DE60204351T2

DE60204351T2 - Verfahren zur zerstörung von nuklearem graphit durch vergasung in wässrigem medium

Info

Publication number: DE60204351T2
Application number: DE60204351T
Authority: DE
Inventors: Jacques Paris; Jean-Raymond Costes
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2006-01-26
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: JP2005512073A; FR2833269A1; JP4272527B2; WO2003050208A3; EP1453938B1; ATE296339T1; EP1453938A2; US20050124842A1; WO2003050208A2; US7465377B2; FR2833269B1; ES2242095T3; DE60204351D1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerstörung eines durch Radioelemente kontaminierten Reaktorgraphits durch Vergasung des genannten Graphits in einem Wasser enthaltenden Medium.
Das allgemeine Gebiet ist also das der Behandlung von Nuklearabfällen wie etwa dem Graphit, das aus der Natururan-Graphit-Gas-Reihe bzw. -Baureihe stammt und das beim Abtragen der genannten Reihe bzw. Baureihe gewonnen wird.
STAND DER TECHNIK
Gegenwärtig erfolgt die Behandlung von Abfällen wie dem durch Radioelemente kontaminierten Reaktorgraphit entweder durch Zwischenlagerung sämtlicher Abfälle in geeigneten Behältern oder durch totale Zerstörung der Abfälle durch Verbrennung.
Bei der ersten oben genannten Alternative, nämlich der Zwischenlagerung der Nuklearabfälle und insbesondere des Graphits, müssen die bestrahlten Abfälle in Containmentbehältern eingeschlossen werden, die dann unterirdisch gelagert werden. Diese Technik ist teuer und schwierig anzuwenden.
Bei der zweiten oben genannten Alternative werden die Abfälle zunächst in einem Einschließungsraum mittels eines mechanischen Zerkleinerungsverfahrens zerkleinert, um eine ziemlich kleine Teilchengröße zu erhalten, so dass man die derart erhaltenen Teilchen anschließend in einem Wirbel- bzw. Fließbett oder als Suspension in einem Brennstoff verbrennen kann.
Jedoch ist eine solche mechanische Zerkleinerung in einem Einschließungsraum schwierig und die klassischen Verbrennungen setzen Tritium frei, das durch die Lüftungssysteme entweicht.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verfahren zur Behandlung von durch Radioelemente kontaminiertem Reaktorgraphit vorzuschlagen, das ermöglicht, die oben erwähnten Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung eines durch Radioelemente kontaminierten Reaktorgraphits zum Gegenstand, das einen Schritt umfasst, der darin besteht, das in ein Wasser enthaltendes Medium eingetauchte Graphit Hochspannungsimpulsen auszusetzen, wobei diese Impulse eine Energie haben, die ausreicht, um elektrische Lichtbögen auszulösen und eine Bruch der Bindungen der Wassermoleküle und der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Graphits zu bewirken, wobei die Anzahl der Hochspannungsimpulse so festgelegt wird, dass eine Umformung in gasförmigen Graphit erzielt wird.
Zu präzisieren ist, dass man nach der Erfindung unter "Hochspannungsimpulsen" elektrische Impulse versteht, die eine Spannung in der Größenordnung von ein bis mehrere Kilovolt befördern können, um in dem Wasser enthaltenden Medium einen elektrischen Lichtbogen zu erzeugen. In der Folge geht es um die elektrische Energie, die benötigt wird, um elektrische Lichtbögen zu erzeugen, deren Wechselwirkung mit dem Wasser enthaltenden Medium und den kohlenstoffhaltigen Material zur Vergasung der genannten Substanzen führt.
Indem man also einen Graphit, eingetaucht in ein Wasser enthaltendes Medium, Hochspannungsimpulsen aussetzt, bricht man die Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Graphits, was zur Entstehung von aktivierten Spezies führt, die mit den Radikalen reagieren können, die aus der Dekomposition des Wasser unter der Wirkung derselben Hochspannungsimpulse stammen. Die oben genannten Reaktionen führen zu der Bildung von Kohlenmonoxyd CO, Kohlendioxid CO₂ und Wasserstoff H₂.
Das wahrscheinlichste Reaktionsschema ist das folgende:
E ist die durch elektrische Energie, die ein Hochspannungsimpuls befördert oder – genauer – die Energie der elektrischen Lichtbögen. -C- ist ein Kohlenstoffatom in einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung.
Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren das Zerstören bzw. Abbauen von Reaktorgraphit, wobei die Radioelemente in dem Wasser enthaltenden Medium gefangen bleiben. Zudem ermöglicht dieses Verfahren vorteilhafterweise die Erzeugung von Gasen, wobei diese Gase gesammelt und für diverse Anwendungen benutzt werden können.
Nach der Erfindung kann der Fachmann, um eine Zerstörung des Reaktorgraphits zu erreichen, die Anwendungsbedingungen der Hochspannungsimpulse in Abhängigkeit von der Art des zu behandelnden Reaktorgraphits wählen, wobei, um die genannte Vergasung zu realisieren, selbstverständlich die Zahl der anzuwendenden Impulse um so kleiner wird, je größer die Energie der Impulse ist.
Nach der Erfindung kann die Energie der Hochspannungsimpulse von 100 J bis 100 kJ gehen. Ein solcher Energiewert der Impulse ermöglicht, vorteilhaft bei jedem Impuls eine große Anzahl Wassermoleküle und Kohlenstoff-Kohlenstoffverbindungen des zu behandelnden Graphits zu brechen.
Nach der Erfindung kann die Dauer der Hochspannungsimpulse zwischen 200 ns und 100 μs liegen und beträgt vorzugsweise 1 μs.
Nach der Erfindung können die Frequenzen der Hochspannungsimpulse zwischen 1 und 1000 Hz liegen und vorzugsweise 10 Hz betragen.
Das Wasser enthaltende Medium kann vorteilhafterweise wenigstens einen Katalysator zur Stabilisierung der Radikale enthalten, der ermöglicht, die gebildeten oben erwähnten Radikale zu stabilisieren.
Vorzugsweise kann das Verfahren zur Behandlung von Reaktorgraphit vorteilhafterweise einen Schritt zur Entleerung der genannten erzeugten Gase hinsichtlich der Verwendung der erzeugten Gase enthalten. Dieser Schritt hat die Vorteile, dass es zu keinen bei der Erzeugung von Gas in einer abgeschlossenen Umgebung möglichen Überdruckphänomen kommt und dass die erzeugten Gase einem Speicher oder einem Behandlungsort zugeführt werden.
Nach einer speziellen Durchführungsart der Erfindung erfolgt der Gas- Entleerungsschritt der Gase durch kontinuierliches Spülen bzw. Bestreichen der Oberfläche des Wasser enthaltenden Mediums mit einem inerten Gas, vorzugweise Stickstoff.
Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zur Behandlung von Reaktorgraphit nach der Vergasung des Graphits vorzugsweise einen Schritt zur Behandlung des Wasser enthaltenden Mediums. Diese Behandlung kann der klassischen Behandlung von Abwässern entsprechen, bei der zum Beispiel die ursprünglich in dem zu behandelnden Graphit enthaltenen und bei der Vergasung des Graphits in dem Wasser enthaltenden Medium freigesetzten Schwermetalle zurückgewonnen und wieder konzentriert werden. Diese Behandlung kann auch dazu bestimmt sein, das Wasser enthaltende Medium, in dem die Vergasung des Graphits stattgefunden hat, von den durch das Graphit freigesetzten Radioelementen zu reinigen.
Das radioaktive Cäsium, in ionischer Form im Wasser vorhanden, kann zum Beispiel eingefangen werden durch Ionenaustauscherharze oder Calixarene. Das Kobalt in Form von Oxiden kann filtriert werden. Das Tritium fixiert sich durch Isotopenaustausch anstelle des Wasserstoffs an Wasser und kann anschließend zur Entaktivierung konzentriert werden.
Bei der Anwendung des Verfahrens kann man ein System zur Eliminierung des CO vor der Entleerung der gebildeten Gase in die Atmosphäre vorsehen. Man kann auch vorsehen, das C₁₄ aus dem erzeugten CO₂ durch zum Beispiel einen Laser-Isotopentrennprozess zurückzugewinnen.
Weitere Merkmale und Vorteile gehen besser aus der nachfolgenden, nur der Erläuterung dienenden Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 zeigt eine spezielle Vorrichtung zur Anwendung der Erfindung.
Die 2 zeigt Kurven, welche die Prozentsätze der in Abhängigkeit von der Anzahl n der Hochspannungsimpulse erzeugten Gase darstellen, wobei diese Kurven aus einer mit der Vorrichtung der 1 durchgeführten Versuchsreihe stammen.
Die 3 zeigt einen anderen Typ einer speziellen Vorrichtung zur Anwendung der Erfindung.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das erfindungsgemäße Verfahren dient der Behandlung von durch Radioelemente kontaminiertem Reaktorgraphit, indem in dieses Graphit in einem Wasser enthaltenden Medium Hochspannungsimpulse sendet.
Zur Durchführung dieses Verfahrens benötigt man eine entsprechende Vorrichtung.
Die 1 zeigt eine solche Vorrichtung, die ermöglicht, einen solchen Graphittyp zu behandeln.
Diese Vorrichtung umfasst einen dichten und nicht-metallischen Reaktor 1, zum Beispiel aus Polyethylen. Dieser Reaktor umfasst eine leitfähige Grundplatte, welche die Erdungselektrode 2 bildet und mit einem Hochspannungsgenerator 3 des Typs Marx-Generator verbunden ist, wobei dieser Generator eine Hochspannungselektrode 4, deren Abstand von der Erdungselektrode 2 verstellt werden kann, um die zwischen diesen beiden Elektroden herrschende Potentialdifferenz einstellen zu können. Zwischen den Elektroden 2 und 4 befindet sich ein Reaktorgraphitblock 5, der vollständig in Wasser 6 eingetaucht ist. Diese Vorrichtung ermöglicht, Hochspannungsimpulse in Richtung des Blocks zu senden. Die so mit einer bestimmten Energie abgestrahlten Impulse erzeugen einen elektrischen Lichtbogen zwischen den Elektroden, der das Wasser aufspaltet in freie Radikale und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Graphits bricht, um Kohlenstoffradikale zu bilden. Die chemische Reaktion zwischen den Kohlenstoffatomen in Form von Radikalen und die von der Zersetzung des Wassers stammenden Radikale führen zu der Bildung von CO, CO₂ und H₂. Die erzeugten Gase 7 werden mittels einer Pumpe 8 in einen Gasdetektor 9 befördert, der Einrichtungen zur Detektion von Kohlenmonoxid (10), Kohlendioxid (11), Sauerstoff (12) und Methan (13) umfasst. Nach dem Durchlaufen des Detektors 9 werden die erzeugten Gase in den Reaktor 1 zurückgeleitet. Ein Gasometer-System 14 ist vorgesehen, um die Gaserzeugung zu messen und jeglichen Überdruck zu vermeiden. Es kann auch ein in der genannten Figur nicht dargestelltes System vorgesehen werden, das der Regeneration des Wasser enthaltenden Mediums dient, um die zur Erzeugung der Lichtbögen notwendigen Qualitäten dieses Mediums aufrechtzuerhalten.
Realisierungsbeispiel nach 1
In einem Reaktor des oben beschriebenen Typs bringt man 10 g Originalreaktorgraphit aus einem Stück an. Das Graphit ist vollständig in Wasser eingetaucht, dessen Gesamtvolumen 1,5 l beträgt. Zu Beginn wird das tote Volumen über dem Wasser temporär mit Stickstoff gespült, um den Luftsauerstoff zu beseitigen. In das Graphit werden Impulse der Größenordnung 1 kJ gesendet. Nach einigen Minuten stellt man das Vorhandensein von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Methan und das Nichtvorhandensein von Methan fest.
Die 2 betrifft die Prozentsätze des Kohlenmonoxids und des Kohlendioxids in Abhängigkeit von der Anzahl n der Hochspannungsimpulse. Man sieht, dass der CO-Prozentsatz, dargestellt durch die CO-Kurve, und der CO₂-Prozentsatz, dargestellt durch die CO₂-Kurve mit der Anzahl der Impulse steigt, bis bei 220 Impulsen eine Art Plateau erreicht wird, entsprechend den Realisierungsbedingungen dieses Beispiels.
Weitere Vorrichtungen zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind vorstellbar.
So zeigt die 3 eine Vorrichtung zur Anwendung der Erfindung, bei der eine kontinuierliche Spülung mit einem inerten Gas vorgesehen ist. Die Vorrichtung dieser Figur ist der Vorrichtung der 1 ähnlich, außer dass der Reaktor 1 kontinuierlich aus einer mit einem Manometer ausgestatteten Flasche 18 mit einer konstanten Menge inerten Gases versorgt wird. Die erzeugten Gase werden wieder mit Hilfe einer Pumpe (8) einer Detektionsvorrichtung 9 zugeführt, mit Einrichtungen zur Detektion von Kohlenmonoxid (10), Kohlendioxid (11), Sauerstoff (12) und Methan (13), wobei das Ganze mit einem Datenverarbeitungssystem 20 verbunden ist, das insbesondere ermöglicht, Kurven zu erstellen, die den zu einem bestimmten Zeitpunkt erzeugten Gasprozentsatz darstellen, da das Gas nicht mehr in dem Reaktor stagniert. Ein Durchflussmesser 19 misst den gesamten Durchfluss der ausgeschiedenen Gase. Diese letztere Vorrichtung ist leichter zu bedienen bzw. zu führen, da bei ihr die Akkumulation der Gase und die Möglichkeit des Vorhandenseins von explosiven Mischungen vermieden werden.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines Reaktorgraphits, der durch Radioelemente kontaminiert ist, das eine Stufe umfasst, bei welcher der Graphit, der in ein Wasser enthaltendes Medium eingetaucht ist, Hochspannungsimpulsen ausgesetzt wird, die eine ausreichende Energie aufweisen, um elektrische Lichtbögen auszulösen und einen Bruch der Bindungen der Wassermoleküle und der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen des Graphits zu bewirken, wobei die Anzahl der Hochspannungsimpulse so festgelegt wird, dass eine Umwandlung in gasförmigen Graphit erzielt wird
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Energie der Hochspannungsimpulse 100 J bis 100 kJ beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Hochspannungsimpulse eine Dauer von 200 ns bis 100 μs haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hochspannungsimpulse eine Frequenz von 1 bis 1000 Hz haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Wasser enthaltende Medium mindestens einen Katalysator zur Stabilisierung von Radikalen enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das eine Stufe des Abzugs der gebildeten Gase zur Verwendung der gebildeten Gase umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Stufe des Abzugs der Gase durch kontinuierliche Spülung mit einem inerten Gas erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem das inerte Gas Stickstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, das eine Stufe zur Behandlung des Wasser enthaltenden Mediums umfasst.