CN108352207B - 被动冷却的离子交换柱 - Google Patents

Abstract

一种离子交换系统包括填充有离子交换介质的离子交换柱和被动冷却系统。被动冷却系统包括将热从离子交换柱转移走的工作流体。在一个实施例中，工作流体处于封闭系统中。在另一个实施例中，被动冷却系统包括热管。在又一个实施例中，离子交换系统用于从液体废弃物流分离放射性核素，例如Cs‑137。

Description

被动冷却的离子交换柱

相关专利申请的交叉引用

本申请要求在2015年10月5日提交的、题目为“被动冷却的离子交换柱(PassivelyCooled Ion Exchange Column)”的美国专利申请No.14/875,485的优先权，该美国专利申请要求在2015年8月13日提交的、题目为“用于从液体去除放射性核素的离子交换柱的被动除热的系统和方法(System and Method for Passively Removing Heat from IonExchange Columns Used to Remove Radionuclides from Liquids)”的美国临时专利申请No.62/204,793的权益，所有这些申请均通过引用整体并入本文。在发生冲突的情况下，在本文中明确叙述或示出的主题控制通过引用并入的任何主题。所并入的主题不应被用于限制或缩小被明确地叙述或描绘的主题的范围。

背景技术

通过核反应堆的运行、处理使用的核燃料、粒子加速器的运行以及其它来源产生了放射性废弃物。这种废弃物的一部分为含有放射性污染物的液体流的形式。液体废弃物必须通过固化、放射性核素去除和/或其它方法进行处理，以使其得到安全处置。

离子交换是用于处理含有大量放射性核素的液体放射性废弃物的常用方法。离子交换过程包括使得液体废弃物流移动通过填充有离子交换介质的离子交换柱。液体中的放射性核素被离子交换介质吸收，并且被从剩余的液体分离。

由离子交换介质吸收的放射性核素的量随着过程的进行而增加。发射辐射的核素在离子交换介质中的积累是显著的，并且能够在离子交换柱周围产生危险的辐射场。在某些情况下，离子交换柱被装入辐射屏蔽材料中或被其包围，以降低辐射水平并保护工作人员。

由放射性核素发射的高辐射场在离子交换介质中产生热。在运行期间，热量被液体废弃物流从离子交换柱转移走。然而，有时通过柱体的流动停止。而且，离子交换介质最终变得被加载到接近其容量，并且柱体被从服务中移除。在这两种情况下，液体废弃物流均不再冷却柱体。

由放射性核素产生的热能够将温度升高到使得柱体中的水沸腾、使得离子交换介质劣化和/或引起其它不利影响和安全问题的程度。由于离子交换介质的低导热性和/或在柱体周围存在辐射屏蔽件，通过自然对流将热从离子交换柱转移走是无效的。这些担忧已经导致使设备不完全加载离子交换介质、限制柱体的尺寸，和/或安设昂贵的安全可信主动冷却系统。

目前解决与装载的离子交换柱中的放射性衰变相关的高温的最常用方式设备如下：(1)柱体被连接到主动地冷却柱体的安全可信系统；(2)柱体被连接到清洗系统并加热，直到所有的液体都被蒸发掉并被从柱体洗出；(3)柱体的直径被限制为增加柱体表面体积比，从而降低峰值温度；和/或(4)限制离子交换介质中吸收的放射性核素的量，以控制介质中的发热速率。

这些方法存在多个缺点。方法1和2的安设和维护非常昂贵，因为它们要求包括能够连续操作的备用电源的冗余系统。方法2会在离子交换介质、柱体和/或辐射屏蔽件中产生峰值温度，这存在安全隐患，并对设备施加了额外的设计限制。方法3限制了离子交换柱的容量，因为直径与通过它的流量成正比。方法4增加了所使用的离子交换介质的量及其更换频率。

发明内容

一种离子交换系统包括填充有离子交换介质的离子交换柱和被动冷却系统。该离子交换系统能够用于处理或以其它方式从液体废弃物流分离污染物。其对于从液体放射性废弃物流分离一种或多种放射性核素是特别有用的。

被动冷却系统将来自离子交换柱的热被动地传递到周围环境。它被称为“被动的”，是因为它使用自然过程和技术来散热而不添加能量。被动冷却系统利用可从自然环境获得的能量使用系统及其构件的结构设计来散热。它不使用来自电力、燃烧等的外部能量来驱动机械设备(诸如泵和风扇)来散热。

被动冷却的离子交换柱提供了多个优点。其中一些优点包括：使用较大直径的离子交换柱、用放射性核素充分加载离子交换介质，和在不安设昂贵的安全可信冷却系统的情况下满足安全要求。这些优点简化了系统，大大节省了成本。

被动冷却系统可具有多种构造。在一个实施例中，该被动冷却系统包括与离子交换柱热连通的一个或多个热管。热管可至少基本竖直地定向，使得第一端位于离子交换柱内或邻近离子交换柱，并且第二端在柱体上方向外延伸。在一个实施例中，热管是热虹吸管。

该离子交换系统可包括围绕离子交换柱的辐射屏蔽件。热管延伸穿过辐射屏蔽件，以将来自离子交换柱的热散发到周围环境。在一个实施例中，热管包括增强从热管到周围环境的热传递的自然对流散热器。

在一个实施例中，该离子交换系统被用于从液体放射性废弃物流分离放射性核素，诸如Cs-137。当通过柱体的液体流动中断时，或当柱体在离子交换介质被污染物完全加载之后停止使用时，被动冷却系统防止离子交换介质和/或离子交换柱变得太热。

提供本概述是为了以简化形式介绍在以下详细描述中进一步描述的一些选择的构思。发明内容和背景技术并非旨在确定所公开主题的关键的构思或主要方面，它们也不应被用来约束或限制权利要求的范围。例如，不应基于所述主题是否包括在发明内容中提到的任何或所有方面和/或解决了在背景技术中提到的任何问题而限制权利要求的范围。

附图说明

结合附图公开了优选的和其它的实施例，其中：

图1是用于从包含放射性核素的离子交换柱被动地除热的系统的一个实施例的图。

具体实施方式

参照图1，离子交换系统10包括离子交换柱12和被动冷却系统16。离子交换柱12包括壳体13和位于壳体13内的离子交换介质14。离子交换系统10能够用来从任何液体废弃物流去除或分离污染物，但对于从液体放射性废弃物流去除放射性核素是特别有用的。

离子交换系统10被构造为通过将热被动地排放到周围环境，来限制由离子交换介质14吸收的放射性核素的放射性衰变所产生的温度。这使得离子交换柱12本质上是安全的和经济的。

通常，离子交换系统10促进在电解质溶液(液体废弃物流)和含离子介质(离子交换介质14)之间的离子交换。当液体废弃物流过并且通过离子交换介质14时，液体中的离子与介质14中的离子交换。常见离子交换系统的一个实例是水软化器，其中水中的钙离子与介质中的钠离子交换。

离子交换系统10能够从液体废弃物流去除多种污染物中的任何一种。在一个实施例中，离子交换系统10从液体废弃物流去除诸如Cs-137的放射性核素。应该理解，离子交换系统10同样能够去除其它放射性核素。

离子交换柱12是被设计成承受流动的液体废弃物和离子交换介质14的压力的容器。离子交换柱12包括一个或多个入口和一个或多个出口，液体废弃物通过入口从相应的管道流入柱体12中，经处理的液体废弃物通过出口流出柱体12。离子交换柱12还可包括一个或多个内部构件，该内部构件分配液体废弃物，以在离子交换介质14上提供均匀的流动分布，并且在它已经经过介质之后均匀地收集经处理的水。

离子交换柱12可在入口和出口处包括筛网、过滤器和/或其它装置，以防止离子交换介质14被夹带在液体废弃物中并离开柱体12。它还可包括其它连接，离子交换介质14能够通过这些其它连接被冲洗和/或去除。还能够提供用以监测和/或控制离子交换柱12的性能的很多其它连接。

离子交换柱12可以是具有任何合适构造的任何合适的柱体。在一个实施例中，离子交换柱12被构造成从液体放射性废弃物流去除放射性核素。离子交换柱12也可由任何合适的材料制成。在一个实施例中，离子交换柱12由金属制成，诸如碳钢、不锈钢，和/或碳钢、不锈钢的各种合金等。

离子交换介质14可以是任何合适的材料。在一个实施例中，离子交换介质14包括固体聚合物和/或矿物基离子交换材料。合适的离子交换介质14的实例包括树脂(官能化多孔或凝胶聚合物)、沸石、蒙脱石、粘土、土壤腐殖质等。

在一个实施例中，离子交换介质14是交换带正电的离子(阳离子)的阳离子交换剂。在另一个实施例中，离子交换介质14是交换带负电的离子(阴离子)的阴离子交换剂。在又一个实施例中，离子交换介质14是能够同时交换阳离子和阴离子的两性交换剂。

在一个实施例中，离子交换系统10包括围绕和/或包围离子交换柱12的辐射屏蔽件18。辐射屏蔽件18被设置用于降低从离子交换柱12发射的辐射的强度。辐射屏蔽件可以是任何合适的材料，诸如混凝土、水泥、重金属等。应该认识到，在其它实施例中，离子交换系统10能够在没有辐射屏蔽件18的情况下操作。

参考图1，离子交换系统12和辐射屏蔽件18的尺寸被确定为，在侧面、底部和顶部上在这两者之间形成间隙20。在一个实施例中，间隙20填充有诸如气体(如空气、氮气)等的流体。

被动冷却系统16防止离子交换柱12和/或离子交换介质14超过设定温度。在一个实施例中，被动冷却系统16防止离子交换柱12和/或离子交换介质14超过大约100℃。在另一个实施例中，被动冷却系统16防止水在离子交换柱12中沸腾。

被动冷却系统16包括用于将来自离子交换柱12的热传递到周围环境的一个或多个热管22、24。在一个实施例中，热管22、24延伸穿过辐射屏蔽件18，以穿过辐射屏蔽件18将热传递到周围环境。

热管22、24各自包括第一端或下端26和第二端或上端28。热管22、24能够以多种方式中的任何方式联接到或接合到离子交换柱12。

应该注意，为了本公开的目的，术语“联接”是指将两个部件直接或间接地彼此联接。这样的联接可以是本质上静止的或本质上可活动的。这种联接可以用彼此一体地形成为单个整体的两个部件或两个部件与任何另外的中间部件来实现，或者可以用彼此附接的两个部件或两个部件与任何另外的中间部件来实现。这样的联接本质上可以是永久性的，或者可替代地，本质上可以是可移除的或可释放的。

热管22示出一个实施例，其中第一端26延伸穿过壳体13并接触离子交换介质14。热管22的第二端28从辐射屏蔽件18的顶部向上和向外延伸。热管22被示为延伸穿过离子交换柱12的大致中心，但应该理解，它可以位于壳体13内的任何位置。

热管24示出另一个实施例，其中第一端26接触壳体13的外侧，并且第二端28向上延伸穿过辐射屏蔽件18。在这个实施例中，热管24不延伸到壳体13的内部中。这种构造的制造可能更容易并且更加廉价，但是在传递热方面可能不如热管22那样有效。

热管22、24可以包括与热管22、24的第二端28联接的自然对流散热器30。自然对流散热器30增强或增加从热管22、24到周围环境的热传递的速率。自然对流散热器30是无源的，不需要任何额外的能量来操作。

应当认识到，被动冷却系统16可以包括热管22、24中的一个或两个。而且，被动冷却系统16可以包括具有与为热管22、24示出的那些不同的构造和定向的其它热管。

热管22、24可以具有任何合适的构造。例如，在一个实施例中，热管22、24可以具有竖直定向的纵向方向。在这个定向中，工作流体通过热管22、24的运动受到重力辅助。热工作流体从第一端26上升，在第二端28处冷却，并且然后通过重力向下排回。竖直定向的热管22、24有时被称为热虹吸管。

在其它实施例中，热管22、24可以水平地定向。工作流体能够使用芯吸结构水平地移动。工作流体能够通过毛细作用或其它手段移动通过芯吸结构。应该理解，热管22、24也能够以从0°(水平)到90°(竖直)的角度定向。

热管22、24可以被构造成使用单相工作流体或双相工作流体。单相工作流体在它移动通过热管22、24时不发生相变。双相工作流体在它移动通过热管22、24时经历相变。通常，双相工作流体在热管22、24的热端处蒸发，并在热管22、24的冷端处冷凝。使用双相工作流体的热管22、24是优选的，因为它们能够比单相系统传递更多的热。

在一个实施例中，热管22、24各自包括细长的密封腔室，吸芯被安设到该腔室中，少量的工作流体或热传递流体被填充到该腔室中，并在腔室中形成真空。在壳体13内侧或壳体13的外表面上的、热管22、24的第一端26可称为蒸发器端26。在此处排出热的、热管22、24的第二端28可称为冷凝器端28。

在蒸发器端26处，热从离子交换介质18通过热管22、24的壁被传递到工作流体。工作流体吸收热，并且从液体到蒸气进行相变。通过浮力效应和压力差，蒸汽在热管22、24内上升到冷凝器端28。蒸汽在冷凝器端28处从蒸汽相变回到液体，这以热的形式释放能量。热通过热管22、24的壁被传导到作为自然对流散热器30的一部分的翅片，并且通过自然对流被继续传递到环境空气。热管22、24内的冷凝的工作流体通过重力和/或封入热管中的吸芯的毛细作用返回到蒸发器端26。

由于用于沸腾和冷凝的非常高的传热系数，热管22、24是高度有效的热导体。有效热导率随热管长度而变化，并且与对于铜而言约为0.4kW/(m·K)相比，对于长的热管，能够接近100kW/(m·K)。在美国专利No.3,229,759中示出了热管的一个实例，该专利的全部内容通过引用并入本文献。

热管22、24是使用蒸发-冷凝来传递能量的一整类传热装置。热管可以有以下名称：恒电导热管(CCHP)、蒸气室(扁平热管)、可变导热管(VCHP)、压力控制热管(PCHP)、二极管热管、热虹吸管和旋转热管。

热管22、24的直径、长度和物理构造可以具有任何实用的尺寸或构造，以允许它们起到从离子交换柱12和离子交换介质14除热的功能。热管22、24可以由不锈钢或与在离子交换柱12中包含的液体和离子交换介质18相容的任何其它金属制成。热管22、24内的工作流体可以是水或具有期望的性能的其它液体，以将柱体温度保持在期望范围内。芯吸结构(或芯吸结构缺失)能够由烧结的铜或产生期望的热管性能的材料和结构的任何其它组合来制造。

应当理解，可以仅结合一个特定实施例来描述一些构件、特征和/或构造，但是可以将这些相同的构件、特征和/或构造应用于或者由很多其它实施例一起使用，并且除非另有说明或者除非这样的构件、特征和/或构造在技术上不可能与其它实施例一起使用，否则应该被认为适用于其它实施例。因此，各种实施例的构件、特征和/或构造能够被以任何方式组合在一起，并且这样的组合是通过该声明被明确地设想和公开的。

在权利要求书中叙述的术语应当被赋予如通过参考广泛使用的通用词典和/或相关技术词典中的相关条目所确定的其通常的和习惯的含义、本领域技术人员通常理解的含义等，并且理解到，由这些来源中的任何一个或其组合所赋予的最广泛的含义应该被给予权利要求术语(例如，两个或更多个相关的字典条目应当被组合以提供该条目组合的最广泛的含义等)，其例外情况仅有：(a)如果术语的使用方式比其普通和习惯的含义更广泛，则该术语应该给给予其普通和习惯的含义加上额外的扩展含义；或者(b)如果通过在后面跟着短语“如在这里使用的应当意味着”或类似的语言(例如，“在这里这个术语意味着”、“如在此定义的”、“为了本公开的目的，该术语应该意味着”等等)地叙述术语，该术语已经被明确地定义为具有不同的含义。

对具体实例的引用，“即”的使用、单词“发明”的使用等并非意在引起例外(b)或以其它方式限制所叙述的权利要求术语的范围。除了例外(b)适用的情况外，此处所包含的任何内容均不应视为权利要求范围的放弃或否认。

在权利要求中叙述的主题不与本文所示的任何特定实施例、特征或特征的组合同延，并且不应被解释为与其同延。即使在此仅示意和描述了特定特征或特征的组合的单个实施例，情况也是如此。因此，所附权利要求应鉴于现有技术和权利要求术语的含义而被给予其最宽泛的解释。

如这里所使用地，诸如“左”、“右”、“前”、“后”等的空间术语或方向术语与附图中示出的主题相关。然而，应该理解，所描述的主题可以采取各种可替代的定向，并且因此这些术语不被认为是限制性的。

诸如“该”和“一”的冠词能够表示单数或复数。而且，在没有前面的“任一”(或者表示“或”明确地意味着是排它性的其它类似语言，例如，只有x或y中的一个，等等)的情况下使用的单词“或”应被解释为是包含性的(例如，“x或y”意味着x或y中的一个或两个)。

术语“和/或”也应被解释为是包含性的(例如，“x和/或y”意味着x或y中的一个或两个)。在“和/或”或“或”为三个或更多项目的组用作连词的情况下，该组应被解释为仅包括一个项目、所有项目一起，或者这些项目的任何组合或数目。此外，在说明书和权利要求中使用的术语诸如具有和包括应当被解释为与术语“包含”同义。

除非另外指出，否则在说明书(除权利要求书以外)中使用的所有数字或表达，例如表达维度、物理特性等的那些，均被理解为在所有情况下都被术语“近似”修饰。起码并且并不试图限制权利要求的等同原则的应用地，在说明书或权利要求书中叙述的由术语“近似”修饰的每个数字参数至少应根据所叙述的有效位的数目和通过应用通常的舍入技术来理解。

所有公开的范围应被理解为涵盖并且提供对叙述其中包含的任何和所有子范围或任何和全部个别值的权利要求的支持。例如，1至10的陈述范围应被视为包括并提供对叙述在最小值1和最大值10之间和/或包括最小值1和最大值10的任何和所有子范围或个别值的权利要求的支持；即以最小值为1或更大开始并以最大值10或更小结束的子范围(例如，5.5到10、2.34到3.56，等等)或从1到10的任何值(例如3、5.8、9.9994，等等)。

所有公开的数值应理解为从0-100％在任一方向上是可变的，并因此为叙述这些值或可由这些值形成的任何和所有范围或子范围的权利要求提供支持。例如，陈述的数值8应该被理解为从0到16变化(在任一方向上为100％)，并且为叙述该范围本身(例如，0到16)、该范围内的任何子范围(例如，2到12.5)或该范围内的任何单个值(例如15.2)的权利要求提供支持。

Claims (19)

1.一种离子交换系统，包括：

辐射屏蔽件；

离子交换柱，所述离子交换柱包括：由所述辐射屏蔽件包围的壳体，和设置在所述壳体内的离子交换介质，所述辐射屏蔽件限定所述辐射屏蔽件和所述离子交换柱之间的间隙，其中所述间隙是所述辐射屏蔽件和壳体之间的封闭体积；和

被动冷却系统，所述被动冷却系统包括用于将热从所述离子交换柱转移走的工作流体，所述被动冷却系统包括封装所述工作流体的细长热管，其中所述工作流体位于所述细长热管内，所述细长热管沿着所述离子交换柱的壳体的表面延伸，并穿过所述间隙和所述辐射屏蔽件，以将来自所述离子交换柱的热散发到周围环境；

其中所述被动冷却系统是封闭系统；并且

其中当所述离子交换柱在使用中并且至少部分地装载有一种或多种放射性核素时，液体废弃物流经所述离子交换柱，将热传递到所述离子交换柱之外，并且其中当所述离子交换柱停止使用、排放并且至少部分地装载有一种或多种放射性核素时，所述工作流体将热从所述壳体内部传递到所述辐射屏蔽件外部。

2.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述被动冷却系统包括自然对流散热器，所述自然对流散热器增强离开所述工作流体的热传递。

3.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述热管是热虹吸管。

4.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中，所述细长热管至少大致竖直地定向。

5.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述细长热管是第一热管，并且所述离子交换系统包括第二热管，并且其中所述第二热管包括位于所述壳体的内侧的第一部分和在所述壳体的外侧延伸并穿过所述辐射屏蔽件的第二端，以将热散发到周围环境。

6.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述细长热管包括设置为抵接所述离子交换柱的壳体的第一部分和设置为背离所述壳体延伸并穿过所述辐射屏蔽件的第二端部分。

7.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述被动冷却系统包括双相工作流体。

8.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述被动冷却系统包括单相工作流体。

9.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述一种或多种放射性核素包括Cs-137。

10.根据权利要求1所述的离子交换系统，其中所述热管的第二端穿过所述间隙和所述辐射屏蔽件，所述热管的第一端为位于所述间隙中的封闭端。

11.一种离子交换柱被动冷却的方法，包括：

用离子交换柱从液体废弃物流分离放射性核素，所述离子交换柱包括壳体；

当所述离子交换柱至少部分地装载有放射性核素时，将所述离子交换柱从服务中移除；以及

用封闭系统中的工作流体被动地冷却所述离子交换柱，所述封闭系统包括细长热管，所述细长热管将来自所述离子交换柱的热散发到周围环境；

其中工作流体位于所述细长热管中，所述细长热管延伸以抵接所述离子交换柱的表面，并穿过所述壳体和辐射屏蔽件，所述辐射屏蔽件限定所述辐射屏蔽件和所述壳体之间的间隙，其中所述间隙是所述辐射屏蔽件和壳体之间的封闭体积。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述细长热管包括延伸至所述间隙中的端部分。

13.根据权利要求11所述的方法，包括：当所述离子交换柱脱机并且不再从所述液体废弃物流分离放射性核素时，被动地冷却所述离子交换柱。

14.一种离子交换系统，包括：

离子交换柱，所述离子交换柱包括壳体和设置在所述壳体内的离子交换介质；和

细长热管，所述细长热管与所述离子交换柱热连通，所述细长热管具有第一封闭端和第二封闭端；

其中所述细长热管包括设置为抵接所述离子交换柱的壳体的表面的第一部分和设置为背离所述壳体延伸的第二部分；

辐射屏蔽件，所述辐射屏蔽件包围所述离子交换柱，所述辐射屏蔽件和壳体限定所述辐射屏蔽件和所述离子交换柱壳体之间的填充有气体的间隙，其中所述间隙是所述辐射屏蔽件和壳体之间的封闭体积；

其中所述第二部分延伸穿过所述间隙和所述辐射屏蔽件，以用于将来自所述离子交换柱的热散发到周围环境；并且

其中当所述离子交换柱在使用中并且至少部分地装载有一种或多种放射性核素时，液体废弃物流经所述离子交换柱，将热传递到所述离子交换柱之外；

其中当所述离子交换柱停止使用、排放并且至少部分地装载有一种或多种放射性核素时，所述离子交换介质将热从所述热管的第一部分传递到所述第二部分；

其中所述细长热管被构造为与所述离子交换柱直接热连通。

15.根据权利要求14所述的离子交换系统，其中所述热管是热虹吸管。

16.根据权利要求14所述的离子交换系统，其中所述细长热管的第二部分包括自然对流散热器，所述自然对流散热器增强离开所述热管的热传递。

17.根据权利要求14所述的离子交换系统，其中，所述热管是第一热管，并且所述离子交换系统包括第二热管。

18.根据权利要求17所述的离子交换系统，其中所述第二热管包括位于所述壳体的内侧的第一部分和在所述壳体的外侧延伸并穿过所述辐射屏蔽件的第二部分，以将热散发到周围环境。

19.根据权利要求14所述的离子交换系统，其中所述细长热管的第一部分为延伸到所述间隙的封闭第一端。

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