Anreicherung von Tritium aus wässrigen Lösungen
(Mitarbeiter: Dr. D. Jurkin)
Da laut Strahlenschutzverordnung relative hohe Freigrenzen für Tritium gelten, wird es normalerweise nicht als hoch radiotoxisches Nuklid angesehen. Grosse Tritiumaktivitäten werden in Kernreaktoren durch ternäre Spaltprozesse produziert. In Wiederaufarbeitungsanlagen wird Tritium aus Brennelementen freigesetzt. In Druckwasserreaktoren entsteht Tritium im Kühlmittel, im Moderator und in den Kontrollstäben durch Aktivierung von Deuterium, Lithium und Bor. Da es zur Zeit keine ökonomischen Möglichkeiten gibt um Tritium zu extrahieren und zu speichern, wird Tritium zum grössten Teil in die Umwelt abgegeben, normalerweise in Form von HTO ins Meer und in die Atmosphäre. Die allgemein bekannten Methoden, um Tritium selektiv zu akkumulieren, wie z. B. Gasdiffusion oder Destillation sind sehr zeit- und energieaufwändig und daher nicht oder nur wenig geeignet grosse Mengen von Abfällen aufzubereiten. Auch die Lagerung von tritiierten wässrigen Lösungen verursacht Probleme, da Tritium leicht durch Verdampfen von tritiiertem Wasser und anschliessendem Isotopenaustausch mit Wasserstoffisotopen in die Umwelt gelangen kann.
Ein möglicher Ansatz um die Volumina von tritiierten wässrigen Lösungen zu minimieren ist die Verwendung von organischen oder anorganischen Verbindungen, die in der Lage sind Tritium aus wässrigen Lösungen zu akkumulieren und über Wasserstoffbrückenbindungen zu binden. Um die Anreicherung von Tritium genau bestimmen zu können, muss eine Methode entwickelt werden, die die Trennung des Hauptanteils des Wassers von der Verbindung ermöglicht. Diese Methode sollte idealerweise keine Isotopeneffekte zeigen. Sollte dies nicht der Fall sein, würde der Isotopeneffekt, der mit dem Trennprozess verbunden wäre eine mögliche Fehlerquelle in der Beurteilung der Anreicherungseffekte darstellen. Eine Trennmethode, die dieses Ziel verfolgt stellt die Gefriertrocknung unterhalb des Gleichgewichtsdampfdrucks bei gegebener Temperatur dar. Unter diesen Bedingungen verschwindet die Fraktionierung von HTO und H2O.
Mehrere Verbindungen wurden mit Hilfe der oben erwähnten Kryosublimationsmethode untersucht. Verschiedene Metallsalze, Huminstoffe, Zeolite und einige organische Verbindungen, wie z. B. Mono- und Polysaccharide wurden in Kontakt mit einer HTO-Lösung gebracht, Fraktionen von einigen hundert ml wurden gesammelt und die Tritiumaktivität mittels Flüssigszintillationsspektrometrie bestimmt. Um den beteiligten Mechanismus besser verstehen zu können wurden Berechnungen durchgeführt, die auf den Solvent Separated Ion Pair (SSIP) und Contact Ion Pair (CIP) Modellen beruhen.
Schematische Darstellung der Kryosublimationsapparatur.
Kryosublimationsapparatur (Foto).
Eine andere Möglichkeit zur Volumenreduktion tritiierter wässriger Lösungen stellt die elektrolytische Aufarbeitung dar.
Um den Energieverbrauch des Elektrolyseprozesses weitestgehend zu minimieren wird eine sogenannte (multi-) bipolare Elektrolysezelle verwendet. Diese ist Teil eines auf etwa 4°C gekühlten Kreislaufsystems durch das der eingesetzte Elektrolyt stetig gepumpt wird. Die Kühlung des Elektrolyten sorgt einerseits für möglichst geringe Verdunstungsverluste und andererseits für einen größtmöglichen Wasserstoff-Isotopieeffekt.
Apparatur zur bipolaren Elektrolyse (Foto)
Je nach verwendetem Elektrodenmaterial und verwendeter Zellgeometrie ist es so derzeit möglich Tritium-Separationsfaktoren von bis zu 31 zu erreichen.
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Zelle zur bipolaren Elektrolyse (Foto).