DE2357363A1

DE2357363A1 - Helium, verfahren zu seiner herstellung und verwendung als kuehlmittel fuer hochtemperaturkernreaktoren

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Publication number: DE2357363A1
Application number: DE2357363A
Authority: DE
Inventors: Leo Garwin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-11-17
Filing date: 1973-11-16
Publication date: 1974-06-20
Also published as: FR2207087A1; US4101375A; FR2207087B1; GB1444176A; US4304634A; US4525186A; JPS49133800A

Description

_?.,-. 'iiJri :-. ßeg-Nr P 97/232

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uJt·.. r-v. NL · 16. 11. 1973

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LEO GARWIN
Oklahoma City, Oklahoma, V.St.A.

Helium, Verfahren zu seiner Herstellung und Verwendung als Kühlmittel für Hochtemperaturkernreaktoren

Die Erfindung betrifft Helium, seine Herstellung und seine Verwendung als Kühlmittel, für Hochtemperaturkernreaktoren.

Für die Gewinnung von Helium sind bisher zwei natürliche Quellen genutzt worden, nämlich die atmosphärische Luft und Erdgas, und in diesen Quellen kommen von Natur aus.zwei Heliumisotope vor, nämlich

h 3 ·

Helium h ( He) und Helium 3 (He). Das vorherrschende Isotop, nämlich das Isotop Helium *f, weist ein Atomgewicht von k auf und umfaßt auf Volumen- oder Molbasis die Gesamtmenge des natürlichen Quellen entnommenen, also natürlichen Heliums bis auf etwa 1 Teil pro Million (i ppm). Dieses Heliumisotop wird bei Temperaturen unterhalb rund 2,2 K zu. einer sogenannten Supraflüssigkeit mit dem inneren Eeibungswiderstand Null, wobei es der Bose-Einstein-Quantenstatistik gehorcht, und ist als Gas strahlungsstabil und weist einen kleinen Einfangquerschnitt für Neutronen auf. Helium 3» das leichtere Heliumisotop, besitzt ein Atomgewicht von 3i kommt in aus natürlichen Qμellen stammendem Helium in einem Anteil von etwa 1 ppm vor, wird bei niedrigen Temperaturen nicht supraflüssig, gehorcht also der Fermi-Dirac-Quantenstatistik. und erfährt in einem starken Strahlungsfeld durch Absorption von Betateilchen eine Umwandlung unter Bildung von Tritium, dem schwersten Wasserstoffisotop, das eine Halbwertszeit von etwa 12 Λ/k Jahren aufweist.

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In natürlichen Heliumquellen entnommenem Helium liegt das Isotopenverhältnis von Helium 3 zu Helium 4 für aus der atmosphärischen Luft gewonnenes Helium um etwa eine Größenordnung höher als für aus Erdgas gewonnenes Helium. Früher ist Helium für manche Zwecke aus der atmosphärischen Luft extrahiert worden, heute jedoch stellt das Erdgas die einzige Quelle für eine wirtschaftliche Gewinnung von Helium dar. In atmosphärischem Helium liegt der Anteil an Helium 3 relativ unabhängig vom geographischen Ort bei etwa 1,2 ppm. Bei im Erdgas enthaltenem Helium ist der Gehalt _an Helium 3 je nach der geographischen Lage des jeweiligen Erdgasvorkommens etwas verschieden, und er schwankt nach älteren Messungen von Aldrich und Nier (Physical Review, 1. 12. 19^8, S. 1590) zwischen etwa 0,05 ppm und etwa 0,5 ppm. Diese ^eßergebnisse sind jedoch nicht sehr genau, der zugestandene relative Fehler liegt bei etwa 10 bis 30 %»

In neuerer Zeit sind unter Verwendung von Massenspektrometern mit hoher Auflösung genauere Messungen des Anteils an Helium 3 in aus Erdgas gewonnenem Helium vorgenommen worden. Bei diesen Messuagen ergab sich ein Anteil von Helium 3 in aus Erdgas gewonnenem Helium, der für verschiedene Erdgasvorkommen zwischen 0,17 ppm und 0,23 ppm variierte, wobei die ^Meßgenauigkeit um eine Größenordnung besser war als bei den älteren Messungen von Aldrich und Nier. Daraus folgt, daß aus natürlichen Quellen stammendes, also natürliches Helium nie weniger als 0,17 ppm an Helium 3 enthält.

Bis vor kurzem war der Gehalt an Helium 3 in. aus irgendeiner beliebigen natürlichen Quelle stammendem Helium lediglich von akademischem Interesse und theoretischer Bedeutung. In den letzten Jahren jedoch hat sich mit dem Eintritt der Kerntechnik, in die Energieerzeugung als eine der wesentlichsten kerntechnischen Konstruktionen der in den Vereinigten Staaten von der GuIf General Atomic, Inc. entwickelte gasgekühlte Hochtemperaturkernreaktor HTGE herausgeschält. Die HTGB Konstruktion verwendet Heliumgas als Kühlmittel, um aus dem ßeaktorkern die Wärme abzuführen, die dann in

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zunächst mechanische und schließlich elektrische Energie umgewandelt wird. Durch die HTGR Konstruktion kommt nunmehr der Frage des Gehalts an Helium 3 in Helium erhebliche praktische Bedeutung zu, wie im folgenden gezeigt v/erden soll.

Neuerdings sind in den Vereinigten Staaten zwei HTGR Anlagen in Betrieb. Die ältere davon ist die Beach Bottom Anlage der Philadelphia Electric Company, eine Pilotanlage von kO Mw(e), und die neuere der 33^ Mw(e) Fort St. Vrein Eeaktor der Public Service Company of Colorado. Der GuIf General Atomic, Inc. liegen Aufträge für etwa ein halbes Dutzend weiterer Anlagen im Kapazitätsbereich zwischen 770 und 116O Mw(e) vor.

Eine HTGS Anlage enthält als Kühlmittel eine Heliummenga₃ die im Schnitt bei 56 000 Nnr⁵ (2,0 million standard cubic feet MMscf) pr , 1000 Mw(e) liegt. Diese ^enge variiert etwas in Abhängigkeit von der Größe der jeweiligen Anlage, wobei der Schwankungsbereich zwischen etwa 72 800 Nnr (2,6 million MMsef) für kleinere Reaktoren der 350 Mw(.e) Klasse und 39 200 Nur⁵ (1,^ million MMscf) für die großen Beaktoren der 1150 Mw(e) Klasse reicht. Das Helium läuft in der Anlage mit. einem Betriebsdruck von 24,5 kp/cm (350 psig) bis ^9 kp/cm (700 psig) und einem Durchsatz von etwa einem Viertel der Gesamtmenge je Stunde um. Zur Beinigung werden einige 10 % je Stunde von der gesamten Heliummenge abgezogen, und zum Ausgleich mechanischer und anderer Verluste sind pro Jahr einige 10 % der Gesamtmenge an Helium erforderlich.

Die Vorteile des Heliums im Vergleich zu anderen Kühlmitteln be'ruhen auf seiner niedrigen Dichte und seiner hohen Wärmekapazität, woraus sich niedrige Umlaufgeschwindigkeit und geringer Leistungsbedarf ergeben, auf seiner Fähigkeit zu einem Betrieb bei sehr hohen Temperaturen (bis zu 1315 C = 2*fOQ F) ohne thermische Zersetzung, woraus ein hoher thermischer Wirkungsgrad für den Reaktor resultiert, auf seinem als Edelgas chemisch inerten Verhalten gegenüber allen damit in Berührung kommenden Substanzen .und Bauteilen im Kühlsystem,

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auf seiner Stabilität oder Undurchlässigkeit für Strahlung infolge seiner Eigenschaft, als Alphateilchen selbst ein Produkt radioaktiven Zerfalls zu sein, und auf seinem niedrigen Einfangquerschnitt für Neutronen, woraus ein guter Neutronenwirkungsgrad für den Reaktor folgt. Außerdem läßt sich Helium ohne weiteres in hohem Maße reinigen, so daß die normalerweise darin enthaltenen Verunreinigungen, Stickstoff, Neon, Wasser und Wasserstoff, nur in sehr kleinen Anteilen im untersten ppm-Bereich vorliegen.

Nachdem nunmehr einige ^etriebserfahrung mit HTGE Anlagen vorliegt, hat sich herausgestellt, daß der Anteil an Helium 3 im umlaufenden Helium insofern eine schädliche Verunreinigung darstellt, als es im hoch intensiven Strahlungsfeld des Eeaktors eine Kernveränderung erfährt und in radioaktives Tritium umgewandelt wird, das daher zusammen mit von Zeit zu Zeit aus dem Reaktorkern in das als Kühlmittel dienende Helium entweichenden radioaktiven Spaltprodukten fortlaufend daraus entfernt werden muß. Diese anderen radioaktiven Verunreinigungen, die in das als Kühlmittel dienende Helium Eingang finden können, sind schwere Inertgase wie Krypton und Xenon, und ihre Entfernung in einem Reinigungssystem bereitet keine größeren Schwierigkeiten. Tritium dagegen iat als Wasserstoffisotop sehr viel leichter und läßt sich daher nicht ohne weiteres mittels physikalischer Adsorption an Holzkohle entfernen; es muß zunächst oxydiert und als Tritiumoxyd adsorbiert werden, oder es muß durch Umsetzung mit porösem Titanmetallschwamm entfernt werden, der nach seiner Erschöpfung periodisch ausgetauscht werden muß. Das Auftreten von Tritium stellt darüber hinaus unabhängig von der Form, in der es letztlich anfällt, ein nur schwer zu beseitigendes radioaktives Abfallprodukt dar, da es einen relativ hohen Aktivitätspegel und eine lange Halbwertszeit aufweist.

Nach Erkennung der mit dem Vorhandensein von Helium 3 in dem als Kühlmittel umlaufenden Helium verbundenen Schwierigkeiten haben die Betreiber der neueren HTGE Anlagen versucht, ihre Kühlsysteme mit Helium zu füllen und zu betreiben, das den geringstmöglichen Gehalt

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an Helium 3 aufweist. Da nun aber das einzige Helium, das für technische Zwecke, einschließlich der Kühlung von Kernreaktoren, zur Verfügung steht, das aus natürlichen Heliumgasvorkommen gewonnene handelsübliche Helium ist, das wie bereits oben ausgeführt etwa Q,20 ppm an Helium 3 enthält, haben die Reaktorbetreiber auch für ihre letzten Käufe an Helium nur Quellen vorschreiben können, deren Helium das Isotop Helium 3 in einem unteren Grenzbereich von 0,17 bis 0,18 ppm enthält, obwohl es wünschenswert und vorteilhaft für sie wäre, wenn sie Helium als Kühlmittel verwenden könnten, das Helium 3 nur zu einem um eine Größenordnung unterhalb dieses Wertes liegenden Anteil enthält. Ein solches Helium mit niedrigem Gehalt an Helium 3 gibt es aber in den natürlichen Heliumgasvorkommen nicht.

Es ist daher ohne weiteres einzusehen, wie vorteilhaft es wäre, ein in seinem Gehalt an Helium k angereichertes Helium zu gewinnen und als Kühlmittel für HTGR Anlagen einzusetzen, also ein Helium, das einen erheblich niedrigeren Anteil an Helium 3 aufweist, als dies für natürlichen Heliumgasvorkommen entnehmbarem Helium der Fall ist, wobei die Vorteile einer Verwendung von hinsichtlich Helium 4 angereichertem Helium als Kühlmittel für HTGR Anlagen unmittelbar mit dem Ausmaß der Absenkung des Anteils an Helium 3 unter dea in der Natur auftretenden Wert zusammenhängen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Helium anzugeben, das sich, von dem bislang verfügbaren Helium durch eine andere Zusammensetzung unterscheidet und insbesondere eine bessere Eignung als Kühlmittel für gasgekühlte Hochtemperaturkernreaktaren zeigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Helium, das gekennzeichnet ist durch eine Anreicherung des Heliumisotops Helium^.

Das erfindungsgemäß zusammengesetzte Helium zeichnet sich durch einen im. Vergleich zu dem in der Natur vorkommenden Wert geringeren Gehalt an dem Heliumisotop Helium 3 ^aus und eignet sich insbesondere als Kühlmittel für gasgekühlte Hochtemperaturkernreaktoren«

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In Weiterbildung der Erfindung weist das erfindungsgemäß zusammengesetzte Helium einen Anteil an Helium 3 auf, der unter 0,17 ppm» bevorzugt unter 0,05 ppm und insbesondere unter 0,01 ppm liegt.

Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, auf dem sich ausgehend von natürlich vorkommendem Helium ein Helium mit erfindungsgemäßer Zusammensetzung gewinnen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Gewinnen von an Heliumisotop Helium k angereichertem Helium gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß aus natürlichen Quellen entnommenes Helium verflüssigt wird und daß aus diesem verflüssigten Helium HeIiumisotop Helium 3 entfernt wird.

Im Rahmen dieses Verfahrens wird die Entfernung von Heliumisotop Helium 3 bevorzugt bei einer Temperatur zwischen etwa 3,0 K und etwa 5|1 K und insbesondere bei einer Temperatur zwischen 3»3 K und 5,0 K vorgenommen.

Eine vorteilhafte Arbeitsweise für die Gewinnung von an Heliumisotop Helium 4 angereichertem Helium ist auch dadurch gekennzeichnet, daß natürlichen Quellen entnommenes Helium verflüssigt wird, daß das verflüssigte H_eii_um i_n mindestens eine an H_eii_umi_sotop Helium k angereicherte Fraktion und eine an Heliumisotop Helium k verarmte Fraktion zerlegt wird und daß mindestens eine dieser beiden Fraktionen zur Wiedergewinnung der darin enthaltenen Kälte mit dem natürlichen Quellen entnommenen Helium in Wärmeaustausch gebracht wird.

Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet schließlich ein Verfahren zum Kühlen von gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktoren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß als Kühlmittel an Heliumisotop Helium 4 angereichertes Helium verwendet wird, wobei wiederum ein Helium mit einem unterhalb 0,17 ppm liegenden Anteil an HeliumisoHelium 3 als Kühlmittel bevorzugt ist.

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Die Grundlage der Erfindung bildet die neue Erkenntnis des Anmelders, daß sich an Heliumisotop Helium k angereichertes Helium, das in der Natur nicht vorkommt und ein verbessertes Kühlmittel für gasgekühlte Hoclitemperaturkernreaktoren ist, durch Entfernung von Heliumisotop Helium 3 aus natürlichen Quellen entnommenem und verflüssigtem Helium gewinnen laßt.

Die Trennung der Heliumisotope Helium 3 und Helium *f ist an sich in der Technik nicht neu, in der bisher praktizierten VJeise führt sie aber nicht zu dem mit der Erfindung angestrebten Material, oder sie funktioniert nicht bei einem Grundstock an natürlichem"Helium, wie er für die Erfindung erforderlich ist, oder unter für die Erfindung gegebenen Trennbedingungen.

Die bisher bekannten Trennverfahren lassen sich in irei Kategorien aufteilen:

1. Das Ausgangsmaterial ist eine Mischung von 1 bis 3 Mol-% Helium 3 i*¹ Helium h, Argon, Luft und Spuren von Tritium, wie sie bei der von der Atomic Energy Commission vorgeschriebenen Arbeitsweise über die Erzeugung von Tritium durch Beschießung des Lithiumisotops Lithium 6 mit Kernstrahlung anfällt, wobei das Tritium anschließend unter Bildung von Helium 3 zerfällt. Dieses Ausgangsmaterial wird mit dem ausdrücklichen Ziel einer Gewinnung von Helium 3 mit relativ hoher Reinheit zerlegt. Der.Anreicherungsvorgang ist eine thermische Diffusion (vgl. Chemical Engineering, 25. 11. 1963» S. 6*f) , und er wird im Mound Laboratory der Monsanto Research Corporation in Miamisburg, Ohio, im Auftrage der Atomic Energy Commission durchgeführt. Das Endprodukt ist Helium 3 mit einer Reinheit von 99 %% und es verbleibt ein Restgas mit einem Gehalt an Helium 3 iⁿ der Größenordnung von 0,01 % oder 100 ppm.

Eine neuere Verbesserung dieser Trennmethode mittels Tieftemperaturdestillation unter Vakuum (13O mm Hg) ist von Wilkes in Advances in Cryogenic Engineering, Plenum Press, Band 16, Seite 298,

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beschrieben worden. Die Betriebstemperatur _am Säulenkopf betrug dabei 1,93 K, die Bodentemperatur 2,8O K.

2. Mit natürlichen Quellen entnommenem Helium als Ausgangsmaterial wird eine Anreicherung an Heliumisotop Helium 3 betrieben. Ein dafür angewandtes Verfahren ist das von Newgard et al. (US-PS 3 251 5*f2) . Ein anderes, von Keller in Helium-3 and Helium-^f, Plenum Press, Seite 36, beschriebenes Verfahren nutzt das Supraflüssigkeitsverhalten von Helium k unterhalb rund 2,2 K zu seiner Abtrennung von Helium 3 unter Durchgang durch ein Supraloch aus, an dem das Helium zurückgehalten wird.. Der Wert für die Anreicherung an Helium 3 pro Durchgang liegt dabei in der Größenordnung des Fünffachen bei kleiner Ausbeute an angereichertem Helium 3 und entsprechend unbedeutender Entfernung von Helium 3 aus dem verbleibenden Helium. Mehrere aufeinanderfolgende Durchgänge des mit Helium 3 angereicherten Produkts bereiten Schwierigkeiten und sind weniger erfolgreich, da der Lambdapunkt, die Temperatur, bei der Supraflüssigkeit auftritt, mit zunehmendem Gehalt an Helium 3 absinkt.

3. Das Ausgangsmaterial für die Trennung sind etwa 6 Kol-% Helium in Helium *f, wie sie als die schwerere von zwei nicht mischbaren flüssigen Phasen im Helium 3/Helium A—Verdünnungskühler für die Tieftemperaturerzeugung in der K_acjxb_arschaft von 0,01 K anfallen. Aus diesem Grundstock wird durch Verdampfen oder Pumpen bei etwa 0,7 K ■unter sehr hohem Vakuum im wesentlichen reines Helium 3 zur Regenerierung des Helium 3-Kühlmittels für erneuten Umlauf entfernt.

Das bisher bekannte Helium stellt also in keiner seiner bislang beschriebenen, hergestellten, verwendeten oder angetroffenen Zusammensetzungen ein an Heliumisotop Helium k angereichertes Helium, also ein Helium dar, in dem der Anteil an Heliumisotop Helium 3 nennenswert unter dem in natürlichem Helium angetroffenen Wert liegt. Außerdem sind alle bisher an verflüssigtem Helium durchgeführten Trennungen mit dem Ziel einer Gewinnung von angereichertem Helium 3 und unter den Bedingungen hohen Vakuums und tiefer Temperatur weit

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unterhalb der kritischen Temperatur (3₎32ⁱf^OK) für Helium 3 vorgenommen worden, die sich, dafür bekanntlich wegen der hohen relativen Flüchtigkeiten und hohen Trennkräfte anbieten. Dessenungeachtet haftet allen diesen Trennungen der Mangel an, daß sie eine niedrige Ausbeute - wegen des hohen Vakuums -, hohe Investitionen und - wegen der Kühlung - hohe Betriebskosten mit sich bringen.

Höhere Betriebsdrücke und Betriebstemperaturen führen bekanntlich zu wirtschaftlicheren Dampf/Flüssigkeits-Trennungen, sofern die relativen Flüchtigkeiten und die Trennkräfte nicht über Gebühr vermindert werden. In der Nachbarschaft der kritischen Temperatur können diese Trennkräfte jedoch vollkommen verschwinden.

Es ist daher als durchaus überraschend zu bezeichnen, daß Untersuchungen des Anmelders entgegen aller Erwartung zu dem Ergebnis geführt haben, daß sich eine Trennung von Helium 3 aus verflüssigtem natürlichem Helium in Temperatur- und Druckbereichen jenseits der bisher erprobten und angewandten Bereiche durchführen läßt und zu an Helium k angereichertem Helium führt.

Für die weitere Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile soll, nunmehr auf die Zeichnung Bezug genommen werden, in der bevorzugte Beispiele für die Gewinnung und die Verwendung von erfindungsgemäß an Helium k angereichertem Helium veranschaulicht sind. Tn der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein schematisch gehaltenes Flußdiagramm für die Gewinnung von an Helium k angereichertem Helium ausgehend von natürlichem Helium,

Fig. 2 eine mehr ins einzelne gehende Darstellung einer kontinuierlich betriebenen Trenneinrichtung für die Abtrennung von Helium 3 iⁿ der Anlage von Fig. 1,

Fig. 3 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung für eine partieweise betriebene Trenneinrichtung für die Abtrennung von Helium und

Fig. h ein Blockdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Kühlen eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors unter Verwendung von an Helium A- angereichertem Helium.

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In Fig. 1 ist eine Heliumextraktionseinrichtung 12 über eine Leitung 11 mit einer natürliches Helium enthaltenden Gasquelle wie beispielsweise einer Quelle für Erdgas oder Luft verbunden. Aus dem ihr zugeführten Gas nimmt die Heliumextraktionseinrichtung 12 einen Teil des Heliumgehalts heraus und gibt ihn. über eine Leitung 13 als Rohhelium weiter, während das an Helium verarmte Restgas über eine Leitung 1^f aus der Heliumextraktionseinrichtung 12 abgeführt wird. Die Heliumextraktionseinrichtung 12 kann irgendeine aus einer Anzahl von Bauformen sein, wobei Tieftemperatur- oder Kryogenausführungen bevorzugt sind, in denen die nicht aus Helium bestehenden Gaskomponenten vorzugsweise mittels Kühlung verflüssigt und dann abgetrennt werden. Ein anderes Verfahren für die Gewinnung von Bohhelium in der Heliumextraktionseinrichtung 12 besteht darin, daß das eingeführte Gas durch Membranen hindurchwandert, wobei das Helium als die leichteste Komponente durch eine semipermeable Membran bevorzugt hindurchdiffundiert und dadurch bevorzugt von den anderen Gaskomponenten abgetrennt wird.

Das über die Leitung 13 weitergeleitete Rohhelium enthält überwiegend Helium mit kleineren Beimengungen von anderen Gasen, hauptsächlich Stickstoff und Neon und, wenn das über die Leitung 11 zugeführte Gas Erdgas ist, auch etwas Kohlenwasserstoff und Wasserstoff. Über die Leitung 13 gelangt das Bohhelium zu einer Heliumreinigungseinrichtung 15» in der die anderen Gaskomponenten und restlichen Verunreinigungen im allgemeinen mit Hilfe eines Kühl— prozesses unter Verflüssigung und Abtrennung sowie Adsorption der restlichen Verunreinigungen an Holzkohle oder ein Molekularsieb oder beides bei tiefer Temperatur vom Helium abgetrennt und über eine Leitung 16 nach außen abgeführt werden. Am Ausgang der Heliumreinigungseinrichtung 15 entsteht auf diese Weise natürliches Helium, das über eine Leitung 17 abgegeben wird. Die Verunreinigungen in diesem natürlichen Helium werden dabei bis zu einem solchen Wert vermindert, daß anschließend ohne weiteres eine Verflüssigung des Heliums stattfinden kann, und sie umfassen in der Hauptsache Stickstoff mit etwas Neon sowie gelegentlich Spuren von Wasserstoff, Wasserdampf und Kohlendioxyd.

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Natürliches Helium ist ein Handelsprodukt, wobei sein Reinheitsgrad von 99,995 '/<> (Gradi L) über 99,997 /o (hochrein) bis etwa 99,999% (Reaktorgrad) reicht.. Der jeweils zu fordernde Reinheitsgrad hängt von der vorgesehenen Verwendung ab. Durch passende Einstellung der Betriebsbedingungen für die Heliumreinigungseinrichtung 15 läßt sich darin natürliches Helium mit jedem der oben erwähnten Reinheitsgrade erhalten.

Das natürliche Helium verläßt die Heliumreinigungseinrichtung 15 über die Leitung 17 normalerweise mit einer nahe bei Zimmertemperatur liegenden Temperatur und unter einem Druck von etwa 25 bis 30 atm, es kann aber auch mit einer tiefen Temperatur in der Gegend'von 80 K abgegeben werden, um die ihm in der Heliumreinigungseinrichtung 15 mitgeteilte Abkühlung zu erhalten und für seine anschließende Verflüssigung nutzbar zu; machen.

Über die Leitung; 17 gelangt das natürliche Helium zu einer Heliumverflüssigungseinrichtung 18, wo seine Temperatur bis in die Gegend von k bis 5 K abgesenkt und sein Druck bis auf etwa eine Atmosphäre vermindert wird_t so daß flüssiges natürliches Helium entsteht, das über eine Leitung 19 abgeführt wird. In der H_eii_um_ verflüssigungseinricirtung 18 werden mit Hilfe darin enthaltener kleiner Tieftemperaturadsorber auch die im eingespeisten natürlichen Helium noch enthaltenen Spuren von Verunreinigungen ausgeschieden, die über eine Leitung 20 abgeführt werden. Das über die Leitung 19 abgegebene verflüssigte natürliche Helium weist eine Reinheit von mehr als 99,999% auf; seine Eeinheit liegt im allgemeinen bei 99,9999%, wobei die verbleibenden Verunreinigungen auf solche Komponenten beschrankt sind, die bei einer Temperatur von k bis 5 K im verflüssigten natürlichen Helium noch, löslich sind.

Das verflüssigte natürliche Helium in der Leitung 19 stellt den Strom, aus dem an Helium k angereichertes Helium gewonnen wird. Es wird einer Einrichtung 21 für die Entfernung von Helium 3 zugeführt, aus der über eine Leitung 22 an Helium k angereichertes Helium, im

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allgemeinen als gesättigte Flüssigkeit, und über eine Leitung 23 an Helium h verarmtes Helium, also Helium h mit einem den natürlichen Pegel übersteigenden Gehalt an Helium 3» im allgemeinen als gesättigter Dampf, abgeführt werden.

Da sowohl das an Helium *f angereicherte Helium in der Leitung als auch das an Helium k verarmte Helium in der Leitung 23 jeweils eine erhebliche Abkühlung gegenüber auf Zimmertemperatur befindlichem gasförmigem Helium aufweist, in welcher Form es im allgemeinen zum Einsatz kommt, läßt sich die diesen beiden Heliumarten mitgeteilte Abkühlung zur Einsparung.von Betriebskosten für die Heliumverflüssigung in der Heliumverflüssigungseinrichtung 18 wiedergewinnen, indem die Leitungen 22 und 23 in der in Fig. 1 durch gestrichelte Linien angedeuteten Weise im Gegenstrom zur Leitung 17 vor deren Eintritt in die Heliumverflüssigungseinrichtung i8 durch einen Wärmetauscher Zk hinduröhgeführt werden, in dem das Helium in den Leitungen 22 und 23 mit dem Helium in der Leitung 17 in Wärmeaustausch treten kann.

Die Einrichtung 21 für die Entfernung von Helium 3 wird mit einer Minimaltemperatur von etwa 3»0 K und einer Maximaltemperatür gerade unterhalb der kritischen Temperatur für Helium k von 5₍2 K betrieben, Der Betriebsdruck entspricht dem Sättigungsdruck bei der jeweiligen Betriebstemperatur und reicht daher von etwa 185 mm Hg bis etwa 1700 mm Hg. Vorzugsweise arbeitet die Einrichtung 21 bei einer Temperatur zwischen etwa 3»32*f K, der kritischen Temperatur für Helium 3» und etwa 5>0 &» wobei der entsprechende Sättigungs- bzw. Betriebsdruck zwischen 300 mm Hg und I5OO mm Hg liegt. Die tatsächliche Wahl der Betriebswerte für Temperatur und Druck innerhalb der bevorzugten Bereiche beruht im allgemeinen auf Wirtschaftlichkeitsüberlegungen. Ein niedriger Betriebsdruck führt zu großer Trennleistung, spart also Trennstufen, verlangt aber eine ausgeprägtere Vakuumeinrichtung und höhere Betriebskosten, während ein höherer Betriebsdruck zwar mehr Trennstufen erforderlich macht, aber einen einfacheren apparativen Aufbau und niedrigere Betriebskosten ermöglicht .

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In Fig. 2 ist eine erste Ausführungsform für die Einrichtung 21 zum Entfernen von Helium 3 mit mehr Einzelheiten dargestellt. Bei diesem Beispiel ist die Einrichtung 21 als Bektifiziersäule mit einer Kehrzahl von eingebauten Kontaktböden 25 ausgebildet, die aus einem beliebigen, für einen Betrieb bei tiefen Temperaturen geeigneten Material bestehen und eine beliebige, einen innigen Kontakt zwischen Dampf und Flüssigkeit gewährleistende Form aufweisen können. Der aus verflüssigtem natürlichem Helium bestehende Einlauf wird der Bektifiziersäule über die I/eitung 19 am oberen Säulenkopf zugeführt. Die Flüssigkeit fließt dann in der Säule von einem Kontaktboden 25 zum anderen, wobei sie auf einen im Gegenstrom aufsteigenden Dampfstrom trifft, der durch Zuführung einer gesteuerten Wärmemenge über einen Heizer 26 in einem Bad 27 aus flüssigem Helium am Grunde der Bektifiziersäule erzeugt wird. Der aufsteigende Dampf entfernt aus der abwärts fließenden Flüssigkeit bevorzugt das darin enthaltene Helium 3 t ^s0 daß die am Grunde der Hektifiziersäule über die Leitung 22 abnehmbare Flüssigkeit an Helium *f angereichertes Helium ist, während der am Säulenkopf über die Leitung 23 austretende Dampf strom aus an Helium *f verarmtem Helium besteht.

In Fig. 3 ist eine zweite, eher auf einen partieweisen als auf einen kontinuierlichen Betrieb eingerichtete Ausführungsform für die Einrichtung 21 zur Gewinnung von an Helium k angereichertem Helium aus verflüssigtem natürlichem Helium dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Einrichtung 21 als eine Destillierkolonne ausgebildet, der das verflüssigte natürliche Helium über die Leitung 19 von unten her zugeführt wird. Die Destillierkolonne enthält eine Füllung 30, die eine vergrößerte Kontaktfläche für einen Kontakt zwischen Flüssigkeit und Dampf entstehen läßt. Der Dampf wird mittels Zuführung von Härme zu einem Flüssigkeitsbad 27 am Grunde der Kolonne über einen Heizer 26 erzeugt f. er steigt durch die Füllung 30 hindurch nach oben und passiert anschließend an die Destillierkolonne einen Kondensator 28, in dem «in Teil des Sampfes zu flussigem Bücklauf kondensiert, der in der Kolonne entlang deren Füllung 30 zurück nach unten fließt, während der nicht kondensierte

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Dampf über die leitung 23 abgeführt wird. Als Kondensmittel zum Kondensieren von Dampf im Kondensator 28 eignet sich jedes Kühlmittel, im allgemeinen wird dafür verflüssigtes natürliches Helium mit vermindertem Druck verwendet, dessen Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur für den Dampf in der Destillierkolonne liegt. Die Zuführung dieses Kühlmittels zum Kondensator 28 erfolgt über eine Leitung 29· Nachdem eine bestimmte Menge der Beladung der Destillierkolonne über die Leitung 23 als an Helium h verarmtes Helium abgezogen worden ist, wird die verbleibende Flüssigkeit, die aus an Helium k angereichertem Helium besteht, über die Leitung 22 abgelassen.

Nachstehend soll der Prozeß der Entfernung von Helium 3 aus verflüssigtem natürlichem Helium zwecks Gewinnung von an Helium h angereichertem Helium noch durch zwei Beispiele erläutert werden:

Beispiel I

Naturgas mit 8 % Helium, 90% Stickstoff, 1 % Kohlendioxyd und Λ%Argon wird einer Heliumextraktion und -reinigung unterzogen, wobei sich natürliches Helium mit einer Reinheit von 99*999 % ergibt und die Verunreinigungen aus 7 ppm Neon, 2 ppm Stickstoff und 1 ppm Wasser bestehen. Dieses Helium wird in einer Anlage nach Fig. 1 unter Wärmeaustausch in der Heliumverflüssigungseinrichtung 18 bzw. im Wärmetauscher 2h abgekühlt und verflüssigt. Während der Verflüssigung des Heliums wird dieses noch weiter gereinigt, und es entsteht verflüssigtes natürliches Helium mit einer Heinheit von 99,9999% und einem Gehalt von 0,21 ppm an Helium 3« Dieses verflüssigte Helium wird über die Leitung 19 mit einem Durchsatz von 12,5 l/min (3 gallons/min) der Einrichtung 21 für die Entfernung von Helium 3 zugeführt, die in diesem Falle geaMÄ Fig. 2 als Rektifiziersäule ausgebildet ist. Sie »ektifiziereMele «eist dabei einen Durchmesser τοη 15 ca (6 is) und ein· Höh· vij| 3 ■ (10 ft) auf, und sie enthält als Konfaktböden 25 zwanzig äj»be aus rostfreiem Stahl mit einer solchen Anzahl von Löchern von 1 em

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(3/8") Durchmesser, daß die offene Bodenfläche "\k% des gesamten Säulenquerschnitts beträgt. Jeder Eontaktboden 25 ist mit einem Abzugsrohr mit einer effektiven Offnungsfläche von 20% des Säulenquerschnitts ausgestattet. Am Gründe der Rektifiziersäule ist ein elektrischer Heizer 26 mit einer Leistung von 500 Watt angeordnet. Die Rektifiziersäule wird mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen und mit unterschiedlicher Eingangsleistung für den Heizer gefahren, so daß sich eine unterschiedliche Aufspaltung des Einlaufs an natürlichem Helium in über die Leitung 23 abgezogenen, an Helium k verarmten Heliumdampf und über die Leitung 22 abführbares, an Helium V angereichertes flüssiges Helium ergibt. Die verschiedenen Betriebsbedingungen und die zugehörige Zusammensetzung der Endprodukte sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt:

Helium 3 -Anteil

Druck mm Eg atm	0	,39	Temperatur	4°K	Eekti- fizier- fraktion	im ange reicherten Helium 4	,01 ppm	im ver armten Helium 4	Heizer- leistg.
300	0	,81	3,	0°K	0,50	««CO	,02 ppm	0,42 ppm	270 w
615	0	,98	4,	2⁰K	0,45	0	,04 ppm	0,44 ppm	255 W
750	¹	>	4,	O⁰K	o,4o	0	,05 ppm	0,4? ppm	240 ¥
1400			5,		0,80	0	II	0,25 ppm	475 w
		Beispiel

38 Ncm (s.c.c.) käufliches Helium 3-Gas werden zu etwa 37»5 Nm (1340 s.cu.ft.) aus Erdgas gewonnenem Helium hinzugesetzt. Die Konzentration von Helium 3 i^ß der Mischung beträgt dann 1,20 ppm, entspricht also etwa dem in aus Luft gewonnenem Helium enthaltenen Helium 3· Die Mischung wird verflüssigt, so daß 50 1 flüssiges Helium entstehen, das dann einer nach Art von Figr 3 als Destillierkolonne mit partieweisem Betrieb ausgebildeten Einrichtung 21 zum Entfernen von Helium 3 zugeführt wird. Diese Destillierkolonne besteht aus rostfreiem Stahl, besitzt einen Innendurchmesser von 25,4 mm (1") und enthält eine Füllung 30 von 50 cm (20") Höhe aus

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aus rostfreiem Stahl . Die' Lf.ütillierkoloime- int mit oxr.r.m oL-fri aufgecetzten !Jeliumkondensa tor ausgerüstet, der zur Erzielung" einer unterhalb dor Ko?; den ε;= tionstemperatur für den Dampf in der Destillierkolonne liegenden Kühl temperatur mit verflüssigtem natürlichen Helium unter vermindertem Druck gespr-ist wird.

Ak Grunde der Dentillierkolonne ist ein lieizer mit 5 Viatt Leistung angeordnet. Dd e Destillierkolonne wird mit voller Heizerleictunjj bei einem geringfügig oberhalb des atmosphärischen Drucks liegenden Druck und mit einem konstanten Volumen von 1,68 l,m^J (CO s.cu.ft.) an je Stunde oben abgezogenem Produkt gefahren, wobei der Druck durch Steuerung der dem Kondensator zugeführten Kühlinitleli/.ehgo be., {irr.:-1 «fires, und sie arbeitet, .· \ t cine.r. konstanten Eückflußverhältnis vor. 1,8. . .

Die Deütillation wird fortgesetzt, bis die am Grunde der Kolonne verbleibende FlücnijrkeitsmeKge 60,5 ;» der ursprünglichen Menprc· betr.^:;pt, zu welchem Zeitpunkt die Konzentration an Helium 3 darin zu Ü,16 rt,rr. cemecüen wira. Die von Anfang an oben abgezogene Ga;.;zuun£- enthält Helium 3 in einem Anteil von 2,79

Die Destillation wird unter den gleichen Fedingungen fortgesetzt, bis die am Grunde der Kolonne verbleibende Flüsigkeit auf kl-,7: A der ';rcprüni"lichen Menge vermindert worden ist. Der Anteil an Helium 3 ^ⁿ dieser Rectflüc.-iigkeit wird dann zu 0,G^ ppm gemessen, und die von Anfang an oben abgezogene Gaszusammensetzung zeigt einen Anteil von 2,15 ppm an Helium 3·

Die' Destillation wird immer noch unter den gleichen Bedingungen fortgesetzt, bis die am Grunde der Kolonne verbleibende Flüssigkeit auf J0,2 70 der ursprünglichen i^enge vermindert ist. Der Anteil an Helium 3 in dieser Eestflüssigkeit wird dann zu weniger als 0,01 ppm gemessen, und die Zusammensetzung des von Beginn der Destillation an oben abgezogenen Gases zeigt einen Anteil von 1,72 ppm an Helium 3·

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In der in Fig. k veranschaulichten Reaktoranlage wird Heliumgac; als Kühlmittel über eine Leitung kO in das Kühlsystem eines gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktors HTGR eingeführt, .ura diesea zu füllen und um spätere Betriebsverluste zu kompensieren. Während des Reaktorbetriebs wird das mit einer Temperatur von ca. kQ^c; C (76O F) und einem Druck von k9 kp/cm^ (700 psig) umlaufende Helium von einem Heliumzirkulator ^f 1 aufgenommen und über eine Leitung kZ an einen Kernreaktor kj> mit einem Reaktorkern kk abgegeben. Beim Durchgang durch den Reaktorkern kk nimmt das Helium durch die Kernreaktion gebildete Wärme auf und verläßt den Kernreaktor 4j mit einer Temperatur von 78O C (1Ί-3Ο F) über eine Leitung 45· Es wird dann einem Dampferzeuger 46 zugeführt, in dem es von 78O C (i43O F) auf 405⁰C (76O⁰F) heruntergekühlt wird, und über eine leitung weitergeleitet. "

Ein Teil des umlaufenden Heliumstromes wird am Auslaß des Heliumzirkulators 41 abgenommen und über eine Leitung 48 einem Reinigungsoyatem 49 zugeführt, in dem Verunreinigungen unter Einschluß auch solcher radioaktiver Art wie aus Helium 3 oder sonst gebildetes Tritium entfernt und über eine Leitung 50 abgeführt werden. Das gereinigte Helium verläßt das Reinigungssystem 49 über eine Leitung 51 und tritt so wieder in die Hauptumlaufschleife, und zwar vor der Ansaugseite des Heliumzirkulators 41, ein. Der Dampferzeuger kG wird über eine Leitung 52 mit Speisewasser versorgt, das in ihm aufgeheizt, verdampft und überhitzt wird, wobei es eine Dampfschlange 53 durchströmt und über eine leitung 3k mit einer Temperatur von 535°C (1OOO°F) und einem Druck von 168 kp/cm^ (2400 psig) austritt. Über die leitung 54 gelangt der Dampf zu einer Dampfturbine 55» die einen Stromgenerator 56 betreibt. Der die Turbine 55 über eine Leitung 57 verlassende Dampf wird in einem anschließenden Kondensator 58 wieder zu Wasser kondensiert. Das Kondensatwasser wird über eine Leitung 59 einer Speisewasserpumpe 60 zugeführt, die es erneut in die Leitung 52 zu neuerlichem Umlauf durch den Dampferzeuger kG und die Dampfturbine ^5 einspeist.

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«lic-nn als Kiihliaittel in der Anlage von Fig. 3 Eatärlic&es Helium verwendet wird, beträft das entstehende und ix KeiElgiiQgrssystem 49 ausgeschiedene Volmseja aa Tritium und Wasserstoff pro <Jafor etwa 0,5 /> des gesamten Eeliumvoluinens. Tritium ist dariis zkslit nur zu etwa 0,01 % enthalt&ra, es ist jedoch im Gegens?its sa g-ewöhnliehern thüi:f.rstoff stark radioaktiv. Bei Einsatz von an ielii&E % angereichertem HeliuE mit einem Gehalt an Helium 5 von 0,0> ppsn als Kühlmittel ändert üica daö gebildete und im Seioxgungssystesi; %9 entfernte Volumen an Tritium und Wasserstoff kauis, Jedoch, verringert sich der Eadioaktivitätspegrel für die im ReinigongssystesE 49 ausgeschiedenen Produkte am raiehr als 50 %, und die Häufigkeit, mit der die Abscheidungsbettesa xm Seinigungssysteai ^ff9 erneuert werden müssen, wird stark verkleinert.

— PatentanSprüche -

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Claims

Patentansprüche

f 1» Helium, gekennzeichnet durch eine Anreicherung des Heliumisotoy;:; Helium h, ■
2. Helium nach Anspruch f, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Heliumisotop Helium 5 unter 0,17 ppm liegt.
5» Helium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Heliumisotop Helium 3 unter 0,05 ppm liegt.
4» Helium nach einem der Ansprache 1 r^'s J>, dadurch ;s iiennf.ei r\\r,et, daß der Antc-il an Heliumisotop Helium 3 unter 0,01 ppm liegt.
5. Verfahren zum Gewinnen von an lieliumisotoxi Helium k angereicherten Helium, dadurch gekennzeichnet,, daß aus natürlichen QueJ. ^y en entnommenes Helium verflüssigt wird, und daß aus diesem verflüssigten Helium Heliumisotot; Helium 3 entfernt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dai. die Entfernung des KeliumisQtops Helium 3 bei einer Temperatur von etwa 3,0 K bis etwa 5» T K vorgenommen ivird.
7^;. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß 'die Entfernung des HeIi urniso tops Helium 3 kei einer Temperatur zwischen etwa 3»3 & und etwa 5»0 K vorgenommen wird.
8. Verfahren zum Gewinnen von an Heliumisotop Helium h angereicherten; Helium, dadurch gekennzeichnet, daß natürlichen Quellen entnommenes Helium verflüssigt wird, daß das verflüssigte Helium in rindcotontj eine ~xn :?eliii.*nisotop Helium '* angereicherte Fraktion vnd ein'· -χι, Heliumisotop Helium '* verarmte Fraktion zerlegt wird und d^r.i: mindestens eine dieser beiden Fraktionen zur Wiedergewinnung dtr dnrin enthaltenen Kälte mit dem natürlichen Quellen entnommenen Helium in '."/ärmeaustausch gebracht v/ird.

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9» Verfahren zum Kühion von gasgekühlten Hochtemperaturkernreaktoren, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel an Heliuraiootop Helium '* angereichertes Helium verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel Helium mit einem Gehalt an Heliumisotop Helium 3 von weniger als 0,17 prm verwendet wird.

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