DE19722111C2 - Simulator für unterirdische Umgebungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Simulator für unterirdische Umgebungen, durch welchen unterirdische Um­ gebungen von Räumen simuliert werden, die zur Lagerung radio­ aktiven Abfalls oder dergleichen verwendet werden. Genauer bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Simulator für unterirdische Umgebungen mit einem Kasten, dessen Atmo­ sphäre steuerbar ist und bei welchem ein Stocken des Gass­ troms innerhalb des Kastens im wesentlichen nicht auftritt.

Seit kurzem werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt, welche die Lagerung aus dem Nuklearbrennstoffzyklus stammen­ der hochradioaktiver Abfälle betreffen. Bei derartigen Unter­ suchungen besteht eine zunehmende Nachfrage nach der Verwirk­ lichung einer Simulation einer unterirdischen Umgebung (mit einer geringen Sauerstoffkonzentration und einer gegebenen­ falls geringen Kohlendioxidgaskonzentration) in einer Tiefe von einigen Hundert Metern oder mehr, in welcher derartige Abfälle gelagert werden, und nach der Durchführung von Expe­ rimenten in einer derartigen Umgebung.

Derartige Experimente werden unter Verwendung eines herme­ tisch abgeschlossenen Kastens durchgeführt, wobei die Atmo­ sphäre im Innern von der Umgebung isoliert werden kann. Wenn das radioaktive Material im Kasten behandelt wird, wird das Innere des Kastens immer auf einem Unterdruck gehalten, um einen Austritt des radioaktiven Materials nach außen zu ver­ hindern. Zur Steuerung der Atmosphäre im Kasten sind ein Ein­ laßrohr und ein Auslaßrohr an einer Außenwand des Kastens be­ reitgestellt, eine Gassteuerungseinheit an ein derartiges Einlaßrohr und Auslaßrohr angeschlossen, und somit ist ein Simulator für unterirdische Umgebungen aufgebaut.

Bislang wird in einer derartigen Experimentiervorrichtung ein Vakuumzustand erreicht, indem das Gas im Innern des herme­ tisch abgeschlossenen Kastens 51 abgelassen wird oder die meisten Teile des Sauerstoff- und Kohlendioxidsgases entfernt werden, indem ein Inertgas wie Stickstoff aus einer Inertgas­ zuführungseinheit 52 eingeleitet wird, nachdem das Kastenin­ nere mit Stickstoff bei gewöhnlichem Druck wie in Fig. 3 ge­ zeigt gespült wurde. Nachfolgend wird, während das in den hermetisch abgeschlossenen Kasten 51 eingeleitete Inertgas zusammen mit dem verbliebenen Sauerstoff- und Kohlendioxidgas zirkuliert, der verbliebene Sauerstoff durch eine im Zirkula­ tionsweg bereitgestellte Desoxygenierungseinheit 53 entfernt. Weiterhin werden Feuchtigkeit und das verbliebene Kohlendi­ oxidgas durch eine parallel geschaltete Wasseradsorptionsein­ heit 54 und eine Kohlendioxidgasadsorptionseinheit 55 ent­ fernt. Als Ergebnis wird eine unterirdische Umgebung einer außerordentlich tiefen Stelle mit außerordentlich geringer Sauerstoff- und Kohlendioxidgaskonzentration erhalten (vgl. japanische Offenlegungsschrift JP 03071040 A).

Tatsächliche unterirdische Umgebungen sind jedoch entspre­ chend der Tiefe und den geologischen Merkmalen hinsichtlich der Kohlendioxidgaskonzentration unterschiedlich, obwohl die Sauerstoffkonzentrationen ähnlich gering sind, ohne wesent­ lich von der Temperatur beeinflußt zu werden. Wenn tatsächli­ che unterirdische Umgebungen, welche wie vorstehend hinsicht­ lich der Gaskonzentration unterschiedlich sind, genauer simuliert werden sollen, ist die vorstehend beschriebene fortlau­ fende Entfernung von Sauerstoff- und Kohlendioxidgas durch Zirkulation unzureichend. Insbesondere die Kohlendioxidgas­ konzentration ist ein Faktor, durch welchen experimentelle Ergebnisse von radioaktiven Abfällen selbst bei einer nur ge­ ringen Änderung davon stark beeinflußt werden, und für sehr genaue Experimente ist eine Simulation der unterirdischen Um­ gebungen mit gesteuerter oder variierter Kohlendioxidgaskon­ zentration erforderlich.

Zusätzlich muß auch in einem hermetisch abgeschlossenen Ka­ sten die Atmosphäre gesteuert werden, damit eine vorbestimmte Gaszusammensetzung gleichförmig und stabil erhalten bleibt. Jedoch könnten durch eine bloße Einstellung der Anschlußstel­ len des Gaseinlaßrohrs und des Auslaßrohrs relativ zur Außen­ wand des hermetisch abgeschlossenen Kastens kaum gleichförmi­ ge Verteilungen der durch diese Rohre im Kasten zirkulieren­ den Gase erreicht werden. Beispielsweise kann ein bestimmtes Gas ungleichförmig an den Eckstellen des Kastens verteilt sein.

Genauer ist ein derartiger hermetisch abgeschlossener Kasten mit Öffnungen für Handschuhe, welche für experimentelle Vor­ gänge benötigt werden, einem Überwachungsfenster, Anschlüssen zum Anschluß von externer Meßausrüstung und anderem bereitge­ stellt, und diese Abschnitte besitzen versiegelnde Bereiche, damit der Eintritt von externer Luft verhindert wird. Obwohl derartige versiegelnde Bereiche Versiegelungsmaterialien wie natürlichen Gummi, Neobutylen, Teflon, hydrochlorierten Gummi und Butylgummi umfassen, kann Luftsauerstoff derartige Ver­ siegelungsmaterialien durchdringen und in das Kasteninnere eintreten. Zusätzlich kann, da das Innere des zur Behandlung radioaktiver Materialien verwendeten Kastens unter einen Un­ terdruck gesetzt wird, externe Luft durch die versiegelnden Bereiche in den Kasten eintreten, wenn dort eine Beschädigung auftritt. Als Ergebnis des Einströmens oder des Eintritts von Sauerstoff oder dergleichen durch ein derartiges Hindurch­ dringen können die Gaskonzentrationen an Stellen nahe der In­ nenwände des Kastens leicht ungleichförmig werden. Weiterhin kann beim Auftreten von Wanderung oder Verwirbelung im Gass­ trom im Kasten die Innenatmosphäre während des Betriebs kaum bei der vorgegebenen Zusammensetzung gehalten werden, und es ist ein langer Zeitraum beim Beginn des Betriebs notwendig, um eine vorbestimmte Innenatmosphäre zu erhalten.

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Simulator für unterirdische Umgebungen bereitzustellen, welcher einen hermetisch abgeschlossenen Kasten aufweist, in dem die Kohlendioxidgaskonzentration auf einen wählbares Ni­ veau eingestellt und die Atmosphäre stabil bei gleichförmigen Bedingungen gehalten werden kann.

Die vorstehend beschriebene Aufgabe wird durch einen erfin­ dungsgemäßen Simulator für unterirdische Umgebungen gelöst, umfassend:
einen hermetisch abgeschlossenen Kasten, dessen Innenatmo­ sphäre von der Umgebung isoliert ist und mit einem zirkulie­ renden Gas gesteuert wird;
eine Inertgaszuführeinheit, durch welche ein Inertgas in das zirkulierende Gas eingeleitet wird;
eine Konzentrationsmessungseinrichtung zur Messung der Kon­ zentration jedes Gasbestandteils im zirkulierenden Gas;
einen Knallgasreaktor mit einem Edelmetallkatalysator, in welchem Wasserstoff, der als Reaktion auf die Sauerstoffkon­ zentration im zirkulierenden Gas eingeleitet wurde, mit dem Sauerstoff umgesetzt wird; und
eine Kohlendioxidgaszuführeinrichtung, durch welche Kohlendi­ oxidgas in das zirkulierende Gas eingeleitet wird, um so eine vorbestimmte Kohlendioxidgaskonzentration im zirkulierenden Gas zu erhalten.

Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann während der Entfernung von Sauerstoff aus der zirkulierenden Gaszu­ sammensetzung durch den Knallgasreaktor die Kohlendioxidgas­ konzentration im zirkulierenden Gas gemessen und durch Ein­ leitung von Kohlendioxidgas in das zirkulierende Gas auf ein vorbestimmtes Niveau eingestellt werden. Die Kohlendioxidgas­ konzentration kann daher innerhalb eines kleinen Konzentrati­ onsbereichs gesteuert werden, und verschiedene unterirdische Umgebungen können durch Variation der Kohlendioxidgaskonzen­ tration auf ein wählbares Niveau genau simuliert werden.

Vorzugsweise sollte der hermetisch abgeschlossene Kasten prismatisch und am unteren Abschnitt der prismatischen Struk­ tur mit einer Gaszuführeinrichtung sowie am oberen Abschnitt der prismatischen Struktur mit einer Gasauslaßeinrichtung ausgerüstet sein, wobei die Gaszuführeinrichtung so aufgebaut ist, daß ein aufwärts fließender Gasstrom entlang der inneren Oberflächen mindestens zweier aufrechter Wände des Kastens erzeugt wird. Hierbei bedeutet der Ausdruck "prismatisch" "quadratisch" oder "gewinkelt", und typische Beispiele "prismatischer" dreidimensionaler Körper schließen solche ein, welche sechs Platten umfassen, d. h. eine Bodenplatte, eine Deckplatte, eine Vorderplatte, eine Rückplatte, eine linke Platte und eine rechte Platte. Derartige "prismatische" dreidimensionale Körper schließen auch Parallelflächner, bei welchen jedes Paar benachbarter Platten einen rechten Winkel bilden; dreidimensionale Körper, welche sechs Platten derart umfassen, daß die Vorderplatte relativ zur Boden- und Deck­ platte geneigt ist; dreidimensionale Körper, welche sechs Platten derart umfassen, daß die Vorderplatte teilweise rela­ tiv zur Deckplatte geneigt ist; und andere ein. Weiterhin be­ zeichnet der Begriff "aufrechte Wand" eine Wand wie die Vor­ der-, Rück-, linke oder rechte Platte, aus welchen ein derar­ tiger prismatischer dreidimensionaler Körper aufgebaut ist.

Wenn ein aufwärts strömender Gasstrom von einer tieferen Stelle einer aufrechten Wand aus entlang ihrer Innenoberflä­ che erzeugt wird, können Sauerstoff und andere Gase, welche durch die Plattenoberflächen in den Kasten eintreten und leicht nahe der Plattenoberflächen bleiben, zur Zirkulation gezwungen werden.

Wenn zusätzlich die Gaszuführeinrichtung so angebracht ist, daß sich in mindestens einer Ecke im oberen Abschnitt der prismatischen Struktur des hermetisch abgeschlossenen Kastens ein umwälzender Gasstrom bildet, kann der von der unteren Stelle der aufrechten Wand entlang ihrer Innenoberfläche auf­ wärts strömende Gasstrom nahe der Ecke im oberen Abschnitt der prismatischen Struktur umgewälzt werden.

Weiterhin ist der obere Abschnitt der prismatischen Struktur vorzugsweise geneigt, so daß sich der Gasstrom bereitwillig krümmt. Auf diese Weise wird der Gasstrom an den oberen Ab­ schnitten der prismatischen Struktur nicht abgetrieben.

Darüber hinaus ist die Gaszuführeinrichtung vorzugsweise ein Rohr, das an einer Ecke der prismatischen Struktur angebracht ist und entlang des Rohrs ausgebildete Gasströmungsöffnungen besitzt. Durch Steuerung der Richtungen der Rohröffnungen kann man das Zuführgas in einer vorbestimmten Richtung ein­ strömen lassen. Zusätzlich kann ein gleichmäßiger Gasstrom entlang der Innenoberfläche einer aufrechten Wand erzeugt werden, indem man das Zuführgas aus einer größeren Zahl von Gasströmungsöffnungen einströmen läßt.

Weiterhin kann, wenn der Abschnitt des Rohrs in der prismati­ schen Struktur drehbar angeordnet ist, die Richtung der Gasströmungsöffnungen nach Belieben verändert und die Rich­ tung des Strömungsgases auf eine vorbestimmte Richtung vari­ iert werden.

Weiterhin können, wenn der Knallgasreaktor mit einer Heizein­ richtung ausgestattet ist, der Edelmetallkatalysator und das zirkulierende Gas erhitzt werden, um die Adsorption von Koh­ lendioxidgas am Edelmetallkatalysator ausreichend zu verhin­ dern. Entsprechend kann die Kohlendioxidgaskonzentration auf ein ausgesprochen niedriges Niveau wie 100 ppm oder weniger fein eingestellt werden.

Zusätzlich umfaßt der Edelmetallkatalysator im Knallgasreak­ tor vorzugsweise einen anorganischen Träger mit einer spezi­ fischen Oberfläche von 250 m²/g oder weniger. Durch Verwen­ dung eines anorganischen Trägers für den Edelmetallkatalysa­ tor kann die Adsorption von Kohlendioxidgas am Edelmetallka­ talysator ausreichend verhindert und die Kohlendioxidgaskon­ zentration auf ein ausgesprochen niedriges Niveau wie 100 ppm oder weniger fein eingestellt werden.

Weiterhin wird vorzugsweise ein Überschuß an Wasserstoff in das zirkulierende Gas eingeleitet, um durch eine Nebenreakti­ on zwischen Wasserstoff und Kohlendioxidgas im Knallgasreak­ tor Methan zu erzeugen, so daß die Methankonzentration nach Belieben gesteuert werden kann. Genauere unterirdische Umge­ bungen können simuliert werden, indem eine Funktion zur Er­ zeugung von Methan, welches in unterirdischen Umgebungen vor­ handen sein kann, erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend anhand einer be­ vorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die begleiten­ den Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Beispiels eines erfindungsgemäßen Si­ mulators für unterirdische Umgebungen;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen der spezifischen Fläche des Trägers eines Edelmetallkatalysators und der Sauerstoffkonzentration (beim Säuleneinlaß) und zwischen ersterem und der unterschiedlichen Kohlendioxidgas­ konzentration (zwischen einem Säuleneinlaß und einem Säulen­ auslaß);

Fig. 3 den Aufbau eines herkömmlichen Simulators für unterir­ dische Umgebungen;

Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht der linken Seite eines beispielhaften erfindungsgemäßen hermetisch abge­ schlossenen Kastens;

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht der Obersei­ te eines beispielhaften erfindungsgemäßen hermetisch abge­ schlossenen Kastens;

Fig. 6 und 7 schematische Seitenrißansichten von erfindungs­ gemäßen hermetisch abgeschlossenen Kasten; und

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Beispielsystems zum Betrieb eines hermetisch abgeschlossenen Kastens gemäß Fig. 7.

Nachstehend wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorlie­ genden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 1 veranschaulicht.

Wie in Fig. 1 gezeigt hat der erfindungsgemäße Simulator für unterirdische Umgebungen einen hermetisch abgeschlossenen Ka­ sten 1, dessen Atmosphäre von der Umgebung isoliert ist, so­ wie einen Gaszirkulator 2, durch welchen vorbestimmte Gase wie Kohlendioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂) eingeleitet und abgezogen werden. Der hermetisch abgeschlossene Kasten 1 ist mit einem Einlaß 1a und einem Auslaß 1b bereitgestellt, wel­ che mit dem Gaszirkulator 2 verbunden sind. An der Rohrlei­ tung zwischen dem Auslaß 1b und dem Gaszirkulator 2 sind ein Auslaßsteuerungsventil 4 und eine Abgasdrucksteuerungsein­ richtung 5 derart bereitgestellt, daß die Abgasdrucksteue­ rungseinrichtung 5 den aus dem hermetisch abgeschlossenen Ka­ sten 1 stammenden Gasdruck überwacht und der überwachte Gas­ druck auf einen vorbestimmten Gasdruck eingestellt wird, in­ dem die Größe der Öffnung des Auslaßsteuerungsventils 4 ein­ gestellt wird.

Weiterhin ist das Auslaßsteuerungsventil 4 mit der Einlaßsei­ te der Gaszirkulationsleitung 6 des Gaszirkulators 2 verbun­ den. An der Einlaßseite der Gaszirkulationsleitung 6 sind die folgenden Bestandteile in der beschriebenen Reihenfolge von der Einlaßseite her angeordnet: Eine Drucksteuerungseinrich­ tung 10 für das zirkulierende Gas zur Überwachung des Gas­ drucks; eine Abgasauslaßleitung 7, durch welche das zirkulie­ rende Gas, das Gasbestandteile wie Kohlendioxidgas enthält, nach außen abgelassen wird, ein Zirkulationsleitungsöff­ nungs/verschlußventil 11, durch welches die Gaszirkulation angehalten werden kann; und eine N₂-Gaszuführleitung 12 (Inertgaszuführteil), durch welche Stickstoffgas in die Gas­ zirkulationsleitung 6 eingeleitet wird.

Hierbei hat die Stickstoff-(N₂)-Gaszuführleitung 12 ein Stickstoff-(N₂)-Gassteuerungsventil 14, wobei die Größe der Öffnung des N₂-Gassteuerungsventils 14 durch die vorstehend beschriebene Drucksteuerungseinrichtung 10 für das zirkulie­ rende Gas eingestellt wird, während es mit einem Abgassteue­ rungsventil 9 verriegelt ist, und somit wird Stickstoffgas in die Gaszirkulationsleitung 6 in einer Menge eingeleitet, wel­ che proportional zur Größe der Ventilöffnung ist. Das Zirku­ lationsgas, in welches das Stickstoffgas aus der Stickstoff- (N₂)-Gaszuführleitung 12 auf diese Weise eingeleitet wird, wird in einem Gaskompressorsystem 20 zum Strömen gebracht. Das Gaskompressorsystem 20 hat einen Lüfter 15a.

Im Anschluß an das Gaskompressorsystem 20 ist ein Kohlendi­ oxidgasadsorptionssystem 21 angeordnet, in welchem Kohlendi­ oxidgas aus dem zirkulierendem Gas adsorbiert wird. Das Koh­ lendioxidgasadsorptionssystem 21 hat eine Öffnung 18 und eine CO₂-Adsorptionsvorrichtung 19, welche zur Öffnung 18 parallel geschaltet ist. Weiterhin sind Ventile 25 an der Einlaßlei­ tung und der Auslaßleitung der CO₂-Adsorptionsvorrichtung 19 angeordnet. Im Kohlendioxidgasadsorptionssystem 21 werden, wenn die CO₂-Konzentration auf einem Niveau unterhalb 1 ppm gehalten werden soll, die Ventile 25 als Reaktion auf Be­ triebsparameter wie die CO₂-Konzentration im zirkulierendem Gas geöffnet oder geschlossen, und das Kohlendioxidgas im zirkulierenden Gas wird von der CO₂-Adsorptionsvorrichtung 19 adsorbiert, während die Ventile geöffnet sind.

Zusätzlich sind eine CO₂-Gaszuführleitung 26 (in der Kohlen­ dioxidgaszuführeinrichtung eingeschlossen) und eine Mischgas- (N₂/H₂)-Zuführleitung 27 nach dem Kohlendioxidgasadsorptions­ system 21 angeordnet. Die CO2-Gaszuführleitung 26 und die Mischgas-(N₂/H₂)-Zuführleitung 27 sind jeweils mit einem CO₂- Steuerungsventil 28 und einem N₂/H₂-Steuerungsventil 29 und zusätzlich mit jeweils einer CO₂-Gasstromsteuerungsein­ richtung 30 und einer N₂/H₂-Gasstromsteuerungseinrichtung 31 ausgerüstet. Die CO₂-Gasstromsteuerungseinrichtung 30 dient zum Erreichen einer Konzentration an im zirkulierenden Gas vorhandenem Kohlendioxid, welche durch eine Bedienungsperson vorbestimmt ist, indem sie nämlich zum Einstellen der Größe der Öffnung des CO₂-Steuerungsventils 28 auf ein Niveau dient, welches einem Befehlswert aus einer nachstehend be­ schriebenen Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 (in der Kohlendioxidgaszuführeinrichtung eingeschlossen) wie einem Personal Computer entspricht, und dadurch wird Kohlendioxid­ gas in das zirkulierende Gas mit einer dem Befehlswert ent­ sprechenden Gasströmungsrate eingeleitet. Andererseits dient die N₂/H₂-Gasstromsteuerungsvorrichtung 31 zur Einstellung der Größe der Öffnung des N₂/H₂-Steuerungsventils 29 entspre­ chend einem Befehlswert von der Informationsverarbeitungsvor­ richtung 40. Wenn die Erzeugung von Methangas erforderlich ist, wird das Ventil der Mischgas-(N₂/H₂)-Zuführleitung 27 weit geöffnet, um weiterhin das N₂/H₂-Gas im Überschuß rela­ tiv zur Sauerstoffkonzentration einzuleiten, und Methangas wird durch eine Nebenreaktion zwischen Kohlendioxidgas und Wasserstoffgas in einem nachstehend beschriebenen Knallgasre­ aktor 34 erzeugt.

Weiterhin läßt man das vorstehend beschriebene zirkulierende Gas in ein Knallgasreaktionssystem 22 strömen, in welchem Sauerstoff und Wasserstoff im zirkulierenden Gas zur Entfer­ nung des Sauerstoffs miteinander umgesetzt werden (2 H₂ + O₂ → 2 H₂O) Das Knallgasreaktionssystem 22 hat in seinem vorde­ ren Teil ein Gasmischgerät 32, welches das Kohlendioxidgas und das in das zirkulierende Gas eingeleitete N₂/H₂-Gas mischt. In seinem hinteren Teil sind nach dem Gasmischgerät 32 eine Vorheizvorrichtung 33a (in der Heizeinrichtung einge­ schlossen) zum Erhitzen des zirkulierenden Gases und ein Knallgasreaktor 34 zur Umsetzung von Sauerstoff und Wasser­ stoff aus dem zirkulierenden Gas in der beschriebenen Reihen­ folge bereitgestellt. Der Knallgasreaktor 34 enthält einen Edelmetallkatalysator, welcher einen anorganischen Träger um­ faßt, zur Beschleunigung der Knallgasreaktion, wobei der an­ organische Träger dafür vorgesehen ist, die Kohlendioxidgas­ adsorption am Edelmetallkatalysator zu verhindern und deshalb eine spezifische Oberfläche von 250 m²/g oder weniger und vorzugsweise von 100 m²/g oder weniger hat.

Nebenbei kann als anorganischer Träger ein Material, welches aus der Gruppe, bestehend aus gesintertem Siliciumoxid, Alu­ miniumoxid und SiC, ausgewählt wurde, sowie ein kombiniertes Material, welches zwei oder mehr von diesen umfaßt, verwendet werden. Des weiteren bezeichnet der Begriff "spezifische Oberfläche" die Oberfläche eines Partikels pro Masseneinheit, und daher kann, wenn Katalysatoren aus dem gleichen Material gemacht sind, der Katalysator mit einer größeren spezifischen Oberfläche eine höhere Aktivität aufweisen. Zusätzlich beste­ hen Beziehungen wie in Fig. 2 gezeigt zwischen der spezifi­ schen Oberfläche eines Trägers eines Edelmetallkatalysators und der Sauerstoffkonzentration (am Säuleneinlaß) sowie zwi­ schen ersterem und der unterschiedlichen Kohlendioxidgaskon­ zentration (zwischen einem Säuleneinlaß und einem Säulenaus­ laß). Wenn die spezifische Oberfläche des Trägers wie in die­ ser Ausführungsform 250 m²/g oder weniger beträgt, kann die Sauerstoffkonzentration auf einem Niveau von 0,1 ppm oder we­ niger gehalten und der Unterschied in der Kohlendioxidgaskon­ zentration, der durch die Adsorption von Kohlendioxidgas ver­ ursacht wird, auf einige wenige ppm oder weniger einge­ schränkt werden. Als Ergebnis kann der Reaktor ausreichend praktikabel sein. Darüber hinaus kann der Reaktor, wenn die spezifische Oberfläche des Trägers 100 m²/g oder weniger be­ trägt, eine außerordentlich verbesserte Stabilität besitzen.

Tatsächlich betrug, wie in Tabelle 1 gezeigt, in einem Fall der Verwendung von α-Aluminiumoxidpartikeln mit spezifischen Oberflächen von 0 bis 10 m²/g die Sauerstoffkonzentration am Einlaß 0,05 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Einlaß 12,35 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Auslaß 8,45 ppm und daher der Unterschied in der Kohlendioxidkonzentration 3,9 ppm. Andererseits betrug in einem Fall der Verwendung von kugelförmigen SiC-Trägerpartikeln mit spezifischen Oberflä­ chen von 0 bis 10 m²/g die Sauerstoffkonzentration am Einlaß 0,1 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Einlaß 4,55 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Auslaß 4,52 ppm und daher der Unterschied in der Kohlendioxidkonzentration 0,03 ppm. Des weiteren betrug in einem Fall der Verwendung von kugel­ förmigen SiC-Trägerpartikeln mit spezifischen Oberflächen von 100 m²/g oder weniger die Sauerstoffkonzentration am Einlaß 0,06 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Einlaß 4,78 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Auslaß 4,73 ppm und daher der Unterschied in der Kohlendioxidkonzentration 0,05 ppm. Im Gegensatz dazu betrug in einem Fall der Verwendung von γ- Aluminiumoxid-Trägerpartikeln mit spezifischen Oberflächen von 200 bis 300 m²/g die Sauerstoffkonzentration am Einlaß 0,05 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Einlaß 20 ppm, die Kohlendioxidkonzentration am Auslaß 0 ppm und daher der Un­ terschied in der Kohlendioxidkonzentration 20 ppm.

Tabelle 1

In einer Stelle in Nachbarschaft zum Knallgasreaktor 34, wel­ cher den vorstehend beschriebenen Träger enthält, ist eine Hauptheizvorrichtung 33b (in der Heizeinrichtung eingeschlos­ sen) zum Erhitzen der Edelmetallkatalysators und des zirku­ lierenden Gases angeordnet. Diese Hauptheizvorrichtung 33b und die Vorheizvorrichtung 33a erhitzen das zirkulierende Gas und den Edelmetallkatalysator auf eine gewünschte Temperatur, um die Adsorption von Kohlendioxidgas am Edelmetallkatalysator ausreichend zu unterbinden. Vorzugsweise sollte die Tem­ peratur, auf welche der Edelmetallkatalysator durch die Hauptheizvorrichtung 33b und die Vorheizvorrichtung 33a er­ hitzt wird, in einen Bereich von 100 bis 800°C fallen. Die Temperatur von 100°C ist der Siedepunkt von Wasser bei norma­ lem Atmosphärendruck und die untere Grenze für die Verwendung von Wasser in Form von Wasserdampf. Andererseits tritt bei einer Temperatur oberhalb von 800°C ein Einschmelzen von Me­ tall im Edelmetallkatalysator auf.

Nach dem Knallgasreaktor 34 ist ein Dampftrennungssystem 23 bereitgestellt, in welchem Wasser, welches im Knallgasreakti­ onssystem 22 erzeugt wurde, abgetrennt und aus dem zirkulie­ renden Gas entfernt wird. Das Dampftrennungssystem 23 hat in seinem vorderen Teil einen Kühler 35. Im Kühler 35 wird das im Knallgasreaktionssystem 22 erhitzte zirkulierende Gas ab­ gekühlt, um im zirkulierenden Gas erzeugte Wassermoleküle zu kondensieren. Im hinteren Teil nach dem Kühler 35 ist eine Dampftrennvorrichtung 36 angeordnet, durch welche das konden­ sierte Wasser und das zirkulierenden Gas jeweils in eine unte­ re Phase und eine obere Phase getrennt werden. Zusätzlich ist ein Ablaßbehälter 38 an den Boden der Dampftrennvorrichtung 36 durch ein Ablaßventil 37 angeschlossen, welches geöffnet wird, um Wasser aus der Dampftrennvorrichtung 36 in den Ab­ laßbehälter 38 abzulassen, wenn der Wasserpegel in der Dampf­ trennvorrichtung 36 eine vorbestimmte Höhe erreicht. Anderer­ seits ist an die Spitze des Dampftrennvorrichtung 36 ein Gas­ auslaßrohr 39 angeschlossen. Das Gasauslaßrohr 39 dient als Weg zur Abführung des in der oberen Phase der Dampftrennvor­ richtung 36 vorhandenen trockenen zirkulierenden Gases durch den Auslaß der Gaszirkulationsleitung 6 und zur Einleitung des abgeführten zirkulierenden Gases in den vorstehend ge­ nannten hermetisch abgeschlossenen Kasten 1.

Zusätzlich ist eine Gaskonzentrationsüberwachungsvorrichtung 41 (in der Konzentrationsmeßeinrichtung eingeschlossen) zur Überwachung der Konzentrationen an Sauerstoff, Wasserstoff und Kohlendioxidgas an das Gasableitungsrohr 39 angeschlos­ sen. Die Gaskonzentrationsüberwachungsvorrichtung 41 ist auch an die Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 angeschlossen und gibt Informationen an die Informationsverarbeitungsvor­ richtung 40 aus, welche jede Gaskonzentration betreffen. Des weiteren empfängt die Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 Eingangssignale aus einer Strömungsüberwachungsvorrichtung 17, welche die Überwachungsergebnisse der Gasströmungen be­ treffen, und zusätzlich aus jeweils einer Gasdrucküberwa­ chungsvorrichtung 42 und einer tiefen O₂-Überwachungs­ vorrichtung 43, welche zwischen der Kohlendioxid-(CO₂)-Gas­ zuführleitung 26 und der Mischgas-(N₂/H₂)-Gaszuführleitung 27 angeordnet sind, die Ergebnisse bezüglich einer Überwachung des Gasdrucks und der Sauerstoffkonzentration. Darüber hinaus gibt die Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 Befehlswer­ te, welche auf den Überwachungsergebnissen basieren, die von der vorstehenden Gaskonzentrationsüberwachungsvorrichtung 41 und den anderen Vorrichtungen geschickt wurden, an die CO₂- Gasstromsteuerungsvorrichtung 30 und die N₂/H₂-Gasstromsteu­ erungsvorrichtung 31 aus, um Kohlendioxidgas und N₂/H₂-Gas in das zirkulierende Gas entsprechend der durch eine Bedienungs­ person vorbestimmten Kohlendioxidgaskonzentration einzulei­ ten, und führt verschiedene Steuerungsvorgänge und Überwa­ chungsvorgänge wie die Temperatureinstellung der Vorheizvor­ richtung 33a und Hauptheizvorrichtung 33b durch.

Basierend auf dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird die Funktionsweise des Simulators für unterirdische Umgebungen nachstehend veranschaulicht.

Zunächst gibt eine Bedienungsperson einen gewünschten Kohlen­ dioxidkonzentrationswert in die Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 ein. Anschließend wird ein Befehl zum Betrieb des Gaszirkulators 2 in die Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 eingegeben und das im hermetisch abgeschlossenen Kasten 1 sowie der Gaszirkulationsleitung 6 vorhandene Gas in eine Vorrichtungsabgasleitung abgeleitet. Danach wird, wenn ein vorbestimmter Vakuumgrad erreicht ist, ein Vorgang zur Steue­ rung der Kohlendioxidgaskonzentration begonnen.

Im einzelnen wird der Lüfter 15a im Gaskompressorsystem 20 betrieben, während Stickstoffgas aus der Stickstoff-(N₂)- Gaszuführleitung 12 in das zirkulierende Gas eingeleitet wird, und dadurch das zirkulierende Gas aus dem hermetisch abgeschlossenen Kasten 1 in die Gaszirkulationsleitung 6 des Gaszirkulators 2 zurückgeführt. Wenn der vorbestimmte Kohlen­ dioxidkonzentrationswert zu niedrig ist, als daß er durch die Informationsverarbeitungsvorrichtung 40 gesteuert werden könnte, werden die Ventile 25 im Kohlendioxidgasadsorptions­ system 21 geöffnet, damit Kohlendioxidgas von der CO₂-Gas­ adsorptionsvorrichtung 19 adsorbiert wird.

Wenn andererseits der Kohlendioxidkonzentrationswert inner­ halb eines steuerbaren Bereichs vorgegeben wird, bleiben die Ventile 25 geschlossen, und Befehlswerte werden von der In­ formationsverarbeitungsvorrichtung an die Gasstromsteuerungs­ vorrichtungen 30 und 31 in jeweils der Kohlendioxid-(CO₂)- Gaszuführleitung 26 und der Mischgas(N₂/H₂)-Zuführleitung ausgegeben, so daß die Parameter wie die durch die Gaskonzen­ trationsüberwachungsvorrichtung 41 überwachte Kohlendioxid­ gaskonzentration auf die von der Bedienungsperson vorbestimm­ ten Werte eingestellt werden. Anschließend werden die Größen der Öffnungen der Steuerungsventile 28 und 29 von den Gas­ stromsteuerungsventilen 30 und 31, welche jeweils den Be­ fehlswert empfangen haben, gesteuert und dadurch Kohlendi­ oxidgas und N₂/H₂-Gas entsprechend der Größen der Ventilöff­ nungen in das zirkulierende Gas eingeleitet.

Danach werden die vorstehend beschriebenen Komponenten im zirkulierenden Gas im Knallgasreaktionssystem 22 gemischt, um Sauerstoff mit Wasserstoff im Knallgasreaktor in Gegenwart eines Edelgaskatalysators umzusetzen. Hierbei kann, da der Edelmetallkatalysator und das zirkulierende Gas durch eine Vorheizvorrichtung 33a und eine Hauptheizvorrichtung 33b er­ hitzt werden und der Edelmetallkatalysator einen Träger um­ faßt, die Adsorption von Kohlendioxidgas am Edelmetallkataly­ sator ausreichend verhindert werden. Nachdem der Sauerstoff durch Einschluß in Wassermoleküle gemäß der vorstehend be­ schriebenen Knallgasreaktion entfernt ist, werden die Wasser­ moleküle im Dampftrennsystem 23 abgekühlt und kondensiert und nach Lagerung in der Dampftrennvorrichtung 36 in den Ablaß­ tank 38 abgelassen. Andererseits wird das in der oberen Phase der Dampftrennvorrichtung 36 vorhandene zirkulierende Gas aus dem Gaszirkulator 2 über das Gasableitungsrohr 39 in den her­ metisch abgeschlossenen Kasten 1 eingeleitet.

Auf die vorstehende Weise wird in der unterirdischen Umge­ bung, während das zirkulierende Gas zwischen dem hermetisch abgeschlossenen Kasten 1 und dem Gaszirkulator 2 zirkuliert, Sauerstoff entfernt, die Kohlendioxidgaskonzentration über­ wacht und Kohlendioxidgas derart in das zirkulierende Gas eingeleitet, daß seine Konzentration ein vorbestimmtes Niveau erreicht. Als Ergebnis kann eine genaue unterirdische Umge­ bung mit einer gegebenenfalls gesteuerten Kohlendioxidgaskon­ zentration (1 ppm bis 50%) im hermetisch abgeschlossenen Ka­ sten 1 simuliert werden.

Zusätzlich wird, wenn Methangas in der simulierten unterirdi­ schen Umgebung vorhanden sein soll, N₂/H₂-Gas in einer im Verhältnis zum Sauerstoff deutlich überschüssigen Menge aus der Mischgas-(N₂/H₂)-Zuführleitung 27 eingeleitet und Methan­ gas durch eine Nebenreaktion zwischen Kohlendioxid und Was­ serstoff im Knallgasreaktor 34 erzeugt. Auf diese Weise kann Methangas, welches gelegentlich in natürlichen unterirdischen Umgebungen vorhanden ist, im Simulator für unterirdische Um­ gebungen erzeugt werden, und daher können unterirdische Umge­ bungen vom Simulator für unterirdische Umgebungen genauer si­ muliert werden. Beispielsweise haben viele Gasfelder oder dergleichen Methangasdrücke von 30,39.10⁶ Pa (300 atm) oder mehr und Kohlendioxidgaskonzentrationen von ein paar Prozent bis zu 10 plus ein paar Prozent, und mit dem erfindungsgemä­ ßen Simulator für unterirdische Umgebungen können derartige unterirdische Umgebungen genau simuliert werden, da die Koh­ lendioxidkonzentration selbst unter Bedingungen, in denen Methangas unter gewöhnlichem Druck enthalten ist, innerhalb eines Bereichs von 1 ppm bis 50% gesteuert werden kann.

Übrigens können, obwohl ein Fall unter Verwendung von Stick­ stoffgas als Inertgas in dieser Ausführungsform veranschau­ licht wurde, andere Inertgase wie Heliumgas anstelle von Stickstoffgas ebenfalls verwendet werden. Weiterhin ist der Simulator für unterirdische Umgebungen dieser Ausführungsform ebenfalls in Bereichen wie der Lagerung von nichtindustriel­ len/industriellen Abfällen, metallischem Treibstoff und Expe­ rimenten unter Verwendung von metallischem Natrium zusätzlich zum Bereich der Kernenergie, für welchen die Simulation von Umgebungen zur Lagerung radioaktiver Abfälle erforderlich ist, anwendbar. Zusätzlich ist, obwohl in dieser Ausführungs­ form ein hermetisch abgeschlossener Kasten 1 verwendet wird, das Material des hermetisch abgeschlossenen Kastens nicht be­ sonders eingeschränkt, so lange die Atmosphäre des hermetisch abgeschlossenen Kastens 1 von der Umgebung isoliert werden kann. Beispielsweise kann der hermetisch abgeschlossene Ka­ sten Plattenmaterialien wie metallische oder Acrylmaterialien und versiegelnde Elemente wie eine O-Ring-Dichtung umfassen.

Nun wird ein strukturelles Beispiel eines erfindungsgemäß verwendeten hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 und 5 veranschaulicht. Fig. 4 ist eine Ansicht der linken Seite des hermetisch abge­ schlossenen Kastens 1 und Fig. 5 eine Draufsicht desselben. Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt hat der hermetisch abgeschlossene Kasten 101 eine prismatische Struktur, welche sechs Platten umfaßt, nämlich eine Bodenplatte 111, eine Deckplatte 112, eine aufrechte Vorderplatte 113, eine aufrechte Rückplatte 114, eine aufrechte linke Platte 115 und eine nicht gezeigte aufrechte rechte Platte 116.

Der hermetisch abgeschlossene Kasten 101 ist mit den folgen­ den Elementen ausgerüstet, um als Atmosphärensteuerungsein­ heit zu dienen und Bedingungen für im Kasteninnern durchge­ führte Experimente bereitzustellen: Ein erstes Zuführrohr 102A, ein zweites Zuführrohr 102B, ein Gasausstoßrohr 103, ein Abgasrohr 104, Öffnungen mit eingepaßten Handschuhen 105, ein Überwachungsfenster 106 und eine fluoreszierende Lampe 107. Weiterhin ist der hermetisch abgeschlossene Kasten 101 auf der Deckfläche eines Ständers 109 befestigt. In diesem Beispiel ist das Innere des hermetisch abgeschlossenen Ka­ stens 101 durch eine Trennwand 132 in der Kastenmitte in zwei Räume geteilt. Die Trennwand 132 besitzt eine nicht gezeigte Tür, durch welche die Atmosphären der geteilten zwei Räume miteinander in Verbindung treten können.

Die Zuführrohre 102A und 102B sind Elemente der Gaszuführein­ richtung zur Einleitung von Gas wie Stickstoff in den herme­ tisch abgeschlossenen Kasten 101, umfassen hohle Rohre oder dergleichen, und sind an eine nicht gezeigte Zuführleitung außerhalb des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 ange­ schlossen.

Das Gasausstoßrohr 103 ist in der Gaszuführeinrichtung einge­ schlossen, erzeugt Gasströme und ist an die nicht gezeigte Zuführleitung angeschlossen.

Das Abgasrohr 104 ist in einer Abgaseinrichtung eingeschlos­ sen und dient als Auslaß des hermetisch abgeschlossenen Ka­ stens 101. Zusätzlich ist das Abgasrohr 104 an eine nicht ge­ zeigte Gassteuerungseinheit angeschlossen und unterbindet ein Austreten schädlicher radioaktiver Materialien oder derglei­ chen aus dem hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 durch eine geeignete Aufrechterhaltung des Unterdrucks im hermetisch ab­ geschlossenen Kasten 101.

Mehrere Öffnungen mit eingepaßten Handschuhen 105 sind in der Vorderplatte und der Rückplatte des hermetisch abgeschlosse­ nen Kastens 101 auf eine Weise bereitgestellt, daß sie aus dem hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 herausragen. Die in die Öffnungen mit eingepaßten Handschuhen mit einem versie­ gelnden Material einzupassenden Handschuhe 105a umfassen ein weiches Gummimaterial oder dergleichen, und Bedienungsperso­ nen von Experimenten können ihre Arme durch die Handschuhe in den hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 einführen, um ra­ dioaktive Materialien, Instrumente und andere im hermetisch abgeschlossenen Kasten aufgestellte Artikel zu behandeln.

Das Überwachungsfenster 106 ist ein Element zur Beobachtung und Überwachung des Innern des hermetisch abgeschlossenen Ka­ stens und in der Rückplatte des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 unter Verwendung eines versiegelnden Materials bereitgestellt. In diesem strukturellen Beispiel ist ein run­ des Fenster als Überwachungsfenster 106 eingesetzt.

Die fluoreszierende Lampe 107 beleuchtet das Innere des her­ metisch abgeschlossenen Kastens 101 und ermöglicht eine ein­ fache Überwachung des Innern. In diesem strukturellen Bei­ spiel ist ein transparenter Körper zur Beleuchtung des Innern des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 an der Deckplatte des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 unter Verwendung eines versiegelnden Materials angebracht.

Wie vorstehend beschrieben sind viele Elemente in Platten, aus welchen der hermetisch abgeschlossene Kasten 101 aufge­ baut ist, bereitgestellt und mit dazwischen liegenden versie­ gelnden Teilen, welche mit den Platten des hermetisch abge­ schlossenen Kastens 101 in Berührung stehen, derart befe­ stigt, daß der Eintritt von Außenluft unterbinden ist. Sauer­ stoff und andere Moleküle in der Atmosphärenluft können je­ doch durch die Textur der versiegelnden Materialien, bei­ spielsweise natürlicher Gummi und Neopren, aus denen die ver­ siegelnden Teile aufgebaut sind, in den hermetisch abge­ schlossenen Kasten eintreten, und weiterhin kann durch eine Beschädigung oder dergleichen der versiegelnden Teile ein Eindringen des Außengases in den hermetisch abgeschlossenen Kasten hervorgerufen werden. Als Ergebnis können die Gaskon­ zentrationen an Stellen innerhalb des hermetisch abgeschlos­ senen Kastens 101 in der Nähe der Platten leicht ungleichför­ mig werden. Darüber hinaus strömt ein Gas nicht bereitwillig an den zwischen der Bodenplatte 111 oder der Deckplatte 112 und den aufrechten Platten 113 bis 116 ausgebildeten Ecken des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101, und daher wird der Gasstrom leicht zur Mitte des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 abgetrieben.

Um derartige Probleme zu lösen, sind das erste Zuführrohr 102A und das zweite Zuführrohr 102B an den unteren Ecken des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 angebracht.

In diesem strukturellen Beispiel ist das erste Zuführrohr 102A an der zwischen der Platte 111 und der Platte 114 im hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 ausgebildeten Ecke 118 und das zweite Zuführrohr 102B an der zwischen der Platte 111 und der Platte 113 im hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 ausgebildeten Ecke 117 angebracht, und jedes Rohr liegt senk­ recht zur Zeichenebene von Fig. 4. Auf den Oberflächen des ersten Zuführrohrs 102A und des zweiten Zuführrohrs 102B sind kleine Öffnungen, beispielsweise kleine Löcher, zum Gasaus­ stoß entlang dem Rohr senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4 ausgebildet und dienen als Gasausstoßöffnungen 102c.

In diesem strukturellen Beispiel strömt das Gas aus den Gas­ ausstoßöffnungen 102c in Richtungen zu den Ecken 117 und 118 heraus.

Das in den unteren Abschnitten der prismatischen Struktur des Kastens befindliche erste Zuführrohr 102A und zweite Zuführ­ rohr 102B sollte derart angeordnet sein, daß der Gasstrom aus den Gasausstoßöffnungen 102c aufwärts strömende Gasströme entlang von mindestens zwei der aufrechten Platten des herme­ tisch abgeschlossenen Kastens 101 ausbildet, wobei die minde­ stens zwei Platten in der Reihenfolge der Oberflächengröße ausgewählt werden. Da die Platten mit größeren Oberflächen möglicherweise eine größere Anzahl von versiegelnden Teilen aufweisen, tritt die Ungleichförmigkeit der Gaskonzentratio­ nen aufgrund des vorstehend beschriebenen Eindringens des Au­ ßengases im hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 leicht in der Nähe derartiger Platten auf. Das Gaskonzentrationen kön­ nen durch Erzeugung aufwärts strömender Gasströme unter er­ zwungener Zirkulation des Gases gleichförmig gemacht werden.

Gemäß diesem strukturellen Beispiel wird ein Gas durch das erste Zuführrohr 102A eingeleitet und etwas von dem aus den Gasausstoßöffnungen 102c zur Ecke 118 strömenden Gas zur Auf­ wärtsströmung von der im Bodenabschnitt befindlichen Ecke 118 entlang der aufrechten Rückwand 114 gebracht, während der an­ dere Teil des ausströmenden Gases zum Strömen entlang der Bo­ denplatte 111 gebracht wird. Was das durch das zweite Zuführ­ rohr 102B eingeleitete Gas betrifft, wird etwas von dem aus den Gasausstoßöffnungen 102c zur Ecke 117 strömenden Gas zur Aufwärtsströmung von der im Bodenabschnitt befindlichen Ecke 117 entlang der aufrechten Vorderwand 113 gebracht, während der andere Teil des ausströmenden Gases zum Strömen entlang der Bodenplatte 111 gebracht wird. Mit anderen Worten wird durch Anordnung der Zuführrohre auf die vorstehend beschrie­ bene Weise ein Strömungsweg 108 aus entlang der Bodenplatte 111 und den aufrechten Platten 113 und 114 zirkulierendem Gas im hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 ausgebildet, und das Gas kann in der Art eines kontinuierlichen Gasstroms 108 ent­ lang eines Großteils (50% oder mehr) der Innenoberfläche des hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 zirkulieren.

Weiterhin ist in diesem strukturellen Beispiel das Gasaus­ stoßrohr 103 so angebracht, daß es senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4 in der zwischen der Deckplatte 112 und der Rück­ platte 114 ausgebildeten Ecke 119 des hermetisch abgeschlos­ senen Kastens liegt. Ähnlich wie beim ersten Zuführrohr 102A und beim zweiten Zuführrohr 102B ist eine große Zahl von Gas­ ausstoßöffnungen entlang dem Rohr senkrecht zur Zeichenebene von Fig. 4 auf der Oberfläche des Gasausstoßrohres 103 ausge­ bildet.

Das Gasausstoßrohr 103 ist derart angeordnet, daß ein Gas durch die Gasausstoßöffnungen zur diagonal zur Ecke 119 be­ findlichen Ecke 117 hin ausströmt.

Durch die derartige Anordnung des Gasausstoßrohres 103 kann durch den aus dem vorstehend genannten ersten Zuführrohr 102A aufwärts strömenden Gasstrom a im oberen Abschnitt der pris­ matischen Struktur des Kastens, wo das Gasausstoßrohr 103 an­ gebracht ist, ein Stocken von Gas verhindert werden, und der Gasstrom wird nahe der Ecke 119 in die Richtung b gebogen. Als Ergebnis kann der aufwärts strömende Gasstrom a aus dem vorstehend genannten ersten Zuführrohr 102A zu einem zirku­ lierenden Strom gemacht werden, ohne daß nahe der Ecke 119 ein abgetriebener Strom erzeugt wird.

Übrigens kann in diesem strukturellen Beispiel, da die Vor­ derplatte 113 des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 auf­ wärts zur Rückseite geneigt ist, der Gasstrom c glatt durch den Abschnitt nahe der Ecke 120 im oberen Vorderabschnitt der prismatischen Struktur des Kastens zirkulieren, und dadurch wird nahe der Ecke 120 kaum ein abgetriebener Strom erzeugt.

Darüber hinaus ist in diesem strukturellen Beispiel das Ab­ gasrohr 104 auf der Deckplatte 112 des hermetisch abgeschlos­ senen Kastens 101 angebracht. Obwohl das Abgasrohr 104 im oberen Abschnitt der prismatischen Struktur des hermetisch abgeschlossenen Kastens angebracht ist, sollte es so optimal angebracht werden, daß sich entlang der vorstehend genannten aufrechten Platte ein aufwärts strömender Gasstrom 108 aus­ bildet.

Wie in diesem strukturellen Beispiel gezeigt, kann der auf­ wärts strömende Gasstrom 108, der zur Herabsetzung der Erzeu­ gung eines abgetriebenen Stroms bei der oberen Ecke des her­ metisch abgeschlossenen Kastens 101 dient, dadurch erzeugt werden, daß das Abgasrohr 104 nicht in der Mitte der Deck­ platte 112 des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101, son­ dern nahe der Rückplatte 114 und der linken aufrechten Platte 115 angebracht wird.

Nun werden die genauen Strukturen der Zuführrohre 102A und 102B unter Bezugnahme auf Fig. 5 veranschaulicht, welche eine Draufsicht des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 dar­ stellt. Das erste Zuführrohr 102A besteht aus einem im herme­ tisch abgeschlossenen Kasten 101 angeordneten Teil 102a und einem außerhalb des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 angeordneten Teil 102b. Die Gasausstoßöffnungen 102c sind auf der Oberfläche des strukturellen Teils 102a des ersten Zu­ führrohrs 102A entlang dem Rohr ausgebildet. Übrigens ist in Fig. 5 das Aussehen der Oberfläche des ersten Zuführrohrs 102A, auf welcher die Gasausstoßöffnungen entlang dem Rohr ausgebildet sind, nur schematisch gezeigt, und die Gasaus­ stoßöffnungen 102c sind an den vorstehend beschriebenen Stel­ len ausgebildet, welche von der oberen Seite nicht gesehen werden können.

Die Teile 102a und 102b des ersten Zuführrohrs 102A sind über ein Verbindungsstück 128 miteinander verbunden. Was die Art der Verbindung über das Verbindungsstück 128 betrifft, so ist das Verbindungsstück 128 beispielsweise so geformt, daß es an seinen beiden Enden eine innere Gewindestruktur aufweist, und die Teile 102a und 102b werden in die Enden geschraubt. Auf diese Weise kann das außerhalb des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 befindliche Teil 102b relativ zum Verbindungs­ stück 128 fest angebracht werden, während das innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 befindliche Teil 102a relativ zum Verbindungsstück 128 entsprechend der Gewindepo­ sition gedreht werden kann. Als Ergebnis kann, da die Aus­ richtung der Vorderseite der Gasausstoßöffnungen 102c nach Belieben verändert werden kann und daher die Ausstoßrichtung des Gases variabel ist, die Ausstoßrichtung des Gases unter Berücksichtigung toter Räume, welche von den Formen und Grö­ ßen der im hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 aufbewahrten Artikel herrühren, der Form des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 selbst und anderer Faktoren gesteuert werden.

Zusätzlich sind Anschlüsse 126 für beispielsweise den An­ schluß von innerhalb des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 befindlicher Laborausrüstung an Stromversorgungseinheiten und die Übermittlung von Daten an externe Meßauswertungsaus­ rüstung sowie Erfassungsvorrichtungen 127 zur Überwachung in­ nerer Gasatmosphären auf der Deckplatte und den Seitenplatten des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 bereitgestellt.

Weiterhin sind zur Isolierung der Atmosphäre im hermetisch abgeschlossenen Kasten von der Umgebung versiegelnde Teile an den Stellen vorhanden, an denen die Zuführrohre 102A und 102B von außen ins Innere des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 eingeführt werden oder die Anschlüsse 126 und Erfassungs­ vorrichtungen 127 am hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 befestigt sind.

Darüber hinaus ist eine Luftschleuse 129 zur Beförderung von Artikeln in den hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 bereit­ gestellt. Die Luftschleuse 129 sollte eine Struktur haben, durch welche die Bestandteile der Atmosphäre im hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 erhalten bleiben. Beispielsweise kann die Luftschleuse eine Struktur mit einem Paar Türen ha­ ben, wobei ein Artikel durch die äußere Tür in den Raum zwi­ schen dem Paar Türen befördert wird, während die innere Tür geschlossen ist, der Raum anschließend versiegelt und der Ar­ tikel durch die innere Tür in den hermetisch abgeschlossenen Kasten 101 befördert wird.

In Fig. 6 ist ein anderes strukturelles Beispiel eines herme­ tisch abgeschlossenen Kastens gezeigt, und der hermetisch ab­ geschlossene Kasten 101A ohne geneigte Platte hat in seinem oberen Teil zwei Gasausstoßrohre 103A und 103B.

In der prismatischen Struktur des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101A stehen sowohl die aufrechte Vorderplatte 113A als auch die aufrechte Rückplatte 114 senkrecht zur Boden­ platte 111, und es ist notwendig, Gasausstoßrohre 103 sowohl im oberen Vorderabschnitt als auch im oberen Rückabschnitt der prismatischen Struktur bereitzustellen, also an den Ecken 119 und 120. Entsprechend strömt in diesem Fall ein Gas aus dem zweiten Gasausstoßrohr 103B, das in der oberen vorderen Ecke 120 des hermetisch abgeschlossenen Kastens 101 ange­ bracht ist, und daher wird der aufwärts strömende Gasstrom d, der aus dem in der vorderen unteren Ecke 117 befindlichen zweiten Zuführrohr 102B strömt, ebenfalls nahe der Ecke 120 in die Richtung e gebogen. Als Ergebnis kann das Gas ohne Er­ zeugung eines abgetriebenen Stroms um die vordere obere Ecke 120 strömen.

In Fig. 7 ist ein anderes strukturelles Beispiel eines herme­ tisch abgeschlossenen Kastens 1B gezeigt, bei welchem die aufrechte Vorderplatte 113C und die aufrechte Rückplatte 114C in ihren oberen Abschnitten geneigt sind.

Die aufrechten Platten 113C und 114C sind jeweils von ihren Krümmungspunkten 122 und 121 ab geneigt. Die aus dem ersten Zuführrohr 102A und dem zweiten Zuführrohr 102B ausgestoßenen Gasströme bilden jeweils Gasströmungswege f entlang der auf­ rechten Platten 113C und 114C aus. Entsprechend sind, wenn die aufrechten Platten in ihren oberen Abschnitten geneigt angeordnet sind, zirkulierende Gasströme entlang der aufrech­ ten Platten ausgebildet, welche sich von den Krümmungspunkten 121 und 122 ab neigen, und daher werden abgetriebene Ströme bei den Ecken 119 und 120 kaum erzeugt.

In Fig. 8 ist ein strukturelles Beispiel eines Systems zum Betreiben des hermetisch abgeschlossenen Kastens des erfin­ dungsgemäßen Simulators für unterirdische Umgebungen schema­ tisch gezeigt.

Aus einer Gassteuerungseinheit 135 wird ein mit einer vorbe­ stimmten Zusammensetzung hergestelltes Gas durch das erste Zuführrohr 102A und das zweite Zuführrohr 102B in den herme­ tisch abgeschlossenen Kasten 101 eingeleitet.

Weiterhin wird der hermetisch abgeschlossene Kasten 101 von der Gassteuerungseinheit 135 entleert und hat eine Struktur, in welcher ein geeigneter Unterdruck aufrechterhalten wird.

In den vorstehend beschriebenen strukturellen Beispielen wur­ den Fälle betrachtet, in denen der hermetisch abgeschlossene Kasten des Simulators für unterirdische Umgebungen zur Be­ handlung radioaktiver Materialien verwendet wurde, und insbe­ sondere wurde ein Fall hauptsächlich veranschaulicht, bei dem das Innere des Kastens unter einem Unterdruck gehalten wurde. Ähnlich zu derartigen Beispielen ist selbst in Fällen, bei denen das Innere des hermetisch abgeschlossenen Kastens unter Überdruck steht, die Atmosphäre im Innern des Kastens von der Umgebung isoliert, damit die Komponenten in der Atmosphäre bei konstanten Niveaus gehalten werden.

Weiterhin ist, obwohl vorstehend hauptsächlich ein Fall ver­ anschaulicht wurde, bei dem Sauerstoff eine im Simulator für unterirdische Umgebungen zu steuernde Gaskomponente war, die Atmosphäre im Innern des Kasten selbst in Fällen, bei denen die zu steuernde Gaskomponente Kohlendioxidgas, Methangas, Wasserstoffgas oder dergleichen ist oder das Gas feine Parti­ kel wie Staub enthält, ähnlich von der Umgebung isoliert, da­ mit die Komponenten in der Atmosphäre bei konstanten Niveaus gehalten werden.

Entsprechend ist die vorliegende Erfindung im allgemeinen in Bereichen wie beispielsweise Experimenten anwendbar, bei wel­ chen die Isolation der Atmosphäre im hermetisch abgeschlosse­ nen Kasten von der Umgebung und die Beibehaltung der Kompo­ nenten in der Atmosphäre bei konstanten Niveaus erforderlich ist.

Beispiele für derartige vom mit der Behandlung radioaktiver Materialien begleiteten Bereich der Kernenergie verschiedene Bereiche schließen die Bereiche der Biologie, Chemie, metal­ lischen Treibstoffe, Halbleiter und andere ein.

Nun wird nachstehend ein praktisches Beispiel eines herme­ tisch abgeschlossenen Kastens eines erfindungsgemäßen Simula­ tors für unterirdische Umgebungen veranschaulicht.

Unter Verwendung eines auf Fig. 4 basierenden hermetisch ab­ geschlossenen Kastens wurde ein erfindungsgemäßer Simulator für unterirdische Umgebungen betrieben und die Zeit, welche benötigt wurde, bis die Innenatmosphäre stabil war, wurde ge­ messen und mit der eines Falls eines herkömmlichen Simulators für unterirdische Umgebungen verglichen. Hierbei betrug das Kastenvolumen etwa 2 m³, der in den Kasten in der Art eines Durchlaufs eingeleitete Stickstoffgasstrom 8 Nm³/h, und die Sauerstoffkonzentration im Stickstoffgas etwa 1 ppm. In die­ sem Experiment betrug die Sauerstoffkonzentration am Auslaß des Kastens 10 ppm oder weniger.

Bei dem herkömmlichen Simulator für unterirdische Umgebungen dauerte es vom Beginn des Betreibens des Simulators etwa 3 bis 4 Stunden, bis die Gaskonzentration konstant und die At­ mosphäre stabil wurde.

Andererseits dauerte es bei dem erfindungsgemäßen Simulator für unterirdische Umgebungen vom Beginn des Betreibens des Simulators etwa 1 Stunde, bis eine stabile Atmosphäre ähnlich zu der des herkömmlichen Simulators erreicht wurde.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Aufbau kann daher eine konstante Gaskonzentration und eine stabile Innenatmosphäre im Ver­ gleich zum herkömmlichen Aufbau in einer ausreichend kürzeren Zeit erhalten werden.

Wie vorstehend beschrieben wird erfindungsgemäß ein Simulator für unterirdische Umgebungen bereitgestellt, welcher die un­ terirdische Umgebung von Räumen simuliert, die zur Lagerung von radioaktivem Abfall oder dergleichen verwendet werden, und einen hermetisch abgeschlossenen Kasten hat, wobei die Kohlendioxidgaskonzentration im Kasten auf ein wählbares Ni­ veau eingestellt und die Atmosphäre im Kasten gleichförmig und stabil gehalten werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Simulator für unterirdische Umgebungen wird Kohlendioxidgas aus einer Kohlendioxidgaszuführeinrichtung in einen Kreislauf aus zirkulierendem Gas eingeleitet, wodurch die Atmosphäre im hermetisch abgeschlossenen Kasten gesteuert wird, und die Konzentration an Kohlendioxidgas im zirkulierenden Gas wird gemessen und auf ein vorbestimmtes Niveau eingestellt, wäh­ rend Sauerstoff in einem Knallgasreaktor aus dem zirkulieren­ den Gas entfernt wird. Entsprechend kann die Kohlendioxidgas­ konzentration innerhalb eines niedrigen Konzentrationsbe­ reichs gesteuert werden, und verschiedene unterirdische Umge­ bungen können durch Änderung der Kohlendioxidgaskonzentration auf ein wählbares Niveau genau simuliert werden.

Claims (9)

1. Simulator für unterirdische Umgebungen, der folgendes umfasst:
einen hermetisch abgeschlossenen Kasten (1), dessen Innenatmosphäre von der Umgebung isoliert ist und mit einem zirkulierenden Gas gesteuert wird;
eine Inertgaszuführeinheit, durch welche ein Inertgas in das zirkulierende Gas eingeleitet wird;
dadurch gekennzeichnet, dass der Simulator außerdem folgendes umfasst:
eine Konzentrationsmessungseinrichtung zur Messung der Konzentration jedes Gasbestandteils im zirkulierenden Gas;
einen Knallgasreaktor (34) mit einem Edelmetallkatalysator, in welchem Wasserstoff, der als Reaktion auf die Sauerstoffkonzentration im zirkulierenden Gas eingeleitet wurde, mit dem Sauerstoff umgesetzt wird; und
eine Kohlendioxidgaszuführeinrichtung, durch welche Kohlendioxidgas in das zirkulierende Gas eingeleitet wird, um so eine vorbestimmte Kohlendioxidgaskonzentration im zirkulierenden Gas zu erhalten.

2. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kasten eine prismatische Struktur hat und mit einer im unteren Teil der prismatischen Struktur angebrachten Gaszu­ führeinrichtung und einer im oberen Teil der prismatischen Struktur angebrachten Gasablaßeinrichtung ausgerüstet ist; und
die Gaszuführeinrichtung so ausgebildet ist, daß Gasströme erzeugt werden, welche entlang von mindestens zwei der die Seitenwände der prismatischen Struktur bildenden aufrechten Platten aufwärts strömen.

3. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung einen Teil einschließt, der an min­ destens einer der oberen Ecken der prismatischen Struktur, welche von den Gasströmen erreicht wird, angebracht ist und Gasausstöße erzeugt, durch welche mindestens einer der Gasströme umgewälzt wird.

4. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die prismatische Struktur in ihrem oberen Abschnitt geneigt ist, so daß mindestens einer der Gasströme umgebogen wird.

5. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführeinrichtung Rohre umfaßt, welche an Ecken in der prismatischen Struktur angebracht sind, und Gasausstoßöffnun­ gen entlang der Rohre ausgebildet sind.

6. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Innern der prismatischen Struktur angebrachte Teile der Rohre drehbar sind.

7. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Simulator weiterhin im Knallgasreaktor eine Heizeinrich­ tung für den Edelmetallkatalysator und das zirkulierende Gas umfaßt.

8. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Edelmetallkatalysator im Knallgasreaktor einen anorgani­ schen Träger umfaßt, der eine spezifische Oberfläche von 250 m²/g oder weniger hat.

9. Simulator für unterirdische Umgebungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine überschüssige Menge Wasserstoff in das zirkulierende Gas eingeleitet wird, um Methangas durch eine Nebenreaktion zwi­ schen Wasserstoff und Kohlendioxidgas im Knallgasreaktor zu erzeugen, und die Methangaskonzentration steuerbar ist.