DE1931414C - Verfahren und Vorrichtung zum Reim gen von schwerem Wasser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrilTt ein Verfahren zum Reinigen von schwaJiii 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.

Cs 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 Trenr.faktors 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 3,01 liegt, läßi man gewöhnlich das tritiumhaltige Wasser sich ansammeln, bis es die Sättigungskonzentration 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 tich die Notwendigkeit kostspieliger Schutzmaßnahmen ergibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dal! man mtinuierlich eine Teilmenge des schweren Wassers der kerntechnischen Anordnung oder des Kernreaktors abnimmt, den Gehalt der abgenommenen Teilmenge an ?rotc nium und Tritium tlurch eine Isotopenausiausclireaktion mit gasförmigem Dcii!cri"in verringert, das so an Prolonium und Tritium angereicherte gasförmige Deuterium einer Chroniatngraphischcn Fraktionierung unterwirft und tliis von I'rotonium und Tritium befreite gasförmige Deuterium zur Isotopenaustauschreaktion zurückführt.

Die Vorteile des crfindungsgcmäßen Verfahrens, bei dem die Trennung der WasserstofTisotopen durch Chromatographie erreicht wird, liegen vor allem tiarin, daß für eine gleiche Trennung die Kolonnenhohen 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 deuteriumlialtigcn Spezies in der Größenordnung von 1,01 liegt und: dieser Weit so gering ist, daß man mehrere hundert theoretische Böden benötigt, so daß trotz tier Verfügbarkeit von Kolonnen mit hohem Wirkungsgrad, wodurch man Höhen des theoretischen tiodcns von nur einigen Zentimetern erreichen kann, tlas bekannte Verfahren wirtschaftlich sehr ungünstig ist.

Um die Isotopenausiausclireaktion, die keine Neigung zeigt, von selbst vonstatlcn zu gehen, zu starten und zu beschleunigen, kann man sich fester Katalysatoren, beispielsweise Platin oder Palladium auf inertem Träger, Fiscnoxid oder Nickel auf Chromoxid oder auch einer thermischen Aktivierung bedienen.

Hs se« bemerkt, daß die Wahl zwischen diesen beiden Lösungen nicht nur von wirtschaftlichen Oberlcgiiingcn, 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 hangt 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· lü^i;1n/cm-/s pro Monat das Äquivalent von etwa 10 bis 20 ml tritiumhaltigem Wasser gebildet werden könner.

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 Vos. ichtung zur Austührurig des Verfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nebst Zeichnungen. Es zeigen

Fig. 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 Isotopenaustausclireaktor führt man durch eine Kanalisation 3 gasförmiges Deuterium ein, das in Berührung mit dem schweren Wasser letzteres teilweise vom darin enthaltenen Profonium und Tritium befreit.

Am Ausgang des Isotopenaustauschers wird das schwere Wasser mit verringertem Gehallt 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 Fraklionieranlagc zugeleitet wird, in der es durch Chromatographie an einem Feststoff auf der Grundlage von Palladium fraktioniert wird.

Bei dieser Chromatographicbehandlung erfolgt die Einstellung eines Sorptionsgleichgewichls 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

H,

2 H

' wodurch die Gleichgewichte

2HD-==== H₂+ D₂

2DT =*== D,-r-T,

zwischen den Spezies IL, DH und D., sowie Dj, DT und T₁, in jedem Augenblick eingestellt werden, r.o daß die Isotopenmiscluing sich wie ein terniires 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 Wasserstoll- ια isotopen für Palladium in der Reihenfolge T— D — II zunehmen, sammelt sich das Tritium am Kopf der Kolonne, während das Protonium sich am Boden derselben sammelt.

In der in Fig. I 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 dcsorbiert, 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 D gebildete Kolonne, jedoch kann man selbstverständlich auch zwei getrennte Kolonnen benutzen.

Tm oberen Teil von Λ zieht man kontinuierlich eine erringe Menge von stark an Tritium angereichertem Deuterium ao, während im unteren Teil von D kontinuicrlich eine geringe Menge von stark mit Protonium angereichertem Deuterium abgezogen wird. Die jeweiligen Längen der Teile Λ und R bestimmen die Konzentration der Produkte, die man von ihnen abnehmen kann.

Der größte Teil des Deuteriums, der so von den¹ 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 Isolopenaustausrhcr 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 für Tritium oder Protonium gewünschten relativen Extraktionsgeschwindigkeiten abhängt. Es sei bemerkt, daß man durch Anordnung der Leitung 3 oberhalb der Leitung 5 die Abführung von Proloniuni zum Nachteil des Tritiums begünstigt, und umgekehrt.

Es versteht sich, daß man zur Kompensation des Dcuteriumverlustes, 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 Deutcriumfraktioncn, 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 hekannlen Isotopeuanreicherungsverfahren behandelt werden, um einen Teil des schweren Wassers zurückzugewinnen und einen Tei! des Tritiums abzutrennen. Das an Tritium angereicherte Deuterium kann auch, gegebenenfalls nach Umwandlung in schweres Wasser, gelagert werden, bis das Tritium durch radioaktiven Zerlall teilweise verschwunden ist.

Im Fall der in Fig. 2 schematise)! gezeigten Vorrichtung ist der Isotopenaiistauscher 1 durch eine Anlage mit drei hintereinandergeschaltcten Stufen 10, H und 12 ersetzt. Das verdampfte schwere Wasser tritt durch eine Leitung 13 in die Stufe 10 ein, durchläuft dann die Stufen. 11 und 12 i.'nd gehi (.lurch eine Leitung 14 zum Kernreaktor zurück. Das Deuterium wird seinerseits von eir.nr nicht gezeigten, jedoch der Fraktioniereinrichtim^ 6 der Anlage der Fig. 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 In zur Chromatographieranlage zurückkehrt. Diese Gegenstromführung verbessert den Wirkungsgrad des Austausches.

Wie im Fall der in Fig. I 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 Umlaufschcmatu 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 soil, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung so betrieben werden daß der Isotopenaustausch im Gegenstrom in einet Reaktionsvorrichtung oder Kolonne vorgenommcr werden, die abwechselnd mit Blubberböden, aiii denen der Austausch flüssiges schweres wasserdampfförmiges schweres Wasser stattfindet, um Katalysatorbetten, an denen der Austausch dampfförmiges schweres Wasser —Gas erfolgt, ausgestalte .linu. In diesem Fall ist man wegen der Anwcsenhei des flüssigen schweren Wassers auf den Bereicl tiefer Temperaturen in der Größenordnung von 10f bis 150⁰C beschränkt.

Es wurde bereits oben bei der Beschreibung de Vorrichtung de Fig. 1 angegeben, daß die Extrak tion des Protoniums verbessert würde, wenn man he der Fraktionicranlage 6 die Leitung 3 oberhalb de Leitung 5 anordnet, jedoch gleichzeitig die Extraklioi des Tritiums verringert würde, und umgekehrt.

Um diesen Nachteil zu beheben, kann man, wie ii F i g. 3 gezeigt, dis Vorrichtung fi der Fig. 1 durcl zwei getrennte Kolonnen 17 und 18 mit beweglichen Bett, das stets aus einem granulierten Feststoff au der Grundlage von Palladium besteht, ersetzen. Jc;l< dieser Kolonnen besitzt einen Anreicherung abschnitt und einen Verarmungsabschnitt, nänilicl 19 bzw. 20 für die Kolonne 17 und 21 bzw. 22 fi'i die Kolonne 18. Tm übrigen arbeitet jede diese Kolonnen i; der oben mit Bezug auf F i μ. I be schriebenen Weise und besitzt eine Leitung zur Rück

führung des regenerierten Feststoffs zum Kopf der Kolonne. Die Rückführleitungcn der Kolonnen 17 und 18 sind mit Ii₁ bzw. R₂ bezeichnet.

So wird das vom Isotopcnaustaiischer (der in Fig. 3 nicht gezeigt ist) kommende, mit Tritium und Protonium beladene Deuterium durch eine Leitung 23 in die Kolonne 17 eingeführt. Am Kopf des Verarmungsabsclinilts 20 der Kolonne 17 zieht man durch eine Leitung 24 eine geringe Menge von an Tritium stark angereichertem Deuterium ab, und am Boden des Anreicherungsabschnitts 19 der Kolonne 17 zieht man durch eine Leitung 25 den Hauptteil des von Tritium teilweise befreiten, jedoch noch praktisch die Gesamtmenge des Protoniums enthallenden Deuteriums ab. Dieses Deuterium wird, wie in Fig. 3 ersichtlich, in die Kolonne 18 eingeführt, und am Boden des Verarmungsabschnitts 22 dieser Kolonne zieht man durch eine Leitung 26 eine geringe Menge von an Protonium stark angereichertem Deuterium ab, während am Kopf des Anreicherungsabschiiitls 21 der Kolonne 18 durch eine Leitung 27, die im gezeigten Ausführungsbeispiel einfach die Leitung3 der Fig. 1 ist, der Hauptteil des von Tritium und Protonium teilweise befreitem Deuteriums abgezogen und zum Isotopenaustauscher zuriickgeführt wird.

Um im Gegensatz zu der obigen Ausfülirungsform zunächst die Abtrennung des Protoniums und anschließend des Tritiums herbeizuführen, kann man sich der in Fig. 4 schematisch dargestellten Vorrich-Hing bedienen, die ebenfalls die Einrichtung 6 der Fi g. 1 crset/l.

Diese Vorrichtung umfaßt zwei Kolonnen 28 und 29. die jeweils einen Anreicheriingsabschnitt und Vcrarmungsabschnitt 30 bzw. 31 (Kolonne 28), 32 bzw. 33 (Kolonne 29) aufweisen. Die Kolonne 28 besitzt ferner eine Leitung /?., zur Rückführung des regenerierten Feststoffs und die Kolonne 29 eine entsprechende Leitung R₄.

Das vom nicht gezeigten Isotopenaustauscher kommende Deuterium wird durch eine Leitung 34 in die Kolonne 28 im oberen Teil des Verarmungsabschnilts 31 eingeführt, von der man durch eine Leitung 35 eine geringe Menge von an Proionium stark angereichertem Deuterium abnimmt, während man vom oberen Teil des Anreicherungsabschnitts 30 durch eine Leitung 36 den größten Teil des von seinem Protoniumgchalt teilweise befreiten, jedoch noch nraktisch die Gesamtmenge Tritium enthaltenden Deuteriums abzieht. Dieses Deuterium wird durch die Leitung 36 in die Kolonne 29 am Boden des Verarmungsabschnitls 33 eingeführt, aus der man durch eine Leitung 37 eine geringe Menge von an Tritium stark angereichertem Deuterium abzieht, während am Boden des Anreicherungsabschnitts 32 durch eine Leitung 38, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel einfach die Leitung3 der Fig. 1 ist, der Hauptteil des gleichzeitig von Protonium und Tritium teilweise befreiten Deuteriums abgezogen und zum Isotopenaustauscher zurückgeführt wird.

Bei den oben beschriebenen Anlagen wurden Chromatographiereinrichtungen mit beweglichem Bett benutzt.

Man kann jedoch auch, wie oben angegeben, die chromatographischc Behandlung in Kolonnen mit feststehendem Bett durchführen. Eine solche Anlage ist schematisch in Fig. 5 gezeigt, worin mit 39 eine Kolonne bezeichnet ist, die mit einer granulierten inerten Masse gefüllt ist, die eine bestimmte Menge Palladium enthält. Diese Kolonne kann mittels einer Heiz- und Kühlvorrichtung 40 nach Belieben insgesamt oder nur über Teilabschnitte ihrer Länge geheizt oder gekühlt werden.

Zu Beginn enthält diese Kolonne keinen Wasscrstoll und wird beispielsweise auf die Raumtemperatur gekühlt. Die von der Isotopcnaustauschreaktion kommende Gasmischung wird kontinuierlich durch eine Leitung 41 zugeführt. Sie wird auf dem Palladium der Füllung zurückgehalten, die sie!, so allmählich vom F.inlritt her sättigt, während das ursprünglich in den Zwischenräumen der Körner enthaltene Gas durch eine Leitung 42 aus der Kolonne entweicht. Wenn ein bestimmter Abschnitt der Kolonne, der von den gewünschten Anreicherungen abhängt, abgesättigt ist (wobei sich eine »Bande« von absorbiertem Wasserstoff ausbildet), wird die Zufuhr von Gas durch die Leitung 41 unterbrochen und die Kolonne allmählich auf etwa 200° C erhitzt, wobei man mit dem oberen Teil beginnt. Das Erhitzen bewirkt die Desorption des Wasserstoffs an der Rückseite der Bande, und dieser dcsorbicrlc Wasserstoff durchströmt die Kolonne (in F i g. 5 von oben nach unten) und wird vom Palladium an der Front (der Vorderseite) der Bande erneut absorbiert. Die Bande durchläuft also die Kolonne.

Wenn sie am Ende der Kolonne (in F i g. 5 unten) anlangt, beginnt der Wasserstoff die Kolonne in dem Maße zu verlassen, wie die erhitzte Zone sich diesem Ende nähert. Wegen der verschiedenen Affinitäten der drei Wassersloffisotopen gegenüber Palladium tritt eine Fraktionierung ein, wodurch nacheinander frei werden:

Ein Vorlauf, der an Tritium angereichert ist, eine Mittelfraktion, die aus gleichzeitig an Tritium und Protonium verarmtem Deuterium besteht,
ein Nachlauf, der an Protonium angereichert ist.

Um die Trennung dieser verschiedenen Fraktionen zu gewährleisten, kann man eine Steuervorrichtung C vorsehen, weiche die verschiedenen Fraktionen nacheinander in Leitungen 43, 44 und 45 weilerleitet, nachdem anfangs das in der Kolonne ursprünglich vorhandene Gas in die Leitung 42 geleitet wurde.

Die Steuervorrichtung C kann gesteuert werder durch die Anzeigen eines kontinuierlichen Analysators des ausströmenden Gases, der beispielsweise du Wärmeleitfähigkeit des Gases oder seine Radio aktivität (im Fall des Tritiums) mißt.

Die Mittelfraktion wird zu der Isotopenauslauschanlage schweres Wasser —Deuterium zurückgeführi. um erneut mit Protonium und Tritium beladen z:: werden.

Die bei Beendigung des Arbeitsganges in dem zwischen den Körnern vorhandenen Volumen der Kolonne 39 verbleibende kleine Menge von an Protonium angereichertem Deuterium kann gegebenenfalls durch ein Inertgas ausgespült werden, das durch eine Leitung 46 eingeführt und mit dem Nachlauf zusammen aufgefangen wird. Nach Beendigung de= Arbeitsganges wird die Kolonne gekühlt und ist zu erneuter Verwendung bereit.

Gemäß einer Abwandlung kann man aV Kolonne 39 in mehrere Kolonnen zerlegen, die getrennt ge heizt oder gekühlt werden können. Das erfindunasgemäße Verfahren zeichnet sich damit gegenübe:

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den bereits bekannten Verfahren durch seine einfache und bequeme Durchführbarkeit aus. Im ivigendcn sei an Hand eines Zahlenbeispiels die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Trennung der V/usserstoffisotopen 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 ao 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 as dazu der geforderte Anreicherungsfaktor im allgemeinen bei 1000 oder noch darüber liegt, muß die Anreicherungsabteilung in der 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 Verfahren noch sicherer und wirtschaftlicher gestaltet. Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbstverständlich verschiedene Abwandlungen erfahren, insbesondere kann die chromatographische Behändlung an einem physikalischen Absorbens bei tiefen Temperaluren vorgenommen werden.

Claims (10)

Patentansprüche: 55

1. Verfahren zum Reinigen von schwerern Wasser, das in einer kernteclinischcn Anordnung oder in einem Kemteaklor gebraucht wird, um das im schweren Wasser enthaltene I'rotonium (H) und Tritium (T) daiaus zu entfeinen, dadurch gekennzeichnet, daß man kontinuierlich eine Teilmenge des schweren Wassers des Kernreaktors oder der kerntechnischen Anordnung abnimmt, den Gehalt der abgenommenen Teilmenge an Piotoniuni 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 Isotopenaüstauschreaktion zurückführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das an Protonium und Tritium angereicherte, von der Isotopenaüstauschreaktion 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 Pro'ontum 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 Isotopenaüstauschreaktion 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 Anreicherungsabschnitl (21) und einen Verarmungsabschnitt (22) aufweist, am Kopf des Verarmungsabschnitts eingeführt wird, daß im unteren Teil des Verarmungs abschnitts (22) dieser zweiten Kolonne eine ge ringe Menge von an Protonium stark angereichertem Deuterium (26) und am Kopf des Anreiche rungsabschnitts (21) der Hauptteil des von Tri tium und Protonium befreiten Deuteriums (25 abgezogen werden und daß letzterer zum Isoto penaustauscher zurückgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch ge kennzeichnet, daß das von der Isotopenaus tauschreaktion kommende, an Protonium um Tritium angereicherte gasförmige Deuterium (34 in eine erste Fraktionierkolonne (28), die einet Anreicherungsabschnitt (30) und einen Verar mungsabschnitt (31) aufweist, am Kopf des Ver armungsabschnitts eingeführt wird, daß im unte ren Teil dieses Verarmungsabschnitts eine gering Menge von an Protonium stark angereicherter Deuterium (35) und im oberen Teil des Anreiche rungsabschnitts (30) der gleichen Kolonne de Hauptteil des von seinem Protoniumgehah teil weise befreiten Deuteriums (36) abgezogen wer den und letzterer in eine zweite, einen Anreiche rungsabschnitt (32) und einen Verarmungsab schnitt (33) aufweisende Fraktionierkolonne (29 am Kopf des Anreicherungsabschnitts eingefühi wird, während am Kopf des Veraimungsabschnitl (33) der zweiten Kolonne eine geringe Menge vo an Tritium stark angereichertem Deuterium (3"! und im unteren Teil des Anrcidicrungsabsclinitl (32) derselben Kolonne (29) der Hauptlcil de

von Protonium und Tritium befreiten Deuteriums (38) abgezogen werden, und daß letzterer zum Isotopenaustauscher zurückgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fraktionierkolonnen von einem gekörnteil 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 (sotopenaustausch kommende, an Protonium und Tritium angereicherte gasförmige Deuterium (41) am Kopf einer ein Festbett von gekörntem Feststoff enthalten- »j den 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 (4S) abgezogen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch as 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 Isotopenanreicherungsverfahtsn 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 tsotopenaustauschmaterial 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