DE3789589T2

DE3789589T2 - Verfahren zur Volumenreduzierung von Abfallprodukten niedriger Radioaktivität.

Info

Publication number: DE3789589T2
Application number: DE3789589T
Authority: DE
Inventors: Keith Kent Mcdaniel; Michael Charles Skriba; Eugene Earl Smeltzer
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1986-09-10
Filing date: 1987-09-10
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2007-09-11
Also published as: KR880004499A; JPS6370200A; JPH0827393B2; DE3789589D1; EP0262823B1; ES2051271T3; EP0262823A3; US4762647A; EP0262823A2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Volumenreduzierung von Abfallmaterialien niedriger Radioaktivität, insbesonders auf die Verdichtung und Beseitigung von gekörnten und pulverisierten Ionenaustauschharzen, die mit einem Filterhilfsmittel gemischt sind.
Ionenaustauschharze sind bei Abfallprodukten niedriger Radioaktivität, die von Kernkraftwerken hergestellt werden, gewöhnlich. Diese Harze werden benutzt, um Wasser zu verarbeiten, das durch den Kern der Kernreaktors oder des Dampferzeugers läuft. Während Ionenaustauschharz Ionenverunreinigungen von dem Kühlwasser der Anlage entfernt, entfernt das Filterhilfsmittel unaufgelöste Teilchen. Ein Filterhilfsmittel ist irgendein Material wie auf einer Filterpatrone entlang mit dem pulverisierten Harz gelagerter Zellstoff, um Feststoffmaterial zu entfernen. Das Harz und das Filterhilfsmittel reagieren chemisch nicht bei der Wassertemperatur, die bei der Verarbeitung von Wasser von der Kernanlage, normalerweise unter ungefähr 60ºC, angetroffen wird. Erhöhte Temperaturen wie diejenigen sehr über 60ºC, sind nicht gewöhnlich, und Wasser von 100ºC oder höher wird nicht angetroffen, da das verarbeitende System nicht unter Druck steht.
Kornartige Harze werden normalerweise in unter Druck stehenden Anlagen der Wasserart benutzt, um Ionen zu entfernen, sie werden aber nicht mit einem Filterhilfsmittel gemischt, da Filterung nicht vorgesehen ist. Anlagen der kochenden Wasserart benutzen pulverisierte Harze mit einem Zellstoff- Filterhilfsmittel, für den doppelten Zweck, des Ionenaustausches und der Filterung. Die Harze, und Zellstoff wenn verbrauchte Rückhaltungsrestradioaktivität und müssen sicher beseitigt werden, was normalerweise Vergraben in einer Erdschüttung erfordert.
Es wird derzeitig praktiziert, das Harz in einer Matrix aus Zement aus Polymer einzukapseln, um ausreichende mechanische Integrität als auch Verhinderung des Auslaufens von radioaktiven Substanzen von dem Harz durch Grundwasser zu sichern. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß es das Volumen des Materials, das beseitigt werden muß, vergrößert. Die Kosten der Beseitigung hängen mit dem Volumen des Materials eng zusammen. Eine anderes vor kurzem entwickeltes Verfahren benutzt Behälter hoher Integrität, um die Harze und den Zellstoff ohne Zugabe von Zement zu beinhalten. Die Behälter sind gestaltet, um Grenzenintegrit für mehrere hundert Jahre beizubehalten. Die Kosten des Transportierens und Vergrabens der Abfälle beruhen aber auf ihrem Volumen. Bedeutende Kosteneinsparung kann verwirklicht werden, wenn die Volumen reduziert werden.
Die Erfindung besteht aus einem Verfahren zur Volumenreduzierung von Abfallmaterialien niedriger Radioaktivität, das von 30 Gew.% bis 60 Gew.% verbrauchtes Ionenaustauschharz umfaßt, das saure oder basische reaktive Gruppen und von 40 Gew.% bis 70 Gew.% eines Filterhilfsmittels enthält, das mit den Gruppen bei einer erhöhten Temperatur von wenigstens 230ºC reagiert, gekennzeichnet durch Entwässerung des verbrauchten Ionenaustauschharzes, Erhitzung des entwässerten Harzes auf die erhöhte Temperatur, und Zusammendrücken des entwässerten, auf die erhöhte Temperatur erhitzten Harzes mit einer Kraft von wenigstens 13790 kPa (2000 psi) für eine Dauer von wenigstens 20 Minuten, die ausreicht, um zu verursachen, dass das Harz sintert und der Wiederbenetzung gegenüber stabil wird.
Die verbrauchten Ionenaustauschharze sind Teilchen mit einem Hohlraumfaktor von ungefähr 30-40%. Die Teilchen können durch Anwendung der geeigneten mechanischen Kraft näher zusammengezwungen werden, was den Hohlraumbruchteil und daher das Gesamtvolumen reduziert. Vernetzungsbindungen in dem Harz werden bei einer erhöhten Temperatur aufgebrochen, und das Harz federt nicht zurück.
Überschüssige Flüssigkeit wird passenderweise von einer Mischung aus verarmten Harzen mit entweder einer gekörnten oder pulverisierten Gestalt und einem Filterhilfsmittel aus Zellstoff, die radioaktive Reste enthalten, abgeleitet. Die Mischung kann einfach ein abgeleiteter Schlamm sein, oder kann vollständig getrocknet sein. Die zu verarbeitende Mischung kann einfach sein, wie ein Anionen- oder Kationenharz, oder sie kann eine Mischung dieser verschiedenen Arten sein. Saure reaktive Gruppen entfernen positiv geladene Ionen/Kationen unter Bildung eines Kationharzes aus der Lösung. Eine bei Ionenaustauschharz gewöhnlich benutzte saure reaktive Gruppe ist das Carboxylradikal
Eine andere häufig benutzte saure reaktive Gruppe ist das Sulfonradikal
Kationen ersetzen das H auf Harz, während die Lösung durch den Kationenaustauscher gebracht wird. Harze mit basischen reaktiven Gruppen wie Hydroxyl, -OH, entfernen Anionen, die negativ in Lösung geladen sind, aus der Lösung durch Austausch mit der OH-Gruppe. Andere basische reaktive Gruppen wie primäres Amino, sekundäres Amino; tertiäres Amino oder quartäres Ammonium können auch benutzt werden, um ein Anionenharz zu erzeugen.
In verarbeitendem Wasser von einem Kernkraftwerk benutzte Filterhilfsmittel umfassen einen weiten Bereich von natürlichen und künstlichen Materialien, sie haben die Fähigkeit gemeinsam, unaufgelöste Teilchen in dem Wasser einzufangen. Die Filterhilfsmittel, auf die das Verfahren der vorliegenden Erfindung anwendbar ist, sind mit den sauren oder basischen Gruppen auf dem Ionenaustauschharz reaktiv.
Das bei pulverisiertem Harz gewöhnlich benutzte Filterhilfsmittel ist Pflanzenzellstoff
Andere auf der Zellstoffkette beruhende polymerische Materialien, die aber für die H- und OH-Gruppen andere Gruppen ersetzt haben, sind annehmbare Ersätze.
Das Harz enthält in der bevorzugten Ausführungsform Filterhilfsmittel aus Zellstoff, die in dem verarbeitenden Wasser von der Kernanlage in einer Menge von 40 Gew.% bis 70 Gew.% der Mischung vorlagen. Das Verfahren der Volumenreduzierung ist gegenüber der Gegenwart einer Menge von Rohprodukt, das sich von der Ionenaustauschverarbeitung des Wassers ergeben kann, relativ unempfindlich. Kurz, die Mischung kann unbenutzt sein, oder sie kann aufgebrauchtes Harz und Filterhilfsmittel sein, das fremdes Material enthält. Falls das Harz kein Filterhilfsmittel enthalten sollte, müßte es zugegeben werden. Kornartiges Harz würde weiterhin aus der Größenreduzierung der Nutzen ziehen.
Ein Nutzen der Volumenreduzierung wird einfach durch Zusammendrückung des Harz es mit oder ohne Filterhilfsmittel bei Umgebungstemperaturen erhalten. Die Verdichtung kann in Einfach- oder Vielfachzusammendrückungsschritte mit einer Kraft stattfinden, die von 13790 kPa bis 44816 kPa (2000 psi bis 6500 psi) reicht. Das Harz besetzt ein verdichtetes reduziertes Volumen, während Druck aufgebracht wird. Wenn der Druck entfernt wird, besetzt das Harz dann ein im allgemeinen größeres befreites Volumen. Für bei umgebender Temperatur vervollständigte Verdichtungen reicht der Volumenreduzierungsfaktor (das heißt, Originalvolumen geteilt durch reduziertes Volumen) des befreiten Harzes von ungefähr 1,2 bis ungefähr 3.
Man hat gefunden, daß eine Erhöhung des Volumenreduzierungsfaktors erhalten werden kann, wenn die Harze entwässert werden, und während der Zusammendrückung erhitzt werden. Teilchen können weiter bei einem gegebenen Druck durch Anwendung von Hitze deformiert werden, was verursacht, daß sie näher zusammenkommen, daher wird der Hohlraumprozentsatz reduziert, und dadurch das Gesamtvolumen sogar mehr als durch einfache Anwendung von hohen mechanischen Drücken. Zum Beispiel erhöht sich der befreite Volumenreduzierungsfaktor bei einer Temperatur von ungefähr 250ºC von ungefähr 1,75 auf größer als 5.
Man kann irgendein Verfahren zur Anwendung einer Zusammendrückungskraft auf das Ionenaustauschharz anwenden. Ein Verfahren, das bei Erhaltung der experimentellen Versuche benutzt wird, ist die Anwendung der Zusammendrückungskraft mittels einer Stampfpresse, wie ein hydraulisch angetriebener Kolben in einem Zylinder.
Ein zweites Verfahren, das bei kommerziellen Anwendungen bevorzugt wird, ist die Benutzung einer Strangpresse. Dieses Verfahren würde das kontinuierliche Verarbeiten von Ionenaustauschharz gestatten, durch Eingabe des entwässerten Harzes in ein Ende der Strangpresse, Erhitzung, Zusammendrückung, und Entfernung des gesinterten Materials von dem anderen Ende der Strangpresse.
Ein drittes Verfahren zur Erhitzung und Zusammendrückung des Harzes ist, erhitztes Inertgas zu benutzen, um isostatischen Druck auf das Harz anzuwenden. Das Harz wird durch den Druck und die Wärme, die in einem Gas wie Argon enthalten ist, volumenreduziert.
Der Nutzen, der für pulverisierte Harze mit einem Filterhilfsmittel aus Zellstoff verwirklicht wird, das 40 bis 70 Gew% der Mischung darstellt, die auf eine erhöhte Temperatur von ungefähr 230ºC während der Zusammendrückung erhitzt wird, und bei der Temperatur und dem Druck wenigstens 20 Minuten gehalten wird, ist, daß die Kombination zusätzlich zur Erhöhung des Volumenreduzierungsfaktors für pulverisiertes Harze die Stabilität des Harzes in der Gegenwart von Wasser sehr erhöht, indem es gegenüber Wiederbenetzung stabil gemacht wird. Das gegenüber Wiederbenetzung stabile Harz bildet einen Monolith, der in der Gegenwart von Wasser physikalisch stabil ist, und nicht auseinanderfallen wird. Dieses gibt eine Abfallgestalt, die zum Vergraben erwünschte ist, da irgendein Eingang von Wasser die Stabilität oder Integrität der Abfallgestalt nicht zerstören wird, und Auslaufen des radioaktiven Materials in das Wasser verursachen wird. Für gekörnte Harze, die mit einem Filterhilfsmittel gemischt sind, wird ein ähnlicher Vorteil erwartet.

ERGEBNISSE DER EXPERIMENTE

Bei dem Verfahren in einer Kolben und Zylinder-Vorrichtung wurden mehrere Tests durchgeführt, unter Benutzung einer geeichten Testmaschine, um die aufgebrachte Kraft und die sich ergebende Abweichung zu messen. Der Volumenreduzierungsfaktor wurde dann von dem ursprünglichen Volumen des Harzes und der Abweichung entweder unter Druck oder nach Befreiung für verschiedene angewandte Drucke errechnet. Ein temperaturkontrollierter Greifschalenartiger Ofen wurde auch um die Kolben/Zylinderanordnung benutzt, um zu gestatten, daß Hitze während der Zusammendrückung angewandt wurde. Sowohl die Kolben und Zylinder-Vorrichtung als auch der Ofen haben eine dem Fachmann allgemein bekannte Gestalt, und Besonderheiten sind für das Verfahren nicht wichtig.
Tabelle 1 faßt die Ergebnisse des Verdichtungsverfahrens zusammen, das auf benetztes, unter Vakuum entwässertes gekörntes Harz bei Umgebungstemperaturen durchgeführt wird. Tests No. 1, 2 und 3 wurden mit einer Einfachzusammendrückung durchgeführt und ergaben befreite Volumenreduzierungsfaktoren von bis zu 1,45. Die Verdichtung von Test Nr. 4 bestand aus Vielfachzusammendrückungen derselben Probe von gekörntem Harz. Der in diesem Fall erreichte befreite Volumenreduzierungsfaktor war 1,77. TABELLE 1 Benetztes unter Vakuum entwässertes gekörntes Harz Test Nr. Verdichtungskraft Volumenreduzierungsfaktor Verdichtet Befreit Temp. Wiederbenetzungsstabil nein
Tabelle 2 beschreibt die Ergebnisse von Verdichtung bei Umgebungstemperatur und erhöhter Temperatur von trockenem gekörnten Harz. Test 1 war eine Einfachzusammendrückung, während Tests 2 und 3 Vielfachzusammendrückungen waren. Die Harzproben wurden in dieser Testreihe in Tests 2 und 3 erhitzt. Erhitzung auf 125ºC erreichte einen befreiten Volumenreduzierungsfaktor von 1,49, während Erhitzung auf 250ºC einen Volumenreduzierungsfaktor von 1,75 erhielt. Es wird von dieser Testreihe erwartet, daß sich lohnende Volumenreduzierungen von Minimaltemperaturen von ungefähr 100º C und Minimaldrucken von ungefähr 13790 kPa (2000 psi) erhalten werden können. TABELLE 2 Trockenes gekörntes Harz Test Nr. Verdichtungskraft Volumenreduzierungsfaktor Verdichtet Befreit Temp. Wiederbenetzungsstabil nein
Tabelle 3 beschreibt die Ergebnisse der Verdichtung bei Umgebungstemperatur nach benetztem unter Vakuum entwässerten pulverisierten Harzen mit einem Filterhilfsmittel. Mit Vielfachzusammendrückungen wurde ein befreiter Volumenreduzierungsfaktor von 2,16 erhalten. TABELLE 3 Benetztes unter Vakuum entwässertes gekörntes Harz mit Filterhilfsmittel Test Nr. Verdichtungskraft Volumenreduzierungsfaktor Verdichtet Befreit Temp. Wiederbenetzungsstabil nein
Schließlich wurde Verdichtung von trockenem pulverisierten Harz mit einem Filterhilfsmittel unter Benutzung von sowohl Einfach- als auch Vielfachzusammendrückungen und Erhitzung des pulverisierten Harzes auf entweder 200 oder 250ºC, bevor die Zusammendrückungskraft angewandt wurde. Es wurde ein befreiter Volumenreduzierungsfaktor in der Höhe von 5,36 erhalten, und die Proben, die auf 250ºC erhitzt waren, wurden nach der Befreiung gegenüber Wiederbenetzung stabil. TABELLE 4 Trockenes pulverisiertes gekörntes Harz mit Filterhilfsmittel Test Nr. Verdichtungskraft Volumenreduzierungsfaktor Verdichtet Befreit Temp. Wiederbenetzungsstabil nein ja
Zusammenfassend wird durch Vielfachzusammendrückung des Harzes ein Vorteil gewonnen, der zu erhöhten befreiten Volumenreduzierungsfaktoren führt. Benutzung einer Temperatur von 230ºC während der Zusammendrückung der mit einem Filterhilfsmittel (Zellstoff) vermischten pulverisierten Harzen ergab ein Material, das gegenüber Wiederbenetzung stabil war. Es wird erwartet, daß diese Eigenschaft auch für kornartige Harze erreichbar sein könnte, bei denen das kornartige Harz zunächst in der Größe reduziert wird, und mit der empfohlenen Menge des Zellstoffs gemischt wird.
Man sollte beachten, daß dieses Verfahren mit jedem Gerät durchgeführt werden kann, daß die erwünschten Verdichtungskräfte und die erwünschte Temperatur liefern kann. Zum Beispiel ist ein anderes System, das benutzt werden kann, eine isostatische Presse, die ein Inertgas wie Argon bei erhöhten Temperaturen und Drucken benutzt, um das Harz in einer Kammer zusammenzudrücken, oder das Harz kann durch eine Strangpresse zur Erhitzung und Verdichtung gegeben werden.

Claims

1. Verfahren zur Volumenreduzierung von Abfallmaterialien niedriger Radioaktivität, das von 30 Gew.% bis 60 Gew.% verbrauchtes Ionenaustauschharz umfaßt, das saure oder basische reaktive Gruppen und von 40 Gew.% bis 70 Gew.% eines Filterhilfsmittels enthält, das mit den Gruppen bei einer erhöhten Temperatur von wenigstens 230ºC reagiert, gekennzeichnet durch Entwässerung des verbrauchten Ionenaustauschharzes, Erhitzung des entwässerten Harzes auf die erhöhte Temperatur, und Zusammendrücken des entwässerten, auf die erhöhte Temperatur erhitzten Harzes mit einer Kraft von wenigstens 13790 kPa (2000 psi) für eine Zeitdauer von wenigstens 20 Minuten, die ausreicht, um zu verursachen, das das Harz sintert und gegenüber Wiederbenetzung stabil wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sauren reaktiven Gruppen Carboxylsäuregruppen sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sauren Gruppen Sulfonsäuregruppen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die basischen reaktiven Gruppen primäres Amino, sekundäres Amino, tertiäres Amino, quartäres Ammonium oder Mischungen davon sind.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die basischen Gruppen Hydroxyl sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterhilfsmittel Hydroxylgruppen enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterhilfsmittel aus einem Material zusammengesetzt ist, das auf Zellstoff beruht.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Harz mit einer Kraft von wenigstens 29647 kPa (4300 psi) zusammengedrückt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammendrückungskraft von einer Stampfpresse oder einer Strangpresse angewandt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung und Zusammendrückung durchgeführt wird, indem erhitztes Inertgas benutzt wird, um isostatischen Druck auf das Harz anzuwenden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammendrückung mittels einer Vielzahl von Zusammendrückungsschritten durchgeführt wird.