DE3820092A1 - Verfahren zum behandeln von fluessigem, radioaktivem abfall - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von flüs­ sigem, radioaktivem Abfall durch Erhitzen von verschiedenen flüssigen, radioaktiven Abfällen die von einer Wiederauf­ bereitungsanlage oder einem Atomkernkraftwerk erzeugt wer­ den, um die in den flüssigen Abfällen enthaltenen Natrium­ verbindungen zu zersetzen, zu verdampfen und zu entfernen, um dadurch das Volumen des abschließend behandelten Produk­ tes stark zu verringern.

Flüssiger, radioaktiver Abfall, der Natriumverbindungen, wie beispielsweise Natriumnitrat, Natriumsulfat, Natriumhy­ droxid und ähnliches, enthält, wird in großen Mengen von Atomkernreaktoren und verschiedenen Atomkernkraftanlagen erzeugt.

Eine Wiederaufbereitungsanlage erzeugt beispielsweise hoch­ radioaktiven, flüssigen Abfall sowie mittel-und schwach­ reaktiven, flüssigen Abfall. Der hochradioaktive, flüssige Abfall enthält hauptsächlich eine große Menge an Natrium­ nitrat und eine kleine Menge an Spaltungsprodukten. Ein derarti­ ger flüssiger Abfall wird im allgemeinen dadurch verglast, daß er mit einer großen Menge eines glasbildenden Mittels verschmolzen und anschließend verfestigt wird. Der mittel­ oder schwachradioaktive, flüssige Abfall enthält haupt­ sächlich Natriumnitrat und eine geringfügige Menge an Spaltungsprodukten. Ein derartiger flüssiger Abfall wird im allgemeinen mit Bitumen oder einem Kunststoff unter Erwär­ mung gemischt, woraufhin das Gemisch verfestigt wird, um ein bitumenverfestigtes oder kunststoffverfestigtes Produkt zu bilden.

Radioaktiver, flüssiger Abfall, der Natriumhydroxid enthält, wird weiterhin dadurch erzeugt, daß Natrium- und Korrosions- Produkte, die an abgebranntem Atomkernbrennstoff haften, der von einem Reaktor vom Typ des schnellen Brüters ausgela­ den wird, abgewaschen werden. Ein derartiger flüssiger Ab­ fall wird verdampft und getrocknet und dann dadurch ver­ glast, daß er mit einem glasbildenden Mittel zusammenge­ schmolzen wird, um ein verglastes Produkt zu erzeugen.

Um ein verglastes Produkt mit ausgezeichneten Eigenschaften zu erhalten, muß jedoch der Natriumgehalt im Produkt unter einem bestimmten Grenzwert liegen. Um den hochradioaktiven, flüssigen Abfall in ein verglastes Produkt mit ausgezeichne­ ten Eigenschaften umzuwandeln, muß eine große Menge des Glas­ bildungsmittels benutzt werden, was in nachteiliger Weise die Abfallmenge erhöht.

Bei der Behandlung von mittel- oder schwachradioaktivem, flüssigem Abfall besteht weiterhin beim Mischen des Na­ triumnitrates, des Natriumsulfates oder ähnlicher Verbin­ dungen mit Bitumen oder einem Kunststoff unter Erwärmen die Gefahr einer Entzündung oder Explosion. Es ist daher viel Aufmerksamkeit erforderlich, so daß der Arbeitswirkungsgrad gering ist.

In jedem Fall sind große Mengen verschiedener Stoffe zum Behandeln der Natriumverbindungen erforderlich, die im flüssigen Abfall enthalten sind, und nimmt das Volumen des schließlich behandelten Produktes stark zu.

Wenn weiterhin hochradioaktiver, flüssiger Abfall zu ver­ glasen ist, wird es schwierig, die im flüssigen Abfall ent­ haltenen nutzbaren Elemente abzutrennen und wiederzugewinnen.

Durch die Erfindung sollen die oben beschriebenen Mängel be­ seitigt werden und soll ein Verfahren zum Behandeln von flüssigem, radioaktivem Abfall geschaffen werden, bei dem die Natriumverbindungen im flüssigen Abfall über einen ein­ fachen Prozeß entfernt werden, so daß das Volumen des ab­ schließend behandelten Produktes stark verringert werden kann und eine große Kostenersparnis bei der Behandlung er­ zielt werden kann.

Dazu umfaßt das erfindungsgemäße Verfahren zum Behandeln eines flüssigen, radioaktiven Abfalls, der Natriumverbin­ dungen enthält, das Erwärmen und Verdampfen des flüssigen, radioaktiven Abfalls, um ein getrocknetes Produkt zu er­ zeugen, das die Natriumverbindungen enthält, und das Ent­ fernen der Natriumverbindungen vom getrockneten Produkt durch eine weitere Erwärmung des getrockneten Produktes, um die Natriumverbindungen zu zersetzen und zu verdampfen und dadurch einen radioaktiven Feststoffrest zu erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nicht nur zum Behandeln von hochradioaktivem, flüssigem Abfall, sondern auch zum Behandeln von flüssigem Abfall, der verschiedene Natriumver­ bindungen enthält, wie beispielsweise von mittel- und schwachradioaktivem, flüssigem Abfall angewandt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die flüssigen Anteile im flüssigen Abfall durch die Erwärmung verdampft und wird der flüssige, radioaktive Abfall in ein getrock­ netes Produkt umgewandelt. Wenn die Erwärmung weiter fortge­ setzt wird, werden verschiedene darin enthaltene Natrium­ verbindungen dadurch entfernt, daß sie zersetzt und ver­ dampft werden, wodurch ein radioaktiver Feststoffrest übrig bleibt. Das macht es möglich, das Volumen des weiter zu behandelnden radioaktiven Abfalls stark zu verringern.

Bei hochradioaktivem, flüssigem Abfall umfaßt beispiels­ weise der radioaktive Feststoffrest Spaltungsprodukte, Akti­ niden, Korrosionsprodukte usw., die hauptsächlich in Form von Oxiden vorliegen. Der Rest muß daher nicht notwendiger­ weise verglast oder verfestigt werden. Das erlaubt es, die brauchbaren Elemente im Feststoffrest leicht rückzugewinnen oder den Rest kurzzeitig zwischenzulagern, so daß diese Elemente vom Feststoffrest später rückgewonnen werden kön­ nen.

Auch bei der Behandlung von mittel- oder schwachradioaktivem, flüssigem Abfall kann der verbleibende radioaktive Feststoff­ rest sicher mit Bitumen oder Kunststoff unter einer Erwär­ mung gemischt werden, um eine Bitumen- oder Kunststoffver­ festigung durchzuführen.

Im folgenden werden anhand der zugehörigen Zeichnung beson­ ders bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einer schematischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer Vor­ richtung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 in einer schematischen Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel ei­ ner Vorrichtung, die vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens benutzt wird.

Fig. 1 zeigt den Aufbau der einfachsten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Unter einer Resonanzmikrowellenheizkammer 10 ist mittels eines Flansches 16 ein Tiegel 14 zur Aufnahme des flüssigen, radioaktiven Abfalls 12 vorgesehen. Der flüssige, radioak­ tive Abfall 12 kann in den Tiegel 14 eingeleitet werden, be­ vor dieser an der Mikrowellenheizkammer 10 angebracht wird oder fortlaufend oder chargenweise dem Tiegel von einem obe­ ren Zuführungsrohr 18 aus zugeführt werden.

Die Mikrowellen zur Erwärmung kommen über eine Mündung 20 zum Anbringen eines Mikrowellenleiters, so daß die Reso­ nanzmikrowellenheizkammer in Resonanz tritt, um den flüssi­ gen, radioaktiven Abfall 12 in konzentrierter Weise zu er­ wärmen oder zu erhitzen. Die flüssigen Anteile im flüssigen Abfall werden daher verdampft, und der flüssige Abfall wird in ein getrocknetes Produkt umgewandelt. Wenn die Mikro­ wellenheizung weiter fortgesetzt wird, werden die im sich ergebenden flüssigen Produkt enthaltenen Natriumverbindungen zersetzt und verdampft und einem Abgasbehandlungssystem über eine Auslaßöffnung 22 zugeführt. Der radioaktive Feststoff­ rest 24, der nicht durch die Mikrowellenheizung zersetzt und verdampft wird, bleibt daher am Boden des Tiegels 14.

Der radioaktive Feststoffrest 24 besteht hauptsächlich aus Stoffen mit hohem Siedepunkt und hat ein stark verringertes Volumen, da die Natriumverbindungen entfernt sind.

Die Menge an Natriumoxid im Feststoffgehalt des hochradioak­ tiven, flüssigen Abfalls liegt beispielsweise bei 40%. Wenn die Natriumverbindungen entfernt werden, wie es oben be­ schrieben wurde, nimmt die Menge an radioaktivem, festem Ab­ fall aus dem hochradioaktiven, flüssigen Abfall auf etwa 60% ab. Wenn weiterhin der hochradioaktive, flüssige Abfall zu verglasen ist, wird ein Glasbildungsmittel in einem Ver­ hältnis von etwa 75%, relativ zu etwa 25% des Feststoffge­ halts (einschließlich der Natriumoxide) im flüssigen, hoch­ radioaktiven Abfall zugegeben. Das Glasbildungsmittel wird dabei in großen Mengen benutzt, um das Natrium in ein sta­ biles Glas einzubauen. Wenn daher das Natrium aus dem flüssigen, hochradioaktivem Abfall entfernt wird, wie es beim erfindungsgemäßen Verfahren der Fall ist, liegt der radioaktive Feststoffabfall hauptsächlich in Form von Oxiden vor, so daß keine Notwendigkeit der Verglasung oder Verfestigung besteht, um das Natrium stabil zu verfestigen. Das Volumen des resultierenden, hochradioaktiven Feststoff­ abfalls kann daher stark, d.h. bis auf etwa 1/7, verringert werden.

Der radioaktive Feststoffrest, der bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, kann somit unverändert oder nach einer Stabilisierung über eine Behandlung des Entzuges der erzeugten Wärme behandelt werden. Der radioaktive Feststoff­ abfall kann auch kurzzeitig gelagert werden, so daß die nutzbaren Elemente im Rest später rückgewonnen werden kön­ nen.

Bei Versuchen, bei denen simulierter hochradioaktiver flüs­ siger Abfall erwärmt wurde, d.h. bei denen ein Liter eines simulierten flüssigen Abfalls mit einem Feststoffgehalt von 76,54 g/l mit Mikrowellen einer Leistung von 2 kW über eine Stunde erwärmt wurde, wurde ein Feststoffrest in einer Menge von etwa 21g erhalten. Diese Tatsache zeigt, daß die Na­ triumverbindungen und die simulierten radioaktiven Nuklide mit niedrigem Siedepunkt entfernt wurden, und daß das er­ findungsgemäße Verfahren wirksam ist.

Die Nuklide mit niedrigem Siedepunkt, beispielsweise Cäsium usw., die beim Erhitzen verdampfen, werden in einem Abgas­ behandlungssystem rückgewonnen, um separat behandelt zu wer­ den.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der flüssige, radioaktive Abfall 30, der Natriumnitrat enthält, wird in einem Speicherbehälter 32 gelagert und einer Mikro­ wellendenitriervorrichtung 34 mit Schneckenförderer über ein Förderrohr 36 zugeführt. Der zugeführte flüssige, radioakti­ ve Abfall 30 wird durch die von einem Mikrowellenleiter 38 anliegenden Mikrowellen erhitzt und denitriert. Das heißt, daß beim Erhitzen das Natriumnitrat bei 380°C zersetzt wird, so daß Sauerstoff abgegeben wird und in Natriumnitrit umgewandelt wird. Bei einer weiter fortgesetzten Erhitzung wird das Na­ triumnitrit in Natriumperoxid bei 750°C oder mehr umgewandelt und anschließend in Natriumoxid umgewandelt. Das zu erhitzen­ de Material wird durch die Vorrichtung befördert, während es durch die Schnecke 50 gerührt und gemischt wird. Das Abgas, das durch die Zersetzung entsteht, wird über eine Auslaßöff­ nung 42 abgeführt und einem Abgasbehandlungssystem zugelei­ tet.

Das erhitzte Material, das Natriumperoxid und Natriumoxid enthält, wird über eine Auslaßöffnung 44 für das denitrierte Produkt abgegeben und einer Natriumoxidzersetzungsvorrich­ tung 46 zugeführt, die aus einer Resonanzmikrowellenheizkam­ mer besteht. Ein Tiegel 50 ist am unteren Teil der Vorrich­ tung 46 zum Zersetzen des Natriumoxids über einen Flansch 52 angebracht. Die für die Zersetzung verwandte Mikrowellen­ energie liegt über eine Öffnung 54 zum Anbringen eines Mi­ krowellenleiters an, um dadurch das zu erhitzende Material, das Natriumoxid, Natriumperoxid und Natrium enthält, zu er­ hitzen. Natriumoxid wird beispielsweise bei 400°C oder mehr in Natriumperoxid und Natrium zersetzt, und Natrium wird bei seinem Siedepunkt von 877,5°C verdampft, wobei die Ver­ dampfungswärme von 1100 Kal/g absorbiert wird. Der radioak­ tive Feststoffrest 58 bleibt im Tiegel 50. Die verdampften Stoffe werden über die Auslaßöffnung 60 abgegeben und durch ein äußeres Abgasbehandlungssystem behandelt.

Im Obigen wurden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung beschrieben, auf die die erfindungsgemäße Ausbildung nicht beschränkt ist, da beispielsweise das Heizverfahren in keiner Weise auf ein bestimmtes Verfahren beschränkt ist. Wenn jedoch das Heizen unter Verwendung von Mikrowellen er­ folgt, wie es beim obigen Ausführungsbeispiel der Fall ist, werden die Natriumverbindungen von innen heraus erwärmt und bildet sich eine Schicht aus Natriumverbindungen an der In­ nenfläche des Tiegels, so daß die Temperatur gehalten wird. Die Verbindungen werden daher sehr wirkungsvoll und leicht zersetzt und verdampft, ohne daß eine Schwierigkeit bezüg­ lich des Wärmewiderstandes des Tiegels auftritt.

Der Feststoffgehalt in mittel- oder schwachradioaktiven flüs­ sigen Abfällen enthält Salze in einer Menge, die größer als die der radioaktiven Stoffe ist. Bisher wurde daher die Bi­ tumenverfestigung so ausgeführt, daß der flüssige Abfall mit Bitumen vermischt wurde, dessen Menge vier- bis fünfmal so groß wie die der Salze im flüssigen Abfall ist. Da die Salze im flüssigen Abfall jedoch mit dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren wirksam entfernt werden können, kann die Menge des durch die Bitumenverfestigung erzeugten verfestigten Produktes stark herabgesetzt werden.

Obwohl die vorliegende Erfindung im Obigen anhand der Behand­ lung von flüssigem Abfall beschrieben wurde, der Natrium­ nitrat enthält, kann sie auch wirksam bei der Behandlung von flüssigem Abfall angewandt werden, der Natriumsulfat, Natriumhydroxid oder ähnliche Verbindungen enthält.

Damit die radioaktiven Stoffe im flüssigen Abfall im radio­ aktiven Feststoffrest soweit wie möglich bleiben, ist es zweckmäßig, die Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren dadurch auszuführen, daß vorher Stoffe, die von den radioaktiven Nukliden gebunden oder adsorbiert werden, wie beispielsweise Eisenhydroxid und Eisenoxid, dem flüssigen Ab­ fall zugegeben werden.

Da in der oben beschriebenen Weise beim erfindungsgemäßen Verfahren der flüssige, radioaktive Abfall erhitzt wird, um die darin enthaltenen Natriumverbindungen zu zersetzen und zu entfernen und dadurch einen radioaktiven Feststoffrest zu erhalten, ist es möglich, das Volumen des sich ergebenden Feststoffabfalls nur mittels eines zuverlässigen und einfa­ chen Erwärmungs- oder Erhitzungsverfahrens stark zu verrin­ gern.

Wenn beispielsweise ein hochradioaktiver, flüssiger Abfall nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wird, be­ steht der Feststoffrest, aus dem das Natrium entfernt wurde, hauptsächlich aus Oxiden, und muß dieser Feststoffrest ins­ besondere nicht verglast werden. Daher ist die erzeugte Ab­ fallmenge verringert und ist es weiterhin möglich, die brauchbaren Elemente vom Rest leicht rückzugewinnen.

Selbst wenn die Verfestigung durchgeführt wird, indem ver­ schiedene Mittel zugegeben werden, kann die Menge dieser zu mischenden Stoffe und Mittel stark verrringert werden, da das Natrium durch das erfindungsgemäße Verfahren bereits im wesentlichen entfernt ist. Das Volumen des Abfallendproduk­ tes kann daher stark verringert werden.

Verfahren zum Behandeln von flüssigem, radioaktivem Abfall, der Natriumverbindungen enthält, bei der der flüssige, radio­ aktive Abfall erhitzt und verdampft wird, um ein getrocknetes Produkt zu erzeugen, das die Natriumverbindungen enthält, die Natriumverbindungen vom getrockneten Produkt dadurch entfernt werden, daß das getrocknete Produkt weiter erhitzt wird, um die Natriumverbindungen zu zersetzen und zu ver­ dampfen und dadurch ein radioaktiver Feststoffrest erzielt wird.

Claims (4)

1. Verfahren zum Behandeln von flüssigem, radioaktivem Ab­ fall, der Natriumverbindungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige, radioaktive Abfall erhitzt und ver­ dampft wird, um ein getrocknetes Produkt zu erzeugen, das die Natriumverbindungen enthält, und daß die Na­ triumverbindungen vom getrockneten Produkt dadurch ent­ fernt werden, daß das getrocknete Produkt weiter er­ hitzt wird, um die Natriumverbindungen zu zersetzen und zu verdampfen, so daß ein radioaktiver Feststoffrest erhalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzung über eine Mikrowellenheizung erfolgt.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf flüssigen, radioaktiven Abfall, der als Natriumverbindungen Na­ triumnitrat, Natriumsulfat und/oder Natriumhydroxid ent­ hält.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bei flüssigem, radioaktivem Abfall, der hochradioaktiv, mittelradioaktiv oder schwachradioaktiv ist.