SE439476B - Forfarande for extraktion av tritium och eventuellt protium - Google Patents

Description

sooouuv-6 10 15 20 25 30 35 2 Ett förfarande för avlägsnande av protium och tri- tium från tungt vatten genom gasfaskatalytiskt utbyte har beskrivits i US patentet 3 505 Ol7 av år 1970. Ehuru det i detta patent beskrivna förfarandet inbegriper steg avseende att tappa det tunga vattnet som finns i en kärn- reaktor och underkasta detta tappade tunga vatten för en isotopbytesreaktion med gasformigt deuterium,framgår det tydligt från beskrivningen att det "tappade tunga vattnet" är tungvattenångor. Eftersom utbytet är mellan vattenånga och gas,strömmar de två strömmarna till byteskolonnen medströms och förfarandet måste utföras vid förhöjda temperaturer (80 till 400°C med användning av katalysatorer). Detta förfarande innebär användning av förångare och kondesatorer vid varje jämviktsutbytes- steg och detta är synnerligen ofördelaktigt, både ifråga om energiförbrukning och förfarandets komplexitet.

Ett förfarande för väteisotopkoncentration mellan vâtskeformigt vatten och vätgas har beskrivits i US patentet 3 981 975 av år 1976, vilket innehas av Atomic Energy of Canada Limited. Detta patent anger att för- farandet kan användas för att minska tritiumkoncentra- tionen, närvarande som DTO, i tungt vatten,som använts i en arbetande kärnreaktor. Detta uppnås genom ökning av tritiumkoncentrationen i vätskeformigt vatten genom donation från gasformigt deuterium, vilket härstam- mar från det vätskeformiga vattnet. Deuteriumet fnmställs från tungt vatten i en deuteriumgasgeneratorfi Det är ett föremål för uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för extraktion av tritium och eventuellt protium från vätskeformigt tungt vatten som utföres vid eller nära omgivningstemperatuer och tryck.

Det är ett annat föremål för uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för avlägsnande av tritium från vätskeformigt tungvattenextrakt, snarare än kon- centrat. 10 15 20 25 30 35 800Ûlr47-6 3 Det är ett annat föremål för uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för extraktion av tritium från vätskeformigt vatten, vilket förfarande utföres utan behov av förångning och kondensering av tungt vatten vid varje jämviktssteg.

Det är ett annat föremål för uppfinningen att åstadkomma ett förfarande för extraktion av tritium från vätskeformigt tungt vatten, vilket förfarande inte kräver en deuteriumgasgenerator.

Dessa och andra föremål för uppfinningen uppnås genom ett förfarande för extraktion av tritium från 'en vätskeström av tungt vatten, vilket förfarande innebär att det tunga vattnet bringas i motströmskon- takt med en gasström av deuterium i en kolonn,som är packad med en katalysaton så att tritium överförs genom isotopbyte från vätskeströmmen av tungt vatten till gasströmmen av deuterium. Katalysatorn nåste natur- ligtvis ha förmåga att fungera i närvaro av vätskefor- migt vatten. En sådan katalysator har beskrivits i US Patentet nr 3 888 975, av år 1975, vilket patent inne- has av Atomic Energy of Canada Limited.

Det som kännetecknar uppfinningen framgår av patentkravet.

I ritningarna, som belyser en utföringsform av uppfinningen, visas i fig l ett flödesdiagram av för- farandet, i fig 2 ett representativt jämviktsdiagram för förfarandet och i fig 3 protiumextraktion.

I fig l transporteras en vätskematning av tungt vatten genom ett reningssteg 10. Beroende på matar- vattnets kvalitet inbegriper matarvattensreningssteget ett filtreringssystem för avlägsnande av suspenderade fastämnen, ett jonbytarsystem för avlägsnande av jon- föreningar och ett standardavgasningssystem för avlägs- namkeav lösta gasen såsom 02 och N2. Om matarvattnet är förorenat med olja eller andra organiska material renas det genom koladsorption eller kemiska metoder. Normalt är det tunga vattnet som uttagits urreaktorssystemen aoooLun-s ' 4 relativt rent och det transporteras endast genom ett filtrerings- och jonbytarsystem. Tritium till deu- terium (T/D) atomförhållandet (X0) i strömmen av tungt vatten är i sümflßksonüfingal delar per miljon (typiskt 0,l - 110 ppm) och de huvudsakliga tritium-deuterium- slagen är DTO och D20. Efter reningen matas vätske- strömmen till toppen av en katalytisk isotopbyteskolonn ll, i vilken tritiumet extraheras från vätskeströmmen genom att det bringas i kontakt med i motsatt riktning 10 strömmande gasström av DT - D2 i kolonnen,som är packad med en vattenavvisande katalysator. Förfarandet fungerar med vilken som helst typ av katalysator som är vatten- avvisande, men den föredragna typen är den som beskrivits i US Patentet 3 888 974, av år]375,som innehas av Atomic 15 Energy of Canada Limited. Denna katalysator består av minst en katalytisktaktiv metall, som är vald ur grupp VIII i det periodiska systemet och har ett väsentligen vätskeformigt-vattenavvisande organiskt harts- eller polymeröverdrag därpå, vilket är permeabelt för vatten- 20 ånga och vätgas. Denna typ av katalysator har även be- -skrivits i det tidigare nämnda patentet 3 981 976 och US Patent nr 4 025 560, av år 1977, som innehas av Atomic Energy of Canada Limited. Efter det att det deu- teriumhaltiga vätskeformiga tunga vattnet (T/D=Xn) 25 transporterats genom kolonnen återförs det till kärn- reaktorn eller någon annan källa. _ Deuteriumgasen (T/D=yo) som införes i kolonnens ll botten är klen på tritium (DT komponent) och är efter det att den lämnar kolonnen anrikad på tritium (DT). 30 Denna gas (T/D=yl) renas i gasreningssteget 12 och transporteras till ett kryotiskt destillationssteg 13, vilket sänker koncentrationen av DT-T2 i gasen, varefter den återförs till kolonnens ll botten. Matargasrenings- sysfimet flàrden kryotiska enheten är konstruerad för 35 att avlägsna spår av föroreningar.som kondenserar och 10 15 20 25 30 35 snoouuv-6 5 stelnar när matarströmmens temperatur sjunker (fukt C02, Nz' 02 molekylsikttorkare, regenerativa värmeväxlare och silikagel- eller koladsorberingsanordningar.

, CO). Typiskt inbegriper matargasreningsföljden kryotiska Destillationssteget 13 ger som utflöde en koncen- trerad DT-T2 gasström, som normalt skulle bortföras i lämpliga behållare. Det kryotiska D2 destillationssteget l3 kan ersättas med andra isotopseparationsförfaranden, såsom termisk diffusion eller gaskromatografi.

Totalreaktionen i den katalytiska isotopbyteskolon- nen kan presenteras på följande sätt: \ DT(g) + Dz (v) _"_"_' + DTO (1) Dz (g) (v) Jämviktskonstanten K för ovan angivna reaktion (uttryckt som reaktionsslagens jämviktsmolfraktioner) är följande: K = EMU-il E-IMNVÜ <2) [?*n:]{::Pf*51 Eftersom vid låga koncentrationer av DT och DTO, molfraktionerna av D2 och D20 är nästan konstant och närmar sig överensstämmelse,kan den ovan angivna ekvationen (2) förenklas enligt följande: K _ T/D atomförhållande i vätskefasen av DTO-D20 _ (3) T/D atomförhållande i gasfasen av DT-D2 förutsatt att vätskefasen är i jämvikt med gasfasen.

Ekvation (3) används även allmänt för att definiera separationsfaktorn a för utbyte av isotopslag mellan vätske- och gasfaserna. Därför är K = G i detta fall.

Ekvationen för K,baserad på fördelningsfunktions- förhållanden givna av Bron J Et al i “Isotopic Partition soouuuv-6 lO 15 20 25 30 35 6 Function Ratios Involving H2, H20, H25, H2Se and NH3", Z. Naturforsch, Vol. 28a, pp 129-136, l973,är följande: in k = o,os3s2 + o,293s2 (zoo/T) + o,46241 (soo/T)2 - o,27s74 (soo/T)3 + o,o62ao (zoo/T)4 (4) T = temperatur i kelvin§ Detta visar att separationsfaktorn vid omgivnings- temperatur är ca 1,6 (u = 1,638? vid 25°C).

Sålunda erhålles mycket fördelaktiga separations- faktornivâer i föreliggande förfarande,förutsatt att: (1) vattenavvisande katalysatorer användes, (2) atomförhållandetT/D i gasen som införes i kolonnen, yc, är mindre än atomförhållandet T/D i vätskan som > ayo. införes i kolonnen, X dvs X0 OI Såsom visas i fig 2 är atomförhållandet T/D i vätskan som införes i kolonnen, xo, större än atomförhållandet > HYO; atomförhâllandet T/D i gasen som lämnar kolonnen, yl, är större än i gasen som införes i kolonnen, dvs yl > uy .

T/D i gasen som införes i kolonnen, yo, dvs xo När tritium tvättas från vätskefasen är xo > xn, där xn är T/D förhållande i vätskan som lämnar kolonnen.

Fig 2 visar en förenklad grafisk bestämning av antalet jämviktssteg som erfordras för att åstadkomma en given extraktion av tritium från vätskefasen (ofta kallat McCabe-Thiele-diagram). Det innebär alternativ användning av två kurvor: en som representerar en materialjämvikt för varje jämviktssteg, angivet som arbetslinje, och en annan som representerar jämviktsförhållandet T/D i vätskefasen (x) och i gasfasen (y) angivet som jämvikts- kurvan. Materialjämvikten för utbytestornet kan uttryckas genom följande ekvation,som representerar arbetslinjens 10 15 20 25 30 35 BOÜÛIMT-G 7 ändpunkter, dvs xo och yl vid toppen av tornet och xn, yo vid tornets botten: V(xo - xn) = G(yl - yo) där V och G är molära vätske- respektive gasflödeshas- tigheter.

För att åstadkomma överföringen av tritium från vätske- till gasfasen måste arbetslinjen alltid vara under jämviktskurvan (xo > yo, yl > yo och xo > xn).

I fig 1 är den kryotiska D2 destillationsenheten konstruerad för att avlägsna tritium (DT) från den cirkulerande gasen, vilken anrikas i den kryotiska destillationskolonnens 13 bottensektion.

Eftersom gasen som lämnar den kryotiska destilla- tionskolonnens topp har samma koncentration av protium (HD) som gasen som införes däri,är koncentrationen av protium i gasen som införes och som lämnar den kataly- tiska isotopbyteskolonnen ll även densamma, och protium närvarande som HDO i matarvattnet. Förfarandet "extra- herar HD" även från matarvatten, på samma sätt som det extraherar DT, om gasen som återföres till kolonnen ll 'är klen på HD. Totalreaktionen är: ~""“”Ä HD + HDO(V) v____ (9) m2 (g) + nzom (Den stora pilen anger utbytesreaktionens netto- resultat).

För att åstadkomma detta måste den kryotiska destil- lationskolonnen vara "utökad" för att ge ett topp HD anrikningssteg (eftersom HD är mer flyktigt än D2 och destilleras till toppen av kolonnen). Det nya arrange- manget visas i fig 3 med destillationskolonnen l3 upp- delad i en lägre del l3a för tritiumextraktion och en övre del l3b för protiumextraktion. 3000447-s lO 15 8 Den protiumrika gasströmmen (HD, H2) tagen vid toppen av protiumanrikningssektionen l3b är relativt liten, mindre än 1/10 av den cirkulerande gasen, be- roende på protiumkoncentrationen i matarvattnet (HDO).

Två praktiska alternativ för användning av denna gas är: (1) att bränna den med en tillförsel av syre. Detta alstrar ungefär 40-60 % H/D vatten, som sedan kan upp- arbetas till reaktorkvalitet genom vanliga D20 uppar- betningsmetoder. _ (2) att använda en liten omvänd katalytisk isotopbytes- kolonn för överföring av resterande D2 i gasen till en naturlig matarvattenström. Gasen som lämnar kolonnenin- nehâller endast en mycket liten mängd D2 och den kan kasseras.

Claims (1)

eooo44?-6 PATENTKRAV

1. Förfarande för extraktion av tritium och eventuellt protium, ur en vätskeström av tungt vatten innehållande 0,1 till 10 ppm tritium, kännetecknat därav a) att det vätskeformiga tunga vattnet, från vilket tritium och eventuellt protium, skall extraheras, transporteras genom ett reningssteg, b) att det renade tunga vattnet bringas i motströmskontakt med en gasström av deuterium i en kolonn som är packad med en katalysator, vilken består av minst en katalytiskt aktiv metall vald ur Grupp VIII i det periodiska systemet och vilken har ett vätska~vatten-avvisande organiskt harts eller polymeröverdrag därpå som är permeabelt för vatten- ånga och vätgas, så att tritium överförs genom isotopbyte från vätskeströmmen av tungt vatten till gasströmmen av deuterium, c) att den tritiumanrikade gasen transporteras från kolonnen genom ett gasreningssteg, d) att den renade gasen transporteras genom ett kryotiskt destillationssteg för avlägsnande av tritium och eventuellt protium där ur och att gasen som är klen på tritium och eventuellt protium återförs till kolonnen, och e) att ett vätskeutflöde av tungt vatten erhålles från kolonnen, varvid det tunga vattnet har reducerad tritium- halt och eventuellt protiumhalt.