DE60219349T2

DE60219349T2 - Verfahren zur behandlung von kontaminiertem nuklearem graphit

Info

Publication number: DE60219349T2
Application number: DE60219349T
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: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2022-12-11
Also published as: DE60219349D1; US20050051644A1; US7500623B2; JP2005512072A; FR2833192B1; ES2286327T3; WO2003049865A1; ATE358534T1; EP1453607A1; JP4272526B2; EP1453607B1; FR2833192A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Behandlung eines durch Radioelemente kontaminierten Reaktorgraphits durch Zerkleinern des in ein flüssiges Medium eintauchten Graphits zum Gegenstand, insbesondere des beim Rückbau des Natururan-Graphit-Gas-Reaktortyps (filière UNGG) gewonnenen Graphits oder des aus Kernkraftwerksanierungsoperationen stammenden Reaktorgraphits.
STAND DER TECHNIK
Das Hauptgebiet der Erfindung ist also das der Behandlung von radioaktivem Abfall wie dem durch Radioelemente kontaminierten Reaktorgraphit.
Gegenwärtig besteht eines der Reaktorgraphit-Behandlungsverfahren darin, diesen Graphit einer Trockenzerkleinerung in Luft zu unterziehen, mit konventionellen Zerkleinerungsmitteln wie Schlagmühlen oder Walzenbrechern, um ein Pulver herzustellen, das anschließend einer Verbrennung unterzogen wird, um den kontaminierten Graphit komplett zu zerstören. Ein solches Verfahren wird in dem Dokument FR-A-2 691 524 beschrieben.
Jedoch hat dieses Behandlungsverfahren die folgenden Nachteile:

– dieses Verfahren ist ein sehr teures Verfahren in dem Maße, wie der Graphit eine solche Härte aufweist, dass die mechanischen Teile der Zerkleinerungsmaschinen sich schnell abnützen, so dass sie häufig erneuert werden müssen;
– dieses Verfahren erzeugt sehr feine Graphitteilchen, die, wenn sie in der Luft schweben, im Falle eines Funkens eine Explosion verursachen können;
– dieses Verfahren verursacht eine starke Pollution, vor allem zurückzuführen auf die Flüchtigkeit der Graphitteilchen, da diese Teilchen eventuell mit radioaktiven Schwermetallen, ⁶⁰Co und ¹³⁷Cs belastet sein können, was ein Containment der Zerkleinerungsstation notwendig macht, um zu vermeiden, dass kontaminierende radioaktive Elemente in die Umgebungsluft gelangen. Jedoch kann auch ein solches Containment die Dispersion flüchtiger Radioelemente etwa des Tritiums nicht verhindern, die durch das Lüftungssystem der Station entweichen können.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Behandlung eines durch Radioelemente kontaminierten Reaktorgraphits vorzuschlagen, das nicht die Nachteile des Stands der Technik aufweist und insbesondere nicht die Benutzung von mechanischen Teilen erforderlich macht, nicht die Dispersion von Radioelementen nach sich zieht und die Gefahren einer Pulverexplosion unterbindet.
Zu diesem Zweck hat die Erfindung ein Behandlungsverfahren für ein durch Radioelemente kontaminiertes Reaktorengraphit zum Gegenstand, wobei das genannte Verfahren darin besteht, diesen in ein flüssiges Medium eingetauchten Graphit Hochspannungsimpulsen auszusetzen, und das flüssige Medium einen solchen spezifischen Widerstand hat, dass unter der Wirkung der Energie, welche diese Impulse aufweisen, elektrische Lichtbögen entstehen und im Kontakt mit dem genannten Reaktorgraphit ein Zerbrechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gewährleisten, die diesen Graphit aufbauen, wobei die Anzahl der Hochspannungsimpulse so festgelegt wird, dass man Graphitteilchen mit einer bestimmten Teilchengröße erhält.
Präzisiert sei, dass man erfindungsgemäß unter "Hochspannungsimpulsen" elektrische Impulse versteht, die eine Spannung in der Größenordnung von einem bis mehrere Kilovolt aufweisen können, was in einem flüssigen Medium mit einem adäquaten spezifischen Widerstand zur Entstehung von elektrischen Lichtbögen führt. So kann man vorteilhafterweise zum Zwecke der Realisierung dieses Verfahrens flüssige Medien benutzen, deren spezifischer Widerstand höher als 1 MΩ.cm ist.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, realisierbar zu sein, ohne auf mechanische Zerkleinerungsmechanismen zurückgreifen zu müssen, was die Anwendungskosten dieses Verfahren in Bezug auf die Realisierungen nach dem Stand der Technik minimiert.
Dieses Behandlungsverfahren hat außerdem den Vorteil, in einem flüssigen Medium realisiert zu werden, so dass die bei der Zerkleinerung entstehenden Graphitpulver in dieses flüssige Medium eingeschlossen ist, was ermöglicht, die oben erwähnte Pulverexplosionsgefahr zu vermeiden. Zudem bleiben auch die durch die Zerkleinerung freigesetzten Radioelemente in dem flüssigen Medium eingeschlossen, zum Beispiel durch Isotopenaustausch, wie dies der Fall des Tritiums ist.
Außer dem Freisetzen und Einfangen der Radioelemente ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass man an seinem Ende Graphitteilchen einer bestimmten Korngröße erhält, die man entweder verbrennen kann, um sie vollständig zu zerstören, oder sammeln kann hinsichtlich einer eventuellen Wiederverwertung, zum Beispiel als Basisprodukt zur Herstellung von geologischen Barrieren für die Langzeitlagerung hochradioaktiver Produkte. Diese Teilchen können auch unter Rieselwasser-Bedingungen gelagert werden, ohne ausgelaugt zu werden.
Nach der Erfindung kann der Fachmann, um bei der Zerkleinerung mehr oder weniger feine Teilchen zu erhalten, leicht die Anwendungsbedingungen der Hochspannungsimpulse (Energie, Frequenz, Dauer und Anzahl der gesendeten Impulse) in Abhängigkeit von der anfänglichen Beschaffenheit des Reaktorgraphits wählen, wobei man selbstverständlich, um eine bestimme Korngröße zu realisieren, mit zunehmender Energie der Impulse die Zahl der Impulse reduziert.
Nach der Erfindung kann die Energie jedes Impulses vorteilhafterweise zwischen 10 J und 100 kJ enthalten sein und beträgt vorzugsweise 1 kJ.
Nach der Erfindung können die Hochspannungsimpulse vorteilhafterweise eine Dauer zwischen 200 ns und 100 μs aufweisen und haben vorzugsweise eine Dauer von 1 μs. Nach der Erfindung können die Hochspannungsimpulse eine Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz und vorzugsweise 10 Hz haben. Selbstverständlich wird dies Frequenz in Abhängigkeit von dem verwendeten Generator durch den Fachmann genau festgelegt.
Nach einer besonders vorteilhaften Realisierungsart der Erfindung ist Wasser ein im Rahmen dieses Verfahrens verwendbares flüssiges Medium. Selbstverständlich weist das im Rahmen der Erfindung verwendete Wasser vorteilhafterweise einen solchen spezifischen Widerstand auf, dass sich unter der Wirkung von Hochspannungsimpulsen ein elektrischer Lichtbogen auslösen kann. Das verwendete Wasser kann zum Beispiel partiell entionisiert sein, so dass es eine niedrigere Leitfähigkeit als ein Wasser aufweist, das keiner Behandlung unterzogen wurde.
Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße Verfahren auch einen Schritt zur Behandlung des flüssigen Mediums umfassen, in dem die Zerkleinerung des Graphits stattfindet, wobei diese Behandlung eine dem Fachmann bekannte klassische Behandlung ist, dazu bestimmt – insbesondere wenn dieses flüssige Medium Wasser ist -, das flüssige Medium von freigesetzten Radioelementen zu sanieren und seinen spezifischen Widerstand aufrecht zu erhalten. Die Behandlung des flüssigen Mediums zur Sanierung dieses flüssigen Mediums von in ihm enthaltenen Radioelementen kann diejenige sein, die üblicherweise in den Behandlungsanlagen für flüssige radioaktive Abfälle (Station de Traitement des Effluents Liquides "STEL") der Kernkraftwerke stattfindet, wo man üblicherweise die Fällung der gelösten Elemente, die Neutralisierung der Flüssigkeiten, die Verdampfung des Wassers, die Trocknung der Fällungsprodukte praktiziert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die 1 zeigt eine spezielle Vorrichtung zur Zerkleinerung eines leitfähigen kohlenstoffhaltigen Materials.
Die 2 zeigt die Korngrößenkurven von aus zwei Versuchen mit unterschiedlichen Impulszahlen stammenden Graphitpulvern.
DARSTELLUNG EINER BESONDEREN REALISIERUNGSART DER ERFINDUNG
Beispiel
Die 1 zeigt eine im Rahmen dieses Beispiels benutzte spezielle Vorrichtung. Diese Vorrichtung umfasst einen dichten Reaktor 1 aus nichtleitendem Material, zum Beispiel aus Polyethylen. Der Boden des Reaktors ist eine leitfähige Platte, die die Erdungselektrode 2 bildet, verbunden mit einem Hochspannungsgenerator 3 des Marx-Generator-Typs. Dieser Generator versorgt eine Hochspannungselektrode 4, deren Abstand von der Erdungselektrode 2 einstellbar ist. Ein Reaktorgraphitblock 5 naht auf dem Boden des Reaktors, wobei dieser Block vollständig eingetaucht ist in flüssiges Medium 6. Hochspannungsimpulse werden im Wesentlichen in Richtung des Blocks 5 gesendet, von dem sie Bruchstücke 7 abspalten. Die Hochspannungsimpulse materialisieren sich in Form von elektrischen Lichtbögen zwischen der Hochspannungselektrode und der mit der Erde verbundenen Elektrode, wobei die Potentialdifferenz zwischen diesen beiden Elektroden von der Entfernung zwischen diesen beiden Elektroden abhängig ist.
Ein Ausgang 8 für die bei der Zerkleinerung eventuell erzeugten Gase dient der Vermeidung aller Überdruckerscheinungen.
In dem oben beschriebenen Reaktor platziert man einen Reaktorgraphitblock von ungefähr 60 g. Ein Marx-Generator liefert Impulse von ungefähr 1 kJ mit einer Frequenz von 10 Hz und einer Dauer von 1 μs.
Mit dem vollständig in Wasser eingetauchten Reaktorgraphitblock wurden zwei Versuchsreihen durchgeführt:

– eine erste Reihe mit 720 Impulsen;
– eine zweite Reihe mit 5000 Impulsen.

Die Resultate dieser Versuche sind in der 2 zusammengefasst, welche die Korngrößenverteilung des erhaltenen Graphitpulvers darstellt. Die Größe ø (in μm) der erhaltenen Graphitteilchen ist im logarithmischen Maßstab auf der Abszissenachse des Diagramms aufgetragen und der Prozentsatz % der Anzahl Teilchen einer bestimmten Größe in Bezug auf die Gesamtzahl der Teilchen auf der Ordinatenachse. Die erhaltene Graphitkorngröße wird durch die Coulther-Methode bestimmt, die auf dem Prinzip der Laserdiffusion beruht. In diesem Beispiel erfolgte die Probennahme nur von der Oberseite des Reaktors aus, ohne das Ganze zu bewegen bzw. aufzurühren.
Die Kurve (a) zeigt die Größenverteilung der bei 720 Impulsen entstandenen Teilchen, während die Kurve (b) die Größenverteilung bei einer Impulszahl von ungefähr 5000 zeigt.
Bei dem Versuch mit 720 Impulsen erhält man eine mittlere Korngröße von ungefähr 800 μm. Für den Versuch mit ungefähr 5000 Impulsen erhält man eine mittlere Korngröße von ungefähr 100 μm. Diese beiden Versuche zeigen deutlich, dass der Zerkleinerungs-Wirkungsgrad mit der Impulszahl zunimmt.
Sobald die Energie, die Frequenz und die Dauer der Impulse festgelegt sind, bestimmt der Fachmann experimentell die adäquate Impulszahl in Abhängigkeit von der gewünschten Korngröße.

Claims

Verfahren zum Behandeln eines Reaktorgraphits, der durch Radioelemente kontaminiert ist, wobei das Verfahren umfasst eine Zerkleinerungsstufe, die darin besteht, dass man den genannten Graphit, der in ein flüssiges Medium eingetaucht ist, Hochspannungs-Impulsen aussetzt, wobei das genannte flüssige Medium einen solchen spezifischen Widerstand hat, dass unter der Einwirkung der Energie, welche die genannten Impulse aufweisen, elektrische Lichtbögen entstehen und im Kontakt mit dem genannten Graphit ein Zerbrechen von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen gewährleisten, die diesen Graphit aufbauen, wobei die Anzahl der Hochspannungs-Impulse so festgelegt wird, dass Graphit-Teilchen mit einer gegebenen Teilchengröße erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Energie der Hochspannungs-Impulse 10 J bis 100 kJ beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die Hochspannungs-Impulse eine Dauer von 200 ns bis 100 μs haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Hochspannungs-Impulse eine Frequenz von 1 Hz bis 1000 Hz haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das flüssige Medium Wasser ist.