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DE2036558C3 - Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff aus Alkali- und Erdalkalimetallen - Google Patents

Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff aus Alkali- und Erdalkalimetallen

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DE2036558C3
DE2036558C3 DE2036558A DE2036558A DE2036558C3 DE 2036558 C3 DE2036558 C3 DE 2036558C3 DE 2036558 A DE2036558 A DE 2036558A DE 2036558 A DE2036558 A DE 2036558A DE 2036558 C3 DE2036558 C3 DE 2036558C3
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Juergen Dipl.-Ing. Dr. 5060 Bensberg Jung
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Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
Original Assignee
Interatom Internationale Atomreaktorbau GmbH
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Publication date
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    • G21C19/28Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core
    • G21C19/30Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core with continuous purification of circulating fluent material, e.g. by extraction of fission products deterioration or corrosion products, impurities, e.g. by cold traps
    • G21C19/307Arrangements for introducing fluent material into the reactor core; Arrangements for removing fluent material from the reactor core with continuous purification of circulating fluent material, e.g. by extraction of fission products deterioration or corrosion products, impurities, e.g. by cold traps specially adapted for liquids
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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff aus Alkali- und Erdalkalimetallen.
Die Kenntnis des Kohlenstoffgehaltes, die betriebliche Überwachung sowie die Entfernung von Kohlenstoff, sind für die Technologie der Alkali- und Erdalkalimetalle von wesentlicher Bedeutung, da eine Auf- oder Entkohlung der Strukturwerkstoffe zu deren Schädigung und Zerstörung führen kann. Bei Natiiumanlagen für die Kernenergietechnik wurde ein Kohlenstofftransport zwischen austenitischen und ferritischen Stählen sowie zwischen heißen und kalten Stellen des gleichen Materials beobachtet. Maßgebend für diesen Transport ist dabei nicht der Kohlenstoffkonzentrationsunterschied, sondern die Differenz der chemischen Potentiale, was im extremen Fall bedeutet, daß ein Stahl mit höherem Kohlenstoffgehalt einen Stahl mit niedrigerem Kohlenstoffanteil entkohlen kann.
Es wurde bereits versucht, den im Natrium vorhandenen Kohlenstoff durch sogenannte Heißfallen zu entfernen. Dazu wurden Stahlbleche mit niedrigem Kohlenstoffgehalt in den Natriumkreislauf eingebaut und zur Beschleunigung des Kohlenstoffaufnahmevorgangs auf hohe Temperaturen aufgeheizt. Dieses Verfahren ist aufwendig und bedingt entweder eine regelmäßige Auswechselung der mit Kohlenstoff beladenen Bleche oder sehr große Oberflächen.
In der US-Patentschrift 3451256 wird ein Apparat zur Bestimmung von Kohlenstoff in einer Flüssigkeit beschrieben. Der Kohlenstoff diffundiert bei dieser Meßsonde durch Reinsteisenröhrchen mit 0,25 mm Wandstärke, die in Natrium von ca. 760° C eintauchen, wird zur Analyse mit feuchtem Argon und Wasserstoff umgesetzt und mit einem Flammenionisationsdetektor nachgewiesen. Nachteile dieses Verfahrens sind die hohe Betriebstemperatur und die verzögerte Ansprechzeit auf Grund der langsamen Festkörperdiffusion.
Nach USAEC-Bericht BNL 50190 wird an einer EMK-Zelle zur Kohlenstoffaktivitätsbestimmung in Natrium gearbeitet, die mit Graphit als Referenzelektrode und Calzium-Karbid als Elektrolyt arbeitet. Über dieses Verfahren liegen z. Z. noch keine Meßergebnisse vor.
In dem Bericht NAA-SR-8448 »Chromatographie Analyses of Gases over Liquid Sodium« von Johnson wurde bereits über die Umsetzung von Kohlenstoff mit Wasserstoff zu Methan in Gegenwart von Natrium berichtet. Die Ergebnisse dieser Versuche wurden nur
zur Bestimmung der Gleichgewichtskonstante und der Natriumhydrid-Aktivität herangezogen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff aus Alkali- und Erdalkalimetallen, insbesondere zum Nachweis und/oder zur Messung der Kohlenstoffaktivität, d. h. des chemisch reaktionsfähigen Kohlenstoffanteils, bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß wasserstoffhaltiges Gas durch das flüssige Metall geleitet wird und das aus der Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff entstehende Methan in an sich bekannter Weise vom Metall getrennt wird. Das Methan kann dann abgeleitet oder einem Nachweis- und/oder Meßgerät, beispielsweise einem Gaschromatographen oder einem Flammenionisationsdetektor zugeleitet werden. Das wasserstoffhaltige Gas kann eine Mischung aus Inertgasen und Wasserstoff selbst sein.
In Versuchen wurde festgestellt, daß bei Temperain türen des flüssigen Natriums zwischen 200 und 600° C Kohlenstoff nachgewiesen werden kann. Um die vom Gas mitgeführte Natriummenge möglichst gering zu halten, hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, unter einer Temperatur von 450° C zu bleiben. Mit Rück-
!5 sieht auf die Löslichkeit des Natriumhydrids hat sich ein Wasserstoff-Partialdruck von maximal 1 at als günstig erwiesen.
Weiterhin wurde festgestellt, daß im flüssigen Metall geringe Mengen von Sauerstoff in gelöster oder chemisch gebundener Form genügen, um den im Metall enthaltenen Kohlenstoff schneller zu entfernen. Es hat sich herausgestellt, daß bei Anwesenheit von Sauerstoff der reaktionsfähige Koblenstoffanteil erhöht wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum genauen Messen der Kohlenstoffaktivität wird das wasserstoffhaltige Gas im Kreislauf durch eine abgeschlossene Menge des flüssigen Metalls, durch eine Abscheidevorrichtung und durch eine
ίο Meßvorrichtung geleitet, bis das Gleichgewicht der Methanreaktion erreicht ist, wobei die Temperatur des flüssigen Metalls konstantgehalten wird.
In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum schnellen Nachweis einer Erhöhung
•>5 der Kohlenstoffaktivität wird ein konstanter Strom des wasserstoffhaltigen Gases im Gegenstrom durch einen Teilstrom des flüssigen Metalls geleitet. Dieses spezielle Verfahren gibt einen besonders schnellen und einfachen Hinweis auf einen eventuellen Scha-
bo densfall.
Das flüssige Metall wird nach dem Kontakt mit dem wasserstoffhaltigen Gas an einer unter Vakuum stehenden Membrane vorbeigeleitet, die für Wasserstoff durchlässig ist. Durch diese Membrane wird der Teil
bi des Wasserstoffs, der sich nicht mit dem Kohlenstoff zu Methan verbunden hat, aus dem flüssigen Metall entfernt.
Das vorgeschlagene Verfahren wurde zur Anwen-
dung in flüssigmetallgekühlten Kernenergieanlagen und zur entsprechenden Anwendung im Labor entwickelt und läßt sich sinngemäß auch für andere Fälle i.n der Technologie von Alkali- und Erdalkalimetallen sowie deren Legierungen einsetzen. Die Vorteile sind die einfache und schnelle Meßmöglichkeit auch bei niedrigen Temperaturen sowie die hohe Empfindlichkeit, die für gelösten Kohlenstoff in der Größenordnung von 10~3 ppm liegt. Die Nachweisempfindlichkeit wird durch die Tatsache begünstigt, daß durch die Umsetzung von 10"6 g Kohlenstoff bereits 1,9 X ICT3 Nfnl-Methan entstehen, zumal, wenn man berücksichtigt, daß 10-1 vpm Methan ohne Schwierigkeiten in einem Gasgemisch nachgewiesen werden können.
Die Erfindung zeigt nicht nur einen technisch brauchbaren Weg zum Nachweis und zum Messen von Kohlenstoff, sondern auch einen Weg zum Entfernen des Kohlenstoffs aus flüssigen Metallen sowie zur Reindarstellung von Methan.
Die Zeichnung zeigt ein mögliches Beispiel für den kontinuierlichen Nachweis der Kohlenstoffaktivität im flüssigen Natrium. In einem Reaktionsgefäß 1 wird mittels eines Füllstandmessers 2 ein Pegel 3 des Natriums konstantgehalten. Der Behälter 1 wird mittels einer Heizung 4 regelbar beheizt und ist durch einen Deckel 5 verschlossen. Ein NatriumteiJstrom, der aus einer nicht näher gezeichneten Anlage stammt, tritt bei 6 in den Behälter 1 ein, er verläßt den Behälter bei 7, wird bei 8 von dem gelösten Wasserstoff befreit und fließt wieder zurück in die nicht näher gezeichnete
ίο Anlage. Das wasserstoffhaltige Gas fließt durch eine Rohrleitung 9 in den Behälter 1 und kommt durch mehrere Öffnungen 10 weit unterhalb des Natriumspiegels mit dem Natrium in Berührung. Das wasserstoffhaltige Gas sammelt sich zusammen mit dem entstandenen Methan oberhalb des Natriumspiegels und wird durch eine Leitung 11 zunächst über eine Abscheidevorrichtung 12 geleitet, in der das im Gas mitgeführte Natrium abgeschieden wird, und wird dann einer Meßvorrichtung 13 zugeführt, in der der Methangehalt gemessen wird. Als Meßgerät kann ein Flammionisationsdetektor oder ein Gaschromatograph benutzt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff aus Alkali- und Erdalkalimetallen, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein wasserstoff haltiges Gas durch das flüssige Metall geleitet wird und
b) das aus der Reaktion von Wasserstoff und Kohlenstoff entstehende Methan in an sich bekannter Weise vom Metall getrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wasserstoffhaltige Gas im Kreislauf durch eine abgeschlossene Menge des flüssigen Metalls, durch eine Abscheidevorrichtung und durch eine Meßvorrichtung geleitet wird, bis das Gleichgewicht der Methanreaktion erreicht ist, wobei die Temperatur des flüssigen Metalls konstantgehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein konstanter Strom des wasserstoffhaltigen Gases im Gegenstrom durch einen Teilstrom des flüssigen Alkalimetalls geleitet wird.
DE2036558A 1970-07-23 1970-07-23 Verfahren zum Abscheiden von Kohlenstoff aus Alkali- und Erdalkalimetallen Expired DE2036558C3 (de)

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