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Verfahren und.Einrichtung-zum Eindampfen und Lagern von flüssigen
radioaktiven Abfällen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Eindampfen und Lagern von flüssigen radioaktiven Abfällen.
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Zum Eindampfen und Lagern von radioaktiven Abfällen, die bei Atomkraftwerken,
Versuchungsreaktoren oder in Isotopenlaboratorien anfallen, sind zahlreiche technologische
Verfahren bekannt.
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Bei dem bekanntesten Verfahren werden die anfallenden radioaktiven
Lösungen in Verdampfern eingedampft und das Konzentrat
in Behältern
gelagert. Es sind auch solche Verfahren bekannt, bei denen das Konzentrat mittels
Zuschlagmaterialien (wie Zement, Bitumen usw.) verfestigt wird. Die auf diese Weise
hergestellten Feststoffe werden dann gelagert.
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Bei den oben erwähnten Verfahren sind das Eindampfen und die Lagerung
zwei voneinander getrennte technologische Verfahren, die beide eine Reihe von Schwierigkeiten
und Nachteile haben: 1.) Konzentrierung mit Verdampfern: In dem Wasserraum des Verdampfers
siedet das radioaktive Abwasser und der austretende Dampf reißt radioaktive Gase
mit, teils in Form von Wasserpartikeln, teils in Form von dampflöslichen radioaktiven
Materialien. Darum muß der Dampf wieder kondensiert und gereinigt werden.
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Beim größeren Salzgehalt wird das Abwasser - besonders dann, wenn
organische Materialien vorhanden sind, - in dem Verdampfer aufgeschäumt und der
Reinigungsfaktor dadurch vermindert.
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Während des Betriebes setzen sich radioaktive Materialien an der
Heizfläche und an anderen Stellen des Verdampfers ab. Dies erfordert eine umständliche
Reinigung und Instandhaltung. Der Konzentrierungsgrad wird daher wesentlich erschwert
und eingeschränkt. Darüber hinaus erfordert der Betrieb des Verdampfers eine dauerhafte
Wartung.
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2a) Lagerung des Konzentrats in Behältern im flüssigen Zustand: Ein
Nachteil dieses Verfahrens ist - infolge der Eigenart der Technologie -, daß das
vorherige Eindampfen des Abwassers nur bis zur Grenze der Beförderbarkeit durchgeführt
werden kann. Deshalb muß ein wesentlich größeres Volumen, als es die organischen
und anorganischen Materialien effektiv haben, gelagert werden. Die Notwendigkeit
der Erhöhung des Rauminhaltes des Behälters und des auch
als biologischer
Schutz wirkenden Gebäudes erfordern wesentlich höhere Betriebskosten.
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2b) Lagerung des Konzentrats in verfestigtem Zustand: Der Nachteil
dieses Verfahrens ist die Notwendigkeit, neuere, kostspielige technologische Arbeitsvorgänge
einführen zu müssen und die weitere Erhöhung des Raumbedarfes gegenüber dem Raumbedarf
des eingedampften Konzentrates.
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Bei dem durch die französisehe Firma Compagnie des Salines de Midi
et des Salines de liest entwickelten Trocknungs-Eindampfungsverfahren (Aceran) wird
der Siede-Verdampfer durch einen unterhalb des Siedepunktes arbeitenden Verdampfer
ersetzt.
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Diese Einrichtung arbeitet ähnlich wie die Wasserfilm-Kühltürme, d.h.
entgegenströmende Luft nimmt aus dem an einer Glasplatte abrinnenden Abwasser Wasserdampf
mit. Wegen der Bewegung der einzudampfenden Flüssigkeit ist der Reinigungsgrad ziemlich
schlecht. Ebenso ist die obere Grenze der Eindampfung, wie bei konventionellen Verdampfern,
beschränkt.
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Die Probleme der Behandlung und der Lagerung von radioaktiven Abfällen
werden unter den bekannten Einrichtungen durch eine mit Infrarot-Heizung arbeitende
Behandlungseinrichtung des Instituts für Isotope der Ungarischen Wissenschaftlichen
Akademie am besten gelöst.
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Bei dieser Einrichtung sind Heizkörper in den Deckel eingebaut.
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Die Strahlungsenergie wird in der oberen dünnen Schicht des Wasserspiegels
absorbiert, worauf es siedet. Die entstandenen Dämpfe werden durch einen Ventilator
entfernt. Vorteil dieses Verfahrens ist der hohe Reinigungsgrad und die Einfachheit.
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Ein Nachteil besteht allerdings darin, daß der energetische Wirkungsgrad
niedrig ist und für die Heizung elektrische Energie notwendig ist. Bei einem Speicher
hoher Leistung und hoher
Aktivität ist der Austausch der Heizkörper
schwierig und von der Dampfseite funktioniert sie in geöffneter Kette.
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Daraus ergibt sich, daß dieser infrarotgeheizte Verdampfer vor allem
als Kleinleistungs-Einrichtung verwendet wird.
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Ziel der Erfindung ist ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen,
das bzw. die das Problem des Eindampfens und der Lagerung von flüssigen radioaktiven
Abfällen wesentlich einfacher gestaltet, als dies mit bekannten Einrichtungen möglich
ist.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der radioaktive
Abfall am Ort der endgültigen Lagerung eingedampft wird, und die Konzentrierung
mit einem die Wärme und den Dampf liefernden Transportmittel im Gaszustand von 0,5
- 1,5 Atm. Druck erfolgt.
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In das im geschlossenen Zyklus strömende Transportmittel wird zweckmäßig
Dampf eingeblasen und dieser Hilfsdampf samt dem gelieferten Dampf wird kondensiert.
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Bei einer zweckmäßigen Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
das Transportmittel durch einen oder mehrere Luftkanäle in den Dampfraum tangential
eingeblasen und das Transportmittel in Wirbelströmung der Oberfläche der radioaktiven
Flüssigkeit zugeführt. Danach wird das Transportmittel längs der äußeren Wand des
die Flüssigkeit enthaltenden Behälters abgeführt. Demzufolge wird der Dampf aus
dem Transportmittel kondensiert, dann wird mit dem Transportmittel Wärme übermittelt
und es wird wieder rezirkuliert.
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Das Konzentrat wird nach Eindampfung mit selbsthärtenden, wasserdichten
Material, zweckmäßigerweise mit Bitumen umhüllt.
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Eine für die Durchfühnng des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete
Einrichtung
ist derart ausgebildet, daß sie einen Außen- und einen Innenbehälter aufweist, wobei
der Innenbehälter zur Aufnahme des konzentrierenden Abfalles ausgebildet ist und
eine offene Oberseite besitzt, und daß in dem Raum zwischen den zwei Behältern-ein
das Transportmittel leitendes Leitgewinde vorgesehen ist.
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Bei einer weiteren Ausführung der Einrichtung wird zweckmäßigerweise
statt der ineinandergesetzten zwei Behälter ein einziger doppelwandiger Behälter
verwendet.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert,
in der die AusfUhrungen der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt sind.-Fig.
1 zeigt das vereinfachte-Arbeitsschema der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Fig. 2 zeigt die Vorderansicht des Doppel-Abkochen-Speicher-Behälters in Schnittansicht;
Fig. 5 ist die Draufsicht des Doppelbehälters nach Fig. 2; Fig. 4 zeigt die Vorderansicht
des Abkochenspeichers einzigen Behälters in Schnittansicht, und Fig. 5 ist die Draufsicht
des Behälters nach Fig. 4.
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Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung gelangt der abzulagernde
flüssige Müll entweder nach vorhergehender Behandlung, oder ohne dieselbe in den
Speisebehälter 1. Von dem Speisebehälter speist die Speisepumpe 2 den flüssigen
Müll in den Speicher-Eindampfer-Behälter. Um die größte Kapazität zu erreichen,
muß das Flüssigkeitsniveau im Eindampfer 5 zweckmäßig auf nahezu-konstantem Wert
gehalten werden. Deshalb wird die
Förderleistung der Speisepumpe
2 durch das Regelventil 4 in Abhängigkeit des Flüssigkeitsniveaus des Eindampfers
3 gere--gelt.-Die sich im Eindampfer 3 abspielenden Vorgänge und die Form des Eindampfers
3 sind in den Fig. 2 und 5 dargestellt.
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Der Eindampfer 5 ist ein aus rostfreiem Stahl hergestellter, walzenförmiger
Stehbehälter. Der Innenbehälter 8 ist oben geöffnet und dient zur Aufnahme der Lösung.
Der Außenbehälter 9 ist oben bedeckt und einerseits dient er für die Hermetisieung
und die Leitung des Transportmittels, andererseits verhindert er, falls der Innenbehälter
beschädigt wird, daß der radioaktive Müll in die Umgebung gelangen kann. Das heiße,
trockene Transportmittel tritt in den Eindampfer durch den Eintrittsstutzen 5 tangential
ein. Die Eintrittsgeschwindigkeit beträgt lo - 30 m/Sek. und hängt von dem verwendeten
Mittel und der Konstruktion ab. Im oberen Zylinder bildet sich eine Wirbelströmung
aus. Gleichzeitig bewegt sich das Transportmittel an die Oberfläche der Flüssigkeit.
In dem konischen Teil des Behälters vermindert sich die tangentiale Geschwindigkeit
des Transportmittels und die Geschwindigkeit über dem Flüssigkeitsspiegel beträgt
nur einige m/Sek. Die sich nach unten richtende Geschwindigkeits-Komponente des
wirbelnden Transportmittels kann leichter geregelt werden, wenn ein Teil des Mittels
längs der Achse senkrecht nach unten geleitet wird. Die Einleitung des Abwassers
erfolgt durch den Stutzen 6 in der Achsenlinie unter das Flüssigkeitsniveau.
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Der Stutzen 7 dient zur Ausführung des Pegelmessers. Da die Flüssigkeit
im Behälter Salze, Säuren und Laugen enthält und eine ziemlich große Leitfähigkeit
hat, kann bei der Messung des Flüssigkeitsniveaus solch ein elektrischer Niveaumesser
gut verwendet werden, bei dem eine Klemme einer Stromquelle mit parallelgeschalteten
Elektroden verschiedener Länge verbunden ist, während die andere Klemme zu dem Innenbehälter
8 geschaltet ist. In jedem Stromkreis der Elektroden ist ein Relais eingeschaltet.
Wenn das Flüssigkeitsniveau das Ende der
Elektrode erreicht, erhöht
sich die Stromstärke in ihrem Stromkreis, worauf das Relais anzieht und ein Signal
abgibt.
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Uber dem Wasserspiegel strömendes trockenes, warmes Transportgas
sättigt sich mit Wasserdampf. Die Temperatur des Abwassers ist niedriger als sein
SiedepUnkt, die Verdampfung des Wassers erfolgt nur von der Oberfläche -des-Wasserspiegels.-Das-garantiert
einen sehr hohen Reinigungsgrad (Dekontamination). Gegenüber den Verdampfern fehlt
hier eine die Oberfläche des Wasserspiegels durchbrechende senkrechte Materialströmung.
So tritt keine Aufschäumung oder Fortschwennung von Tropfen auf. Infolge Xer unterhalb
des Siedepunkts erfolgenden Verdampfung gelangen die im Abwasser gelösten aktiven
Gase nur in kleinen Mengen in das Transportmittel. Die Geschwindigkeit der Verdampfung
wird durch die Intensität des sogenannten nassen Wärmeaustausches bestimmt, welche
von dem Diffusionskoeffizientenn dem Druck, der Geschwindigkeit des Transportmittels,
sowie von der Differenz der Partialdrücke des Dampfes über dem Wasserspiegel und
dem Transportmittel abhängt. Als Transportmittel ist Luft am besten geeignet, aber
in vielen Fällen kann ein anderes Gas vorteilhafter verwendet werden. Wenn das Transportmittel
Stickstoff ist, dann vermindert sich die Korrosionsgefahr im System.. Wenn in dem
System Helium verwendet wird, kann sich neben der Beseitigung der Korrosionsprobleme
die spezifische Leistung des Systems erhöhen.
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Das Transportmittel mit erhöhtem Dampfinhalt strömt von dem Abdampfraum
tangential in den Heizraum, der zwischen dem Innenbehälter 8 und dem Außenbehälter
9 ausgestaltet ist.
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In den Weg des in den Heizraum eintretenden Transportmittels kann
aus Sicherheitsgründen ein Tropfenabscheider angeordnet
werden.
Die einfachste Lösung für die Tropfenabscheidung-ist in Fig. 2 gezeigt und beinhaltet
die am Innenbehälter 8 angeordnete Kante 20.
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Das Transportmittel im Heizraum wird durch das am Innenbehälter angeschweißte
Leitgewinde lo geleitet. Das im Heizraum strömende Transportmittel überträgt einen
großen Teil seiner Wärme auf den-Innenbehälter, womit der Wärmeverlust des Abwassers
infolge der Verdampfung ausgeglichen wird.
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Das Abwasser im Innenbehälter 8 ist praktisch in Ruhe, deshalb setzt
sich der im Atommüll vorhandene mechanische Schmutzstoff auf dem Boden des Behälters
ab. Infolge der Temperaturabhängigkeit der Wichte des Wassers ist die Temperatur
des Wassers im unteren Teil des Behälters geringer als an der Oberfläche, was die
Ausscheidung der gelösten Salze auf den Boden des Behälters fördert. Die weitere
Folge des sich ausbildenden Temperaturgradienten ist, daß die Temperatur des Transportgases
unten im Heizraum geringer sein kann, als die Temperatur der Flüssigkeit an dem
Wasserspiegel, deshalb kann die Kondensation des im Transportmittel vorhandenen
Wasserdampfes schon in dem unteren Teil des Heizraumes anfangen. Bei der Kondensation
entbundene Wärme gelangt in-den Innenbehälter 8 zurück, wodurch sich der thermische
Wirkungsgrad des Systems erhöht. Der im Heizraum kondensierende Niederschlag gelangt
durch den Stutzen 11 und den Siphon in das Gefäß RUr Kondenswasser 15.
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Wenn die Leistung der Einrichtung durch die Verminderung der durch
die Wandung des Innenbehälters übertragbaren Wärme beschränkt wird, z.B. wegen der
Verschmutzung des Behälters, dann kann die Intensität der Heizung dadurch
gesteigert
werden, daß in das Transportgas, in dem Raum zwischen den zwei Behältern, durch
den Stutzen 19 Dampf geführt wird. Das Kondensat des eingeleiteten Dampfes wird
dem Kondensat des von dem Abkochenraum fortgeschwemmten Dampfes zugegeben.
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Das Transportmittel verläßt den Eindicker durch den Austrittsstutzen
12 und gelangt in den Kondensator 14. Die Aufgabe des Kondensators 14 ist die wirksame
Entfernung des im Transportmittel vorhandenen Wasserdampfes. Der Kondensator 14
besteht aus einem Röhrenwärmeaustauscher stehender oder liegender Ausführung. In
den Röhren des Kondensators strömt das kalte Kühlwasser 15, in dem Raum zwischen
den Röhren aber das Transportmittel. Eine auf die Kühlfläche gerichtete Wärmeströmung
ergibt sich im größten Teil aus der Kondensation des im Transportmittel vorhandenen
Wasserdampfes im kleineren Teil aus der Abkühlung des Transportmittels. Das aus
dem Kondensator austretende Transportmittel verliert von seiner Temperatur wenig,
seine relative Feuchtigkeit wird aber wesentlicil kleiner als 100% sein. Der Absolutwert
des Feuchtigkeitsgehaltes des Transportmittels ist in der Nähe. der Temperatur des
austretenden Kühlwassers liegenden Sättigungs-Feuchtigkeitsgehalt. Im Kondensator
14 und auf dem Boden des Außenbehälters 9 angesammelter Niederschlag sammelt sich
in dem Gefäß für Kondenswasser 13 an. Es ist zweckmäßig, die Aktivität des Niederschlages
stetig zu kontrollieren. Nach dem Kontrollieren kann der Niederschlag in das die
radioaktiven Abwässer erzeugende ObJekt zurückgebracht werden.
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Der Ventilator 16 fördert das Transportmittel aus dem Kondensator
in die Heizeinheit 17. Die Heizeinheit ist ein mit Dampf oder mit heißem Wasser
geheizter konventioneller Kaloripher, aus dem das erwärmte Transportmittel in den
Verdampfer,
zurückgelangt.
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In der Einrichtung zirkuliert das Transportmittel in einem geschlossenen
Kreis. Wenn das Transportmittel Lurt ist, dann kann -das System mit kleinem Unterdruck
oder mit Uberdruck arbeiten, bei der Verwendung von anderen Gasen jedoch nur mit
ueberdruck. Wenn das Transportmittel Luft ist, wird der Unterdruck durch den mit
der Absauger-Belüftung des Betriebs für die Müllversorgung verbundenen Stutzen 18
gesichert. Bei der Überdruck-Ausführung erbringt den Überdruck das durch den Stutzen
18 eingeleitete Gas und sichert somit eine Minderung der Verluste. Da das System
völlig geschlossen ist, kann die Gassickerung auf einen minimalen Wert vermindert
werden. Die Aktivität des Transportmittels ist klein, so führen die eventuellen
Sickergase die Belüftung des Betriebes für Müllversorgung fort. In dem erfindungsgemäßen
System für Müllversorgung können die charakteristischen Betriebsbereiche der Mittel
die folgenden sein: Transportmittel, bei Luft oder Stickstoff - Temperatur vor dem
Eindampfen 80 - 160°C - Temperatur vor dem Kondensieren 40 - 9o°C - Temperatur nach
dem Kondensieren 50 - Bo0C - Spezifische Zirkulation der Luft bezogen auf den Wasserspiegel
2oo-4oo m3/m2. h - Temperatur des Abwasser im Innenbehälter 50 - 9o°C Die Verdampfungsgeschwindigkeit,
bezogen auf den Wasserspiegel, verändert sich wesentlich in der Abhängigkeit der
Art des Transportmittels und der Betriebsparameter, Dieser Wert ist annähernd 2
- 15 kp/m2.h. Der Dekontaminationsfaktor hängt auch von vielen Parametern ab. Dieser
Wert
- ohne Dampfreinigung - ist io5 - 1o6.
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Die Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung hängt wesentlich von
der spezifischen Aktivität und der,Zusam-, mensetzung des zu behandelnden Abwassers
ab. Im gewöhnlichen Fall muß mit biologischem Schutz nur der Verdampfer und eventuell
der Speisebehälter versehen werden. Wenn sich der Speicherraum mit dem breiartigen
Konzentrat füllt, dann sollen die Außenanschlüsse gesperrt werden.
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Der Raum zwischen den zwei Behältern muß nachträglich mit selbsthärtendem,
wasserdichtem Material, z.B. mit dünnflüssigem Zementmörtel, oder mit heißem flüssigem
Bitumen ausgegossen werden. Auch der Raum zwischen der Wandung des den Speicherbehälter
umfangenden-Gebäudes und den Behälter kann ebenso ausgegossen werden, Die Einleitung
des Ausgußmaterials in den Behälter oder um den Behälter.
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erfolgt mittels vorher eingebauter Röhren. Nach der Verhärtung des
Ausgußmaterials beansprucht der außer Betrieb gesetzte Speicher keine weitere Bedienung
und Aufsicht, er wird dauernd hermetisch sein. Bei kleineren Einheiten kann der
gefüllte Lagerbehälter weggefördert werden.
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Wenn der Salzgehalt des radioaktiven Abwassers groß ist, oder wenn
die entstandenen Abwässer auf herkömmliche Weise konzentriert werden, kann die erfindungsgemäße
Einrichtung mit-kleinerer spezifischer oberflächlicher Leistung in einfacherer Ausführung
und billiger aufgebaut werden. Die Vereinfachung wird dadurch ermöglicht, daß der
für die Konzentrierung des Abwassers und für die Endlagerung desselben dienende
Behälter nicht doppelwandig, sondern einzelwandig ist. Diese Einrichtung ist im
wesentlichen übereint mit dem Außenbehälter 9 der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung
und diese Lösung ist in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt.
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Der Unterschied gegenüber dem in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigten Doppelbehälter
besteht darin, daß der Austrittsstutzen 12 für das Transportmittel auf der bauchigen
Oberfläche des Deckels angeordnet ist, und der Stutzen 11 für die Kondensableitung
des Außenbehälters wegfällt.
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Der Ständer des Behälters kann in einer bei walzenartigen Stehbehältern
üblichen Ausführung ausgestaltet werden.
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Bei dieser Ausführung erfolgt die mit der Verdampfungswärme proportionelle
Wärme einleitung auch durch den Wasserspiegel, die Wärmeeinleitung durch die Seitenwandung
des Behälters fällt sinngemäß weg.
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Das die Wärme und den Dampf liefernde Transportmittel wird bei dieser
Ausführung durch den an dem Deckel des Behälters ausgestalteten tangentialen Einführungsstutzen
5 in Wirbelströmung ueber die Flüssigkeitsfläche gerichtet, und das Transportmittel
wird durch den an dem oberen bauchigen Teil des Behälters angeordneten Austrittsstutzen
12 weggeleitet.
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Die spezifische Leistung dieser Ausführung bezogen auf den Flüssigkeitsspiegel
ist neben den vorher angegebenen Parametern des Transportmittels 1-2 kg/m2 .h.
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Bei der Ausführung-mit mit einzelwandigem Behälter kleinerer spezifischer
Leistung können die äußeren Vorrichtungen unverändert werden, aber die Einschaltung
des Kondensators 14 in die Teilströmung kann auch gelöst werden.
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Bei dieser Ausführung kann - wegen des kleineren, spezifischen Leistung-
und Heizbedarfes - die Ausgestaltung der Heizeinheit 17 mit elektrischer Heizung
überlegt werden.
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Nach der Beendigung der Anfüllung und der Konzentrierung kann die
Sicherheit der Endlagerung dadurch erhöht werden, daß zwischen dem Behälter und
dem Gebäude - das zweckmäßig eine Betonzelle ist - nachträglich selbsthärtendes,
wasserdichtes Material, z.B. heißes, flüssiges Bitumen oder laugenariger Zementmörtel
gegossen wird.
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Vorteil aller Ausführungen der erfindungsgemäßen Einrichtung ist,
daß in mit biologischem Schutz versehenen Raum keine Bedienung beanspruchender oder
bewegender Bauteil ist. Die Bedienung ist einfacher und sicherer, als bei den BiSher
bekannten Lösungen, da die Konzentrierung an dem Platz der Endlagerung erfolgt,
und während der Verdampfung der Dekontaminationsfaktor sehr hoch ist.
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Mit der érfindungsgemäßen Einrichtung ist die Konzentrierung von flüssigen
Abfällen abhängend von der Zusammensetzung der primären Abfälle sogar bis dem Trockenstoffinhalt
von 500 - looo g/2i möglich, so daß der Lagerraumbedarf für die Verarbeitung von
flüssigen Abfällen gegebener Menge wesentlichkleiner ist, als bei allen bekannten
Verfahren (ausgenommen infrageheizte Verdampfer, mit denen ähnliche Konzentrierungsgrade
erreicht werden können). Der Betrieb der Einrichtung ist wirtschaftlich, da ihre
Heizung mit niedriger Potentialwärme (Dampf, heisses Wasser) erfolgt.
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- Patentansprüche -