DE19913103C1

DE19913103C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Verdampferkonzentraten aus kerntechnischen Anlagen

Info

Publication number: DE19913103C1
Application number: DE19913103A
Authority: DE
Inventors: Manfried Lasch; Udo Krumpholz
Original assignee: Kgb Kernkraftwerke Gundremmingen Betriebsgesellschaft MbH
Current assignee: Kernkraftwerk Gundremmingen GmbH
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 1999-03-23
Publication date: 2000-12-14
Anticipated expiration: 2019-03-24
Also published as: US6218592B1

Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Aufbereitung von radioaktiven Verdampferkonzentraten aus dem Verdampfungssystem von kerntechnischen Anlagen, bei dem man DOLLAR A (a) das Verdampferkonzentrat von ungelösten Bestandteilen befreit, DOLLAR A (b) das in dem Verdampferkonzentrat enthaltene Natriumsulfat als Glaubersalz (Na¶2¶SO¶4¶ È 10H¶2¶O) an einem Eintauchkühler auskristallisiert, DOLLAR A (c) das an dem Eintauchkühler abgeschiedene Glaubersalz umkristallisiert, DOLLAR A (d) gegebenenfalls den Umkristallisationsschritt (c) ein- oder mehrmals wiederholt, DOLLAR A (e) im wesentlichen inaktives Natriumsulfat aus dem Prozeß abtrennt und DOLLAR A (f) das abgereicherte Verdampferkonzentrat aus Schritt (a) in das Verdampfungssystem zurückführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Verdampferkonzentraten aus dem Verdampfungssystem von kerntechnischen Anlagen, welche eine wirksame Abtrennung des enthaltenen Natriumsulfats als nicht-radioaktives Produkt und damit eine kostensparende Volumenreduktion des zu dekontaminierenden und zu entsorgenden Konzentrats ermöglichen.

In Kernkraftwerken mit Siedewasserreaktor wird das Hauptkondensat mit Ionen austauscherharzen von festen, ionischen und radiochemischen Verunreinigungen befreit. Bei der Regeneration der Ionenaustauscherharze mit Natronlauge und Schwefelsäure entstehen Lösungen, die nach der Neutralisation einer Verdampfer anlage zugeführt werden, in der sie zusammen mit anderen radioaktiv belasteten Abwässern auf ca. 20% Trockensubstanz aufkonzentriert werden. Dadurch fallen je nach Anlagengröße ca. 20 bis 100 m³ Verdampferkonzentrat als flüssiger radioaktiver Abfall pro Jahr an.

Das Verdampferkonzentrat enthält ca. 1 bis 30 Vol% abtrennbare Feststoffe (Ionenaustauscher-Rückstände, ausgeflockte Waschmittel-Rückstände, Schwer metalloxide, Fasern, etc.). Gelöste Bestandteile sind hauptsächlich Natriumsulfat, dessen Anteil ca. 10 bis 25 Gew.-% betragen kann, und weitere Komponenten wie Verkrustungsinhibitoren (z. B. EDTA), Tenside, organische oder anorganische Salze aus Dekontaminationmitteln (z. B. Citrate, Oxalate, Phosphate), Aktivierungsprodukte und andere.

Bisher wurden diese Verdampferkonzentrate in einem nachfolgenden Verfahrens schritt zur Konditionierung weiter eingedampft und zu einem monolithischen Natriumsulfatblock verfestigt, welcher der End- oder Zwischenlagerung zugeführt wurde, siehe z. B. DE 38 27 897 C2. Dies hat jedoch den Nachteil, daß große Abfallvolumina anfallen und keine Dekontaminationwirkung erzielt wird, da bei der Auskristallisation des Natriumsulfats radioaktive Komponenten in die Kristalle eingeschlossen werden. Obwohl 80% oder mehr der endzulagernden Masse aus dem nicht-radioaktiven Natriumsulfat bestehen, muß dieses nach derzeitiger Praxis im Gemisch mit den radioaktiven Komponenten in recht kostspieliger Weise entsorgt werden.

Die bisherigen Verbesserungsvorschläge für die Aufbereitung von Verdampfer konzentraten und ähnlichen Abwässern aus kerntechnischen Anlagen zielten darauf ab, durch geeignete Fällungs- oder Flockungsreaktionen die Radioaktivität der Abwässer so zu binden, daß die radioaktiven Produkte entfernt werden können. Die verbleibende dekontaminierte Lösung sollte dann als schwach radioaktives Abwasser abgegeben werden. Nachteilig hieran waren die schlechten Wirkungsgrade der Fällung, so daß dieses Verfahren wegen der damit verbundenen erhöhten Radioaktivitätsabgabe in modernen Kernkraftwerken nicht einsetzbar war.

Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von radioaktiven Verdampferkonzentraten aus kerntechnischen Anlagen bereitzustellen, welche eine wirksame Trennung von radioaktiven und nicht-radioaktiven Bestandteilen und damit eine kostensparende Verringerung des zu entsorgenden Abfallvolumens ermöglichen.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Aufbereitung von radioaktiven Verdampferkonzentraten aus dem Verdampfungssystem von kerntechnischen Anlagen, bei dem man

a) das Verdampferkonzentrat von ungelösten Bestandteilen befreit,
b) das in dem Verdampferkonzentrat enthaltene Natriumsulfat als Glaubersalz (Na₂SO₄ . 10H₂O) an einem Eintauchkühler auskristallisiert,
c) das auf dem Eintauchkühler abgeschiedene Glaubersalz umkristallisiert,
d) gegebenenfalls den Umkristallisationsschritt (c) ein- oder mehrmals wiederholt,
e) im wesentlichen inaktives Natriumsulfat aus dem Prozeß abtrennt und
f) das abgereicherte Verdampferkonzentrat aus Schritt (a) in das Verdampfungssystem zurückführt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, die gekennzeichnet ist durch einen Behälter für das Verdampfer konzentrat, einen Eintauchkühler mit Einlässen und Auslässen für ein Kühl- bzw. Heizmedium und ein Kühl- bzw. Heizaggregat zur Bereitstellung des Kühl- bzw. Heizmediums.

Das im Verfahren der Erfindung eingesetzte Verdampferkonzentrat sollte weitgehend frei von ungelösten Stoffen sein, da diese eine homogene Kristallisation des Natriumsulfats ohne Einschluß radioaktiver Komponenten beeinträchtigen bzw. verhindern. Die Abtrennung der unlöslichen Stoffe kann z. B durch Filtrieren, Dekantieren, Separieren oder andere mechanische Trennverfahren erfolgen, wobei das Dekantieren bevorzugt ist.

Das im wesentlichen schwebstofffreie Verdampferkonzentrat wird bei Normaltemperatur in den Behälter einer Kristallisationsvorrichtung eingebracht, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Die Vorrichtung besteht aus einem Behälter 1 zum Aufnehmen des Verdampferkonzentrats, einem Eintauchkühler 2, der einen oder mehrere Einlässe 3 und Auslässe 4 für ein Kühl- bzw. Heizmedium aufweist und mit einem Kühl- bzw. Heizaggregat 5 verbunden ist, welches das Kühl- bzw. Heizmedium bereitstellt.

Der Eintauchkühler 2 wird durch eine (nicht gezeigte) Hebevorrichtung, z. B. einen Flaschenzug, von oben in das in den Behälter 1 eingebrachte Verdampferkonzentrat eingetaucht, nachdem der Kühler durch Einleiten eines Kühlmediums aus dem Kühl- bzw. Heizaggregat 5, z. B. Ethylenglycol/Wasser oder Salzlösung, auf ca. 0°C abkühlt worden war. Temperaturen unterhalb -2°C, d. h. dem Gefrierpunkt der Mutterlauge, sind unerwünscht, da sich in diesem Falle Eiskristalle auf der Wärmeaustauschfläche des Eintauchkühlers 2 abscheiden. Das Verdampfer konzentrat in dem Behälter 1 wird während der Kristallisation nicht bewegt oder gerührt.

Unter den genannten Bedingungen kristallisiert das Natriumsulfat als Glaubersalz (Na₂SO₄ . 10H₂O) aus der übersättigten Lösung aus und bildet auf der Kühlfläche gleichmäßige Kristallschichten, die in Abhängigkeit von der Kristalltracht noch bis zu ca. 10% Mutterlauge enthalten können. Die Bildung übermäßig dicker Kristallschichten sollte vermieden werden. Gewöhnlich beendet man die Kristallisation nach einer Dauer von ca. 8 Stunden bzw. einer maximalen Kristallschichtdicke von ca. 5 cm.

Der Eintauchkühler 2 mit der abgeschiedenen Kristallschicht wird dann aus dem Verdampferkonzentrat gehoben und noch ca. 30 Minuten über dem Behälter 1 belassen, um die anhaftende radioaktive Mutterlauge abtropfen zu lassen. Üblicherweise werden bei der Auskristallisation Dekontaminationsfaktoren von ca. 10-20 erreicht; d. h. die spezifische Aktivität der Kristalle ist um den Faktor 10-20 geringer als die der Mutterlauge. Je nach Ausgangsaktivität ist dies nicht ausreichend, um inaktives Natriumsulfat zu erhalten, so daß eine anschließende Umkristallisation erforderlich ist.

Diese Umkristallisation kann z. B. in Form einer Kühlkristallisation oder als herkömmliche Verdampfungskristallisation durchgeführt werden. Vorzugsweise wird eine Kühlkristallisation angewandt. Zu diesem Zweck wird der Eintauchkühler 2 mit den abgeschiedenen Glaubersalz-Kristallen über ein Bad aus deionisiertem (z. B. destilliertem) Wasser gebracht und durch Einleiten eines Heizmediums (z. B. warmes Wasser) auf ca. 33-40°C (z. B. 35°C) erwärmt. Hierbei schmelzen die Glaubersalz- Kristalle in ihrem eigenen Kristallwasser, gleiten in das Wasserbad und lösen sich darin auf. Die Wassermenge wird vorzugsweise so gewählt, daß die Natriumsulfat- Konzentration nahe dem Sättigungsbereich liegt, d. h. bei ca. 20 bis 30 Gew.-%.

Im Anschluß darin wird der Kühlkristallisationsschritt auf die oben beschriebene Weise wiederholt, d. h. der Eintauchkühler 2 wird durch Einleiten eines Kühlmediums auf ca. 0°C gebracht und in die erhaltene Natriumsulfatlösung getaucht. Auch hier erhält man nach ca. 8 Stunden eine gediegene Kristallschicht aus nunmehr gereinigtem Glaubersalz. Die verbleibende Natriumsulfatlösung kann mehrmals wiederverwendet werden und wird bei Bedarf ausgetauscht.

Die Gewinnung des gereinigten Glaubersalzes kann durch erneutes Erwärmen des Eintauchkühlers 2 auf < 33°C erfolgen, wobei das Salz in seinem eigenen Kristallwasser schmilzt und in ein Sammelgefäß fällt.

Alternativ kann die Umkristallisation des Glaubersalzes durch herkömmliche Ver dampfungskristallisation erfolgen, wobei in der Regel kristallwasserärmere Kristallformen von Natriumsulfat anfallen.

Die beschriebene Umkristallisation durch Kühl- oder Verdampfungskristallisation kann ein- oder mehrmals wiederholt werden. In der Praxis hat sich gezeigt, daß normalerweise zwei Umkristallisationen genügen, um einen ausreichenden Dekontaminationsfaktor von 1000-4000 zu erzielen. Generell wird die Umkristallisation solange wiederholt, bis die gewünschte Restaktivität erreicht ist.

Das so erhaltene weiße, inaktive Natriumsulfat kann auf konventionelle Weise verwertet werden und muß nicht auf kostspielige Weise als radioaktiver Betriebsabfall entsorgt werden.

Das abgereicherte Verdampferkonzentrat aus Schritt a) enthält noch ca. 4-6 Gew.-% Natriumsulfat, d. h. 60-75% des Natriumsulfats sind aktivitätsfrei abgetrennt worden.

Das abgereicherte Verdampferkonzentrat wird dem Verdampfungssystem der kerntechnischen Anlage zugeführt und kann dort auf ca. 20-25 Vol% eingeengt werden, d. h. die Menge an flüssigen, radioaktiven Betriebsabfällen wird erfindungsgemäß um mehr als 70% verringert. Diese Volumenverringerung repräsentiert den enormen wirtschaftlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das aufkonzentrierte Verdampferkonzentrat kann entweder erneut im Kreislauf zur Abtrennung von Natriumsulfat als Glaubersalz eingesetzt werden oder aber nach Eindampfen und eventueller Abklinglagerung endgelagert werden.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Kristallisationsvorrichtung umfaßt einen Behälter 1 z. B. aus Metall oder Kunststoff mit einem Aufnahmevolumen von z. B. 500 Liter. Mit Hilfe einer Hebevorrichtung, z. B. einen Flaschenzug, ist ein aus einem oder mehreren Wärmeaustauschelementen bestehender Eintauchkühler 2 in den Behälter 1 versenkbar bzw. eintauchbar. Die Wärmeaustauschelemente sind z. B. platten- oder stabförmig und und weisen vorzugsweise eine glatte Oberfläche auf. Sie können z. B. aus Edelstahl oder einem anderen korrosionsbeständigen Werkstoff bestehen. In einer bevorzugten Ausführungsform stellt der Eintauchkühler 2 einen Plattenkühler mit z. B. 5-10 Wärmeaustauscherplatten dar. Der Eintauchkühler 2 wird vorzugsweise so ausgelegt, daß auf ca. 70 Liter Verdampferkonzentrat ein Quadratmeter Wärmeaustauschfläche kommt.

Claims

1. Verfahren zur Aufbereitung von radioaktiven Verdampferkonzentraten aus dem Verdampfungssystem von kerntechnischen Anlagen, bei dem man

a) das Verdampferkonzentrat von ungelösten Bestandteilen befreit,
b) das in dem Verdampferkonzentrat enthaltene Natriumsulfat als Glaubersalz (Na₂SO₄ . 10H₂O) an einem Eintauchkühler auskristalli siert,
c) das an dem Eintauchkühler abgeschiedene Glaubersalz umkristalli siert,
d) gegebenenfalls den Umkristallisationsschritt (c) ein- oder mehrmals wiederholt,
e) im wesentlichen inaktives Natriumsulfat aus dem Prozeß abtrennt und
f) das abgereicherte Verdampferkonzentrat aus Schritt (a) in das Verdampfungssystem zurückführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Abtrennung von ungelösten Bestandteilen in Schritt (a) durch Filtrieren oder Dekantieren erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Auskristallisation in Schritt (b) bei einer Temperatur oberhalb -2°C, vorzugsweise bei etwa 0°C, durch geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Umkristallisation in Schritt (c) durch Kühlkristallisation oder Verdampfungskristallisation erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Umkristallisation als Kühl kristallisation mit Hilfe des Eintauchkühlers aus Schritt (b) durchgeführt wird, in den abwechselnd ein Heiz- bzw. Kühlmedium eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Umkristallisation in Schritt (d) mindestens einmal wiederholt wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Behälter (1) für das Verdampferkonzentrat, einen Eintauchkühler (2) mit Einlässen (3) und Auslässen (4) für ein Kühl- bzw. Heizmedium und ein Kühl- bzw. Heizaggregat (5) zur Bereitstellung des Kühl- bzw. Heizmediums.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der der Eintauchkühler (2) plattenförmige oder stabförmige Wärmeaustauschelemente mit vorzugsweise glatter Oberfläche aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der der Eintauchkühler (2) ein Plattenkühler ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der der Plattenkühler (2) 5 bis 10 Wärmeaustauschplatten aufweist.