DE3120793A1

DE3120793A1 - "verfahren und vorrichtung zur dekontamination von festkoerpern"

Info

Publication number: DE3120793A1
Application number: DE19813120793
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl.-Phys. Dr. 8038 Gröbenzell Dolezalek; Matthias Dipl.-Phys. Dr. 6233 Kelkheim Selders
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1981-05-25
Filing date: 1981-05-25
Publication date: 1983-01-20
Also published as: EP0079912A1; WO1982004347A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur
Dekontamination von Festkörpern Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dekontamination von Festkörpern mit an der Oberfläche gebundenen bzw. anhaftenden toxischen, insbesondere radioaktiven Substanzen, sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens.
Es sind zahlreiche Verfahren zur Dekontamination von Festkörperoberflächen bekannt. Die vorwiegend angewandten mechanischen Methoden umfassen das Abwischen mit textilen Gebilden, die Behandlung durch Abspritzen mit einer Reinigungslösung, z.B. Hochdruckwasserstrahl von 200 bar, oder einem Dampfstrahl, Sandstrahlen und dergleichen. Eine Abtragung der kontaminierten Oberfläche wird mittels Elektrolyse erzielt, bei der die anhaftenden bzw. in den Poren der Oberfläche fest verankerten toxischen Substanzen herausgelöst werden. Auch durch alternierende saure und alkalische Wechselbäder kann eine Dekontamination durchgeführt werden. Die toxischen bzw. radioaktiven Partikel liegen jedoch nach der erfolgten Dekontamination in geringer Konzentration in großem Volumen von textilen Gebilden, wie Filtermaterialien oder Reinigungstüchern sowie von Flüssigkeiten vor.
All diesen bekannten Verfahren haften wesentliche Nachteile an.
In erster Linie ist eine Abtrennung der entfernten Substanzen aus textilen Gebilden bzw. aus den Flüssigkeiten zum Zwecke einer sicheren und platzsparenden Endlagerung schwierig und aufwendig. Bedingt durch die Verfahrensweise ist eine Lokalisierung der giftigen Substanzen in wenigen genau umgrenzten Bereichen erschwert oder gar unmöglich. Diese Methoden bedürfen ferner eines hohen Zeitaufwands und eines relativ großen Arbeitsraums.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem unter Vermeidung der o.g.
Nachteile die Dekontamination mit einem geringen Zeitaufwand und Platzbedarf wirtschaftlich durchführbar ist und die von der Oberfläche losgelösten toxischen Teilchen leicht eliminiert werden können. Eine Aufarbeitung der verwendeten Mittel sollte nicht notwendig sein. Das Verfahren soll vor allem in der Kerntechnik die Dekontamination von plutoniumhaltigen Brennstäben ermöglichen und erleichtern.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe lösen läßt, wenn der Festkörper in einer allseitig geschlossenen Kammer bei Unterdruck und in einer inerten und/oder reaktiven Gasatmosphäre einer brtwährenden Glimmentladung von 30 Sekunden bis 10 Stunden Dauer oder den gasförmigen Produkten einer solchen Glimmentladung ausgesetzt wird, wobei die reaktiven Gase mit den toxischen Substanzen zu Verbindungen reagieren, die unter den herrschenden Bedingungen flüchtig sind. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen 2 bis 6 beschrieben, während die Unteransprüche 7 bis 17 Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens betreffen.
Erfindungsgemäß wird das zu dekontaminierende Gut in einer Kammer bei einem Druck von 10 5 bis 10 mbar, vorzugsweise 0,01 bis 1 mbar, und bei einer Temperatur von 15 bis 800 °C, vorzugsweise bei 25 bis 100 oC, einer Glimmentladung ausgesetzt.
Die dabei gebildeten Produkte, wie energiereiche Ionen, Elektronen und chemisch aggressive Molekülspezies, greifen die Oberfläche des zu dekontaminierenden Gutes an und führen dazu, daß sich das abgetragene Material mit den toxischen Substanzen an den Wänden des zylindrischen Gefäßes niederschlägt bzw.
mit dem durch die Glimmentladung aktivierten Gas zu flüchtigen Substanzen umsetzt, die mittels einer Vakuumpumpe abgepumpt werden können.
Zur Glimmentladung können entweder Inertgase, wie Argon, Helium NeongStickstoff verwendet werden, wobei die Abtragung über die mechanische Wirkung der auftreffenden Ionen erfolgte oder reaktive Gase, die mit den zu entfernenden Substanzen Verbindungen eingehen, welche bei den bei der Glimmentladung im Gefäß herrschenden Bedingungen flüchtig sind. Als reaktive Gase, die flüchtige Produkte erzeugen, sind geeignet z B. Kohlenmonoxid zum Ätzen von Eisen, Nickel, Chrom oder Verbindungen derselben, Chlor oder chlorhaltige Gases wie Tetrachlorkohlenstoffs zum Ätzen von z.B. Zirkonium oder dessen Verbindungen, fluorhaltige Gase wie Tetrafluorkohlenstoff, Fluorwasserstoff, Hexafluoräthan> Hexafluorpropylens Fluor-Chlor Verbindungen wie Difluordichlormethan, Trichlormonofluormethans Tri fluortrichloräthan z.B. zum Ätzen von Uraniumdioxid oder Plutoniumdioxid. Die genannten Inertgase können auch in Verbindung mit den reaktiven Gasen die Kammeratmosphäre bilden. Als Mischungs- partner kommen ferner Sauerstoff und Wasserdampf in Betracht.
Zur Dekontamination von mit Plutonium verunreinigten Oberflächen von Brennstäben wird vorzugsweise Argon in Mischung mit den genannten fluorhaltigen Gasen verwendet.
Die Glimmentladung wird durch Anlegen eines elektrischen Wechsel- und/oder Gleichfeldes erzeugt. Vorzugsweise sollte der zu dekontaminlerende Festkörper gleichzeitig ein negatives Potential erhalten.
Eine weitere Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zusätzlich zu dem Wechsel- und/oder Gleichfeld ein konstantes Magnetfeld angelegt wird. Die Richtung des Magnetfeldes sollte so ausgewählt sein, daß die bei der Glimmentladung gebildeten Elektronen eine maximale Lorentzkraft erfahren und zu der Oberfläche des zu dekontaminierenden Gutes abgelenkt werden.
Bei der Dekontamination von in Längsrichtung in der Kammer angeordneten Festkörpern, z.B. von Brennstäben, können die Einrichtungen, die das elektrische Feld erzeugen, über die Festkörper hinweggeführt werden oder das elektrische Feld wird stationär gehalten, während man den Festkörper durch das Feld hindurch transportiert.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß der Ätzangriff durch angeregte Gasteilchen nicht nur an den freiliegenden Außenflächen des dekontaminierten Gutes, sondern an allen dem Gas ausgesetzten Flächen erfolgt. Ferner handelt es sich um einen trocken ablaufenden physikalischen Prozeß, dessen Abfallprodukte in konzentrierter Form in einer Kühlfalle oder einem Pumpenöl anfallen. Falls das Reaktionsgefäß aus Kunststoff besteht oder damit ausgekleidet ist, reinigt sich dieses während des Betriebs durch gleichzeitige Ätzung von selbst.
Die Erfindung wird anhand von beiliegenden und lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 eine Vorrichtung, in der eine Glimmentladung mit Hilfe einer Induktionsspule erzeugbar ist; Figur 2 eine weitere Ausführungsform, bei der die Glimmentladung durch ein paar innerhalb der Kammer angebrachten Plattenelektroden erfolgt; Figur 3 eine Möglichkeit zur gleichzeitigen Anlegung eines Wechsel- und Gleichfeldes; Figur 4 eine mögliche Ausführungsform zur Dekontamination von elektrisch leitfähigen, länglich ausgebildeten Festkörpern und Figur 5 eine Anordnung zur Dekontamination, bei der die Festkörper den Produkten einer Gasentladung ausgesetzt werden.
In der in Figur 1 gezeigten Anordnung wird das zu dekontaminierende Gut 1 in eine zylindrische Kammer 2 aus einem nichtleitenden Material, z.B. Glas, gebracht, die über die Einlässe 3 mit einer Gasatmosphäre gefüllt werden kann. Die Einbringung des zu dekontaminierenden Gutes 1 in das Gefäß erfolgt durch eine hier nicht gezeigte oeffnung, welche nach der Einbringung und während der Glimmentladung abgedichtet ist.
Mit Hilfe einer Induktionsspule 4 wird nun ein Hochfrequenzfeld von etwa 1 MHz oder höher angelegt und die Glimmentladung für eine Dauer von 30 Sekunden bis 10 Stunden aufrechterhalten. Die Reaktionsprodukte können dann auf dem Weg zur Vakuumpumpe 5 mit einer hier nicht gezeigten Kühlfalle oder durch ein Absorbens aufgefangen werden. Mit verunreinigten Festkörpern mit länglicher Geometrie, wie z.B. 4 bis 5 m lange Brennstäbe mit ca. 1 cm Durchmesser ist es vorteilhaft, die Induktionsspule 4 entlang der Achse des zylindrischen Gefäßes 2 zu bewegen, um so mit der abtragenden Glimmentladung die gesamte zu dekontaminierende Oberfläche zu überstreichen. Es ist aber auch möglich, die Induktionsspule 4 stationär zu halten und das zu dekontaminierende, länglich ausgebildete Gut durch vakuumdicht schließende Dichtkörper in das Behandlungsgefäß hinein und durch eine ebensolche Einrichtung wieder heraus zu transportieren. Hierdurch kann auch eine wesentlich kompaktere Ausführung der Behandlungskammer ermöglicht werden.
Ein elektrisches Wechselfeld kann auch unter Verwendung von Elektroden angelegt werden, wie dies in Figur 2 gezeigt ist.
Auch in diesem Fall besteht das Reaktionsgefäß 2 aus einem an der Oberfläche isolierten oder elektrisch nichtleitenden Material, vorzugsweise aus Kunststoff. Die Anbringung der Gaseinlässe 3 bzw. der Pumpe 5 entspricht der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform. Das zu dekontaminierende Gut 1 befindet sich zwischen beiden plattenförmig ausgebildeten Elektroden 6 und 7, die in der Kammer 2 angeordnet sind. Die Eintrittsstellen 8 der Versorgungsleitungen in die Kammer werden entsprechend isoliert. Eine Glimmentladung kann sich bei Unterdruck mit einer Frequenz von 50 Hz bis ca. 3 GHz einleiten und aufrechthalten lassen. Die Plattenelektroden können bei Frequenzen von mehr als 1 MHz auch außerhalb der Kammer angebracht werden. Die Elektroden können auch zylinder- bzw. stabförmig sein. Auch bei dieser Ausführungsform, insbesondere bei außen angebrachten Elektroden, kann eine Einrichtung vorgesehen sein, die einen Transport der Elektroden entlang des zylindrischen Gefäßes gestattet, so daß bei in der Längsrichtung des Gefäßes angeordneten Festkörpern eine sukzessive Gasentladung entlang des Gefäßes erzeugt werden kann.
Bei der in Figur 3 dargestellten Vorrichtung wird in dem aus einem nichtleitenden Material angefertigten zylindrischen Gefäß 2 sowohl ein elektrisches Hochfrequenzfeld durch die Induktionsspule 4 als auch ein elektrisches Gleichfeld angelegt.
Zur Anlegung des elektrischen Gleichfeldes ist in dem Gefäß eine Elektrode 9 und eine Gegenelektrode 10 vorgesehen, wobei in diesem Fall die Elektrode 10 der elektrisch leitende, zu behandelnde Festkörper ist, der negativ gepolt wird. Die Elektrode 9 ist zylindrisch ausgebildet und mit schlitzfdrmigen Aussparungen 11 verstehen, damit das Hochfrequenzfeld in das Innere der Elektrode 9 eindringen kann.
Auch bei dieser Ausführungsform ist denkbar daß die Elektrode 9 beliebige Formen aufweist. Eine andere M6glichkeit, dem elektrisch leitenden Festkörper ein negatives Potential zu verleihen, besteht darin, daß dieser über einen Koppelkondensator mit einer geegneten Stelle des Hochfrequenzgenerators verbunden wird. Die Induktionsspule 4 wird auch in diesem Fall mit Hochfrequenz von mehr als ca. 1 MHz betrieben.
Alle Ausführungsformen können ferner mit einer entsprechenden Einrichtung versehen werden, um ein zusätzliches axiales Magnetfeld auf die Produkte der Gas entladung einwirken zu lassen. In diesem Fall müssen die zylindrische Kammer und die Elektroden aus einem nichtferromagnetischen Material angefertigt sein.
Ferner kann das Entladungsgefäß 2 aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein und selbst als eine Elektrode dienen. Diese Ausführungsform ist in Figur 4 dargestellt.
Als Gegenelektrode kann auch das zu dekontaminierende Gut, in diesem Fall der Brennstab 10, verwendet werden. In der dargestellten Ausführungsform wird das negative Potential des zu behandelnden Festkörpers 10 über einen Koppelkondensator 12 erzeugt. Die Betr,ebsfrequenz beträgt mehr als ca. 1 MHz.
Die oben erläuterten Variationsmöglichkeiten gelten auch für diese Ausführungsform.
Eine weitere Modifikation besteht ferner darin, einen eingeschobenen Metall zylinder anstelle der Kammerwandung als Elektrode zu verwenden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch durchführbar, wenn die Glimmentladung nicht direkt über dem zu dekontaminierenden Gut erzeugt wird, sondern der zu dekontaminierende Festkörper lediglich den gasförmigen Produkten einer solchen Glimmentladung ausgesetzt wird. Figur 5 zeigt eine solche Ausführungsform.
In dem Entladungsgefäß kann auch eine langsam rotierende Trommel oder eine Einrichtung vorgesehen sein, die kontaminierte Kleinteile aufnimmt und ständig umwälzt, damit die gesamte Außenfläche des Gutes der Glimmentladung ausgesetzt wird.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren zur Dekontamination von Pestkörpern mit an der Oberfläche gebundenden bzw. anhaftenden toxischen, insbesondere radioaktiven Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper in einem allseitig geschlossenen Gefäß bei Unterdruck und in einer inerten und/oder reaktiven Gasatmosphäre einer fortwährenden Glimmentladung von 30 Sekunden bis 10 Stunden Dauer oder den gasförmigen Produkten einer solchen Glimmentladung ausgesetzt wird, wobei die reaktiven Gase mit den toxischen Substanzen zu Verbindungen reagieren die unter den herrschenden Bedingungen flüchtig sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Inertgase Helium, Neon, Argon, Stickstoff und als reaktive Gase Kohlenmonoxid, Chlor oder chlorhaltige Gase wie Tetrachlorkohlenstoff, fluorhaltige Gase wie Tetrafluorkohlenstoff, Fluorwasserstoffs Hexafluoräthan, Hexafluorpropylen, Fluor-Chlor-Verbindungen wie Difluordichlormethan, Trichlormonofluormethan, Trifluortrichloräthan, gegebenenfalls in Mischung mit Sauerstoff oder Wasserdampf verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glimmentladung bei einem Druck von 10-5 bis 50 mbar, vorzugsweise 0,01 bis 1 mbar, und einer Temperatur von 15 bis 800 OC, vorzugsweise 25 bis 100 OC, durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Glimmentladung durch Anlegen eines elektrischen Wechsel- und/oder Gleichfeldes erzeugt wird und daß beim Anlegen eines Gleichfeldes der Festkörper ein negatives Potential erhält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstantes Magnetfeld in Bezug auf das elektrische Feld in einer solchen Richtung angelegt wird, daß die bei der Glimmentladung gebildeten Elektronen eine maximale Lorentzkraft erfahren.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei länglichen oder im Gefäß in der Längsrichtung angeordneten Festkörpern das elektrische Feld über die Festkörper hinweggeführt wird oder das elektrische Feld stationär ist, während die Festkörper durch das Feld hindurch transportiert werden.
7. Vorrichtung zur Dekontamination von Festkörpern mit an der Oberfläche gebundenen bzw. anhaftenden toxischen, insbesondere radioaktiven Substanzen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Entladungsgefäß besteht, das mit einer Einrichtung (4,6,7,9,10) zur Erzeugung eines elektrischen Wechsel- und/oder Gleichfeldes ausgestattet und mit Anschlüssen zur Einleitung (3) von Gasen und zur Evakuierung (5) sowie mit einer Öffnung zur Beschickung mit zu dekontaminierenden Festkörpern (1,10) versehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Erzeugung des elektrischen Feldes entlang des Entladungsgefäßes (2) verschiebbar angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht und sich innerhalb einer mit Hochfrequenz von mehr als 1 MHz betriebenen Spule (4) befindet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines zusätzlichen elektrischen Gleichfeldes innerhalb des Entladungsgefäßes (2) Elektroden (9,10) vorgesehen sind, vorzugsweise in Form von durchbrochenen Platten, Zylindern oder Stäben, wobei gegebenenfalls eine der Elektroden der zu dekontaminierende,elektrisch leitfähige Festkörper (10) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) aus einem elektrisch nichtleitenden Material besteht und zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes innerhalb oder außerhalb des Entladungsgefäßes Elektroden (6,7) vorgesehen sind, vorzugsweise in Form von Platten, Zylindern oder Stäben.
12. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht und in dem Entladungsgefäß zentral eine Elektrode (10) angebracht ist, wobei das elektrische Feld zwischen dieser Elektrode (10) und der Gefäßwandung (2) anlegbar ist
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der zu dekontaminierende Festkörper (10) elektrisch leitfähig ist, dieser zur Anlegung eines elektrischen Gleichfeldes als die negative Elektrode und zur Anlegung eines elektrischen Wechselfeldes als die Gegenelektrode verwendet wird.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der zu dekontaminierende Festkörper (10) elektrisch leitfähig ist, dieser mit einem Koppelkondensator (12) verbunden ist und dadurch eine negative Vorspannung erhält, wobei der Koppelkondensator (12) mit einem Hochfrequenzgenerator von mehr als 1 MHz Frequenz verbunden ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines konstanten Magnetfeldes Permanentmagnete und/oder Gleichstromspulen vorgesehen sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dekontamination von Reaktor-Brennstäben (10) das Entbdungsgefäß (2) zylindrisch ausgebildet ist und daß der Brennstab (10) durch das Entladungsgefäß (2) in axialer Richtung hochvakuumdicht hindurchführbar ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Entladungsgefäß (2) rotierbar ist oder eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der eine Umwälzung der Festkörper vorgenommen wird.