DE2348804A1

DE2348804A1 - Verfahren zur entfernung von spaltprodukten aus kuehlmitteln von kernreaktoranlagen

Info

Publication number: DE2348804A1
Application number: DE19732348804
Authority: DE
Inventors: Martin H Cooper
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1972-09-28
Filing date: 1973-09-28
Publication date: 1974-04-04
Also published as: FR2209176B1; GB1404282A; FR2209176A1; JPS4971400A; JPS5231516B2; UST921016I4

Description

W. 640

DIPL. ING. ß. HÖLZER AUGSBUKG

PHILIPPINE-WELS ER-8TBAS8« U TBIdIVOIfI MBTS

Augsburg, den 25· September 1973

westinghouse Electric Corporation, Westinghouse Building, Gateway Center, Pittsburgh, Allegheny County, Pennsylvania 15222, V.St.A.

Verfahren zur Entfernung von Spaltprodukten aus Kühlmitteln von Kernreaktoranlagen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von Spaltprodukten aus Kühlmitteln von Kernreaktoranlagen, deren Kühlmittel einen Strömungsweg durchströmt, in welchem sich zwei hintereinandergeschaltete Behälter befinden, durch

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die ein Zweigstrom des Kühlmittels hindurchgeführt wird und in welchen diesem zwecks Ausfällung von Spaltprodukten ein Reagens zugesetzt wird.

Insbesondere betrifft die Erfindung die Entfernung von radioaktiven Verseuchungen aus Kühlmitteln flüssigmetallgekühlter Schnellbrüter-Kernreaktoren.

In Kernreaktorkraftwerken wird bekanntlich Elektrizität aus Wärme erzeugt, die ihrerseits durch die Spaltung spaltbarer Materialien freigesetzt wird. In einer ersten Phase dieses Verfahrens wird ein Reaktorkühlmittel, beispielsweise flüssiges Natrium, dazu benutzt, Wärme aus Brennelementen abzuführen, welche spaltbare Materialien enthalten. Das Kühlmittel durchströmt einen unter dem Namen "Primärkreislauf" bekanntgewordenen geschlossenen Kreislauf, welcher in der nachstehenden Reihenfolge hintereinandergeschaltet eine Haupt-Kühlmittelumlaufpumpe, entweder einen Wärmeaustauscher oder einen Dampferzeuger, das Reaktorgefäß und die zugehörigen Verbindungsleitungen aufweist. Der Primärkreislauf ist vor allem im Hinblick auf die zu fordernde Sicherheit geschlossen, denn durch einen geschlossenen Kreislauf wird verhindert, daß für den Fall einer Verseuchung des Primärkreislaufes radioaktive Teilchen in die Umgebung gelangen. Eine- Verseuchungs-

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möclichkeit besteht darin, daß aus schadhaften Brennelementen radioaktive Spaltprodukte in den Primärkreislauf gelangen. Eine andere Verseuchungsmöglichkeit ist dadurch gegeben, daß sogenannte offene Brennelemente Verwendung finden, bei welchen, anstatt des Versuches, die Spaltprodukte in den Brennelementen zurückzuhalten, absichtlich Spaltprodukte freigesetzt werden.

Bisher wurde, wenn auch mühselig, die radioaktive Verseuchung dadurch zu verhindern versucht, daß man die sogenannte Kaltabscheidungstechnik anwandte, die darin besteht, daß die Temperatur eines Zweigstromes des Reaktorkühlmittels herabgesetzt und dadurch ein Ausfällen der in Lösung befindlichen radioaktiven Verseuchung herbeigeführt wird. Kürzlich wurden in der Kaltabscheidungstechnik bemerkenswerte Portschritte dadurch erzielt, daß dem heißen Reaktorkühlmittel bestimmte Chemikalien bzw. Reagenzien zugesetzt werden und dadurch die Ausfällung der Verseuchung verbessert wird. Dies geschieht in der Weise, daß hohe Konzentrationen von reaktionsfähigen Chemikalien oder isotopische Verdünner mit einem Zweigstrom des Reaktorkühlmittels vermischt werden und in einem Kaltabscheider die in Form isotopischen Austausches entstandene oder in Form unlöslicher Verbindungen vorliegende radioaktive Verseuchung aus der Lösung ausgefällt wird. So ist es beispielsweise möglich, durch Hinzu-

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fügung nichtradioaktiven Jodes zu heißem flüssigem Natrium bis zu 99,9 % radioaktiver Isotopen, Jodes 131 und Jodes auszufällen. Durch Hinzufügung von Wasserstoff zu heißem flüssigem Natrium ist es möglich, im wesentlichen den gesamten Gehalt an Tritium, Cäsium 137 und Jod 131 aus dem Reaktorkühlmittel auszuscheiden. Dieses erst seit kurzem angewandte Verfahren hat jedoch noch gewisse Nachteile. Ein Hauptnachteil besteht darin, daß der Gehalt ausgeschiedener radioaktiver Verseuchung im Verhältnis zu dem Gehalt zuzusetzender Reagenzien bzw. sonstiger Zusätze recht gering ist. Dies bedeutet, daß der im Kaltabscheider herbeigeführte Niederschlag in erster Linie aus Chemikalien besteht, die keine Reaktion durchgemacht haben, bzw. aus isotopischen Verdünnern, die keinen Austausch durchgemacht haben. Dies hat zur Folge, daß der verwendete Kaltabscheider sehr groß sein muß und jeweils in bestimmten Zeitabständen entweder durch einen neuen Kaltabseheider ersetzt oder zumindestens gründlich gereinigt werden muß. Dadurch sind der Brauchbarkeit einer mit einer solchen Einrichtung versehenen Reaktoranlage hinsichtlich der Erzeugung elektrischer Energie Grenzen gesetzt.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, bei der Entfernung von Spaltprodukten aus Kühlmitteln von Kern-

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reaktoranlagen eine möglichst lange Verfügbarkeit und Ausnutzung der hierbei verwendeten Chemikalien sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Verfahren der eingangs dargelegten allgemeinen Art, gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Kühlmittel zuerst mit hoher Temperatur durch einen der beiden Behälter geführt und in diesem das Reagens in dem Kühlmittel gelöst wird, daß das Kühlmittel anschließend bei niedriger Temperatur durch den anderen der beiden Behälter geführt und in diesem die Spaltprodukte zusammen mit dem Reagens ausgefällt werden, und daß, wenn der in dem einen Behälter befindliche Vorrat an Reagens im wesentlichen aufgebraucht ist, die Kühlmittel-Strömungsrichtung umgekehrt wird, so daß das Kühlmittel zunächst mit hoher Temperatur durch den anderen der beiden Behälter strömt und die dort zusammen mit dem Reagens niedergeschlagenen Spaltprodukte löst, um sodann mit niedriger Temperatur durch den einen der beiden Behälter geführt zu werden, wo nunmehr weitere Spaltprodukte ausgefällt werden, usw.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann also im Wechselbetrieb kontinuierlich so lange angewandt werden, bis die radioaktive Verseuchung der Reagenzien so groß geworden ist,

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daß das Verfahren nicht weiter wirksam ist.

Natriumhydrid, Natriumoxyd und Natriumjodid sind typische Reagenzien, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kaitabscheidung verwendet werden können. Auf diese Weise werden radioaktive Verseuchungen, wie beispielsweise Tritium, Barium 14O, Cäsium l4l, Zirkonium 95, Jod 131 oder Jod 125, schnell und wirksam ausgeschieden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nunmehr nachstehend unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhand einer Anlage zu seiner Durchführung in seinen Einzelheiten beispielsweise beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ein Gesamtschema eines Primär

kreislaufes eines Kernreaktors, in welchem eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Wechsel-Kaltabscheideranlage Anwendung findet, und

Fig. 2 ein Schema einer bevorzugten Aus-

führungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

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arbeitenden Wechsel-Kaltabscheideranlage.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anlage wird ein Reaktorkühlmittel, beispielsweise flüssiges Natrium, beim Durchgang durch die Spaltzone 10 eines Reaktorgefäßes 11 auf die Betriebstemperatur des Reaktors aufgeheizt. Das heiße flüssige Natrium tritt aus dem Reaktorgefäß 11 aus und durchströmt sodann eine Reaktor-Kühlmittelhauptleitung 12. Das heiße Reaktorkühlmittel gibt seine Wärme über einen Wärmeaustauscher 15, welcher sich innerhalb des Reaktor-Primärkreislaufes befindet, an einen abdichtend zu dem Primärkreislauf zugeschalteten weiteren Kreislauf ab. Nach seinem Austritt aus dem Wärmeaustauscher 15 wird das nunmehr abgekühlte Reaktorkühlmittel vermittels einer Haupt-Kühlmittelumlaufpumpe 16 in das Reaktorgefäß 11 zurückgepumpt, um nunmehr seinen oben beschriebenen Strömungskreislauf wieder von neuem zu beginnen.

Parallel zur Haupt-Kühlmittelumlaufpumpe 16 ist eine Wechsel-Kaltabscheideranlage 17 geschaltet. Mittels Ventilen und 14 kann diese Wechsel-Kaltabscheideranlage 17 vom Primärkreislauf des Reaktors getrennt werden. Normalerweise ist die Wechsel-Kaltabscheideranlage 17 auch vom Primärkreislauf der

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Reaktoranlage abgetrennt. Ist jedoch das Reaktorkühlmittel durch radioaktive Spaltproduktnukleiden, wie beispielsweise Tritium, Barium I30, Cäsium l4l, Zirkonium 95, Jod I31 oder Jod 125 verseucht worden, so werden die beiden Ventile I3 und 14 geöffnet, so daß nunmehr ein Zweigstrom des heißen Reaktorkühlmittels aus dem Reaktor-Primärkreislauf über die Kaltabscheideranlage 17 geführt wird. Das heiße Reaktorkühlmittel wird in der Kaltabscheideranlage 17 gereinigt und strömt dann wieder in die Haupt-Reaktorkühlmittelleitung des Primärkreislaufes zurück, wo es sich mit dem Rest des umlaufenden Reaktorkühlmittels vermischt, bevor es in die Haupt-Kühlmittelumlaufpumpe 16 eintritt.

Einzelheiten der Kaltabscheideranlage werden nunmehr unter Bezug auf Fig. 2 beschrieben.

Sind die Ventile 13, 18, 19 und 14 geöffnet und die Ventile 20 und 21 geschlossen, so strömt der durch die Kaltabscheideranlage 17 strömende Teil des Reaktorkühlmittels in Richtung der Pfeile A, B, C, D, E, P und Z. Heißes, verseuchtes Reaktorkühlmittel, beispielsweise flüssiges Natrium, tritt unter einer Temperatur von etwa 5^0⁰C in einen ersten Abscheider 22 ein, der zuvor mit dem jeweils gewünschten Reagens bzw. einer entsprechenden Mischung von

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Reagenzien beschickt wurde. Diese Reagenzien können hohe Konzentrationen isotopischer Verdünner, beispielsweise Natriumiodid oder Natriumhydrid und reaktionsfähige Chemikalien, beispielsweise Natriumoxyd enthalten. Die hohe Temperatur des Reaktorkühlmittels bewirkt eine Lösung dieser Reagenzien in dem Reaktorkühlmittel. Der nunmehr mit diesen Reagenzien gesättigte Zweigstrom des Reaktorkühlmittels tritt aus dem nicht gekühlten Abscheider 22 aus und gelangt in einen Misch- und Reaktionsbehälter 23. Im Misch- und Reaktionsbehälter 23 findet eine genügend starke Mischung statt, so daß zwischen der in dem Reaktorkühlmittel befindlichen Spaltproduktverseuchung und den ebenfalls in dem Reaktorkühlmittel enthaltenen aufgelösten Reagenzien eine Reaktion stattfindet. Das noch verseuchte Reaktorkühlmittel strömt danach in einen zweiten Abscheider 24, in welchem die Temperatur des Reaktorkühlmittels auf etwa 12O°c gesenkt wird, so daß dieser Abscheider einen Kaltabscheider darstellt. Bei dieser Temperatur werden die überschüssigen Reagenzien und die radioaktive Spaltproduktverseuchung aus der Lösung ausgefällt. Der Niederschlag bzw. die Kernbildung tritt im Abscheider 24 auf einer hierfür geeigneten Fläche ein, beispielsweise auf einem Drahtgewebe. Das gereinigte Reaktorkühlmittel tritt aus dem Abscheider 24 aus und wird vor seiner Wiedereinführung in die Hauptkühlmittelleitung

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wieder auf etwa 54O⁰C aufgeheizt.

Zwischen den beiden Abscheidern 22 und 24 befindet sich ein Verunreinigungsanzeiger 25» beispielsweise ein elektrochemischer Sauerstoffmesser oder ein Wasserstoff-Diffusionsmesser. Hat sich der im Abscheider 22 befindliche Vorrat an Reagenzien erschöpft, so zeigt der Verunreinigungsmesser eine Änderung des Verunreinigungspegels in dem verseuchten Reaktorkühlmittel an. Bei Erreichung eines bestimmten Verunreinigungspegels betätigt der Verunreinigungsmesser 25 eine automatische Steuerung, durch welche die Strömungsrichtung in der Kaltabscheideranlage 17 umgekehrt wird und auch die Kühlung der Kaltabscheider umgekehrt wird. Die Strömungsumkehr wird dadurch bewirkt, daß die Ventile 18 und 19 geschlossen und die Ventile 21 und 20 geöffnet werden. Das Reaktorkühlmittel strömt nunmehr in einer durch die Pfeile A, G, H, I, J, K, L, M und Z angezeigten Richtung. Der nunmehr einen Überschuß an Reagenzien, enthaltende Abscheider 24 wirkt nunmehr mit Bezug auf das verseuchte Reaktorkühlmittel als Reagenzienvorrat. Beim Durchströmen des Abscheiders 24 wird die Temperatur des Reaktorkühlmittels nunmehr auf etwa 54O°c gehalten, so daß sich das verseuchte Reaktorkühlmittel nunmehr mit den überschüssigen Reagenzien anreichert. Der Misch- und Reaktionsbehälter 23 wirkt in der

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vorbesehriebenen Weise im Sinne einer Durchmischung des Reaktorkühlmittel mit den Reagenzien und der Bewirkung einer Reaktion zwischen diesen Reagenzien und den im Reaktorkühlmittel befindlichen radioaktiven Spaltproduktnukleiden. Im Abscheider 22 wird die Temperatur des Reaktorkühlmittels auf etwa 120 C abgesenkt, so daß dieser Abscheider nunmehr als Ausfällzone wirkt, in welcher die Spaltproduktnukleiden und die überschüssigen Reagenzien aus dem Reaktorkühlmittel ausgeschieden werden. Die im Abscheider 22 ausgefällten Produkte enthalten nunmehr wiederum überschüssige Reagenzien und isotopisch ausgetauschte bzw. chemisch gebundene radioaktive Spaltprodukte, Der Gehalt des Reaktorkühlmittels an überschüssigen Reagenzien ist jetzt jedoch geringer als vorher im Abscheider 24, während der Gehalt an niedergeschlagenen Spaltprodukten nunmehr größer als vorher im Abscheider 24 ist. Wenn der Verunreinigungsanzeiger 25 anzeigt, daß der zuvor bereits als niedriger geworden angezeigte Verunreinigungspegel inzwischen so weit abgesunken ist, daß sich eine Erschöpfung der im Abscheider 24 befindlichen Reagenzien andeutet, dann schaltet die automatische Steuerung wiederum die Strömungsrichtung des Reaktorkühlmittels durch die Kaltabscheideranlage 17 um. Die Anlage kann also auf diese Weise fortgesetzt im Wechselbetrieb betrieben werden, wobei jeweils die überschußmenge an Reagenzien und an nieder-

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geschlagenen radioaktiven Spaltprodukten von einem Abscheider zum anderen Abscheider übergeführt wird. Dieser Wechselbetrieb kann so lange fortgesetzt werden, bis die Verseuchung der Reagenzien einen Pegel erreicht hat, welcher es schließlich notwendig macht, daß die Kaltabscheideranlage einer Überholung unterzogen wird. Diese Überholung kann in der Weise vorgenommen werden, daß die Kaltabscheider 22" und 24 mit heißem Reaktorkühlmittel gespült werden, welches aus einem Hilfsbehälter bezogen wird. Eine andere Weise einer solchen Überholung besteht darin, daß das in den Kaltabscheidern 22 und 24 befindliche Drahtgewebe, auf welchem sich die radioaktiven Spaltprodukte abgesetzt haben, ausgetauscht wird.

In der Rückführungsleitung der Kaltabscheideranlage 17 .ist ebenfalls ein Verunreinigungsanzeiger 26 eingebaut. Dieser Verunreinigungsanzeiger 26 zeigt Störungen hinsichtlich der Beseitigung der Verunreinigungen an und betätigt eine automatische Steuerung,-welche die Ventile 13 und 14 schließt und dadurch die Wechsel-Kaltabscheideranlage 17 vom Primärkreislauf des Kernreaktors trennt.

In der Wechsel-Kaltabscheideranlage 17 ist eine in den

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Zeichnungen nicht dargestellte Heizeinrichtung zur Aufheizung des Reaktorkühlmittels von der Kaltabscheider-Austrittstemperatur von etwa 12O°C auf eine Temperatur von etwa 54O°C angeordnet, welche das Reaktorkühlmittel haben muß, bevor es wieder in die Haupt-Kühlmittelleitung 12 eingeführt wird. Zwecks Erreichung eines guten Wirkungsgrades kann die im Betrieb der Kaltabscheider 22 bzw. 24 freiwerdende Wärme dazu benutzt werden, das gereinigte Reaktorkühlmittel aufzuheizen, bevor es wieder in den Primärkreislauf des Kernreaktors eingeführt wird.

Typische Verunreinigungen, die aus dem Primärkreislauf eines Kernreaktors, beispielsweise eines flüssigmetallgekühlten Schnellbrüter-Reaktors, ausgeschieden werden müssen, sind folgende:

1. NaH (Natriumhydrid) wird isotopisch gegen H 3 (Tritium) ausgetauscht und bildet auf diese Weise Natriumtritid. Der im jeweils in Betrieb befindlichen Kaltabscheider ausgefällte Niederschlag von Natriumtritid enthält den größten Anteil von H 3 in der gesamten Kaltabscheideranlage und verhindert folglich dessen Abwanderung aus dem Primärkreislauf in die Umgebung.

2. Na_?0 (Natriumoxyd) reagiert mit Seltenerd- und

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Alkalisch- Erd- Spaltprodukten und bildet unlösliche Oxyde. Beispielsweise

Ba + Na „0 > BaO + 2NA

Zr + 2Na₂O > ZrO₃ +

Da die Sauerstoffkonzentration im Primärkreislauf gleich eins zu fünf Teile/Million beträgt, vollzieht sich der kinetische Ablauf der oben angegebenen Reaktionen wegen des Vorhandenseins von Sauerstoff in Grenzen. Dies begünstigt die Reaktionen und die Ausfällungen in der Kaltabscheideranlage, weil im jeweiligen Reagens-Vorratsbehälter ein Sauerstoffpegel von mehreren hundert Teilen/Million aufrechterhalten wird.

3. NaH (Natriumhydrid) bewirkt die Beseitigung von Cäsium 137 und Cäsium 134 entweder durch Adsorption oder durch Absorption. Es hat sich gezeigt, daß Natriumhydrid hinsichtlich der Adsorption von Cäsium wirksamer ist als Natriumoxyd.

4. NaI (Natriumiodid) bildet durch isotopischen Austausch von Jod 135 und Jod I31 mit Spaltproduktisotopen Na¹³¹I + Na¹³⁵I. Da die Löslichkeit von Natriumjodid

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in hohem Maße temperaturabhängig ist und seine
Löslichkeit bei Temperaturen, wie sie im Kaltabscheider herrschen, außerordentlich niedrig ist, werden nach diesem Verfahren nachgewiesenermaßen 99»9 % dieser Isotopen ausgeschieden.

Mit der beschriebenen Kaltabscheideranlage ist es
möglich, aus Kernreaktor-Plüssigmetallkühlmitteln Verseuchungen auszuscheiden, welche von radioaktiven Spaltprodukten herrühren. Der Wechselbetrieb einer solchen Anlage macht es möglich, die verwendeten Reagenzien voll auszunutzen und auf diese Weise auch die Ausfällung radioaktiver Verseuchung zu verbessern, so daß die Stillstandszeiten von mit einer solchen Anlage ausgerüsteten Kernreaktoren wesentlich verringert werden und die jeweils zwischen notwendig werdenden Überholungen der Anlage liegenden Betriebszeiten wesentlich verlängert werden.

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Claims

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Patentansprüche'

1J Verfahren zur Entfernung von Spaltprodukten aus Kühlmitteln von Kernreaktoranlagen, deren Kühlmittel einen Strömungsweg durchströmt, in welchem sich zwei hintereinandergeschaltete Behälter befinden, durch die ein Zweigstrom des Kühlmittels hindurchgeführt wird und in welchen diesem zwecks Ausfällung von Spaltprodukten ein Reagens zugesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zuerst mit hoher Temperatur durch den einen der beiden Behälter geführt und in diesem das Reagens in dem Kühlmittel gelöst wird, daß das Kühlmittel anschließend bei niedriger Temperatur durch den anderen der beiden Behälter geführt und in diesem die Spaltprodukte zusammen mit dem Reagens ausgefällt werden, und daß, wenn der in dem einen Behälter befindliche Vorrat an Reagens im wesentlichen aufgebraucht ist, die Kühlmittel-Strömungsrichtung umgekehrt wird, so daß das Kühlmittel zunächst mit hoher Temperatur durch den anderen der beiden Behälter strömt und die dort zusammen mit dem Reagens niedergeschlagenen Spaltprodukte löst, um sodann mit niedriger Temperatur durch den einen der beiden Behälter geführt zu

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werden, wo nunmehr weitere Spaltprodukte ausgefällt werden, usw..
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den beiden Behältern ausgefällten Spaltprodukte zusammen mit den Reagenzien aus diesen Behältern abgelassen und durch neues Reagens ersetzt werden, wenn der Gehalt an radioaktiven Isotopen in diesen Behältern einen bestimmten Wert überschreitet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Reagens einen isotopischen Verdünner enthält und daß die ausgefällten -Spaltprodukte radioaktive Isotopen dieses Verdünners enthalten.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Reagens eine reaktionsfähige Chemikalie enthält und daß die ausgefällten Spaltprodukte eine Verbindung dieser Chemikalie enthalten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Reagens Natriumhydrid, Natriumoxyd oder/und Natriumiodid enthält, daß die ausgefällten Spaltprodukte Tritium, Barium l40, Cäsium I4l, Cäsium 137,

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Cäsium 134, Zirkonium 95, Jod 131 oder/und Jod 125 enthalten und daß das Kühlmittel flüssiges Natrium enthält.

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