DE3930420C1

DE3930420C1 - Radioactive waste tritium sepn. - by flushing in gas flow with oxygen, heating and passing tritium through water

Info

Publication number: DE3930420C1
Application number: DE19893930420
Authority: DE
Inventors: Dirk Dipl.-Ing. 3042 Munster De Wolf
Original assignee: Bundesministerium der Verteidigung
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-09-12
Filing date: 1989-09-12
Publication date: 1990-11-22
Anticipated expiration: 2009-09-13

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausscheidung von Tritium aus radioaktiven Abfällen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Der Hintergrund der Erfindung ist die unwirtschaftliche Be seitigung von radioaktiven Abfällen in Form von Leuchtskalen, -armaturen und -hinweisen. Derartige Abfälle in kosten trächtigen Abfallgebieten in Salzstöcken endgelagert werden, da derartige Abfälle als "unspezifiziertes Tritium" gelten.

Durch die EP-OS 02 04 634-A1 ist ein Enttritiumisierungsver fahren für radioaktive Abfälle in Form von metallenen Apparate teilen aus Kernkraftwerken bekanntgeworden. Die mit Tritium kontaminierten Behälter, Rohre, Ventile werden hierbei ge schmolzen, wodurch die in der Abfallmasse enthaltenen Gase ausgeschieden und von einem Gasstrom aufgenommen werden. Das hierin enthaltene Tritium wird nach dessen Oxidation in Mole kularsieben absorbiert. Hierdurch werden kompakte, leicht zu entsorgende Schmelzbarren erzeugt, deren Tritiumgehalt be trächtlich reduziert ist.

Die EP-OS 03 07 306-A1 beschreibt ein Verfahren zur Behandlung von mit Tritiumwasser kontaminierten organischen Feststoffab fällen, welche in Form von Handschuhen oder Kartonschachteln in Kernkraftwerken anfallen. Die radioaktiven Abfälle werden mit Wasserdampf in Berührung gebracht, wodurch ein Teil des in den Abfällen enthaltenen Tritiumwasser extrahiert wird. Der somit mit Tritiumwasser angereicherte Wasserdampf wird kondensiert und der Entsorgung zugeführt.

Die US-PS 42 79 875 zeigt eine Möglichkeit zur Ausscheidung von Tritium aus bestrahlten Kernbrennstofftabletten. Bei diesem Ver fahren oxidiert man die Brennstofftabletten mit Hilfe von Stick oxiden, bis der Brennstoff zu einem feinen Pulver zerfallen ist. Mit dem Zerfall des Brennstoffes erzielt man die Freisetzung des eingeschlossenen Tritiums.

Die DE-OS 31 27 132 betrifft die Entsorgung von radioaktiven, organischen Abfallstoffen vermischt mit radioaktivem Wasser. Derartige radioaktive Abfälle fallen typischerweise bei Rei nigungsoperationen an Kühlsystemen von Kernreaktoren an. Das Ver fahren sieht vor, daß man die o. g. radioaktiven, organischen Abfallstoffe mechanisch zerkleinert, um so eine Suspension von durch radioaktive Substanzen kontaminierten, organischen Ma terialien in kontaminiertem Wasser zu erzielen. Unter hohem Druck, hohen Temperaturen unter Zugabe von Sauerstoff läßt man die organischen Abfallstoffe oxidiert. Durch das Entweichen der Verbrennungsgase (z. B. CO₂) und durch teilweises Verdampfen von Wasser erzielt man einen kompakten, leicht entsorgbaren, radioaktiv angereicherten Schlamm, bestehend aus dem verblei benden Anteil an Wasser, radioaktiven Substanzen und Resten an organischen Materialien.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zwecks kostengünstiger Entsorgung Tritium derart aus radioaktiven Abfällen auszu scheiden, daß die Abfälle nahezu vollständig vom Tritium befreit werden, und daß das ausgetretene Tritium nach dessen Oxidation auf einfache Art und Weise absorbiert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 vor geschlagene Verfahren und die hierfür entwickelte Vorrichtung entsprechend dem Anspruch 8 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die weitestgehendst von Tritium befreiten Abfälle aufgrund sehr niedriger Kontaminationswerte ohne Sonderbe handlung gelagert werden können.

Mit der Einperlung des Gases von unten in einer Wassersäule er reicht man, daß einfach und kostengünstig der überwiegende An reil des Tritiumwassers aus dem Gasstrom absorbiert wird.

Das Wasser der Wassersäule mit dem darin angesammelten Tritium wasser kann anschließend durch Zugabe von Zement als Kristall wasser gebunden werden und als "spezifizierte Tritium" in dichte Behälter in konzentrierter Form endgelagert werden.

Durch die gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver fahrens aufgezeigten Merkmalen des Anspruches 2 wird ein vor teilhafter Temperatur-Zeitablauf aufgezeigt, der ein schnelles und nahezu vollständiges Entweichen des Tritiums gewährleistet, ohne daß bei nichtmetallischen Abfällen, wie z. B. bei Farben oder Kunststoffen, diese schnell verbrennen und durch die hier bei entstehenden Rauchgase die Anlage verschmutzen.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 3 zeigen eine kostengünstige Möglichkeit für die Umwandlung des Tritiums zu Tritiumwasser, da bei der vorgegebenen Temperatur die Oxidation ohne einen teuren Katalysator abläuft.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 4 lösen auf ein fache, aber sichere Weise die Aufgabe, das Tritiumwasser nahezu vollständig aus dem Gasstrom zu absorbieren.

Durch die Zugabe von Propanol gemäß dem Unteranspruch 5 ver ringert sich beim Einperlen der Gasblasendurchmesser, wodurch das Tritiumwasser des Gasstromes leichter von der Wasserläule aufgenommen wird.

Durch die Spülung mit getrockneter Luft gemäß den kennzeich nenden Merkmalen des Anspruchs 6 erreicht man, daß die Luft feuchtigkeit des Gasstromes nicht den Flüssigkeitsstand der Wassersäule und somit die Abfallmenge erhöht.

Die Spülung mit einem Wasserstoff enthaltenden Gas vor Beginn des Verfahrens zur Ausscheidung von Tritium gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 bewirkt, daß die Anlagenteile für alle Wasserstoff- und Wasserreaktionen abgesättigt sind, so daß radioaktives Tritium sich nicht in der Anlage anreichert.

Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 8 beschreiben die apparative Ausgestaltung der Vorrichtung zur Ausscheidung von Tritium und radioaktiven Abfällen. Eine vorteilhafte Ausge staltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 8 zeigt der Anspruch 9, welcher die Gaszuführungsapparatur weiter aus bildet.

Beispielhaft wird die Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Ausscheidung von Tritium in Funktionseinheiten schematisch dargestellt,

Fig. 2 eine Gaszuführungsapparatur als Skizze,

Fig. 3 ein heizbares Reaktionsrohr als Skizze im Schnitt,

Fig. 4 eine Tritiumabsorptionsapparatur, Pumpenanlage und Ablufteinrichtung als Skizze.

Die Fig. 1 zeigt schematisch dargestellt zunächst eine Gaszu führungsapparatur 10, wobei der zur Spülung notwendige Gasstrom aufbereitet und gemessen wird. Über 12 wird Umgebungsluft mit darin enthaltenem Sauerstoff angesaugt. Vor dem Bestücken der Anlage mit radioaktiven, nichtmetallischen Abfällen kann zu sätzlich zur Luft über 11 Wasserstoff zugegeben werden, um die Anlage für Wasserstoffreaktionen abzusättigen. Der so aufbe reitete Luftstrom gelangt zum heizbaren Aufnahmebehälter 20, in dem die radioaktiven Abfälle mehrere Stunden auf 300°C-600°C erhitzt werden. Der heizbare Aufnahmebehälter 20 ist als gas dichter Ofen ausgeführt.

Durch dieses vorsichtige Erhitzen oxidiert und zersetzt sich selbst radioaktive, nichtmetallische Abfälle in Form von Kunst stoffen oder Farben ohne größere Rauchbildung, wobei aber nahezu vollständig das Tritium aus den Abfällen entweicht und vom Luft strom aufgenommen wird. Um trotz der geringen Rauchbildung ein Verschmutzen der Anlage auszuschließen, wird zusätzlich im Auf nahmebehälter selbst oder im Anschluß daran der Luftstrom mittels Steinwolle gefiltert.

Über die Schlauchleitung 29 gelangt der mit Tritium angerei cherte Luftstrom zum Reaktionsrohr 30, in dem Tritium zu Tritiumwasser oxidiert wird. Diese physiko-chemische Reaktion ermöglicht die Absorption und somit eine Endlagerung des Tritiumwassers. Der Luftstrom mit dem darin dampfförmig ent haltenen Tritiumwasser gelangt über die Schlauchleitung 39 zur Tritiumabsorptionsapparatur 40, in der Tritiumwasser aus dem Gasstrom absorbiert wird.

Über die Schlauchleitung 49 gelangt der nahezu tritiumfreie Luftstrom zur Pumpe 50, welche für den nötigen Gasdurchsatz und für den nötigen Unterdruck in der Anlage sorgt, damit bei Un dichtigkeit der Anlage kein Tritium entweichen kann. Bevor der Luftstrom über die Schlauchleitung 59 ins Freie gelangt, wird mittels eines Tritiummonitors 60 der Rest-Tritiumgehalt im Luft strom gemessen und registriert.

Die Fig. 2 zeigt eine Gaszuführungsapparatur in ihren Einzel heiten. Über den Trichter 14 wird Umgebungsluft 12 angesaugt. Zwecks Absättigung für Wasserstoffreaktionen kann zusätzlich Wasserstoff 11 zur Dosierung zunächst über ein Einperlgefäß 13 zur Trichteröffnung des Trichters 14 geleitet werden. Das Rota meter 15 zeigt den Gasdurchfluß an. Zum Trocknen des Gasstromes dienen zwei Gaswaschflaschen 16 und 17, wobei die erste Flasche beispielsweise mit Blaugel und die zweite Flasche mit einem Molekularsieb gefüllt sind. Durch die Wahl von zwei Gaswasch flaschen besteht die Möglichkeit, daß bei Erschöpfung einer Flasche diese ausgewechselt werden kann, während die andere Flasche die Lufttrocknung übernimmt. Sowohl das Blaugel, als auch das Molekularsieb kann leicht regeneriert werden durch Erhitzen in einem Ofen, wodurch die Feuchtigkeit ausgetrieben wird. Als Unterdruckanzeige 18 dient ein mit Öl gefülltes U-Rohr, das in einem Auffangbehälter steht. Damit kann die Unterdruckanzeige gleichzeitig als Überdrucksicherung genutzt werden.

Die Fig. 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines heizbaren Re aktionsrohres 30. Bei dieser Ausführung steckt das Reaktions rohr 31 in einem Ofen mit einer elektrischen Heizung 32. Die Betriebstemperatur von ca. 1000°C läßt keinen direkten An schluß von Schlauchverbindungen 29 und 39 an das aus Edelstahl rohr gefertigete Reaktionsrohr 31 zu. Aus diesem Grund wird der Übergang mittels eines schlechten Wärmeleiters in Form von Glas anschlüssen 33 und 34 hergestellt. Zur Abdichtung sind das Re aktionsrohr 3 und die Glasanschlüsse 33 und 34 über plange schliffene, mit hitzebeständigem Fett behandelte Dichtflächen 37 und 38 miteinander verbunden. Mittels Schraubenfedern 35 und 36 werden die Glasanschlüsse 33 und 34 angeklemmt. Wichtig für die Auslegung des heizbaren Reaktionsrohres sind die Parameter wie z. B. Temperatur, Gasdurchlaß, Länge und Querschnitt des Re aktionsrohres, damit das Tritium vollständig zu Tritiumwasser oxidiert.

Die Fig. 4 zeigt in detaillierter Form zunächst die Tritiumab sorptionsapparatur 40. Über die Schlauchleitung 39 gelangt der mit Tritiumwasserdampf angereicherte Luftstrom zwecks Erzeugung kleiner Gasbläschen über einen Siebboden 42 in die Wassersäule des Waschturmes 41. Beim Hochsteigen der Glasbläschen kühlen diese ab und geben das Tritiumwasser-Kondensat an die Wasser säule ab. Um das Tritiumwasser möglichst vollständig an die Wassersäule abzugeben, sind folgende Punkte zu beachten:

- Die Wassersäule muß hoch genug gewählt werden, damit die Tri tiumwasser-Moleküle genügend Zeit haben, in die Wassersäule überzugehen.
- der Gasblasendurchmesser muß möglichst klein gewählt werden. Dies kann zunächst durch die Wahl eines geeigneten Sieb bodens 42 mit einer entsprechenden Porengröße geschehen und außerdem durch Zumischung von Propanol ins Wasser des Wasch turmes 41.
- Die Temperatur muß niedrig gewählt werden, damit möglichst hohe Mengen an Kondensat anfallen. Hierzu wurde eine Kühl strecke 44 unmittelbar im Anschluß an den Waschturm 41 einge baut, wobei das entstehende Kondensat zurück in den Wasch turm 41 läuft.

Um das restliche Tritiumwasser nahezu vollständig aus dem Luftstrom zu absorbieren, werden zur Lufttrocknung Gaswasch flaschen 45 und 46 eingesetzt, welche wie bei der Gaszuführungs apparatur beispielsweise mit Blaugel und Molekularsieb gefüllt sein können. Das mit Tritiumwasser belastete Blaugel und Mole kularsieb kann in der Vorrichtung selbst regeneriert werden. Hierzu wird die in der Gaszuführungsapparatur getrocknete Luft erhitzt und in das beispielsweise zu regenerierende Blaugel ge leitet, wodurch dessen Feuchtigkeit entzogen wird. Der so ange feuchtete und tritiumwasserhaltige Luftstrom wird anschließend über den Waschturm 41 und über die verbleibende Gaswaschflasche geleitet. Als nächste Funktionseinheit schließt sich die Pump anlage 50 an, welche aus einer Durchflußregelung 52 und einer Pumpe 51 besteht. Geeignet ist ein Regelventil mit Bypass in Verbindung mit einer Membranpumpe. Bevor der Luftstrom ins Freie abgegeben wird, wird mittels eines Tritiummonitors 60 der Rest- Tritiumgehalt im Luftstrom gemessen und registriert.

Bezugszeichenliste:

10 Gaszuführungsapparatur
11 Zufuhr von Wasserstoff
12 Zufuhr von Luft
13 Einperlgefäß
14 Trichter
15 Rotameter
16 Gaswaschflasche mit Blaugel
17 Gaswaschflasche mit Molekularsieb 18 Unterdruckanzeige und Überdrucksicherung
19 Schlauchverbindung
20 heizbarer Aufnahmebehälter
29 Schlauchverbindung
30 heizbares Reaktionsrohr
31 Reaktionsrohr
32 Heizung
33, 34 Gasanschluß
35, 36 Feder
37, 38 Dichtflächen
39 Schlauchverbindung
40 Tritiumabsorptionsapparatur
41 Waschturm
42 Siebboden
44 Kühlstrecke
45 Gaswaschflasche mit Molekularsieb
46 Gaswaschflasche mit Blaugel
49 Schlauchverbindung
50 Pumpanlage
51 Pumpe
52 Durchflußregelung
59 Schlauchverbindung
60 Tritiummonitor

Claims

1. Verfahren zur Ausscheidung von Tritium aus radioaktiven Abfällen,

a 1) wobei man unter Spülung mit einem Gasstrom und unter Unterdruck:
b 1) die radioaktiven Abfällen erhitzt, wodurch Tritium aus den Materialien entweicht und vom Gasstrom auf genommen wird,
c 1) das ausgetretene Tritium zu Tritiumwasser oxidiert,
d 1) das Tritiumwasser aus dem Gasstrom absorbiert und anschließend den Gasstrom ins Freie leitet,

dadurch gekennzeichnet, daß

a 2) der Gasstrom zur Spülung Sauerstoff enthält, wobei man im Verfahrensschritt:
b 2) die radioaktiven Abfälle bei 300-600°C über mehrere Stunden hinweg erhitzt,
d 2) das Tritiumwasser aus dem Gasstrom absorbiert, wo bei man zumindest eine Stufe vorsieht, in der man das Gas in Form von kleinen Gasbläschen von unten in eine Wassersäule einperlt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

b 3) daß man im Verfahrensschritt b 2) des Anspruches 1 die radioaktiven Abfälle zunächst 8 Stunden lang auf 350°C erhitzt
b 4) und anschließend die Abfälle 3 Stunden lang auf 500°C erhitzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

c 2) daß man im Verfahrensschritt c 1) des Anspruches 1 das Tritium zu Tritiumwasser oxidiert durch Erhitzung des Gasstromes auf 1000°C

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

d 3) daß man im Verfahrensschritt d 2) des Anspruches 1: vor oder hinter dem Einperlen den Gasstrom abkühlt und das Kondensat in die Wassersäule leitet
d 4) oder die Wassersäule selbst abkühlt,
e) anschließend in einer nachgeschalteten Stufe den Gas strom trocknet durch wasserbindende Chemikalien und/oder durch ein Molekularsieb

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

d 5) daß im Verfahrensschritt d 2) des Anspruches 1 das in der Wassersäule enthaltene Wasser 0,5%-1% Propanol enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

a 3) daß man die Spülung mit einem Sauerstoff enthaltenden Gasstrom mit getrockneter Luft durchführt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

a 4) daß man vor Beginn des Verfahrens zur Ausscheidung von Tritium eine Spülung mit einem Wasserstoff enthaltenden Gas vornimmt.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den An sprüchen 1 bis 7, bei der die Vorrichtung aus folgenden, zwecks Leitung des Gasstromes über Rohrleitungen miteinander verbundenen Ein heiten besteht:

f 1) einer Gaszuführung,
g 1) einem gasdichten heizbaren Aufnahmebehälter für die radioaktiven Abfälle,
h 1) einer Oxidationseinrichtung zur Oxidation des Tritiums,
i 1) einer Tritiumabsorptionsapparatur mit einem Molekular sieb,
j 1) einer Pumpe zur Erzeugung des Unterdruckes

dadurch gekennzeichnet, daß bei der Vorrichtung:

f 2) die Gaszuführung als Gaszuführungsapparatur (10) zur Aufbereitung und Messung des Sauerstoff enthaltenden Gasstromes ausgelegt ist,
g 2) der Aufnahmebehälter (20) für die Aufnahme von nichtmetallischen, radioaktiven Abfällen geeignet ist,
h 2) die Oxidationseinrichtung als heizbares Reaktions rohr (30) ausgebildet ist,
i 2) die Tritiumabsorptionsapparatur (40) aus
- - einem Waschturm (41) zum Absorbieren des Tritium wassers mit einem darin enthaltenen Siebboden (42) zur Erzeugung kleiner Gasbläschen,
- - einer Kühlstrecke (44) für den Gasstrom, wobei das entstehende Kondensat in den Waschturm (41) läuft, und/oder eine Kühlung für den Waschturm,
- - einer oder mehrere Gaswaschflaschen (45, 45) mit wasserbindenden Chemikalien und/oder einem Molekular sieb zur Trocknung des Gasstromes besteht,
j 2) die Pumpe (51) für den notwendigen Gasdurchsatz sorgt, und daß
k 2) ein Tritiummonitor (60) zur Messung und Registrierung des Tritiumgehaltes vor dem Austritt des Gasstromes ins Freie angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungsapparatur (10) nach der Vorrichtungsein heit f 2) des Anspruches 8 aus

f 3) einem Einperlgefäß (13) zur Dosierung des Wasserstoffes zur Spülung vor Beginn des Verfahrens zur Ausscheidung von Tritium,
f 4) einem Trichter (14) zum Ansaugen von Luft und ggf. zwecks Spülung auch von Wasserstoff,
f 5) einem Rotameter (15) zur Messung des Gasdurchflusses,
f 6) einer Unterdruckanzeige (18) und
f 7) einer oder mehreren Gaswaschflaschen (16, 17) mit wasserbindenden Chemikalien und/oder einem Molekularsieb zur Trocknung des Gasstromes

besteht.