Vakuumdestillation verbessert die Effizienz des Recyclings von Lösungsmitteln für Kernbrennstoffe

Bei der nuklearen Brennstoffaufbereitung fungieren Lösungsmittel als unermüdliche "Reiniger", die Tag für Tag daran arbeiten, wertvolles Uran und Plutonium aus abgebrannten Brennstoffen zu extrahieren. Diese molekularen Arbeitspferde bauen sich jedoch allmählich ab, wenn sie über einen längeren Zeitraum intensiver Strahlung und korrosiven Chemikalien ausgesetzt sind, wodurch sie an Effizienz verlieren und potenziell schädliche Nebenprodukte erzeugen, die sowohl die Sicherheit als auch die Verarbeitungseffektivität beeinträchtigen.

Die Lösung liegt in der Lösungsmittelregenerierungstechnologie. In Anlagen zur nuklearen Wiederaufbereitung spielt das Kohlenwasserstoff-Tributylphosphat (TBP)-Lösungsmittelsystem eine entscheidende Rolle. Im Laufe der Zeit führen Wechselwirkungen zwischen Salpetersäure, salpetriger Säure und Kohlenwasserstoffen unter Strahlung zur Bildung verschiedener Abbauprodukte, die die Extraktionsleistung und die Prozessstabilität beeinträchtigen. Die Entwicklung effizienter Regenerierungsmethoden zur Entfernung dieser Verunreinigungen ist unerlässlich geworden, um die Betriebszuverlässigkeit zu erhalten.

Während herkömmliche Methoden wie chemisches Waschen und Adsorption hinsichtlich Effizienz und Abfallerzeugung Einschränkungen aufweisen, hat sich die Vakuumdestillation als vielversprechende physikalische Trenntechnik herauskristallisiert. Dieser Ansatz bietet betriebliche Einfachheit, hohe Trenneffizienz und Umweltvorteile, indem er Sekundärabfälle vermeidet.

Die Technologie nutzt Unterschiede in den Siedepunkten unter reduziertem Druck und ermöglicht so die Trennung bei niedrigeren Temperaturen, die eine Zersetzung von TBP verhindern und gleichzeitig Verunreinigungen effektiv entfernen. Die thermische Instabilität von TBP und die extrem niedrigen Konzentrationen verschiedener Verunreinigungen stellen jedoch erhebliche technische Herausforderungen dar, die präzise gesteuerte Systeme erfordern.

Wissenschaftler des Reprocessing Development Laboratory des Indira Gandhi Atomic Research Centre haben ein Pilotanlagen-Lösungsmittelreinigungssystem auf Basis der Vakuumdestillation entwickelt und validiert. Diese integrierte Lösung kombiniert mehrere Flüssig-Gas-Trenneinheiten zu einem umfassenden Regenerierungsprozess:

• Dehydratisierungssäule: Entfernt zunächst den Wassergehalt, der die Extraktionseffizienz beeinträchtigen und durch Destillationsprinzipien Gerätekorrosion verursachen könnte.
• Dünnschichtverdampfer mit Rührwerk: Erzeugt einen erhitzten Dünnfilm für eine schnelle Lösungsmittelverdampfung, während eine thermische Zersetzung verhindert wird, wobei der Dampf zur Vakuumdestillationskolonne geleitet wird.
• Vakuumdestillationskolonne: Das Kernstück des Systems, in dem mehrere Dampf-Flüssigkeits-Kontakte unter Vakuum reines TBP (am oberen Ende gesammelt) von Abbauprodukten (am Boden zurückgehalten) trennen.

Tests mit simulierten abgebauten Lösungsmitteln bewerteten physikalische Eigenschaften (Dichte, Viskosität) und Extraktionsleistung (Uran-/Plutonium-Rückgewinnungsraten) und lieferten wichtige Daten für die Prozessoptimierung.

• Vakuumbetrieb reduziert die Siedepunkte, um die TBP-Integrität zu erhalten
• Integrierte mehrstufige Trennung für umfassende Reinigung
• Präzisionskontrolle von Temperatur-, Druck- und Durchflussparametern

Dieser Durchbruch bietet Nuklearanlagen eine effektive Methode zur Verlängerung der Lebensdauer von Lösungsmitteln, zur Senkung der Kosten, zur Minimierung von Abfällen und zur Erhöhung der Betriebssicherheit. Die Technologie hat auch das Potenzial zur Anpassung in der chemischen und pharmazeutischen Industrie für Lösungsmittelrückgewinnungsanwendungen.

• Weitere Optimierung der Betriebsparameter
• Entwicklung fortschrittlicher Trennmaterialien
• Implementierung automatisierter Steuerungssysteme

Da sich die Vakuumdestillationstechnologie weiterentwickelt, verspricht sie, diese molekularen "Reiniger" zu revitalisieren und nachhaltigere nukleare Brennstoffaufbereitungsoperationen weltweit zu unterstützen.