DE3127132A1

DE3127132A1 - Verfahren zur entfernung von radioaktivem material aus organischen abfaellen

Info

Publication number: DE3127132A1
Application number: DE19813127132
Authority: DE
Inventors: John L. Groton Conn. Helm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-07-14
Filing date: 1981-07-09
Publication date: 1982-05-13
Also published as: ES8603656A1; ES503903A0; GB2080605B; GB2080605A

Description

Verfahren zur Entfernung von radioaktivem Material aus organischen Abfällen

Die vorliegende Erfindung betrifft die Entfernung von radioaktivem Material aus organischen Abfällen und insbeson-• 5 dere ein Verfahren zur Entfernung von radioaktivem Material aus Abfällen geringer Aktivität, die in kerntechnischen Einrichtungen wie etwa Kernkraftwerken in beträchtlichen Mengen anfallen.

Beim Betrieb von Kernkraftwerken und Reaktoren wird eine beträchtliche Menge an Abfällen erzeugt, die mit einer

gefingen Menge Radioaktivität kontaminiert ist. Der weitaus, überwiegende Anteil dieser Abfälle besteht aus leicht oxydierbaren Materialien wie z.B. Putzlappen, Kunststoffen ■ . oder Gummi. Diese Materialien werden in Verbindung mit dem Ersatz der Brennelemente oder bei den im Rahmen des Betriebs der Kernreaktoren erforderlichen Wartungsarbeiten ■verwendet. Dabei werden sie mit geringen Mengen radioaktiver Substanzen verunreinigt, die während dieser Arbeiten aus dem Reaktorsystem herausgelangen.

Auf das Gewicht bezogen machen die radioaktiven Bestandteile in Abfällen dieser Art nur ein Prozent oder weniger des Gesamtgewichts aus, jedoch ist das Volumen der kontaminierten Abfallstoffe selbst sehr groß. Beispielsweise waren in 1977 in den Vereinigten Staaten etwa 60 Kernreaktoren des Leichtwassertyps in Betrieb; jeder dieser Reaktoren produzierte im Durchschnitt 3 177 Fässer mit je 196,8 1 (52 gallons) Abfällen geringer Aktivität, die etwa 0,75 Ci an Radioaktivität als Durchschnittswert pro Faß enthielten. Insgesamt mußten also etwa 191 000 Fässer mit Abfällen, die eine Radioaktivität von 143 400 Ci enthielten, gehandhabt, transportiert und in einer genehmigten Deponie für radioaktive Abfälle gelagert werden. Die tatsächlich im Durchführungsstadium befindlichen Kernkraftwerksprojekte werden nach der Fertigstellung in etwa zehn

Jahren mindestens eine Verdopplung dieser Zahlen zur Folge haben. ■ '

Zusätzlich zu den oben genannten Abfallstoffen besteht ein weiteres, in Kernkraftwerken anfallendes organisches Abfallmaterial aus den Ionenaustauschharzen, die in den Entmineralisierungsanlagen für die Reinigung des Reaktor-Kühlwassers verwendet werden. Diese Betten wirken sowohl als Filter als auch als Ionenaustauscher und entfernen dabei suspendierte radioaktive Substanzen aufgrund ihrer Filterwirkung und in Lösung befindliche durch Ionenaustausch. Auf das Gewicht bezogen kann die Menge des in dem Harz vorhandenen radioaktiven Materials wegen dieser Filterwirkung hoch sein. Derartige Harze müssen ebenfalls eingeschlossen und gelagert werden, um ein Entweichen der radioaktiven Substanzen zu verhüten.

Iri der Vergangenheit wurden verschiedenartige Verfahren für eine Behandlung von organischen Abfallstoffen dieser Art zur Wiedergewinnung der radioaktiven Bestandteile und zur Verminderung des Volumens des zu lagernden Materials vorgeschlagen. Ein Vorschlag sieht vor, das Material zu veraschen. Wiewohl hierdurch das Volumen des Feststoffs in sehr erheblichem Umfang auf das kleine Volumen der radioaktiven. Asche vermindert würde, ist das Verfahren nicht befriedigend, da dabei sehr feine radioaktive Teilchen gebildet und mit den heißen Verbrennungsgasen ins Freie geführt werden. Diese Teilchen müssen aus dem Strom der Verbrennungsprodukte herausgefiltert und zurückgehalten werden. Für das Veraschungsverfahren ist eine spezielle Genehmigung der Kernenergie-Kontrollkommission (nu- .

clear regulatory commission) erforderlich,· und für die mit den Verbrennungsgasen ins Freie gelangende Radioaktivität sind sehr strenge Grenzwerte festgesetzt. Wegen der Schwierigkeiten, die amtlichen Auflagen zu erfüllen, wird die Veraschung gegenwärtig nicht allgemein durchgeführt.

Ein anderes System zur Verminderung des Volumens der radioaktiven Materialien wird in der US-PS 4 154 396 offenbart. Diese PS schlägt vor, daß durch Radioaktivität kontaminierte organische Abfallstoffe zusammen mit Sauerstoff in ein auf höherer Temperatur gehaltenes SaIζschmelze-Bad eingebracht werden, wodurch feste und gasförmige Reaktionsprodukte gebildet werden. Die gasförmigen Reaktionsprodukte sind Kohlenstoffdioxxd und Wasserdampf, und die festen Reaktionsprodukte sind die anorganischen Aschebestand-' teile des organischen Abfalls zusammen mit den radioaktiven Elementen, die in dem geschmolzenen Salz zurückgehalten werden. Das geschmolzene Salz wird aus der Reaktionskammer abgezogen und dann zur Auflösung des Salzes mit Wasser verarbeitet. Das Wasser wird dann zur Abtrennung der unlöslichen Aschebestandteile des organischen Materials zusammen mit den radioaktiven Elementen filtriert. Dieses Verfahren richtet sich offenbar auf die Wiedergewinnung ■hochaktiver radioaktiver Substanzen, die infolge des Austritts von Spaltprodukten aus den Brennelementen des Reaktorkerns aufgrund von Undichtigkeiten gebildet werden. Für diese Zwecke mag das Verfahren auch zufriedenstellend sein, aber die Verwendung eines Bades aus geschmolzenem Salz in Verbindung mit der Notwendigkeit, dieses Salz weiter zu verarbeiten, bei diesem Verfahren kompliziert das Verfahren und die benötigten Apparaturen und erhöht die damit verbundenen Kosten.

Die US-PS 4 043 875 beschreibt eine Verfahrensweise einer mehrfachen Entspannungsverdampfung zur Anreicherung der radioaktiven Bestandteile eines wäßrigen Mediums. Dieses System erfordert für die Verdampfung eine Wärmezufuhr von außen, und Pumpen sind nötig, um den Druck des wäßrigen Mediums auf einen hinreichend hohen Wert zu erhöhen, so daß das Medium zur Entspannung befähigt wird.

Noch andere Verfahren zur Behandlung radioaktiver Abfallstoffe werden in der US-PS 4 145 396 diskutiert.

3Ί27132

Gemäß einem Ziel der vorliegenden Erfindung wird ein verbessertes Verfahren zur Entfernung radioaktiven Materials aus organischen Abfallstoffen und Wasser von einem Kernkraftwerk verfügbar gemacht. Es wurde gefunden, daß die meisten, der durch Radioaktivität kontaminierten Materialien, die in Verbindung mit dem Betrieb eines Kernkraftwerk}' gehandhabt und aus dem Wege geräumt werden müssen, in sich selbst nicht radioaktiv sind. Das heißt, ihre Atome waren nicht einer intensiven Kernstrahlung ausgesetzt (wie sie im Inneren eines Kernreaktors vorhanden ist); sie wurden vielmehr durch eine Substanz, die nur wenig Radioaktivät besitzt und auf diese Materialien gelangt ist, kontaminiert. Diese kontaminierte Substanz ist im allgemeinen Wasser, und wenn dieses Wasser Lappen, Papier, Kunstoff, Gummi etc. befeuchtet, wird dieses. Material zu kontaminiertem Abfall. Dies geschieht typischerweise bei Reinigungsoperationen oder, wenn Wasser in geringer Menge aus dem Reaktor durch Auslaufen oder eine •Undichtigkeit austritt.

Das Wasser selbst ist nicht radioaktiv, das heißt die .

die Wassermoleküle bildenden Wasserstoff- und Sauerstoff-Atome emittieren keine Strahlung. Vielmehr sind es die Atome von Substanzen, die in dem Wasser gelöst oder suspendiert sind, die radioaktiv sind. Derartige Materialien gelangen in das Wasser, weil das Wasser·, das den Kernreaktor kühlt und moderiert, geringe Mengen an Korrosionsprodukten aus den Reaktorsystemen auflöst und sie während seines Kreislaufs mit sich führt. Außerdem werden auch Korrosionsprodukte, die sich nicht auflösen, aufgenommen und in Form einer sehr feinteiligen Suspension weitertransportiert. Diese Korrosionsprodukte durchfließen, während der Reaktor in Betrieb ist, zusammen mit eiern Wd.'HitT kcjnl i im Lei" I i cli .nu-'li Ί<·η HiMkI m Ι·;<·ι η . !leim Durchströmen des intensiven Strahlungsflusses des Kerns werden sowohl die Atome des Wassers als auch diejenigen der darin gelösten oder darin mitgeführten Materialien

radioaktiv.. Die Wassermoleküle zerfallen schnell, aber einige der durch das Wasser mitgeführten Substanzen haben, wenn sie bestrahlt worden sind, Halbwertszeiten, die sehr lang sind·. Kobalt-60, beispielsweise, besitzt eine HaIbwerteszeit von 5,2 Jahren. Kobalt gelangt in das Wasser, weil es sich aus den harten Auskleidungsmaterialien, die .in dem Reaktorsystem für solche Zwecke wie Ventilsitze oder Lagerzapfen verwendet werden, herauslöst und von dem Wasser mitgeführt wird. Dadurch, daß das Kobalt durch ' den Kern geleitet wird und dort der radioaktiven Strahlung ausgesetzt wird, wird es radioaktiv.

Dementsprechend sind nicht die radioaktiven Materialien, nämlich die Lappen, das Papier, die Kunststoffe und der Gummi etc., die mit dem Wasser in Berührung kommen, und das Wasser selbst als solche das Problem. Es sind die radioaktiven Substanzen, die von dem Wasser, das die Lappen, das Papier,'die Kunststoffe und den Gummi befeuchtet, mitgeführt werden, die die Quelle der Kontamination sind.

Wichtig sind die chemischen Formen der radioaktiven Verseuchungsstoffe in derartigen Abfällen und die Materia- . lien selbst. Die radioaktiven Substanzen,, die ja Korrosionsprodukte sind, sind nicht leicht oxydierbar. Demgegenüber sind die durch sie kontaminierten Materialien, d.h. Lappen, Papier, Kunststoffe, Gummi etc. leicht oxydierbar. Die Tatsache, daß die Verunreinigung durch Wasser weitergetragen wird und durch Befeuchten auf das leicht oxydierbare Material gelangt ist, ist ebenfalls ein wichtiger Faktor.

Eine grundlegende Erwägung beim Umgang mit radioaktiver Kontamination dieser Art besagt, niemals zuzdassen, daß das Wasser, das die radioaktiven Substanzen trägt, bis zur Trockne verdampft. Wenn dies geschieht, wird nämlich das gelöste Material zu einem sehr feinteiligen Feststoff, und das darin suspendierte feinteilige Material

wird freigesetzt. Diese Feststoffe diffundieren dann als Staub in die Luft, und die Radioaktivität wird mittels der Luft verbreitet. Damit ist sie nur noch schwer unter Kontrolle zu bringen, da sie sich leicht ausbreitet und auch in die menschlichen Lungen gelangen kann. Es wurde gefunden, daß der Weg, die Radioaktivität unter Kontrolle zu halten, darin besteht, sie immer in einem wäßrigen Medium zu halten und sie von den unbestrahlten Substanzen, auf die sie gelangt ist, abzutrennen. .

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Naßverfahren zur Abtrennung der leicht oxydierbaren organischen Stoffe von dem darauf befindlichen Wasser, zur Anreicherung der in dem wäßrigen Medium zurückgelassenen radioaktiven Substanzen und zur Abtrennung der radioaktiven Substanzen von den Gas-, Dampf-, Wasser- und Schlamm-Strömen, wobei die radioaktiven Teilchen in einer Form anfallen, in der sie leicht zurückgehalten und gelagert werden können. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein chemisches Reaktionsgefäß verfügbar gemacht, in das eine Aufschlämmung organischer Abfallstoffe (typischerweise Lappen, Papier, Kunststoff, Gummi etc.), die durch Radioaktivität kontaminiert sind, zur Reaktion mit Sauerstoff eingespeist werden. Radioaktiv verseuchtes Wasser wird in das Reaktionsgefaß iiUKnmmcn mit dc:n kont amin i r;r L cn organischen Abfällen eingespeist und bildet dabei die' Aufschlämmung, die in dem Gefäß oxydiert wird. Wenn kein kontaminiertes Wasser vorhanden ist, kann dazu auch sauberes Wasser verwendet werden.

Die Oxidation des organischen Materials in dem Oxidationsgefäß wird unter gesteuerten Temperatur- und Druck-Bedingungen durchgeführt. Bei dem Verfahren werden die radioaktiven Verseuchungsstoffe von den Reaktionsprodukten abgetrennt, da die radioaktiven Produkte nicht; oxydierbar sind. Gleichzeitig bewirkt die bei der Oxidation der organischen Abfallstoffe erzeugte Wärm'c die Verdampfung

eines Teils des Wassers, das der Oxidationskammer zugeführt wurde, was dazu führt, daß die in dem Wasser vorhandene radioaktive Verunreinigung angereichert wird, ausfällt und sich am Boden der Kammer zusammen mit den anderen, bei der Oxidation der organischen Materialien anfallenden nicht-oxydierbaren Stoffen absetzt. Die Produkte dieser Reaktion verlassen das Gefäß als Wasserdampf und nicht-kondensierbares Gas, die praktisch frei von radioaktiver Verseuchung sind. (Hierin wird der Begriff . "nicht-kondensierbares Gas" so verwendet, daß darunter Gase verstanden werden, die nicht leicht bei den Temperaturen und Drücken kondensieren, bei denen das Wasser während des Verfahrens kondensiert.) Die radioaktive Verunreinigung bleibt in Form von in dem Wasser der Aufschlämmung gelösten Feststoffen oder von suspendierten Feststoffen zurück. Diese gelösten und suspendierten radioaktiven Verseuchungsstoffe werden durch die Verdampfung von Wasser aus der Aufschlämmung, die durch ■ die bei der Oxidationsreaktion freiwerdende Wärme bewirkt wird, angereichert. Das Wasser wird durch einen Abblase-Vorgang entfernt, und die weitere Konzentrierung erfolgt durch Entspannungsverdampfung, wobei die Feststoffe mittels in geeigneter Weise abgeschirmter Filter gesammelt werden.

' Die vorstehend -genannten sowie andere Ziele, Merkmale und • Vorteile der vorliegenden Erfindung werden ersichtlich aus der näheren Beschreibung einer erläuternden Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, wobei die beiden Abbildungen Fig. 1A und Fig. 1B gemeinsam, an ihrem rechten bzw. linken Rand miteinander verbunden, ein schematisches Diagramm der Anlage wiedergeben, die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wurde.

Im folgenden wird auf die Zeichnungen im einzelnen Bezug genommen. Die Anlage umfaßt: zunächst die Oxidationskammer 10, in der die wichtigsten Verfahrensschritte gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden. Die Oxidationskammer selbst ist von üblicher Bauart und für die Durchführung eines Oxidationsprozesses unter Bedingungen hoher Temperatur und hohen Drucks ausgelegt. Die radioaktiven Abfallstoffe werden der Reaktionskammer 10 durch eine Speiseleitung 12 zugeführt. Das Material wird in bekannter Weise gesammelt und dann in einen Brecher oder Reißwolf 14 gegeben, in dem das organische Material in kleinere Teilchen zerhackt wird. Das geschnitzelte Material wird dann von dem Shredder 14 kommend einem Behälter 16 zugeführt, in den außerdem Abwasser .eines Kernreaktors, das radioaktive Verunreinigungen niedriger Aktivität enthält, eingeleitet wird. (Wie bereits oben erwähnt kann dazu auch sauberes Wasser verwendet werden, wenn kontaminiertes Wasser nicht vorhanden ist). Das Gemenge aus organischem Abfall und Wasser wird mit Hilfe eines Mischers 18 oder dergleichen zu einer dicken wäßrigen Aufschlämmung vermischt. Eine geeignete Hochdruckpumpe 20 führt diese Aufschlämmung der Einlaßöffnung 12 der unter Druck stehenden Oxidationskammer 10 zu. .

Flüssige Abfälle niedriger Aktivität, d.h. radioaktive Abfälle enthaltendes Wasser, werden ebenfalls, von einem Sammelbehälter 21 kommend, mittels einer geeigneten Hochdruckpumpe 22 der Kammer 10 zugeführt. Ein Wasserstands-Steuersystem 24 üblicher Bauart steuert ein Ventil 26 in der Wasser-Speiseleitung 28, um sicherzustellen, daß innerhalb der Kammer der gewünschte Flüssigkeitsstand eingehalten wird.

Sauerstoff wird durch die Einlaßöffnungen 30 eingeblasen, die über den gesamten Umfang der Oxidationskammer verteilt angeordnet sind. Der Sauerstoff kann in Form reinen Sauerstoffs,.hergestellt in einer Luftzerlegungsanlage

(nicht dargestellt), oder in Form von Luft aus der Atmosphäre zugeführt werden, je nach den gewünschten Betriebsbedingungen. Bei Verwendung von Luft werden neben dem Sauerstoff auch inerte Gase eingebracht, wodurch ein etwas höherer Arbeitsdruck und eine etwas höhere Arbeitstemperatur erforderlich werden und außerdem die Menge der nicht-kondensierbaren Gase, die die Kammer 10 zusammen mit dem Wasserdampf verlassen, beträchtlich vergrößert.wird.

Die Oxidationsreaktion in der Kammer wird eingeleitet, indem zu Beginn dem Reaktor Wärme von außen zugeführt wird, beispielsweise unter Verwendung von Dampf-Heizschlangen (nicht dargestellt), die um die Reaktionskammer herumgelegt werden, v/ährend dem Inhalt der Reaktionskammer Sauerstoff zugesetzt wird. Bei Erreichen der geeigneten Temperatur- und Druckbedingungen setzt die Reaktion ein, und wenn eine Temperatur von etwa 200⁰C erreicht ist, wird der· Prozeß selbsterhaltend. Die Oxidation der organischen Abfallstoffe in Gegenwart des radioaktiven Abwassers erzeugt Verbrennungsprodukte und Dampf. Infolgedessen steigt der Druck in der Kammer 10 an. Dieser Druck sowie die Temperatur in der Kammer werden durch ein Rückschlagventil 32 der üblichen Bauart überwacht, das mit der Dampf-Auslaßleitung 34 der Oxidationskammer verbunden ist. Es wird angenommen, daß ein Druck von 72,4 bar ■ (1 050 psia) und eine Temperatur von 288°C (550⁰F) für die vollständige Oxidation der typischen organischen Stoffe ausreichen, mit denen man es bei dieser Reaktion zu tun hat.

Die Abtrennung der radioaktiven Verseuchungsstoffe von dem organischen Material findet während der Oxidationsreaktion statt, da .die Verunreinigungen sich charakteristischerweise "auf" dem festen Material befinden. Die Atome der festen Stoffe selbst sind nicht radioaktiv, und die Verseuchung ist typischerweise auf diese Feststoffe gelangt, weil sie mit schwach radioaktiv verseuchtem Wasser benetzt wurden.

Wasser zerfällt nach Bestrahlung sehr rasch. Jedoch die Substanzen in dem Wasser (gelöst oder suspendiert), im allgemeinen anorganischer Natur, behalten ihre Radioaktivität länger bei. Dies bewirkt, daß das Wasser Träger schwacher Radioaktivität ist. Die Verdampfung und nachfolgende Kondensation des Wassers liefert ein reines Kondensat, wobei die radioaktiven gelösten und suspendierten Peststoffe in konzentrierterer Form zurückgelassen werden.

Die Oxidationsreaktion in der Kammer -10 wandelt die organischen festen Stoffe in CCU und Wasserdampf um. Die radioaktiven Feststoffe verbleiben in dem Wasser, das nicht verdampft wird. Diejenigen in Lösung werden nicht oxydiert, und diejenigen, die suspendiert sind, werden, sofern sie anorganisch sind, nicht so leicht oxydiert wie die organischen Stoffe und verbleiben so in der Aufschlämmung am Boden der Kammer zurück. Die durch die Reaktionswärme verursachte Verdampfung von in der Kammer enthaltenem Wasser konzentriert sowohl die gelösten als. auch die suspendierten Feststoffe in dem Wasser', indem der Wasserdampf abgetrieben wird.

Wenn genügend hohe Konzentrationen erreicht sind, fallen gelöste Feststoffe aus, und ein konzentrierter rcidioaktiver Schlamm sammelt sich am Boden der Reaktionskammer 10 an. Der angehäufte Schlamm wird unter dem Einfluß des in der Reaktionskammer 10 herrschenden Drucks durch ein abgeschirmtes Hochdruckfilter üblicher Bauart abgedrückt.. Das Filter ist mit der Auslaßleitung 37 der Reaktionskammer 10 durch Kupplungselemente 38 verbunden, die seinen Ausbau und Ersatz erleichtern. Das Filtrat, aus dem ein erheblicher Teil des radioaktiven feinteiligen Materials in dem Filter 36 entfernt wurde, fließt dann unter Druck zu einem Entspannungsbehälter 40. Dieser Entspannungsbehälter hat die Form eines Zyklonabscheiders üblicher Bauart. In dem Abscheider findet ein beträcht-

1 icher Druckabfall statt, und der in dem Filtrat enthaltene Wasserdampf entspannt sich sehr rasch, wobei sich das weiter konzentrierte Filtrat am Boden des Abscheiders sammelt. Ein Flüssigkeitsstandhöhen-Steuersystem 42 üblicher Bauart steuert ein Ventil 44, das der Flüssigkeit in dem Abscheider" 40 periodisch das Abfließen aus dem Abscheider ermöglicht, sobald der Flüssigkeitsstand in diesem eine festgesetzte Höhe überschreitet. Diese Flüssigkeit fließt dann über eine Leitung 46 zu einem zweiten abgeschirmten Hochdruckfilter 48, in dem die radioaktiven Teilchen, die bei der Entspannungsverdampfung in dem Entspannungsbehälter 40 ausgefallen sind, zusammen mit eventuell verbliebenen Teilchen, die durch das Filter 36 hindurchgelangt sein könnten, entfernt werden. Es wird besonders erwähnt, daß die beiden Filter 48 und 36 abgeschirmt sind und, sobald sie gefüllt sind, ausgebaut und zu Lagerzwecken dicht verschlossen werden können. Falls erwünscht, können die Filter noch stabilisiert werden, beispielsweise durch Einfüllen einer Einbettungsmasse (cement) oder auf andere Weise.

Das nach dem Durchgang durch Filter 48 verbleibende Wasser fließt durch Leitung 50 zu einem Sammelbehälter 52. Dieses Wasser wird aus dem Sammelbehälter mittels einer Pumpe über das Ventil 53, das über ein konventionelles Standhöhen-Überwachungsgerät des Tanks 52 gesteuert wird, zu

.' der Reaktionskammer 10 zurückgeführt. Falls erwünscht kann das Wasser auch der Leitung 56 entnommen und zum Zwecke der Wiederverwendung in dem Reaktorsystem einer Klär- bzw. Entsalzungsanlage über eine Leitung 58 zugeführt werden.

Der in dem Entspannungsverdampfer bzw. Zyklonabscheider 40 erzeugte Wasserdampf wird am Kopf des Behälters über ein Rückschlagventil 60 abgeleitet. Dieses Rückschlagventil ist auf einen Druck eingestellt, der niedriger ist als der in der Reaktionskammer 10 herrschende Druck, so daß letzterer 5 ■ den Dampf durch das Ventil treibt, damit dieser weiter

■ - 17 -

behandelt werden kann. Dieser Dampf wird zunächst durch einen Kühler 62 geleitet, wo er durch das von der Pumpe 22 her zufließende radioaktive Wasser abgekühlt wird. Dabei kondensiert ein Teil des Dampfes zu reinem Wasser, das von dem Kühler über die Leitung 64 zu einem Schwimmerkondenstopf 66 abgeleitet wird, von wo es zu Leitung 50 oder wahlweise zu Leitung 58 zurückkehrt. Die Dämpfe, die in dem Kühler 62 nicht kondensieren, werden einem weiteren Kühler 65 zugeleitet um,falls erwünscht ihre Temperatur weiter zu senken. Etwa in diesem Kühler entstandenes Kondensat wird über die Leitung 67 der Leitung 64 zugeführt. Die verbleibenden Gase werden dann unter Steuerung durch ein temperaturgesteuertes Rückschlagventil 68 über eine Leitung 69 einem Niederdruck-Feinstfilter zugeleitet, ehe sie in die Atmosphäre abgelassen werden.

Der Dampf und die nicht-kondensierbaren Gase (überwiegend CO„), die in der Reaktionskammer 10 gebildet werden, und unter dem im Reaktor herrschenden Druck über die Leitung 34 abströmen, transportieren mit hoher Wahrscheinlichkeit noch einen Teil des Wassers in Form von Tröpfchen mit. Aus diesem Grunde wird der Abgasstrom zunächst einem Zyklonabscheider 70 zugeführt, der im Prinzip dem Abscheider 40 ähnelt, der bereits vorher beschrieben wurde; hierin werden die Wassertröpfchen aus dem Gasstrom entfernt. (Der Abscheider 70 kann sowohl innerhalb der Reak-. tionskammer 10 in diese integriert als auch außerhalb und getrennt, wie dargestellt, angeordnet werden). Die Wassertröpfchen sammeln sich am Boden des Zyklonabscheiders 70 und fließen, unter Steuerung durch ein Schwimmerventil 72, durch das Ventil 74 in die Reaktionskammer zurück. Das Abgas tritt dann durch die mittlere Öffnung am Kopf des Zyklonabscheiders aus und gelangt über ein Rückschlagventil 32 in einen Rückverdampferkühler 76, wo der Dampf in dem Abgasstrom zu Wasser kondensiert wird. Das in dem Rückverdampfer 76 nicht kondensierende Gas besteht überwiegend aus CC>2 und wird aus dem Rückverdampfer über ein

temperaturgeregeltes Steuerventil 78 konventioneller Bauart einem- Hochdruckfilter 80 zugeleitet, ehe es in die Atmosphäre abgelassen wird. Falls erwünscht kann noch ein Abgas-Zwischenkühler 82 in der Leitung 81 angebracht werden, um etwa mit den nicht-kondensierbaren Gasen aus dem Rückyerdampfer 76 entweichenden Wasserdampf zu kondensieren. Das in dem Kühler 82 verwendete Wasser kann beispielsweise dem in der Klimaanläge des Kernkraftwerks verwendeten Kühlwasser entnommen werden.

-Der Rückverdampfer 76 wird mit Speisewasser aus einer Leitung 8 6 gekühlt, das einem beliebigen Speisewassersystem, je nach Zweckmäßigkeit, des Kernkraftwerks entstammen kann. Der Rückverdampfer wandelt dieses Speisewasser in Hochdruckdampf um, der zur Erzeugung von Energie verwendet'werden kann, die zum Betrieb einer Luftzerlegungsanlage zur Herstellung des Sauerstoffs beitragen oder zum Betrieb von Verdampfern verwendet werden kann.

Das in dem Rückverdampfer kondensierte Wasser kann Spuren von Radioaktivität in Form suspendierter oder gelöster Feststoffe enthalten und wird zunächst zusammen mit Wasser aus dem Abgaskühler 82 in einer (durch das Schwimmerventil 96 gesteuerten) Hochdruckfalle gesammelt. Dieses Wasser wird dann in zwei weiteren Stufen der Entspannungsverdampfung in den Entspannungsverdampfer-Behältern 90 und 92 konzentriert; diese Behälter können Zyklonabscheider, ähnlich dem oben als Entspannungsverdampf er 4 0 beschriebenen, sein. Der entspannte Dampf aus Verdampfer 90 (der in der erläuternden Ausführungsform durch das Rückschlagventil 91 auf einem Druck von 15,5 bar (225 psia) gehalten wird) strömt aus dem Kopf des Verdampfers in einen Kühler 98 ab, der dazu dient, das Speisewasser in Leitung 86 vorzuwärmen. Das kondensierte Wasser aus Kühler 98 gelangt über eine Falle 100 zu einer Abflußleitung 102 und über diese zu einem Sammelbehälter für gereinigtes Wasser 104.

Das am Boden des Entspannungsverdampfers 90 gesammelte Wasser gelangt über einen Schwimmer-Stcuerventil-Mechanismus 106 in den Verdampfer 92. Wiederum strömt der in dem Abscheider erzeugte entspannte Dampf über ein Rückschlagventil 107 (das den Druck in dem Verdampfer 92 auf etwa 1,03 bar (15 psia) hält) ab und gelangt in eine Leitung 108 und von dort in einen Kühler 110, der ebenfalls zum Vorheizen des Wassers in Leitung 86 dient. Das im Kühler 110 kondensierte Wasser gelangt über eine Falle 112 in die Leitung 102. Etwaige nicht-kondensierbare Gase, die aus den Kühlern 98 und 11.0 abströmen, werden durch weitere Abgaskühler 114 und 116 und dann durch ein Nieder-. druck-Feinstfilter 118 geleitet, das etwaige in der Luft suspendierte radioaktive Partikel entfernt, die so weit gelangt sind. Die Gase, die dieses Feinstfilter, ebenso wie das Feinstfilter 80, verlassen, sind geeignet, in die Atmosphäre abgelassen zu werden, d.h. sie besitzen eine hinreichend niedrige Radioaktivität.

Das Wasser, das schließlich vom Boden des Entspannungs-Verdampfers 92 abgelassen wird, durchfließt unter Steuerung durch ein Schwimmerventil 120 die Abflußleitung 122. Von dort kann das Wasser entweder unmittelbar einem Entsalzer oder einer Wasser-Klärfiltrationsanlage und anschließend dem Wassersammelbehälter 104 zugeleitet werden. Oder aber, falls erwünscht, kann noch eine abschließende Filtrieroperation unter Verwendung einer üblichen abgeschirmten Filterpatrone 123 vorgenommen werden.

Durch dieses Verfahren können die meisten organischen Abfallstoffe, die nur Strahlung geringer Intensität enthalten, in ihrem Volumen erheblich vermindert werden, wobei die Radioaktivität in einem kleinen Volumen konzentriert wird und besser gelagert werden kann.

Verbrauchte Entmxneralisierungsharze stellen tiinen Spezialfall der anfallenden organischen Abfallstoffe dar und

können eine besondere Behandlung erfordern. Entsalzungsharzbetten wirken sowohl als Filter als auch als Ionenaustauscher für das in Kernkraftanlagen verwendete Kühlwasser. Infolgedessen werden die Harzbetten auf zweierlei · Weise kontaminiert, nämlich durch radioaktive anorganische Substanzen, die aufgrund des Ionenaustauschs von dem Harz festgehalten werden, und andererseits durch feinteilige radioaktive Materie, die durch das Bett herausgefiltert wurde. Diese Kombination der Radioaktivität ist relativ viel "heißer" als der übliche Anfall organischer fester Abfälle in Kernkraftwerken. In der Tat kann einiges,von "leckenden" Brennstoffelementen im Reaktorkern stammendes Material in den Entmi.neralisierungsbetten vorhanden sein, weil diese Betten im allgemeinen im Hauptkühlsystem des Reaktors enthalten sind, so daß Partikel aus dem Kern oder aus undichten Brennelementen des Kerns gesammelt werden würden. Derartige Materialien wären sehr "heiß" und können radioaktive Edelgase enthalten. Aus diesem Grunde könnte sich ein Ablassen des Abgases durch das Hochdruck-Feinstfilter 80 verbieten, da Edelgase dieses Filter passieren würden. Dementsprechend würden Spezialeinrichtungeh nötig, um die Edelgase zurückzuhalten, bis sie soweit zerfallen sind, um in die Atmosphäre freigesetzt zu werden. Beispielsweise könnte der Gasstrom nach dem Verlassen des Hochdruck-Feinstfilters 80 auf etwa 4,4°C (40⁰F) abgekühlt werden. Das Abgas würde dann durch einen Trockner vom Molekularsieb-Typ hindurchgeschickt, um sämtliche Feuchtigkeit zu entfernen. Ein Gasstrom, der nun nur CO„ mit Spuren Edelgasen enthält, könnte dann abgekühlt und 0 expandiert werden (beispielsweise unter Verwendung von flüssigem Stickstoff aus der Luftzerlegungsanlage zur Herstellung der gewünschten tiefen Temperatur), wobei der C0₂-Strom zu Trockeneis kondensiert. Die übrigen Gase, überwiegend die geringen Mengen Edelgase, könnten dann, gemäß bekannten Verfahrensweisen, in Betten aus aktivierter Holzkohle und nachfolgend zur Absorption des Tritiums ■ aus Titan-Schwamm absorbiert oder aber komprimiert und

gelagert werden, bis sie zerfallen sind. Ob diese zusätzlichen Verfahrensschritte der speziellen Behandlung des Gasstroms notwendig sind oder nicht, hängt von der spezifischen Eigenart der Kontamination des Harzes ab und würde vor der Einführung des Harzes in den Ablauf des Prozesses festgelegt. Sofern das Harz einen extrem hohen Kontaminationsgrad aufweist, ist zu erwägen, daß das Harz für sich allein, getrennt von anderen organischen Abfällstoffen, dem Verfahren unterworfen wird.

Es ist folglich zu erkennen, daß ein relativ einfaches Verfahren zur Entfernung der radioaktiven Stoffe aus schwach verseuchten organischen Abfällen, die in einem Kernkraftwerk anfallen, verfügbar gemacht wurde. Mit Hilfe des Oxidationsverfahrens wird das Volumen des Abfalls beträchtlich vermindert, wobei das Verfahren die Wärme zur Verdampfung des ebenfalls in dem Kernkraftwerk anfallenden kontaminierten Wassers liefert. Das Ergebnis ist, daß die in dem organischen Abfallmaterial und in dem Wasser enthaltenen radioaktiven Partikel in einem kleinen Volumen Schlamm gesammelt werden, der zur Entfernung der radioaktiven Partikel behandelt und filtriert werden kann.

Claims

3197132

VON KREISLER SCHÖNWALD"· "EISHOLD PUE5-VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

John L. Helm Groton, Conn., USA

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler 11973

Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln Dipl.-Ghem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selling, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAüS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

8. Juli 1981 AvK/GF

Patentansprüche

Verfahren zur Entfernung von radioaktivem Material aus organischen Abfallstoffen und Wasser,' gekennzeichnet

durch:

Einspeisen von Sauerstoff, durch radioaktive Substanzen in Lösung oder Suspension kontaminiertem Wasser und organischen Materialien, die durch darauf befindliche radioaktive Substanzen kontaminiert sind, in eine Oxidation sk amme r, die unter erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck gehalten wird, um die genannten organischen Abfallstoffe zu oxydieren und dabei die radioaktiven Substanzen von ihnen abzutrennen und in ,einem wäßrigen Medium in der Kammer zurückzuhalten, wobei die

bei der Oxidation erzeugte Wärme mindestens

einen Teil des Wassers verdampft; Entfernen der entstehenden Gase und des Wasserdampfs aus dem Kopfraum der Kammer und

Entfernen des verbleibenden nicht-oxydierten, die genannten radioaktiven Substanzen enthaltenden Schlamms aus dem Sumpf der Kammer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlamm in einem Verfahrensschritt filtriert wird, um die radioaktiven Partikel daraus zu entfernen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck des Schlamms dazu benutzt werden, diesen beim Verlassen der Oxidationskammer rasch zu entspannen und mindestens einen Teil des darin enthaltenen Wassers abzutrennen und dadurch das Volumen des Schlamms zu vermindern.

4. Verfahren-nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der nach der raschen Verdampfung infolge des Entspannens ■zurückbleibende Schlamm in einem Verfahrensschritt filtriert wird, um die radioaktiven Partikel daraus zu entfernen .

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filtrat in die Oxidationskammer zurückgeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dor Wasserdampf-Gns-St:rom aus der Oxidationskammer zur Abtrennung darin enthaltener Flüssigkeitströpfchen in einen außerhalb der Oxidationskammer befindlichen Zyklonabscheider geleitet wird und die dort abgeschiedene Flüssigkeit in die Kammer zurückgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

' die aus dem Zyklonabscheider austretenden Gase zur weir teren Entfernung von Wasser aus dem Gasstrom durch einen Kühler geleitet werden und die nicht-kondensierbaren Gase in die Atmosphäre abgelassen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht-kondensierbaren Gase vor dem Ablassen gefiltert werden.

■ 9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom zum Abfangen von CO- gekühlt und zum Abfangen von Edelgasen und Tritium durch Aktivkohle-Betten und Titan-Schwamm geleitet wird.

10. Verfahren nach Anspruch , dadurch gekennzeichnet, daß die durch Kondensation des aus dem Zyklonabscheider ausgetretenen Dampfes erhaltene Flüssigkeit mittels einer Entspannungsverdampfung weiter gereinigt wird, indem.sie unter dem Einfluß des Druckes in der Oxidationskammer durch mindestens einen weiteren Entspannungsverdampferbehälter/Zyklonabscheider geleitet wird.

11. Verfahren zur Entfernung von radioaktivem Material aus durch radioaktive Substanzen in Lösung oder Suspension kontaminiertem Wasser und aus organischen Abfällen, die durch darauf befindliche radioaktive Substanzen kontaminiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß zur Oxidation der organischen Abfälle und Verdampfung mindestens eines Teils des Wassers die organischen Abfallstoffe in Anwesenheit des Wassers oxydiert werden, wodurch die radioaktiven Substanzen von den organischen Abfällen und dem verdampften Wasser getrennt werden, indem ein Abgas, das Wasserdampf und nicht-kondensierbare Gase enthält, und ein wäßriger Schlamm, der die von den organischen Abfällen und dem verdampften Wasser abgetrennten

radioaktiven Substanzen enthält, erzeugt werden.

12, Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Oxidation einen Schritt der gemeinsamen Einspeisung von Sauerstoff und einem Schlamm aus den organischen Abfallstoffen und dem 'Wasser in das Oxidationsgefäß einschließt, das auf einem für den glatten Ablauf der Oxidation hinreichenden Temperatur- und Druck-Niveau gehalten wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß

- 4 der Sauerstoff in Form von Luft zugeführt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in Form von mit Sauerstoff angereicherter Luft zugeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sauerstoff in Form von reinem Sauerstoff zugeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der -bei dem Oxidationsvorgang gebildete wäßrige Schlamm einem Verfahrensschritt der Entspannungsverdampfung unterworfen wird,wodurch ein gereinigter Entspannungs-Dampf und ein Vorrat an nicht-entspannter Flüssigkeit erzeugt wird, die die radioaktiven Teilchen in konzentrierter Form gelöst und suspendiert enthält.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die nichb-entspannto Flüssigkeit in einer abgeschirmten Filteranlage filtriert wird.

18. Verfahren "nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der entspannte Dampf kondensiert wird und die nicht-kondensierten Gase in einer abgeschirmten Filteranlage filtriert und darin in die Atmosphäre abgelassen werden.

19. Verfahren zur Konzentrierung eines unter hoher Temperatur und hohem Druck in einer Oxidationskammer erzeugten radioaktiven Schlamms, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Verfahrensschritt der Schlamm zur Entfernung der darin befindlichen radioaktiven Teilchen unmittelbar aus der \ Kammer und unter dem in der Kammer herrschenden Druck durch eine abgeschirmte Filteranlage hindurchgeleitet wird und daß das dabei erhaltene Filtrat in einem weiteren Verfahrensschritt unter dem Einfluß des Druckes in der Kammer einer Entspannungs-Ver-

dampfung unterworfen wird, wobei Dämpfe sowie eine unverdampfte Flüssigkeit gebildet werden, die die genannten radioaktiven Teilchen in angereicherter Menge enthält.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die unverdampfte Flüssigkeit noch unter dem Einfluß des Druckes in der Kammer zur Entfernung verbleibender radioaktiver Partikel durch ein anderes abgeschirmtes Teilchenfilter hindurchgeleitet wird.

21. Verfahren zur Anreicherung radioaktiver Substanzen in Wasser, bei dem diese Substanzen feucht und einer für die Stabilisierung in einer Einbettungsmasse (cement) geeigneten Form gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß organische Abfälle, die durch darauf befindliche radioaktive Substanzen kontaminiert sind, in Gegenwart von durch radioaktive Substanzen in Lösung oder Suspension kontaminiertem Wasser oxydiert werden, wodurch aus Wasserdampf und nicht-kondensierbaren Gasen bestehende- Abgase und ein wäßriger Schlamm erzeugt werden, der die radioaktiven Substanzen in höherer Konzentration enthält.