DE2830972C3

DE2830972C3 - Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung

Info

Publication number: DE2830972C3
Application number: DE2830972A
Authority: DE
Inventors: Philip J. Lynchburg Va. Grant
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1977-07-22
Filing date: 1978-07-14
Publication date: 1981-10-15
Also published as: CA1100439A; JPS58101707A; LU80021A1; BE868885A; IL54924A; IT7825512A0; GB1603015A; IT1098667B; JPS5927204B2; FR2397861B1; NL7806439A; US4148708A; CH625970A5; ES471599A1; IL54924A0; JPS5423082A; FR2397861A1; AT368400B; DE2830972B2; ATA538178A

Description

Erfindungsgegenstand ist der Zellenaufbau gemäß Anspruch 1 und seine Verwendung gemäß Ansprüche 5 und 6.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 beschrieben.

Um die in einem Kernreaktor erzeugte Energie zu regeln, ist es üblich, neutroneneinfangendes Bor in dem Kühlwasser aufzulösen, das durch den Reaktorkern strömt. Die Kerne der Boratome fangen dabei einige der Neutronen ein, die bei den Spaltprozessen innerhalb des Reaktorkerns erzeugt werden; durch eine kontrollierte Verminderung des Neutronenhaushalts innerhalb des Kerns wird somit die Leistung geregelt, die der Kern erzeugt. Als eine Nebenfolge dieses Neutroneneinfangvorgangs verfallen außerdem diejenigen Borkerne, die Neutronen eingefangen haben, im allgemeinen in Lithiumkerne oder Lithiumisotope je mit einer daraus sich ergebenden Atommassenzahl sieben (Lithium 7).

Um die Reaktorkernkorrosion einzuschränken, ist es auch üblich, Lithiumhydroxyd dem Wasser in dem Reaktorkern-Primärkühlmittelkreäslauf zuzusetzen. Die für diesen Zweck gewählte Lithiumisotope ist die Isotope mit der Massenziffer 7, weil im Gegensatz zu der obengenannten Borfunktion diese bestimmte Lithiumisotope im allgemeinen weniger Neutronen einfangen und weniger gefährliche Tritiummengen erzeugt. Weiterhin besteht in dieser Beziehung eine Knappheit an dieser bestimmten Lithiumisotope in einer Form, die gegenüber den anderen Lithiumisotopen stark angereichert ist

Um die Borkonzentration in dem Primärkühlmittel zu ändern, wodurch die Reaktorleistung geregelt wird, und um die Lithiumhydroxydkonzentration in dem Reaktorkühlmittel zu kontrollieren, ist es bekannt, eine Anzahl ziemlich komplizierter Verfahren zu verwenden. Diese Verfahren verwenden Verdampfer, Kristallisatoren,

ίο Fällungs-/Spülapparate und dergleichen. Die Arbeitsweise dieser Verfahren ist unbefriedigend gewesen, und oft ist der Kraftwerksbetrieb eingeschränkt worden und es wurden umfangreiche Änderungen durchgeführt Die durch die Unzulänglichkeit diese Maßnahme verursachten Kosten und Einbußen bei der Nutzung der Einrichtungen stellen eine eindeutige Belastung dar, so daß wesentliche Verbesserungen unbedingt erforderlich sind.

Als eine weitere Folge der Neutroneneinwirkung innerhalb des Reaktorkerns wird oft Tritium, eine schwere Wasserstoffisotope, erzeugt Dieser Stoff schafft Gesundheits- und Umweltsprobleme, und in bestehenden Kernkraftwerken werden beträchtliche Anstrengungen unternommen, um dieses »titriumoxydhaltige« Wasser von der Kraftwerksbaustelle zu entfernen.

Forschungsarbeiten, die darauf gerichtet waren, Ionenaustausch- und Elektrodialyseverfahren für die Behandlung von radioaktiven Abwässern anzuwenden, sind abgewickelt worden. In knappen Worten kann man sagen, daß dies Forschungen eine normale Elektrodialyse-Zellenanordnung betraf, bei der Salze in bestimmten Kammern gesammelt und konzentriert werden, während frisches Wasser über Ionentransport durch gewählte durchlässige Membranen erzeugt wird. Bei der Elektrodialyse ist festgestellt worden, daß bestimmte Materialien oder Membranen wahlweise gegenüber Kationen durchlässig sind und daß andere Membranen gegenüber Anionen durchlässig sind. Wenn unter diesen Umständen eine Kationmembrane zwischen ionenreichem Wasser und einer negativ geladenen Kathode angeordnet wird, dann werden die positiv geladenen Kationen durch die Membrane zur Kathode wandern. Die Membrane wird jedoch in wirkungsvoller Weise den Transport von negativ geladenen Anionen durch die Membrane zur Kathode verhindern. In weitgehend der gleichen Weise wird es eine Anionmembrane erlauben, daß negativ geladene Anionen zu einer positiv geladenen Anode wandern, während sie gleichzeitig für die Kationenwanderung in der gleichen Richtung eine Sperre darstellt. Mischbett-Ionenaustauschharze werden in den Produktwasserströmen verwendet, um die Ionenentfernung und den Ionentransport zu erleichtern. Die konzentrierten Abfallströme werden gesammelt und zur Abfallbeseitigung erstarrt. Diese Anordnung besteht aus abwechselnden Konzentrat- und Produktwasserkammern, die zwischen einem Elektrodenpaar eingeschlossen sind.
Was die Chemie und die stattfindenden chemischen Vorgänge angeht, so gilt folgendes: In knappen Worten kann man sagen, daß sich viele Säuren und Basen im Wasser in Teilionen zersetzen. So löst sich Borsäure in einer Wasserlösung in ein negativ geladenes Boration und in ein positiv geladenes Wasserstoffion auf.

Bekanntlich heißen die negativ geladenen Ione »Anionen« und die positiv geladenen Ionen »Kationen«. Es ist außerdem festgestellt worden, daß einige Harzarten eine Affinität für Anionen und daß andere Harze eine

Affinität für Kationen haben. Diese Kenntnis ist ausgenutzt worden, um ionisierte Stoffe aus Wasser zu entfernen. Somit wird das ionenreiche Wasser durch ein aus Anion- und Kationharze bestehende Mischbett geleitet, wobei die Anionharze die Anionen und die Kationharze die Kationen aus dem Wasser entfernen.

Elektrodialyse dagegen ist ein ganz anderes Verfahren. Gewöhnlich wird ein Paar Elektroden in ionenreiches Wasser eingetaucht und dieses Elektroden werden entgegengesetzte elektrische Ladungen verliehen, wobei die negativ geladenen Anionen dazu neigen, zu der positiv geladenen Anode zu wandern, während umgekehrt die positiv geladenen Kationen dazu neigen, zur negativ geladenen Kathode zu wandern.

Die Erfindung besteht nun darin, daß eine Kationharzschicht zwischen der Kationmembrane und der negativ geladenen Kathode angeordnet wird, und daß eine Anionharzschicht zwischen der Anionmembrane und der positiv geladenen Anode angeordnet wird. Um diesen Aufbau zu vervollständigen, werden zwei weitere Membranen der Kombination hinzugefügt. Eine Kationmembrane wird z. B. zwischen der Anionharzschicht und der positiv geladenen Anode angeordnet Umgekehrt wird eine Anionmembrane zwischen der Kationharzschicht und der negativ geladenen Kathode angeordnet Dieser erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht nicht nur einen kontinuierlichen Strom sehr reinen deionisierten Wassers aus dem Mischbett abzuziehen, sondern er erzeugt auch kontinuierliche Ströme konzentrierter Säure aus der Anolytkammer, die die Anionharzschicht enthält, und konzentrierter Lauge aus der Katholytkammer, die die Kationsharzschicht enthält.

Diese kontinuierliche Erzeugung von Säure und Lauge steht natürlich im scharfen Gegensatz zu früheren bekannten Bemühungen, die darauf gerichtet waren, Ionenaustausch- und Elektrodialyseverfahren zu kombinieren, die Anionen und Kationen verbanden, um einen konzentrierten Salzwasserstrom zu erzeugen.

Eine auf das Proolem der Reaktorkern-Kühlwasser-Reinigung angewandte typische Ausführungsform der Erfindung erzeugt nicht nur reines Wasser sowie konzentrierte Borsäure und Lithiumhydroxyd, sondern hat auch die sehr vorteilhafte Wirkung, das Lithium-⁷ aufzufangen, das durch die Zersetzung des Bor ~^lo-Kerns nach einem Neutroneneinfang erzeugt wird, und diese seltene Isotope, die als ein Edelprodukt eingeführt wird, zurückzugewinnen. Durch die Hinzufügung eines geeigneten Materials zu diesem Zellenaufbau kann außerdem Tritium vorzugsweise aus dem Wasser durch den Stoff extrahiert werden, um anschließend in einer konzentrierten Form beseitigt zu werden.

Somit wird erfindungsgemäß ein Zellenaufbau zur Durchführung dieses Verfahrens geschaffen, das kontinuierlich ein ionenreiches Aufgabegut zu einer deionisierten Flüssigkeit, einer konzentrierten Säure und einer konzentrierten Lauge verarbeitet. Dieses Verfahren bietet bei Verwendung in Verbindung mit einem Kernreaktor-Kern-Kühlwasser die weiteren Vorteile einer Lithium-'-Rückgewinnung und Tritiumbeseitigung.

Die Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Austauschers und

F i g. 2 ein Schema der Wirkungsweise der Erfindung.

Gemäß der Darstellung in F i g. 1 besteht der Austauscher aus einer Reihe von vier Zellen 10,11,12 und 13. Die Zellen 10 and 12 sind in ihren wesentlichen Merkmalen gleich, während die Zellen 11 und 13 zueinander ähnlich sind, während sie in der relativen Anordnung ihrer Bauteile von den Zellen 10 und 12 abweichen, wie nachstehend beschrieben wird.

Die Zelle 10 weist eine Anode 14 in einer Anodenkammer 15 auf. Die Anode 14 ist elektrisch mit einer nicht dargestellten Kraftquelle gekoppelt, um auf der Elektrodenoberfläche eine positive Ladung zu erzeugen.

Die Anodenkammer 15 ist von einer Anolytkammer 16 durch eine Kationenmembran 17 getrennt Wie bereits zuvor erwähnt wurde, erlauben es Kationmembranen positiv geladenen Kationen von einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern. Eine Kationmembrane ermöglicht es jedoch nicht, einem negativ geladenen Anion von einer Membranseite durch die Membrane hindurch zur anderen Seite dieser Membrane zu wandern.

Die Anolytkammer 16 enthält eine Anionharzschicht 20, die zu einem allgemein rechteckigen Prisma ausgebildet ist, dessen eine Seite durch die Kationmembrane 17 gebildet wird. Die Anionharzschicht 20 ist im allgemeinen eine Masse aus zusammengepreßten Kügelchen, die aus einem harzigen Material bestehen, welches vorzugsweise verschmutzende Anionen absorbiert und bevorzugtere Anionen freigibt. Eine Anionmembrane 21, die von der Membrane 17 mit Abstand sowie parall zu derselben angeordnet ist, bildet eine andere der Seiten der Anolytkammer 16. Harzschichten, die nur anionische Stoffe oder nur kationische Stoffe absorbieren, werden oft mit Mono-Ionen-Austausch-Harzschichten bezeichnet. Wie zu erwarten ist, erlauben es Anionmembra'.ien negativ geladenen Ionen, von einer Seite der Membrane zur anderen zu wandern. Anionmembranen erlauben es jedoch nicht einem positiv geladenen Kation, von einer Membranseite durch die Membrane hindurch zur anderen Seite derselben zu wandern.

Ein Harzmischbett 22 füllt den Raum einer rechteckigen, prismaförmigen Aufgabegut-Eintrittskammer 23 aus. Auf jeden Fall hat das Mischbett 22 eine Affinität für Kationen und Anionen, so daß es beide Stoffe aus der Lösung entfernt. Wie man der F i g. 1 entnehmen kann, ist das Mischbett 22 zwischen der Anionmembrane 21 und einer Kationmembrane 24 eingeschlossen.

Die Kationmembrane 24 bildet überdies die Trennwand zwischen der Aufgabegut-Eintrittskammer 23 und einer Katholytkammer 25. Innerhalb der Katholytkammer 25 tauscht eine rechteckige, prismaförmige Kationsharzschicht 26 aus gepreßten Harzkügelchen oder dergleichen verschmutzende Kationen gegen bevorzugte Kationen in der Kammer 25 aus.

Eine negativ geladene Kathode 27, die elektrisch mit einer Stromzuführung verbunden ist, ist von der Katholytkammer 25 durch eine Anionmembrane 30 getrennt und ist von der Kationmembrane 24 mittels der Kationharzschicht 26 mit Abstand angeordnet. Auf diese Weise bildet die Membrane 30 eine Trennwand für die Katholytkammer 25, wobei diese Trennwand parallel zur Kationenmembrane 24 verläuft.

Da die Zelle 12 in ihrer Ausführung gleich der Zelle 10 ist, hat die Zelle 12 eine positiv geladene Anode 31, die mit Abstand von einer Anionharzschicht 32 in einer Anolytkammer 33 mittels einer Kationmembrane 34 angeordnet ist. Die Anolytkammer 33 ist überdies von

einem Mischharzbett 35 in einer Aufgabegutkammer 36 durch eine Anionmembrane 37 getrennt.

Die Katholytkammer 40 ist von der Aufgabegutkammer 36 durch eine Kationniembrane 41 getrennt, wodurch eine Kationsharzschicht 42 zwischen der Kationmembrane 41 und einer Anionmembrane 43 eingeschlossen wird. Die Membrane 43 ist auch zwischen der Kationharzschicht 42 und einer negativ geladenen Kathode 44 angeordnet.

Die Zelle Ii hat jedoch eine etwas andere relative Anordnung der Bauteile. So ist die negativ geladene Kathode 27 von einer Kationharzschicht 45 durch eine Anionmembrane 46 getrennt. Eine Kationmembrane 47 bewirkt eine weitere Trennung zwischen der Kationsharzschicht 45 in einer Katholytkammer 50 und Mischbeii 51 in einer Aufgabegutkammer 52. Eine Anolytkammer 53 ist neben der Aufgabegutkammer 52 mittels einer Anionmembrane 54 ausgebildet, die als eine Trennwand zwischen der Aufgabegutkammer 52 und der Anolytkammer 53 wirkt, wodurch die Anionharzschicht 53Λ eingeschlossen wird. Die positiv geladene Anode 31 ist überdies von der Anolytkammer 53 durch die Kationmembrane 55 getrennt.

Die Zelle 13 ist in einer ähnlichen Weise wie Zelle 11 angeordnet. Erläuternd sei darauf hingewiesen, daß die Zelle 13 eine Katholytkammer 56 aufweist, die eine Kationharzschicht 57 enthält, welche von der negativ geladenen Kathode 44 durch eine Anionmembrane 60 getrennt ist. Eine Aufgabegutkammer 61 ist zwischen der Katholytkammer 56 und einer Anolytkammer 62 errichtet Die Aufgabegutkammer 61 enthält ein Mischbett 63, welches von der Katholytkammer 56 durch eine Kationmembrane 64 und von der Anolytkammer 62 durch eine Anionmembrane 65 getrennt ist Weiterhin ist in der Anolytkammer 62 eine Harzschicht 66 zwischen der Anionmembrane 65 und einer Kationmembrane 67 eingeschlossen. Die Kationmembrane 67 trennt die Anionharzschicht 66 von einer positiv geladenen Anode 70.

Normalerweise werden die Elektrodenkammern durch die Verwendung eines verdünnten Elektrolyten, wie z. B. Salpetersäure, gereinigt. Bei dieser Apparatur hat es sich jedoch als möglich erwiesen, diese Spülung dadurch zu bewirken, daß ein Mischbett in jeder der Elektrodenkammern vorgesehen wird und die Spülung mit dem Zellen-Deionat-Ablaufstrom durchgeführt wird. Eine Elektrodenspülleitung 71 stellt eine strömungstechnische Verbindung zwischen einem Spüleintritt 72, den Anoden 14,31,70, den Kathoden 27,44 und dem Spülabzug 73 her, um Schmutzstoffe, Gase und dergleichen, aus den Anoden- und Kathodengebilden herauszuspülen und dadurch beizutragen, den Wirkungsgrad der Einrichtung aufrechtzuerhalten.

Die Flüssigkeit wird der Apparatur durch einen Aufgabeguteintritt 74 zugeführt, um in der Richtung zu strömen, die durch einen Pfeil neben dem Eintritt 74 angedeutet ist; der Strömungsweg schließt dabei die Aufgabeguteintrittskammer 23, eine Leitung 75, die Aufgabegutkammer 52, eine Leitung 76, die Aufgabegutkammer 36, eine Leitung 77, die Aufgabegutkammer 61 und eine Aufgabegutabzugsleitung 80 ein.

In dem in F i g. 1 dargestellten erläuternden Beispiel der Erfindung tritt das Anolytmedium in die Apparatur über eine Anolyteintrittsleitung 81 ein und strömt in Richtung des Pfeils neben der Leitung 81 durch die Anolytkammer 62, eine Leitung 82, die Anolytkammer 33, eine Leitung 83, die Anolytkammer 53, eine Leitung 84, die Anolytkammer 16 und über eine Anolytabzugsleitung 85 aus der Apparatur heraus.

Der Strömungsweg für den Katholyten beginnt an der Katholyteintrittsleitung 86 und setzt sich in Richtung des Pfeils neben der Leitung 86 fort durch die Katholytkammer 56, eine Leitung 87, die Katholytkammer 40, eine Leitung 90, die Katholytkammer 50, eine Leitung 91, die Katholytkammer 25 und über eine Katholytabzugsleitung 92 aus der Apparatur heraus.

Die Strömungsschaltung in Reihe mit mehreren Zellen kann in Abhängigkeit von dem Grad der chemischen Konzentrationsfaktoren gestaltet werden, die in den Anolyt- und Katholytströmen gewünscht werden. In gleicher Weise wird der Reinheitsgrad, der für den Ablauf aus der Mischbettkammer gewünscht wird, die Anzahl der erforderlichen Kammerreihenschaltungen bestimmen, umgekehrt kann eine Paraiieiströmungsschaltung entsprechend den Anforderungen an die Leistung des Verfahrens ausgebildet werden.

Um die Arbeitsweise und den lonentransportvorgang eines die Grundsätze der Erfindung beinhaltenden typischen System im einzelnen besser verstehen zu können, wird auf die F i g. 2 verweisen, die einen Teil der Aufgabeguteintrittskammer 23, die Katholytkammer 25, die Anolytkammer 16, die Kathode 27 und die Anode 14 zeigt. Das Mischbett 22, das zwischen der Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 24 eingeschlossen ist, besteht aus einer Gruppe allgemein kugelförmiger Kationharzperlen 93 und den in gleicher Weise geformten Anionharzperlen 94. Außerdem ist innerhalb der Anolytkammer in Obereinstimmung mit einem Merkmal der Erfindung die Anionharzschicht 20, die aus einer Masse Anionharzkugeln 95 besteht, zwischen der Anionmembrane 21 und der Kationmembrane 17 eingeschlossen.

Die Katholytkammer 25 schließt auch eine Schar Kationharzkugeln % ein, die die Kationharzschicht 26 für diese Kammer bilden. Wie bereits zuvor erwähnt, ist die Kationharzschicht 26 zwischen der Kationmembrane 24 und der Anionmembrane 30 eingeschlossen, die die Katholytkammer 25 von der negativ geladenen Kathode 27 trennt

Auf der Grundlage einer bestimmten erläuternden Darstellung der vorliegenden Erfindung fließt im Betrieb ein Aufgabegut, welches ionisierte Borsäure H3BO3 und ionisiertes Lithium-⁷ Hydroxyd Li⁷OH enthält, in die Aufgabegut-Eintrittskammer in Richtung des Pfeiles 97. In diesem ionisierten Zustand enthält das Aufgabegut positiv geladene Wasserstoff-(H⁺) und Lithium-(Li⁺) Kationen sowie negativ geladene Borat-(BO-, BO₃- und B₃O³~)und Hydroxyd-(OH-) Anionen.

Es ergibt sich, daß die Borationen aus der Lösung durch Verdrängen der Hydroxydionen auf den Anionkugeln 94 entfernt werden. In gleicher Weise verdrängt das ionisierte Lithium H+-Ionen auf den Kationkugeln 93. An der Verbindung 100 zwischen den Kationharzkugeln 93 und der Anionmembrane 21 sowie an der Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und der Kationmembrane 24 werden die Wassermoleküle zersetzt wodurch OH-- und H+-Ionen erzeugt werden. Unter diesen Umständen wandern die OH--Ionen zu der positiv geladenen Anode 14. Die H+-Ionen dagegen wandern zur negativ geladenen Kathode 27.

Während dieser Wanderung verdrängen diese Ionen ihre Lithium- und Borationen-Partner von den Harzkugeln 93 bzw. 94, wodurch die betreffenden Harze elektrolytisch regeneriert werden. Das verdrängte Lithiumkation transportiert einen Teil des elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und durch die

Kationmembrane 24, um sich in der Katholytkammer 25 zu konzentrieren. Hydroxydionen, die in der kathodischen Reaktion zwischen Wasser und der Kathode 27 erzeugt werden, wandern außerdem durch die Anionmembrane 30 aus einem Spülmedium, das die Kathode 27 überspült. Diese Hydroxydionen konzentrieren sich in der Katholytkammer 25, die, wie man sich erinnern wird, die Kationharzschicht 26 enthält. Wasserstoffionen wandern auch durch die Kationmembrane 24 und sammeln sich in der Katholytkammer 25, wodurch sie sich wieder mit Hydroxydionen verbinden und Wasser bilden. Das Ergebnis der kathodischen Reaktion an der Kathode 27 ist die Entwicklung von Wasserstoffgas und die Bildung des Hydroxydions. Das gemeinsame Ergebnis der Lithiumwanderung durch die Kationmembrane 24 und der Hydroxydionenwanderung durch die Anionenmenbrane 30 ist die Bildung von Lithiumhydroxyd. Die Kationharzschicht 26 wird sich anfänglich mit den Lithiumionen sättigen und ein Lösungs-/Harz· Gleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmutzenden Kationen, die durch die Kationmembrane 24 wandern, werden an der Kationharzschicht 26 absorbiert, wodurch eine kationgereinigte Lithiumhydroxydlösung in der Katholytkammer 25 gebildet wird. Man wird sich daran erinnern, daß Lithium-⁷ eines der Produkte der Neutronen-Bor-Reaktion im Reaktorkern ist und daß diese Ltihiumisotope in konzentrierter Form eine Mangelware ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die der anfänglichen Wasserfüllung für das Reaktorkernkühlmittel hinzugefügte Lithium-⁷-Isotope aufbewahrt und es wird auch das zusätzliche Lithium-⁷ gesammelt, welches durch die Neutronen-Bor-Reatior erzeugt wird. Unter diesen Umständen bietet das erfindungsgemäße Verfahren die langfristige Möglichkeit, nicht nur eine Lithium-⁷-Autarkie herzustellen, sondern auch vielleicht einen gewissen Lithium -⁷-Überschuß zu erzeugen.

In einer etwas ähnlichen Weise wandern die Borat- und Hydroxydanionen durch die Anionharzkugeln 94 und durch die Anionmembrane 21. An der Verbindung 103 zwischen den Anionharzkugeln 94 und der Kationmembrane 24 werden die Wassermoleküle auch zersetzt und erzeugen OH-- und H--lonen. Unter diesen Umständen wandert das Hydroxydion durch die Anionharzkugeln 94 und verdrängt die Borationen. Das verdrängte Boration transportiert einen Teil des elektrischen Stroms durch die Harzkugelkette und durch die Anionmembrane 21, wodurch die Borationen sich in der Anionkammer konzentrieren. Bei der anodischen Reaktion zwischen Wasser und der Anode 14 erzeugte Wasserstoffione wandern gleichzeitig durch die Kationmembrane 17 in die Anolytkammer 16, wodurch ein konzentrierter Borsäurestrom (H₃BO₃) gebildet wird. Die anodische Reaktion zwischen Wasser und der Anode 14 (Elektrolyse) erzeugt auch Sauerstoffgas, welches durch einen kontinuierlichen Spülbetrieb herausgespült wird.

Das gemeinsame Ergebnis der Boratwanderung durch die Anionmembrane 21 und der H+-Ionenwanderung durch die Kationmembrane 17 ist die, Bildung von Borsäure in der Anolytkammer 16, die, wie man sich erinnern wird, die Anionharzschicht 20 enthält Das Anionharz wird sich anfänglich mit den Borationen sättigen und ein Lösungs-/Harz-Gleichgewicht erreichen. Alle zusätzlichen verschmutzenden Anionen, die durch die Anionmembrane 21 wandern, werden von der Anionharzschicht 20 absorbiert, wodurch eine aniongereinigte Borsäurelösung in der Anolytkammer 16 gebildet wird.

Wenn die Anion- und Kation-Schmutzstoffe eine Sättigungshöhe auf der Anionharzschicht 20 bzw. der Kationharzschicht 26 erreichen, dann werden sich diese Ione in den Lösungsströmen sowohl in der Anolytkammer 16 als auch in der Katholytkammer 25 sammeln. Wenn dies durch analytische Verfahren festgestellt wird, dann wird die Polarität des Zellenapparates umgesteuert, wodurch die Elektrode 14 in eine Kathode verwandelt wird und die Elektrode 27 in eine Anode. Dieser Prozeß mit umgekehrter Polarität wird die Anionharzkugeln 95 regenerieren, und gleichzeitig werden die ausgewaschenen, verschmutzenden Anionen einen Teil des elektrischen Stroms von der Anolytkammer 16 durch die Anionmembrane 21 in die Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch diese ausgewaschenen Anionen aus dem System mit Aufgabelösungsstrom gespült werden.

Ebenfalls während des Betriebs mit umgekehrter Polarität werden die Kationharzkugeln 96, die sich in der Katholytkammer 25 befinden, regeneriert, und die ausgewaschenen, verschmutzenden Kationen werden einen Teil des elektrischen Stroms aus der Katholytkammer 25 durch die Kationmembrane 24 in die Aufgabegutkammer 23 transportieren, wodurch die verschmutzenden Kationen aus dem System mit Aufgabelösungsstrom, gemäß Richtung des Pfeils 97, gespült werden.

Während des normalen Betriebs, d. h. nicht bei der Betriebsart mit umgekehrter Polarität, ist der Ablauf aus der Aufgabeguteintrittskammer 23 im wesentlichen deionisiertes Wasser.

Infolgedessen wird in Übereinstimmung mit der bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein typischer Zellenströmungsweg ein kontinuierliches Verfahren für die Erzeugung von Endprodukten darstellen, die aus getrennten und gereinigten Strömen konzentrierter Borsäure, deionisierten Wassers und konzentrierten Lithiumhydroxyds aus den jeweiligen Kammern 16,23 und 25 bestehen.

Natürlich werden, wie bereits oben erwähnt, die Anoden und Kathoden kontinuierlich gespült, um Verunreinigungen zu entfernen, und die bei den Elektrodenreaktionen erzeugten Gase werden auch kontinuierlich herausgespült. In typischer Weise werden 3 bis 5 Gew.-°/o Borsäure in dem Medium aufrechterhalten, das aus den Anolytkammern strömt, und es werden 1000 bis 5000 ppm Lithium -⁷-Hydroxyd in dem Strom aus den Katholytkammern aufrechterhalten.

Es sei daran erinnert, daß Tritium beim Spaltverfahren sowie bei Neutronenreaktionen mit löslichen Chemikalien innerhalb des Reaktorkerns erzeugt wird und daß diese Wasserstoffisotope gewisse Probleme für die Gesundheit und die Umwelt schafft.

Ein bevorzugter Austausch von »tritiumoxydhaltigem Wasser« (d. h. Wassermoleküle, in denen die Tritiumisotope des Elements Wasserstoff eine chemische Verbindung mit Sauerstoff eingegangen ist) mit gewissen Mineralarten ist festgestellt worden. Diese seltsame Erscheinung ist besonders in Verbindung mit Ton bekannt geworden. Der genaue Vorgang ist noch nicht völlig klar, jedoch scheint eine Theorie zu besagen, daß in Kaolinittonen z. B. das Tritium Aluminium aus den festen Gitterplätzen verdrängt, wodurch die Aluminiumatome in dem Tongefüge von festen zu Austauschpositionen wandern. Eine Verstärkung des bevorzugten Tritiumabscheideverfahrens kann durch Ionisierung und den Ionentransportprozeß angeregt werden.

Außerdem ist die Elektrodialyse ein Verfahren, das benutzt werden kann, um den Ionenaustausch zu verstärken. Der oben in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 beschriebene Zellenaufbau bildet eine Einrichtung, die für Elektrodialyse geeignet ist. Wenn man Kugeln aus Kaolinitton oder aus einem anderen geeigneten Material, das vorzugsweise Tritium absorbiert, an Stelle des in F i g. 2 gezeigten Mischbettes 22 verwendet, dann kann man unter diesen Umständen ein verbessertes Verfahren schaffen, um kontinuierlich Tritium aus dem Reaktorkern-Kühlmittel in einer Weise abzuziehen, die das Tritiumbeseitigungsproblem vereinfacht oder das

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Tritium zur Extraktion und Weiterverwendung leichter zur Verfugung stellt.

Je nach dem angestrebten Reinigungsgrad können natürlich weitere Zellen der Reihe hinzugefügt werden, die in F i g. 1 dargestellt ist. In Abhängigkeit von dem beabsichtigten Verwendungszweck kann außerdem bzw. können außerdem eine oder mehrere der Anion- und Kationsharzschichten, die das obige bestimmte Beispiel kennzeichnen, aus dem Zellenaufbau herausgenommen oder, je nach den Umständen, wechselseitig ausgetauscht werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zellenaufbau zum Trennen einer ionisierten Lösung in Ströme konzentrierter Säure, konzentrierter Lauge und deionisiertem Mediums, gekennzeichnet durch ein Mischbett aus Anion- und Kationharz, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine Seite des Mischbettes bildet, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine Anionharzschicht neben der Anionmembrane, eine Kationmembrane, die eine Trennwand für eine andere Seite der Anionharzschicht bildet, eine Anode, die mit Abstand von der Anionharzschicht und der Kationmembrane angeordnet ist, eine Kationsharzschicht, die neben der Kationmembrane angeordnet ist, welche eine Trennwand für die andere Seite des Mischbettes bildet, eine Anionmembrane, die eine Trennwand für eine andere Seite der Kationharzschicht bildet, und eine Kathode, die mit Abstand von der Kationharzschicht und der Anionmembrane angeordnet ist, welche eine Trennwand für die Kationharzschicht bildet.

2. Zellenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Mischbetts aus Anion- und Kationharz Ton eingesetzt ist.

3. Zellenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Ton Koalinitton ist.

4. Zellenaufbau nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Ton kristalliner Struktur ist, die Aluminium enthält.

5. Verwendung des Zellenaufbau nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reinigung eines Reaktorkern-Kühlwassers.

6. Verwendung des Zellenaufbau nach einem der Ansprüche 2 bis 4 zur Entfernung von Tritium aus Wasser.