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Kernforschungsanlage Jülich
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Gesellschaft mit beschränkter Haftung Druckfester Behälter zur Speicherung
von Wasserstoff in einem Getterbett Die Erfindung bezieht sich auf einen druckfesten
Behälter zur Speicherung von Wasserstoff in einem Getterbett. Das Getterbett ist
innerhalb eines äußeren Gehäuses angeordnet, das den Gasdruck aufnimmt, der im Innenraum
entsteht.
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Zur Speicherung von Wasserstoff sind Getterbetten aus Metall bekannt.
Der Wasserstoff wird unter Bildung von Metallhydrid gebunden.
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So dient beispielsweise metallisches Uran zur Getterung von Tritium.
Das Uran reagiert mit dem zugeführten Tritium unter Bildung von Urantritid. Uran
wird deshalb bevorzugt zur Getterung von Tritium eingesetzt, weil Tritium über Urantritid
bei Raumtemperatur -6 einen niedrigen Partialdruck von o'10 6 mbar aufweist. Der
im Metall gebundene Wasserstoff läßt sich durch Erhitzen wieder freisetzen, da der
Partialdruck des Wasserstoffes über dem Getterbett mit steigender Temperatur zunimmt.
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Für Tritium in Uran ergibt sich bei 400 OC ein Druck von ca. 1 bar,
bei 550 "C ein Druck von ca. 14 bar.
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Im Getterbett wird jedoch nicht nur Wasserstoff sorbiert. Es werden
auch Fremdgase, insbesondere Verunreinigungen wie beispielsweise Sauerstoff
unter
Bildung von Metalloxid gebunden. Durch diese chemische Bindung der Verunreinigungen
im Getterwerkstoff läßt sich dem Getterbett stets hochreiner Wasserstoff entnehmen.
Eine Oxidbildung setzt jedoch die Anfangskapazität des Getterbettes zur Aufnahme
von Wasserstoff im Laufe der Zeit immer weiter herab.
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Behälter zur Aufnahme von Getterbetten bestehen aus druckfestem Werkstoff,
beispielsweise aus hochwarmfestem Stahl, damit sie den beim Ausheizen des Getterbettes
herrschenden Gasdrücken standhalten. Neben einer druckfesten Ausbildung des Behälters
ist jedoch auch der Wasserstoffpermeation durch die Behälterwände Rechnung zu tragen.
Gegenüber Stahl weist z.B. Kupfer eine geringere Tritiumpermeation auf. Kupfer besitzt
jedoch eine geringere Festigkeit als Stahl. Es ist deshalb für die Ausbildung von
Druckgasflaschen nur bedingt geeignet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen druckfesten Behälter für Getterbetten
zur Speicherung von Wasserstoff zu schaffen, der neben einer hohen Druckbelastbarkeit
auch eine geringe Permeationsrate für Wasserstoff aufweist.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird bei einem druckfesten Behälter der
eingangs beschriebenen Art durch die in Patentanspruch 1 angegebene Behälterausbildung
gelöst. Unter Beibehaltung des äußeren, den Druck aufnehmenden Gehäuses
wird
das Getterbett von einem inneren Mantel umgeben, der aus einem Werkstoff mit geringer
Permeabilität für Wasserstoff besteht. Der innere Mantel ist zwischen Getterbett
und Gehäuse angeordnet und stützt sich am äußeren druckfesten Gehäuse ab. Die Belastung
des Behälters durch den Wasserstoffdruck beim Ausheizen des Getterbettes wird somit
weiterhin vom äußeren Gehäuse aufgenommen, während der das Getterbett umgebende
innere Mantel das Entweichen von Wasserstoff aus dem Behälter in der Umgebung verhindert.
Wird das Gehäuse aus hochwarmfesten Stahl und der innere Mantel aus Kupfer gefertigt,
Patentanspruch 2, wird darüberhinaus eine Reaktion zwischen Uran und Stahl unter
Mischkristallbildung mit Eutektikum vermieden.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist nach Patentanspruch 3 vorgesehen,
Gehäuse und inneren Mantel mit einer von außen zugänglichen Kammer zur Aufnahme
eines Heizelements auszustatten, das der Erwärmung des Urangetterbettes dient.
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Die Kammer ist zentrisch angeordnet und vom Getterbett umgeben, Patentanspruch
4, so daß die vom Heizelement erzeugte Wärme ohne nennenswerten Wärmeverlust optimal
zur Aufheizung des Getterbettes führt.
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Die Erfindung und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung werden
nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch wiedergegebenen
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 Druckfester Behälter mit
Getterbett, Figur 2 Druckfester Behälter nach Fig. 1, eingesetzt in einen kühlbaren
Schutzbehälter.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist der druckfeste Behälter ein
Getterbett 1 in einem äußeren Gehäuse 2 aus einem Werkstoff auf, der hochwarmfest
ist. Im Ausführungsbeispiel besteht das Gehäuse aus hochwarmfestem Stahl, als Werkstoff
ist SS 316 L vorgesehen. Für das äußere Gehäuse lassen sich aber auch andere hochwarmfeste
Stahllegierungen verwenden.
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Zwischen dem Getterbett 1 und dem äußeren Gehäuse 2 ist ein das Getterbett
1 umschließender innerer Mantel 3 angeordnet. Der Mantel 3 besteht aus Kupfer. Kupfer
weist gegenüber Stahl eine um das mehrfache geringere Permeabilität für Wasserstoff
auf.
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Das Getterbett 1 wird von einzelnen, im Ausführungsbeispiel ringförmigen
Sintermetallschalen 4 gebildet, die koaxial aufeinander gesetzt sind und ebenfalls
aus Kupfer bestehen.
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Der druckfeste Behälter dient im Ausführungsbeispiel zur Speicherung
von Tritium. Die Sinterschalen 4 sind hierzu mit Urangranulat 4a gefüllt. Das Tritium
strömt über Rohrleitungen 5a, 5b zum Innenraum 6 des Mantels 3. Die Sintermetallschalen
4 sind so ausgebildet,
daß das Tritium, das geringe Verunreinigungen
enthält, mit dem Urangranulat 4a in Berührung kommt. Die kupfernen Sintermetallschalen
4 vermeiden zusammen mit dem inneren Mantel 3 aus Kupfer eine Eutektikumbildung
zwischen dem Gettermaterial Uran und dem Stahl des äußeren Gehäuses 2. Die Sintermetallschalen
4 werden auf einem Absatz 7 des inneren Mantels 3 aufgesetzt und mit einer Deckelplatte
8 mittels einer an einem zentralen Dorn 9 des Mantels 3 vorgesehenen Verschraubung
10 gegeneinander verspannt.
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Das äußere Gehäuse 2 und der innerer Mantel 3 weisen eine in Richtung
ihrer gemeinsamen Achse 11 verlaufende Kammer 12 für ein Heizelement 13 auf. Die
Kammer 12 ist von außen zugänglich und ragt zentral in das Getterbett 1 hinein.
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Das Heizelement 13 ist in die Kammer 12 einschiebbar und wird innerhalb
der Kammer mittels eines Keiles 14 befestigt, der vom äußeren Ende der Kammer 12
her einsetzbar ist und mittels einer Verschraubung 15 festgesetzt wird. Das Heizelement
13 beheizt das Getterbett 1, wobei die Wärme über eine innere Gehäusewand 16, die
Teil des äußeren Gehäuses 2 ist, und einen inneren Teil 17 des Mantels 3 zu den
Sintermetallschalen 4 geleitet wird. Das Heizelement 13 ist regelbar und so ausgelegt,
daß das Urangetterbett bis zu einer Temperatur von 550 OC erwärmbar ist. Zur Feststellung
der im Bereich des Heizelementes herrschenden Temperatur ist in die Kammer 12 ein
Thermoelement 18 eingeführt.
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Das Thermoelement 18 ist mit einem Steckeranschluß 19 verkabelt, ein
Netzanschluß 20 ist für das im Ausführungsbeispiel elektrisch beheizbare Heizelement
13 vorgesehen. Vom Netzanschluß 20 und vom Steckeranschluß 19 führen Kabel 21, 21'
zum Heizelement 13 sowie zum Thermoelement 18.
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Die Rohrleitungen 5a, 5b, die im Innenraum 6 des Mantels 3 münden,
weisen als Zuleitungsrohre für das im Getterbett geführte Gas in analoger Ausbildung
zu äußerem Gehäuse und innerem Mantel ein ein Innenrohr 22 aus Kupfer und ein Hüllrohr
23 aus hochwarmfestem Stahl auf.
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Diese Ausbildung der Rohrleitungen 5a, 5b ist zumindest für denjenigen
Bereich der Rohrleitungen vorgesehen, bei dem wegen höherer Erwärmung der Rohrleitungen
einer verstärkten Wasserstoffpermeation Rechnung zu tragen ist.
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Die Rohrleitungen 5a, 5b sind mittels Ventilen 24a, 24b verschließbar,
die mit einem Kühlblock 25 in Kontakt stehen. Ein Kühlmittel wird über eine Kühlmittelleitung
26 zum Kühlblock hin und wieder zurückgeführt. Am äußeren Ende der Rohrleitungen
5a, 5b befinden sich Rohranschlüsse 27a, 27b zum Anschluß von Wasserstoffleitungen.
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Am Innenraum 6 ist auch eine Sicherheitsleitung 28 mit Ventil 29 angeschlossen.
Auch die Sicherheitsleitung besteht aus einem inneren Kupferrohr 28a und einem äußeren
Stahlrohr 28b. über einen Rohranschluß 30 ist sie mit einer in Fig. 2 dargestellten
Rohrleitung
28c verbindbar, die zu einer in der Zeichnung nicht wiedergegebenen Rohrleitung
mit einer Sicherheitsmembran führt, die bei Überschreiten eines vorgegebenen Gasdruckes
platzt und das Gas in einen externen Pufferbehälter entweichen läßt.
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Figur 2 zeigt den in Figur 1 dargestellten druckfesten Behälter lösbar
eingesetzt in einem kühlbaren Schutzbehälter 31. Der Schutzbehälter 31 ist doppelwandig
ausgebildet.
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Im Zwischenraum 32 fließt ein über Kühlmittelanschlüsse 33 (in Figur
2 ist einer der Kühlmittelanschlüsse dargestellt) zu- und abgeführtes Kühlmittel.
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Der Schutzbehälter 31 ist mit einem Deckel 34 verschließbar. Den Deckel
durchdringen sowohl die Gasleitung 28c als auch Gasleitungen 35a, 35b, die über
die Rohranschlüsse 30, 27a, 27b mit den Rohrleitungen 28 und 5a, 5b verbindbar sind,
sowie die Kühlmittelleitungen 26, durch die das Kühlmittel zur Kühlung des Metallblocks
25 fließt, der im Ausführungsbeispiel über die mit dem Deckel verschweißten Kühlmittelleitungen
26 am Deckel 34 befestigt ist. Den Deckel durchdringen auch Kabelführungen 36a,
36b mit elektrischen Anschlüssen 37, 38 für Heizelement 13 und Thermoelement 18.
Die elektrischen Anschlüsse 37, 38 sind zur Stromversorgung von Heizelement 13 und
Thermoelement 18 mit
Steckeranschluß 19 und Netzanschluß 20 verdrahtet.
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Zusätzlich durchdringen den Deckel 34 noch Spülgasleitungen 39, 40,
über die ein Spülgas, beispielsweise Helium, zum Innenraum 41 des Schutzbehälters
31 leitbar ist. Die Spülgas-39, 40 sind mittels Ventilen 42a, 42b verschließbar.
Am Deckel 34 ist noch ein Träger 43 zur besseren Handhabung des Gerätes befestigt.
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Der Deckel 34 wird nach Anschluß und Befestigung des druckfesten Behälters
an den vorbeschriebenen Rohranschlüssen 27a, 27b, 30, nach Befestigung der Ventile
24a, 24b und 29 am Kühlblock 25 sowie nach elektrischer Verbindung von Steckeranschluß
19 und Netzanschluß 20 mit den Kabeln 21, 21' und nach Öffnen der Ventile 24a, 24b,
29 zusammen mit dem druckfesten Behälter auf einen Behälterflansch 44 des Schutzbehälters
31 aufgesetzt. Vor dem Aufsetzen des Deckels 34 wird noch ein Dichtring 45 zwischen
Behälterflansch 44 und Deckel 34 eingelegt. Der Deckel 34 wird am Behälterflansch
44 zentriert und mittels Befestigungsschrauben 46 gasdicht am Schutzbehälter 31
angeflanscht.
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Soll nun das mit Urangranulat gefüllte Getterbett 1 mit Tritium gefüllt
werden, ist es erforderlich, eine der Gasleitungen 35a, 35b mit einem in der Zeichnung
nicht dargestellten Zulauf für Tritium zu verbinden und ein in der entsprechenden
Gasleitung eingesetztes Ventil 48a oder 48b
zu öffnen. Im Ausführungsbeispiel
lassen sich im Getterbett bis zu 20 1 Tritium binden.
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Wegen des bei Raumtemperatur geringen Partialdruckes von Tritium über
Uran von ^J 10 6 mbar ist eine gesonderte Pumpe für das Einleiten von Tritium in
das Getterbett nicht erforderlich. Das Getterbett füllt sich selbsttätig.
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Ist das Getterbett gefüllt, läßt sich über die Gasleitungen 35a, 35b
aus dem Getterbett durch Erhöhen der Temperatur des Getterbettes Tritium entnehmen.
Die Höhe der Temperatur im Urangetterbett bestimmt dabei den Entnahmedruck. So ergibt
sich beispielsweise bei einer Temperatur von 550 OC im Getterbett ein Tritiumdruck
von 14 bar.
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Um die Dichtheit des druckfesten Behälters und der Rohranschlüsse
unter Kontrolle zu halten, wird der Innenraum 41 des Schutzbehälters 31 evakuiert.
Hierzu wird eine der Spülgasleitungen 39, 40 mit einer Vakuumleitung verbunden.
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Der eingestellte Unterdruck wird kontrolliert.
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Steigt der Druck im Innenraum 41, so kann eine Leckstelle entweder
am druckfesten Behälter, an Ventilen oder Anschlüssen aufgetreten sein, oder es
ist eine Undichtigkeitsstelle am Schutzbehälter vorhanden. Um dies festzustellen,
kann über die Spülgasleitungen 39, 40 Gas aus dem Innenraum 41 entnommen werden.
Das Gas wird analysiert. Befindet sich im Gas
Tritium, so sind
der druckfeste Behälter, seine Ventile oder Anschlüsse leck geworden.
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Befindet sich Luft im Gas, spricht dies für ein Leck am Schutzbehälter,
an der Deckeldichtung oder an Durchführungen im Deckel.
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Ist der druckfeste Behälter auszutauschen, so läßt sich dies gemäß
der Erfindung in einfacher Weise durchführen. Nach Öffnen der Befestigungsschrauben
46 wird der Schutzbehälter 31 abgezogen. Dann werden die Ventile 24a, 24b sowie
29 geschlossen und die Rohranschlüsse 27a, 27b und 30 gelöst. Der Steckeranschluß
19 und der Netzanschluß 20 sind von den Kabeln 21, 21' zu lösen, auch sind die Ventile
24a, 24b und 29 vom Kühlblock 25 abzuschrauben. Der druckfeste Behälter läßt sich
nun vom Deckel 34 entfernen und gegen einen anderen druckfesten Behälter austauschen.
Dies ist ein erheblicher Vorteil gegenüber bisher bekannten Behältern zur Lagerung
von Tritium in Urangetterbetten. Bei den bekannten Behältern sind die vom Deckel
34 nach außen geführten Armaturen fest mit dem druckfesten Behälter verbunden. Nach
Verbrauch des Getterbettes wird das Gesamtsystem einschließlich aller Anschlüsse
des Schutzbehälters als radioaktiver Abfall verworfen.
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