DE2628169C2

DE2628169C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überführung von radioaktiven Ionenaustauscherharzen in eine lagerfähige Form

Info

Publication number: DE2628169C2
Application number: DE2628169A
Authority: DE
Inventors: Heinz Ternitz Jakusch; Karl Dr. Eisenstadt Knotik; Peter Wien Leichter
Original assignee: Oesterreichische Studiengesellschaft fuer Atomenergie GmbH
Current assignee: Oesterreichische Studiengesellschaft fuer Atomenergie GmbH
Priority date: 1975-06-26
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1986-10-09
Also published as: ATA494375A; IT1066169B; JPS525000A; FR2317740A1; US4235738A; ZA763577B; FR2317740B1; GB1544128A; AT338388B; CH613302A5; DE2628169A1

Description

Vorrichtung zu dessen Durchführung zu schaffen, das es ohne Belastung der Umwelt erlaubt Ionenaustauscherharze in eine lagerfähige Form überzuführen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst- Das beanspruchte Verfahren besteht wesentlich darin, daß die Ionenaustauscherharze in einem eine Verbrennung nicht unterhaltenden Medium unterhalb der Verdampfungs- und/oder Sublimationstcmperaturen 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. Flugaschen 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 behandelten Ionenaustauscherharze 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.

Durch die thermische Zersetzung in inerter oder reduzierender Gasatmosphäre wird die Bildung von feinteiligen Partikeln, insbesondere Oxyden, vermieden.

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

Gemäß Anspruch 2 werden die flüchtigen Zerset-/ungsprodukte in einem Kondensator kondensiert. Dadurch wird einerseits die Einhaltung eines erwünschten Druckes erleichtert und andererseits eine vom Ionenaustauscherharz getrennte Aufnahme für das Kondensat ermöglicht.

Wird das lonenaustauscherharz gemäß Anspruch 3 während seiner thermischen Zersetzung von einer Flüssigkeil umgeben, so kann durch diese das eine Verbrennung nicht unterhaltende Medium gebildet werden, wobei gleichzeitig eine gleichmäßige Erhitzung des ionenaustauscherharze!: gewährleistet ist. Als Flüssigkeit können beispielsweise geschmolzene Paraffine oder hochsiedende Öle verwendet werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, gemäß Anspruch 4 die Flüssigkeit nach der thermischen Zersetzung abzudestillieren. Dadurch wird einerseits eine mechanische Zerstörung der Rückstände des Ionenaustauschcrharzes verhindert, wodurch eine leichtere Einbettung derselben im Bindemittel, z. B. Bitumen, ermöglicht wird, und andererseits wird vermieden, daß zusätzliche Hilfseinrichtungen zur Abtrennung der Flüssigkeit erforderlich sind.
Gemäß Anspruch 5 kann das Medium durch die bei

Ant· ltiaftYtic^Kon 7ür*cef-»iιr»fT ι

anfcr«*Kan> sentlichen einen gasdichten Ofen aufweist, in dem zumindest ein Behälter gegebenenfalls ein Transportbehälter für das lonenausiauscherharz anordenbar ist und daß der Ofen mit einem Kondensator gasdicht verbunden ist Eine derartige Vorrichtung erlaubt eine schnelle und einfache Durchführung des Verfahrens, wobei eine Kontamination der Umwelt soweit wie möglich vermeidbar ist

Gemäß Anspruch 7 ist der Kondensator unterhalb ίο 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 eines Beispiels 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 lonenaustauscherharz 5 angeordnet ist einfahrbar ist Der Transportbehälter kommt auf einer perforierten Platte 6 zu stehen, welche als Abschluß gegenüber dem Kondensator dient. Der Ofen weist eine zylinderförmige Wandung 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 lonenaustauscherharz 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. Falls 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 gleichzeitig 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 Wärmeaustauschereinsatz 17 Prallbleche 24 vorgesehen.
Die Funktionsweise der Anlage wird im folgenden

werden. Durch diese Vorgangsweise wird der Einsatz eines eigenen Mediums vermieden, wodurch eine besonders einfache und die Umwelt sehr wenig belastende Überführung von lonenaustauscherharzen in eine lagerfähige Form gewährleistet ist.

Das Verfahren läßt sich besonders einfach und vorteilhaft in einer Vorrichtung durchführen, die im we-Der angelieferte Transportbehälter 4 mit radioaktivem lonenaustauscherharz wird geöffnet und in den Ofen 1 eingeretzt, sodann wird der Ofen mit dem dazugehörigen Deckel 3 verschlossen. Vorerst wird das lonenaustauscherharz auf eine Temperatur von 100 bis 120⁰C erwärmt, wobei die Dämpfe durch die Leitung 10 oder durch das T-Rohr 21 abgesaugt werden, so daß ein ge-

ringer 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. CO eingeleitet wird. Unter Einhaltung eines erwünschten Druckes wird die Temperatur stetig auf 280 bis 500⁰C je nach Beschaffenheit des lonenaustauscherharzes 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. Gegebenfalls mitgerissene Flüssigkeitströpfchen werden an den Prallflächen abgeschieden. Das Kondensat wird im unteren Teil des Kondensators aufgefangen. Falls erforderlich können Gase über die Leitung 10 oder auch über das T-Rohr abgelassen werden. Diese Gase enthalten keine Flugasche, 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 überraschender Weise die Schadstoffe bei diesem Prozeß in so kleinen Konzentrationen freigesetzt, wie dies nur bei einer gutgeführten Destillation von Abwässern erreicht wird.

Das Kondensat enthält maximal 10~⁴ bis 10~³ der im Ionenaustauscher fixierten Mengen an Cäsium, dessen Flüchtigkeit besonders hoch ist. Die Werte für Strontium sind kleiner als 10~⁶ der am Ionenaustauscher fixierten Menge.

Nach beendeter thermischer Zersetzung des Ionenaustauscherharzes wird in die Anlage Gas eingeleitet, so daß 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, so daß bei Langzei !lagerung auch keine explosiven Gase gebildet werden. Auf dem Rückstand des lonenaustauscherharzes 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 Wassereinbrüche hinreichend gesichert werden kann.

Das Kondensat, welches durch die kondensierten Abgase gebildet wird, kann, wenn erforderlich, eingedampft und eventuell verbrannt werden, dadurch dieses keine Flugasche gebildet wird.

Wird die Verschwelung des lonenaustauscherharzes in einer Flüssigkeit durchgeführt, die nicht oxydierend wirkt, z. B. ein höher siedendes Öl bzw. Paraffin, so ist auch die Entfernung der Luft und eine Spülung der Anlage mit Inertgas zu empfehlen. Der gesamte Verfahrensabiauf deckt sich im wesentlichen mit jenem, wie er ohne Verwendung einer Flüssigkeit gegeben ist. Als wesentlicher Unterschied ergibt sich lediglich, daß das Kondensat aus dem Kondensator abgelassen werden soll, bevor eine Destillation der Flüssigkeit unter Vakuum aus dem Abfallbehälter heraus erfolgt Falls eine Destillation nicht erwünscht ist, da z. B. der Siedepunkt der Flüssigkeit zu hoch ist, kann diese auch uus dem Transportbehälter wieder abgesaugt werden. Die Flüssigkeit kann nach der thermischen Behandlung des lonenaustauscherharzes Spuren von radioaktiven Stoffen aufweisen. Die Radioaktivität dieser Flüssigkeil ist jedoch nicht schädlich, da die Flüssigkeit erneut für die thermische Zersetzung von weiteren lonenaustauschharzen eingesetzt werden kann.

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 Ionenaustauschers während des Schwelprozesses verhindert, weil freiwerdende Wärmeenergie durch die Verdampfungswärme des zugesetzten Mediums kompensiert wird.

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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überprüfung von radioaktiven Ionenaustauscherharzen in eine lagerfähige Form,

a) bei dem die Ionenaustauschharze bei Temperaturen unter 500⁰C thermisch zersetzt werden

dadurch gekennzeichnet,

b) daß die thermische Zersetzung in inerter oder reduzierter Gasatmosphäre durchgeführt wird und

c) die thermisch zersetzten Ionenaustauscherharze einer Endlagerung zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

d) daß die flüchtigen Zersetzungsprodukte an einem Kondensator (2) kondensiert werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

e) daß das Ionenaustauscherharz während seiner thermischen Zersetzung von einer Flüssigkeit umgeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

f) daß die Flüssigkeit nach der thermischen Zersetzung abdestilliert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

g) daß die Gasatmosphäre durch die bei der thermischen Zersetzung gebildeten Gase aufgebaut wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

h) daß ein gasdichter Ofen (1) vorgesehen ist,
i) in dem zumindest ein Behälter für das lonenaustauscherharz sowie gegebenenfalls ein Transportbehälter (4) für den Abfall anordenbar ist
j) und daß der Ofen (1) mit einem Kondensator (2) gasdicht verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

k) daß der Kondensator (2) unterhalb des Ofens (1) angeordnet ist.

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 z,u regenieren, 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 Ionenaustauscherharze als auch die Einwegionenaustauscherharze müssen einer Endlagerung zugeführt werden. Eine Lagerung in loser Form, z. B. in Stahlfässern, kann nicht durchgeführt werden, da 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 stabilisierbare Form zu überführen.

So beschreibt die US-PS 37 91 981 ein Verfahren zur Volumenrecluzierung von radioaktiv kontaminierten Ionenaustauscherharzen, in dem die kontaminierten lonenaustascherharze mit einem Lösungsmittel mit einer Dielektrizitätskonstante von 45 oder weniger behandelt werden. Als Lösungsmittel werden Methanol, Ethanol und Aceton vorgeschlagen.

In der US-PS 33 34 050 wird eine Verfahren zur Herstellung von radioaktiven Quellen, die das radioaktive Material fest gebunden und in nicht auswaschbarer Form enthalten, beschrieben. In diesem Verfahren werden zunächst die Lösungen, enthaltend die radioaktiven Ionen mit einem lonenaustauscherharz in Kontakt gebracht und anschließend das Harz verschwelt.

In der DE-AS 10 71 861 wird ein Verfahren zur Veraschung von radioaktiv beladenen Stoffen in einer druckfesten Kammer mit einem oxydierend wirkenden Gas beschrieben.

Alle diese Verfahren sind mit erheblichen Nachteilen behaftet. Ein direktes Einbringen von loncnaustauscherharzen in Bindemittel, wie es von radioaktiven Aschen bekannt ist, kann nicht empfohlen werden, da das Harz einer radiolytischen Zersetzung unterliegt, wobei unter anderem brennbare Gase gebildet werden, so daß in den Lagerräumen für die gebundenen Ionenaustauscherharze Explosionsgefahr bestehen würde.
Nasses 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 lonenaustauschcrharzes, die zum Verbrennen des Harzes führt, setzt die im Austauscher gebundenen Aktivitäten bzw. Schadstoffe in Form von Flugasche und Dämpfen frei. Da-

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überführung von radioaktiven lonenaustauscherharzen in eine lagerfähige Form nach den Oberbegriffen der Anspruch 1 und 6, welche z. B. aus der US-PS 33 34 050 bereits bekannt sind.

Standzeit der Filter erheblich eingeschränkt und somit weiterer aktiver Abfall neben der Asche des Harzes produziert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die oben angeführten Nachteile der Erzeugung schädlicher ReaktionsDrodukte zu vermeiden und ein Verfahren und eine