |
Am |
6 x 10⁻⁶ |
333 |
>6 x 10² |
Mo |
3,7 x 10⁻³ |
2,67 |
>1 x 10⁶ |
Tc |
7,5 x 10⁻⁴ |
13,33 |
1,3 x 10⁴ |
Pd |
2 x 10⁻³ |
5 |
> 99 |
Zr |
7,5 x 10⁻⁵ |
133,33 |
5,8 x 10² |
Ce |
2,5 x 10⁻⁴ |
40 |
4,8 x 10⁴ |
Der Dekontaminationsfaktor DF gibt den Anteil der abgetrennten Elemente bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens an.
[0038] Die Wertstoffe Ruthenium, Technetium und Palladium werden mit Dekontaminationsfaktoren
von 2800 - 3000 bzw. 10000 bis 13000 bzw. >99 abgetrennt.
[0039] Die abgetrennten Werkstoffe sind nur sehr gering durch die unerwünschten Spaltprodukte
und Aktiniden verunreinigt, wie sich aus den Dekontaminatonsfaktoren dieser Elemente
ergibt.
Durchführungsbeispiele (Versuch 1, Versuch 2)
[0040] Als Stammlösung wurde eine 1-molare Salpetersäurelösung verwendet. Die Elementkonzentrationen
für Versuch 1 sind in Tabelle 2, für Versuch 2 in Tabelle 3 dargestellt.
[0041] Unter ständigem Rühren wurde in die Stammlösungen der organische Komplexbildner
N,N′-Diäthylthioharnstoff bei Zimmertemperatur zugegeben. Pro Mol in der Stammlösung
vorliegendem Palladium wurden 4 Mol DETH und pro Mol in der Stammlösung vorliegendem
Ruthenium wurden 6 Mol DETH zugegeben. Nach etwa 15 Minuten sind mehr als 99 % des
Palladiums als Pd-DETH-Komplex ausgefallen. Der Rückstand wurde abgetrennt und die
vom Rückstand befreite Lösung in einem thermostatisierten Wasserbad 30 Minuten lang
auf 70° C erhitzt. Unter diesen Bedingungen werden die in verschiedenen Ru-Wertigkeiten
vorliegenden Rutheniumnitrosylnitratokomplexe quantitativ in die zwei- und dreifach
positiv geladenen Rutheniumnitrosyldiäthylharnstoffkomplexe umgewandelt, während
Technetium, das ursprünglich als Pertechnetrat vorlag, zum TcO²⁺ reduziert wird.
[0042] Die in dieser Weise vorbehandelte Lösung wurde auf eine mit AG50W-X2 beladene Kolonne
aufgegeben, wobei Ruthenium und Technetium vollständig zurückgehalten werden.
[0043] Die Kolonne wurde mit 4-5 Kolonnenvolumina 2-molarer HNO₃ gewaschen, wobei die teilweise
auf der Kolonne zurückgehaltenen störenden Stoffe (Zr, Ce, U, Pu, Am, Mo) entfernt
werden.
[0044] Die Kolonne wurde anschließend mit 4 Kolonnenvolumina einer wäßrigen Lösung, die
HNO₃ und H₂O₂ jeweils in einer Konzentration von 0,5 Mol/l enthielt, oxidierend eluiert,
wobei das Technetium als Pertechnetrat freigesetzt wurde.
[0045] Anschließend wurde die Kolonne zur Freisetzung von Ru mit 14 Kolonnenvolumina einer
7-molarer HNO₃ eluiert.
[0046] Die Ergebnisse der Versuche 1 und 2 sind in den Tabellen 2 und 3 dargestellt.
Legende zu den Figuren:
[0047]
Fig. 1:
Fließschema der Wertstoffgewinnung aus einer Stammlösung, die durch einen Carbonataufschluß
und nachfolgende Auflösung in Salpetersäure erhalten wird.
Fig. 2:
Dynamische Rückhaltung des Technetiums R. Ordinate: R in Prozent der aufgegebenen
Technetiummenge. Abszisse: aufgegebene Technetiummenge in mg/g Kationenaustauscher.
Kationenaustauscher: AG 50 W-X2 (50 - 100 mesh). Temperatur: 24 ± 0,1 °C.
Fig. 3:
Technetiumkonzentration CTc im Eluat in Abhängigkeit des Eluatvolumens V. Kationenaustauscher: AG 50 W-X2. Eluationsmittel:
0,5 M H₂O₂/l M HNO₃.
Fig. 4:
Dynamische Ru-DETH-Rückhaltung R. Ordinate: R in % der aufgegebenen Rutheniummenge.
Abszisse: aufgegebene Rutheniummenge mRu im mg Ru/g Kationenaustauscher. Kationenaustauscher AG 50 W-X2 (200 - 400 mesh) 500
mg; Aufgabegeschwindigkeit 0,76 ml/min. Temperatur: 22° C.
Fig. 5:
Abhängigkeit der Rutheniumkonzentration CRu im Eluat aus einer mit 28 mg Ru/g Kationenaustauscher beladenen Kolonne. Ordinate:
CRu in Mol/l. Abszisse: Eluatvolumen; V als vielfaches des Kolonnenvolumens. Kationenaustauscher:
AG-50W-X2 (200 - 400 mesh). Kolonnenvolumen 5 ml. Eluationsmittel 6 m HNO₃.
Fig. 6:
Rutheniumeluationsausbeute (ARu) in Prozent des fixierten Rutheniums in Abhängigkeit vom Eluatvolumen (V: Vielfaches
des Kolonnenvolumens).
[0048] Die folgenden Figuren beziehen sich auf die Eluationsausbeute A von adsorbierten
unerwünschten Stoffen während des Waschens des Kationenaustauschers. A wird in Prozent
des fixierten unerwünschten Stoffes angegeben.
[0049] Auf der Abszisse sind die Vielfachen des Kolonnenvolumnes aufgetragen. Als Kationenaustauscher
wurde AG 50W-X2 verwendet; das Elutionsmittel (Waschmedium) bestand bei Uran aus 1-molarer
HNO₃, bei den übrigen unerwünschten Stoffen aus 2-molarer HNO₃.
Fig. 7: Elutionsausbeute AU für Uran
Fig. 8: Elutionsausbeute APu für Plutonium
Fig. 9: Elutionsausbeute AAm für Americium
Fig. 10: Elutionsausbeute AZr für Zirkonium
Fig. 11: Elutionsausbeute ACe für Cer.
1. Verfahren zur Abtrennung der Wertstoffe Technetium, Ruthenium und Palladium aus
Stoffströmen, die bei der Wiederaufarbeitung von bestrahlten Kernbrennstoff entstehen,
wobei die Wertstoffe durch Fällung und Ionenaustausch aus einer salpetersauren, die
Wertstoffe und andere Spalt-/Aktivierungsprodukte enthaltenden Stammlösung isoliert
werden, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
a) Zugabe von Diäthylthioharnstoff (DETH) zu der Stammlösung, wobei Palladium selektiv
ausgefällt wird, und Abtrennung des Niederschlags;
b) Einleiten der von Palladium befreiten Lösung in ein Bett eines stark sauren Kationenaustauschers
zur Abtrennung von Technetium und Ruthenium;
c) Waschen des Kationenaustauschers mit verdünnter, verzugsweise etwa 2-molarer Salpetersäure;
d) selektive oxidierende Eluierung des Technetiums mit einer verdünnten Salpetersäurelösung,
die ein Oxidationsmittel enthält;
e) selektive Eluierung des Rutheniums mit Hilfe von konzentrierter, vorzugsweise
6-8-molarer Salpetersäure.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß pro Mol in der Stammlösung
vorhandenem Palladium etwa 4 Mol DETH und zusätzlich pro Mol in der Stammlösung vorhandenem
Ruthenium etwa 6 Mol DETH zugegeben werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als stark saurer Kationenaustauscher
ein makroporöses Ko-Poly merisat von Polystyroldivinylbenzol mit 2-8 %iger Vernetzung,
vorzugsweise AG50W-X2 mit 2 %iger Vernetzung verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur selektiven oxidierenden
Eluierung des Technetiums eine Wasserstoffperoxid enthaltende Salpetersäurelösung
verwendet wird, die sowohl Wasserstoffperoxid als auch Salpetersäure im Konzentrationsbereich
0,05 - 3 Mol/l, vorzugsweise 0,1 - 1 mol/l enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stammlösung aus Feedklärschlamm
hergestellt wird, wobei die Hauptmenge des Feedklärschlamms durch einen Carbonataufschluß
und Zugabe von Salpetersäure in Lösung gebracht wird und die Lösung von nicht lösbarem
Rhodiumoxid abgetrennt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der sich aus DETH und Palladium
bildende Niederschlag bei etwa 500° C in Palladiumoxid überführt wird und aus dem
Palladiumoxid durch Glühen etwa bei 900° C Palladiummetall hergestellt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von Palladium befreite
Lösung zur Beschleunigung der Komplexbildung des Rutheniums mit DETH für etwa 30
min auf eine Temperatur von etwa 70° C erwärmt wird.