DE3629717C2 - Behälter zur Reinigung von Prozeßgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reinigung eines verunreinigten, Wasserstoffisotope enthaltenden Prozeßgases nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 wie sie aus JP 56-104 702 A. In: Patents Abstracts of Japan Sektion C, Vol. 5 (1981), Nr. 180 (C-79) bekannt ist, sowie deren Verwendung.

In zunehmendem Maße fällt in Tritium-Labors bzw. im NET-Brennstoffkreislauf Prozeßgas an, welches neben den Wasser­ stoffisotopen H, D und T gasförmige Verunreinigungen wie O₂, CO, CO₂, N₂, NH₃ und CH₄ in Einzelkonzentrationen bis zu 1% und Gesamtkonzentrationen bis zu 5% enthält. Zur Wiederge­ winnung zumindest des teuren Wasserstoffisotopes Tritium bzw. Reinigung des Prozeßgases wird ein Getter-Material eingesetzt, das allerdings zur wirkungsvollen Ausnutzung bis auf Temperaturen über 500°C zu erhitzen ist; als optimal wird eine Temperatur von ca. 900°C angesehen. Bei solchen Temperaturen werden aber einerseits die Metalle der Aufbe­ wahrungsbehälter für das Getter-Material für die Wasser­ stoffisotope praktisch vollständig durchlässig und das Getter-Material kann mit den Metallen reagieren, anderer­ seits fällt der Wirkungsgrad der Getterung bei Temperaturen unter 900°C stark ab.

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, daß das Getter-Material im Behälter selbst - aufgrund seiner Neigung zur Reaktion mit Sauerstoff - in seine endgültige pulverförmige Konsistenz zu bringen ist, bei dieser Umwandlung jedoch sein Volumen stark vergrößert. Diese Volumenvergrößerung kann ohne besondere Vorkehrungen zur Zerstörung des Behälters führen.

Ein Problem entsteht auch besonders dann, wenn der Behälter aus Keramik besteht und Keramikteile für hohe Temperaturen gasdicht verschlossen werden sollen. Denkbar wäre ein Deckel, ebenfalls aus Keramik, der mit einem Losflansch aus Molyb­ dän, das einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie Al₂O₃ besitzt, mit dem Flansch des Keramik-Behälters verbun­ den wird. Die Abdichtung des Spaltes zwischen den beiden Keramik-Teilen erweist sich als problematisch. Das Einbrin­ gen einer Goldfolie scheidet aus, da der Anpreßdruck, um Dichtheit zu garantieren, so hoch sein muß, daß er die Keramik zerstört. Helicoflex-Dichtringe scheiden auch aus diesem Grunde aus; außerdem würde der metallische Helico­ flex-Ring ein Permeationsfenster für Tritium darstellen. Die Abdichtung aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen den feinst polierten Keramik-Flächen (Rauhtiefe ca. 0,1 µm) ist unsi­ cher. Als weitere Möglichkeit ist das Verglasen der Keramik- Teile in Betracht zu ziehen. Das Verglasen hat den Nachteil, daß der Deckel nicht wieder demontiert werden kann, was in der Entwicklungsphase, vor allem aber bezüglich der Entsor­ gung, ungünstig ist. Zum anderen ist ungewiß, ob Leckraten von besser als 10^-9 mbar . l/s, die bei Raumtemperatur gemes­ sen wurden, auch bei der Betriebstemperatur von 900°C erreicht werden können. Außerdem ist zu befürchten, daß durch Temperaturzyklen, die während der Betriebsphase des Getters auftreten können, die Glasur Risse bekommt und damit ihre Funktion als Dichtung im wesentlichen verliert.

Aus der US 25 33 318 wird ein Verfahren zur Reinigung von Wasserstoff mit Hilfe von Uran beschrieben. Als Behälter ist eine Quarzröhre erwähnt. Eine solch einfache Anordnung ist für die Reinigung von Tritium wegen des hohen Gefahrenpotentials nicht geeignet.

In der JP 60-141 603 A. In: Patents Abstracts of Japan Selektion C, Vol. 9 (1985), Nr. 301 (C-316) wird ein einfacher Quarzbehälter mit Innenheizung beschrieben, der im Innern nur eine Kammer aufweist. Dieser Behälter ist zur Erzeugung des Uran­ getters (große Volumenzunahme) nicht geeignet. Bei Lecks gelangt Tritium direkt nach außen.

Die der Erfindung gestellte Aufgabe besteht darin, den e. g. Behälter derart auszubilden, daß er zur Herstellung des Getter-Materials geeignet ist und daß in ihm die Getterung bzw. Reinigung des Prozeßgases vorgenommen und er schließ­ lich nach Beladung dicht verschlossen werden kann.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru­ ches 1 beschrieben.

Die übrigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sowie deren Verwendung wieder.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines speziellen Ausführungsbeispiels in einem besonderen Verwendungsbereich mittels der Figur näher erläutert.

Gemäß der Figur wurde ein Behälter entwickelt, der pulveri­ siertes Uran 2 bei 900°C Betriebstemperatur als Getter- Material enthält und von verunreinigtem gasförmigem Wasser­ stoff, (Protium, Deuterium oder Tritium) durchströmt wird. Dieser Behälter 1 ist ein Teil einer Versuchanlage 3, die der Entwicklung und Erprobung einer Tritium-Reinigungsanlage für die Infrastruktur eines Tritiumlabors dient, wobei der 900°C Uran-Getter 2 eine Reinigungsstufe darstellt. Das zu reinigende Prozeßgas 4 wird über die 900°C heiße Uranpul­ ver-Schüttung 2 geleitet, wobei die Verunreinigungen che­ misch umgewandelt und gebunden (gegettert) werden. Die Ver­ suchsanlage 3 besteht aus dem Innenbehälter 1, der die Uranschüttung 2 beinhaltet, mit Zu- und Ableitungen 4 bzw. 5 des Prozeßgases und einer elektrischen Heizung 6. Der Behäl­ ter 1 befindet sich in einem zweiten 7, der Zwischenraum 8 wird mittels der Pumpe 9 evakuiert. Somit kann aus dem Innenbehälter 1 austretendes Tritium, sei es durch Permea­ tion oder Undichtigkeiten, aufgefangen werden. Der Außenbe­ hälter 7 ist wassergekühlt, um Tritium-Permeation nach außen zu vermeiden.

Der 900°C heiße, von Tritium durchströmte Innenbehälter 1 kann nicht aus metallischen Werkstoffen gefertigt werden, da die Tritium-Permeation in diesem Falle unzulässig groß wür­ de. Es sind Materialien als Werkstoffe für den Innenbehälter 2 gefunden worden, die einerseits geringe Permeationskoeffi­ zienten für Tritium in diesem Temperaturbereich besitzen und andererseits chemisch und physikalisch mit Uran verträglich sind (z. B. kein Auftreten von Eutektika). Als besonders geeignet erwiesen sich Keramiken, insbesondere Aluminium­ oxid. Der Vorteil von Al₂O₃ gegenüber SiC, das auch in Betracht zu ziehen ist, liegt in einfacheren Fertigungsmög­ lichkeiten, dem Entwicklungsstand bezüglich Verbindungstech­ niken mit anderen Materialien, insbesondere Metallen, und dem Preis. Da die Getterung der Verunreinigungen irreversi­ bel ist und ein Austausch des verbrauchten pyrophoren Uran­ pulvers 2 aufwendig wäre, wird der Innenbehälter 1 nach Ausschöpfung der Kapazität des Urans mit zum Abfall gegeben. Deshalb sind auch die Kosten für den Innenbehälter 1 und eine konstruktive Lösung mit wenig Strukturmaterial im Ab­ fall ein wesentlicher Gesichtspunkt.

Da alle aufgeführten Konzepte zur Problemlösung der Abdich­ tung Keramik-Keramik unbefriedigend waren, wurde ein anderes Konzept verfolgt, das dieses Problem umgeht: Der Behälter 1 ist länger als für die Aufnahme des Urans 2 notwendig ist. Lediglich der Bereich, in dem sich das Uran 2 befindet, wird von außen elektrisch (6) beheizt. Die Temperatur in der Heizung 6 wird so eingestellt, daß im Behälter-Inneren 900°C erreicht werden. Über der Heizzone 10 befindet sich eine unbeheizte Zone 11, in der die Temperatur auf unter 400°C sinken kann. Diese Abkühlzone 11 darf nicht zu lang sein, da dies zum einen das Tritium-Inventar des Getters erhöht, und zum anderen der Behälter 1 insgesamt groß und seine Handha­ bung in einer Handschuhbox umständlich würde. Versuche zeig­ ten, daß die Abkühlung unter 400°C innerhalb einer vertret­ bar langen Strecke (ca. 10 cm) erreicht wird. Somit kann am Ende 12 dieser Abkühlzone 11 mittels einer Keramik-Metall-Verbindung 13, wie sie üblicherweise für elektrische Durch­ führungen angewandt wird, auf Metall übergegangen werden, da die Tritium-Permeation durch Metalle (z. B. Stähle und Al) unterhalb von 400°C vertretbar gering ist. Dieses Konzept hat den Vorteil, daß der Behälter-Deckel (nicht dargestellt) aus Metall gefertigt werden könnte. Probleme, wie z. B. die Abdichtungen, können konventionell, z. B. durch Abdichtungen mittels CF-Flansch, gelöst werden.

Der konzentrische Gasein- und Austritt 4/5 ermöglicht eine platzsparende Konstruktion. Zur Entsorgung des Innenbehäl­ ters 1 wird das keramische Zentralrohr 14 gekappt und ein geschlossener Deckel auf den Flansch 15 des Tiegels mon­ tiert. Somit bleibt der Deckel 16 des Außenbehälters 7 mit sämtlichen Anschlüssen erhalten. Als Behälter 1 dient ein Keramik-Tiegel (isostatisch gepreßt) einer Länge von ca. 45 cm, der an einem Ende über einen 35 cm langen Bereich mit­ tels Widerstandsheizung 6 von außen beheizt wird.

Das Uran für das Getterbett 2 wird in stückiger Form (Plätt­ chen mit 8 mm × 3 mm × 1 mm Kantenlänge) in den Behälter gebracht und insitu durch zyklisches Aufeinanderfolgen von Hydrieren und Dehydrieren pulverisiert, was mit einer Volu­ menvergrößerung von etwa dem Faktor 30 verbunden ist. Damit bei dieser Ausdehnung keine unzulässig großen Kräfte auftre­ ten, wird die gesamte Uranmenge unterteilt in kleinere Ein­ heiten in mehreren Kammern untergebracht. Diese Unterteilung wird durch übereinander angeordnete Fritten 18 erreicht, die über das zentrale Gaseinlaßrohr 14 geschoben und auf Distanz gehalten werden müssen.

Bei der Herstellung der Keramik findet während des Sinterns ein Schrumpfungsprozeß statt, der nur grob vorherbestimmt werden kann, da er von sehr vielen Faktoren abhängig ist. Deshalb ist bei Werkstücken aus Al₂O₃ ohne Nachbearbeitung lediglich eine Toleranz von + 2% erreichbar. Eine Nachbe­ handlung der gesinterten Keramik ist nur durch Schleifen mit Diamantwerkzeug möglich. Dies würde die Kosten des Behälters 1 µm ein Vielfaches erhöhen. Das Problem des Einbaus der Fritten 18 liegt nun darin, daß trotz der großen Toleranzen große Spalte zwischen Behälterwand und Fritte 18 vermieden werden müssen. Diese Spalte würden zu Randgängigkeiten der Prozeßgasströmung 4 führen, das zu reinigende Gas würde dann nur teilweise oder schlimmstenfalls überhaupt nicht mit dem auf den Fritten 18 befindlichen Uran-Pulver 2 in Berührung kommen, womit die Reinigungswirkung reduziert würde. Da es das Ziel dieser Reinigungsstufe ist, am Ausgang des Getters eine Restverunreinigung von wenigen ppm (Größenordnung 10 ppm) zu erreichen, ist es unzulässig, daß sich Strömungs­ pfade an der Behälterwand einstellen.

Nur das Einkleben der Fritten mittels eines keramischen Kittes kommt in Frage. Mittels Distanzhülsen 19 werden die Fritten 18 auf Abstand gehalten und mittels des Kittes mit der Behälterwand und dem Zentralrohr 14 verklebt. Am geeig­ nesten ist ein Kleber auf SiC-Basis. Zum einen muß der Kitt bei Raumtemperatur soweit aushärten, daß auf die Fritten 18 Kräfte ausgeübt werden können, z. B. beim Einfüllen des Urans 2, ohne daß die verkittete Fläche aufreißt. Zum ande­ ren darf der Kitt kein Lösungsmittel enthalten, das mit dem Uran chemisch reagiert und somit die Reinigungskapazität reduziert. Außerdem darf der Kitt mit dem Uran nicht reagie­ ren.

Das Einkleben der Fritten 18 macht die Montage kompliziert; der Ablauf der Montage sieht folgendermaßen aus:
Zunächst wird das Zentralrohr 14 mit angelötetem Zwischen­ stück und angeschweißtem Faltenbalg 20 mittels des Fritten­ halters in den Keramik-Behälter 1 gestellt. Das Zentralrohr 14 wird mit einem Stift am Frittenhalter befestigt. Dann wird von oben die erste Fritte 18, deren Bohrung so groß sein muß, daß sie über den Faltenbalg 20 geschoben werden kann, in den Behälter 1 eingebracht. Sie liegt auf dem Frittenhalter auf. Nun wird die Fritte 18 mit der Behälter­ wand und dem Zentralrohr verkittet. Danach wird über das Zentralrohr eine Distanzhülse 19 - ein Keramikrohr, das einen etwas größeren Innendurchmesser als der Faltenbalg hat - geschoben, die auf der Fritte 18 aufliegt. Als nächstes werden die Uran-Plättchen eingebracht.

Nach Einbringen der erforderlichen Uran-Menge in die erste Kammer, wird die zweite Fritte 18 von oben über das Zentral­ rohr 14 geschoben. Diese liegt auf der ersten Distanzhülse 19 auf und wird wie die erste Fritte 18 mit der Behälterwand und dem Zentralrohr verkittet. Danach werden eine weitere Distanzhülse und die nächste Uranfüllung eingebracht. Den Abschluß einer jeden Kammer bildet die aufliegende Fritte 21. Dieser Vorgang des Kammeraufbaus wird so oft wiederholt, bis die oberste Kammer etwa 10 cm unter dem oberen Rand des Keramik-Tiegels mit einer abschließenden Fritte endet. Das heißt, die Anzahl der Kammern des Behälters 1 und damit auch die Länge des Keramik-Tiegels bei konstantem Behälterdurch­ messer, hängt von der eingesetzten Uranmenge ab.

Ist der Füllvorgang des Behälters 1 durch Einbringen der abschließenden Fritte 21 beendet, so wird an das Zentralrohr das obere Endstück angeschweißt. Danach wird der Deckel des Außenbehälters 7 und montiert, wozu die Flansche 15 am Zentralrohr und am Tiegel mit den Gegenflanschen verschraubt werden. In den Außenbehälter 7 werden die Strahlenschilde 17 montiert und der keramische Auflagering 22 eingebracht.

Werden die Fritten 18, 21, die den Behälter 1 in die ver­ schiedenen Kammern unterteilen, aus einem Material gefer­ tigt, das einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Al₂O₃-Behälter besitzt, so platzt der Behälter beim Aufheizen. Um dies zu vermeiden, bestehen auch die Fritten 18, 21 aus Keramik. Es handelt sich um porös gesintertes Al₂O₃ mit Porengrößen zwischen 5 und 20 µm und einer Porosi­ tät von 20-30%.

Falls sich die Poren als zu groß erweisen, so daß Uranpulver 2 ausgetragen werden kann, könnten alternativ Abschlußfrit­ ten mit einer Porengröße von 5 µm eingesetzt werden. Diese feinporigen Fritten bewirken allerdings einen höheren Druck­ verlust.

Um einen Austrag des Uranpulvers 2 aus dem Gesamtsystem zu vermeiden, werden in die Zu- und Ableitungen 4, 5, die aus Edelstahl gefertigt sind, zusätzliche Filter definierter Porengröße (z. B. 5 µm) in Form von Metallsinterscheiben eingebracht.

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Reinigung eines verunreinigten, Wasserstoffisotope enthaltenden Prozeßgases, mittels eines Getter-Materials, wobei die Vorrichtung aus einem Innenbehälter (1) mit einer Zuführung (4) für das Prozeßgas und einer Abführung (5) für das gereinigte Gas, einer Heizvorrichtung (6) sowie eine Verschlußstelle (12, 13) besteht und die Wandung des Innenbehälters (1) aus dem beheizten Bereich (10) hinaus ausgebildet ist und die Verschluß stelle (12, 13) im unbe­ heizten Bereich (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Innenbehälter (1) unter Ausbildung eines evakuierbaren Zwischenraumes (8) von einem Außenbehälter (7) umgeben ist,
• b) die Wandung des Innenbehälters (1) aus Keramik-Material besteht,
• c) der beheizbare Bereich (10) des Innenbehälters (1) zur Aufnahme des Getter-Materials (2) unterteilt ist und
• d) der Außenbehälter (7) kühlbar ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Innenbehälters (1) zylinderförmig mit unterem kugelförmigen Bodenabschluß ausgebildet ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung (4) als koaxiales Rohr in den Innenbehälter (1) hineinreicht, auf dessen Mantel­ fläche im Abstand zueinander poröse Keramik-Scheiben (18, 21) als Untertei­ lungswände angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Getter- Material (2) U-Pulver ist und die Wandung des Innenbehälters (1) aus Al₂O₃-Material besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschlußstelle (12, 13) dicht an der oberen Öffnung des Innenbehälters (1) im kälteren Bereich (11) vorgesehen und aus Metall herstellbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilungswände (18, 21) dicht mit der Innenwandung verbunden sind.

7. Verwendung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden zur Reinigung von Tritium.