DE2830972C3 - Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung - Google Patents
Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten LösungInfo
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Description
Erfindungsgegenstand ist der Zellenaufbau gemäß Anspruch 1 und seine Verwendung gemäß Ansprüche 5
und 6.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.
Um die in einem Kernreaktor erzeugte Energie zu regeln, ist es üblich, neutroneneinfangendes Bor in dem
Kühlwasser aufzulösen, das durch den Reaktorkern strömt. Die Kerne der Boratome fangen dabei einige
der Neutronen ein, die bei den Spaltprozessen innerhalb des Reaktorkerns erzeugt werden; durch eine kontrollierte
Verminderung des Neutronenhaushalts innerhalb des Kerns wird somit die Leistung geregelt, die der Kern
erzeugt. Als eine Nebenfolge dieses Neutroneneinfangvorgangs verfallen außerdem diejenigen Borkerne, die
Neutronen eingefangen haben, im allgemeinen in Lithiumkerne oder Lithiumisotope je mit einer daraus
sich ergebenden Atommassenzahl sieben (Lithium 7).
Um die Reaktorkernkorrosion einzuschränken, ist es auch üblich, Lithiumhydroxyd dem Wasser in dem
Reaktorkern-Primärkühlmittelkreäslauf zuzusetzen. Die für diesen Zweck gewählte Lithiumisotope ist die
Isotope mit der Massenziffer 7, weil im Gegensatz zu der obengenannten Borfunktion diese bestimmte
Lithiumisotope im allgemeinen weniger Neutronen einfangen und weniger gefährliche Tritiummengen
erzeugt. Weiterhin besteht in dieser Beziehung eine Knappheit an dieser bestimmten Lithiumisotope in
einer Form, die gegenüber den anderen Lithiumisotopen stark angereichert ist
Um die Borkonzentration in dem Primärkühlmittel zu ändern, wodurch die Reaktorleistung geregelt wird, und
um die Lithiumhydroxydkonzentration in dem Reaktorkühlmittel zu kontrollieren, ist es bekannt, eine Anzahl
ziemlich komplizierter Verfahren zu verwenden. Diese Verfahren verwenden Verdampfer, Kristallisatoren,
ίο Fällungs-/Spülapparate und dergleichen. Die Arbeitsweise
dieser Verfahren ist unbefriedigend gewesen, und oft ist der Kraftwerksbetrieb eingeschränkt worden und
es wurden umfangreiche Änderungen durchgeführt Die durch die Unzulänglichkeit diese Maßnahme verursachten
Kosten und Einbußen bei der Nutzung der Einrichtungen stellen eine eindeutige Belastung dar, so
daß wesentliche Verbesserungen unbedingt erforderlich sind.
Als eine weitere Folge der Neutroneneinwirkung innerhalb des Reaktorkerns wird oft Tritium, eine
schwere Wasserstoffisotope, erzeugt Dieser Stoff schafft Gesundheits- und Umweltsprobleme, und in
bestehenden Kernkraftwerken werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um dieses »titriumoxydhaltige«
Wasser von der Kraftwerksbaustelle zu entfernen.
Forschungsarbeiten, die darauf gerichtet waren, Ionenaustausch- und Elektrodialyseverfahren für die
Behandlung von radioaktiven Abwässern anzuwenden, sind abgewickelt worden. In knappen Worten kann man
sagen, daß dies Forschungen eine normale Elektrodialyse-Zellenanordnung
betraf, bei der Salze in bestimmten Kammern gesammelt und konzentriert werden, während
frisches Wasser über Ionentransport durch gewählte durchlässige Membranen erzeugt wird. Bei
der Elektrodialyse ist festgestellt worden, daß bestimmte Materialien oder Membranen wahlweise gegenüber
Kationen durchlässig sind und daß andere Membranen gegenüber Anionen durchlässig sind. Wenn unter diesen
Umständen eine Kationmembrane zwischen ionenreichem Wasser und einer negativ geladenen Kathode
angeordnet wird, dann werden die positiv geladenen Kationen durch die Membrane zur Kathode wandern.
Die Membrane wird jedoch in wirkungsvoller Weise den Transport von negativ geladenen Anionen durch
die Membrane zur Kathode verhindern. In weitgehend der gleichen Weise wird es eine Anionmembrane
erlauben, daß negativ geladene Anionen zu einer positiv geladenen Anode wandern, während sie gleichzeitig für
die Kationenwanderung in der gleichen Richtung eine Sperre darstellt. Mischbett-Ionenaustauschharze werden
in den Produktwasserströmen verwendet, um die Ionenentfernung und den Ionentransport zu erleichtern.
Die konzentrierten Abfallströme werden gesammelt und zur Abfallbeseitigung erstarrt. Diese Anordnung
besteht aus abwechselnden Konzentrat- und Produktwasserkammern, die zwischen einem Elektrodenpaar
eingeschlossen sind.
Was die Chemie und die stattfindenden chemischen Vorgänge angeht, so gilt folgendes: In knappen Worten kann man sagen, daß sich viele Säuren und Basen im Wasser in Teilionen zersetzen. So löst sich Borsäure in einer Wasserlösung in ein negativ geladenes Boration und in ein positiv geladenes Wasserstoffion auf.
Was die Chemie und die stattfindenden chemischen Vorgänge angeht, so gilt folgendes: In knappen Worten kann man sagen, daß sich viele Säuren und Basen im Wasser in Teilionen zersetzen. So löst sich Borsäure in einer Wasserlösung in ein negativ geladenes Boration und in ein positiv geladenes Wasserstoffion auf.
Bekanntlich heißen die negativ geladenen Ione »Anionen«
und die positiv geladenen Ionen »Kationen«. Es ist außerdem festgestellt worden, daß einige Harzarten
eine Affinität für Anionen und daß andere Harze eine
Affinität für Kationen haben. Diese Kenntnis ist ausgenutzt worden, um ionisierte Stoffe aus Wasser zu
entfernen. Somit wird das ionenreiche Wasser durch ein aus Anion- und Kationharze bestehende Mischbett
geleitet, wobei die Anionharze die Anionen und die Kationharze die Kationen aus dem Wasser entfernen.
Elektrodialyse dagegen ist ein ganz anderes Verfahren. Gewöhnlich wird ein Paar Elektroden in ionenreiches
Wasser eingetaucht und dieses Elektroden werden entgegengesetzte elektrische Ladungen verliehen, wobei
die negativ geladenen Anionen dazu neigen, zu der positiv geladenen Anode zu wandern, während umgekehrt
die positiv geladenen Kationen dazu neigen, zur negativ geladenen Kathode zu wandern.
Die Erfindung besteht nun darin, daß eine Kationharzschicht zwischen der Kationmembrane und der
negativ geladenen Kathode angeordnet wird, und daß eine Anionharzschicht zwischen der Anionmembrane
und der positiv geladenen Anode angeordnet wird. Um diesen Aufbau zu vervollständigen, werden zwei weitere
Membranen der Kombination hinzugefügt. Eine Kationmembrane wird z. B. zwischen der Anionharzschicht
und der positiv geladenen Anode angeordnet Umgekehrt wird eine Anionmembrane zwischen der Kationharzschicht
und der negativ geladenen Kathode angeordnet Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht
nicht nur einen kontinuierlichen Strom sehr reinen deionisierten Wassers aus dem Mischbett abzuziehen,
sondern er erzeugt auch kontinuierliche Ströme konzentrierter Säure aus der Anolytkammer, die die
Anionharzschicht enthält, und konzentrierter Lauge aus der Katholytkammer, die die Kationsharzschicht enthält.
Diese kontinuierliche Erzeugung von Säure und Lauge steht natürlich im scharfen Gegensatz zu
früheren bekannten Bemühungen, die darauf gerichtet waren, Ionenaustausch- und Elektrodialyseverfahren zu
kombinieren, die Anionen und Kationen verbanden, um einen konzentrierten Salzwasserstrom zu erzeugen.
Eine auf das Proolem der Reaktorkern-Kühlwasser-Reinigung
angewandte typische Ausführungsform der Erfindung erzeugt nicht nur reines Wasser sowie
konzentrierte Borsäure und Lithiumhydroxyd, sondern hat auch die sehr vorteilhafte Wirkung, das Lithium-7
aufzufangen, das durch die Zersetzung des Bor ~lo-Kerns nach einem Neutroneneinfang erzeugt wird,
und diese seltene Isotope, die als ein Edelprodukt eingeführt wird, zurückzugewinnen. Durch die Hinzufügung
eines geeigneten Materials zu diesem Zellenaufbau kann außerdem Tritium vorzugsweise aus dem
Wasser durch den Stoff extrahiert werden, um anschließend in einer konzentrierten Form beseitigt zu
werden.
Somit wird erfindungsgemäß ein Zellenaufbau zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen, das kontinuierlich
ein ionenreiches Aufgabegut zu einer deionisierten Flüssigkeit, einer konzentrierten Säure und einer
konzentrierten Lauge verarbeitet. Dieses Verfahren bietet bei Verwendung in Verbindung mit einem
Kernreaktor-Kern-Kühlwasser die weiteren Vorteile einer Lithium-'-Rückgewinnung und Tritiumbeseitigung.
Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Austauschers und
F i g. 2 ein Schema der Wirkungsweise der Erfindung.
Gemäß der Darstellung in F i g. 1 besteht der Austauscher aus einer Reihe von vier Zellen 10,11,12
und 13. Die Zellen 10 and 12 sind in ihren wesentlichen Merkmalen gleich, während die Zellen 11 und 13
zueinander ähnlich sind, während sie in der relativen
Anordnung ihrer Bauteile von den Zellen 10 und 12 abweichen, wie nachstehend beschrieben wird.
Die Zelle 10 weist eine Anode 14 in einer Anodenkammer 15 auf. Die Anode 14 ist elektrisch mit
einer nicht dargestellten Kraftquelle gekoppelt, um auf der Elektrodenoberfläche eine positive Ladung zu
erzeugen.
Die Anodenkammer 15 ist von einer Anolytkammer 16 durch eine Kationenmembran 17 getrennt Wie
bereits zuvor erwähnt wurde, erlauben es Kationmembranen positiv geladenen Kationen von einer Seite der
Membrane zur anderen zu wandern. Eine Kationmembrane ermöglicht es jedoch nicht, einem negativ
geladenen Anion von einer Membranseite durch die Membrane hindurch zur anderen Seite dieser Membrane
zu wandern.
Die Anolytkammer 16 enthält eine Anionharzschicht 20, die zu einem allgemein rechteckigen Prisma
ausgebildet ist, dessen eine Seite durch die Kationmembrane 17 gebildet wird. Die Anionharzschicht 20 ist im
allgemeinen eine Masse aus zusammengepreßten Kügelchen, die aus einem harzigen Material bestehen,
welches vorzugsweise verschmutzende Anionen absorbiert und bevorzugtere Anionen freigibt. Eine Anionmembrane
21, die von der Membrane 17 mit Abstand sowie parall zu derselben angeordnet ist, bildet eine
andere der Seiten der Anolytkammer 16. Harzschichten, die nur anionische Stoffe oder nur kationische Stoffe
absorbieren, werden oft mit Mono-Ionen-Austausch-Harzschichten bezeichnet. Wie zu erwarten ist, erlauben
es Anionmembra'.ien negativ geladenen Ionen, von einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern.
Anionmembranen erlauben es jedoch nicht einem positiv geladenen Kation, von einer Membranseite
durch die Membrane hindurch zur anderen Seite derselben zu wandern.
Ein Harzmischbett 22 füllt den Raum einer rechteckigen, prismaförmigen Aufgabegut-Eintrittskammer 23
aus. Auf jeden Fall hat das Mischbett 22 eine Affinität für Kationen und Anionen, so daß es beide Stoffe aus
der Lösung entfernt. Wie man der F i g. 1 entnehmen kann, ist das Mischbett 22 zwischen der Anionmembrane
21 und einer Kationmembrane 24 eingeschlossen.
Die Kationmembrane 24 bildet überdies die Trennwand zwischen der Aufgabegut-Eintrittskammer 23 und
einer Katholytkammer 25. Innerhalb der Katholytkammer 25 tauscht eine rechteckige, prismaförmige
Kationsharzschicht 26 aus gepreßten Harzkügelchen oder dergleichen verschmutzende Kationen gegen
bevorzugte Kationen in der Kammer 25 aus.
Eine negativ geladene Kathode 27, die elektrisch mit einer Stromzuführung verbunden ist, ist von der
Katholytkammer 25 durch eine Anionmembrane 30 getrennt und ist von der Kationmembrane 24 mittels der
Kationharzschicht 26 mit Abstand angeordnet. Auf diese Weise bildet die Membrane 30 eine Trennwand für
die Katholytkammer 25, wobei diese Trennwand parallel zur Kationenmembrane 24 verläuft.
Da die Zelle 12 in ihrer Ausführung gleich der Zelle 10 ist, hat die Zelle 12 eine positiv geladene Anode 31, die
mit Abstand von einer Anionharzschicht 32 in einer Anolytkammer 33 mittels einer Kationmembrane 34
angeordnet ist. Die Anolytkammer 33 ist überdies von
einem Mischharzbett 35 in einer Aufgabegutkammer 36 durch eine Anionmembrane 37 getrennt.
Die Katholytkammer 40 ist von der Aufgabegutkammer 36 durch eine Kationniembrane 41 getrennt,
wodurch eine Kationsharzschicht 42 zwischen der Kationmembrane 41 und einer Anionmembrane 43
eingeschlossen wird. Die Membrane 43 ist auch zwischen der Kationharzschicht 42 und einer negativ
geladenen Kathode 44 angeordnet.
Die Zelle Ii hat jedoch eine etwas andere relative Anordnung der Bauteile. So ist die negativ geladene
Kathode 27 von einer Kationharzschicht 45 durch eine Anionmembrane 46 getrennt. Eine Kationmembrane 47
bewirkt eine weitere Trennung zwischen der Kationsharzschicht 45 in einer Katholytkammer 50 und
Mischbeii 51 in einer Aufgabegutkammer 52. Eine
Anolytkammer 53 ist neben der Aufgabegutkammer 52 mittels einer Anionmembrane 54 ausgebildet, die als
eine Trennwand zwischen der Aufgabegutkammer 52 und der Anolytkammer 53 wirkt, wodurch die
Anionharzschicht 53Λ eingeschlossen wird. Die positiv geladene Anode 31 ist überdies von der Anolytkammer
53 durch die Kationmembrane 55 getrennt.
Die Zelle 13 ist in einer ähnlichen Weise wie Zelle 11
angeordnet. Erläuternd sei darauf hingewiesen, daß die Zelle 13 eine Katholytkammer 56 aufweist, die eine
Kationharzschicht 57 enthält, welche von der negativ geladenen Kathode 44 durch eine Anionmembrane 60
getrennt ist. Eine Aufgabegutkammer 61 ist zwischen der Katholytkammer 56 und einer Anolytkammer 62
errichtet Die Aufgabegutkammer 61 enthält ein Mischbett 63, welches von der Katholytkammer 56
durch eine Kationmembrane 64 und von der Anolytkammer 62 durch eine Anionmembrane 65 getrennt ist
Weiterhin ist in der Anolytkammer 62 eine Harzschicht 66 zwischen der Anionmembrane 65 und einer
Kationmembrane 67 eingeschlossen. Die Kationmembrane 67 trennt die Anionharzschicht 66 von einer
positiv geladenen Anode 70.
Normalerweise werden die Elektrodenkammern durch die Verwendung eines verdünnten Elektrolyten,
wie z. B. Salpetersäure, gereinigt. Bei dieser Apparatur hat es sich jedoch als möglich erwiesen, diese Spülung
dadurch zu bewirken, daß ein Mischbett in jeder der Elektrodenkammern vorgesehen wird und die Spülung
mit dem Zellen-Deionat-Ablaufstrom durchgeführt wird. Eine Elektrodenspülleitung 71 stellt eine strömungstechnische
Verbindung zwischen einem Spüleintritt 72, den Anoden 14,31,70, den Kathoden 27,44 und
dem Spülabzug 73 her, um Schmutzstoffe, Gase und dergleichen, aus den Anoden- und Kathodengebilden
herauszuspülen und dadurch beizutragen, den Wirkungsgrad der Einrichtung aufrechtzuerhalten.
Die Flüssigkeit wird der Apparatur durch einen Aufgabeguteintritt 74 zugeführt, um in der Richtung zu
strömen, die durch einen Pfeil neben dem Eintritt 74 angedeutet ist; der Strömungsweg schließt dabei die
Aufgabeguteintrittskammer 23, eine Leitung 75, die Aufgabegutkammer 52, eine Leitung 76, die Aufgabegutkammer
36, eine Leitung 77, die Aufgabegutkammer 61 und eine Aufgabegutabzugsleitung 80 ein.
In dem in F i g. 1 dargestellten erläuternden Beispiel der Erfindung tritt das Anolytmedium in die Apparatur
über eine Anolyteintrittsleitung 81 ein und strömt in
Richtung des Pfeils neben der Leitung 81 durch die Anolytkammer 62, eine Leitung 82, die Anolytkammer
33, eine Leitung 83, die Anolytkammer 53, eine Leitung 84, die Anolytkammer 16 und über eine Anolytabzugsleitung
85 aus der Apparatur heraus.
Der Strömungsweg für den Katholyten beginnt an der Katholyteintrittsleitung 86 und setzt sich in
Richtung des Pfeils neben der Leitung 86 fort durch die Katholytkammer 56, eine Leitung 87, die Katholytkammer
40, eine Leitung 90, die Katholytkammer 50, eine Leitung 91, die Katholytkammer 25 und über eine
Katholytabzugsleitung 92 aus der Apparatur heraus.
Die Strömungsschaltung in Reihe mit mehreren Zellen kann in Abhängigkeit von dem Grad der
chemischen Konzentrationsfaktoren gestaltet werden, die in den Anolyt- und Katholytströmen gewünscht
werden. In gleicher Weise wird der Reinheitsgrad, der für den Ablauf aus der Mischbettkammer gewünscht
wird, die Anzahl der erforderlichen Kammerreihenschaltungen bestimmen, umgekehrt kann eine Paraiieiströmungsschaltung
entsprechend den Anforderungen an die Leistung des Verfahrens ausgebildet werden.
Um die Arbeitsweise und den lonentransportvorgang eines die Grundsätze der Erfindung beinhaltenden
typischen System im einzelnen besser verstehen zu können, wird auf die F i g. 2 verweisen, die einen Teil der
Aufgabeguteintrittskammer 23, die Katholytkammer 25, die Anolytkammer 16, die Kathode 27 und die Anode 14
zeigt. Das Mischbett 22, das zwischen der Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 24 eingeschlossen
ist, besteht aus einer Gruppe allgemein kugelförmiger Kationharzperlen 93 und den in gleicher Weise
geformten Anionharzperlen 94. Außerdem ist innerhalb der Anolytkammer in Obereinstimmung mit einem
Merkmal der Erfindung die Anionharzschicht 20, die aus einer Masse Anionharzkugeln 95 besteht, zwischen der
Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 17 eingeschlossen.
Die Katholytkammer 25 schließt auch eine Schar Kationharzkugeln % ein, die die Kationharzschicht 26
für diese Kammer bilden. Wie bereits zuvor erwähnt, ist die Kationharzschicht 26 zwischen der Kationmembrane
24 und der Anionmembrane 30 eingeschlossen, die die Katholytkammer 25 von der negativ geladenen
Kathode 27 trennt
Auf der Grundlage einer bestimmten erläuternden Darstellung der vorliegenden Erfindung fließt im
Betrieb ein Aufgabegut, welches ionisierte Borsäure H3BO3 und ionisiertes Lithium-7 Hydroxyd Li7OH
enthält, in die Aufgabegut-Eintrittskammer in Richtung des Pfeiles 97. In diesem ionisierten Zustand enthält das
Aufgabegut positiv geladene Wasserstoff-(H+) und Lithium-(Li+) Kationen sowie negativ geladene Borat-(BO-,
BO3- und B3O3~)und Hydroxyd-(OH-) Anionen.
Es ergibt sich, daß die Borationen aus der Lösung durch Verdrängen der Hydroxydionen auf den Anionkugeln
94 entfernt werden. In gleicher Weise verdrängt das ionisierte Lithium H+-Ionen auf den Kationkugeln
93. An der Verbindung 100 zwischen den Kationharzkugeln 93 und der Anionmembrane 21 sowie an der
Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und der Kationmembrane 24 werden die Wassermoleküle
zersetzt wodurch OH-- und H+-Ionen erzeugt werden. Unter diesen Umständen wandern die OH--Ionen zu
der positiv geladenen Anode 14. Die H+-Ionen dagegen wandern zur negativ geladenen Kathode 27.
Während dieser Wanderung verdrängen diese Ionen ihre Lithium- und Borationen-Partner von den Harzkugeln
93 bzw. 94, wodurch die betreffenden Harze elektrolytisch regeneriert werden. Das verdrängte
Lithiumkation transportiert einen Teil des elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und durch die
Kationmembrane 24, um sich in der Katholytkammer 25 zu konzentrieren. Hydroxydionen, die in der kathodischen
Reaktion zwischen Wasser und der Kathode 27 erzeugt werden, wandern außerdem durch die Anionmembrane
30 aus einem Spülmedium, das die Kathode 27 überspült. Diese Hydroxydionen konzentrieren sich
in der Katholytkammer 25, die, wie man sich erinnern
wird, die Kationharzschicht 26 enthält. Wasserstoffionen wandern auch durch die Kationmembrane 24 und
sammeln sich in der Katholytkammer 25, wodurch sie sich wieder mit Hydroxydionen verbinden und Wasser
bilden. Das Ergebnis der kathodischen Reaktion an der Kathode 27 ist die Entwicklung von Wasserstoffgas und
die Bildung des Hydroxydions. Das gemeinsame Ergebnis der Lithiumwanderung durch die Kationmembrane
24 und der Hydroxydionenwanderung durch die Anionenmenbrane 30 ist die Bildung von Lithiumhydroxyd.
Die Kationharzschicht 26 wird sich anfänglich mit den Lithiumionen sättigen und ein Lösungs-/Harz·
Gleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmutzenden Kationen, die durch die Kationmembrane 24
wandern, werden an der Kationharzschicht 26 absorbiert, wodurch eine kationgereinigte Lithiumhydroxydlösung
in der Katholytkammer 25 gebildet wird. Man wird sich daran erinnern, daß Lithium-7 eines der
Produkte der Neutronen-Bor-Reaktion im Reaktorkern ist und daß diese Ltihiumisotope in konzentrierter Form
eine Mangelware ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die der anfänglichen Wasserfüllung für
das Reaktorkernkühlmittel hinzugefügte Lithium-7-Isotope
aufbewahrt und es wird auch das zusätzliche Lithium-7 gesammelt, welches durch die Neutronen-Bor-Reatior
erzeugt wird. Unter diesen Umständen bietet das erfindungsgemäße Verfahren die langfristige
Möglichkeit, nicht nur eine Lithium-7-Autarkie herzustellen,
sondern auch vielleicht einen gewissen Lithium -7-Überschuß zu erzeugen.
In einer etwas ähnlichen Weise wandern die Borat- und Hydroxydanionen durch die Anionharzkugeln 94
und durch die Anionmembrane 21. An der Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und der
Kationmembrane 24 werden die Wassermoleküle auch zersetzt und erzeugen OH-- und H--lonen. Unter
diesen Umständen wandert das Hydroxydion durch die Anionharzkugeln 94 und verdrängt die Borationen. Das
verdrängte Boration transportiert einen Teil des elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und
durch die Anionmembrane 21, wodurch die Borationen sich in der Anionkammer konzentrieren. Bei der
anodischen Reaktion zwischen Wasser und der Anode 14 erzeugte Wasserstoffione wandern gleichzeitig durch
die Kationmembrane 17 in die Anolytkammer 16,
wodurch ein konzentrierter Borsäurestrom (H3BO3)
gebildet wird. Die anodische Reaktion zwischen Wasser und der Anode 14 (Elektrolyse) erzeugt auch Sauerstoffgas,
welches durch einen kontinuierlichen Spülbetrieb herausgespült wird.
Das gemeinsame Ergebnis der Boratwanderung durch die Anionmembrane 21 und der H+-Ionenwanderung
durch die Kationmembrane 17 ist die, Bildung von Borsäure in der Anolytkammer 16, die, wie man sich
erinnern wird, die Anionharzschicht 20 enthält Das Anionharz wird sich anfänglich mit den Borationen
sättigen und ein Lösungs-/Harz-Gleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmutzenden Anionen, die
durch die Anionmembrane 21 wandern, werden von der Anionharzschicht 20 absorbiert, wodurch eine aniongereinigte
Borsäurelösung in der Anolytkammer 16 gebildet wird.
Wenn die Anion- und Kation-Schmutzstoffe eine Sättigungshöhe auf der Anionharzschicht 20 bzw. der
Kationharzschicht 26 erreichen, dann werden sich diese Ione in den Lösungsströmen sowohl in der Anolytkammer
16 als auch in der Katholytkammer 25 sammeln. Wenn dies durch analytische Verfahren festgestellt
wird, dann wird die Polarität des Zellenapparates umgesteuert, wodurch die Elektrode 14 in eine Kathode
verwandelt wird und die Elektrode 27 in eine Anode. Dieser Prozeß mit umgekehrter Polarität wird die
Anionharzkugeln 95 regenerieren, und gleichzeitig werden die ausgewaschenen, verschmutzenden Anionen
einen Teil des elektrischen Stroms von der Anolytkammer 16 durch die Anionmembrane 21 in die
Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch diese ausgewaschenen Anionen aus dem System mit Aufgabelösungsstrom
gespült werden.
Ebenfalls während des Betriebs mit umgekehrter Polarität werden die Kationharzkugeln 96, die sich in
der Katholytkammer 25 befinden, regeneriert, und die ausgewaschenen, verschmutzenden Kationen werden
einen Teil des elektrischen Stroms aus der Katholytkammer 25 durch die Kationmembrane 24 in die
Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch die verschmutzenden Kationen aus dem System mit
Aufgabelösungsstrom, gemäß Richtung des Pfeils 97, gespült werden.
Während des normalen Betriebs, d. h. nicht bei der Betriebsart mit umgekehrter Polarität, ist der Ablauf aus
der Aufgabeguteintrittskammer 23 im wesentlichen deionisiertes Wasser.
Infolgedessen wird in Übereinstimmung mit der bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ein typischer Zellenströmungsweg ein kontinuierliches Verfahren für die Erzeugung von Endprodukten
darstellen, die aus getrennten und gereinigten Strömen konzentrierter Borsäure, deionisierten Wassers und
konzentrierten Lithiumhydroxyds aus den jeweiligen Kammern 16,23 und 25 bestehen.
Natürlich werden, wie bereits oben erwähnt, die Anoden und Kathoden kontinuierlich gespült, um
Verunreinigungen zu entfernen, und die bei den Elektrodenreaktionen erzeugten Gase werden auch
kontinuierlich herausgespült. In typischer Weise werden 3 bis 5 Gew.-°/o Borsäure in dem Medium aufrechterhalten,
das aus den Anolytkammern strömt, und es werden 1000 bis 5000 ppm Lithium -7-Hydroxyd in dem Strom
aus den Katholytkammern aufrechterhalten.
Es sei daran erinnert, daß Tritium beim Spaltverfahren
sowie bei Neutronenreaktionen mit löslichen Chemikalien innerhalb des Reaktorkerns erzeugt wird
und daß diese Wasserstoffisotope gewisse Probleme für die Gesundheit und die Umwelt schafft.
Ein bevorzugter Austausch von »tritiumoxydhaltigem Wasser« (d. h. Wassermoleküle, in denen die Tritiumisotope
des Elements Wasserstoff eine chemische Verbindung mit Sauerstoff eingegangen ist) mit gewissen
Mineralarten ist festgestellt worden. Diese seltsame Erscheinung ist besonders in Verbindung mit Ton
bekannt geworden. Der genaue Vorgang ist noch nicht völlig klar, jedoch scheint eine Theorie zu besagen, daß
in Kaolinittonen z. B. das Tritium Aluminium aus den
festen Gitterplätzen verdrängt, wodurch die Aluminiumatome in dem Tongefüge von festen zu Austauschpositionen
wandern. Eine Verstärkung des bevorzugten Tritiumabscheideverfahrens kann durch Ionisierung und
den Ionentransportprozeß angeregt werden.
Außerdem ist die Elektrodialyse ein Verfahren, das benutzt werden kann, um den Ionenaustausch zu
verstärken. Der oben in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 beschriebene Zellenaufbau bildet eine Einrichtung, die
für Elektrodialyse geeignet ist. Wenn man Kugeln aus Kaolinitton oder aus einem anderen geeigneten
Material, das vorzugsweise Tritium absorbiert, an Stelle des in F i g. 2 gezeigten Mischbettes 22 verwendet, dann
kann man unter diesen Umständen ein verbessertes Verfahren schaffen, um kontinuierlich Tritium aus dem
Reaktorkern-Kühlmittel in einer Weise abzuziehen, die das Tritiumbeseitigungsproblem vereinfacht oder das
10
Tritium zur Extraktion und Weiterverwendung leichter zur Verfugung stellt.
Je nach dem angestrebten Reinigungsgrad können natürlich weitere Zellen der Reihe hinzugefügt werden,
die in F i g. 1 dargestellt ist. In Abhängigkeit von dem beabsichtigten Verwendungszweck kann außerdem
bzw. können außerdem eine oder mehrere der Anion- und Kationsharzschichten, die das obige bestimmte
Beispiel kennzeichnen, aus dem Zellenaufbau herausgenommen oder, je nach den Umständen, wechselseitig
ausgetauscht werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung in Ströme konzentrierter Säure, konzentrierter
Lauge und deionisiertem Mediums, gekennzeichnet durch ein Mischbett aus
Anion- und Kationharz, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine Seite des Mischbettes
bildet, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine
Anionharzschicht neben der Anionmembrane, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für eine
andere Seite der Anionharzschicht bildet, eine Anode, die mit Abstand von der Anionharzschicht
und der Kationmembrane angeordnet ist, eine Kationsharzschicht, die neben der Kationmembrane
angeordnet ist, welche eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine Anionmembrane,
die eine Trennwand für eine andere Seite der Kationharzschicht bildet, und eine Kathode, die
mit Abstand von der Kationharzschicht und der Anionmembrane angeordnet ist, welche eine Trennwand
für die Kationharzschicht bildet.
2. Zellenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Mischbetts aus Anion- und
Kationharz Ton eingesetzt ist.
3. Zellenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Ton Koalinitton ist.
4. Zellenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Ton kristalliner
Struktur ist, die Aluminium enthält.
5. Verwendung des Zellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reinigung eines
Reaktorkern-Kühlwassers.
6. Verwendung des Zellenaufbau nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Entfernung von Tritium aus
Wasser.
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