DE2450391A1

DE2450391A1 - Verfahren zur verhinderung der tritium-kontaminierung von sekundaersalzschmelze und dampf in einem salzschmelzen-kernreaktor

Info

Publication number: DE2450391A1
Application number: DE19742450391
Authority: DE
Inventors: Alfred Lecocq
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1974-10-23
Publication date: 1975-04-30
Also published as: FR2249405A1; FR2249405B1; US3963564A; GB1454189A; DE2450391C2

Description

PATE NTANWALT DR. HANS ULRICH MAY

8 MUnchen 22, Thierschstr. 27 Telefon (089) 22 50 51

CP 496/1323 München, den 23."'*- '^M *

T"595ÖT$T31 Dr.M./cs

Commissariat a I^sEnergie Atomique in Paris/Frankreich

Verfahren sur Verhinderung der Tritium-Kontaminierung von Sekundärsalzschmelse und Dampf in einem Salaschmelzen-Kern-

reaktor.

Die Erfindung betrifft ein Yerfahreni, um in einem mit Salzschmelzen betriebenen Kernreaktor die Kontaminierung der sekundären Salzschmelze und des Dampfes durch Tritium au verhindern.

Mit geschmolzenen Salzen arbeitende Kernreaktoren sind solche, die einen flüssigen Brennstoff benutzen, der aus einem Gemisch von ge= schmolzenen SaIaen besteht« Im Fall von mit schnellen Heutronen be= triebenen Kernreaktoren ist der Brennstoff ein Gemisch von Chloriden und im Fall der Mt thermischen Neutronen arbeitenden Kernreaktoren ist er ein eutektisches Gemisch geschmolzener Salze„ z.B. von Lithiumfluorid,, Berylliumfluorid und U 235- oder U 233·» oder auch Pu 238» Pluorid. Man verwendet in diesem Fall Graphit als Moderator.

Der flüssige Brennstoff bildet die in einem Kreislauf strömende primäre Salzsehmeise und gibt durch einen primären Wärmeaustauscher seine Wärme an eine sekundäre Salzschmelze ab₅ die z.B. aus einem Gemisch von Lithiumfluorid und Berylliumfluorid oder aus einem Natriumfluoborat besteht„ wobei die Sekundärsalzschmelze selbst in ei-

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nem Kreislauf strömt und ihre Wärme durch einen Sekundärwärmeaustauscher an einen Dampfkreislauf abgibt, wo sie in elektrische Energie umgewandelt wird. Im übrigen läßt man durch den eigentlichen Kern des Kern eaktors ein Spülgas, wie Helium, strömen, um die Spalt produkte und das gebildete Tritium abzuführen.

Tatsächlich bilden sich besonders in den mit thermischen Neutronen betriebenen Salzschmelzen-Kernreaktoren durch die Einwirkung der Strahlen auf die benutzten Salze, besonders das Lithiumfluorid, erhebliche Mengen Tritium. Das Tritium entsteht durch die folgenden Reaktionen:

6 1 3 4

Li ψ η «—«—*«> H -}· He
3 0 12

7 1 14 3
I₁X ₊ η -«™»»,„> η 4- He + H

3 0 0 2 1
19 + ¹ 1? + ³ „

0 8

Schätzungsweise bilden sich in einem Salzschmelzen-Kernreaktor von 1Q00 Mi-Ze etwa 2400 Curies pro I'ag Tritium. Das im Kreis der Primärsalzschmelze gebildete Tritium diffundiert durch die Wände des Primärwärmeaustauschers und dann durch die des Sekundärwärmeaustauschers und gelangt schließlich in den Dampfkreislauf des elektrischen Generators. Es läßt sich auf dieser Stufe nur sehr schwer zurückhalten, woraus sich erhebliche Gefahren der Verschmutzung der Atmosphäre ergeben.

Um diese Kontasninierung %u. verhindern, bemüht man sich, den in den Dampfkreislauf gelangenden Strom von Tritium möglichst zu verringern. Dafür sind bereits zahlreiche Methoden bekannt, die jedoch noch keine voll befriedigenden Ergebnisse erbracht haben.

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Man hat beispielsweise versucht, die chemischen Gleichgewichte im Kreis der Primärsalzschmelze durch Einleiten eines hindurchperlenden Stroms von Wasserstoff zu verschieben, der die Reaktion 1/2 H₂ + UF₄ UF₃ + HF begünstigt. Dieses Durchleiten von Wasserstoff führt also zur Bildung der in der Gasphase mehr löslichen Fluorwasserstoffsäure, die daher vom Spülgas des Kernreaktors leichter mitgenommen wird und somit einen Teil des gebildeten Tritiums mitnimmt. Dieses Verfahren weist jedoch den Wachteil auf, daß die gebildete Fluorwasserstoffsäure stark korrodierend wirkt. Es ist auch bekannt, die Gleichgewichte in der Sekundärsalzschmelze, beispielsweise dem Natriumfluoborat„ zu verschieben, indem in Gegenwart von Sauerstoff ein Komplex vom Typ NaBeF,,,QH gebildet wird, der zu einer Blockierung des Tritiums im Sekundärkreislauf führt.

Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, das Tritium im Primärkreislauf oder Sekundärkreislauf durch Bildung von Tritiden (z« B. von Yttrium) chemisch zu adsorbieren. Diese Verbindungen sind jedoch bei hoher Temperatur wenig beständig und zersetzen sich leicht_s sodaß nur eine vorübergehende Dekontaminierung erreichbar ist *

Man kann auch auf den Wänden der Wärmeaustauscher feste Grenzschicht ten ausbilden, die der Diffusion des Tritiums entgegenwirken. Es kann geschehen, indem man einen Wärmeaustauscher aus einem Stahl verwendet, der ein Element, wie Zirkonium, enthält, das Tritium zu-' rückhalten kann. Man kann auch auf den Austauscherflächen der Wärmeaustauscher Schichten von Oxiden oder Metallen, wie Molybdän, abscheiden, welche die Durchlässigkeit der die Wärmeaustauscher bildenden Metalle oder Materialien herabsetzen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sollen nun die Nachteile der

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bekannten Verfahren "beseitigt und auf einfache, leicht durchführbare Weise eine gute Tritium-Dekontarainierung des Sekundärkreises und Dampfkreises eines SaIzschmelzen-Kernreaktor£ erreicht werden.

Das diesem Zweck dienende erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß im Sekundärsalzschmelzenkreis ein solcher Druck von Wasserstoff aufrechterhalten wird» daß der Wasserstoff die Sekundärsalzschmelze sättigt und aus ihr zur Primärsalzschmelze diffundiert.

Vorzugsweise liegt der in der Sekundärsalzschmelze aufrechterhaltene Wasserstoffdruck in der Nähe von 1 Atmosphäre.

Der so in den Sekundärsalzschmelzenkreis eingebrachte Wasserstoff löst sich in der Sekundärsalzschraelze und diffundiert in den Primärwärmoaustauscher. Im Bereich der Wand des Primärwärmeaustauschers dissoziieren der molekulare Wasserstoff und das molekulare Tritium im Metall des Wärmeaustauschers oder an der Grenzfläche. Man erzeugt so einen der gegebenen Strömung des Tritiums entgegengerichteten Strom von Wasserstoffatomen, der also den Tritium-Strom weitgehend blockiert und umkehrt.

Die Ströme der beiden Elemente Tritium und Wasserstoff hängen nicht nur von ihren jeweiligen Partialdrücken beiderseits der Wärmeaustauscherwand sondern auch von den in den Salzschmelzen beiderseits der Wand, an den Grenzflächen Salzschmelze-Material des Wärmeaustauschers und im inneren des Wärmeaustauschermaterials stattfindenden molekularen Wechselwirkungen ab. Diese Bedingungen sind so festgelegt, daß genügend Wahrscheinlichkeit für interatomare Stöße zwischen den Wasserstoffatomen und Tritiumatomen besteht, sodaß schließlich das Tritium vom Primärwärmeaustauscher in den Primärsalzschmelzenkreis zurückgedrückt wird. Es kann so den Sekundärsalzschmelzen-

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• 9 *

kreis und damit den Dampfkreis nicht mehr kontaminieren.

Die Erfindung wird erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügte Figur, die schematisch einen Salsschmelzen-Kernreaktor und au= gehörige Anlagen zeigt.

Die Figur seigt den Kern 1 des Kernreaktors, in dem sich die Primärsalzschmelze befindete welche die flüssige Ausgangsbrennstoffmischung bildet. Diese Primärsalzschmelze strömt im Primärkreis 2 durch den Primärwärmeaustauscher 3 * wo sie ihre Wärme an die im Sekundärkreis 4 strömende SekundärsalzsGhmelze abgibt-, die ihre Wärme im Sekundärwärmeaustauscher 6 an den im Dampf kreislauf 5 strömenden Dampf weitergibt. Mit dem Reaktorkern 1 ist ein Spülgaskreis 7 verbunden,, der eine Abzweigung aufweist, in die eine Vorrichtung 8 zur Behandlung eines Teils des Spülgases zwecks Beseitigung der Spalt·» produkte und des mitgeführten Tritiums eingeschaltet ist.

Erfindungsgemäß ist der Sekundärsalsschmelzenkreis 4 mit einem Wasserstoff kreis 9 verbunden, durch den die im sekundärkreis strömende Salzschmelze mit Wasserstoff gesättigt wird« Der in der Sekundärsalzschmelze gelöste Wasserstoff diffundiert durch den Primärwärmeaustauscher 3*

Die Primärsalzschmelze besteht aus einem Gemisch von Lithiumfluoridp Berylliumfluorid und Ü 23S=PIiIOrId₉ die Sekundärsalzschmelze aus einem Natriumfluoborat und das Spülgas aus Helium.

In diesem Beispiel w@ffsteai8 % des Spülgases Helium in der Vorrichtung 8 dauernd oxidiert, um das Tritium zu beseitigen. Der Partial«, druck dieses Tritiums im Helium beträgt etwa 11,3 χ 10~⁶ Atmosphären. Der in der Sekundärsalzschmelze erzeugte Partialdruck des Wasserstoffs kann ohne Schwierigkeiten nahe bei 1 Atmosphäre liegen.

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Das ist besonders günstig, da der Kernreaktor bei Atmosphärendruck arbeitet· Der Wasserstoffstrom ist daher etwa 600-mal höher als der Tritiumstrom,

Außerdem treten an den Grenzflächen Salzschmelzen-Metall oder Material des Primärwärmeaustauschers chemische Erscheinungen der Dissoziation und Rekombination auf, die auf die TritiummolekUle und auch Wasserstoffmoleküle einwirken, wobei aber die Tritiummoleküle einen Abstand von 370 A haben» während die Wasserstoffatome an der Grenz« fläche auf der Seite des Metalls oder Materials im Mittel nur 15 A voneinander entfernt sind. Im Inneren des den Primärwärmeaustauscher bildenden Materials sind die Konzentrationen an Tritium- und Wasserstoffatomen ein Spiegelbild der entsprechenden Konzentrationen in den Primär- und Selcundärsalzschmelzen. In der Primärsalzschmelze beträgt die Tritiumkonzentration 2 χ 10¹² Moleküle pro cm³, während

in der Sekundärsalzschmelze die Wasserstoffkonzentration 1,8 χ 10 Moleküle pro cm³ beträgt. Außerdem liegt die mittlere freie Wegstrecke der Tritiumatome im Wärmeaustauscher, die durch die physische Gestalt des Materials festgelegt ist, in der Nähe der mittleren Entfernung zwischen den Atomen des WasserstoffStroms. All das zeigt, daß die Wahrscheinlichkeit von Stößen zwischen den Tritiumatomen imd Wasserstoffatomen im Bereich der Wand des Primärwärmeaustauschers 3 sehr groß ist.

Ein großer Teil der in Berührung mit dem den Primärwärmeaustauscher bildenden Material neu gebildeten Tritiumatome rekombiniert sich also mit den aus diesem Wärmeaustauscher austretenden Wasserstoffatomen und wird infolgedessen auf den Rückweg gebracht.

Man erhält so nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine gute Triti-UKHSekontaminierung des Sekundärkreises und Dampfkreises eines Salzschmelzen-Kernreaktors.

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Claims

Patentansprüche

1·)Verfahren zur Verhinderung der Tritium-Kontaminierung von Sekundär sal zschmel ze und Dampf in einem Salzschmelzen-Kernreaktor, dadurch gekennzeichnet^ daß im Kreis der Sekundärsalzschmelze ein solcher Wasserstoffdruck aufrechterhalten wird, daß der Wasserstoff die Sekundärsalzschmelze sättigt und von dieser ziay Primär» salzschmelze diffundiert*
2. Verfahren nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserstoff druck in der Sekundärsalzschmelze in der Nähe von 1 Atmosphäre liegt.

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