Verfahren zur Beseitigung von in Kernkraftwerken entstehenden radioaktiven Kohlenstoffoxiden und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Abstract

 Die in Kernkraftwerken entstehenden ¹⁴C-Verbindungen werden zu ¹⁴CO₂ aufoxidiert und anschließend durch an sich bekannte CO₂-Absorptions- und Rückhalt everfahren aus dem Abgasstrom abgetrennt. (Fig. 1)

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beseitigung der in Kernkraftwerken entstehenden kleinen Mengen von ¹⁴CO₂, ¹⁴ CO und entsprechenden Alkanen aus den Abgasen der Reinigungsanlagen.

[0002] Bei den meisten Kernkraftwerken wird Wasser als Kühlmittel verwendet. Es läßt sich dabei weder bei Druckwasserreaktoren noch bei Siedewasserreaktoren vermeiden, daß radioaktive Verunreinigungen, die teilweise auch gasförmiger Natur sein können, in den Kühlwasserkreislauf gelangen bzw. dort gebildet werden. Es ist daher üblich, vom Hauptkühlmittelkreislauf stets einen Anteil des umlaufenden Wassers abzuzweigen und über eine Reinigungsanlage zu führen, dort die radioaktiven Verunreinigungen zu entnehmen, das Wasser zu entgasen und dann wieder in den Hauptkühlmittelkreislauf zurückzuführen. Diese bekannte Technik ist in der beiliegenden Figur 1 schematisch für einen Druckwasserreaktor und in Fig. 2 für einen Siedewasserreaktor dargestellt. Durch die außerordentlich hohe Strahlungsdichte im Reaktorkern wird außerdem eine sehr geringe Menge von Wasser radiolytisch in Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt. In der Entgasungsstation der Reinigungsanlage werden diese Gase ebenfalls frei und in einer Rekombinationsvorrichtung R katalytisch wieder zu Wasser verwandelt. Auf diese Weise wird von vornherein die Entstehung eines zündfähigen Wasserstoff/Sauerstoffgemisches verhindert. Die restlichen Abgase gehen üblicherweise über ein Aktivkohlebett, wo sie sich anlagern, ihre Radioaktivität zum größten Teil während der Lagerzeit verlieren und so verzögert über den Abluftkamin ins Freie entlassen.

[0003] Die in den Abgasen enthaltenen Spuren von radioaktivem Kohlenstoff ¹⁴C, der eine Halbwertzeit von über 5000 Jahre hat, werden dabei praktisch unverändert über den Kamin ins Freie entlassen. Die Entstehung dieses radioaktiven Kohlenstoffisotopes leitet sich aus der (n,α)-Reaktion mit dem Sauerstoffisotop ¹⁷0 des Wassers und auch aus der (n,p)-Reaktion mit evtl. Stickstoffverunreinigungen her. Dieser radioaktive Kohlenstoff kommt dabei im wesentlichen als Tlonoxid, Dioxid und als Alkan vor.

[0004] Wenn auch dieser radioaktive Kohlenstoff nur in kleinen Mengen gebildet wird, so könnte es bei der zu erwartenden verstärkten Energiegewinnung über Kernkraftwerke wegen der biochemischen Bedeutung dieses Kohlenstoffisotopes notwendig werden, dieses nicht mehr in die freie Atmosphäre abzulassen, sondern aufzufangen und zum radioaktiven Müll zu geben.

[0005] Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren für die Abtrennung dieser geringen Anteile radioaktiven Kohlenstoffes aus den Abgasen einer Kernreaktoranlage zu finden. Die zu seiner Durchführung benötigten Apparaturen sollten sich insbesondere auch gut in bereits vorhandene Reinigungs- und Abgassysteme nachträglich einbauen lassen.

[0006] Diese Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die im Abgas enthaltenen radioaktiven Kohlenstoffverbindungen zu ¹⁴CO₂ aufoxidiert und anschließend durch an sich bekannte C0₂-Absorptions- und Rückhalteverfahren dem Abgasstrom entnommen werden.Die zu diesem Zweck benötigten Vorrichtungen lassen sich entsprechend den bereits erwähnten Figuren beispielsweise nach der üblichen Rekombinationseinrichtung R oder auch in der Zuführungsleitung zum Abluftkamin einfügen. Die der Oxidation dienenden Vorrichtungen, mit 0 bezeichnet, haben teilweise eine Ähnlichkeit mit der Rekombinationseinrichtung R. Letztere besteht üblicherweise aus Palladiumkontaktkörpern, die auf 300⁰C aufgeheizt sind. Diese Körper bestehen dabei z.B. aus A1203, sind kugelförmig oder ringförmiger Gestalt und sind oberflächlich mit Palladium beschichtet. Eine solche bekannte Rekombinationsanlage R ist neben der Wasserstoff/Sauerstoffrekombination zwar auch geeignet, Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zu oxidieren, wenn ein leichter Sauerstoffüberschuß vorhanden ist, jedoch ist das nicht mehr möglich bei den wesentlich schwerer zu oxidierenden Alkanen wie z.B. CH₄. Sie wirkt erst als Oxidationseinrichtung 0, wenn die Betriebstemperatur dieser Palladiumkontaktkörper auf mehr als 450°C gesteigert wird.

[0007] Eine diesen Zwecken genügende Oxidationseinrichtung 0 kann auch aus Platinkontaktkörpern aufgebaut sein, die bei leichtem Sauerstoffüberschuß eine Betriebstemperatur von ca. 500⁰C haben. Die Kontaktkörper können aber auch aus Kupferoxid bestehen, allerdings ist dann eine Betriebstemperatur von wenigstens 750°C notwendig. Der auch hier zu empfehlende Sauerstoffüberschuß gewährleistet dabei eine ständige Regenerierung des CuO.

[0008] Bereits an dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß Rekombinationseinrichtung R und Oxidationseinrichtung 0 sowohl als getrennte als auch einheitliche, beide Aufgaben erfüllende Einrichtungen vorgesehen werden können. Diese Umwandlung der radioaktiven Kohlenstoffverbindungen in C0₂ ist der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens, der zweite besteht darin, dieses C0₂ aus dem Hauptgasstrom herauszuholen. Dazu empfehlen sich verschiedene an sich bekannte Techniken, so kann das C0₂-haltige Gas über eine Fällapparatur C geleitet werden, die mit Natron- oder Kalilauge sowie einer geringen Menge Bariumchlorid gefüllt ist und an eine Filterstation angeschlossen ist. Dabei wird das C0₂ als festes Ba ¹⁴CO₃ ausgefällt und in der Filterstation abgetrennt.

[0009] Es ist weiter möglich, das Abgas direkt in eine BaOH₂-Lösung einzuleiten, aus der wiederum Bariumcarbonat BaC0₃ als Niederschlag entnehmbar ist.

[0010] Anstelle von flüssigen Reagenzien können auch Natronkalk, das ein technisches Produkt aus NaOH + Ca0 darstellt, Natronasbest oder ähnliche technische Produkte mit vergleichbarer "alkalischer" Absorptionswirkung für C0₂ Verwendung finden, wenn das Abgas noch einen geringen Feuchtigkeitsgehalt aufweist. Die Gewährleistung des letzteren bereitet kein Problem, da zur Beförderung des Abgases sogenannte Wasser-Ringpumpen allgemein Verwendung finden. Diese verwenden Wasser als Sperrflüssigkeit, so daß damit automatisch auch eine Anfeuchtung des beförderten Abgases stattfindet.

[0011] Welche Art von Absorbentien, ob flüssig oder fest, Verwendung finden, hängt von dem Aufbau und den Druckverhältnissen der jeweiligen Reinigungskreisläufe ab und auch von der räumlichen Möglichkeit, diese Apparaturen anzubringen.

[0012] Die verwendeten Fällapparaturen und Filter C sind aus der chemischen Technik her wohl bekannt, so daß auch hierüber keine weiteren Erklärungen notwendig sind. Der letzte Schritt zur Befreiung des Abgases von radioaktivem Kohlenstoff besteht dann lediglich noch darin, die Filterrückstände bzw. die Niederschläge aus den Fällapparaturen C zu entnehmen, zu trocknen und, wie z.B. in der Fig. 1 durch die strichpunktierte Linie dargestellt, der Endkonzentration und Abfüllung in Fässern zuzuführen, die dann in einem Endlager für die Umwelt völlig gefahrlos und unzugänglich untergebracht werden.

[0013] Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß es sich bei den hier abzuscheidenden Kohlenstoffanteilen im Abgas nur um äußerst geringe Mengen handelt. Eine Verbesserung des Abscheidungsgrades kann daher durch vorherige Zumischung eines zusätzlichen kohlenstoffhaltigen Trägergases erreicht werden, das nicht radioaktiv ist. Als geeignet hat sich dabei Methangas in einer Menge von etwa 0,1 Vol. % des Abgases erwiesen. Der dabei erforderliche Mehrbedarf von Sauerstoff ist unbedeutend und kann bereits bei der Sauerstoff zudosierung in der hier weiter nicht besprochenen Rekombinationseinrichtung R berücksichtigt werden.

[0014] Zur Beurteilung der praktischen Bedeutung dieses Verfahrens sei erwähnt, daß die Freisetzung von ¹⁴_C etwa 10-15 Ci pro Jahr und 1300 MW Kraftwerksanlage beträgt und durch die hier vorgeschlagene Methode bis auf nahezu Null herabgesetzt werden kann.

Ansprüche

1. Verfahren zur Beseitigung der in Kernkraftwerken entstehenden kleinen Mengen von ¹⁴CO₂, ¹⁴CO und _ent- sprechenden Alkanen aus den Abgasen der Reinigungsanlagen, dadurch gekennzeichnet , daß diese im Abgas enthaltenen radioaktiven Kohlenstoffverbindungen zu ¹⁴C0₂ aufoxidiert und anschließend durch an sich bekannte C0₂ Absorptions- und Rückhalteverfahren dem Abgasstrom entnommen werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Zuge der Abgasführung Oxidationseinrichtungen (0) vorgesehen sind, die Palladium-Kontaktkörper enthalten und eine Betriebstemperatur = 450°C besitzen sowie unter einem leichten Sauerstoffüberschuß arbeiten.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß im Zuge der Abgasführung Oxidationseinrichtungen (0) vorgesehen sind, die Platin-Kontaktkörper enthalten und bei leichtem Sauerstoffüberschuß eine Betriebstemperatur von ca. 500°C haben.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Abgasführung Oxidationseinrichtungen (0) vorgesehen sind, die Cu0-Kontaktkörper enthalten und bei leichtem Sauerstoffüberschuß eine Betriebstemperatur von wenigstens ca. 750°C haben.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge der Abgasführung nach der Oxidationseinrichtung (0) eine Kühleinrichtung und anschließend eine C0₂-Absorptions- und Rückhalteeinrichtung (C) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß diese Rückhalteeinrichtung (C) aus einer Fällapparatur besteht, die mit Natron- oder Kalilauge sowie einer geringen Menge BaCl₂ gefüllt ist und an eine Filterstation angeschlossen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß diese Rückhalteeinrichtung (C) aus einer eine Ba(OH)₂-Lösung enthaltenden Fällapparatur besteht, aus der Ba ¹⁴CO₃ als Niederschlag entnehmbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zur Absorption des noch geringfügig feuchten Abgases Natronkalk (technisches Produkt aus NaOH + Ca0), Natronasbest oder ähnliche technische Produkte mit vergleichbarer "alkalischer" Absorptionswirkung für C0₂ vorgesehen sind.

Zeichnung