The selective separation of Am(III) from highly radioactive PUREX raffinate

Kaufholz, Peter; Roth, Georg; Modolo, Guiseppe; Bosbach, Dirk

doi:HT019583395

The selective separation of Am(III) from highly radioactive PUREX raffinate = Die selektive Abtrennung von Am(III) aus horchradioaktivem PUREX Raffinat

Kaufholz, Peter^RWTH*

2017 & 2018

VerantwortlichkeitsangabePeter Kaufholz

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2017

Umfang1 Online-Ressource (IV, 173 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-284-9

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt/ Energy & environment ; 402

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Bosbach, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Modolo, Guiseppe (Thesis advisor)^RWTH* ; Roth, Georg (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-12-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-00721
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/712792/files/712792.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Americium (frei) ; Curium (frei) ; Lanthanides (frei) ; PUREX (frei) ; partitioning (frei) ; separation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Der Langzeitsicherheitsnachweis eines tiefengeologischen Endlagers ist die primäre Herausforderung für die sichere Entsorgung ausgedienter Kernbrennstoffe. Dabei werden Größe und Kosten eines Endlagers von der Wärmeleistung der radioaktiven Abfälle bestimmt. Eine signifikante Reduktion der Langzeitwärmeleistung wird heute durch die Abtrennung von Uran und Plutonium im PUREX-Prozess (plutonium and uranium reduction extraktion) erreicht. Die verbleibenden dreiwertigen Minoren Actiniden Americium und Curium dominieren den Verlauf der Wärmeleistung nach dem Zerfall der Spaltprodukte. Die geringe Halbwertszeit von Curium in Verbindung mit seiner ausgeprägten Neutronenemission bedingt jedoch aufwändige Neutronenabschirmung für jeglichen Umgang mit Curium. Die Trennung von Americium und Curium gilt in der Separationschemie als eine der schwierigsten Herausforderung. Jedoch stellt die Abtrennung des Americium von Curium und den Spaltprodukten eine vorteilhafte Option dar, die Größe und Kosten eines Endlagers zu reduzieren. Ein kürzlich entwickelter neuartiger Prozess, der Innovative Selective Actinide Extraction (i SANEX) Prozess, wird als Basis für diese Arbeit dienen. Die Demonstration des i SANEX Prozess im kontinuierlichen Gegenstromverfahren mit Zentrifugalkontaktoren wurde im Rahmen dieser Arbeit im Labormaßstab durchgeführt. Der i-SANEX-Prozess basiert auf der Co-extraktion dreiwertiger Actiniden und Lanthaniden mittels einer Diglycolamid-basierten organischen Phase, gefolgt von einer Rückextraktion der dreiwertigen Actiniden mittels eines selektiven hydrophilen Komplexierungsmittels.Verschiedene Kombinationen lipophiler Liganden und hydrophiler Komplexierungsmittel wurden mit dem Ziel getestet, die Selektivität für Americium in Extraktionsprozessen zu erhöhen. Zwei hydrophile Komplexierungsmittel wiesen dabei eine aussichtsreiche Selektivität für Americium in Verbindung mit Diglycolamid-basierten lipophilen Liganden auf. Zeitauflösende Laserfluoreszenz-Untersuchungen (TRLFS) wurden an ausgewählten Actiniden- und Lanthanidenkomplexen mit hydrophilen Komplexierungsmitteln wurden durchgeführt, um die grundlegenden Mechanismen der Komplexierung von Metallionen mit diesen Komplexierungsmitteln zu untersuchen. Konditionale Stabilitätskonstanten wurden für verschiedene Medien ermittelt, um den Einfluss der Säurestärke sowie der Nitrat- Anionen zu untersuchen. Zusätzlich wurden zweiphasige TRLFS-Experimente durchgeführt, um die Wechselwirkung zwischen lipophilen und hydrophilen Komplexierungsmitteln zu untersuchen. Die im Rahmen der Extraktions- und Fluoreszenzspektrometrischen Untersuchungen ermittelten Daten ermöglichen die Entwicklung eines Prozesses zur selektiven Abtrennung von Americium aus PUREX-Raffinaten.

The long-term heat load and radiotoxicity of spent nuclear fuel depicts a major challenge for its disposal as the size and cost of a deep geological repository is governed by the heat generation of the waste. A major reduction of the long-term heat load of radioactive waste is currently achieved by the separation and recycling of uranium and plutonium using the PUREX (plutonium and uranium reduction extraction) process. The remaining trivalent minor actinides americium and curium dominate the heat load after decay of the fission products. However, due to the short half-life of curium and its high neutron emission, any handling involving curium requires extensive neutron shielding. Therefore, the selective separation of americium from curium and the fission products is considered an advantageous option to further reduce cost and size of a final repository, although the separation of americium from curium is one of the most challenging tasks in separation chemistry. A novel process for the separation of trivalent actinides from PUREX raffinate, the innovative selective actinide extraction process (i-SANEX), was developed previously and is taken as the basis of this work. The counter current laboratory-scale demonstration of the i-SANEX process in centrifugal contactors was carried out in context of this work. In this process, the co-extraction of trivalent actinides and lanthanides is carried out using a diglycolamide solvent followed by the selective back-extraction of trivalent actinides using a highly selective hydrophilic complexant. Several combinations of lipophilic extractants and hydrophilic complexants were tested for their selectivity for americium over curium with the aim to increase the selectivity for americium in solvent extraction processes. Two hydrophilic complexants were found to provide promising selectivity towards americium in combination with a diglycolamide based lipophilic extractant. Time-Resolved Laser Fluorescence Spectroscopy (TRLFS) investigations of selected actinide and lanthanide complexes with the hydrophilic complexing agents were carried out to better understand the fundamental mechanisms of complexation of the metal ions with these complexants. Conditional complex stability constants were derived for different media to analyze the influence of acidity and nitrate anions. Additionally, biphasic TRLFS-experiments were carried out to analyze the interaction between lipophilic and hydrophilic complexants. The data generated from solvent extraction and fluorescence-spectroscopic investigations enable for the development of a process for the selective separation of americium from PUREX-raffinate.

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