CN102845129A - 用来处理放射性废物的先进微波系统 - Google Patents

Abstract

通过由微波加热执行的干燥、热解和玻璃化用来减小放射性废料的体积的系统和方法。先进微波系统的最终产物是较干的、较密集的、压实的废物产物。本发明包括：一层废料在被沉淀在最后的废物容器内之前在料斗内被微波处理的系统；薄层废料在它已经被沉积在最后的废物容器内之后被微波处理的系统；和废料在被沉积在最后的废物容器内之前在料斗内被微波处理的系统。

Description

用来处理放射性废物的先进微波系统

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119要求2010年3月9日提交的美国临时申请No.61/312,019的权益。

关于联邦赞助的研究或开发的声明

不适用

技术领域

本发明涉及放射性废物的处理和处置，并且更具体地涉及用来干燥、热解和玻璃化放射性废料以便减小废料的体积的系统和过程。

背景技术

放射性废物的稳定化和处置是包括多种技术和方法的复杂的领域。在一些过程中，是核反应的副产物的放射性同位素与各种掺合物材料结合，该掺合物材料设计成隔离和俘获特定放射性同位素或使得紧邻核副产物更安全且更容易操纵。在这里集体地称为“介质”的各种掺合物材料包括许多无机和有机物质（包括一些有机树脂）。包括介质和放射性同位素的混合物在这里总体称为“放射性废物”、“废料”或简称为“废物”。

放射性废料的处置是昂贵的过程，该过程高度取决于被处置的废料的体积。因此，非常希望找到用来压实废料，因此减小要被处置或存储的废料的体积的方法和系统。

其它稳定化技术可以根据所需的体积和添加剂以变化的程度提供一些体积减小。虽然无机沉淀物的体积减小受材料的性质（即，完全无机的并且不能经受热解）限制，但有机沉淀物或有机树脂当全部热解时可以经受高得多的体积减小。

发明内容

这里公开的是借助由微波加热执行的废料的处理通过干燥，并且在一些情况中，通过热解或玻璃化用来减小放射性废料的体积的系统和过程。在本发明的一些实施例中，用来处理放射性废料的先进微波系统包括微波施加器，该微波施加器将微波导向沿传送带向着废物容器移动的放射性废料的薄层。该层废料的厚度或深度使得该层的整个深度可以被微波完全穿透。在其它实施例中，先进微波系统包括微波施加器，该微波施加器布置成将微波导向布置在废物容器内的放射性废料的薄层。同样，该层废料的厚度或深度使得该层的整个深度可以被微波完全穿透。在又一些其它实施例中，先进微波系统包括微波施加器，该微波施加器布置成将微波导向将废料供给到废物容器中的料斗内的大量放射性废料。在许多这些实施例中，接收放射性废料的废物容器是用于最终废物产物的长期或永久存储容器。

先进微波系统通常是用来使放射性废物稳定化的较大的系统的一部分并且适于接收放射性固体或浆体废物供给。废物供给是原料放射性废物被较大的系统的其它部件处理的结果。

附图说明

通过结合附图阅读本发明的以下详细描述，将更清楚地理解本发明的上述特征，其中：

图1是本发明的一个实施例的方块图；

图2是本发明的一个实施例的代表性图，示出结合由传送带承载的废物供给装置使用的先进微波系统；

图3A是本发明的另一实施例的剖视图，其中废料在薄层废料被添加到废物容器之后被微波处理；

图3B是如图3A中示出的实施例的剖视图；

图3C是如图3A和3B中示出的实施例的剖视图；

图4是本发明的另一实施例的方块图，其中废料在沉积在最终废物容器内之前在料斗内被微波处理；

图5是具有用来接收废料的料斗的本发明的一个实施例的透视图，该废料在沉积在废物容器中之前在料斗内被微波处理；

图6是图5中示出的实施例的透视图，料斗的壁被部分地移除以示出料斗的内部；

图7A是图5和6中示出的实施例的从顶向下的视图，示出沿其获取图6B的视图的截线；

图7B是图5、6和7A中示出的实施例的剖视图；

图8是具有用来接收废料的料斗的本发明的另一实施例的剖视图，该废料在沉积在废物容器中之前在料斗内被微波处理。

具体实施方式

本发明提供一种先进微波系统，该先进微波系统用来产生具有可由微波完全穿透的厚度的一层放射性废料并且用来施加微波到其上。先进微波系统通常是用来使放射性废物稳定化的较大的系统的一部分并且适于接收放射性固体或浆体废物供给。废物供给是原料放射性废物被较大的系统的其它部件处理的结果。更具体地，在一些实施例中，废物供给是原料放射性废物经受总悬浮固体（TSS）移除、总溶解固体（TDS）移除、污垢物移除、预浓缩和纯化的结果。固体废物供给包括树脂、沉淀物、蒸发器底部物和盐废物。

先进微波系统将废料操纵成一层废料并且使该层经受微波施加器。在一个实施例中，该层废料通过传送带或类似供给系统移动通过微波施加器。在该层废料移动通过微波施加器时，微波施加器施加微波到该层。微波到该层废料的施加加热并且熔化该混合物，在启动玻璃化过程之后产生热解产物或熔化的玻璃。通常，为了安全处置的目的而加热放射性废物以稳定化该废物在该技术领域中是已知的。

该层废料的厚度使得该层可以被微波完全穿透。更具体地，微波具有关于放射性废物的特定“穿透深度”。因此，如果放射性废物的厚度大于微波的穿透深度，则微波不能达到废物的最内部分，使得放射性废物不能全部被处理。然而，当废料的层可以被微波完全穿透时，混合物的全部被微波处理，产生一致的废物产物。与诸如罐内熔化的处理放射性废物的多种其它方法相比，放射性废物的薄层微波处理显示出优良的结果，该罐内熔化可能倾向于产生未反应的或未处理的废料的泡沫、空穴和凹坑。

在移动通过微波施加器之后，该层废料被填充头组件接收，该填充头组件将该混合物集中到容器。一旦在容器中，废料就冷却并且形成稳定的热解产物或玻璃化为稳定的玻璃材料（如果添加了玻璃形成添加剂）。废料被密封在容器内，并且该容器根据适当的规定被存储且/或处置。

在先进微波系统的一些实施例中，在施加器或波导装置施加微波到该层废料时，一层废料在微波施加器或波导装置下方或附近恒定地移动通过。（下面，除非另外说明，“微波施加器”用于指的是施加器和波导装置两者。）因此，该系统提供废料到微波施加器的连续的供给，提高了微波处理过程的效率。然而，应当注意，不需要该层废料恒定地移动通过微波施加器以维持在本发明的范围或精神内。

在先进微波系统的另一实施例中，微波施加器相对于容器布置成使得在该层废料已经沉积在该容器内之后它施加微波到该层废料。更具体地，在废料被操纵成该层废料之后，该层被施加到容器的底部，在那里，微波施加器根据上面论述施加微波到该层。另一层废料被施加到先前处理的层，并且微波施加器施加微波到最新近施加的层。施加层且处理该层的这个过程被执行直到容器被填充到最大限度或到指定极限。因为微波施加器一直（at time）施加微波到仅仅一个层，因此废料根据上面论述被完全处理。另外，在这个实施例中，先进微波系统也能够提供废料到容器并且因此到微波施加器的连续供给，提高了处理过程的效率。

在实验测试中，许多材料在微波室中被热解。具有旋转工作台的微波室连接到真空装置，在测试材料的有源微波处理期间，该真空装置在该室内维持部分真空。包括循环器、定向耦合器和四支脚调谐器的微波波导装置通过e平面弯管连接到微波室的窗口中。3kW微波电源（220V，35Amp，单相）为波导装置提供动力。波导循环器连接到水贮存器，该水贮存器提供循环水以冷却该波导装置。在最初测试中，测试材料放置在由绝缘材料包围的3英寸直径石英管中。对于最初测试，在2450MHz下以700w加热测试材料2分钟。测试材料包括许多矿物和树脂，该矿物和树脂类似于用作介质以便在制造放射性废料中俘获放射性同位素的那些。表1示出在2分钟之后各种测试材料的内部温度（或耦合温度）（所有材料在70华氏度下开始）：

表1：两分钟之后测试材料的结束温度

在随后的测试中，许多测试材料在微波室中被处理更长的时间段以实现测试材料的完全或几乎完全的热解。在这些随后的测试期间，温度从1200华氏度变动到1600华氏度。测试结果指示热解材料在其冷却之后的显著体积减小。

根据前述讨论可以确定，根据本发明的示例实施例的先进微波系统在热解进入的废料（包括多种废料介质和掺合物）中具有适用性，以实现总废物产物的显著体积减小。在本发明的一些实施例中，微波系统由玻璃化系统补充，该玻璃化系统使用感应加热或一些其它加热方法以辅助热解和熔化进入的废料。

在图1中的方块图示出的本发明的一个实施例中，先进微波系统101包括微波施加器110，该微波施加器布置成将微波导向在废物供给源120和废物容器150之间运动的废料。

本发明的一个实施例由图2中的代表性图示出。在示出的实施例中，一层废料在被沉积在最后的废物容器内之前在传送器上被微波处理。先进微波系统201包括微波施加器210，该微波施加器布置成将微波导向在废物供给装置220和废物容器250之间在传送器235上移动的一层废料。因为微波将仅仅穿透废料到一定厚度（该厚度将在某种程度上随着废料的准确成分变化），重要的是，传送器235上的该层废料的最大厚度不大于微波的最大穿透厚度。在多个实施例中，由废物供给装置220沉积到传送器235上的该层废料具有1英寸和2英寸之间的厚度。

在图3A、3B和3C中以截面图示出根据本发明的微波系统的一个实施例。在示出的实施例中，薄层废料在它已经被沉积在最后的废物容器内之后被微波处理。如以图3A开始的图中示出的，废料通过穿入容器750内部的供给管737进入容器750。微波波导装置710布置成将微波导向容器750中的废料的顶层。供给管737和微波波导装置710可以通过填充头盖子748接近容器750的内部，该填充头盖子还包括废气出口724以允许从废料排出的蒸发的水和其它气体离开容器750。图3A到3C中的图示示出已经在进行中的填充和微波处理过程。因此，如图3A中看到的，该容器容纳下层最终废物产物A。在下层最终废物产物A的顶部，供给管737沉积废料的薄层B1。然后，波导装置710将微波导向废料的薄层B1，从而干燥，并且在一些情况中热解该废料。因为微波将仅仅穿透废料到一定厚度（该厚度将在某种程度上随着废料的精确成分变化），重要的是，废料的层B1不比微波的最大穿透厚度厚。在多个实施例中，由供给管737沉积的层B1具有1英寸和2英寸之间的厚度。在许多情况中，顶层废料B1的微波干燥和加热引起废料起泡沫或以另外方式膨胀；在许多情况中，微波处理最初导致碳化废料的膨胀的低密度层B2，如图3B中所示。当处理放射性有机树脂废物时，碳化废料的起泡沫或其它膨胀特别常见。对于形成废料的膨胀的低密度层B2的这种情况，供给管737在许多实施例中在供给管737的下端部配备有搅拌器、桨或混合器738。在顶层废料的微波处理期间和之后，当膨胀的低密度层B2形成时，搅拌器、桨或混合器738进行操作以搅拌且压实该废料以形成紧密的层B3，如图3C中看到的。当最顶层废料已经被微波处理并且压实时，通过供给管737添加废料的新的层C，并且重复该过程。废料的另外的层被添加、微波处理并且压实直到最终废物产物的总量充满容器750的安全存储容量。

在图4中以方块图示出根据本发明的微波系统的一个实施例。在示出的实施例中，一层废料在被沉积在最后的废物容器内之前在料斗内被微波处理。先进微波系统301包括微波施加器310和料斗330。料斗330从废物供给装置320接收废料。在许多实施例中，料斗330包括圆锥形漏斗，该圆锥形漏斗从废物供给装置320接收进入的废料并且将该废料引向布置在废物容器350上方的填充头盖子345。在示出的实施例中，系统301还包括在料斗330的内部内操作的螺杆或螺旋推运器334。在各种实施例中，系统301还包括：一个或更多个另外部件，诸如真空部件336，该真空部件降低料斗内的空气压力并且降低废料内的湿气蒸发的温度；或组合混合器-干燥器338，该组合混合器-干燥器混合废料并且使用不基于微波的加热和干燥废料的方法，因此补充微波施加器310执行的加热和干燥。在本发明的多个实施例中，系统301还包括从料斗330延伸的废气管路324，以便移除料斗330内的在微波处理期间从废料排出的蒸发的水和其它气体。在一些实施例中，系统301还包括添加剂输入管路326，该添加剂输入管路用来供应添加剂化学物质或材料到料斗330中的废料的混合物，这种添加剂化学物质或材料在一些情况中包括例如用于帮助启动玻璃化过程的化学催化剂或材料。

在示出的实施例中，废料（通常呈浆体的形式）从废物供给装置320进入料斗330。在废料填充料斗330的底部时，来自微波施加器310的微波加热且干燥该废料，从该废料移除湿气；在一些情况中，用微波处理废料也热解该废料，断裂一些废料的晶体结构或碳化有机废料。在压实之后，干的且通常热解的废料因此具有比微波处理之前进入的废料具有的体积显著小的体积。在一些实施例中，螺杆或螺旋推运器334搅拌且搅动料斗330内的废料，因此使来自料斗330内的大量废料的底部的废料到达该大量废料的顶部，由此微波可以更好地穿透且干燥该废料。螺杆或螺旋推运器334还辅助干燥过程，阻止正在干燥的废料固化为硬块，并且防止废料粘附到料斗330的壁。在废料已经在料斗内被微波处理之后，已处理的废料从料斗330通过填充头组件345进入废物容器350。在许多实施例中，接收放射性废料的废物容器350是最终废物产物的长期或永久存储容器。

图5、6、7A和7B示出本发明的另外实施例，其中一层废料在料斗内在沉积在废物容器或玻璃化模块（下面称为“废物容器”）内之前被微波处理。图5示出布置在废物容器450上方的圆锥形料斗430的透视图。微波施加器或波导装置410布置成将微波导向圆锥形料斗430的内部。如图6的剖视图中和图7B中的剖视图中示出的，废料通过废物供给装置420进入料斗430。废料向着料斗430的底部聚集，并且微波施加器或波导装置410将微波导向该废料。在本发明的多个实施例中，该系统还包括从料斗430延伸的废气管路424，以便移除料斗430内的在微波处理期间从废料排出的蒸发的水和可能的其它气体。在一些实施例中，该系统还包括添加剂输入管路426，该添加剂输入管路用来供应添加剂化学物质或材料到料斗430中的废料的混合物，这种添加剂化学物质或材料在一些情况中包括例如用于帮助启动粒化（在干燥术语中描述为转换）或玻璃化过程的化学催化剂或材料。由驱动机构435控制的螺杆或螺旋推运器434搅拌且搅动料斗430中的废料，因此使来自料斗430内的大量废料的底部的废料到达该大量废料的顶部，由此微波可以更好地穿透且与该废料反应。螺杆或螺旋推运器434还辅助干燥过程，阻止正在干燥的废料固化为硬块，并且防止废料粘附到料斗430的壁。在废料已经在料斗内被微波处理之后，已处理的废料从料斗430移动通过填充头组件445进入废物容器450。在一些实施例中，覆盖且保护废物容器450的内部的填充头组件445包括废气管路447和吹扫气体管路448；在已处理的废料已经沉积在废物容器450中之后，在废料的混合物变成最终废物产物时非常频繁的反应在废料的混合物中继续，并且那些反应从废物容器450内的大量废料排出气体；这些气体通过废气管路447通常借助来自吹扫气体管路448的吹扫气体（诸如，如氩气的惰性气体）的辅助从容器的内部被移除。在许多实施例中，接收放射性废料的废物容器450是最终废物产物的长期或永久存储容器。

图8示出本发明的另一实施例，其中一层废料在沉积在废物容器内之前在料斗内被微波处理。图8示出布置在废物容器450上方的料斗830的透视图。图8中示出的实施例的数个特征类似于图5到图7B中示出的实施例中的特征，例如，填充头组件445、废气管路447和吹扫气体管路448基本上与图5到图7B中相同。在这个实施例中，微波施加器或波导装置810布置到料斗830的一侧并且将微波导向料斗830的内部。如图5到图7B中示出的实施例中，废料通过废物供给装置进入料斗830；废料向着料斗830的底部聚集；并且微波施加器或波导装置810将微波导向废料。在示出的实施例中，料斗830具有壁，该壁包括一系列的层，该层包括：不锈钢或类似金属的外层861；用于隔热的塑料或特氟龙的中间层862；和用于热防护和磨损防护的由陶瓷材料制造的内层863。微波施加器或波导装置810布置在由金属外层861限定的孔附近；在微波施加器或波导装置810附近，微波进入料斗830（如图8中的箭头所指示的）。微波穿过由对微波透射的材料制造的中间层862和内层863；然而，一旦在料斗830内，微波就被金属外层861反射并且继续在料斗830的内部到处传播并且穿过料斗830内的放射性废料。在示出的实施例中，该系统还包括从料斗830延伸的废气管路824，以便移除料斗830内的在微波处理期间从废料排出的蒸发的水和其它气体。在一些实施例中，该系统还包括添加剂输入管路826，该添加剂输入管路用来供应添加剂化学物质或材料到料斗830中的废料的混合物，这种添加剂化学物质或材料在一些情况中包括例如用于帮助启动粒化（在干燥术语中描述为转换）或玻璃化过程的化学催化剂或材料。由驱动机构835控制的螺杆或螺旋推运器834搅拌且搅动料斗830中的废料，因此使来自料斗830内的大量废料的底部的废料到达该大量废料的顶部，由此微波可以更好地穿透废料且与该废料反应。在废料已经在料斗830内被微波处理之后，已处理的废料从料斗830移动通过填充头组件445进入废物容器450。

虽然本发明已经通过数个实施例的描述被示出，并且虽然说明性实施例已经被相当详细地描述，但本申请人不意图将所附权利要求的范围限定或以任何方式限制到这种细节。本领域技术人员将容易想到另外的优点和改进型。因此，本发明在其较宽阔的方面不限于被示出且描述的具体细节、代表性设备和方法以及和说明性例子。因此，可以偏离这种细节而不偏离本申请人的总发明构思的精神或范围。

Claims (18)

1.一种用来处理放射性废料的系统，所述系统包括：

用来接收放射性废料的废物容器；

用来供给一层放射性废料的废物供给装置，该层放射性废料具有一厚度；

传送器，所述传送器用来接收该层放射性废料并且将该层放射性废料传送到所述废物容器；和

微波源，所述微波源用于将微波导向所述传送器上的放射性废料的薄层的一部分，使得微波穿透该层放射性废料的整个厚度，所述微波源布置成使得由所述废物供给装置沉积到所述传送器上的所有放射性废料在被所述废物容器接收之前被微波穿透，从而被导向所述放射性废料的微波从所述放射性废料移除湿气。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括波导装置，所述波导装置用于将来自所述微波源的微波聚焦。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述微波源包括微波施加器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述废物容器适于所述放射性废料的长期存储。

5.一种用来处理放射性废料的系统，所述系统包括：

用来接收放射性废料的废物容器；

用来供应放射性废料的废物供给装置；

料斗，所述料斗用来从所述废物供给装置接收放射性废料并且用来将所述放射性废料引入到所述废物容器中；和

微波源，所述微波源用于将微波导向所述料斗中的放射性废料，使得微波穿透放射性废料层的整个厚度，从而被导向所述放射性废料的微波从所述放射性废料移除湿气。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统包括在所述料斗内的螺杆,以便搅拌所述废料。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统包括在所述料斗内的螺旋推运器,以便搅拌所述废料。

8.根据权利要求5所述的系统，其中，所述废物容器适于所述放射性废料的长期存储。

9.一种用来处理放射性废料的系统，所述系统包括：

用来接收放射性废料的废物容器；

用来在所述废物容器内沉积一层放射性废料的废物供给管，该层放射性废料具有一厚度；和

微波源，所述微波源用于将微波导向沉积在所述废物容器中的该层放射性废料，使得微波穿透该层放射性废料的整个厚度，从而被导向所述放射性废料的微波从所述放射性废料移除湿气。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述系统包括搅拌器，所述搅拌器用来搅拌所述废物容器内的该层放射性废料。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述废物容器适于所述放射性废料的长期存储。

12.一种处理放射性废料的方法，所述方法包括：

形成一层放射性废料到预定厚度；

将微波导向该层放射性废料使得所述微波穿透该层放射性废料的预定厚度；和

将该层放射性废料输送到废物容器以便长期存储。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预定厚度基本上等于所述微波到所述放射性废料的穿透深度。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述输送操作发生在所述导向操作之前，所述方法还包括：

重复所述形成、导向和输送操作，使得第一层放射性废料被输送到所述废物容器的底部，并且放射性废料的后续层被输送在前一层的顶部上，使得微波导向最新近输送的层直到所述废物容器充满。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述导向操作包括：

在所述导向操作期间搅拌所述最新近输送的层以促进所述废料的干燥；和

在放射性材料的后续层被输送到所述废物容器之前，将所述最新近输送的层压实在前一层上。

16.根据权利要求12所述的方法，还包括：

在所述导向和输送操作期间连续传送多层放射性材料到所述废物容器，使得所述导向操作发生在所述输送操作之前。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括：

传送该层放射性废料到料斗以执行所述导向操作；和

在所述导向操作期间搅拌所述料斗内的该层放射性废料，以促进所述废料的加热和干燥。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述导向操作还包括：

降低该层放射性材料周围的空气压力以降低所述废料内的湿气蒸发的温度；和

将化学添加剂供应到该层放射性材料以促进玻璃化过程。

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