DE2628169A1 - Verfahren und vorrichtung zur ueberfuehrung von radioaktiven ionenaustauscherharzen in eine lagerfaehige form - Google Patents

Description

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Anwaltsakte 27 13¹I 23.6.1976

ÖSTERRETCHTSCHE STUDTENGESELLSCHAFT FÜR ATOMENERGIE Ges.m-b.H«. _; Wien VEREINIGTE EDELSTAHLWERKE Aktiengesellschaft

Verfahren und Virrichtung zur Überführung v->n aktiven Tonenaustauscherharzen in eine lagerfähige Firm

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überführung von radioaktiven lonenaustauscherharzen durch eine thermische Behandlung in eine lagerfähige Form.

Ionenaustauscherharze finden ihre Anwendung sowohl bei Kernkraftwerken als auch in Anlagen zur Wiederaufbereitung von Kernbrennstoffen. Durch die Ionenaustauscherharze kann das Volumen von radioaktiven Abfällen wesentlich verringert werden. So wird bei der Reinigung von Abwässern eine Konzentrierung des suspendierten und des gelösten radioaktiven Abfalles im Ionenaustauscher erreicht. Bisher war- und ist es üblich, den Ionenaustauscher zu regenerieren, die anfallenden Lösungen aufzuarbeiten (Verdampfen, Fällen) und den gereinigten Austauscher wieder einzusetzen. Von diesem Weg wird immer mehr abgegangen und es kommen im verstärkten Maße sogenannte Einwegionenaustauscherharze zum Einsatz, da diese rascher beladen werden können, wobei gleichzeitig ihre Kapazität besser genützt werden kann. Diese Einwegionenaustauscherharze sind meist feinpulverisiert. *^:

Sowohl die erschöpften, mehrfach verwendeten Ionenaustauscher« harze als auch dieEmvegimenaustauscherharise müssen einer Lagerung zugeführt werden. Eine Lagerung in loser Form, z.B. in Stahlfässern, kann nur unter bestimmten Voraussetzungen durchgeführt werden, da im allgemeinen nicht mit genügender Sicherheit ein Austreten der radioaktiven Substanzen in die Umwelt vermieden werden kann.

Es sind bereits verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, Ionenaustauscher in eine für eine Endlagerung geeignete stabilisierte Form zu überführen. Alle diese Verfahren sind mit erheblichen Nachteilen behaftet. Ein direktes Einbringen von Ionenaustauscherharzen in Bindemittel, wie es von radioaktiven Aschen bekannt ist, kann, nicht empfohlen werden, da das Harz einer radiolytischen Zersetzung unterliegt, wobei unter anderem

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brennbare Gase gebildet werden, sodaß in den Lagerräumen für die gebundenen Ionenaustauscherharze Explosionsgefahr bestehen würde.

Hasses Verbrennen durch Oxydationsmittel liefert große Mengen an aggressiven lösungen mit hohem Säure- bzw. Salzgehalt. Die Weiterverarbeitung und Verfestigung dieser Lösungen ist sehr aufwendig.

Eine thermische Behandlung des Ionenaustauscherharzes, die zum Verbrennen des Harzes führt, setzt die im Austauscher gebundenen Aktivitäten bzw. Schadstoffe in Form von Plugasche und Dämpfen frei. Dadurch wird die Verbrennungsanlage stark belastet, die Standzeit der Pilter erheblich eingeschränkt und somit weiterer aktiver Abfall neben der Asche des Harzes produziert.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist die oben angeführten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das es ohne Belastung der Umwelt erlaubt, Ionenaustauscherharze in eine lagerfähige Form überzuführen.

Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß die Ionenaustauscherharze in einem eine Verbrennung nichtunterhaltenden Medium unterhalb der Verdampfungs- und/oder Sublimations temperaturen der gebundenen Schadstoffe thermisch zersetzt werden. Dadurch werden Ionenaustauscherharze in eine gegen radiolytische Zersetzung ausreichend stabile und lagerfähige Form überführt, da keine bzw. keine wesentliche weitere Zersetzung mehr stattfinden kann. Plugaschen entstehen bei dieser Art der Behandlung nicht, weil es zu keiner Verbrennung kommt. Die radioaktiven Stoffe verbleiben auf dem Rückstand nach der thermischen Behandlung, da die Siedepunkte bzw. Sublimationspunkte von anorganischen Verbindungen im allgemeinen höher sind, als die Temperaturen, die zur thermischen Zersetzung benötigt werden. Die erfindungsgemäß behandelten Ionenaustauscher- , harze können entweder in der erhaltenen Form einer Lagerung zugeführt werden, oder zusätzlich in an sich bekannter Weise z.B. in Beton oder Bitumen eingebettet werden, um sie gegen laugung bei eventuellen Wassereinbrüchen zu schützen.

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Gemäß einem weiteren Merkmal des erfindungsgemäßen VerfaJaren wird die thermische Zersetzung in inerter oder reduzierender · Gasatmosphäre durchgeführt, wodurch die Bildung von feinteiligen Partikeln, insbesondere Oxyden, vermieden wird.

Gemäß einem weiteren -Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahren soll bei der thermischen Zersetzung eine Temperatur unter 500 ° C eingehalten werden. Diese Temperatur reicht aus, um eine thermische Zersetzung des lonenaustauscherharzes zu erreichen, ohne daß wesentliche Mengen der radioaktiven Stoffe in die Gasphase übergehen.

Gemäß einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung werden die flüchtigen Zersetzungsprodukte in einem Kondensator kondensiert. Dadurch wird einerseits die Einhaltung eines erwünschten Druckes erleichtert und andererseits eine vom lonenaustauscherharz getrennte Aufnahme für das Kondensat'ermöglicht. '·

"Wird das Ionenaustauscherharz während seiner thermischen Zersetzung von einer Flüssigkeit umgeben, so kann durch diese das eine Verbrennung nichtunterhaltende Medium gebildet werden, wobei gleichzeitig eine gleichmäßige Erhitzung des lonenaustauscherharzes gewährleistet ist. Als Flüssigkeit können beispielsweise geschmolzene Paraffine oder hochsiedende Öle verwendet werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, die Flüssigkeit nach, der thermischen Zersetzung abzudestillieren. Dadurch wird einerseits eine mechanische Zerstörung der Rückstände des Ionenaustauscherharzes verhindert, wodurch eine leichtere

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Einbettung derselben im Bindemittel, z.B. Bitumen, ermöglicht wird, und andererseits wird vermieden, daß zusätzliche Hilfseinrichtungen zur Abtrennung der Flüssigkeit erforderlich sind.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Medium durch die bei der thermischen Zersetzung gebildeten Gase aufgebaut werden. Durch diese Vorgangsweise wird der Einsatz eines eigenen Mediums vermieden, wodurch eine besonders einfache und die Umwelt sehr wenig belastende Überführung von Ionenaustauscherharzen in eine lagerfähige Form gewährleistet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich besondes einfach . und. vorteilhaft in einer Vorrichtung durchführen, die im wesentlichen einen gasdichten Ofen aufweist, in dem zumindest ein Behälter gegebenenfalls ein Iransportbehälter für das Ionenaustauscherharz anordenbar ist und daß der Ofen mit einem Kondensator gasdicht verbunden ist. Eine derartige ' Vorrichtung erlaubt eine schnelle und einfache Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Kontamination der Umwelt soweit wie möglich vermeidbar ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der Kondensator unterhalb des Ofens angeordnet. Durch eine derartige Anordnung ist die Abführung der kondensierbaren Zersetzungsprodukte besonders leicht und schnell durchführbar.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung und von Beispielen näher erläutert.

In der Zeichnung ist ein Ofen mit Kondensator dargestellt.

Bei der in der Zeichnung dargestellten Anlage ist unterhalb des Ofens 1 ein Kondensator 2 angeordnet. Der Ofen weist eine durch einen Deckel 3 verschließbare Öffnung auf, durch welche ein Transportbehälter 4» in welchem Ionenaustauscherharz 5 angeordnet ist, einfahrbar ist. Der Transportbehälter kommt auf einer perforierten Platte 6 zu stehen, welche als Ab-

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Schluß gegenüber dem Kondensator dient. Der Ofen weist eine zylinderförmige ¥andung 7 mit einem Heizleiter 8 auf. Beide sind von einer thermischen Isolierung 9 umgeben, die den Wärmeverlust verringern soll. Der Deckel 3 weist eine Gasein- bzw. -auslaßleitung 10 mit einem Ventil 11 auf. Am Deckel ist ferner ein Manometer 12 befestigt, mit dem der Gasdruck im Ofen gemessen werden kann. Am Deckel ist weiters ein Thermometer 13 vorgesehen, das in das Ionenaustauscherharz hineinreicht. Durch die Schrauben 14· ist der Deckel 3 mit der Wandung 7 verbunden. Zwischen Transportbehälter 4- und zylinderförmiger Wandung 7 sind Durchlaßöffnungen für die gasförmigen Zersetzungsprodukte, welche im Kondensator kondensiert werden sollen, vorgesehen. Palis eine Vorrichtung für verschiedene Größen von Transportbehältern erforderlich ist, kann die Wärmezufuhr beispielsweise durch die perforierte Platte 6 erfolgen.

Der Kondensator 2 ist mit dem Ofen 1 lösbar verbunden. Der Kondensator ist durch eine zylinderförmige Wandung 15» einen Deckel 16 und Wärmeaustauschereinsatz 17 gebildet. Die zylinderförmige Wandung 15 kann, wie dargestellt, doppelmantelig sein und einen Kühlwasseranschluß 18 aufweisen. Dieser Kühlwasseranschluß kann gleieiizeitig auch für den Wärmeaustauschereinsatz dienen oder es ist ein eigener Kühlwasseranschluß 19 für diesen vorgesehen. Der Deckel 16 weist an seiner tiefsten Stelle einen Ablaß 20 für das Kondensat auf. Weiters ist am Deckel 16 ein T-Rohr 21 mit zwei Ventilen 22 und 23 vorgesehen. Durch dieses T-Rohr kann eine Verbindung mit einer Vakuumpumpe (nicht dargestellt) erreicht werden, bzw. kann durch den zweiten Auslaß des T-Rohres Abgas abgeleitet werden. Zur besseren Abscheidung des Kondensats, das durch den Ablaß 20 abgelassen werden kann, sind an dem Wärmeaus tauschere insatz 17 Prallbleche 24 vorgesehen.

Die Funktionsweise der Anlage wird im folgenden anhand eines Beispiels erklärt: _T

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Der angelieferte Transportbehälter 4 mit radioaktivem Ionenaustauscherharz wird geöffnet und in den Ofen 1 eingesetzt, sodann wird der Ofen mit dem dazugehörigen Deckel 3 verschlossen. Vorerst wird das Ionenaustauscherharz auf eine Temperatur von · 1OO^!bis 120⁰C erwärmt, wobei die Dämpfe durch die Leitung oder durch das T-Rohr 21 abgesaugt werden, sodaß ein geringer Unterdruck in der Anlage entsteht. Ist das Harz trocken, so kann eine weitere Erhitzung durchgeführt werden. Ist es nicht erwünscht bzw. nicht erforderlich, daß das Ionenaustauscherharz von einer Flüssigkeit umgeben wird, so wird die Anlage über die Leitungen 10 bzw. über das T-Rohr 21 evakuiert, worauf ein die Verbrennung nicht unterhaltendes Gas., z.B. ein Inertgas wie Edelgase bzw. Stickstoff, oder auch ein reaktives Gas mit reduzierenden Eigenschaften, z.B. GO. eingeleitet wird. Unter Einhaltung eines erwünschten Druckes wird die Temperatur stetig auf 280 bis 500 C je nach Beschaffenheit des Ionenaustauscherharzes gesteigert. Bei diesen Temperaturen verschwelen die Harze soweit, daß sie durch Radiolyse nicht weiterzersetzt werden können. Die Dämpfe gelangen vom Ofen zwischen zylinderförmiger Wandung 7 und Transportbehälter 4 über die perforierte Platte 6 in den Kondensator 2, in welchem sie an den Wärmeaustauschereinsatz 17 kondensieren. Gegebenenfalls mitgerissene Flüssigkeitströpfchen werden an den Prallflächen abgeschieden. Das Kondensat wird im unteren Teil des Kondensators aufgefangen. Palis erforderlich können Gase über die Leitung 10 oder auch über das T-Rohr abgelassen werden. Diese Gase enthalten keine Flugasche od.dgl., werden jedoch zur Sicherheit vor Ablaß in die Atmosphäre durch.geeignete Vorrichtungen, 'z.B. Filter, gereinigt.

Unter diesen Bedingungen - die reduzierende Atmosphäre verhindert die Bildung·.von flüchtigen Oxyden - bleiben die von Ionenaustauscher ■ aufgenommenen aktiven Ionen als nichtflüchtige Verbindungen im Harzrückstand gebunden. Es werden über-

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rasctiender Weise die Schadstoffe "bei diesem Prozeß in so kleinen Konzentrationen freigesetzt, wie dies nur "bei einer gutgeführten Destillation von Abwässern erreicht wird.

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Das kondensat enthält maximal 10 bis 10 der im Ionenaustauscher fixierten Mengen an Cäsium, dessen Flüchtigkeit besonders hoch ist. Die Werte für Strontium sind kleiner als

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10 der am Ionenaustauscher fixierten Menge.

Hach beendeter thermischer Zersetzung des Ionenaustauscherharzes wird in die Anlage Gas eingeleitet, sodaß Normaldruck erreicht wird, worauf der Transportbehälter 4 entnommen wird. Das Ionenaustauscherharz weist nunmehr eine Form auf, in welcher keine weitere Zersetzung durch Radiolyse stattfinden kann, sodaß bei Langzeitlagerung auch keine explosiven Gase gebildet werden. Auf dem Rückstand des Ionenaustauscherharzes sind nach wie vor die radioaktiven Substanzen fixiert. Die Rückstände können sodann z.B. in Beton oder Bitumen eingebettet und einer Endlagerung zugeführt werden. Weiters besteht die Möglichkeit, den Rückstand als solchen zu lagern, wenn er gegen Wassereinbruche hinreichend gesichert werden kann.

Das Kondensat, welches durch die kondensierten Abgase gebildet wird, kann, wenn erforderlich, eingedampft und eventuell verbrannt werden, da durch dieses keine Flugasche od. dgl. ge- bildet wird.

Wird die Verschwelung des Ionenaustauscherharzes in einer Flüssigkeit durchgeführt, die nicht oxydierend wirkt, z„B. ein höher siedendes Öl, Paraffin od.dgl., so ist auch die Entfernung der Luft und eine Spülung der Anlage mit Inertgas zu empfehlen. Der gesamte Verfahrensablauf deckt sich im wesentlichen mit äenem, wie er ohne Verwendung einer Flüssigkeit gegeben ist. Als wesentlicher Unterschied ergibt sich lediglich, daß das Kondensat aus dem Kondensator abgelassen werdensoll, bevor eine Destillation der Flüssigkeit unter Vakuum aus dem Abfallbehälter heraus ,erfolgt. Falls

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eine Destillation aus irgendwelchen Gründen nicht erwünscht ist, da z.B. der Siedepunkt der Flüssigkeit zu hoch ist, kann diese auch aus dem Transportbehälter wieder abgesaugt werden. Die Flüssigkeit kann nach der thermischen Behandlung des Ionenaustauscherharzes Spuren von. radioaktiven Stoffen aufweisen. Die Radioaktivität dieser Flüssigkeit ist jedoch nicht von hoher Bedeutung, da die Flüssigkeit erneut für die thermische Zersetzung von weiteren Ionenaustauscherharzen eingesetzt wird.

Ionenaustauscherharze in Pulverform, die nach dem !Trocknen besonders fein und staubend vorliegen, werden vor dem Verschwelen vorteilhaft mit hochsiedendem öl versetzt, das durch die entstehenden Crackprodukte die Pulverpartikel abbindet und das Harz staubfrei macht.

Zusätzlich wird dadurch eine lokale Überhitzung eines Ionen-' austauschers während des Schwelprozesses verhindert, weil freiwerdende Wärmeenergie durch die Verdampfungswärme des zugesetzten Mediums kompensiert werden. ■

Derart vorbehandelte Ionenaustauscher lassen sich sehr vorteilhaft in Bitumen einbetten, weil die Oberfläche der Harzpartikel nach diesem Verfahrensschritt vom Bitumen besonders gut benetzt werden.

r Patentansprüche -

ORIGINAL INSPECTED

R 3/0844

Claims (1)

1. Verfahren zur Überführung von radioaktiven Ionenaustauscherharzen durch eine thermische Behandlung in eine lagerfähige Form, dadurch gekennzeichnet, daß die Ionenaustauscherharze, in einem eine Verbrennung nichtunterhaltenden Medium unterhalb der Verdampf ungs- bzw. Sublimations temperatur der gebundenen Schadstoffe thermisch zersetzt werden.

   2. Verfahren nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die thermische Zersetzung in inerter oder reduzierender Gas-' atmosphäre durchgeführt wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der thermisch
   eingehalten wird.

   bei der thermischen Zersetzung eins Temperatur unter 500 ° C

   ~. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die flüchtigen Zersetzungsprodukte an einem Kondensator kondensiert werden.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ionenaustauscherharz während seiner thermische Zersetzung von einer Flüssigkeit umgeben wird.

   β. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit nach der thermischen Zersetzung abdestilliert wird.

   Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium durch die bei der thermischen Zersetzung gebildeten Gase aufgebaut wird.

   8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein gasdichter Ofen vorgesehen ist, in dem zumindest ein Behälter, gegebenenfalls ein Transportbehälter für den Abfall, anordenbar ist und daß der Ofen mit einem Kondensator gasdicht verbunden ist.

   . 609883/0844

   9. Vorrichtung nach. Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator unterhalt) des Ofens angeordnet ist.

   Der Bevol !nächtigte:

   ORJGiNAL INSPECTED 609 8-8 3/0844

   At

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