DE1514667A1

DE1514667A1 - Verfahren zur Rueckgewinnung von Borsaeure bei mit Borsaeure geregelten Kernreaktoranlagen

Info

Publication number: DE1514667A1
Application number: DE19661514667
Authority: DE
Inventors: Graemer Dr Rer Nat Gottfried; Kausz Dr-Ing Ivan
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-01-14
Filing date: 1966-01-14
Publication date: 1969-05-08
Also published as: ES335650A1; BE692529A; CH480709A; US3378450A

Description

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SIEMENS-SCHUCKERTWERKE Erlangen, 'den 1 3. JAH.

Aktiengesellschaft Werner-von-Siemena-Str. 50

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Dr. Expl.

Verfahren zur Rückgewinnung von Borsäure bei mit Borsäure geregelten Kernreaktoranlagen

Kernreaktoren werden durch Einbringen von neutronenabsorbierenden Materialien in den eigentlichen Reaktorkern geregelt und unter Kontrolle gehalten. Am einfachsten können diese Neutronenabsorber in Gestalt von Stäben angewendet werden. Die Bewegung dieser Regelstäbe wird durch charakteristische Kenngrößen der Reaktorleistung gesteuert, wobei die neutronenabsorbierenden Regelstäbe entsprechend der gewünschten Leistung in den Reaktorkern hinein oder aus ihm herausgefahren werden. Durch die Anwesenheit solcher

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Regelstäbe wird aber die Verteilung des Neutronenflusses im Kern des Reaktors nachteilig beeinflußt und verzerrt. Dies ist mit einem ungleichmäßigen Abbrand des Brennstoffes und damit einer Verminderung der praktischen Energieausbeute verbunden.

Durch eine gleichmäßige Verteilung des Neutronenabsorbers über den gesamten Reaktorkern kann der genannte Nachteil vermieden werden. Man ist daher schon in einzelnen Fällen dazu übergegangen, für verschiedene Regelfälle neutronenabsorbierende Stoffe (z.B. Borsäure) im Kühlmittel selbst zu lösen, also homogen zu verteilen. Durch entsprechende Erhöhung oder Absenkung der Neutronenabsorberkonzentration können dabei gleiche Wirkungen erreicht werden wie durch die Bewegung der Regelstäbe, Die Erhöhung der Konzentration bereitet keine technischen Schwierigkeiten, da dazu lediglich eine verhältnismäßig kleine Menge hochkonzentrierter Lösung ausreicht. Die Dosierung kann von der gewünschten Reaktorleistung abhängig gemacht werden.

Einer bestimmten Leistungsänderung entspricht also eine bestimmte Konzentrationsänderung in positiver oder negativer Richtung. Da die Konzentration im Kühlmittel selbst einige Größenordnungen niedriger liegt als in der für Konzentratioftserhöhungen vorbereiteten Lösung, muß bei Verdünnung eine wesentlich größere borierte Wassermenge dem Kühlmittel entzogen werden, als im umgekehrten Falle eingespeist wird. Die gleiche Menge Kühlmittel ohne Neutronenabsorber wird gleichzeitig dem System zugeführt. Das im Falle der Verdünnung ent-

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zogene Kühlmittel enthält in den meisten Fällen radioaktive Verunreinigungen, wodurch es nicht einfach beseitigt werden kann. Dem Abwasser müssen die Aktivitätsträger zuerst entzogen werden. Nach dem bisher angewandten Verfahren wird das Wasser bei einer Konzentration von z.B. über 2,5 g Borsäure pro 1 Liter Wasser nach Neutralisierung mit Natronlauge direkt verdampft. Bei Konzentrationen unter 2,5 g Borsäure pro 1 Liter Wasser wird der Neutronenabsorber durfch Ionenaustauscher entfernt, dessen Regenerat erst dann neutralisiert und eingedampft wird. Das entstandene Konzentrat enthält die radioaktiven Stoffe neben dem Neutronenabsorber und muß entweder in rostfreien Behältern für längere Zeit eingelagert oder durch Einbituminierung bzw. Einzementierung in festen Zustand gebracht und unter Kontrolle aufbewahrt werden. Im letzteren Fall tritt zudem noch eine

Volumenvergrößerung des Abfalls auf. Die· Lagerung der verhältnismäßig großen Menge aktiver Stoffe bereitet dabei erhebliche Schwierigkeiten und stellt einen beträchtlichen Kostenfaktor, verbunden mit einem erhöhten Betriebsrisiko, dar. So fallen z.B. bei einem Reaktor von ca. 300 MW el. Leistung jährlich etwa 12 t Borsäure, entsprechend 13 t neutralisierter Festsubstanz an. Nach der Einbituminierung ist mit einer Gesamtmenge von ca. 51 t jährlich zu rechnen, die gelagert werden muß.

Die vorliegende Erfindung vermeidet diese Nachteile in weitgehendem Maße una bezieht sich auf ein Verfahren zur Rückgewinnung von Eorsäure bei borsäuregeregelten Kernreaktoranlagen.

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Erfindungsgemäß durchströmt das mit. Borsäure durchsetzte Kühlmittel nach dem Durchlaufen des Reaktorkernes und einer zum

Heuptkreislauf parallelgeschalteten Reinigungsanlage eine zur Trennung eines Dampf-FlüssigkeitB-Gemisches geeignete Rektifikationskolonne (z.B. Bodenkolonne) an sich bekannter Konstruktion zur Aufkonzentrierung der Borsäure im Kühl- und/oder Moderatormedium, wird als Konzentrat in einer Nachreinigungsanlage erneut von insbesondere radioaktiven Verunreinigungen befreit und zwecks erneuter Zuführung zum Reaktor gleichfalls wie das Destillat in besonderen Behältern gesammelt. Für den Betrieb der Rektifikationskolonne ist dabei nur ein Rücklauf von etwa 1 $ des Durchsatzes notwendig, wobei die Konzentration der gewonnenen konzentrierten Borsäurelösung auf einen günstigen Wert, z.B. 12.$, eingestellt wird und das Destillat im Liter Wasser weniger als 0,01 mg Borsäure enthält. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß die wiedergewonnene Borsäure immer wieder aufs Neue für Regeizwecke dem Reaktor zugeführt werden kann. Da sich jedoch jedes Boratom B 10 mit dem Neutroneneinfang in das Isotop B11 verwandelt, das nicht mehr neutronenabsorbierend wirkt, wird die einmal vorhandene wirksame Borsäuremenge allmählich aufgebraucht und ist nicht mehr für Absorptionszwecke verwendbar. Wenn dieser Zeitpunkt erreicht ist, wir*d mit der zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehenen Einrichtung das Borkonzentrat wie üblich in einer Nachreinigungsanlage von der Hauptmenge an noch mitgeführten radioaktiven Verunreinigungen befreit und kann anschliessend wie ein inaktives Abfallwasser behandelt werden.

Dieses Verfahren sei nun an Hand der Figur näher erläutert.

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Die Figur zeigt als Beispiel ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens. Mit 1 ist der Kernreaktor, mit 3 seine Reinigungsanlage, mit 4 eine Rektifikationskolonne, mit 5 eine iTachreinigungseinrichtung, mit 6 ein Zwischenbehälter für borsäurehaltige Kreislaufwasser, mit 7 ein Vorrats- und Zwischenbehälter für gereinigtes Wasser, mit 2 ein Vorratsbehälter für 12 $ige Borsäurelösung und mit 8 ein Pufferbehälter zum Mischen der dem Reaktor zuzuführenden Lösung bezeichnet. Das Herzstück dieser ganzen Anordnung bildet dabei die Rektifikationskolonne 4, deren an sich bekannter Aufbau schematisch eingezeichnet ist.. Wie bereits eingangs geschildert, wurde bis jetzt die Borsäure vor dem Eindampfen der Lösung neutralisiert. Der Grund lag in der Wasserdampffluchtigkeit der Borsäure, die mit steigenden Konzentrationen in der Wasserphase zunimmt. Wird die Lösung nicht neutralisiert, so ist bei geringen Mengen im Zulauf zum Verdampfer dann keine Trennwirkung mehr gegeben, wenn der mit dem Dampf flüchtige Anteil genau dieselbe Borsäurekonzentration im Destillat ergibt, wie sie der Zulauf hat. Diese Verflüchtigung der Borsäure aus der einzudampfenden Lösung wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch verhindert," daß der gelöste Stoff vom Wasser in einer Bodenkolonne bekannter Konstruktion getrennt wird. Die Abtrennung erfolgt dadurch, daß auf den einzelnen Boden der Kolonne der aufsteigende Dampf durch abfließendes Wasser geleitet wird. Das in der Kolonne abfließende Wasser wird am oberen Enae, dem Kopf der Kolonne, durch teilweise Kondensation des im Kolonnenverdampfer erzeugten Dampfes gewonnen. Durch das stufenweise Auswaschen des Dampfes kann das Enddestillat bis auf einen Borgehalt unter 0,01 mg pro Liter Wasser

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abgereichert werden. Die gesamte Borsäure sammelt sich im Verdampfer, also auf der untersten Ebene der Kolonne, und kann von dort wieder in den Vorratsbehälter zur Weiterverwendung geleitet werden. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß fast das gesamte pro Zeiteinheit verdampfte Wasser als Destillat gewonnen werden kann, da der Rücklauf in der Kolonne nur etwa 1 i» zu betragen, braucht.

Der Kreislauf des Kühl- und/oder Moderatormediums zur Rückgewinnung der zugegebenen Borsäure läuft nun etwa folgendermaßen ab: Das Kühl- und Moderatprwasser befindet sich zunächst im Reaktor 1. Vom Behälter 2, der z.B. eine 12 ^ige Borsäurelösung enthält, wird mit einem geeigneten Regelsystem über den Pufferbehälter 8, der auch als Mischbehälter dient, Borsäure zudosiert, bis die gewünschte Borsäurekonzentration im Wasser erreicht ist. Wenn dieses Wasser nun dem Kernreaktor zu Regelzwecken zugeführt wird, wird ein Teil des darin befindlichen Wassers ver-

♦ drängt. Dieses, wie auch ein Teilstrom des ständig den Reaktor durchfließenden Kühlmediums wird im Normalfall über die Reinigungsanlage 5 geleitet und dort von Verunreinigungen weitgehend befreit. Soll nun Borsäure aus dem Wasser entfernt werden, so wird eine entsprechende Wassermenge hinter der Reinigungsanlage abgezogen und in einen Zwischenbehälter 6 oder direkt in die Destillationskolonne 4 geleitet. In dieser Destillations- oder Rektifikationskolonne 4 wird die Borsäure vom Wasser getrennt, das gereinigte Wasser wird dabei in den Vorratsbehälter 7 eingespeist. Die Borsäurelösung dagegen fließt vom Kolonnenfuß

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über eine Nachreinigungseinrichtung 5 in den Borsäurevorratsbehälter 2 zurück. In der Kolonne 4 wird das eingespeiste borsäure haltige Reaktorwasser unabhängig von der Ausgangskonzentration bis auf die Konzentration im Borsäurevorratsbehälter, in diesem Beispiel ca. 12 #,.. gebracht. Durch die starke Aufkonzentrierung werden auch die radioaktiven Korrosions-'und Spaltprodukte höher konzentriert, mit der Nachreinigung kann daher ein großer Teil dieser Produkte, die von der Kreislaufreinigungsanlage 3 wegen der dort noch sehr großen Verdünnung nicht mehr entfernt werden, der Lösung entzogen werden. Durch dieses Verfahren kann als» auch im Reaktorkreislauf die Radioaktivität noch zusätzlich gesenkt werden. Die in den Vorratsbehälter gelangende etwa 12 #ige Borsäurelösung kann solange für die Regelung des Reaktors weiterverwendet werden, bis sie so an Bor 10 verarmt ist, bzw. die einzusetzenden Mengen an nicht wirksamen Bor 11 so groß werden, daß die Lösung aus neutronenphysikalischen und aus Korrosionsgründen für den Reaktorbetrieb nicht mehr brauchbar ist. Wenn dieser Punkt erreicht ist, wir! die in der Kolonne 4 aufkonzentrierte Borsäurelösung über die Nachreinigungsanlage 5, in der sie wie bereits erwähnt, von den radioaktiven Verunreinigungen befreit wird, aus dem Kreislauf abgezogen und kann wie ein inaktives Abwasser behandelt werden. Auf diese Weis.e beschränkt sich der direkt aus dem Hauptkühlkreislauf stammende radioaktive Abfall praktisch ausschließlich auf die aus der Reinigungsanlage 3 und nach der Nachreinigungsanlage 5 anfallenden Ionenaustauscherharze. Diese jedoch können gegenüber den bisher bekannt gewordenen Verfahren in wesentlich kleineren Lagerbe-

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haltern aufbewahrt werden.

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Selbstverständlich kann zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch ein anderes Kreislaufschema angewendet werden. Auch kann jede andere Art von Rektifikationskolonne, die zur. Trennung eines Dampf-Flüssigkeits-Gemischee eingerichtet ist, benutzt werden. Bei dieser handelt es sich stets um bekannte Konstruktionen, so,daß auch im genannten Ausführungsbeispiel auf eine nähere Erläuterung desselben verzichtet werden, konnte. Abschließend sei noch erwähnt, daß sich.dieses Verfahren selbstverständlich nicht nur auf den genannten Reaktorbetrieb anwenden läßt, es ist vielmehr überall dort angezeigt, wo auf die Wiedergewinnung von an Prozessen beteiligten Stoffen, wie z.B. Katalysatoren, Wert gelegt werden muß.

4 Patentansprüche
1 Figur

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Claims

Dr. Expl.

Patentansprüche

"T*) Verfahren" zur Rückgewinnung von B.orsäure bei mit Borsäure geregelten Kernreaktoranlagen, dadurch gekennzeichnet, daß das mit Borsäure versetzte Kühl- und/oder Moderatormedium nach dem Durchlaufen des Reaktorkernes und einer zum Hauptkreislauf paral-lelgeschalteten Reinigungsanlage eine zur Trennung eines Dampf-Flüssigkeits-Gemisches geeigneten Rektifikationskolonne (z.B. Bodenkolonne) an sich bekannter Konstruktion zur Aufkonzentrierung der Borsäure im Kühl- und/oder Moderatormedium durchströmt, als Konzentrat in einer Nachreinigungsanlage erneut von insbesondere radioaktiven Verunreinigungen befreit und zwecks erneuter Zuführung zum Reaktor, gleichfalls wie das Destillat, in besonderen Behältern gesammelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Wasser als Kühl- und/oder Moderatormedium nur bis zu etwa 1 ia des Wasserdurchsatzes in der Kolonne zurückläuft, die Konzentration der gewonnenen Borsäurelösung etwa 12 $ betragt und das Destillat pro Liter Wasser weniger als 0,01 mg Borsäure enthält.
3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß aiej&a^rfgebrauchte, aus neutronenphysikalischen Gründen nicht mehr für Absorptionszwecke verwendbare Borsäure nach der Auf-.

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konzentrierung in einer Nachreinigungsanlage von der Hauptmenge an radioaktiven Verunreinigungen befreit und anschließend wie inaktives Wasser behandelt wird.
4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf des Kühl- und/oder Moderatormediums aus einer Reinigungsanlage, einem Zwischenbehälter für noch borsäurehaltige Medien, einer Bodenkolonne, einer Nachreinigungsanlage, einem Vorratsbehälter und einem Pufferbehälter sowie einem parallel angeordneten Vorrats- und Zwischenbehälter für gereinigtes Medium und den notwendigen Verbindungsleitungen und Ventilen besteht.

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