DE19944776C2

DE19944776C2 - Verfahren zur Tritiumdekontamination der ersten Wand einer Einrichtung zur Durchführung von Kernfusionen

Info

Publication number: DE19944776C2
Application number: DE19944776A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Dieter Penzhorn; Nikolas Bekris; Hans Hemmerich
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2003-06-18
Anticipated expiration: 2019-09-18
Also published as: DE19944776A1; GB2356969A; FR2798772A1; GB0022356D0; GB2356969B; BE1015194A3; FR2798772B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tritiumdekontamination der ersten Wand einer Einrichtung zur Durchführung von Kernfu sionen gemäß dem ersten Patentanspruch.

Die mechanisch belasteten Strukturen der ersten Wand einer Kernfusionseinrichtung sind gekühlt und zum Schutz gegen hohe thermische Belastung mit Kacheln aus Graphit oder CFC (carbon fibre composites) geschützt. Die Kacheln sind ausgelegt für die kurzzeitige Erhitzung der Oberfläche auf Temperaturen von = 1200°C. An Stellen hoher Teilchenflußdichte können während des Betriebes Temperaturen bis zu 1600°C auftreten. An diesen Stel len wird Kohlenstoff abgetragen; die Tritiumkontamination ist an diesen Oberflächen aus diesem Grund vernachlässigbar gering. Die Deposition von Tritium und Tritiumverbindungen, insbeson dere Tritium-Kohlenstoffe, erfolgt dagegen in Gebieten geringe rer Leistungsdichte und damit geringerer Temperatur. Letzteres trifft für den größten Teil der ersten Wand zu.

Diese Effekte haben zur Folge, daß mit jeder Plasmaentladung das im Torus der Kernfusionseinrichtung immobilisierte Tritium inventar unerwünschterweise zunimmt.

Es ist bekannt, daß das Tritiuminventar hauptsächlich in den äußersten Oberflächenbereichen der ersten Wand deponiert ist. Dies ergibt sich zum einen aus entsprechenden Versuchen, aber auch aus dem sogenannten Knudsen-Effekt, gemäß dem Wasserstoff atome oder -moleküle entsprechend der Wurzel des Temperatur verhältnisses zwischen der hohen und der niedrigen Temperatur in Richtung zunehmender Temperatur diffundieren. Für eine ef fektive Tritiumdekontamination ist es daher ausreichend, die äußerste Schicht der ersten Wand zu dekontaminieren.

Aus der DE 197 37 891 A1 ist ein Verfahren zur Entsorgung eines mit einem Radiotoxikum kontaminierten Gegenstandes bekannt. Der kontaminierte Gegenstand kann beispielsweise der Kohlenstoffmo derator eines stillgelegten Kernreaktors sein. Als ein Beispiel für ein Radiotoxikum wird Tritium genannt. Bei dem beschriebe nen Verfahren wird das Radiotoxikum durch Aufheizen des konta minierten Gegenstandes aus diesem entfernt und an anderer Stelle wieder aufgefangen. Die Druckschrift beschäftigt sich jedoch in keiner Weise mit Problemen der Kernfusion, insbeson dere der Tritiumdekontamination der ersten Wand.

Weitere Methoden zur Tritiumdekontamination von Oberflächen sind aus der GB 2 242 060 und der US 4 836 900 A bekannt.

Die erstgenannte Druckschrift befasst sich mit der Tritiumde kontamination von Beton-Oberflächen. Hier wird Tritium durch Verdampfen von Wasser aus der Oberfläche entfernt, indem die Oberfläche mit Mikrowellen bestrahlt wird.

Die US-Patentschrift lehrt ein Verfahren zur Tritiumdekontami nation von Metallteilen, indem die Metallteile in einer Elek trolysezelle als negativer Pol geschaltet werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Tritiumdekontamination der ersten Wand einer Einrichtung zur Durchführung von Kernfusionen vorzuschlagen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im ersten Patentan spruch beschriebene Verfahren gelöst. Der Unteranspruch gibt eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens an.

Die Erfindung betrifft die Tritiumdekontamination der ersten Wand einer Einrichtung zur Durchführung von Kernfusionen. Unter Tritium mit dem Symbol T wird das überschwere Isotop des Was serstoffs mit der Masse 3 verstanden. Tritiumdekontamination bedeutet in diesem Zusammenhang, daß Tritium sowohl in elemen tarer Form als auch in Form seiner Verbindungen wie z. B. Was ser und Kohlenwasserstoffe, aus der ersten Wand entfernt wird. Unter Einrichtungen zur Durchführung von Kernfusionen werden insbesondere entsprechende Versuchsstände, aber auch Fusionsre aktoren verstanden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in-situ im Torus oder ex- situ durch Behandlung der Kacheln in ausgebautem Zustand durch geführt werden.

Die erste Wand der Einrichtung zur Kernfusions wird zur Triti umdekontamination unter Inertgas auf hohe Temperaturen erhitzt, so daß Tritium und seine Verbindungen freigesetzt werden. Die Oberflächentemperatur der Kacheln sollte mindestens 800°C betragen; Temperaturen oberhalb von 2400°C sind in der Regel unnötig. Eine Erhitzungszeit von wenigen, z. B. 1 bis 10 Sekun den, ist dabei völlig ausreichend. Bei der in-situ Variante sollte die Temperatur der Kacheln an der Rückseite 240°C nicht übersteigen, um die dahinter liegenden Edelstahlstrukturmateri alien nicht zu schädigen. Als Inertgas eignet sich insbesondere Argon. Zur Erzeugung der hohen Temperatur wird ein Plasmabren ner eingesetzt, wie er beispielsweise zum Schweißen von Metal len verwendet wird. Unter diesen Umständen kann eine hohe De kontamination mit Dekontaminationsfaktoren (Anfangsradioaktivi tät/Endradioaktivität) bis zu 150 erreicht werden.

Bei einem Plasmabrenner wird die Elektrode von einem Argonstrom umspült, um Schweißungen unter Sauerstoffausschluß zu ermögli chen und die Elektrode selbst vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Zur Erhitzung der Kacheloberfläche müssen die Kacheln in geeigneter, an sich bekannter Weise geerdet und der Brenner in der Nähe der Oberfläche gehalten werden. Ein Abstand von ei nigen Millimetern von den Kacheln, beispielsweise 1 bis 5 mm, wird bevorzugt. Hierbei wird von den Kacheln eine Schicht von wenigen Mikrometern abgetragen, die praktisch das gesamte auf gespeicherte Tritiuminventar enthält, wodurch die Weiterverwen dung der Kacheln gewährleistet ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispie len und einer Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt die Probenahme aus einer Kachel gemäß Bei spiel 2

Beispiel 1 Detritiierung kleiner Graphitscheiben

Zur Durchführung der Experimente wurde eine vormals in der Fu sionsmaschine JET in Culham zum Schutz der ersten Wand einge setzte rautenförmige CFC-Kachel (149 × 86,1 × 20 mm) gewählt, welche an den Plasma-exponierten Oberflächen mit ko-deponiertem Tritium beaufschlagt war. Von der Stirnseite dieser Kachel wur den mehrere dünne Graphitproben entnommen, die nachweislich Tritium enthielten. Eine dieser Proben (9 × 36.3 × 1 mm) wurde in zwei etwa gleich große Hälften geteilt. Die eine Hälfte (Ge wicht 716,6 mg) wurde in einer Strömungsapparatur mit feuchter Luft bei ca. 850°C vollständig verbrannt. Das dabei vornehmlich als Wasser, zum Teil aber auch als molekularer Wasserstoff und Kohlenwasserstoff freigesetzte Tritium wurde katalytisch an einem Cu/CuO-Katalysator bei der gleichen Temperatur vollstän dig zu Wasser (H₂O und HTO) oxidiert und in zwei hintereinander geschalteten, jeweils 50 ml Wasser enthaltenden Waschflaschen aufgefangen. Die in beiden Waschflaschen zurückgehaltene Triti ummenge wurde konventionell mit der Methode der Flüssigszintil lation bestimmt. Bezogen auf die eingewogene Graphitmenge be trug die Tritiumkonzentration in der Graphitprobe 13935 Bq/g. Die mittlere Oberflächenkonzentration des Tritiums auf der Ka chel wurde außerdem mit einem kleinen, fensterlosen Proportio nalzähler ("pin diode!) zu 422 ± 54 Bq/cm² ermittelt.

Die Plasma-exponierte Oberfläche der zweiten Graphitproben hälfte (Gewicht 652,2 mg) wurde für die Dauer von 5 Sekunden mit einem Argon-Plasmabrenner (120 Amp, 9 l/min Argon) auf sehr hohe Temperaturen erhitzt. Diese kurze Behandlung führte zu ei nem geringen Gewichtsverlust von nur 5 mg entsprechend 0,8%. Dabei bildete sich and der Oberfläche der CFC-Probe eine sehr dünne, grau-weiße Schicht aus, die möglicherweise aus Metalloxiden bestand. Der nach vollständiger Verbrennung der Probe ermittelte Tritiumgehalt betrug nur noch 71 Bq/g. Daraus läßt sich ein Dekontaminationsfaktor DF von etwa 100 abschätzen. Die mit der "pin diode"-Methode gemessene restliche Oberflächenkon zentration des Tritiums lag bei ca. 2 Bq/cm² (DF 200).

Beispiel 2 Detritiierung einer Graphitkachel

In weiteren Experimenten sollte der Nachweis erbracht werden, daß mit einem Plasmabrenner das Tritium auch aus einer Kachel effizient ausgetrieben werden kann. Für die Versuche wurde eine rautenförmige Graphitkachel verwendet, die während der ersten Deuterium/Tritium-Kampagnen (DTE1) im Torus der JET-Fusionsma schine im Einsatz war. Vor den Detritiierungsversuchen wurde die Oberflächenverteilung der Tritiumkonzentration auf der Ka chel mit einem fensterlosen Proportionalzähler gemessen. Obwohl mit einem solchen Zähler das Tritium nur in einer etwa 1 µm di cken Schicht erfaßt werden kann, verdeutlichen die Ergebnisse, daß das Tritium auf der Plasma-exponierten Seite der Kachel nicht homogen verteilt ist. Die ungefähren Positionen, an wel chen Proben entnommen wurden, können der Figur entnommen wer den. Die jeweilige Probennummer ist in Fettschrift gekennzeich net.

In einem nächsten Schritt wurden einige zylindrische Proben aus der Kachel gebohrt (Proben 1 bis 4, siehe Figur) und von der Plasma-exponierten Seite der zylindrischen Proben ca. 1 mm di cke Scheiben gesägt. Diese wurden mit der in Beispiel 1 be schriebenen Verbrennungsmethode auf ihren Tritiumgehalt hin un tersucht. Danach wurden Zonen der Kachel kurzzeitig mit einem Argonbrenner auf sehr hohe Temperaturen erhitzt, wobei darauf geachtet wurde, daß die erhitzten Zonen im Durchmesser größer waren als der Durchmesser der zylindrischen Proben. Aus der Mitte der ausgeheizten Zonen wurden anschließend weitere zylin drische Proben entnommen (Proben 5, 8, 9, 10, 11 und 12). Um zu prüfen, inwieweit sich die thermische Behandlung auf ferner gelegene Zonen der Kachel auswirkt, wurde darüber hinaus eine Probe aus einer Zone entnommen, die im benachbarten Bereich zu zwei Zonen der Kachel lag, die mit dem Plasmabrenner auf hohe Temperaturen erhitzt worden waren (Probe 6). Eine Probenüber sicht und die Ergebnisse der Tritiumbestimmungen sind in den Tabellen I und II zusammengestellt.

Aus den bisherigen Ergebnissen geht hervor, daß mit der Leis tung des Plasmabrenners die Tritium-Freisetzungsrate deutlich zunimmt. Der in der Kachel feszustellende Temperaturanstieg, wenn eine Zone der Kachel mit dem Plasmabrenner behandelt wird, ist nicht hoch genug, um eine Tritiumfreisetzung aus benachbar ten Zonen zu bewirken. Besonders effektiv erwies sich die wie derholte Behandlung mit dem Plasmabrenner bei hoher Leistung (155 Amp) über einen kurzen Zeitraum von nur 5 Sekunden. Die in Tabelle II angegebenen Dekontaminationsfaktoren beziehen sich auf eine an der Oberfläche der Kachel gemessene Tritiumkonzen tration. Da die Konzentration des Tritiums an der Oberfläche erheblichen Schwankungen unterliegt, sind diese Werte nur als große Abschätzung zu betrachten.

Die gewonnenen Versuchsdaten belegen, daß mit einem Plasmabren ner, der bei 140 bis 165 Amp und einem Argonfluß von 5 bis 15 l/min, vorzugsweise 9 bis 10 l/min, betrieben wird, ein sehr hoher Anteil des im Oberflächenbereich einer Kachel gebundenen Tritiums freigesetzt werden kann. Für die Detritiierung ganzer Kacheln innerhalb oder außerhalb der Fusionseinrichtung wird die Verwendung einer breiten Plasma-Brennerbatterie vorgeschla gen. Einzelne Kacheln können auch an einer aus mehreren kleinen Plasmabrennern bestehenden Anordnung bei gleichbleibendem Ab stand vorbeigezogen werden.

Tabelle 1

Untersuchte Graphit-Proben (vgl. Figur)

Claims

1. Verfahren zur Tritiumdekontamination der ersten Wand einer Einrichtung zur Durchführung von Kernfusionen, bei dem die freie Oberfläche der ersten Wand unter Schutzgasatmosphäre auf eine Temperatur erhitzt wird, bei der Tritium freige setzt wird, wobei die Erhitzung durch einen Plasmabrenner erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Temperatur von 800°C bis 2400°C eingehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem 1 bis 10 Sekunden lang erhitzt wird.