DE2316831B2

DE2316831B2 - Verfahren und Anlage zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xenonnuklide, enthalten

Info

Publication number: DE2316831B2
Application number: DE2316831A
Authority: DE
Inventors: Harald Prof. Dipl.-Chem. Dr.Rer.Nat. Juentgen; Karl Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Knoblauch; Horst 6451 Hochstadt Queiser; Hans-Juergen Dr.Rer.Nat. Schroeter; Willy 6375 Oberstedten Stumpf
Original assignee: Bergwerksverband GmbH; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Bergwerksverband GmbH; Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-04-04
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1975-10-16
Also published as: JPS5570800A; JPS5531439B2; FR2224841B1; DE2316831C3; DE2316831A1; IT1005599B; JPS5916240B2; US3963460A; SE404454B; JPS508000A; FR2224841A1; GB1471766A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xenonnuklide, enthalten, wobei das Abgas eine adsorptive Anreicherungsanlage so lange durchströmt, bis die erste radioaktive Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei der bis dahin abgeströmte Gasanteil die Armgasfraktion darstellt, die der Atmosphäre zugeführt wird, und wobei anschließend die Anrcicherungsanlage mit einem Spülgas regeneriert wird und die so entstehende, die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Reichgasfraktion einer Verzögerungsstrecke zugeführt wird, und eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim Betrieb von kerntechnischen Anlagen, insbesonders von Kernkraftwerken, fallen radioaktive Abgase an, in denen unter anderem Krypton- und Xenonnuklide enthalten sind. Diese radioaktiven Abgase dürfen nicht ungehindert in die Atmosphäre abgegeben werden, da von den Aufsichtsbehörden die Einhaltung maximal zulässiger Werte für die Radioaktivität gefordert wird. Die Abgabe dieser Gase muß deshalb so lange verzögert werden, bis die Radioaktivität unter die maximal zugelassenen Werte abgesunken ist.

Da die Abgabebedingungen für radioaktive Stoffe i" die Umwelt in Zukunft noch verschärft werden, wäre dieses mit einer weiteren Volumenvergrößerung der Verzögerungsanlagen verbunden, was aus Sicherheits- und Kostengründen zu vermeiden ist; die Kosien für umbauten Raum bei Kernkraftwerken liegen nämlich auf Grund der Strahlensicherheitsvorkehrungen sehr hoch; sie betragen zur Zeit etwa 250 DM/m³.

Zur Verkleinerung von Verzögerungsanlagen bieten sich grundsätzlich die Möglichkeiten an, die Verzögerungsstrecke entweder zu kühlen oder den Be-

triebsdruck in der Verzögerungsanlage zu erhöhen. Durch den Aufwand für die dazu benötigten Kühlaggregate wird jedoch im ersten Fall die Einsparung am Bauvolumen kostenmäßig vielfach kompensiert. Was die Möglichkeit der Erhöhung des Betriebsdruckes anbetrifft, so treten hierbei besondere Probleme hinsichtlich der Dichtigkeit und Sicherheit solcher Anlagen auf, was weitere aufwendige Maßnahmen erforderlich macht.

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist aus der DT-OS 22 05 587 das eingangs beschriebene Verfahren bekannt. Da bei diesem Verfahren der gesamte zu reinigende Abgasstrom zunächst der mechanischen Verzögerungsstrecke und erst nach der Verzögerung der Anreicherungsanlage zugeführt wird, in der eine Aufspaltung des Abgasstromes in zwei Teilströme erfolgt, wobei der eine von den radioaktiven Stoffen befreite Teilstrom (Armgasfraktion) in die Atmosphäre und der andere, mit radioaktiven Stoffen angereicherte Teilstrom (Reichgasfraktion) ao nochmals über die Verzögerungsstrecke geleitet wird, muß die Verzögerungsstrecke entsprechend dem Gesamtdurchsatz des zu reinigenden Abgases ausgelegt werden, was zu großen Anlagenvolumina führt. Auch ist der bei dem bekannten Verfahren zur Verzögerung verwendete Sand zu diesem Zweck nicht sehr wirkungsvoll, so daß auch aus diesem Grund relativ große Anlagevolumina entstehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß das Anlagevolumen reduziert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Abgas zunächst der Anreicherungsanlage zugeführt wird und nur die Reichgasfraktion durch Adsorption in der mit Aktivkohle gefüllten Verzögerungsstrecke verzögert wird.

Neben der mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielten Verzögerung des Anlagevolumens ist mit dieser Lösung auch eine verbesserte Wirkung im Hinblick auf die Anforderungen des Umweltschutzes möglich. Dadurch, daß bei der bekannten Vorrichtung stets das gesamte Desorptionsgas zur Verzögerungsstrecke zurückgeführt wird, steigt der Edelgasgehalt im Gasstrom, der über die Anreicherungsanlage geführt wird, ständig an. Als Folge davon kommt es nach einer gewissen Zahl von Durchläufen zu einem frühzeitigen Durchbruch von Krypton. Dieses Krypton kann dann entweder frei in die Atmosphäre strömen, oder es muß eine weitere Verzögerungsstrecke vorgesehen werden, die zusätzliches Anlagevolumen erfordert.

Mit besonderem Vorzug wird das Verfahren in der Weise ausgeübt, daß in der Anreicherungsanlage der Abgasstrom einem ersten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und diesen so lange durchströmt, bis die erste aktive Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei das bis "dahin abgeströmte Gas die Armgasfraktion darstellt, daß nach dem Durchbruch der Abgasstrom einem gleichartigen weiteren Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und der erste Adsorptions-Desorptions-Reaktor regeneriert wird, indem zunächst eine erste Gasfraktion abgepumpt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, anschließend im Gegenstrom unter Unterdruck mit oder ohne Temperaturerhöhung bis auf maximal 150° C mit einem inaktiven Spülgas gespült wird, (vobei die dabei abgezogene Gasfraktion als Reichgasfraktion entweder über weitere Anreicherungsstufen oder direkt bei gleichbleibendem oder nur wenig höherem Druck der Verzögerungsstrecke zugefv'irt wird und danach der Adsorptions-Desorptions-Reaktor durch Zuführung eines inaktiven Gases wieder auf Normaldruck gebracht wird.

Das Gas, welches man durch die Aktivkohle-Verzögerungsstrecke leitet, entsteht in der vorgeschalteten Anreicherungsstufe im Regenerationsschritt während d'~3 Spülvorganges, wobei man zur Spülung im allgemeinen Luft bei hohen Drücken unterhalb 760 Torr, vorzugsweise zwischen 30 und 150 Torr, verwendet. Zweckmäßigerweise betreibt man die anschließende Verzögerungsstrecke dann bei etwa dem gleichen Unterdruck, zumindest aber nicht wesentlich über dem Atmosphärendruck, um zusätzliche Kosten für Pumpen- oder Kompressionsleistungen zu vermeiden.

Bisweilen ist es erforderlich, die Erfindung so auszugestalten, daß die erste edelgasfreie Gasfraktion der Anreicherungsstufe nicht direkt in die Atmosphäre geleitet wird. Das gilt beispielsweise dann, wenn neben den Spaltedelgasen noch zusätzlich radioaktive Aktivierungsgase, insbesondere Stickstoff- und Sauerstoffnuklide, in der Abluft enthalten sind. In diesem Fall kann man die erste Gasfraktion zu einem Teil in einem Zwischenbehälter speichern und sie während der Regenerierung der Anreicherungsstufe zur Spülung und zum Druckausgleich mitverwenden. Dadurch gelangt dieser Gasanteil mit möglichen radioaktiven Stickstoff- und Sauerstoffnukliden zu einem Teil ebenfalls in die Verzögerungsstrecke und erreicht erst wesentlich später die Atmosphäre.

Eine besonders starke Reduzierung der Abgasmenge und damit eine starke Verkleinerung der Verzögerungsstrecke erreicht man, wenn man als Spülgas in der Anreicherungsstufe an Stelle von beispielsweise Luft ein leicht kondensierbares Gas, wie z. B. Wasserdampf, CO₂, NH₃ oder Frigen, verwendet und dieses vor Eintritt in die Verzögerungsstrecke auskondensiert.

Die Konzentrationen an Edelgasen der in der Anreicherungsstufe entnommenen Spülgasfraktion liegen je nach Verfahrensweise um ein Mehrfaches über der Eintrittskonzentration. Mit Luft als Spülgas können bei normaler Temperatur in einer Stufe Anreicherungsfaktoren von mehr als 3, bei Verwendung eines leicht kondensierbaren Gases von mehr als 15 erreicht werden. Es hat sich aber gezeigt, daß diese erhöhten Konzentrationen nicht die Wirksamkeit der nachfolgenden Verzögerungsstrecke beeinträchtigen.

Das aus der Verzögerungsstrecke austretende dekontaminierte Abgas wird vor Eintritt in den Kamin weiter verdünnt, indem man es mit der edelgasfreien Gasfraktion, die aus der Anreicherungsstufe stammt, vermischt. Eine intensive Vermischung ist im allgemeinen erforderlich, weil die Konzentrationen an Spalt- und Aktivierungsgasen, die während des Spülvorganges aus der Anreicherungsstufe freigesetzt werden, nicht konstant sind und die Schwankungen auch in der anschließenden Verzögerungsstrecke nicht vollständig ausgeglichen werden.

Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß man in der Anreicherungsstufe nicht nur den zu reinigenden Abgasstrom vermindert, sondern die Edelgase Krypton und Xenon vonein-

7 (^ 8

ander trennt. Besonders vorteilhaft gestaltet sich eine man mit zwei oder drei Adsorptions-Desorptionssolche Verfahrensweise dann, wenn man das Xenon Reaktoren aus. Aus der Menge des zur Regenemit seinen verhältnismäßig kurzlebigen Radio- ration benötigter. Spülgases ergibt sich dann die nukliden anschließend über eine Verzögerungs- Größe der nachfolgenden Verzögerungsstrecke. Bisstrecke leitet, während man das Krypton, das zu 5 weilen kann es günstig sein, zur Regeneration der einem gewissen Teil aus dem langlebigen ⁸⁵Kr be- Anreicherungsstufe die Temperatur im Adsorber bis steht, in weiteren Anreicherungsstufen aufkonzen- auf maximal etwa 150⁰C zu erhöhen, um dadurch triert, so daß man letzteres einer Langzeitlagerung die Spülgasmenge und die Spülzeiten zu reduzieren, zuführen kann. Beispielsweise könnte man direkt heiße Luft als Spül-

Bisweilen ist es auch vorteilhaft, wenn man die io gas durch die Adsorber leiten.

Spülung während der Regeneration in der Anreiche- Es werden im folgenden einige Ausführungs-

rungsstufe unterteilt, indem man einen ersten an beispiele der Erfindung an Hand von Zeichnungen

Krypton und Xenon besonders reichen Teil der Spül- erläutert. Es zeigt

gasfraktion gewinnt und der Verzögerungsstrecke F i g. 1 eine schematisch dargestellte Anlage zur

zuführt und den zweiten Teil der Spülgasfraktion, 15 Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

dessen Krypton- und Xenonkonzentration im Mittel wobei Krypton und Xenon gemeinsam vom Träger-

der Eintrittskonzentration des Abgases entspricht, in gas getrennt werden,

das ungereinigte Abgas zurückführt. Es hat sich ge- F i g. 2 eine schematisch dargestellte Anlage zur

zeigt, daß dadurch die Spülgasmenge, die in die Ver- Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

zögerungsstrecke gelangt, nochmals beträchtlich ao wobei Krypton und Xenon getrennt gewonnen

— bei normaler Temperatur beispielsweise auf un- werden.

gefahr die Hälfte — reduziert wird, so daß sich auch Die in F i g. 1 beispielsweise dargestellte Anlage

die anschließende Verzögerungsstrecke um etwa das besteht im wesentlichen aus zwei parallelgeschalteten

gleiche Maß verkleinert. Eine solche zweigeteilte Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 11, 11', einer

Spülung bietet zudem die Möglichkeit, daß man in 35 Aktivkohle-Verzögerungsstrecke 115 und je einem

ihrem ersten Teil sogar mit ungereinigtem Abgas den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 11, 11' zu-

spülen kann und dieses über die Verzögerungsstrecke geordneten Spülkreislauf.

leitet, während man im zweiten Teil zur vollständi- Die Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 11, 11'

gen Desorption der Edelgase mit Luft oder einem sind mit Aktivkohle gefüllt und werden in der Ad-

anderen inaktiven Gas spült und diese Fraktion in 30 sorptionsphase abwechselnd über die Abgasleitung

das ungereinigte Abgas zurückführt. 12 und das Ventil 13 vom zu behandelnden krypton-

Die mit der Eirfindung erzielten Vorteile liegen und xenonhaltigen Abgas in der bezeichneten Richinsbesondere darin, daß das Verfahren eine erheb- tung bis zum Durchbruch des Kryptons durchströmt, liehe Reduzierung des Anlagevolumens mit sich Der Durchbruch des Xenons würde erst sehr viel bringt, da die Verzögerungsstrecke wegen der in der 35 später stattfinden. Das Gas, das bis zum Krypton-Anreicherungsstufe stark reduzierten Abgasmenge durchbrach im ersten Reaktor 11 diesen Reaktor beträchtlich kleiner ausgelegt werden kann, als dies verläßt, enthält weder Krypton noch Xenon und ohne Vorschalten einer Anreicherungsstufe möglich wird daher über den Armgasausgang 122 des Adist. Der »Verkleinerungsfaktor« liegt dabei in einem sorptions-Desorptions-Reaktors 11, das Ventil 17 Bereich von etwa 0,1 bis 0,7, je nach Verfahrens- 4° und die Armgasleitung 16 direkt an den Kamin 18 weise, wobei die Reduzierung der Anlagengröße und damit an die Atmosphäre abgegeben, nicht durch eine erhöhte Aktivitätsabgabe an die Nach Erreichen des Krypton-Durchbruches wird Atmosphäre oder durch die Notwendigkeit, radio- der Abgasstrom durch Umschalten des Ventils 13 aktive Gase übei lange Zeit lagern zu müssen, er- über den zweiten parallelgeschalteten Adsorptionskauftwird. 45 Desorptions-Reaktor 11' geführt, während die Aktiv-

Daneben stellt das Verfahren eine günstige Über- kohle im ersten Adsorptions-Desorptions-Reaktor 11

gangslösung vom bisher bewährten Verzögerungs- in folgender Weise regeneriert wird,

verfahren zum Trennverfahren dar und läßt sich Durch öffnen von Ventil 19, Schließen von Venti;

dadurch, daß man z. B. mehrere Anreicherungsstufen 17 und bei entsprechender Stellung von Ventil 1Π

der Verzögerungsstrecke vorschaltet oder daß man 5° wird der Reaktor zunächst im Gegenstrom über di«

nur das Krypton, aber nicht das Xenon abscheidet Pumpe 110 bis zu einem zwischen 100 und 1 Ton

und lagert, den steigenden Anforderungen bezüglich liegenden Druck evakuiert und das abgepumpte Gas

minimaler Radioaktivitätsabgaben anpassen. Es er- dessen Krypton- und Xenonkonzentration im Mitte

möglicht also einen stufenweisen Übergang in Rieh- der Eintrittskonzentration des Abgases entspricht

tung zum sogenannten »zero release«. 55 dem Abgas und damit dem zweiten Adsorptions

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfah- Desorptions-Reaktor 11' über die Leitung 118, ir

rens bestehen darin, daß keine hohen Drücke und der sich gegebenenfalls noch ein Zwischenspeiche!

im allgemeinen auch keine Temperaturwechsel not- befindet, wieder zugeführt.

wendig sind. Die nachfolgenden Beispiele zeigen, Danach werden die Ventile 117 und 113 so ein

daß schon bei normalen Drücken und Temperaturen 60 gestellt, daß die Pumpe 110 das im Verdampfer 11J

eine beträchtliche Anlagenverkleinerung erreicht entstehende Spülgas — als solches sei im vorliegen

wird. Die Größe der Ani-eicherungsstufe richtet sich den Fall CO₂ angenommen — bei einem Druck un

im wesentlichen danach, wieviel Zeit für den Re- terhalb 760 Torr fördert, wodurch das an der Aktiv

generationsschritt, insbesondere den Spülvorgang, kohle adsorbierte Krypton und Xenon desorbier

benötigt wird. Durch die Regenerationszeit werden 65 wird. Die Strömungsrichtung ist dabei entgegen

die Größe und die Anzahl der wechselweise betriebe- gesetzt der Strömungsrichtung während der Adsorp

nen Adsorptions-Desorptions-Reaktoren in der An- tionsphase. Im Kondensator 111 wird das CO₂ aus

reicheningsstufe bestimmt. Im allgemeinen kommt gefroren und das Krypton-Xenon-Reichgas über di'

Leitung 114 der Aktivkohle-Verzögemngsstrecke 115 zugeführt, die ihrerseits über die Leitung 116 mit dem Kamin 18 in Verbindung steht. Vor Eintritt in den Kamin 18 wird das die Verzögerungsstrecke 115 verlassende dekontaminierte Gas mit dem Armgas, das aus den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (11, 11') austritt, vermischt. Am Ende der Regeneration wird über die Leitung 120 und Ventil 119 dem Adsorptions-Desorptions-Reaktor 11 ein inaktives Gas, z. B. Armgas, zugeführt, so daß sich in diesem Adsorptions-Desorptions-Reaktor 11 wieder der ursprüngliche, bei der Adsorption vorliegende Druck einstellt. Nach Beendigung dieses Vorganges kann ein neuer Adsorptions-Desorplions-Zyklus beginnen. Sollen die Edelgase Krypton und Xenon voneinander getrennt gewonnen werden, so kann dazu das in Fig.2 dargestellte und im folgenden erläuterte Verfahren angewandt werden.

Die in F i g. 2 schematisch dargestellte Anlage besteht im wesentlichen wiederum aus den Adsorptions-Desorplions-Reaktoren 21 a, 21 b, 21 a', 21 b , einer Aktivkohle-Verzögemngsstrecke 115 und den den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren zugeordneten Spülkreisläufen. Im Unterschied zu der in F i g. 1 dargestellten Anlage werden hier jedoch jeweils zwei verschieden große Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21 α und 21 fc, 21 α', 21 b' zu einer Adsorptions-Desorplions-Gruppe 21, 2Γ zusammengefaßt.

Diese Adsorptions-Desorptions-Gruppen 21, 21' werden von dem zu reinigenden Abgas abwechselnd über die Abgasleitung 12 in der bezeichneten Richtung durchströmt. Die einzelnen Reaktoren einer Adsorptions-Desorptions-Gruppe sind so zu bemessen, daß in der Zeit, bis das Krypton am Ende 228, 228' des zweiten größeren Reaktors 21 ö, 21 b' durchbricht, das Xenon noch nicht am Ende 227, 227' des ersten, kleineren Reaktors 21 a, 21 d austritt. Nach dem Kryptondurchbruch wird die Aktivkohle in den beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21 a, 21 b der ersten Adsorptions-Desorptions-Gruppe 21 in der Zeit, in der das Abgas der zweiten, parallelgeschalteten Adsorptions-Desorptions-Gruppe 21' zugeführt wird, in folgender Weise regeneriert.

Zunächst werden beide Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21 α, 21 b nach Umschalten von Ventil 13 und Schließen von Ventil 27 aber bei weiterhin geöffnetem Ventil 225 über die Pumpe 201 im Gegenstrom bis zu einem zwischen 100 und 1 Torr liegenden Druck evakuiert und das abgepumpte Gas, wie bereits in F i g. 1 beschrieben, dem Abgasstrom über Ventil 202 wieder zugeführt. Danach werden die Ventile 27, 224 und 213 so eingestellt, daß die Pumpe 210 das im Verdampfer 212 entstehende Spülgas — als solches sei wiederum CO₂ angenommen — bei einem Druck unterhalb 760 Torr im Kreis führt, wodurch das an der Aktivkohle in den beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21 α, 21 b noch adsorbierte restliche Krypton und Xenon desorbiert wird. Die Strömungsrichtung ist dabei die gleiche, wie sie auch während der Adsorptionsphase vorlag. Bereits nach kurzer Zeit (z. B. nach wenigen Minuten), wenn nämlich das Krypton vollständig, das Xenon jedoch nur zu einem sehr geringen Teil aus dem Adsorptions-Desorptions-Reaktor 21 a in den Adsorptions-Desorptions-Reaktor 21 b gespült worden ist, schließt Ventil 225, und nach entsprechendem Umschalten der Ventile 224, 213 und 231 wird die Unterdruckspülung in zwei gelrennten, je einem Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeordneten Spülkreisläufen vorgenommen. Das Spülgas für den zweiten Adsorptions-Desorptions-Reaktor

21 ft wird dabei weiterhin von der Pumpe 210 gefördert, während dies bei Reaktor 21 η die Pumpe 230 bewirkt. In den Kondensatoren 211 und 218 wird das CO₂ ausgefroren, und die Produktgase Krypton und Xenon werden getrennt voneinander

ίο abgezogen. Das Krypton kann danach über die Leitung 220 weiteren Anreicherungsstufen zugeführt werden, von wo aus es in eine Langzeitlagerung gelangt. Das Xenon hingegen mit seinen verhältnismäßig kurzlebigen Radionukliden wird über die Lei-

tung 214 der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke 115 zugeführt.

Nach Verlassen der Verzögerungsstrecke 115 wird das dekontaminierte Abgas vor Eintritt in den Kamin weiter verdünnt, indem man es mit der edelgasfreien

Gasfraktion, die aus den Anreicherungsstufen stammt, vermischt. Prinzipiell können auch mehrere Anreicherungsstufen für das Xenon vorgesehen werden. Sobald alles Krypton bzw. Xenon von der Aktivkohle desorbiert worden ist, werden die Spülgas-

ströme durch Umschalten der Ventile 27, 224 und 213 sowie 231 unterbrochen, und über die Ventile 235 und 236 wird inaktives Gas, das dem Hauptbestandteil des zu reinigenden Abgases entspricht und daher der Armgasleitung 116 entnommen wird,

aufgegeben, so daß sich in beiden Adsorptions-Desorplions-Reaktoren wieder der ursprüngliche Druck, wie er während der Adsorption vorlag, einstellt. Nach öffnen von Ventil 225 und Umschalten der Ventile 13 und 27 kann ein neuer Adsorptions-Desorplions-Zyklus beginnen.

Im folgenden werden zur weiteren Erläuterung der Erfindung und der mit ihr verbundenen Vorteile noch einige Auslegungsbeispiele aufgeführt.

1. Beispiel

Beim Betrieb eines Kernkraftwerkes entstehen 38 m³ _n Abgas pro Stunde. Der Betriebsdruck beträgt 760 Torr und die Temperatur 21° C. Für KryP^ton wird eine Verzögerungszeit von 3 Tagen und füi Xenon eine Verzögerungszeit von 48 Tagen verlangt. Das Abgas wird zunächst über eine einstufige Edelgasanreicherungsanlage geführt, die aus drei im Ab-

stand von 20 Minuten wechselweise betriebenen Aktivkohlereaktoren von jeweils 1,0 m³ Volumen besteht. Das in der jeweiligen Adsorptionsphase dei Anreicherungsanlage von Edelgasen gereinigte Abga: (= Armgas) wird auf seinem Weg zum Kamin zurr

^3<i größten Teil in einen Zwischenspeicher gepreßt, vor wo aus es in der nächsten Regenerationsphase dei Anreicherungsanlage zur Spülung der mit Edclgaser beladenen Aktivkohle sowie zum Druckausgleid verwendet wird. Für den Spülvorgang, der pro Re

aktor etwa 40 min dauert, werden pro Reaktor etvw 5 m³ _n gereinigtes Abgas benötigt und für den an schließenden Druckausgleich im Reaktor etwi 4,5 mV Das Spülgas mit dem von der Aktivkohlf desorbierenden edelgasreichen Gas, das zusammei ⁵ das Produktgas (= Reichgas) der Anreicherung*· anlage darstellt, wird anschließend über eine Aktiv kohle-Verzögerungsstrecke geleitet. Diese ist für ein< Abgasmenge von etwa 15 m³ _n/h bei 1 ata auszulegen

11 ^U 12

Das Aktivkohlevolumen der Verzögerungsstiecke be- ßend über viele Jahre lagern zu können, führt man rechnet sich gemäß Gleichung (1) zu etwa das an Xenon reiche Gas der 1. Anreicherungsstufe

einer Verzögerungsstrecke zu. Durch die Krypton-

J₇ _ /_R — w _ 48 · 24 · 15 _ j Xenon-Trennung wird die über die Verzögerungs-

~ R ~~ 378 ~ ' ^cm ' 5 strecke zu führende Abgasmenge nach Auskonden

sation des Spülgases nochmals um etwa den Fak-

wenn man für Xenon einen Rcnlcntionsfaktor von tor 0.1 verringert. Entsprechend verkleinert sich das 378 und für Krypton einen Rententionsfaktor von Aktivkohlevolumen der Verzögerungsstrecke, die für 23,6 zugrunde legt. Das Aktivkohlevolumen der Ge- Xenon auszulegen ist, und beträgt jetzt
samtanlage beträgt folglich i°

(45,8 + 3 · 1,0) = 48,8m³. V = '*_R ^W = ^^ = ...6m³.

Würde man unter den gleichen Betriebsbedingungen in herkömmlicher Weise eine Verzögerungs- Das Volumen der gesamten Anreicherungsanlage strecke ohne vorgeschaltete Anreicherungsstufe ver- 15 richtet sich danach, wie weit das Krypton aufkonwenden, so ergibt sich gemäß Gleichung (1) das zentriert werden soll. Der umbaute Raum für die größere Aktivkohlevolumen von Anreicherungsanlage wird im vorliegenden Fall im 4S ja 3S allgemeinen sogar etwas größer sein als der Raum,

V= = 116 m³. den die Xenon-Verzögerungsstrecke beansprucht.

"8 ao Bei allen bisher beschriebenen Ausführungsformen

der Erfindung wird das Gas (bei zweigeteilter Spü-

2. Beispiel lung ein Teil des Gases), das während des Spülens in

der Anreicherungsstufe entsteht, direkt in die Ver-

Die im Beispiel 1 beschriebene Verzögerung mit zögerungsstrecke geleitet. Die Erfindung läCt sich vorgeschalteter Anreicherungsslufe wird unter sonst 25 aber auch dahingehend erweitern, daß man dieses gleichen Bedingungen wiederholt, wobei jetzt aber Spülgas nochmals oder sogar mehrere Male hinterwährend des Spülvorganges der Aktivkohlcreaktor einander wieder in das ungereinigte Abgas zurückder Anreicherungsstufe auf etwa 60° C aufgeheizt leitet. Genauso wie das Gas, das während der Evawird. Durch diese Temperaturerhöhung kann die kuierung der Adsorber der Anreicherungsstufe ent-Spülgasmenge so weit reduziert werden, daß die an- 30 steht (vgl. zum Beispiel Fig. 1), wird jetzt also auch schließende Verzögerungsstrecke nur noch ein Aktiv- die Spülgasfraktion eines jeden gerade auf Regenekohlevolumen von etwa 32 m³ enthält. ration geschalteten Adsorbers der Anreicherungsstufe

ins Ausgangsgas zurückgeführt und gelangt dadurch auf den jeweils auf Adsorption geschalteten Adsorber

3. Beispiel 35 der Anreicherungsstufe. Diesen Vorgang kann man

mehrmals wiederholen, so daß also das gesamte wäh-

In Abänderung des im Beispiel 1 beschriebenen rend der Regenerationsphasen entstehende Gas eine

Verfahrens wird die Anreicherungsstufe bei einer Zeitlang in der Anreicherungsstufe zirkuliert, wobei

konstanten Temperatur von —5° C betrieben und nur das gereinigte Abgas wie bisher direkt in die

als Spülgas CO₂ verwendet, das vor Eintritt in die 40 Atmosphäre abgelassen wird.

Verzögerungsstrecke fast vollständig ausgefroren Selbstverständlich sind die einzelnen Adsorber

wird. Die Anreicherungsanlage besteht aus drei im entsprechend dem durch das Spülgas vermehrten

Abstand von 20 Min. wechselweise betriebenen Ak- Gasdurchsatz größer auszulegen. Der Durchsatz an

tivkohlereaktoren, die ein Aktivkohlevolumen von Spülgas ist dabei jedoch nicht höher als bei den oben

jeweils 0,6 m³ besitzen. Die in die Verzögerungs- 45 aufgeführten Beispielen auch. Zwar steigt während

strecke, die bei Normaltcmperatur betrieben wird. des zyklischen Durchlaufs der einzelnen Adsorber

eintretende Gasmenge beträgt 3,0 m³ _n/h. Das Vo- die Edelgaskonzentration in der Anreicherungsstufe

lumen der Verzögerungsstrecke errechnet sich so- laufend an; es hat sich aber gezeigt, daß zur jeweils

mit zu vollständigen Regeneration der einzelnen Adsorbei

AQ . 24 · M) ⁵° Spülgasmengen und Spülzeiten im Bereich niedrigei

V = --ρ— = --■--' = 9.2 m³. Konzentrationen nicht erhöht zu werden brauchen.

" "° Das gilt zumindest bis zu dem Zeitpunkt, bei dem

auf Grund der höher werdenden Edelgaskonzen-

(Auslegung für Xenon) trationen die Durchbruchszeiten der Edelgase so weil

Das Aktivkohlevolumen der Gesamtanlagc beträgt 55 absinken, daß während der Adsorptionsphase dei

dann (9,2 + 3 · 0,6) = 11,0. Das bedeutet gegen- einzelnen Adsorber Krypton (das vor dem Xenor

über einer herkömmlichen Vcrzögerungsanlage ohne durchbricht) in unzulässigem Maße ins gereinigt«

vorgeschaltete Anreicherungsstufe eine Volumen- Abgas gelangt. Durch entsprechende Auslegung dei

reduktion um etwa den Faktor 0,1. Adsorber kann man aber erreichen, daß dieser Zeit

60 punfct erst verhältnismäßig spät, wenn z. B. bei nor maler Temperatur das mit Krypton und Xenon sict

4. Beispiel anreichernde Desorptionsgas mehr als fünf- bis zehn

mal die Anreicherungsstufe durchlaufen hat, eintritt

Das im Beispiel 3 beschriebene Verfahren wird Erst jetzt ist es notwendig, das Desorptionsgas de dahingehend geändert, daß in der Anreichcrungs- 65 einzelnen Adsorber nacheinander — gegebenenfall: stufe Krypton und Xenon voneinander getrennt we»·- über einen Zwischenspeicher — einer Verzögerungs den (Fig. 2). Während man das Krypton in weiteren strecke zuzuführen.
Anreicherungsstufen aufkonzentriert, um es anschlie- Bisweilen ist es auch vorteilhaft, wenn man stan

dig dem in der Anreicherungsstufe zirkulierenden Desorptionsgas einer, geringen Teilstrom entzieht und über die Verzögerungsstrecke leitet. Die in ihr zu verarbeitenden Gasmengen sind bei der zyklischen Verfahrensweise der Anreicherungsstufe meist so gering, daß Verzögerungsstrecke und Anreicherungsstufe größenordnungsmäßig etwa den gleichen Raum ausfüllen. Am Ende der Verzögerungsstrecke wird das aus dieser freigesetzte Gas mit dem gereinigten Abgas, das aus der Anreicherungsstufe stammt, wie oben beschrieben, vermischt.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich grundsätzlich auch auf die Dekontaminierung anderer als der in der Figurenbeschreibung und den Beispielen angegebenen radioaktiven Gasgemische anwenden (zB° neben Krypton und Xenon auch Argon, Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff usw. aus Luft, Helium, Kohlendioxid u. a.).

Von besonderer Wichtigkeit ist die Dekontammierunc von Abgasen jedoch für den Betrieb wassergekühlter Kernreaktoren, wo das an radioaktiven Bestandteilen reiche Gas im Turbinenkondensator anfällt Da in diesem ständig ein Unterdruck zwischen etwa 10 und ΐ 00 Torr eingehalten werden muß. bietet sich an, diesen direkt für die Rückführung der Desorptionsgase auszunutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xenonnuklide, enthalten, wobei das Abgas eine adsorptive Anreicherungsanlage so lange durchströmt, bis die erste radioaktive Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei der bis dahin abgeströmte Gasanteil die Armgasfraktion darstellt, die der Atmosphäre zugeführt wird, und wobei anschließend die Anreicherungsanlage mit einem Spülgas regeneriert wird und die so entstehende, die radioaktiven Verunreinigungen enthalterde Reichgasfraktion einer Verzögerungsstrecke zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Abgas zunächst der Anreicherungsanlage zugeführt wird und nur die Reichgasfraktion durch Adsorp- ao tion in der mit Aktivkohle gefüllten Verzögerungsstrecke verzögert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anreicherungsanlage der Abgasstrom einem ersten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und diesen so lange durchströmt, bis die erste aktive Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei das bis dahin abgeströmte Gas die Armgasfraktion darstellt, daß nach dem Durchbruch der Abgasstrom einem gleichartigen weiteren Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und der erste Adsorptions-Desorptions-Reaktor regeneriert wird, indem zunächst eine erste Gasfraktion abgepumpt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, anschließend im Gegenstrom unter Unterdruck mit oder ohne Temperaturerhöhung bis auf maximal 150° C mit einem inaktiven Spülgas gespült wird, wobei die dabei abgezogene Gasfraktion als 4» Reichgasfraktion entweder über weitere Anreicherungsstufen oder direkt bei gleichbleibendem oder nur wenig höherem Druck der Verzögerungsstrecke zugeführt wird und danach der Adsorptions-Desorptions-Reaktor durch Zuführung eines inaktiven Gases wieder auf Normaldruck gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Spülung im ersten Adsorptions-Desorptions-Reaktor gewon- 5<> nene Desorptionsgas ganz oder teilweise in das ungereinigte Abgas zurückgeleitet und dem zweiten gleichartigen Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und daß dieser Vorgang so lange fortgesetzt wird, bis die erste aktive Kornponente in unzulässiger Konzentration am Ende der Adsorptions-Desorptions-Reaktoren durchbricht und daß dann die während des Abpumpens und Spülens entstehenden Desorptionsgasfraktionen als Reichgas der Verzögerungsstrecke zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten einer aus mehreren Stufen bestehenden Anreicherungsanlage die Krypton- und Xenonnuklide voneinander getrennt werden und die an Xenon reiche Gasfraktion über die Verzögerungsstrecke geleitet wird, während die an Krypton reiche Gasfraktion in den weiteren Anreicherungsstufen aufkonzentriert wird, um danach siner Langzeitlagerung zugeführt zu werden.

5 Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe eier Anreicherungsanlage der Abgasstrom zunächst einer ersten aus zwei hintereinandergeschalteten, mil Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktoren bestehenden Adsorptions-Desorptions-Gruppe zugeführt wird, bis das Krypton am zweiten größeren Reaktor durchbricht, jedoch das Xenon auf Grand der unterschiedlichen, abgestimmten Größe der Adsorptions-Desorptions-Reaktoren im ersten kleineren Adsorpüons-Desorptions-Reakior noch nicht durchgebrochen ist, wobei das bis zu diesem Zeitpunkt abgeströmte Gas die Armgasfraktion darstellt, daß nach dem Durchbruch der Abgasstrom einer gleichartigen zweiten Adsorptions-Desorptions-Gruppe zugeführt wird und die erste Adsorptions-Desorptions-Gruppe regeneriert wird, indem zunächst im Gegenstrom eine erste Gasfraktion aus den beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren abgepumpt und dem Abgasstrom v.'ieder zugeführt wird anschließend beide Adsorptions-Desorptions'-Reaktoren in gleicher Richtung wie bei der Adsorption bei Unterdruck mit oder ohne Temperaturerhöhung mit einem Spülgas durchgespült werden, und zwar so lange, bis das Krypton vollständig, das Xenon jedoch nur zu einem vernachlässigbär geringen Teil vom ersten in den zweiten Adsorptions-Desorptions-Reaktor gespült worden ist daß anschließend beide Adsorptions-Desorptions-Reaktoren getrennt voneinander weitergespült werden und dadurch jeweils mit Krypton und Xenon angereicherte Gasfrakf ionen erhalten werden und daß nach dem Spülen beide Adsorptions-Desorptions-Reaktoren unter Zuführung eines inaktiven Gases wieder auf Normaldruck gebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Armgasfraktion der Anreicherungsanlage nach Zwischenspeicherung in einem Speicherbehälter teilweise bei der Regeneration der Reaktoren als Spül- und Druckausgleichsgas verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spülphase mit einem leicht kondensierbaren Gas, vorzugsweise CO₂, Wasserdampf oder Frigen, gespült wird, welches vor Eintritt in die Verzögerungsstrecke aus dem Gasstrom abgetrennt und im Kreislauf geführt wird.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus zumindest zwei parallelgeschalteten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (11, 11') besteht, deren Abgaseingänge (121, 121') nacheinander über ein Ventilsystem (13) mit der Abgasleitung (12) und deren Armgasausgänge (122,122') über ein weiteres Ventilsystem (17, 17'), das jeweils spätestens beim Durchbruch der ersten verunreinigten Komponente am Armgasausgang (122, 122') geschlossen wird, mit dem Abgaskamin (18) verbunden sind, und daß an die Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (11, 11') abwechselnd je ein Ventil-Pumpensystem (19, 110, 117; 19',

HO' 117') angeschlossen ist, das in der ersten legenerierphase über eine Leitung (H8, 118') IUt der Abgasleitung (12) und in der zweiten Beeenerierphase über eine Leitung (114, 114') init dem Eingang (123) der Aktivkohle-Verzögemnesstrecke (115) verbunden ist, und an die über SiIe (119, 119') Leitungen (120, 120') zur Zufuhr einix inaktiven Gases angeschlossen sind. 9 Anlage nach Anspruch 8 zur Durchführung Hes Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der Regenerierkreislauf aus einer Hintereinanderschaltung eines ersten Ventils (19. ¹⁹')» ^{einer Pum}P^e (^u°. ^ll0')» eines Drei-Wege-Ventils (17, 17') eines Kondensators fill Hl'). ^eines Verdampfers (112, 112') und eines weiteren Ventils (113, 113') besteht, wobei jeder Regenerierkreis über das Drei-Wege-Ventil (117 117') ^und Leitungen (118, 118') mit der Abgasleitung (12) verbunden ist, und daß die Kondensatoren (111, Hl') über Leitungen (114, 114') mit der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke (115) verbunden sind.

10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus zumindest zwei parallelgeschalteten mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Gruppen (21, 21') besteht, die ih:srseits aus je zwei hintereinandergeschalteten und durch ein Ventil (225, 225') getrennten Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (21a, 216; 21a', 215') bestehen, welche so ausgelegt sind, daß beim Durchströmen des Abgases zum Durchbruchszeitpunkt des Kryptons am Gasausgang (228 228') des zweiten Adsorptions-Desorpt.jns-Reaktors (21 b, 21b') das Xenon am Gasausgang (227, 227') des ersten Adsorptions-Desorptions-Reaktors(21a, 21a') noch nicht durchgebrochen ist, daß die Abgaseingange (226, 226 ) der Adsorptions-Desorptions-Gruppen nacheinander über ein Ventilsystem (13) mit der Abgasleitung (12) und die Ausgänge (228, 228') des zweiten Adsorptions-Desorptions-Reaktors (21 b. 21 b') über ein weiteres Ventil system (Ausgangsventil; 27, 27'), das beim Durchbruch der Krypton-Komponente geschlossen wird, mit dem Abgaskamin (18) verbunden sind, daß den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (21a, 21 b; 21a, 21 b') jeweils ein Ventil-Pumpensystem (27, 210, 224 213, 231, 230, 201, 202; 27', 210', 224', •»IV 231' 230' 201', 202') und ein Ventil-Leimngssystem (235, 236, 237, 238; 235', 236', 237', 238') zur Durchführung der einzelnen Regenerierphasen zugeordnet ist.

11 Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil-Pumpensystem einmal einen ersten, das gemeinsame. Spülen bewirkenden Hauptkreislauf bildet, bestehend aus der Hintereinanderschaltung des als Dreiwegeventil ausgebildeten Ausgangsventils (27, 27) einer Pumpe (210, 210'), eines Spülgaskondcnsators (211, 211'), eines Spülgasverdampfers (212 212') eines zweiten Dreiwegeventil (224, 224') und eines dritten Ventils (213, 213'), wobei die Pumpe (210, 210') am dritten Anschluß des Ausgangsventils (27, 27') und der zweite An-Schluß des dritten Ventils mit einem zweiten Eingang (232, 232') des ersten Reaktors (21 a, 21 η ) verbunden ist und wobei der vierte in der ersten Regenerierphase (Evakuieren) freigeschaltete Anschluß des dritten Ventils (213, 213') über eine Pumpe (201) und ein Ventil (202) mit der Abgasleitung (12) verbunden ist und wobei der dritte in der getrennten Spülphase freigeschaltete Anschluß des Dreiwegeventils (?24, 224') mit einem zweiten Eingang (223, 223') des zweiten Reaktors (21 b, 2Ii.') verbunden ist, und daß zum anderen ein zweiter, dem ersten Reaktor (21 α, 21 α') zugeordneter Nebenkreis vorgesehen ist, der aus einer Hintereinanderschaltung eines an dem dritten Eingang des dritten Ventils (213, 213') angeschlossenen Spülgasverdampfers (219, 219'), eines Spülgaskondensators (218, 218), einer Pumpe (230, 230') und eines einem zweiten Ausgang (234, 234') des ersten Reaktors (21 a, 21 a') angeschlossenen Ventils (231, 231') besieht, wobei der Kondensator (218, 218') über eine die angereicherte Xenon-Fraktion führende Leitung (214, 214') mit der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke (115) verbunden ist.

12. Anlage nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kernkraftwerk zur Evakuierung und Spulung der Adsorptions-Desorptions-Reaktoren der Unterdruck im Turbinenkondensator ausgenutzt wird.