DE1931414B2 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen von schwerem wasser - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum reinigen von schwerem wasser

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von schwerem Wasser, das in einer kerntechnischen Anordnung oder in einem Kernreaktor gebraucht wird, um das im schweren Wasser enthaltene Protonium (H) und Tritium (T) daraus zu entfernen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Es ist bekannt, leichtes Wasser von schwerem Wasser durch fraktionierte Destillation abzutrennen. Dabei muß man jedoch wegen des außerordentlich geringen, in der Größenordnung von 1,04 liegenden Trennfaktors zwischen schwerem Wasser und leichtem Wasser eine erhebliche Zahl theoretischer Böden benutzen.
Da der Trennfaktor im Fall des tritiumhaltigen Wassers noch geringer, in der Größenordnung von 1,01 liegt, läßt man gewöhnlich das tritiumhaltige Wasser sich ansammeln, bis es die Sättigungskonzentraticn erreicht, bei der die Geschwindigkeit seines Verschwindens durch radioaktiven Zerfall gleich seiner Bildungsgeschwindigkeit ist. Damit beträgt die Sättigungskonzentration das Mehrfache der aus Sicherheitsgründen zulässigen Konzentration, woraus sich die Notwendigkeit kostspieliger Schutzmaßnahmen ergibt.
Das erfindungsge.mäße, Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß rn|n kontinuierlich eine Teilmenge des schweren Wassert, dej< fterntechnischen Anordnung oder des Kernreaktors abnimmt, den Gehalt der abgenommenen Teilmenge an Protonium und Tritium durch eine Isotopenaustauschreaktion mit gasförmigem Deuterium verringert, das so an Protonium und Tritium angereicherte gasförmige Deuterium einer chromatographischen Fraktionierung unterwirft und das von Protonium und Tritium befreite gasförmige Deuterium zur Isotopenaustauschreaktion zurückführt.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Trennung der Wasserstoffisotopen durch Chromatographie erreicht wird, liegen vor allem darin, daß für eine gleiche Trennung die Kolonnenhöhen viel geringer sind.
Zum Vergleich sei erwähnt, daß bei den bekannten, die Destillation von schwerem Wasser benutzenden Verfahren der elementare Trennfaktor Flüssigkeit—Dampf zwischen den tritium- und deuteriumhaltigen Spezies in der Größenordnung von 1,01 liegt und dieser Wert so gering ist, daß man mehrere hundert theoretische Böden benötigt, so daß trotz der Verfügbarkeit von Kolonnen mit hohem Wirkungsgrad, wodurch man Höhen des theoretischen Bodens von nur einigen Zentimetern erreichen kann, das bekannte Verfahren wirtschaftlich sehr ungünstig ist.
Um die Isotopenaustauschreaktion, die keine Neigung zeigt, von selbst vonstatten zu gehen, zu starten und zu beschleunigen, kann man sich fester Katalysatoren, beispielsweise Platin oder Palladium auf inertem Träger, Eisenoxid oder Nickel auf Chromoxid oder auch einer thermischen Aktivierung bedienen.
Es sei bemerkt, daß die Wahl zwischen diesen beiden Lösungen nicht nur von wirtschaftlichen Überlegungen, sondern außerdem vom Temperaturbereich abhängt, in dem man arbeiten möchte, um unter Berücksichtigung der obigen Gesichtspunkte vorzugsweise das eine oder andere der Isotopen zu entfernen. Die Wahl hängt ferner von den Geschwindigkeiten ab, mit denen die Isotopen jeweils in das schwere Wasser des Reaktors gelangen. Um einen Anhaltspunkt zu geben, sei bemerkt, daß in 1 Jahr mehr als 50 kg leichtes Wasser in einen 50 bis 100 t schweres Wasser enthaltenden Kernreaktor eindringen können und daß in einem 80 t schweres Wasser enthaltenden Leistungsreaktor mit einem Neutronenfluß von 5 · 1013 n/cm2/s pro Monat das Äquivalent von etwa 10 bis 20 ml tritiumhaltigem Wasser gebildet werden können.
Als Anhaltspunkt für die Temperaturwahl sei angegeben, daß man mit Hilfe der obengenannten Katalysatoren bereits bei Temperaturen in der Größenordnung von 80 bis 400° C arbeiten kann und man diese Temperatur auf etwa 800 bis 1200° C erhöhen muß, wenn nur die thermische Aktivierung benutzt wird. Im letzteren Fall kann man die Reaktion durch Vergrößerung der Kontaktoberfläche des Gases mit den Wänden, beispielsweise mittels inerter Füllungen, begünstigen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der grundsätzliche Aufbau einer Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nebst Zeichnungen. Es zeigen
F i g. 1 bis 5 verschiedene Fließschemata für das erfindungsgemäße Verfahren, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese beispielsweise genannten Ausführungsformen beschränkt sein soll.
Die in F i g. 1 gezeigte Anlage weist einen an sich bekannten, beispielsweise mit Gleichstrom arbeitenden Isotopenaustauschreaktor 1 auf, dem das kontinuierlich aus dem Kernreaktor abgezogene schwere Wasser durch eine Leitung 2 zugeführt wird, nachdem es mittels nicht gezeigter bekannter Vorrichtungen von den in ihm gelösten Gasen befreit und verdampft wurde.
In den gleichen Isotopenaustauschreaktor führt man durch eine Kanalisation 3 gasförmiges Deuterium ein, das in Berührung mit dem schweren Wasser letzteres teilweise vom darin enthaltenen Protonium und Tritium befreit.
Am Ausgang des Isotopenaustauschers wird das schwere Wasser mit verringertem Gehalt an Protonium und Tritium nach Kondensation durch eine Leitung 4 zum Kernreaktor zurückgeführt, während das Deuterium mit einem höheren Gehalt an Protonium und Tritium nach Trocknen und erforderlichenfalls Reinigung mittels an sich bekannter nicht gezeigter Vorrichtungen durch eine Leitung 5 einer Fraktionieranlage zugeleitet wird, in der es durch Chromatographie an einem Feststoff auf der Grundlage von Palladium fraktioniert wird.
Bei dieser Chromatographiebehandlung erfolgt die Einstellung eines Sorptionsgleichgewichts an dem Feststoff auf der Grundlage von Palladium, und die Behandlung kann entweder in einer Kolonne mit beweglichem Bett oder in einer Kolonne mit feststehendem Bett vorgenommen werden.
Im Verlauf dieser chromatographischen Behandlung erfolgt neben der Sorption des Wasserstoffs seine Dissoziation zu Atomen gemäß dem Gleichgewicht
H2 =**= 2H
wodurch die Gleichgewichte
2HD ^= H2+ D2
2DT =*= D2 + T2
zwischen den Spezies H.„ DH und D., sowie D2, DT und T2 in jedem Augenblick eingestellt werden. so daß die Isotopenmischung sich wie ein ternäres Gemisch H —D —T verhält. Da die Werte der Trennfaktoren sehr hoch liegen, nämlich in der Größenordnung von 2 zwischen H und D und von 1,4 zwischen D und T, stellt sich das Isotopengleichgewicht rasch ein, und die Trennung zeigt einen hohen Wirkungsgrad.
Da die Affinitäten der verschiedenen Wasserstoffisotopen für Palladium in der Reihenfolge T — D-H zunehmen, sammelt sich das Tritium am Kopf der Kolonne, während das Protonium sich am Boden derselben sammelt.
In der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist mit 6 schematisch eine Fraktionieranlage mit beweglichem Bett gezeigt. Eine solche an sich bekannte Anlage besitzt eine Kolonne, durch die von unten nach oben das zu fraktionierende Gas und von oben nach unten eine Masse von gekörntem Feststoff, beispielsweise porösem Aluminiumoxid mit einem Gehalt an Palladium, strömt. Am Boden der Kolonne wird der Feststoff ausgetragen, das von diesem Feststoff festgehaltene Gas desorbiert, beispielsweise durch Erhitzen, und in die Kolonne zurückgeleitet, während der regenerierte Feststoff durch einen Kreislauf R zum Kopf der Kolonne zurückgeführt wird.
Die Fraktionieranlage 6 besitzt eine einzige, aus zwei Teilen A und B gebildete Kolonne, jedoch kann man selbstverständlich auch zwei getrennte Kolonnen benutzen.
Im oberen Teil von A zieht man kontinuierlich eine geringe Menge von stark an Tritium angereichertem Deuterium ab, während im unteren Teil von B kontinuierlich eine geringe Menge von stark mit Protonium angereichertem Deuterium abgezogen wird. Die jeweiligen Längen der Teile A und B bestimmen die Konzentration der Produkte, die man von ihnen abnehmen kann.
Der größte Teil des Deuteriums, der so von dem in ihm enthaltenen Tritium und Protonium teilweise befreit ist, verläßt die Anlage 6 durch eine Leitung, die bei der vorliegenden Ausführungsform einfach die erwähnte Leitung 3 ist, durch die er zum Isotopenaustauscher 1 zurückkehrt. In F i g. 1 ist die Zuleitung 5 des an Tritium und Protonium angereicherten Deuteriums in der gleichen Höhe wie die Ableitung 3 gezeigt. Man kann jedoch die Leitung 3 in einer anderen Höhe anordnen, die von den füi Tritium oder Protonium gewünschten relativen Extraktionsgeschwindigkeiten abhängt. Es sei bemerkt, daß man durch Anordnung der Leitung 3 oberhalb der Leitung 5 die Abführung von Protonium zum Nachteil des Tritiums begünstigt, und umgekehrt.
Es versteht sich, daß man zur Kompensation des Deuteriumverlustes, der sich durch den Abgang der in der Fraktionieranlage 6 abgezogenen Mengen ergibt, einen kontinuierlichen Zustrom an frischem Deuterium, beispielsweise durch eine Leitung 7, vorsehen muß, wobei dieses frische Deuterium das im Inneren des Kernreaktors durch Radiolyse gebildete sein kann, das man vor dem Gebrauch einer Reinigung unterwirft.
Die beiden Deuteriumfraktionen, die an Tritium bzw. Protonium angereichert und am Kopf der Kolonne durch die Leitung 8 und am Boden der Kolonne 6 durch die Leitung 9 abgezogen werden, können ihrerseits nach einem bekannten Isotopenanreicherungsverfahren behandelt werden, um einen Teil des schweren Wassers zurückzugewinnen und einen Teil des Tritiums abzutrennen. Das an Tritium angereicherte Deuterium kann auch, gegebenenfalls nach Umwandlung in schweres Wasser, gelagert werden, bis das Tritium durch radioaktiven Zerfall teilweise verschwunden ist.
Im Fall der in F i g. 2 schematisch gezeigten Vorrichtung ist der Isotopenaustauscher 1 durch eine Anlage mit drei hintereinandergeschalteten Stufen 10, 11 und 12 ersetzt. Das verdampfte schwere Wasser tritt durch eine Leitung 13 in die Stufe 10 ein, durchläuft dann die Stufen 11 und 12 und geht durch eine Leitung 14 zum Kernreaktor zurück. Das Deuterium wird seinerseits von einer nicht gezeigten, jedoch der Fraktioniereinrichtung 6 der Anlage der F i g. 1 entsprechenden Trennanlage her durch eine Leitung 15 (entsprechend der Leitung 3 der Vorrichtung der Fig. 1) zugeführt und tritt in den Stufen 12, 11 und 10 gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Weg nacheinander mit dem schweren Wasser in Isotopenaustausch, worauf es durch eine Leitung 16 zur Chromatographieranlage zurückkehrt. Diese GegenStromführung verbessert den Wirkungsgrad des Austausches.
Wie im Fall der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung sind die eigentlichen Einrichtungen zum Kondensieren des schweren Wassers oder zum Wiederverdampfen desselben beim Einlaß und Auslaß der Gesamtanordnung der Stufen 10, 11 und 12 oder zwischen diesen nicht gezeigt.
Es können auch andere Umlaufschemata vorgesehen sein. Beispielsweise kann man die Vorrichtung so betreiben, daß die drei Stufen 10, 11 und 12 nacheinander vom Deuterium und parallel vom schweren Wasser oder umgekehrt durchlaufen werden.
Falls vor allem die Extraktion des Protoniums vor
der des Tritiums begünstigt werden soll, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so betrieben werden, daß der Isotopenaustausch im Gegenstrom in einer Reaktionsvorrichtung oder Kolonne vorgenommen v/erden, die abwechselnd mit Blubberböden, auf denen der Austausch flüssiges schweres wasserdampfförmiges schweres Wasser stattfindet, und Katalysatorbetten, an denen der Austausch dampfförmiges schweres Wasser —Gas erfolgt, ausgestattet sind. In diesem Fall ist man wegen der Anwesenheit des flüssigen schweren Wassers auf den Bereich tiefer Temperaturen in der Größenordnung von 100 bis 150° C beschränkt.
Es wurde bereits oben bei der Beschreibung der Vorrichtung der F i g. 1 angegeben, daß die Extraktion des Protoniums verbessert würde, wenn man bei der Fraktionieranlage 6 die Leitung 3 oberhalb der Leitung 5 anordnet, jedoch gleichzeitig die Extraktion des Tritiums verringert würde, und umgekehrt.
Um diesen Nachteil zu beheben, kann man, wie in F i g. 3 gezeigt, die Vorrichtung 6 der F i g. 1 durch zwei getrennte Kolonnen 17 und 18 mit beweglichem Bett, das stets aus einem granulierten Feststoff auf der Grundlage von Palladium besteht, ersetzen. Jede dieser Kolonnen besitzt einen Anreicherungsabschnitt und einen Verarmungsabschnitt, nämlich 19 bzw. 20 für die Kolonne 17 und 21 bzw. 22 für die Kolonne 18. Im übrigen arbeitet jede dieser Kolonnen in der oben mit Bezug auf F i g. 1 beschriebenen Weise und besitzt eine Leitung zur Rück-
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führung des regenerierten Feststoffs zum Kopf der inerten Masse gefüllt ist, die eine bestimmte Menge
Kolonne. Die Rückführleitungen der Kolonnen 17 Palladium enthält. Diese Kolonne kann mittels einer
und 18 sind mit R1 bzw. R2 bezeichnet. Heiz- und Kühlvorrichtung 40 nach Belieben ins-
So wird das vom Isotopenaustauscher (der in gesamt oder nur über Teilabschnitte ihrer Länge
F i g. 3 nicht gezeigt ist) kommende, mit Tritium und 5 geheizt oder gekühlt werden.
Protonium beladene Deuterium durch eine Leitung Zu Beginn enthält diese Kolonne keinen Wasser-23 in die Kolonne 17 eingeführt. Am Kopf des Ver- stoff und wird beispielsweise auf die Raumtemperaarmungsabschnitts 20 der Kolonne 17 zieht man tür gekühlt. Die von der Isotopenaustauschreaktion durch eine Leitung 24 eine geringe Menge von an kommende Gasmischung wird kontinuierlich durch Tritium stark angereichertem Deuterium ab, und am io eine Leitung 41 zugeführt. Sie wird auf dem Palla-Boden des Anreicherungsabschnitts 19 der Kolonne dium der Füllung zurückgehalten, die sich so all-17 zieht man durch eine Leitung 25 den Hauptteil mählich vom Eintritt her sättigt, während das des von Tritium teilweise befreiten, jedoch noch ursprünglich in den Zwischenräumen der Körner entpraktisch die Gesamtmenge des Protoniums enthal- haltene Gas durch eine Leitung 42 aus der Kolonne tenden Deuteriums ab. Dieses Deuterium wird, wie 15 entweicht. Wenn ein bestimmter Abschnitt der in F i g. 3 ersichtlich, in die Kolonne 18 eingeführt, Kolonne, der von den gewünschten Anreicherungen und am Boden des Verarmungsabschnitts 22 dieser abhängt, abgesättigt ist (wobei sich eine »Bande« Kolonne zieht man durch eine Leitung 26 eine ge- von absorbiertem Wasserstoff ausbildet), wird die ringe Menge von an Protonium stark angereichertem Zufuhr von Gas durch die Leitung 41 unterbrochen Deuterium ab, während am Kopf des Anreicherungs- 20 und die Kolonne allmählich auf etwa 200° C erhitzt, abschnitts 21 der Kolonne 18 durch eine Leitung 27, wobei man mit dem oberen Teil beginnt. Das Erdie im gezeigten Ausführungsbeispiel einfach die hitzen bewirkt die Desorption des Wasserstoffs an Leitung 3 der F i g. 1 ist, der Hauptteil des von der Rückseite der Bande, und dieser desorbierte Tritium und Protonium teilweise befreitem Deute- Wasserstoff durchströmt die Kolonne (in F i g. 5 von riums abgezogen und zum Isotopenaustauscher zu- 25 oben nach unten) und wird vom Palladium an der rückgeführt wird. Front (der Vorderseite) der Bande erneut absorbiert.
Um im Gegensatz zu der obigen Ausführungsform Die Bande durchläuft also die Kolonne,
zunächst die Abtrennung des Protoniums und an- Wenn sie am Ende der Kolonne (in F i g. 5 unten)
schließend des Tritiums herbeizuführen, kann man anlangt, beginnt der Wasserstoff die Kolonne in dem
sich der in F i g. 4 schematisch dargestellten Vorrich- 30 Maße zu verlassen, wie die erhitzte Zone sich diesem
tung bedienen, die ebenfalls die Einrichtung 6 der Ende nähert. Wegen der verschiedenen Affinitäten
F i g. 1 ersetzt. der drei Wasserstoffisotopen gegenüber Palladium
Diese Vorrichtung umfaßt zwei Kolonnen 28 und tritt eine Fraktionierung ein, wodurch nacheinander
29, die jeweils einen Anreicherungsabschnitt und frei werden:
Verarmungsabschnitt 30 bzw. 31 (Kolonne 28), 32 35 Ein Vorlauf, der an Tritium angereichert ist, bzw. 33 (Kolonne 29) aufweisen. Die Kolonne 28 dne Mittelfraktion die aus gleichzeitig an Tribeatzt ferner eine Leitung^ zur Rückführung des tium und Protonium verarmfem Deuterium beregenerierten Feststoffs und die Kolonne 29 eine entsprechende Leitung Rr steht,
Das vom nicht gezeigten Isotopenaustauscher 40 ein Nachlauf, der an Protonium angereichert ist. kommende Deuterium wird durch eine Leitung 34 Um die Trennung dieser verschiedenen Fraktionen in die Kolonne 28 im oberen Teil des Verarmungs- zu gewährleisten, kann man eine Steuervorrichtung C abschnitts 31 eingeführt, von der man durch eine vorsehen, welche die verschiedenen Fraktionen nachLeitung 35 eine geringe Menge von an Protonium einander in Leitungen 43, 44 und 45 weiterleitet, stark angereichertem Deuterium abnimmt, während 45 nachdem anfangs das in der Kolonne ursprünglich man vom oberen Teil des Anreicherungsabschnitts vorhandene Gas in die Leitung 42 geleitet wurde.
30 durch eine Leitung 36 den größten Teil des von Die Steuervorrichtung C kann gesteuert werden seinem Protoniumgehalt teilweise befreiten, jedoch durch die Anzeigen eines kontinuierlichen Analysanoch praktisch die Gesamtmenge Tritium enthalten- tors des ausströmenden Gases, der beispielsweise die den Deuteriums abzieht. Dieses Deuterium wird 50 Wärmeleitfähigkeit des Gases oder seine Radiodurch die Leitung 36 in die Kolonne 29 am Boden aktivität (im Fall des Tritiums) mißt,
des Verarmungsabschnitts 33 eingeführt, aus der man Die Mittelfraktion wird zu der Isotopenaustauschdurch eine Leitung 37 eine geringe Menge von an anlage schweres Wasser —Deuterium zurückgeführt, Tritium stark angereichertem Deuterium abzieht, um erneut mit Protonium und Tritium beladen zu während am Boden des Anreicherungsabschnitts 32 55 werden.
durch eine Leitung 38, die im vorliegenden Ausfüh- Die bei Beendigung des Arbeitsganges in dem rungsbeispiel einfach die Leitung3 der Fig. 1 ist, zwischen den Körnern vorhandenen Volumen der der Hauptteil des gleichzeitig von Protonium und Kolonne 39 verbleibende kleine Menge von an ProTritium teilweise befreiten Deuteriums abgezogen tonium angereichertem Deuterium kann gegebenen- und zum Isotopenaustauscher zurückgeführt wird. 60 falls durch ein Inertgas ausgespült werden, das durch
Bei den oben beschriebenen Anlagen wurden eine Leitung 46 eingeführt und mit dem Nachlauf
Chromatographiereinrichtungen mit beweglichem zusammen aufgefangen wird. Nach Beendigung des
Bett benutzt. Arbeitsganges wird die Kolonne gekühlt und ist zu
Man kann jedoch auch, wie oben angegeben, die erneuter Verwendung bereit.
chromatographische Behandlung in Kolonnen mit 65 Gemäß einer Abwandlung kann man die Kolonne
feststehendem Bett durchführen. Eine solche Anlage 39 in mehrere Kolonnen zerlegen, die getrennt ge-
ist schematisch in F i g. 5 gezeigt, worin mit 39 eine heizt oder gekühlt werden können. Das erfindungs-
Kolonne bezeichnet ist, die mit einer granulierten gemäße Verfahren zeichnet sich damit gegenüber
den bereits bekannten Verfahren durch seine einfache und bequeme Durchführbarkeit aus. Im folgenden sei an Hand eines Zahlenbeispiels die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Trennung der Wasserstoffisotopen durch Chromatographie erreicht wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen Austauschverfahren aufgezeigt:
Mittels des Austauschverfahrens schweres Wasser - Deuterium, kombiniert mit einer Destillation des Deuteriums, wie in der französischen Patentschrift 1 526 867 beschrieben, werden gegenwärtig die im folgenden angegebenen Ergebnisse erhalten. Die Extraktionsausbeute des Tritiums beim Austausch schweres Wasser- Deuterium ist 0,8 in drei katalytischen Stufen, d. h., daß vier Fünftel des Tritiums des den Reaktor verlassenden Wassers in das Deuterium übergehen. Die Destillation dieses Deuteriums, um einen Verarmungsfaktor von 100 zu erhalten, d. h., daß das am Kopf abgezogene und zum katalytischen Austausch zurückgeführte Deuterium nicht mehr als ein Hundertstel des im Zustrom enthaltenen Tritiums enthält, erfordert bei dem geringen Trennfaktor von 1,2 etwa 25 theoretische Böden, d.h., daß die Verarmungsabteilung 1 bis 2 cm der Kolonne je nach deren Wirkungsgrad einnimmt. Da im Gegensatz dazu der geforderte Anreicherungsfaktor im allgemeinen bei 1000 oder noch darüber liegt, muß die Anreicherungsabteilung in dei Größenordnung von 10 bis 30 m der Kolonne umfassen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, das den Austausch schweres Wasser —Deuterium mit einer Chromatographie mit beweglichem Bett an palladiumhaltigen Massen zur Fraktionierung dieses Deuteriums verbindet, erhält man folgende Ergebnisse: Während die Extraktionsausbeute des Tritiums beim katalytischen Austausch immer noch 0,8 ist, wie im obigen Fall, erfordert die Verarmung des abgezogenen Teils um einen Faktor 100 wegen des höheren Trennfaktors (etwa 1,4) nur mehr 14 theoretische Böden; da außerdem der Wirkungsgrad der Kolonnen höher ist, genügen einige Dezimeter der Kolonnen, um diesen Verarmungsfaktor von 100 zu erreichen. Aus dem gleichen Grund umfaßt die Anreicherungsabteilung nur 2 oder 3 m der Kolonne.
Außerdem erfordert das erfindungsgemäße Verfahren keine Verflüssigung des Deuteriums, was das Verfahi en noch sicherer und wirtschaftlicher gestaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich verschiedene Abwandlungen erfahren, insbesondere kann die chromatographische Behändlung an einem physikalischen Absorbens bei tiefen Temperaturen vorgenommen werden.

Claims (10)

Patentansprüche: SS
1. Verfahren zum Reinigen von schwerem Wasser, das in einer kerntechnischen Anordnung oder in einem Kernreaktor gebraucht wird, um das im schweren Wasser enthaltene Protonium (H) und Tritium (T) daraus zu entfernen, dadurch gekennzeichnet, daß man kontinuierlich eine Teilmenge des schweren Wassers des Kernreaktors oder der kerntechnischen Anordnung abnimmt, den Gehalt der abgenommenen Teilmenge an Protonium und Tritium durch eine Isotopenaustauschreaktion mit gasförmigem Deuterium verringert, das so an Protonium und Tritium angereicherte gasförmige Deuterium einer chromatographischen Fraktionierung unterwirft und das von Protonium und Tritium befreite gasförmige Deuterium zur Isotopenaustauschreaktion zurückführt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an Protonium und Tritium angereicherte, von der Isotopenaustauschreaktion herkommende gasförmige Deuterium (5) an einem mittleren Punkt in eine Fraktionierkolonne (6) eingeführt wird, am Kopf dieser Kolonne an Tritium stark angereichertes Deuterium (8) und am Boden der Kolonne eine geringe Menge von an Protonium stark angereichertem Deuterium (9) abgezogen wird und das von Tritium und Protonium befreite Deuterium (3) etwa in der gleichen Höhe, in der das zu reinigende Deuterium in die Kolonne eingeführt wird, aus dieser abgezogen und zum Isotopenaustauscher (1) zurückgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an Protonium und Tritium angereicherte, von der Isotopenaustauschreaktion herkommende, gasförmige Deuterium (23) einer ersten Fraktionierkolonne (17), die einen Anreicherungsabschnitt (19) und einen Verarmungsabschnitt (20) aufweist, im unteren Teil des Verarmungsabschnitts zugeführt wird, daß am Kopf des Verarmungsabschnitts eine geringe Menge von an Tritium stark angereichertem Deuterium (24) und am unteren Ende des Anreicherungsabschnitts (19) der Hauptteil des von Tritium befreiten Deuteriums (25) abgezogen werden, von denen letzterer in eine zweite Fraktionierkolonne (18), die ebenfalls einen Anreicherungsabschnitt (21) und einen Verarmungsabschnitt (22) aufweist, am Kopf des Verarmungsabschnitts eingeführt wird, daß im unteren Teil des Verarmungsabschnitts (22) dieser zweiten Kolonne eine geringe Menge von an Protonium stark angereichertem Deuterium (26) und am Kopf des Anreicherungsabschnitts (21) der Hauptteil des von Tritium und Protonium befreiten Deuteriums (25) abgezogen werden und daß letzterer zum Isotopenaustauscher zurückgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Isotopenaustauschreaktion kommende, an Protonium und Tritium angereicherte gasförmige Deuterium (34) in eine erste Fraktionierkolonne (28), die einen Anreicherungsabschnitt (30) und einen Verarmungsabschnitt (31) aufweist, am Kopf des Verarmungsabschnitts eingeführt wird, daß im unteren Teil dieses Verarmungsabschnitts eine geringe Menge von an Protonium stark angereichertem Deuterium (35) und im oberen Teil des Anreicherungsabschnitts (30) der gleichen Kolonne der Hauptteil des von seinem Protoniumgehalt teilweise befreiten Deuteriums (36) abgezogen werden und letzterer in eine zweite, einen Anreicherungsabschnitt (32) und einen Verarmungsabschnitt (33) autweisende Fraktionierkolonne (29) am Kopf des Anreicherungsabschnitts eingeführt wird, während am Kopf des Verarmungsabschnitts (33) der zweiten Kolonne eine geringe Menge von an Tritium stark angereichertem Deuterium (37) und im unteren Teil des Anreicherungsabschnitts (32) derselben Kolonne (29) dei Hauptteil des
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von Protonium und Tritium befreiten Deuteriums (38) abgezogen werden, ujid daß letzterer zum Isotopenaustauscher zurückgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktionierkolonnen von einem gekörnten Feststoff auf der Grundlage von Palladium durchströmt werden, welcher jeweils vor seiner Wiedereinführung am Kopf der Kolonne durch Erhitzen desorbiert wird. ίο
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Isotopenaustausch kommende, an Protonium und Tritium angereicherte gasförmige Deuterium (41) am Kopf einer ein Festbett von gekörntem Feststoff enthaltenden Fraktionierkolonne (39) eingeführt wird, daß die Kolonne allmählich von ihrem oberen Teil her beginnend auf eine Temperatur in der Größenordnung von 200° C erhitzt wird und daß am Boden der Kolonne nacheinander ein tritium- ao reicher Vorlauf (43), eine aus an Tritium und Protonium verarmtem Deuterium bestehende Hauptfraktion (44) und ein protoniumreicher Nachlauf (45) abgezogen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch es gekennzeichnet, daß der Feststoff auf der Grundlage von Palladium auf porösem Aluminiumoxid abgeschieden ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an Tritium angereicherte Deuteriumfraktion einem an sich bekannten Isotopenanreicherungsverfahren unterworfen wird, um einen Teil des Tritiums abzutrennen.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an Protonium angereicherte Deuteriumfraktion einem an sich bekannten Isotopenanreicherungsverfahren unterworfen wird, um einen Teil des schweren Wassers wiederzugewinnen.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Isotopenaustauscher, durch den das zuvor verdampfte, Protonium und Tritium enthaltende schwere Wasser zusammen mit dem als Isotopenaustauschmaterial verwendeten gasförmigen Deuterium strömt, und eine Anlage zur chromatographischen Fraktionierung, die wenigstens aus einer Kolonne besteht, die einen gekörnten Feststoff auf der Grundlage von Palladium enthält und eine Zuführungsleitung für das an Tritium und Protonium angereicherte^ vom Isotopenaustauscher kommende Deuterium und eine zum Ionenaustauscher führende Abführungsleitung für das von Tritium und Protonium befreite Deuterium aufweist sowie an den Enden dieser einen bzw. mehreren Kolonnen angeordnete, zur Abführung des jeweiligen an Tritium bzw. an Protonium stark angereicherten Deuteriums dienende Leitungen und gegebenenfalls eine Leitung zur Rückführung des Feststoffs zum Kopf der Kolonne aufweist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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