DE1444485C3

DE1444485C3 - Vorrichtung zur Reinhaltung von Kernreaktorkühlgasen

Info

Publication number: DE1444485C3
Application number: DE1444485A
Authority: DE
Inventors: Gottfried Dipl.-Chem.Dr. 8510 Fuerth Graemer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-03-20
Filing date: 1963-03-20
Publication date: 1975-07-10
Also published as: GB1043115A; DE1444485A1; DE1444485B2; US3658485A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinhaltung von Kernreaktorkühlgasen, wie Helium und Kohlendioxid, nach dem Oxydationsund Reduktionsprinzip unter Verwendung von Kupfer und kupferoxidhaltigen Teilchen. Es ist vielfach notwendig, die an technischen Verfahren beteiligten Gase zu reinigen, damit sie wieder weiterverwendet werden können. Dies ist insbesondere bei Kernreaktoranlagen der Fall, bei denen Gase, wie z. B. Helium oder Kohlendioxid, als Kühlmittel im Kreislauf zirkulieren. In solchen Gasen werden entweder Zersetzungsprodukte aus dem Reaktorkern, z.B. aus dem Graphitmoderator und/oder aus den Brennelementen, mitgeführt. Es können aber auch im Kühlgas selbst durch die Bestrahlung Zersetzungserscheinungen auftreten. Außerdem können im Kühlgas noch Veruneinigungen, wie z.B. Sauerstoff, vorhanden sein,,die bei der Herstellung nicht restlos entfernt werden können. Den Betrieb graphitmoderierter Reaktoren können z. B. Kohlenmonoxid und Sauerstoff stören.

Es war bisher üblich, zur Sauerstoffentfernung und zur Kohlenmonoxidrekombination jeweils zwei Filterbetten vorzusehen. Je eines davon war in Betrieb, die beiden anderen standen in Reserve bzw. wurden regeneriert. Wenn nur der im nachzuspeisenden Kohlendioxid vorhandene Sauerstoff entfernt werden mußte, betrugen die Standzeiten der Kupferoxidfilter zur Kohlenmonoxidentfernung etwa 100 Stunden, diejenigen der Kupferfilter zur Sauerstoffentfernung dagegen etwa 9000 Stunden. Nur beim ersten Anfahren eines Reaktors ist mit einem höheren Sauerstoffgehalt im Kühlgas zu rechnen, der durch die von den Wänden der Rohrleitungen bzw. von Einbauten desorbierte Luft bzw. durch unvollkommene Spülung mit dem Kühlgas verursacht wird. Im Anfahrzustand eines Reaktors wurde also im wesentlichen nur das Kupferbett, im Dauerbetrieb dagegen nur das Kupferoxidbett belastet.

Bei den verschiedenen Betriebszuständen werden also nur jedesmal die Hälfte der eingeschalteten Filterbetten genutzt. Zu diesen Nachteilen kommt aber noch hinzu, daß die Regenerierung der Kupferoxidbetten einen großen zusätzlichen Bedienungsaufwand

ίο erfordert und etwa 20 Stunden benötigt. Daraus ist auch ersichtlich, daß unter Umständen beim vorzeitigen Versagen eines eingesetzten Filterbettes kein fri- I sches Filterbett als Ersatz zur Verfügung steht, so daß zur Vermeidung eines derartigen Engpasses die Bereitstellung eines dritten Filterbettes aus Sicherheitsgründen als dringend notwendig erscheint.

Dieser Stand der Technik ergibt sich auch aus der USA.-Patentschrift 25 82 885 sowie der britischen Patentschrift 7 28 405, aus denen die Verwendung von Kupfer und Kupferoxid für die Gasreinigung auf anderen technischen Gebieten zu entnehmen ist. Aus dem Aufsatz »Feinreinigung von Gasen mit einem hochaktiven Kupferkatalysator« in der Zeitschrift Angewandte Chemie, 1958, Nr. 22/23,'ist ein neuartiger kupferhaltiger Katalysator zu entnehmen, der aber auch ständig in Abständen regeneriert werden muß.

Wie bereits erwähnt, sind intermittierende Betriebsweisen für die Praxis unbequem und auch unwirtschaftlich, so daß sich die Aufgabe stellt, eine Vorrichtung zu finden, die einen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht.

Diese Aufgabenstellung wird erfüllt von einer Vorrichtung, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch ein bei Temperaturen von 150 bis 800° C betriebenes, in einem temperaturbeständigen Behälter untergebrachtes Filterbett, das auf der ganzen Gaseintrittsseite aus einer Schicht einer Mischung aus Kupfer und kupferoxidhaltigen Teilchen und auf der Gasaustrittsseite einer wesentlich niedrigeren und damit volumenmäßig kleineren Schicht aus nur kupferhaltigen Teilchen besteht, sowie ein Gasprüfgerät, das in Höhe der Grenze aus beiden Schichtungen an das Filterbett angeschlossen und mit Stelleinrichtungen für die dosierte Zufuhr von Sauerstoff und/oder Kohlenmonoxidgas und/oder Wasserstoffgas auf der Eingangsseite des Filterbettes zur automatischen Konstanthaltung der Gaszusammensetzung ausgerüstet ist.

Die Filterteilchen bestehen dabei vorteilhafterweise aus porösen Sinterkörpern, z. B. in Tabletten- oder Kugelform aus Kupfer und/oder Kupferoxid, die eine sehr große aktive Oberfläche aufweisen. Dieser Aufbau des Filterbettes gewährleistet eine große Kapazität und mechanische Stabilität, insbesondere aber auch noch seine Verwendbarkeit bei sehr hohen Drücken. Regenerationsabgase und/oder Kondensationsprodukte, die eventuell radioaktiv sein könnten, fallen nicht an. Vielmehr findet während des Betriebes gleichzeitig laufend eine Regenerierung des Filterbettes statt, so daß sich diese Vorrichtung durch eine große Betriebssicherheit, eine stete Einsatzbereitschaft und durch einen nur minimalen Wartungsaufwand auszeichnet.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß sich diese Vorrichtung nicht nur zur Rekombination von Kohlenmonoxid und Beseitigung von Sauerstoff, sondern auch zur Rekombination von durch Radiolyse ent-

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standenen Gasen, wie Sauerstoff und Wasserstoff, duzierten Filterteilchen wieder zu Kupferoxid oxyeignet. Letzterer Fall ist besonders interessant für diert. Auch in diesem Fall wird der Gasreinigungsschwerwassermoderierte Reaktoren, deren normaler- Vorgang durch das Gasprüfgerät 8 überwacht und geweise aus Helium bestehendes Schutzgaspolster stan- steuert. An Stelle von Kohlenmonoxid und Sauerstoff dig von solchen Radiolyseprodukten gereinigt werden 5 wird in diesem Fall natürlich Wasserstoff und Sauermuß, stoff, deren Menge vom Gasprüfgerät dosiert wird,

Zur näheren Veranschaulichung und zum besseren zugespeist.

Verständnis der Funktion dieser Vorrichtung wird Manchmal besteht die Forderung, daß ein Teil der

auf die Zeichnung verwiesen. Innerhalb des Behäl- Beimengungen bei der Reinigung nicht vollständig

ters 2 befindet sich das Filterbett, das aus den Berei- io aus dem Gas entfernt wird, z. B. Kohlenmonoxid aus

chen 3 und 4 besteht. Der Bereich 3 enthält eine Kohlendioxid. In solchen Fällen wurde früher die

Mischung von Kupfer und kupferoxidhaltigen Teil- Anlage zeitweise abgeschaltet. Bei der erfindungs-

chen, der Bereich 4 lediglich Kupferteilchen. Das zu gemäßen Vorrichtung wird dagegen zu diesem Zweck

reinigende Gas wird von oben über die Leitung 5 dem am Gasprüfgerät eine entsprechende Einstellung vor-

Behälter 2 zugeführt und über die Leitung 6 nach 15 genommen, so daß das Gleichgewicht zwischen Kup-

unten wieder abgezogen. Im Grenzbereich der Zo- fer und Kupferoxidteilchen nach der einen oder an-

nen 3 und 4 befindet sich eine Gasentnahmevorrich- deren Seite verschoben wird und also z. B. keine voll-

tung 7, die einen kleinen Anteil des gereinigten Gases ständige Rekombination des Kohlenmonoxids mehr

zum Gasprüfgerät 8 leitet. Dieses Gasprüfgerät steht erfolgen kann. Es ist also möglich, durch einfache

in Wirkverbindung mit den Regelventilen 81 und 82 20 Vorwahl des Reinigungsgrades am Gasprüfgerät die

in den Leitungen 51 und 52, die in die Leitung 5 ein- Zusammensetzung des das Filterbett 2 verlassenden

münden und je nach den Feststellungen des Gasprüf- Gases genau einzuregulieren.

gerätes 8 Zusatzgase 9 und 10, die z. B. Kohlen- Das Filterbett kann dabei etwa eine .Länge von

monoxid und Sauerstoff bzw. Wasserstoff und Sauer- 150 cm und einen Durchmesser von 40 cm besitzen,

stoff sein können, dem zu reinigenden Gas zuführen. 25 Zur weiteren Beurteilung des Verfahrens sei erwähnt,

Die Schicht 4 des Filterbettes ist praktisch am nor- daß die Gasgeschwindigkeit, bezogen auf den leeren

malen Reinigungsprozeß im Filterbett nicht beteiligt Behälter, etwa 10 bis 20 cm/sec beträgt, was bei dem

und hat lediglich die Aufgabe, einen eventuell noch genannten Abmessungsbeispiel eine Verweilzeit des

vorhandenen Sauerstoffüberschuß bis zum Eintritt Gases im Filterbett zwischen 15 und 7,5 Sekunden

der Regelwirkung durch das Gasprüfgerät 8 mit 30 mit sich bringt. Die Gasreinigung geht also sehr rasch

Sicherheit zu beseitigen. vor sich, wobei zudem ein sehr hoher Wirkungsgrad

Die Gasreinigung läuft nun etwa folgendermaßen erreicht wird,

ab: ' So wurde z. B. gemessen, daß bei einem anfäng-

Das zu reinigende Gas sei das Kühlgas eines Kern- liehen Sauerstoffgehalt von 600 vppm im Kohlenreaktors, also z. B. Kohlendioxid. Im Anfahrzustand 35 dioxid die Umsetzung desselben bis zur Nachweisliegt, wie bereits erwähnt, nur ein sehr geringer Ge- grenze von etwa 10 vppm geführt werden konnte, halt von Kohlenmonoxid im Kühlgas vor, dagegen ist d. h., daß im gereinigten Gas kein Sauerstoffgehalt der Sauerstoffgehalt verhältnismäßig hoch. Dieser mehr festgestellt werden konnte. Die gleichen VerSauerstoff wird im Filterbett von den Kupferteilchen hältnisse herrschten bei Kohlenmonoxid, dessen Angebunden, deren Oberfläche in Kupferoxid übergeht. 40 fangsgehalt etwa 1200 vppm betrug. Die bei diesen Sollte die Kapazität des Filterbettes nicht ausreichen, Messungen verwendeten Sinterkörper lagen dabei fast diesen Sauerstoffgehalt restlos aufzunehmen, was vollständig in der Oxidform vor, trotzdem ergab sich automatisch durch das Gasprüfgerät 8 ermittelt wird, eine einwandfreie Wirkung. Die Betriebstemperatur so wird von diesem das Regelventil 81 geöffnet und betrug 200° C bei einem Druck von 1 atü. Daraus zusätzlich Kohlenmonoxid in den Kühlgasstrom zu- 45 geht hervor, daß diese Reinigungseinrichtung verdosiert. Dadurch wird ein Teil der Kupferoxidteilchen hältnismäßig einfache und infolgedessen ebenfalls zu Kupfer reduziert bzw. das Kohlenmonoxid zu einfach und wenig störanfällig ist. Durch den gleich-Kohlendioxid oxydiert. Somit steht eine vermehrte zeitigen Ablauf des eigentlichen Gasreinigungspro-Kupferoberfläche zur Beseitigung des Sauerstoffes im zesses und des Regenerierungsvorganges ist auch eine Kühlmittel zur Verfügung. Im Dauerbetrieb ist dieser 50 Erschöpfung nicht zu befürchten, so daß mit einer so übermäßige Gehalt von Sauerstoff nicht mehr vor- langen Lebensdauer gerechnet werden kann, daß handen, es überwiegt der Gehalt an Kohlenmonoxid. keine regelmäßigen Austauscharbeiten vorgenommen Es wird daher in diesem Betriebszustand notwendig zu werden brauchen. Besonders vorteilhaft ist, daß sein, unter Umständen laufend geringe Mengen von keine Restgase, die unter Umständen auch radioaktiv Sauerstoff zuzuführen, was ebenfalls von dem Gas- 55 sein können, ins Freie gelangen können, da alle, auch prüfgerät 8 über das Regelventil 82 automatisch ge- die zugeführten Anteile, im Gasstrom verbleiben,
steuert wird. Auf diese Weise wird für jeden Betriebs- Selbstverständlich können außer den genannten zustand des Reaktors ein ausgewogenes Gleichgewicht auch andere Gase gereinigt werden, wenn es sich bei zwischen Kupfer- und Kupferoxidteilchen im Filter- den abzuführenden Produkten um Wasserstoff, Kohbett aufrechterhalten. Es laufen also, mit anderen 60 lenmonoxid oder Sauerstoff handelt. Bei graphit-Worten, die Vorgänge zur Gasreinigung und zur FiI- moderierten Kernreaktoren und Edelgasen als Kühlterbettregenerierung parallel und gleichzeitig neben- mittel kann z. B. ebenfalls Kohlenmonoxid auftreten, einander ab. Aber auch bei wassermoderierten und gasgekühlten

In ähnlicher Weise läuft die Reinigung von Gasen Kernreaktoren besteht durch Undichtigkeiten die ab, in denen Radiolyseprodukte von Wasserstoff und 65 Möglichkeit, daß im Kühlgas Wasserstoff und Sauer-Sauerstoff vorkommen. In diesem Fall reduziert der stoff auftreten, die in gleicher Weise wie Kohlen-Wasserstoff die Kupferoxidteilchen und oxydiert da- monoxid und Sauerstoff beseitigt werden. Daraus geht bei selbst zu Wasser, während der Sauerstoff die re- hervor, daß sich die Verwendung der erfindungsgemä-

ßen Vorrichtung nicht auf die genannten Beispiele beschränkt und vielmehr sinngemäß auch für andere Verhältnisse gilt, wie sie vielleicht auch bei der Weiterentwicklung der Reaktotechnik an Bedeutung gewinnen können.

In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es mit den beschriebenen Einrichtungen möglich ist, in einem Arbeitsgas wie CO₂ enthaltene Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Methan, in CO₂ und Wasser zu zerlegen und den Gaskreislauf damit zu reinigen. In diesem Falle beträgt die Arbeitstemperatur dann etwa 800° C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Reinhaltung von Kernreaktorkühlgasen, wie Helium und Kohlendioxid, nach dem Oxydations- und Reduktionsprinzip unter Verwendung von Kupfer und kupferoxidhaltigen Teilchen, gekennzeichnet durch ein bei Temperaturen von 150 bis 800° C betriebenes, in einem temperaturbeständigen Behälter untergebrachtes Filterbett, das auf der ganzen Gaseintrittsseite aus einer Schicht einer Mischung aus Kupfer und kupferoxidhaltigen Teilchen und auf der Gasaustrittsseite einer wesentlich niedrigeren und damit volumenmäßig kleineren Schicht aus nur kupferhaltigen Teilchen besteht, sowie ein Gasprüfgerät, das in Höhe der Grenze aus beiden Schichtungen an das Filterbett angeschlossen und mit Stelleinrichtungen für die dosierte Zufuhr von Sauerstoff und/oder Kohlenmonoxidgas und/oder Wasserstoffgas auf der Eingangsseite des Filterbettes zur automatischen Konstanthaltung der Gaszusammensetzung ausgerüstet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus porösen Kupfer- bzw. Kupferoxidsinterkörpern bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen aus Keramikkörpern mit aufgedampften Kupfer- bzw. Kupferoxidschichten bestehen.