DE2316831C3

DE2316831C3 - Verfahren und Anlage zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xenonnuklide, enthalten

Info

Publication number: DE2316831C3
Application number: DE2316831A
Authority: DE
Inventors: Horst 6451 Hochstadt Queiser; Hans-Jürgen Dr.rer.nat. Schröter
Original assignee: Bergwerksverband GmbH; Kraftwerk Union AG
Current assignee: Bergwerksverband GmbH; Kraftwerk Union AG
Priority date: 1973-04-04
Filing date: 1973-04-04
Publication date: 1982-07-08
Also published as: JPS508000A; JPS5531439B2; GB1471766A; DE2316831A1; US3963460A; DE2316831B2; FR2224841A1; JPS5916240B2; FR2224841B1; JPS5570800A; IT1005599B; SE404454B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xeiionnuklide, enthalten, wobei das Abgas eine adsorptive Anreic'«rungsanlage so iange durchströmt, bis die erste radioaktiv: Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei der bis dahin abgeströmte Gasanteil die Armgasfraktion darstellt, die der Atmosphäre zugeführt wird, und wobei anschließend die Anreicherungsanlage mit einem Spülgas regeneriert wird und die so entstehende, die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Reichgasfraktion einer Verzögerungsstrecke zugeführt wird, und eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens.

Beim Betrieb von kerntechnischen Anlagen, insbesonders von Kernkraftwerken, fallen radioaktive Abgase an. in denen unter anderem Krypton- und Xenonnuklide enthalten sind. Diese radioaktiven Abgase dürfen nicht ungehindert in die Atmosphäre abgegeben werden, da von den Aufsichtsbehörden die Einhaltung maximal zulässiger Werte für die Radioaktivität gefordert wird. Die Abgabe dieser Gase muß deshalb so lange verzögert werden, bis die Radioaktivität unter die maximal zugelassenen Werte abgesunken ist.

Di. die Abgabebedingungen für radioaktive Stoffe in die Umwelt in Zukunft noch verschärft werden, wäre dieses mit einer weiteren Volumenvergrößerung der Verzögerungsanlagen verbunden, was aus Sicherheitsund Kostengründen zu vermeiden ist; die Kosten für umbauten Raum bei Kernkraftwerken liegen nämlich auf Grund der Strahlensicherheitsvorkehrungen sehr hoch; sie betragen zur Zeit etwa 250 DM/m¹.

Zur Verkleinerung der Verzögerungsanlagen bieten sich grundsätzlich die Möglichkeiten an. die Verzögerungsstrecke entweder zu kühlen oder den Betriebsdruck in der Verzögerur.gsanlage zu erhöhen. Durch der Ai r'v. and für die dazu benötigten Kühlaggregate wird jedoch im ersten Fall die Einsparung am Bauvolumen kostenmäßig vielfach kompensiert. Was die Möglichkeit der Erhöhung des Betriebsdruckes anbetrifft, so treten hierbei besondere Probleme hinsichtlich der Dichtigkeit und Sicherheit solcher Anlagen auf, was weitere aufwendige Maßnahmen erforderlich macht.

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist aus der UE-OS 22 05 587 das eingangs beschriebene Verfahren bekannt. Da bei diesem Verfahren der gesamte zu reinigende Abgasstrom zunächst der mechanischen Verzögerungsstrecke und erst nach der Verzögerung der Anreicherungsanlage zugeführt wird, in der eine Aufspaltung des Ahgasstromes in zwei Teilströme

erfolgt, wobei der eine von den radioaktiven Stoffen befreite Teilstrom (Armgasfraktion) in die Atmosphäre und der andere, mit radioaktiven Stoffen angereicherte Teilstrom (Reichgasfraktion) nochmals über die Verzögerungsstrecke geleitet wird, muß die Verzögerungsstrecke entsprechend dem Gesamtdurchsatz des zu reinigenden Abgases ausgelegt werden, was zu großen Anlagenvolumina führt. Auch ist der bei dem bekannten Verfahren zur Verzögerung verwendete Sand zu diesem Zweck nicht sehr wirkungsvoll, so daß auch aus diesem Grund relativ große Anlagevolumina entstehen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren dahingehend zu verbessern, daß das Anlagevolumen reduziert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Abgas zunächst der Anreicherungsanlage zugeführt wird und nur die Reichgasfraktion durch Adsorption in der mit Aktiv-

zc^sri ivird

Neben der mit der erfindungsgemäßen Lösung erzielten Verkleinerung des Anlagevolumens ist mit dieser Lösung auch eine verbesserte Wirkung im Hinblick auf die Anforderungen des Umweltschutzes möglich. Dadurch, daß bei der bekannten Vorrichtung stets das gesamte Desorptionsgas zur Verzögerungssirecke zurückgeführt wird, steigt der Edelgasgehalt im Gasstrom, der über die Anreicherungsanlage geführt wird, ständig an. Als Folge davon kommt es nach einer gewissen Zahl von Durchläufen zu einem frühzeitigen Durchbruch von Krypton. Dieses Krypton kann dann entweder frei in die Atmosphäre strömen, oder es muß eine weitere Verzögerungsstrecke vorgesehen werden, die zusätzliches Anlagevolumen erfordert.

Mit besonderem Vorzug wird das Verfahren in der Weise ausgeübt, daß in der Anreicherungsanlage der Abgasstrom einem ersten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und diesen so lange durchströmt, bis die erste aktive Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei das bis dahin abgeströmte Gas die Armgasfraktion darstellt, daß nach dem Durchbruch der Abgasstrom einem gleichartigen weiteren Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und der erste Adsorptions-Desorptions-Reaktor regeneriert wird, indem zunächst eine erste Gasfraktion abgepumpt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, anschließend im Gegenstrom unter Unterdruck mit oder ohne Temperaturerhöhung bis auf maximal 150⁼C mit einem inaktiven Spülgas gespült wird, wobei die dabei abgezogene Gasfraktion als Reichgasfraktion entweder über weitere A^.reicherungsstufen oder direkt bei gleichbleibendem oder nur wenig höherem Druck der Verzögerungsstrecke zugeführt wird und danach der Adsorptions-Desorptions-Reaktor durch Zuführung eines inaktiven Gases wieder auf Normaldruck gebracht wird.

Das Gas. welches man durch die Aktivkohle-Verzögerungsstrecke leitet, entsteht in der vorgeschalteten Anreicherungsstufe im Regenerationsschritt während des Spülvorganges. wobei man zur Spülung im allgemeinen Luft bei hohen Drücken unterhalb 1 bar, vorzugsweise zwischen 40 und 200 mbar. verwendet. Zweckmäßigerweise betreibt man die anschließende Verzögerungsstrecke dann bei etwa dem gleichen Unterdruck, zumindest aber nicht wesentlich über dem Atmosphärendruck. um zusätzliche Kosten fur Pumpenoder Kompressionsleistungen zu vermeiden.

Bisweilen ist es erforderlich, die Erfindung so auszugestalten, daß die erste edelgasfreie Gasfraktion der Anreicherungsstufe nicht direkt in die Atmosphäre geleitet wird. Das gilt beispielsweise dann, wenn neben den Spaltedelgasen noch zusätzlich radioaktive Aktivierungsgase, insbesondere Stickstoff· und Sauersfoffnuklide, in der Abluft enthalten sind. In diesem Fall kann man die erste Gasfraktion zu einem Teil in einem Zwischenbehälter speichern und sie während der Regenerierung der Anreicherungsstufe zur Spülung und zum Druckausgleich mitverwenden. Dadurch gelangt dieser Gasanteil mit möglichen radioaktiven Stickstoff- und Sauerstoffnukliden zu einem Teil ebenfalls in die Verzögerungsstrecke und erreicht erst wesentlich später die Atmosphäre.

Eine besonders starke Reduzierung der Abgasmenge und damit eine starke Verkleinerung der Verzögerungsstrecke erreicht man, wenn man als Spülgas in der Anreicherungsstufe an Stelle von beispielsweise Luft ein

CO2. NH3 oder Frigen, verwendet und dieses vor Eintritt in die Verzögerungsstrecke auskondensiert.

Die Konzentrationen an Edelgasen der in der Anreicherungsstufe entnommenen Spülgasfraktion liegen je nach Verfahrensweise um ein Mehrfaches über der Eintrittskonzentration. Mit Luft als Spülgas können bei normaler Temperatur in einer Stufe Anreicheningsfaktoren von mehr als 3, bei Verwendung eines leicht konderv'erbaren Gases von mehr als 15 erreicht werden. Es hat sich aber gezeigt, daß diese erhöhten Konzentrationen nicht die Wirksamkeit der nachfolgenden Verzögerungsstrecke beeinträchtigen.

Das aus der Verzögerungsstrecke austretende dekontaminierte Abgas wird vor Eintritt in den Kamin weiter verdünnt, indem man es mit der edelgasfreien Gasfraktion, die aus der Anreicherungsstufe stammt, vermischt. Eine intensive Vermischung ist im allgemeinen erforderlich, weil die Konzentrationen an Spalt- und Aktivierungsgasen, die während des Spülvorganges aus der Anreicherungsstufe freigesetzt werden, nicht konstant sind und die Schwankungen auch in der anschließenden Verzögerungsstrecke nicht vollständig ausgeglichen werden.

Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens besteht darin, daß man in der Anreicherungsstufe nicht nur den zu reinigenden Abgasstrom vermindert, sondern die Edelgase Krypton und Xenon voneinander trennt. Besonders vorteilhaft gestaltet sich eine solche Verfahrensweise dann, wenn man das Xenon mit seinen verhältnismäßig kurzlebigen Radionukliden anschließend über eine Verzögerungsstrecke leitet, während man das Krypton, das zu einem gewissen Teil a^ dem langlebigen ⁸⁵Kr besteht, in weiteren Anreicherungsstufen aufkonzentriert, so daß man letzteres einer Langzeitlagerung zuführen kann.

Bisweilen ist es auch vorteilhaft, wenn man die Spülung während der Regeneration in der Anreicherungsstufe unterteilt indem man einen ersten an Krypton und Xenon besonders reichen Teil der Spülgasfraktion gewinnt und der Verzögerungsstrecke zuführt und den zweiten Teil der Spüigasfraktion. dessen Krypton- oder Xenonkonzentration im Mittel der Eintrittskonzentration des Abgases entspricht, in das ungereinigte Abgas zurückführt. Es hat sich gezeigt, daß dadurch die Spülgasmenge, die in die Verzögerungsstrecke gelangt, nochmals beträchtlich - bei normaler Temperatur beispielsweise auf ungefähr die Hälfte — reduziert wird, so daß sich auch die anschließende Verzögerungsstrecke um etwa das

gleiche Maß verkleinert. Eine solche zweigeteilte Spülung bietet zudem die Möglichkeit, daß man in ihrem ersten Teil sogar mit ungereinigtem Abgas spülen kann und dieses über die Verzögerungsstrecke leitet, während man im zweiten Teil zur vollständigen Desorption der Edelgase mit Luft oder einem anderen inaktiven Gas spült und diese Fraktion in das ungereinigte Abgas zurückführt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß das Verfahren eine erhebliche Reduzierung des Anlagevolumens mit sich bringt, da die Verzögerungsstrecke wegen der in der Anreicherungsstufe stark reduzierten Abgasmenge beträchtlich kleiner ausgelegt werden kann, als dies ohne Vorschalten einer Anreicherungsstufe möglich ist. Der »Verkleinerungsfaktor« liegt dabei in einem Bereich von etwa 0,1 bis 0,7, je nach Verfahrensweise, wobei die Reduzierung der Anlagengröße nicht durch eine Λ t/ttt/itotcakr

Λ I mncnKä

durch die Notwendigkeit, radioaktive Gase über lange Zeit lagern zu müssen, erkauft wird.

Daneben stellt das Verfahren eine günstige Übergangslösung vom bisher bewährten Verzögerungsverfahren zum Trennverfahren dar und läßt sich dadurch, daß man z. B. mehrere Anreicherungsstufen der Verzögerungsstrecke vorschaltet oder daß man nur das Krypton, aber nicht das Xenon abscheidet und lagert, den steigenden Anforderungen bezüglich minimaler Radioaktivitätsabgaben anpassen. Es ermöglicht also einen stufenweisen Übergang in Richtung zum sogenann ,:n »zero release«.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin, daß keine hohen Drücke und im allgemeinen auch keine Temperaturwechsel notwendig sind. Die nachfolgenden Beispiele zeigen, daß schon bei normalen Drücken und Temperaturen eine beträchtliche Anlagenverkleinerung erreicht wird. Die Größe der Anreicherungsstufe richtet sich im wesentlichen danach, wieviel Zeit für den Regenerationsschritt, insbesondere den Spülvorgang, benötigt wird. Durch die Regenerationszeit werden die Größe und die Anzahl der wechselweise betriebenen Adsorptions-Desorptions-Reaktoren in der Anreicherungsstufe bestimmt. Im allgemeinen kommt man mit zwei oder drei Adsorptions-Desorptions-Reaktoren aus. Aus der Menge des zur Regeneration benötigten Spülgases ergibt sich dann die Größe der nachfolgenden Verzögerungsstrecke. Bisweilen kann es günstig sein, zur Regeneration der Anreicherungsstufe die Temperatur im Adsorber bis auf maximal etwa 150° C zu erhöhen, um dadurch die Spülgasmenge und die Spülzeiten zu reduzieren. Beispielsweise könnte man direkt heiße Luft als Spülgas durch die Adsorber leiten.

Es werden im folgenden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand von Zeichnungen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematisch dargestellte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Krypton und Xenon gemeinsam vom Trägergas getrennt werden,

F i g. 2 eine schematisch dargestellte Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Krypton und Xenon getrennt gewonnen werden.

Die in F i g. 1 beispielsweise dargestellte Anlage besteht im wesentlichen aus zwei parallelgeschalteten Ädsorptions-Desorptions-Reaktoren ii, 1Γ, einer Aktivkohle-Verzögerungsstrecke 115 und je einem den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 11,11' zugeordneten SpUlkreisIauf.

Die Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 11, W sind mit Aktivkohle gefüllt und werden in der Adsorptionsphase abwechselnd über die Abgasleitung 12 und das Ventil 13 vom zu behandelnden krypton- und xenonhaltigen Abgas in der bezeichneten Richtung bis zum Durchbruch des Kryptons durchströmt. Der Durchbruch des Xenons würde erst sehr viel später stattfinden. Das Gas, das bis zum Kryptondurchbruch im ersten Reaktor 11 diesen Reaktor verläßt, enthält weder Krypton noch Xenon und wird daher über den Armgasausgang 122 des Adsorptions-Desorptions-Reaktors 11, das Ventil 17 und die Armgasleitung 16 direkt an den Kamin 18 und damit an die Atmosphäre abgegeben.

Nach Erreichen des Krypton-Durchbruches wird der Abgasstrom durch Umschalten des Ventils 13 über den zweiten parallelgeschalteten Adsorptions-Desorptions-

Adsorptions-Dasorptions-Reaktor 11 in folgender Weise regeneriert wird.

Durch öffnen von Ventil 19, Schließen von Ventil 17 und bei entsprechender Stellung von Ventil 117 wird der Reaktor zunächst im Gegenstrom über die Pumpe 110 bis zu einem zwischen 133 und 1,3 mbar liegenden Druck evakuiert und das abgepumpte Gas, dessen Krypton- und Xenonkonzentration im Mittel der Eintrittskonzentration des Abgases entspricht, dem Abgas und damit dem zweiten Adsorptions-Desorptions-Reaktor 11' über die Leitung 118, in der sich gegebenenfalls noch ein Zwischenspeicher befindet, wieder zugeführt.

Danach werden die Ventile 117 und 113 so eingestellt, daß die Pumpe 110 das im Verdampfer 112 entstehende Spülgas - als solches sei im vorliegenden Fall CO2 angenommen — bei einem Druck unterhalb 1 bar fördert, wodurch das an der Aktivkohle adsorbierte Krypton und Xenon desorbiert wird. Die Strömungsrichtung ist dabei entgegengesetzt der Strömungsrichtung während der Adsorptionsphase. Im Kondensator 111 wird das CO2 ausgefroren und das Krypton-Xenon-Reichgas über die Leitung 114 der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke 115 zugeführt, die ihrerseits über die Leitung 116 mit dem Kamin 18 in Verbindung steht. Vor Eintritt in den Kamin 18 wird das die Verzögerungsstrecke 115 verlassende dekontaminierte Gas mit dem Armgas, das aus den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (11, 11') austritt, vermischt. Am Ende der Regeneration wird über die Leitung 120 und Ventil 119 dem Adsorptions-Desorptions-Reaktor 11 ein inaktives Gas, z. B. Armgas, zugeführt, so daß sich in diesem Adsorptions-Desorptions-Reaktor 11 wieder der ursprüngliche, bei der Adsorption vorliegende Druck einstellt. Nach Beendigung dieses Vorganges kann ein neuer Adsorptions- Desorptions-Zyklus beginnen.

Sollen die Edelgase Krypton und Xenon voneinander getrennt gewonnen werden, so kann dazu das in F i g. 2 dargestellte und im folgenden erläuterte Verfahren angewandt werden.

Die in F i g. 2 schematisch dargestellte Anlage besteht im wesentlichen wiederum aus den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21a, 21/?, 21a' 21/>' einer Aktivkohle-Verzögerungsstrecke 115 und den den Adsorptions- Desorptions-Reaktoren zugeordneten Spülkreisläufen. Im Unterschied zu der in F i g. 1 dargestellten Anlage werden hier jedoch jeweils zwei verschieden große Ädsorptions-Desorptions-Reaktoren 21a und 216. 21a', 2\b' zu einer Adsorptions-Desorptions-Gruppe 21, 21' zusammengefaßt

Diese Adsorptions-Desorptions-Gruppen 21, 2V werden von dem zu reinigenden Abgas abwechselnd über die Abgasleitung 12 in der bezeichneten Richtung durchströmt. Die einzelnen Reaktoren einer Adsorptions-Desorptions-Gruppe sind so zu bemessen, daß in der Zeit, bis das Krypton am Ende 228,228' des zweiten größeren Reaktors 21 b, 216' durchbricht, das Xenon noch nicht am Ende 227, 227' des ersten, kleineren Reaktors 21a, 21a'austritt. Nach dem Kryptondurchbruch wird die Aktivkohle in den beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21a, 216 der ersten Adsorptions-Desorptions-Gruppe 21 in der Zeit, in der das Abgas der zweiten, parallclgeschaltetcn Adsorptions-Desorptions-Gruppe 21' zugeführt wird, in folgender Weise regeneriert.

Zunächst werden beide Adsorptions-Desorptions-Kciiktoren 21;;. 216 nach Umschalten von Ventil 13 und Schließen von Ventil 27 aber bei weiterhin geöffnetem Ventil 225^über die Pumpe 201 im Gegenstrom bis zu einem /.wischen i33 und Ί.3 mbar liegenden Druck evakuiert und das abgepumpte Gas. wie bereits in Fig. I beschrieben, dem Abgasstrom über Ventil 202 wieder zugeführt. Danach werden die Ventile 27, 224 und 213 so eingestellt, daß die Pumpe 210 da·· im Verdampfer 212 entstehende Spülgas - als solches sei wiederum CO: angenommen - bei einem Druck unterhalb 1 bar im Kreis führt, wodtirvh das an der Aktivkohle in den beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren 21a. 216 noch adsorbierte restliche Krypton und Xenon desorbiert wird. Die Strömungsrichtung ist dabei die gleiche, wie sie auch während der Adsorptionsphase vorlag. Bereits nach kurzer Zeit (z B. nach wenigen Minuten), wenn nämlich das Krypton vollständig. di'.~ Xenon jedoch nur zu einem sehr geringen Teil aus dem Adsorptions-Desorptions-Reaktor 21a in den Adsorptions-Desorptions-Reaktor 216 gespült worden ist. schließt Ventil 225. und nach entsprechendem Umschalten der Ventile 224, 213 und 231 wird die Unterdruckspülung in zwei getrennten, je einem Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeordneten Spülkreisläufen vorgenommen. Das Spülgas für den zweiten Adsorptions-Desorptions-Reaktor 216 wird dabei weiterhin von der Pumpe 210 gefördert, während dies bei Reaktor 21a die Pumpe 230 bewirkt. In den Kondensatoren 211 und 218 wird das CO: ausgefroren, und die Produktgase Krypton und Xenon werden getrennt voneinander abgezogen. Das Krypton kann danach über die Leitung 220 weiteren Anreicherungsstufen zugeführt werden, von wo aus es in eine Langzeitlage rung gelangt. Das Xenon hingegen mit seinen verhältnismäßig kurzlebigen Radionukliden wird über die Leitung 214 der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke 115 zugeführt.

Nach Verlassen der Verzögerungsstrecke 115 wird das dekontaminierte Abgas vor Eintritt in den Kamin weiter verdünnt, indem man es mit der edelgasfreien Gasfraktion, die aus den Anreicherungsstufen stammt, vermischt. Prinzipiell können auch mehrere Anreicherungsstufen für das Xenon vorgesehen werden. Sobald alles Krypton bzw. Xenon von der Aktivkohle desorbiert worden ist, werden die Spülgasströme durch Umschalten der Ventile 27, 224 und 213 sowie 231 unterbrochen, und über die Ventile 235 und 236 wird inaktives Gas, das dem Hauptbestandteil des zu reinigenden Abgases entspricht und daher der Armgasleitung 116 entnommen wird, aufgegeben, so daß sich hl beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren wieder der ursprüngliche Druck, wie er während der Adsorption vorlag, einstellt. Nach Öffnen von Ventil 225 und Umschalten der ^ventile 13 und 27 kann ein neuer Adsorptions-Desorptions-Zyklus beginnen.

Im folgenden werden zur weiteren Erläuterung der Erfindung und der mit ihr verbundenen Vorteile noch einige Auslegungsbeispiele aufgeführt.

1. Beispiel

Beim Betrieb eines Kernkraftwerkes entstehen 38 m¹,,

Abgas pro Stunde. Der Betriebsdruck beträgt I bar und die Temperatur 21°C. Für Krypton wird eine Verzögenings/.ei! von 3 Tagen und für Xenon ein·; Verzögerungszeit von 48 Tagen verlangt. Das Abgas wird zunächst über eine einstufige F.delgasanreicherungsanlage geführt, die aus drei im Abstand von 20 Minuten wechselweise betriebenen Aktivkohlereaktoren von jeweils 1,0 m¹ Volumen besteht. Das in der jeweiligen Adsorptionsphase der Anreicherungsanlagc von Edelgasen gereinigte Abgas (= Armgas) wird auf seinem Weg zum Kamm zum grölitcn IeM in einen Zwischen speicher geprellt, von wo aus es in der nächsten Regenerationsphase der Anreicherungsanlage zur Spülung der mit Edelgasen beladenen Aktivkohle sowie zum Druckausgleich erwendet wird. Für den Spülvor-

:^rj gang, der pro Reaktor etwa 40 mm dauert, werden pro Reaktor etwa 5 m'. gereinigtes Abgas benotigt und für den anschließenden Druckausgleich im Reaktor etwa 4.5 m¹,,. Das Spülgas mit dem von der Aktivkohle desorbierenden eclelgasreichen Gas, das zusammen das

in Produktgas (= Reichgas) der Anreicherungsanlage darstellt, wird anschließend über eine Aktivkohle-Verzögerungsstrecke geleitet. Diese ist für eine Abgasmenge von etwa 15 mVh bei I bar auszulegen. Das Aktivkohlevolumen der Verzögerungsstrecke be-

S5 rechnet sich gemäß Gleichung (1) zu etwa

wenn man für Xenon einen Rententionsfaktor von 378 und für Krypton einen Rententionsfaktor von 23,6 zugrunde legt. Das Aktivkohlevokimen der Gesamtanlage beträgt folglich

(45.8 + 3 ■ 1.0) = 48.8 m¹.

Würde man unter den gleichen Betriebsbedingungen in herkömmlicher Weise eine Verzögerungsstrecke ohne vorgeschaltete Anreicherungsstufe verwenden, so ergibt sich gemäß Gleichung (1) das größere Aktivkohlevolumen von

γ = i⁸- 24-38

378

116 m\

2. Beispiel

Die im Beispiel ! beschriebene Verzögerung mit vorgeschalteter Anreicherungsstufe wird unter sonst gleichen Bedingungen wiederholt, wobei jetzt aber während des Spülvorganges der Aktivkohlereaktor der Anreicherungsstufe auf etwa 60⁰C aufgeheizt wird.

Durch diese Temperaturerhöhung kann die Spülgasmenge so weit reduziert werden, daß die anschließende Verzögerungsstrecke nur noch ein Aktivkohlevolumen von etwa 32 m³ enthält

3. Beispiel

i/i Abänderung des irr, Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens wird die Anreicherungsstufe bei einer konstanten Temperatur von —5° C betrieben und als

Spülgas CO2 verwendet, das vor Eintritt in die Verzögerungsstrecke fast vollständig ausgefroren wird. Die Anreichprungsanlage besteht aus drei im Abstand on 20 Min. wechselweise betriebenen Aktivkohiereaktoren, die ein Aktivkohlevolumen von jeweils 0,6 m¹ besitzen. Die in die Verzögerungsstrecke, die bei Normaltemperatur betrieben wird, eintretende Gasmenge beträgt 3,0 m^! _n/h. Das Volumen der Verzögerungsstrecke errechnet sich somit zu

_ 48 · 24 ■ 3,0

= 9,2 m\

R 378

(Auslegung für Xenon)

F3as Aktivkolilevolumen der Gesamtanlage beträgt dann (9.2 + 3 · 0.6) = 11,0. Das bedeutet gegenüber einer herkömmlichen Ver/.ögerungsanlagt ohne vorge schaltete Anreicherungsstufe eine Volumenreduktior. um etwa den Faktor 0,1.

Das im Bespiel i beschriebene Verfahren wird dahingehend geändert, daß in der Anreit herungsslufe Krypton und Xenon voneinander getrennt werden (F-'ig. 2). Während man das Krypton in weiteren Anreicht, rungsstufcn aufkon/entriert. um es ansehlie Rend über viele fahre lagern zu können, fuhrt man das an Xenon reiche Gas der 1. Atireicherungsstufe einer Verzögerungsstrecke zu. Durch die Krypton Xenon Trennung wird die über die Verzögerungsstrecke /11 führende Abgasmenge nach Atiskondensation des Spulgases nochmals um etwa den Faktor 0,1 verringert. Entsprechend verkleinert sich das Aktivkohlenoitimen der Verzögerungsstrecke, die für Xenon auszulegen ist. und betragt jetzt

48 ■ 24 -0.38

37S

= !.16 m

Das Volumen der gesamten Anreicherungsanlage richtet sich danach, wie weit das Krypton aufkonzentriert werden soll. Der umbaute Raum i.ir die Anreicherungsanlage wird im vorliegenden Fall im allgemeinen sogar etwas größer sein als der Raum, den die Xenon-Verzögerungsstrecke beansprucht.

Bei allen bisher beschriebener. Ausführungsformen der Erfindung wird das Gas (bei zweigeteilter Spültii g auf ein Teil des Gases), das während des Spülens in der Anreicherungsstufe entsteht, direkt in die Verzögerungsstrecke geleitet. Die Erfindung läßt sich aber auch dahingehend erweitern, daß man dieses Spülgas nochmals oder sogar mehrere Male hintereinander wieder in das ungereinigte Abgas zurückleitet. Genauso wie das Gas, das während der Evakuierung der Adsorber der Anreicherungsstufe entsteht (vgl. zum Beispiel Fig. 1), wird jetzt also auch die Spülgasfraktion eines jeden gerade auf Regeneration geschalteten Adsorbers der Anreicherungsstufe ins Ausgangsgas zurückgeführt und gelangt dadurch auf den jeweils auf Adsorption geschalteten Adsorber der Anreicherungs

stufe. Diesen Vorgang Kann man mehrmals wiederholen, so daß also das gesamte während der Regenerationsphasen entstehende Gas eine Zeitlang in der Anreichcrungsstufe zirkuliert, wobei nur das gereinigte Abgas wie bisher direkt in die Atmosphäre abgelassen wird.

Selbstverständlich sind die einzelnen Adsorber entsprechend dem durch das Spülgas vermehrten Gasdurchsatz größer auszulegen. Der Durchsatz an Spülgas ist dabei jedoch nicht höher als bei den oben aufgeführten Beispielen auch. Zwar steigt während des zyklischen Durchlaiifs der ein/einen Adsorber die Edelgaxkonzentration in der Anreicherungsstufe lau fend an: es hat sich aber gezeigt, dall /\u jeweils vollständigen Regeneration der ein/einen Adsorber Spulgasmengen und Spi'ilzeiten im Hereich niedriger Konzentrationen nicht erhöht /11 werden brauchen. Das gilt zumindest bis zu dem Zeitpunkt, bei dem auf Grund der höher werdenden Edelgaskonzentrationen die Durehbruchizeiten der Edelgase so weit absinken, dall während der Adxorpti'mxphase dei einzelnen Adsorber Krypton (das vor dem Xenon durchbricht) in 'in/ulassi gern Mal.le ms ijereiiiigte Abgas gelangt. Dunn entsprechende Auslegung der Adsorber kann man aber erreiche!;, dall dieser Zeitpunkt erst ν erhaltnisnia'JiL' spa¹, wenn /.. H. bei normaler F'emperatiir das mi; Krypton und Xenon sich anreichernde Desorptionsgas mehr als fiini- bis zehnmal die Anreicheruiigsitu'e durchlaufen hat. eintrht. Erst jetzt ist es notwendig, das Desorptionsgas der einzelnen Adsotber nacheinander - gegebenenfalls über einen Zwischenspeicher -- einet Verzögerungsstrecke zuzuführen.

Bisweilen ist es ,itkii vorteilhaft, wenn man ständig dem in vier Anreicherungsstufe zirkulierenden Desorptionsgas einen g ringen Teilstrom entzieht und iiber die Verzögerungsstrecke leitet. Die in ihr zu verarbeitenden Gasmengen sind bei der zyklischen Verfahrensweise der Anre¹ herungsstufe meist so genug, daß Verzöge rungsstrec- ·.· und Anreicherungsstufe größenordnung^ mäßig etwa den gleichen Ra im ausfüllen. Am Ende der Verzögerungsstrecke wird das aus dieser freigesetzte Gas mit dem gereinigten Abgas, das aus eier Anreicherungsstufe stammt, wie oben beschrieben. vermischt.

Das erfindungsgemäße Verfahren laßt sich :nind s.: "zlich auch auf die Dekontaminierung andere; als der in der Figurenbeschreibung und den Beispielen angegebenen radioaktiven Gasgemische anwendet·, (z. B. neben Krypton und Xenon auch Argon. Stickstoff. Sauerstoff. Wasserstoff usw. aus Luft. Helium. Kohl- idto.xid u.a.).

Von besonderer Wichtigkeit ist die Dekontaminierung von Abgasen jedoch für den Betrieb wassergekühlter Kernreaktoren, wo das an radioaktiven Bestandteilen reiche Gas im Turbinenkondensator anfällt. Da in diesem ständig ein Unterdruck zwischen etwa 13 und 133 mbar eingehalten werden muß. bietet sich an. diesen direkt für die Rückführung der Desorptionsgase auszunutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Behandlung von Abgasen, die radioaktive Verunreinigungen, insbesondere Krypton- und Xenonnuklide, enthalten, wobei das Abgas eine adsorptive Anreicherungsanlage so lange durchströmt, bis die erste radioaktive Komponente in unzuverlässiger Konzentration durchbricht, wobei der bis dahin abgeströmte Gasanteil die Armgasfraktion darstellt, die der Atmosphäre zugeführt wird, und wobei anschließend die Anreicherungsanlage mit einem Spülgas regeneriert wird und die so entstehende, die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Reichgasfraktion einer Verzögerungsstrecke zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das die radioaktiven Verunreinigungen enthaltende Abgas zunächst der Anreicherungsanlage zugeführt wird und nur die Reichgasfraktion durch Adsorption in der mit Aktivkohle gefüllten Verzögerungsstrecke verzögert wird.

2. Verfahren nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Anreicherungsanlage der Abgasstrom einem ersten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und diesen so lange durchströmt, bis die erste aktive Komponente in unzulässiger Konzentration durchbricht, wobei das bis dahin abgeströmte Gas die Armgasfraktion darstellt, daß nach dem Durchbruch der Abgasstrom einem gleichartigen weiteren Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und der erste Adsorptior.s-Desorptions-Reaktor regeneriert wird, indem zunächst eine erste Gasfraktion abgepumpt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, anschließend im Gegenstrom unter Unterdruck mit oder ohne Temperaturerhöhung bis auf maximal 150⁰C mit einem inaktiven Spülgas gespült wird, wobei die dabei abgezogene Gasfraktion als Reichgasfraktion entweder über weitere Anreicherungsstufen oder direkt bei gleichbleibendem oder nur wenig höherem Druck der Verzögerungsstrecke zugeführt wird und danach der Adsorptions-Desorptions-Reaktor durch Zuführung eines inaktiven Gases wieder auf Normaldruck gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das während der Spülung im ersten Adsorptions-Desorptions-Reaktor gewonnene Desorptionsgas ganz oder teilweise in das ungereinigte Abgas zurückgeleitet und dem zweiten gleichartigen Adsorptions-Desorptions-Reaktor zugeführt wird und daß dieser Vorgang so lange fortgesetzt wird, bis die erste aktive Kotnponente in unzulässiger Konzentration am Ende der Adsorptions-Desorptions-Reaktoren durchbricht und daß dann die während des Abpumpens und Spülens entstehenden Desorptionsgasfraktionen als Reichgas der Verzögerungsstrecke zugeführt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten einer aus mehreren Stufen bestehenden Anreicherungsanlage die Krypton- und Xenonnuklide voneinander getrennt werden und die an Xenon reiche Gasfraktion über die Verzögerungsstrecke geleitet wird, während die an Krypton reiche Gasfraktion in den weiteren Anreicherungsstufen aufkonzentriert wird, um danach einer Langzeitlagerung zugeführt zu werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Stufe der Anreicherungsanlage der Abgasstrom zunächst einer ersten aus zwei hintereinandergeschalteten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktoren bestehenden Adsorptions-Desorptions-Gruppe zugeführt wird, bis das Krypton am zweiten, größeren Reaktor durchbricht, jedoch das Xenon auf Grund der unterschiedlichen, abgestimmten Größe der Adsorptions-Desorptions-Reaktoren im ersten kleineren Adsorptions-Desorptions-Reaktor noch nicht durchgebrochen ist, wobei das bis zu diesem Zeitpunkt abgeströmte Gas die Armgasfraktion darstellt, daß nach dem Durchbruch der Abgasstrom einer gleichartigen zweiten Adsorptions-Desorptions-Gruppe zugeführt wird und die erste Adsorptions-Desorptions-Gruppe regeneriert wird, indem zunächst im Gegenstrom eine erste Gasfraktion aus den beiden Adsorptions-Desorptions-Reaktoren abgepumpt und dem Abgasstrom wieder zugeführt wird, abschließend beide Adsorptions-Desorptions-Reaktoren in gleicher Richtung wie bei der Adsorption bei Unterdruck mit oder ohne Temperaturerhöhung mit einem Spülgas durchgespült werden, und zwar so lange, bis das Krypton vollständig, das Xenon jedoch nur zu einem vernachlässigbar geringen Teil vom ersten in den zweken Adsorptions-Desorptions-Rt;aktor gespült worden ist, daß anschließend beide Adsorptions-Desorptions-Reaktoren getrennt voneinander weitergespült werden und dadurch jeweils mit Krypton und Xenon angereicherte Gasfraktionen erhalten werden und daß nach dem Spülen beide Adsorptions-Desorptions-Reaktoren unter Zuführung eines inaktiven Gases wieder auf Normaldruck gebracht werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Armgasfraktion der Anreicherungsanlage nach Zwischenspeicherung in einem Speicherbehälter teilweise bei der Regeneration der Reaktoren als Spül- und Druckauigleichsgas verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Spülphase mit einem leicht kondensierbaren Gas, vorzugsweise CO2, Wasserdampf oder Frigen, gespült wird, welches vor Eintritt in die Verzögerungsstrecke aus dem Gasstrom abgetrennt und im Kreislauf geführt wird.

8. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus zumindest zwei parallelgeschalteten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (11, 11') besteht, deren Abgaseingänge (¹21, 121') nacheinander über ein Ventilsystem (13) mit der Abgasleitung (12) und deren Armgasausgänge (122, 122') über ein weiteres Ventilsystem (17, 17'), das jeweils spätestens beim Durchbruch der ersten verunreinigten Komponente am Armausgang (122, 122') geschlossen wird, mit dem Abgaskamin (18) verbunden sind, und daß an die Adsorptions-Desorptions-Realttoren (11, 11') abwechselnd je ein Yentil-Pumpensystem (19, 110, 117; 19', 110', 117') angeschlossen ist, das in der ersten Regenerierphase über eine Leitung (118, 118') mit der Abgasleitung (12) und in der zweiten Regenerierphasie über eine Leitung (114, 114') mit dem Eingang (123) der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke (115) verbunden ist, und an die über Ventile (119, 119') Leitungen (120, 120') zur Zufuhr eines inaktiven Gases

angeschlossen sind.

9. Anlage nach Anspruch 8 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Regenerierkreislauf aus einer Hintereinanderschaltung eines ersten Ventils (19, 19'), einer Pumpe (110,110'), eines Drei-Wege-Ventils (17, 17') eines Kondensators (111, ill'), eines Verdampfers (112, 112') und eines weiteren Ventils (113, 113') besteht, wobei jeder Regenerierkreis über das Drei-Wege-Vjntil (117, 117') und Leitungen (118, 118') mit der Abgasleitung (12) verbunden ist, und daß die Kondensatoren (111, 11Γ) über Leitungen (114,114') mit der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke (115) verbunden sind.

10. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage aus zumindest zwei parallelgeschalteten, mit Aktivkohle gefüllten Adsorptions-Desorptions-Gruppen (21, 21') besteht, die ihrerseits aus je zwei hintereinandergeschalteten und durch ein Ventil (225, 225') getrennten Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (21a, 2ib;2ia', 2ib^f)bestehen, weiche so ausgelegt sind, daß beim Durchströmen des Abgases zum Durchbruchszeitpunkt des Kryptons am Gasausgang (228, 228') des zweiten Adsorptions-De-Gasausgang (227, 227') des ersten Adsorptions-Desorptions-Reaktors (21a, 21 a V noch nicht durchgebrochen ist, daß die Abgaseingänge (226, 226') der Adsorptions-Desorptions-Gruppen nacheinander über ein Ventilsystem (13) mit der Abgasleitung (12) und die Ausgänge (228, 228') des zweiten Adsorptions-Desorptions-Reaktors (21A, 2\b') über ein weiteres Ventilsystem (Ausgangsventil; 27, 27'), das beim Durchbruch der Krypton-Komponente geschlossen wird, mit dem Abgaskamin (18) verbunden sind, daß den Adsorptions-Desorptions-Reaktoren (21a, 216; 21a', 2Ib^ jeweils ein Ventil-Pumpensystem (27, 210, 224, 213, 231, 230, 201, 202; 27', 210', 224', 213', 23Γ, 230', 20Γ, 202') und ein Ventil-Leitungssystem (235,236,237,238;235',236',237',238) zur Durchtuhrung der einzelnen Regenerierphasen zugeordnet ist.

11. Anlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil-Pumpensystem einmal einen ersten, das gemeinsame Spülen bewirkenden Hauptkreislauf bildet, bestehend ai>s der Hintereinanderschaltung des als Dreiwegeventil ausgebildeten Ausgangsventils (27,27') einer Pumpe (210,210'), eines Spülgaskondensators (211, 211'), eines Spülgasverdampfers (212, 2'2'), eines zweiten Dreiwegeventils (224, 224') und eines dritten Ventils (213, 213'), wobei die Pumpe (210, 210') am dritten Anschluß des Ausgangsventils (27, 27') und der zweite Anschluß des dritten Ventils mit einem zweiten Eingang (232,232') des ersten Reaktors (21a, 2\a') verbunden ist und wobei der vierte in der ersten Regeneriei phase (Evakuieren) freigeschaltete Anschluß des dritten Ventils (213, 213') über eine Pumpe (201) und ein Ventil (202) mit der Abgasleitung (12) verbunden ist und wobei der dritte in der getrennten Spülphase freigeschaltete Anschluß des Dreiwegeventils (224, 224') mit einem zweiten Eingang (223, 223') des zweiten Reaktors (21 b, 21 b') verbunden ist, und daß zum anderen ein zweiter, dem ersten Reaktor (21a, 2la'^zugeordneter Nebenkreis. VDrgesehen ist, der aus einer Hintereinanderschaltiine eines an dem dritten Eingang des dritten Ventils (213, 213') angeschlossenen Spülgasverdampfers (219, 219'), eines Spülgaskondensators (218,218'), einer Pumpe (230,230') und eines einem zweiten Ausgang (234, 234') des erster Reaktors (21a, 2\a') angeschlossenen Ventils (231, 231') besteht, wobei der Kondensator (218, 218') über eine die angereicherte Xenon-Fraktion führende Leitung (214, 214') mit der Aktivkohle-Verzögerungsstrecke (115) verbunden ist.

12. Anlage nach Anspruch 8 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Kernkraftwerk zur Evakuierung und Spülung der Adsorptions-Desorptions-Reaktoren der Unterdruck im Turbinenkondensator ausgenutzt wird.