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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von
radioaktivem Graphit, und insbesondere von dem radioaktivem Graphit,
der sich aus dem Graphit ergibt, welcher als eine Bremssubstanz
bei einer Anzahl von Nuklearreaktorbauweisen verwendet wird.
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Graphit,
welcher hauptsächlich
aus dem Element Kohlenstoff besteht, wird bei einer Anzahl von Nuklearreaktorbauweisen,
wie beispielsweise gasgekühlten
MAGNOX- und AGR-Reaktoren im Vereinigten Königreich und der RBMK-Bauweise
in Russland, als Bremssubstanz verwendet. Während der Konstruktion wird
die Bremssubstanz des Reaktors üblicherweise
als eine ineinandergreifende Struktur von Graphitklötzen eingebaut.
Am Ende der Reaktorlebenszeit ist die Graphit-Bremssubstanz, welche üblicherweise
etwa 2000 Tonnen wiegt, eine Form von radioaktivem Abfall, welcher
letztendlich gehandhabt werden muss. Graphit ist eine relativ stabile
chemische Form von Kohlenstoff, welche sich auf viele Arten für eine direkte
Entsorgung ohne Verarbeitung eignet. Nach einer Neutronenbestrahlung
wird das Graphit allerdings gespeicherte Wigner-Energie enthalten.
Das Freisetzungspotential dieser Energie muss bei jeder Strategie
berücksichtigt
werden, welche auf der Entsorgung des Graphits in unverarbeiteter
Form basiert. Alternativ kann die Verarbeitung des Graphits vor
der Entsorgung die sichere Freisetzung jeglicher gespeicherter Wigner-Energie
ermöglichen.
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Der
Graphit enthält
ebenfalls signifikante Mengen an Radionukliden von durch Neutronen
induzierten Reaktionen, sowohl im Graphit selbst als auch in den
kleinen Mengen von Verunreinigungen, welche es enthält. Der
Gehalt an Radioisotopen kann in geeigneter Weise in zwei Kategorien
aufgeteilt werden. Kurzlebige Isotope (wie beispielsweise Kobalt-60)
machen das Graphit unmittelbar nach der Abschaltung des Reaktors
schwierig zu handhaben, aber zerfallen nach ein paar Jahrzehnten.
Langlebige Isotope (hauptsächlich
Kohlenstoff-14) sind wegen der Möglichkeit
ihrer Abgabe an die Biosphäre
von Bedeutung. Eine Verarbeitung des Graphits schafft die Möglichkeit,
den Großteil
der Graphitmasse (Kohlenstoff) von den kurzlebigen Radioisotopen
zu trennen. Dies erleichtert wiederum die Handhabung des Graphitabfalls
kurz nach dem Ende der Reaktorlebenszeit.
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Wegen
der Eigenschaften von Graphit und dessen Masse ist es bisher das üblichste
Verfahren für
die Stilllegung von mit Graphit-Bremssubstanz versehenen Reaktoren,
den Reaktorkern anschließend
an die Abschaltung des Reaktors in situ für eine Zeitspanne von Jahrzehnten
sicher einzulagern ("SAFESTORE"). Während dieser
Zeitspanne zerfallen kurzlebige Radioisotope ausreichend, um das schließliche manuelle
Zerlegen der Graphit-Bremssubstanz
zu ermöglichen.
Die meisten Pläne
im Vereinigten Königreich
nehmen dann an, dass der Graphit in seiner vorhandenen chemischen
Form entsorgt wird, mit geeigneter zusätzlicher Umhüllung, um
eine Verschlechterung oder Freisetzung über die lange Zeitspanne des
Kohlenstoff-14-Zerfalls zu verhindern.
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Das
sichere Einlagern hat bestimmte negative Folgen, da es eine langfristige
finanzielle Belastung, eine optisch aufdringliche Struktur, welche
keinen produktiven Zweck erfüllt,
ein Erfordernis für
eine kontinuierliche Überwachung
und das Erfordernis für eine
zukünftige
Generation (welche aus der ursprünglichen
Anlage keinen Vorteil geschöpft
hat), schließlich
die Beseitigung zu vollenden, impliziert. Wenn die Alternative des
sicheren Einlagerns durch eine kurzfristigere Handhabung ersetzt
werden soll, ist es unerlässlich,
dass der Graphit auf eine sichere und radiologisch akzeptable Art
und Weise verarbeitet wird.
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Wir
haben nun ein Verfahren entwickelt, welches ein zweckmäßiges Mittel
zum Umwandeln des Graphits in eine Form bereitstellt, bei welcher
jegliche Wigner-Energie entfernt wird, und welche verwendet werden
kann, um den Kohlenstoff in dem Graphit in Gas zu verwandeln, und
um den in Gas verwandelten Kohlenstoff wie erforderlich in einer
Form für
eine weitere Verarbeitung zu speichern. Das von uns entwickelte
Verfahren kann ebenfalls dazu verwendet werden, um den Kohlenstoff
in dem Graphit von anderen in der Bremssubstanz vorhandenen radioaktiven
Elementen zu trennen, um eine einfache Handhabung zu ermöglichen,
und um das Freisetzen von der Kohlenstoffmasse an die Atmosphäre zu vereinfachen.
Das Verfahren kann verwendet werden, um einzelne Graphitblöcke oder
-partikel zu verarbeiten, welche aus dem Reaktorkern auf eine übliche Art
und Weise entfernt worden sind. Das von uns entwickelte Verfahren
kann ebenfalls dazu verwendet werden, um das Bremssubstanz-Graphit
langsam, in situ, auf eine langsame und kontrollierte Art und Weise
ohne die Notwendigkeit menschlichen Eingreifens in dem Reaktorkern
reagieren zu lassen.
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Demgemäß stellt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von radioaktivem
Graphit bereit, welches Verfahren die Schritte umfasst:
- i) Reagieren des radioaktiven Graphits bei einer Temperatur
oberhalb von 350°C
mit überhitztem Dampf
oder Wasserdampf enthaltenden Gasen, um Wasserstoff und Kohlenmonoxid
zu bilden; und
- ii) Reagieren des Wasserstoffs und Kohlenmonoxids aus Schritt
i), um Wasser und Kohlendioxid zu bilden.
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1 der
beigefügten
Zeichnungen illustriert ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Behandeln von radioaktivem Graphit.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Verfahren, das bei Graphitmaterialien
angewendet wird, die vorher als die Bremssubstanz in dem Kern eines
thermischen Nuklearreaktors verwendet worden sind, und die nicht
mehr für
diesen Zweck gebraucht werden. Es kann ebenfalls auf andere Graphitmaterialien (Brennstoffelement-Hüllen, Verstärkungen,
usw.) angewendet werden, welche in dem Neutronenflux eines Nuklearreaktorkerns
bestrahlt werden.
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In
Schritt i) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung wird die Reaktion
des überhitzten
Dampfs oder der Wasserdampf enthaltenden Gase mit Graphit bei einer
Temperatur durchgeführt,
welche vorzugsweise im Bereich von 350°C bis 900°C, vorzugsweise im Bereich von
600°C bis
700°C, liegt,
um Wasserstoff und Kohlenmonoxid zu bilden. Dieser Verfahrenstyp
wird im Fachgebiet üblicherweise
als "Dampfreformieren" bezeichnet. Die
Reaktion in Schritt i) kann mit Hinzufügen von Sauerstoff zu dem Dampf
oder den Wasserdampf enthaltenden Gasen durchgeführt werden, um exotherme Reaktionsenergie
für das
Verfahren bereitzustellen. Das Hinzufügen von Sauerstoff ermöglicht,
dass die Temperatur der Dampfreformierungsreaktion kontrolliert
wird.
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Die
Gase von Schritt i) werden dann in Schritt ii) weiter mit Sauerstoff
oxidiert, um Kohlendioxid und Wasser zu bilden. Während des
Verfahrens werden die Gase in einer eingeschlossenen Atmosphäre gehalten.
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Bei
dem Verfahren erzeugtes Kohlendioxid und Wasser können anschließend durch
eines der folgenden Verfahren entsorgt werden:
Kontrollierte
Freisetzung des Kohlendioxids an die Atmosphäre, nach jeglicher weiterer
Verarbeitung, welche notwendig ist, um dessen radioaktiven Gehalt zu
minimieren;
Kompression und Verflüssigung des Kohlendioxids für vorübergehende
Lagerung, Verarbeitung, Transport oder Entsorgung;
Kondensation
von Dampf, um Wasser für
eine Behandlung, Entsorgung oder Freisetzung bereitzustellen, und/oder
weitere
chemische Verarbeitung des Kohlendioxids, um eine geeignete feste
Abfallform zur Entsorgung zu erzeugen, wie beispielsweise Kalziumkarbonat.
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Das
Verfahren der vorliegenden Erfindung kann entweder in situ innerhalb
des Kerns eines stillgelegten Nuklearreaktors durchgeführt werden,
oder kann (bei extern bereitgestellter Ausrüstung) bei Graphitteilen oder
-partikeln angewendet werden, welche aus dem Reaktorkern entfernt
worden sind.
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Radioaktiver
Sekundärabfall
von dem Verfahren der Erfindung oder von weiterer Verarbeitung des
bei dem Verfahren erzeugten Kohlendioxids vor der Freisetzung kann
auf jede übliche
Art und Weise behandelt werden, die für normale Vorgehensweisen der
betroffenen Nuklearanlage geeignet ist.
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Die
in situ Verarbeitung von Graphit erfordert, dass das Graphit in
dem Reaktorkern Bedingungen ausgesetzt ist, welche sich dazu eignen,
das Graphit in Gas zu verwandeln. Die in situ Reaktionen können, wie
unten erläutert,
mit verschiedenen Verfahren ausgeführt werden.
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Bei
einem ersten Verfahren kann Kohlendioxid, Stickstoff oder anderes
Inertgas unter Verwendung von normaler Ausrüstung der Anlage mit dem Zusatz
von kleinen, kontrollierten Mengen von Dampf und/oder Sauerstoff,
wenn erforderlich, durch den Reaktor rezirkuliert werden. Eine Seitenströmung wird
von dem Kreislauf kontinuierlich für die Entfernung von Kohlenmonoxid,
Wasserstoff und Kohlendioxid abgezogen. Um eine mögliche Wasserstoff-Explosion abzuschwächen, wird
vorzugsweise ein katalytischer Wasserstoff-Umwandler in den Behandlungskreislauf
eingefügt,
um jeglichen Wasserstoff in Wasser umzuwandeln. Diese Option benötigt die
Injektion einer kleinen Menge Sauerstoff in den katalytischen Umwandler.
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Zum
Hinzufügen
von Spurenmengen von Sauerstoff wird der Reaktorkreislauf oberhalb
von 250°C
gehalten, damit Oxidationsreaktionen in einer ausreichenden Zeit
ablaufen, um die Verwendung von weniger als 5 Prozent Sauerstoffkonzentration
in den Rezirkulationsgasen zu ermöglichen. Die Verwendung von
begrenzten Sauerstoffpegeln wird empfohlen, um jegliche möglichen
Explosionsreaktionen zu vermeiden.
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Für das Hinzufügen von
Dampf wird der Reaktorkreislauf oberhalb von 350°C gehalten, damit die Reformationsreaktionen
mit vernünftigen
Raten ablaufen.
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Bei
einem zweiten Verfahren werden Gase in den Reaktor injiziert und
daraus entfernt, ohne dass andere anlageneigene Ausrüstung verwendet
wird. Dieses Verfahren umfasst die Abschirmung des Reaktors von
dem Rest der Anlagensysteme. Eine externer Gas-Rezirkulationskreislauf
kann genutzt werden, um Gase in den Reaktor zu injizieren und die Entfernung
von gasförmigen
Reaktionsprodukten bereitzustellen. Ausgewählte Bereiche des Reaktors können mittels
der Injektion von überhitzten
Gasen oder durch die Erzeugung der erforderlichen Wärme innerhalb
des Reaktors bei 400°C
bis 900°C
gehalten werden. Eine Wärmeerzeugung
innerhalb des Reaktors kann durch das Einführen von elektrischen oder Verbrennungs-Röhrenheizgeräten erreicht
werden, die in einem oder mehr der Brennstoffkanäle angeordnet werden. Die in
situ-Reaktion, welche dieses Verfahren nutzt, ermöglicht das
bevorzugte Entfernen des Graphits in ausgewählten Bereichen des Reaktors,
um den Graphit in einer geplanten Reihenfolge zu entfernen. Dies
ist ein sehr wertvolles Sicherheitsmerkmal, da es ermöglicht,
dass der Graphit auf eine strukturell sichere Art und Weise entfernt
wird, wobei die Möglichkeit
eines Einsturzes einer geschwächten
Bremssubstanz-Struktur
während
der späteren
Stadien der Entfernung vermieden wird. Die Ausführbarkeit der lokalen Entfernung
von Graphit mit diesem Verfahren wird ferner durch die verringerte
thermische Leitfähigkeit
von Graphit bei Reaktoren am Ende ihrer Lebensdauer unterstützt, welche
als ein Ergebnis von Neutronenbestrahlung auftritt. Es wird geschätzt, dass
mehr als 75 Prozent des Graphits auf diese Art und Weise entfernt
werden könnten.
Die injizierten Gase können
aus einem Inertgas und Dampf, zusammen mit Sauerstoff, wie erforderlich,
bestehen. Das schlussendliche Entfernen der letzten Spuren von Graphit
könnte
zum Beispiel durch Umkehren des oben beschriebenen vorherigen Verfahrens
erreicht werden.
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Wenn
das Verfahren der vorliegenden Erfindung an Graphitteilen oder -partikeln
durchgeführt wird,
welche von dem Reaktorkern entfernt worden sind, kann das Verfahren
als ein kontinuierliches, ein semikontinuierliches oder ein diskontinuierliches
Verfahren durchgeführt
werden. Das Verfahren kann unter Verwendung eines aus den Graphitpartikeln
oder -teilen gebildeten festen Betts durchgeführt werden, oder vorzugsweise
wird das Verfahren in einem Reaktor mit fluidisiertem Bett durchgeführt. Vorzugsweise
wird das Bett unter Verwendung des Dampf-Reaktants als der Fluidisierungshilfe
fluidisiert, aber es ist ebenfalls zu verstehen, dass das Reaktant-Bett
unter Verwendung eines Inertgases, wie beispielsweise Stickstoff
oder Kohlendioxid fluidisiert sein kann, mit der geeigneten Injektion
von Dampf und/oder Sauerstoff, um zu ermöglichen, dass die Reaktion
abläuft. Inertbettmaterial
kann bei dem Fluidbett genutzt werden, um die Temperatur dort zu
stabilisieren, wo Dampf und/oder Sauerstoff in das Gefäß injiziert
werden.
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Die
Dampfreformierungsreaktion verläuft
gemäß der Gleichung: C + H2O → CO + H2
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Im
zweiten Stadium des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden
das Kohlenmonoxid und der Wasserstoff zu Kohlendioxid und Wasser
oxidiert. Dies wird üblicherweise
unter Verwendung von Sauerstoffgas als dem Oxidationsmittel durchgeführt. Die Oxidationsreaktion
kann in demselben Gefäß wie oder
in einem unterschiedlichen Gefäß als das,
in dem die Dampfreformierungsreaktion durchgeführt wird, durchgeführt werden.
Wenn zum Beispiel die Dampfreformierungsreaktion in einem Reaktor
mit fluidisiertem Bett durchgeführt
wird, kann der Sauerstoff in den oberen Abschnitt des Reaktors mit
fluidisiertem Bett eingeführt
werden, so dass beide Schritte des Verfahrens in einem einzigen
Reaktorgefäß durchgeführt werden.
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Der
Vorteil des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, verglichen mit
der Verbrennung von radioaktivem Graphit, ist, dass es unter geeignet
kontrollierten Abschirmungsbedingungen durchgeführt werden kann. Der Verlust von
gefährlichen
oder radioaktiven Materialien in dem Abgas ist daher verringert oder
sogar ausgeschaltet. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist das niedrige
Volumen von Abgas, das die Handhabung vereinfacht, einschließlich der
Möglichkeit
des Erreichens von im Wesentlichen Null gasförmigen Emissionen. Ferner ermöglicht das
Verfahren, dass die in dem radioaktiven Graphit gespeicherte Wigner-Energie
auf eine kontrollierte Art und Weise freigesetzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung wird ferner unter Bezugnahme auf 1 der
beigefügten
Zeichnungen näher
beschrieben, welches ein Übersichts-Flussdiagramm
eines Mittels zum Ausführens des
Verfahrens der vorliegenden Erfindung ist.
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnung wird radioaktiver Graphit fernbetätigt aus
einem Reaktorkern mittels eines Wasserstrahls oder mittels mechanische
Schneidgeräte
entfernt. Graphitteile und Wasser werden in eine Größenverringerungs-Nassschleifmaschine 1 eingeführt, wobei
das Graphit auf eine Größe von < 1,0 cm verringert
wird. Das größenverringerte
Graphit wird in Gefäß 2 mit
Wasser vermischt und der Schlamm wird mittels einer Injektorpumpe
für Schlamm
direkt in den Reformer 4 mit fluidisiertem Bett eingegeben,
ohne dass eine weitere Vorbehandlung oder Handhabung erforderlich
ist. Alternativ kann Graphit für
eine direkte Injektion in den Reformer 4 mittels eines
mechanischen Schraubenförderers 5 auf < 12,0 cm, vorzugsweise
auf < 4,0 cm, größenverringert
werden.
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Der
Reformer 4 mit fluidisiertem Bett dient dazu, das gesamte
Wasser von dem Graphitschlamm und anderen Flüssigabfallzuleitungen zu verdunsten,
und jegliche organische Komponenten durch destruktive Destillation
(Pyrolyse) zu pyrolisieren. Die zum Verdampfen des Zufuhrwassers
und zum Antrieb des endothermischen Reformierungsverfahrens benötigte Energie
wird dadurch bereitgestellt, dass das Fluidbett in einem autothermischen Dampfreformierungsmodus
betrieben wird. Bei dem Dampfreformierungsverfahren im Bett erzeugtes Kohlenmonoxid
und Wasserstoff werden in der oberen Zone des Fluidbetts durch Injektion
von Sauerstoff entlang Leitung 6 vollständig zu Kohlendioxid und Wasser
oxidiert. Das Abgas von dem Reformer 4, welches den Reformer
entlang Leitung 7 verlässt, enthält feine
Feststoffe, einschließlich
der meisten Radionukliden und nichtflüchtigen anorganischen Materialien,
wie beispielsweise Siliziumdioxod und Kalzium, und gasförmigen Komponenten,
wie beispielsweise Dampf, Kohlendioxid und gasförmige Radionuklide, insbesondere
Tritium, Kohlenstoff-14 und Jod. Der feste Rückstand wird aus dem Reformer 4 durch
den fluidisierenden Dampf und die Gase ausgewaschen.
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Die
Feststoffe aus dem Abgas des Reformers werden aus dem Abgasstrom
durch einen Hochtemperaturfilter oder einen Gaswäscher 8 entfernt.
Wenn nur Graphit von dem Verfahren verarbeitet werden soll, wird
nur ein Hochtemperatur-Feststofffilter benötigt, um alle nichtflüchtigen
Radionukliden aus dem Abgas zu reinigen. Wenn andere Ströme verarbeitet
werden, wird der Gaswäscher,
wie in 1 gezeigt, genutzt. Tabelle 1 stellt eine Liste
von typischen Radionukliden bereit, welche in Bremssubstanz-Graphit
zu finden sind, und gibt an, wie die Radionuklide bei dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung abgetrennt werden.
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Die
Nutzung des Gaswäschers 8 reinigt
das Abgas durch die Entfernung von aus dem Reformer 4 ausgewaschenen
Partikeln und neutralisiert alle potentiell sauren Gase. Die Waschlösung wird
durch das heiße
Abgas von dem Reformer 4 bis auf 1% bis 20% Gewichtsanteil
Feststoffe konzentriert. Der pH in der Waschlösung wird zwischen 5,0 und
7,0 kontrolliert, um die Absorption von Kohlendioxid zu minimieren
und die Entfernung von sauren Gasen sicherzustellen. Die Salzlösung kann
für eine
Behandlung durch herkömmliche
Mittel, wie beispielsweise direkte Ausleitung (wenn dies die Radioaktivitätspegel
ermöglichen),
Ausleitung nach selektiver Entfernung radioaktiver Stoffe oder Verkapselung
zur Bildung von festem Abfall, entlang Leitung 9 geleitet
werden. Nicht lösliche
Bestandteile in der Waschlösung
können
durch Filtration entfernt werden, wenn ein Ausleitungsweg ausgewählt ist.
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Der
warme, mit Wasser gesättigte
Abgasstrom verlässt
den Wäscher 8 entlang
Leitung 10 und kann weiter verarbeitet werden, um mittels
eines gekühlten
Kondensators 11 im Wesentlichen den gesamten Wasserdampf
zu entfernen. Das kondensierte Wasser, das den Kondensator 11 entlang
Leitung 12 verlässt,
wird im Wesentlichen das gesamte Tritium von dem Graphit enthalten.
Das Kondenswasser, mit Spurenelementen von Tritium, kann durch eines oder
mehrere der folgenden Verfahren gehandhabt werden. Es kann zurückgeführt werden,
um zum Schneiden mittels Wasserstrahl herangezogen zu werden, oder
um überhitzten
Dampf zu dem Reformer zuzuführen.
Alternativ kann es als Wasserdampf oder als flüssiges Wasser ausgeleitet werden,
oder zum Mischen mit Zement für
eine Verfestigung von anderen radioaktiven Abfällen verwendet werden. Etwas
von dem Jod in dem Abgas wird wahrscheinlich ebenfalls mit dem Wasser
gespült
werden, das den Kondensator 11 entlang Leitung 13 verlässt.
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Das
kühle,
trockene Abgas besteht fast ausschließlich aus Kohlendioxid und
kleinen Mengen von Sauerstoff und Stickstoff. Wenn es von den Bestimmungen
her erlaubt ist, kann das Kohlendioxid reiche Abgas in Gefäß 14 HEPA-gefiltert
werden, bei 15 überwacht
werden, und dann zu dem Anlagenschornstein bei 16 abgelassen
werden. Wenn dies von Bestimmungen gefordert ist, kann das Kohlendioxid
aus dem Abgas durch einen gekühlten
CO2-Kondensator 18 entfernt werden.
Ein Wasserabsorber 17 wird benötigt, um jegliche Spuren von
Wasser zu entfernen, die den Betrieb des CO2-Abscheiders 18 beeinflussen
könnten.
Das konzentrierte Kohlendioxid kann entlang Leitung 20 für eine Umwandlung
in ein festes Karbonatsalz geleitet werden. Die verbleibenden nicht
kondensierbaren Gase können
dann entlang Leitung 19 zu dem HEPA-Filter 14 zirkuliert
werden, überwacht
werden, und dann zu dem Anlagenschornstein 16 ausgeleitet
werden. Der letztendliche kleine Abgasausfluss repräsentiert
weniger als 5% des Abgasausflusses aus dem Auslass des Reformers.
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Der
Strom 20 von konzentriertem Kohlendioxid, welcher aus dem
Kondensator austritt, kann unter Verwendung von bestehenden Technologien
in eine feste, inerte Karbonatverbindung umgewandelt werden. Zum
Beispiel kann das Kohlendioxid mit Kalzium- oder Magnesiumoxiden
oder Metallen reagiert werden, um nicht lösliche Magnesium- oder Kalziumkarbonatsalze
zu erzeugen. Die Wechselwirkung von Kohlendioxid mit MAGNOX-Brennstoffelement-Abfällen wird
in einigen Veröffentlichungen
beschrieben (zum Beispiel "CEGB
dissolves Magnox fuel element debris at Dungeness" von F. H. Passant,
C. P. Haigh und A.S.D. Willis in Nuclear Engineering International,
Februar 1988, S. 48–51).
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Das
Karbonatsalz kann in dichte Pellets oder Pulver geformt werden und
kann zweckmäßig dazu verwendet
werden, Hohlräume
in bestehenden Entsorgungsbehältern
für radioaktiven
Abfall zu füllen.
