DE1802867C3

DE1802867C3 - Verfahren zur Gewinnung von mit Deuterium angereichertem Wasser

Info

Publication number: DE1802867C3
Application number: DE19681802867
Authority: DE
Inventors: Heinrich Prof.Dr.Phil. Dr.-Ing. 4300 Essen Mandel
Original assignee: Rheinisch Westfaelisches Elektrizitaetswerk AG
Current assignee: RWE AG
Priority date: 1968-10-12
Filing date: 1968-10-12
Publication date: 1975-05-22
Also published as: GB1234906A; DE1802867A1; CA922494A; FR2020571A1; DE1802867B2; SE362232B

Description

Demgegenüber besteht die Aulgabe der Erfindung daHn ein Verfahren der eingangs beschriebenen Gaining'so weiterzubilden, daß unter Einsatz herkommi,-cher Kühltürme eine verbesserte Deuter.umanre.che-

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von mit Deuterium angereichertem Wasser bei der Kühlwasserrückkühlung mit Hilfe von über offene Kühltürme geführten Kühlkreisläufen.

Bei der Herstellung von schwerem Wasser hat die Deuteriumkonzentralion des Ausgangsstoffes einen maßgeblichen Einfluß auf die Gestehungskosten. Aus diesem Grunde ist bereits vorgeschlagen worden, Seewasser als Ausgangsstoff zu verwenden, da dieses von den natürlich vorkommenden Wässern den höchsten Deuteriumgehalt aufweist. Allerdings müssen dabei die durch den Salzgehalt verursachten Schwierigkeiten und zusätzlichen Aufwendungen in Kaiif genommen werden. Um diese Nachteile zu umgehen, sind sogenannte parasitäre Anreicherungsverfahren vorgeschlagen worden, d. h. Verfahren, nach denen beispielsweise eine vorgegebene Wasserstoffmenge, die für einen anderen chemischen Prozeß benötigt wird, dazu verwendet wird, zunächst mittels einer Isotopenaustauschreaktion Wasser mit dem Deuterium aus dieser Wasserstoffmenge anzureichern. Bei derartigen Verfahren ist jedoch die herstellbare Schwerwassermenge durch die Menge des zur Verfügung stehenden Wasserstoffes und dessen natürliche Deuteriumkonzentration begrenzt.

In einer älteren Anmeldung (vgl. DT-OS 1 767 700) ist die Verwendung der Abwärme des Rückkühlbetriebes von Kraftwerksanlagen mit Rückkühl-Kühltürmcn und Kühlwasserkreislauf für die Gewinnung von mit Deuterium angereichertem Wasser vorgeschlagen worden. Danach wird die wasserdampfgesättigte Kühlluft eines offenen Kühlturmes in einer nachgcschalteten Abtriebszone zum Abtreiben der leichler siedenden Normalwasser-Komponente des bei normalem Kühlturmbetrieb aufzugebenden Zusatzwassers eingesetzt und dadurch Deuterium im Kühlwasserkreislauf angereichert, aus dem das angereicherte Wasser abgezogen werden kann. Nach dem Vorschlag der älteren Anmeldung wird mit besonders dafür eingerichteten Kühltürmcn einstufig gearbeitet. Das ist nachteilig, da hierbei eine besondere Ausbildung der Kiihltürmc erforderlich ist und nur mit sehr großem Aufwand eine befriedigende Anreicherung des Deuteriums erreicht wird.

ΟίΞΪΑ «W durch die Erfindung dadurch gelöst daß mehrere Kühlkreisläufe hintere.nandergeschaltet, das durch Entnahme und durch Verdampfen aus den offenen Kühltürmen dem jeweil.gen Kühlkreislauf entzogene Umlaufwasser aus dem Umlaufwasser des Jeweils vorgeschalteten Kühlkreislaufes ergänzt, aus dem letzten Kühlkreislauf der Reihe das mit Deuterium angereicherte Wasser entnommen und dem ersten Kühlkreislauf der Reihe eine der entnommenen bzw. insgesamt verdampften Menge äquivalente Menge Frischwasser zugeführt wird.

Die Erfindung geht von der Tatsache aus, daß auf Grund der Verschiedenheit der Dampfdrücke von normalem und von scnwerem Wasser bei der Verdampfun» einer Mischung das schwere Wasser in der flüssi- <*erTphase angereichert wird. Da die Dampfdrucke sich jedoch nur wenig unterscheiden, läßt sich bei einstufiger Arbeitsweise nur eine geringe Anreicherung erliefen Hiervon ausgehend lehrt die Erfindung eine uesentlicne Verbesserung der Anreicherung durch kolonnenartiges Hintereinanderschalten mehrerer Kühlkreisläufe. Dabei wird das Umlaufwasser eines bestimmten Kühlkreisiaufes, das einen diesem Kühlkreislauf entsprechenden Endwert der Deuterium-Anreicherung aufweist, in einen nachgeschalteten Kühlkreislauf überführt, wo eine weitere Anreicherung erfolgt. Schließlich wird aus dem letzten der hintereinandergeschalteten Kühlkreisläufe das mit Deuterium angereicherte Wasser entnommen, während die durch Verdampfung in den einzelnen Kühltürmen sowie durch die Entnahme verursachten Wasserverluste durch Zufuhr von Frischwasser in den ersten der hintereinandcrgeschalteten Kühlkreisläufe ergänzt werden.

Bei Kühlwasserrückkühlanlagen ist regelmäßig ein als Abschlämmen bezeichneter Abzug von Umlaufwasser erforderlich, um zu verhindern, daß im Kühlkreislauf der infolge der Verdampfung ansteigende Salzgehalt des Umlaufwassers unzulässig hoch wird. Ein besonderes Abschlämmen kann entfallen, wenn bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Menge des aus dem letzten Kühlkreislauf entnommenen, mit Deuterium angereicherten Wassers der Menge entspricht, die sonst im Wege des Abschlämmens abgezogen werden müßte, und wenn die Hintereinanderschaltung der Kühlkreisläufe entsprechend eingerichtet ist. Es ist dabei zu beachten, daß eine hinreichend große Menge mit Deuterium angereicherten und weiterer Verarbeitung zuzuführenden Wassers aus dem letzten Kühlkreislauf entnommen wird, da anderenfalls der Salzgehalt im letzten Kühlkreislauf unzulässig ansteigen kann. Dieser Gefahr kann nach einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einfache Weise wirkungsvoll dadurch begegnet werden, daß die Reihenfolge der Hintereinanderschaltung der Kühlkreisläufe umgeschaltet wird. Damit wird in geeigneten Zeitabständen die Reihenfolge, in der die Kiihlkrcisläufc hintereinandcrgeschaltet sind, geändert, so daß sich eine gleichmäßige Verteilung der durch die Verdampfung verursachten Erhöhung der Salzkonzentration auf alle Kühlkreisläufe ergibt. Das Umlaufwasser der Kühlkreisläufe kann aber auch einer Entsalzung unterzogen werden durch Einbeziehung von Entsalzungseinnchtungcn in die Kühlkreisläufc. In jedem FaI-

Ie läßt sich die Entnahmemenge von auf optimale Konzentralion mit Deuterium angereichertem Wasser für die Deuteriumgewinnung ohne Einschränkung durch betrieblich unzulässig hohe Salzkonzentraiion im Umlaufwasser einstellen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeichnungen sowie einer Tabelle ausführlicher erläutert. Es

F i g. 1 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Deuterium-Anreicherung in Abhängigkeit von der bei der Verdampfung eintretenden Eindickung einer Salzlösung bei einstufiger Anreicherung,

F i g. 2 in tabellarischer Darstellung Meßwerte zu der in F i g. 1 gegebenen Abhängigkeit,

F i g- 3 den theoretisch bestimmten zeitlichen Verlauf der Anreicherung in den einzelnen Kühlkreisläufen bei mehrstufiger Anreicherung,

F i g. 4 in schematischer Darstellung eine aus drei Kühlkreisläufen bestehende Anlage zur Durchführung des Verfahrens.

Die F i g. 1 und 2 geben in graphischer bzw. tabellarischer Form Ergebnisse wieder, die an einer einstufigen Versuchsanlage, bestehend aus einem Kühlturm mit einer Grundfläche von 1 m², einem Wärmetauscher und einer Umwälzpumpe, gewonnen wurden. Die Verdun- »5 xtungsverlusie wurden hierbei durch vollentsalztes Wasser ersetzt, um Ausscheidungen von Calciumkarbonaten zu verhindern. Dem Zusatzwasser wurde Natriumchlorid zugesetzt, so daß sich aus dem Chloridgehalt der aus dem Kühlkreislauf entnommenen Proben die durch die Verdampfung verursachte Eindickung ermitteln ließ. Fig. t zeigt im einzelnen mit ausgezogenen Kurven die theoretisch zu erwartende Anreicherung in Abhängigkeit von der Eindickung für verschiedene Temperaturen, während die an den entnommenen Proben ermittelten Meßwerte durch Kreise gekennzeichnet sind. Die ii. F i g. 2 wiedergegebene Tabelle enthält zu jeder Probe die elektrische Leitfähigkeil, den daraus bestimmten Gehalt an Natriumchlorid, die hieraus ermittelte, durch Verdampfung bewirkte Eindickung sowie die zugehörige Abweichung des Deuteriumgehaltes vom Deuteriumgehalt des Standard-Seewassers (SMOW) und den entsprechenden Deuteriumgchalt in ppm. Diese Ergebnisse zeigen, daß das Umlaufwasscr von offenen Kühlkreisläufcn bereits nach einstufiger Anreicherung eine gegenüber dem zugefahrten Wasser erhöhte Deuteriumkonzentration aufweist.

Dieser Effekt wird durch eine kolonnenartige Hintereinanderschaltung der Kühlkreisläufe erheblich verstärkt. F i g. 3 zeigt in graphischer Darstellung den /eilliehen Verlauf der Deuterium-Anreicherung in den einzelnen Kühlkreisläufen bei mehrstufiger (im Beispiel lOstufiger) Anreicherung auf Grund theoretischer Berechnung. Zum Vergleich ist in dieser Darstellung mit einer gestrichelten Kurve der zeitliche Verlauf der Anreicherung bei Verwendung von nur einem Kühlkreislauf dargestellt. Hieraus geht deutlich hervor, daß durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Kühlkreisläufe eine bedeutende Erhöhung der Deuterium-Anreicherung erzielt wird. Dabei ist insbesondere als überraschend zu bemerken, daß in den letzten der hintereinandergeschalteten Kühlkreisläufe eine erheblich stärkere Anreicherung erfolgt als in den ersten. Im übrigen ist aus der F i g. 3 zu entnehmen, daß der bei einstufiger Anreicherung erzielte Endwert höher ist als die in den ersten vier Stufen bei lOstufiger Anreicherung erziehe Deuterium-Anreicherung. Dies ist darauf zurückzuführen, daß bei mehrstufiger Anreicherung den ersten Stufen verhältnismäßig große Mengen Umlaufwasser entzogen werden, um die in den nachfolgenden Stufen auftretenden Wasserverluste zu ergänzen. Infolgedessen zeigen diese ersten Stufen einen verringerten Wirkungsgrad.

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erreichten Vorteile sind hiernach vor allem darin zu sehen, daß bei der Gewinnung von mit Deuterium angereichertem Wasser bei der Kühlwasserrückkühlung eine bedeutende Erhöhung der Anreicherung erzielt wird. Insbesondere ist zu beachten, daß dieses Ergebnis mit herkömmlichen Kühltürmen und ohne besondere Einrichtungen erzieh wird.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren an Hand der lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden F i g. 4 ausführlicher erläutert. Diese Fig. 4 zeigt das Schema einer Anlage zur Gewinnung von mit Deuterium angereichertem Wasser mit drei Kühlkreisläufen 1;/. Ib, Ic. Das Umlaufwasser der drei Kühlkreisläufe la, ib. Ic wird über die zu kühlenden Aggregate (z. B. Kondensatoren 2a, 2b, 2c von Kraflwerksanlagen) den Kühltürmen 3a, 35. 3c zugeführt, wo jeweils ein Teil A, B. C verdampft. Das dem letzten Kreislauf Ic über die Leitung 7 entzogene, mit Deuterium angereicherte Wasser und die verdampfte Menge C werden über die Leitung 6 aus dem Kühlkreislauf Xb ergänzt. Entsprechend wird das dem Kühlkreislauf Io über die Leitung 6 und durch die verdampfte Menge ß entzogene Umlaufwasser aus dem Kühlkreislauf la über die Leitung 4 ergänzt. Die Verdampfungsverluste A. B. C und das aus der Leitung 7 entnommene, mil Deuterium angereicherte Wasser werden schließlich über die Frischwasserzuführung 5 dem Kühlkreislauf la zugesetzt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

1 3 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Gewinnung von mit Deuterium angereichertem Wasser bei der Kühlwasserrückkühlung mit Hilfe von über offene Kühltürme geführten Kühlkreisläufen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kühlkreisläufe hintereinandergeschahet, das durch Entnahme und durch Verdampfen aus den offenen Kühltürmen dem jeweiligen Kühlkreislauf entzogene Umlaufwasser aus dem Umlaufwasser des jeweils vorgeschalteten Kühlkreislaufes ergänzt, aus dem letzten kühlkreislauf der Reihe das mit Deuterium angereicherte Wasser entnommen und dem ersten Kühlkreislauf der Reihe eine der entnommenen bzw. insgesamt verdampften Menge äquivalente Menge Frischwasser zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Hintereinanderschaltung der Kuh/kreisläufe umgeschaltet wird.

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