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Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen des in gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren
als Kühlmittel verwendeten Helium Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Reinigen des in Hochtemperaturreaktoren als Kühlmittel verwendeten
Heliums, bei dem gasförmige Verunreinigungen, wie Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasserstoff,
Sauerstoff, Stickstoff, radioaktives Jod und radioaktive Gase, die in Heliumkühlmitteln
von gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren enthalten sind, entfernt werden.
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Das als Kühlmittel verwendete Helium enthält im allgemeinen Verunreinigungen,
wie Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Wasser, Methan,
radioaktive Gase, z.B. Krypton und Xenon, sowie radioaktives Jod. Wird Helium, das
die vorgenannten Ve runreinigungen in hoher Konzentration enthält, als Kühlmittel
in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor verwendet, so neigt das als Kühlmittel
verwendete Helium dazu, bei hohen Temperaturen das Material des gasgekühlten Reaktors
und den im Reaktor befindlichen Kernbrennstoff zu erodieren, die Wirksamkeit des
Reaktors herabzusetzen und die Haltbarkeit des Reaktors zu verringern. Soll Helium
als Kühlmittel in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor verwendet werden, so
ist es folglicherweise notwendig, das Helium zu reinigen und die Konzentration der
Verunreinigungen im Kühlmittel so niedrig wie möglich zu halten.
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Zur Reinigung des in einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor als
Kühlmittel verwendeten Heliums wird üblicherweise ein physikalisches Absorptionsverfahren
angewendet. Nach diesem Verfahren wird das Kühlmittel mittels einer Molekularsiebfalle,
mit Holzkohle bestückten Falle, Titanschwammfalle und/oder einer Kupferoxidkolonne
gereinigt.
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Bei der Reinigung des als Kühlmittel zu verwendenden Heliums nach
diesem Verfahren entfernt die Molekularsiebfalle Wasser und Kohlendioxid aus dem
Kühlmittel, die Holzkohlefalle entfernt Sauerstoff, Stickstoff, Methan, Kohlenmonoxid
und radioaktive Gase, wie Krypton und Xenon, aus dem Kühlmittel und die Titanschwammfalle
entfernt Wasserstoff aus dem Kühlmittel.
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Als weiteres übliches Reinigungsverfahren für das als Kühlmittel zu
verwendende Helium ist das sogenannte chemische Absorptionsverfahren bekannt. Nach
dem zweiten oder chemischem Absorptionsverfahren werden Wasserstoff und Kohlenmonoxid,
die im Helium enthalten sind, in der Kupferoxidkolonne oxidiert und in Wasser bzw.
Kohlendioxid umgesetzt,
wonach das Wasser und das Kohlendioxid in
der Molekularsiebfalle aus dem Kühlmittel entfernt werden und der Sauerstoff, der
Stickstoff und die radioaktiven Gase aus dem Kühlmittel entfernt werden dur ch die
mit flüssigem Stickstoff gekühlte Holzkohlenfalle. Die wesentlichste Schwierigkeit,
die jedoch bei den oben erwähnten zwei konventionellen Reinigungsverfahren für das
Helium auftritt, bezieht sich auf die Entfernung von Kohlendioxid und Wasserstoff.
Kohlendioxid ist eines der Gase, welches sich nicht leicht aus dem als Kühlmittel
verwendeten Helium entfernen läßt und dieses Gas kann nicht auf geeignete Weise
durch irgendein anderes Mittel entfernt werden als durch die Absorptionswirkungder
Molekulars iebfalle. Das Molekulars ieb besteht aus einem Mittel, welches Feuchtigkeit
entfernt. Enthält das aus Helium bestehende Kühlmittel für gasgekühlte Hochtemperaturreaktoren
Wasser bis zu einem Gehalt von mehreren ppm, so kann das Molekularsieb durch Absorption
pro 1 g des Siebmaterials ca. 10 mg Wasser aus dem Kühlmittel entfernen. Die von
1 g des Molekularsiebs absorbierte Kohlendioxidmenge beträgt ungefähr 3 mg bei einer
Konzentration des Kohlendioxids im Kühlmittel von mehreren ppm, d. h. im gleichen
Siebaggregat beträgt die Menge des absorbierten Kohlendioxids ungefähr ein Drittel
der Menge des absorbierten Wassers. Da die von 1 g des Molekularsiebs absorbierte
Menge des Kohlendioxids, wie erwähnt, so gering ist, muß die Kapazität einer Molekularsiebfalle
wesentlich größer sein wenn Wasser sowie Kohlendioxid gleichzeitig in der Molekularsiebfalle
aus dem Helium entfernt werden sollen, als in dem Fall, in dem nur Wasser aus dem
Kühlmittel zu entfernen ist, wodurch eine wesentliche Erhöhung des Materialverbrauchs,
der Herstellungs- und Installationskosten der Molekularsiebfalle entstehen. Folglich
ist eine Molekularsiebfalle, die zur gleichzeitigen Entfernung von Wasser und Kohlendioxid
ausgelegt ist, ziemlich unwirtschaftlich.
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Wird bei einem gasgekühlten Hochtemperaturreaktor mit einer Wärmeleistung
von z. B. 50 MW eine Molekularsiebfalle verwendet, so muß diese eine Kapazität besitzen,
die innerhalb des Bereiches von 700 bis 1.000 Litern liegt. Da jedoch der Inhalt
einer nur zur Entfernung von Wasser aus dem Helium ausgelegten Molekularsiebfalle
für einen gasgekühlten Reaktor von der gleichen thermischen Leistung nur ungefähr
150 1 beträgt, so wird der übrige Inhalt der Molekularsiebfalle, wobei die zur Entfernung
des Wassers vorgesehenen 150 1 nicht mitgerechnet sind, d.h. 550 bis 850 1 zur Entfernung
von Kohlendioxid verwendet.
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Wird folglich eine Re inigungsvorrichtungfür das als Kühlmittel verwendete
Helium so ausgelegt, daß nur Wasser durch die Molekularsiebfalle entfernt wird,
so kann der Inhalt der Molekularsiebfalle auf ein Viertel bis ein Sechstel reduziert
werden gegenüber dem einer Molekularsiebfalle, die zur gleichzeitigen Entfernung
von Wasser und Kohlendioxid vorgesehen ist.
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Ferner treten bei den üblichen Verfahren zum Reinigen des in Hochtemperaturreaktoren
als Kühlmittel verwendeten Heliums auch technische Schwierigkeiten bei der Entfernung
von Wasserstoff auf. Als Verfahren zur Entfernung von Wasserstoff aus Kühlmitteln
dieser Art wurden üblicherweise entweder die Oxidation des Wasserstoffes durch ein
Kupferoxidbett oder die Absorption des Wasserstoffes durch eine Titanschwammfalle
verwendet. Die Oxidation des Wasserstoffes durch das Kupferoxidbett weist den Nachteil
auf, daß aufgrund der exothermischen Reaktion die Temperatur des Kupferoxidbettes
so weit ansteigt, daß das Bett leicht beschädigt wird und das durch die Verbrennung
von Kohlenmonoxid entstehende Kohlendioxid nicht leicht aus dem Kühlmittel mittels
konventioneller Technik entfernt werden kann. Die Entfernung des Wasserstoffes durch
die Titanschwammfalle weist auch den Nachteil auf, daß die Betriebstemperatur der
Titanschwammfalle mit 4000 C bei einer Höhe liegt, bei der der leicht zerbrechliche
Titanschwamm der Falle
der Einwirkung durch den Wasserstoff derart
ausgesetzt ist, daß der Titanschwamm zerbricht.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Reinigen des in Hochtemperaturreaktoren als Kühlmittel verwendeten Heliums vorzusehen,
die es ermöglichen, Kohlendioxid und Wasserstoff auf eine einfache und wirksame
Weise, die wirtschaftlicher als die bisherige ist und einen geringeren apparativen
Aufwand erfordert, zu entfernen.
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Die Aufgabe, ein Verfahren dieser Art vorzusehen, wird erfindungsgemäß
gelöst durch Verfahrensschritte, die aus der Entfernung des radioaktiven Jods aus
dem Kühlmittel, der Umsetzung des Kohlendioxids und des Kohlenmonoxids mit dem Wasserstoff
zu Wasser bzw. Methan, der Entfernung dieses Wassers aus dem Kühlmittel und der
Entfernung des Sauerstoffs, Stickstoffs, Methans und der radioaktiven Gase aus dem
Kühlmittel bestehen.
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Die Aufgabe, eine entsprechende Vorrichtung vorzusehen, wird erfindungsgemäß
gelöst durch ein primäres Kühlsystem eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors und
ein primäres Kühlm ittelreinigungssystem, welches ein Nickelkatalysatorbett enthält.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung zum Reinigen
des im gasgekühlten Hochtemperaturreaktor als Kühlmittel verwendeten Heliums können
in vorteilhafter Weise das im Kühlmittel enthaltene Kohlendioxid und das Kohlenmonoxid
in Gegenwart eines Nickelkatalysators mit dem Wasserstoff, welcher auch im Kühlmittel
vorhanden ist, zu Wasser bzw. Methan umgesetzt werden, wonach das Wasser und das
Methan mit Molekularsiebfallen bzw. Holzkohlekühlfallen entfernt werden können,
um ein vollkommen gereinigtes Kühlmittel zu ergeben.
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Ein Vorteil der Erfindung ist es, daß damit aus dem in Hochtemperaturreaktoren
als Kühlmittel verwendeten Helium das Kohlendioxid und der Wasserstoff auf eine
einfache Weise entfernt werden, die wirtschaftlicher ist und weniger aufwendige
Vorrichtungen benötigt als die dem Stand der Technik entsprechende.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, daß sie es ermöglicht,
den Inhalt der Molekularsiebfalle auf ein Viertel bis ein Sechstel des Inhalts der
üblichen Falle zu reduzieren, wodurch die Bauart und die Installationskosten einer
Reinigungsanlage herab gesetz werden.
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Anhand der beiliegenden Figur wird an einem Ausführungsbeispiel die
Erfindung noch näher erläutert.
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Aus dem primären Kühlsystem 10 eines gasgekühlten Hochtemperaturreaktors
wird eine Charge des als Kühlmittel verwendeten Heliums in ein primäres Kühlmittelreinigungssystem
20 geleitet, indem das Kühlmittel zuerst eine Holzkohlefalle 21, die mit aktivierter
Holzkohle gefüllt ist und in der radioaktives Jod aus dem Helium entfernt wird,
durchläuft.
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Nach der Entfernung des Jods in der Holzkohlefalle 21 wird das Helium
über ein mit einer Heizung 23 umgebenen Nickelkatalysatorbett 22 geleitet. Die Betriebstemperatur
des Nickelkatalysatorbetts 22 liegt inner-0 halb des Bereiches von 200 bis 280 C
und in diesem Bett werden gasförmige Verunreinigungen, wie Kohlendioxid und Kohlenmonoxid,
die im Kühlmittel vorhanden sind, mit einer gasförmigen Verunreinigung, wie Wasserstoff,
das auch im Kühlmittel vorhanden ist, zu Methan bzw.
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Wasser umgesetzt. Durch die Wirkung des Nickelkatalysators kommt das
Kohlendioxid und das Kohlenmonoxid leicht zur Reaktion mit dem Wasserstoff, wie
dies die folgenden Reaktionsformeln zeigen:
Um das Kohlendioxid und das Kohlenmonoxid in Methan umzusetzen, muß Wasserstoff
in einer Menge vorhanden sein, die diesen chemischen Reaktionsgleichungen (1) und
(2) entspricht.
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Das Material, aus dem der Kern des gas gekühlten Hochtemperaturreaktors
besteht, ist Graphit und dieses wird durch die bei der Kernspaltung innerhalb des
Reaktors entstehende Wärme auf eine hohe Temperatur erhitzt.
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Das Graphit mit dieser hohen Temperatur reagiert mit dem als gasförmige
Verunreinigung im Kühlmittel enthaltenem Wasser, um Wasserstoff und Kohlenoxid zu
bilden gemäß den folgenden Reaktionsgleichungen:
Wie die Reaktionsformeln (3) und (4) zeigen, werden durch die erodierende Wirkung
des im Reaktorkern als Verunreinigung enthaltenen Wassers auf das Graphit hoher
Temperatur Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Wasserstoff erzeugt, die dann als Verunreinigungen
im als Kühlmittel verwendeten Helium enthalten sind. Das Kohlenmonoxid, das Kohlendioxid
und der Wasserstoff, die auf diese Weise erzeugt worden sind, werden zusammen mit
dem Kühlmittel an das erfindungsgemäße primäre Kühlmittelreinigungssystem 20 geleitet,
in dem diese Verunreinigungen im Nickelkatalysatorbett 22, wie bereits erwähnt,
in Methan bzw. Wasser umgesetzt werden. Das Kühlmittel, welches jetzt das Methan
und das Wasser enthält, wird vom Katalysatorbett 22 an eine Molekularsiebfalle 24
geleitet, die von einer Speicherheizung 25 umgeben ist.
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Das gemäß den oben angegebenen Reaktionsgleichungen (1) und (2) erzeugte
Wasser wird in der Molekulars iebfalle 24 absorptiv aus dem Helium entfernt. Die
Speicherheizung 25 wird verwendet, um die Molekularsiebfalle 24 regenerativ auf
ungefähr 3000 C zu heizen. Nachdem das Wasser durch die Molekulars iebfalle 24 aus
dem Helium entfernt worden ist, wird das Helium durch einen Wärmeaustauscher 26
und in eine von einer Speicherheizung 28 umgebene, mit Holzkohle beschickte Kühlfalle
27 geleitet, in der es durch einen mit flüssigem Stickstoff gefüllten Behälter 29
0 auf ca. -196° C gekühlt wird.
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Sauerstoff, Stickstoff, Methan und radioaktive Gase werden durch die
mit Holzkohle beschickte Kühlfalle 27 entfernt, um auf diese Weise das Helium vollkommen
zu reinigen. Das auf diese Weise gereinigte Kühlmittel wird an der Ablaßöffnung
der Holzkohlekühlfalle 27 abgegeben und über den Wärmeaustauscher 26 an das primäre
Kühlsystem 10 des gasgekühlten H ochtemperaturreaktors, der mit der Kühlmittelreinigungsvorrichtung
verbunden ist, zurückgeleitet, um dort verwendet zu werden.
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Die Speicherheizung 28 wird verwendet, um die mit Holzkohle beschickte
0 Kühlfalle 27 regenerativ auf ca. 150 C zu erhitzen. Zweck des Wärmeaustauschers
26 ist es, einen Wärmeaustausch zwischen dem Gas, das dem Einlaß der Holzkohlenkühlfalle
27 zuströmt,und dem Gas, das aus dem Auslaß dieser Kühlfalle herausströmt, herzustellen,
um auf diese Weise den thermischen Wirkungsgrad zu verbessern.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung hervorgeht, wird gemäß dieser Erfindung zunächst das radioaktive Jod
durch die am Einlaß des primären Heliumreinigungssystems 20 vorgesehene Holzkohlenfalle
21 aus dem-Kühlmittel entfernt, dann werden das Kohlendioxid und das Kohlenmonoxid
mittels des am Auslaßende der Falle 21 mit dieser verbundenen Nickelkatalysatorbettes
22 mit Wasserstoff zu Methan bzw. Wasser umgesetzt,
wobei das Kohlendioxid,
das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff alle im Helium enthalten sind; dann wird mit
einer am Auslaßende des Nickelkatalysatorbettes 22 und mit diesem verbundene Molekularsiebfalle
24 das Wasser aus dem Helium entfernt und schließlich werden der Sauerstoff, der
Stickstoff und die radioaktiven Gase, die im Helium enthalten sind, und das im Nickelkatalysatorbett
22 im Kühlmittel erzeugte Methan durch die mit Holzkohle beschickte Kühlfalle 27,
die über den Wärmeaustauscher 27 mit dem Auslaßende der Falle 24 verbunden ist,
aus dem Kühlmittel entfernt, um auf diese Weise das als Kühlmittel verwendete Helium
vollkommen zu reinigen.
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Wie im vorstehenden bereits erwähnt worden ist, werden bei der Erfindung
verschiedene gasförmige Verunreinigungen aus dem bei gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren
verwendeten Helium entfernt. Insbesondere werden CO2 und CO, die üblicherweise aus
solchen Kühlmitteln schwierig zu entfernen sind, dadurch beseitigt, daß diese gasförmigen
Verunreinigungen zu Wasser bzw. Methan, die sich relativ leicht aus den Kühlmitteln
entfernen lassen, umgesetzt werden. Gemäß dern erfindungsgemäßen Verfahren, nach
dem gasförmige Verunreinigungen, wie CO2 und CO, die in dem bei gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren
als Kühlmittel verwendeten Helium enthalten sind, durch die Umsetzung dieser Verunreinigungen
zu Wasser bzw. Methan aus dem Kühlmittel entfernt werden, lassen sich die Herstellungskosten
einer Vorrichtung zur Beseitigung von CO2 in der Heliumreinigungsanlage eines gasgekühlten
Hochtemperaturreaktors auf ein Viertel bis ein Sechstel derjenigen einer üblichen
Vorrichtung zur Entfernung von CO2 sellken.
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Um gasförmige Verunreinigungen, wie CO2 und CO in Wasser bzw.
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Methan umzusetzen, werden erfindungsgemäß CO2 und CO in Gegenwart
eines Katalysators mit H2, welches im gleichen Kühlmittel enthalten ist, zur Reaktion
gebracht. Obwohl die Konzentration der in dem
aus Helium bestehenden
Kühlmittel enthaltenen gasförmigen Verunreinigen je nach Bauart und Material eines
als typisch anzusehenden Kernreaktors und des darin verwendeten Kernbrennstoffes
unterschiedlich sein kann, sind die Konzentrationsbereiche dieser in den Kühlmitteln
enthaltenen gasförmigen Verunreinigungen üblicherweise wie in der folgenden Tabelle
1 angegeben.
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Tabelle 1 Art des H 0 CH Gases CO2 CO H2 °2 N2 2 CH4 Konzentration
2-10 2-10 10-15 1-2 1-2 1-10 1-3 (ppm) Wie die Tabelle 1 zeigt, liegen die Konzentrationen
des im Helium enthaltenen CO2, CO und H2 innerhalb des Bereiches von 2 bis 10 ppm
und sind somit niedrig. Bei der Reaktion von CO2 und CO in derart niedrigen Konzentrationen
mit Wasserstoff stellt Ni einen ziemlich wirksamen Katalysator dar. Bei durchgeführten
Versuchen wurden CO2 und CO in verschiedenen, geringen Konzentrationen in Gegenwart
eines Ni-Katalysators mit Wasserstoff zur Reaktion gebracht. Die Reaktionsfähigkeit
dieser Reaktionsteilnehmer wurde mittels Gaschromatographie bestimmt.
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Wurde 1 ml Heliumgas, das 1 bis 5 ppm CO2 und CO und 10 bis 50 ppm
H2 enthielt, mit einer Lineargeschwindigkeit von 5 cm/sec über einen Ni-Katalysator
geleitet, der aus einem aktivierten Ni-Überzug auf einem Träger aus Aluminiumoxid
oder Zeolith bestand, so reagierten ungefähr 75 % der Gesamtmenge des im Helium
enthaltenen CO2 und CO mit dem Wasserstoff zur Bildung von Wasser bzw. Methan. Bei
diesen Reaktionen wurde der Ni-Katalysator bei einer Temperatur von 2800 C gehalten.
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Wurde die Lineargeschwindigkeit des über den Ni-Katalysator geleiteten
Heliumgases
reduziert, so ließ sich die Reaktionsgeschwindigkeit von CO2 und CO bis zu einem
über 75% liegenden Wert steigern. Die beschriebenen Versuche bestätigten, daß CO2
und CO, die in geringen Mengen in der Größenordnung von ppm im als Kühlmittel verwendeten
Helium enthalten waren, mit Wasserstoff und einem Ni-Katalysator wirksam zu Wasser
bzw. Methan umgesetzt werden können.
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Da sich, wie bereits angeführt, Wasser und Methan auf wirksamere Weise
aus dem als Kühlmittel verwendeten Helium entfernen lassen als CO2 und CO, weist
die Erfindung den Vorteil auf, daß die Kosten des Baues, des Betriebs und der Wartung
einer Reinigungsanlage für das bei gasgekühlten Hochtemperaturreaktoren als Kühlmittel
verwendete Helium reduziert werden können, wodurch sich ein großer wirtschaftlicher
Vorteil ergibt.