DE2124354A1 - Einrichtung zur Reinigung von tritiumhaltigem schwerem Wasser - Google Patents

Description

Einrichtung zur Reinigung von tritiumhaltigem schwerem Wasser

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Reinigung von tritiumhaltigem schwerem Wasser unter Verwendung eines elektrolytischen Verfahrens und Trennung von Dp und TD sowie anschließender Verbrennung des D2 zu DgO. Derartige Einrichtungen werden in Verbindung mit Kernreaktoranlagen benötigt, die mit schwerem Wasser gekühlt und/oder moderiert werden. Solche Kernreaktoren haben wegen ihrer guten Neutronenökonomie verbreitete Anwendung sowohl als Forschungs- wie auch als Leistungsreaktoren gefunden. Während des Betriebes dieser Reaktoren wird im schweren Wasser durch Neutroneneinfang im Deuterium dessen schwereres Isotop Tritium gebildet, ein β-Strahler mit einer Halbwertszeit von 12,3 Jahren und einer maximalen β-Energie von 19 keV. Der Wirkungsquerschnitt dieser Kernreaktion liegt mit 5»5 . 10 barn zwar sehr niedrig, die hohen Neutronenflußdichten im Reaktorkern sowie die langen Bestrahlungszeiten des Kühlmittels haben jedoch den Aufbau merklicher Tritium-Konzentrationen zur Folge. Je nach der Neutronenflußdichte muß nach einem Jahr Betriebszeit bereits mit einer Tritium-Konzentration im DpO der Größenordnung 1 bis 10 Ci/l gerechnet werden.

Das gebildete Tritium trägt zwar wegen der geringen /O-Energie nicht zur externen Strahlenbelastung der Umgebung bei. Die Flüchtigkeit des im schweren Wasser in Form von DTO vorliegenden Tritiums begünstigt jedoch sein Entweichen aus KreislaufUndichtigkeiten in die umgebende Luft, in der es dann als Wasserdampf vorliegt. Hier beisteht dann die Gefahr der Inkorporation für das Betriebspersonal und zwar nicht nur auf oralem Wege, sondern wegen des schnellen

-3-

209849/0946

VPA 71/9416

-2-

lBOtopenaustausches von DTO mit dem Körperwasser auch, durch die unverletzte Haut hindurch. In Räumen, in denen die Tritium-Konzentration in der Luft wesentlich, über der zuge-

-6 lassenen maximalen Arbeitsplatzkonzentration von 5 . 10 /uCi/cnr (für 40-stündige Arbeitszeit in der Woche) liegt, ist daher der. Aufenthalt nur in Vollschutzanzügen möglich, die die,Durchführung von Arbeiten wesentlich erschweren.

Die Gefahr einer solchen Tritium-Kontamination kann am besten dadurch verringert werden, wenn das Tritium aus ■ den Kreisläufen entfernt wird, was einer Begrenzung der Tritiumkonzentration im schweren Wasser gleich kommt. Die Reinigung des schweren Wassers wird daher bereits bei verschiedenen Anlagen, insbesondere solchen mit hohen Neutronenflußdichten vorgesehen, sie kann dieskontinuierlich oder auch kontinuierlich durchgeführt v/erden.

Zur Abtrennung des Tritiums aus dem schweren Wasser sind verschiedene Verfahren bekannt, u.a. die mehrstufige Destillation des DpO-DTO-Gemisches und der katalysierte Isotopenaustausch zwischen Dp-Gas und dem zu reinigenden DpO-DTO-Gemisch. In der Praxis werden oft beide Verfahren miteinander kombiniert. Beide Verfahren der Trennung von P DpO und DTO weisen jedoch nur wenig von 1 verschiedene Trennfaktoren auf, was in der Praxis zu relativ komplizierten Anlagen zwingt.

Wesentlich günstigere Trannfaktoren sind durch Ausnutzung des größeren relativen Massenunterschiedes von D„ und DT mit Hilfe der Gaschromatografie oder Tieftemperaturdestillation zu erreichen. Als Vörstxife für diese Trennung müssen jedoch Dp und DT durch Elektrolyse aus dem zu reinigenden DpO-DTO-Gemisch hergestellt werden. Anschließend wird das gereinigte Dp durch Verbrennung wieder zu D₂O umgesetzt. Der wesentliche Nachteil dieses für die wirkungsvolle Reinigung interessanten Verfahrens iöt der hohe Verbrauch an elektrischer Energie für die Elektrolyse.

209849/09 4 5

VPA 71/9416

Zur Verringerung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß für die· Umsetzung des Dp zu D₂O eine an sich bekannte Wasserstoff-Sauerstoff- bzw. Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle vorgesehen, deren Elektrolyt jedoch deuteriert und in seiner Konzentration mit D₂O eingestellt ist. Mit dieser Einrichtung gelingt es, einen wesentlichen Teil der zur Elektrolyse verbrauchten elektrischen Energie wieder zu gewinnen.

Die Figur zeigt schematisch den Ablauf der erwähnten Vorgänge. Das Gemisch aus DpO und DTO wird der Elektrolyseeinrichtung E zugeführt, die an eine Gleichstromquelle G angeschlossen ist. Der bei der Elektrolyse entstehende Sauerstoff wird an die Luft abgegeben, das Gemisch von D₂ und DT der Trenneinrichtung T zugeführt. Das hier gewonnene DT wird einer nicht dargestellten Sammeleinrichtung zugeführt. Das gereinigte Deuterium D₂ gelangt zur Brennstoffzelle B und verläßt diese als schweres Wasser D₂O, das in den Kreislauf des Reaktorkühlmittels zurückgegeben werden kann. Der an den elektrischen Ausgangsklemmen der Brennstoffzelle entnehmbare elektrische Strom kann dann, wie durch die strichpunktierte Linie angedeutet, wieder in die Elektrolyseeinrichtung E eingespeist werden.

1 Figur

1 Patentanspruch

—4 — 209849/0945

Claims (1)

1. YPA 71/9416 -4-

   Patentanspruch

   Einrichtung zur Reinigung von tritiumhaltigern schwerem Wasser unter Verwendung einen elektrolyt! f.?chen Verfahrens und Trennung von Dp und DT sowie anschließender Verbrennung des D^ zvl DpOs cUidurch gekennzeichnet, daß für die Umsetzung des J3p zu D₀O eine an sich "bekannte Wcts serst off/Säuerst off b;:w. Wasserstoff/Luft-Brennfstoffzelle vorgesehen ist, deren Elektrolyt jedoch deuteriert und in seiner Konzentration mit DpO eingestellt ist.

   2098A9/09A5