ES2290367T3 - Procedimiento electroquimico para la descontaminacion de materiales radioactivos. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, que comprende las siguientes etapas: exponer materiales contaminados a la solución de descontaminación; hacer pasar la solución de descontaminación que contiene cationes radioactivos a través de un compartimiento central de una celda electroquímica de intercambio iónico, que está separado mediante una primera membrana de intercambio iónico de un compartimiento anódico que tiene un ánodo; reciclar la solución de descontaminación para su reutilización en la etapa de exposición; aplicar un voltaje entre el cátodo y el ánodo; atraer los cationes radioactivos al cátodo; depositar los cationes radioactivos sobre el cátodo en forma de partículas metálicas radioactivas; y hacer fluir una solución catódica por encima del cátodo para separar las partículas metálicas radioactivas.
Description
Procedimiento electroquímico para la
descontaminación de materiales radioactivos.
La presente invención se refiere a la
eliminación de contaminación radioactiva superficial de materiales
metálicos y a la recolección de la contaminación eliminada en una
forma apropiada para tratamiento y eliminación adecuados de
residuos radiactivos. Más particularmente, la invención se refiere a
la disolución de la contaminación de superficie con una solución de
ácido, a la subsiguiente conversión de los iones disueltos en
partículas metálicas mediante una celda electroquímica y a la
eliminación de las partículas metálicas del sistema de
descontaminación.
La descontaminación química es un procedimiento
establecido para la reducción de la exposición a la radiación de
los trabajadores de plantas nucleares. En este procedimiento, se
añaden sustancias químicas a una parte del circuito de agua
refrigerante de la planta, y dichas sustancias químicas disuelven
los sedimentos radioactivos de las superficies del circuito. Las
sustancias químicas y los componentes radioactivos se eliminan de la
solución refrigerante en circulación mediante intercambio iónico.
En la patente USA Nº 4.705.573, titulada "Descaling Process"
("Procedimiento de desincrustado"), se da a conocer un ejemplo
de un procedimiento de este tipo.
Más recientemente, se ha aplicado el mismo
principio general al tratamiento de componentes que dejan de
utilizarse en las plantas nucleares. La descontaminación de estos
componentes no sólo reduce la exposición a la radiación de los
trabajadores, sino que reduce el nivel radioactivo, de tal modo que
los componentes descontaminados pueden tratarse como residuos
radioactivos de una categoría inferior. Si el procedimiento de
descontaminación reduce la radioactividad por debajo de un nivel
determinado, los componentes pueden considerarse no radioactivos. A
continuación, estos componentes tratados pueden reutilizarse como
componentes en otras aplicaciones nucleares o no nucleares, o
pueden reciclarse. A veces, este procedimiento de descontaminación
se designa "descontaminación para desmantelamiento". Un
ejemplo de este tipo de procedimiento se da a conocer en la patente
USA Nº 6.147.274, titulada "Method for Decontamination Of Nuclear
Plant Components" ("Procedimiento para la descontaminación de
componentes de plantas nucleares").
Los procedimientos existentes de
descontaminación para desmantelamiento someten a los componentes
metálicos contaminados a una solución de descontaminación que
elimina una capa de material. A continuación, los sólidos y iones
radioactivos se eliminan de la solución de descontaminación. Los
procedimientos de descontaminación para desmantelamiento no generan
residuos radiactivos líquidos, ya que el agua utilizada para
preparar las soluciones de descontaminación se devuelve a una forma
desionizada pura al final del procedimiento, y puede ser reciclada.
Además, los procedimientos de descontaminación utilizan soluciones
diluidas, evitando los peligros asociados a la utilización de
sustancias químicas concentradas. Los procedimientos de
descontaminación son particularmente útiles para lavar componentes
de forma compleja (tales como intercambiadores de calor de coraza y
tubos) en los que resulta difícil aplicar procedimientos mecánicos
de descontaminación.
Un problema importante en los procedimientos
existentes de descontaminación para desmantelamiento ha sido la
dificultad de manipulación de los residuos radioactivos secundarios.
En algunos países, no existen cementerios radioactivos y todos los
residuos secundarios generados deben almacenarse indefinidamente en
el lugar. Para la eliminación de residuos radioactivos secundarios,
los residuos deben trasladarse a una instalación de almacenamiento
en la que puedan garantizarse la integridad de los contenedores de
almacenamiento y la protección contra la radiación. Además, los
residuos radioactivos secundarios deben encontrarse en una forma
adecuada para su transporte y enterramiento. En un procedimiento de
este tipo, los residuos radioactivos secundarios se acondicionan
como monolitos sólidos y se introducen en bidones fácilmente
manejables. En todos los países es obligatorio maximizar la
estabilidad y minimizar el volumen de los residuos radioactivos
secundarios producidos.
Habitualmente, los procedimientos de
descontaminación por desmantelamiento generan resinas de intercambio
iónico como residuo radioactivo secundario final. Toda la
radioactividad de los componentes descontaminados y todas las
sustancias químicas residuales se recogen en este residuo de resina
de intercambio iónico. En los Estados Unidos, los residuos de
resina de intercambio iónico generalmente se deshidratan y se
disponen en cementerios dentro de contenedores de alta integridad.
En otros países, las regulaciones prohíben este modo de tratamiento
de los residuos de resinas radioactivos de intercambio iónico.
Además, el residuo de resina no es una forma de residuo
conveniente, dado que sólo presenta una fracción de su propio peso
en forma de contaminación radioactiva o metálica. De este modo, el
residuo de resina radioactiva final no consiste sólo en la
contaminación eliminada de las superficies de los componentes, sino
que también contiene los materiales poliméricos orgánicos que
constituyen la propia resina de intercambio iónico. Esta ineficacia
en el procesamiento de los residuos de descontaminación basada en
resinas constituye una desventaja significativa en comparación con
los procedimientos de descontaminación mecánica, en los que se
elimina una capa fina de material contaminado de la superficie de
los componentes. El único residuo producido por los procedimientos
de descontaminación mecánica es el material eliminado del
componente.
La patente USA Nº 5.078.842A, titulada
"Process For Removing Radioactive Burden From Spent Nuclear
Reactor Decontamination Solutions Using Eletrochemical Ion
Exchange" ("Procedimiento para eliminar carga radioactiva de
soluciones de descontaminación de reactores nucleares, utilizadas
mediante intercambio iónico electroquímico"), da a conocer un
procedimiento en el que la resina de intercambio iónico puede
utilizarse como forma intermedia de residuo, y se incorpora al
presente documento como referencia. La patente '842 da a conocer una
celda electroquímica de intercambio iónico de tres compartimientos
utilizada para eliminar cationes radioactivos de una solución de
descontaminación. Una solución de descontaminación pasa a través de
un compartimiento central de la celda de intercambio iónico que
contiene la resina de intercambio catiónico. La resina de
intercambio catiónico elimina los contaminantes disueltos y los
iones metálicos de la solución de descontaminación. A continuación,
los iones que han permanecido en la resina migran por efecto de una
corriente eléctrica hasta un compartimiento catódico y se reducen a
un depósito metálico sobre un cátodo. En la patente USA Nº
5.306.399, titulada "Electrochemical Exchange Anions In
Decontamination Solutions" ("Aniones de intercambio
electroquímico en soluciones de descontaminación"), se da a
conocer un equivalente aniónico de este procedimiento, y se
incorpora asimismo al presente documento como referencia.
Aunque el procedimiento descrito en la patente
'842 ha sido ampliamente ensayado, no se ha aplicado a escala
comercial para reactores nucleares. Una razón para esta falta de
utilización es que el procedimiento se diseñó para formar parte de
la descontaminación del reactor en funcionamiento, objeto de interés
comercial en el pasado. La descontaminación durante el
funcionamiento se lleva a cabo durante el paro de mantenimiento de
la planta nuclear y debe realizarse en un período de tiempo muy
corto. De hecho, los paros de mantenimiento en las plantas
nucleares se han acortado tanto que, a menudo, no hay tiempo
suficiente para llevar a cabo el procedimiento de descontaminación
mediante una celda de intercambio iónico, y menos aún un sistema
auxiliar de tratamiento con solución de descontaminación. Estas
limitaciones de tiempo obligaban a que el procedimiento de
migración eléctrica fuera muy rápido, lo que, a su vez, requería un
gran aporte de corriente eléctrica a la celda de intercambio
iónico, además de unos equipos pesados y caros que no resultaban
atractivos desde el punto de vista comercial.
El procedimiento de descontaminación dado a
conocer en la patente '842 es mucho más adecuado para aplicaciones
de descontaminación para desmantelamiento, en las que es obligatoria
la reducción del volumen de residuos y las limitaciones de tiempo
son menos onerosas. En este caso, el procedimiento eléctrico puede
tener lugar a una corriente baja con un equipo modesto a lo largo
de un período de tiempo más prolongado. La patente '842, lo que
tiene una importancia básica, no describe el modo en que debe ser
tratado el depósito radioactivo formado sobre el cátodo. A escala
de laboratorio, la celda descrita puede ser desmantelada y
eliminarse el depósito mecánicamente de la superficie del
electrodo. Este procedimiento no es factible a gran escala
respetando las limitaciones adecuadas de protección a la radiación.
Para poder comercializar completamente el procedimiento, sería
necesario dar a conocer un nuevo procedimiento para extraer el
depósito radioactivo depositado sobre el cátodo en la misma celda
de intercambio iónico a efectos de eliminación.
La patente USA Nº 4.828.759, titulada "Process
For Decontaminating Radioactivity Contaminated Metallic
Materials" ("Procedimiento para descontaminar materiales
metálicos contaminados con radioactividad"), da a conocer otro
procedimiento de descontaminación en el que se utiliza una solución
de descontaminación ácida a efectos de eliminar los materiales
radioactivos de los componentes. Los contaminantes e impurezas
sólidas se eliminan sucesivamente de la solución de
descontaminación mediante procesamiento con una celda de intercambio
iónico a través de medios electroquímicos, y se depositan sobre un
cátodo. Como en la patente '842, la patente '759 no describe el
modo en el que los depósitos radioactivos se extraen del cátodo o el
modo en el que se procesan los residuos radioactivos para su
eliminación.
La invención comprende un sistema y un
procedimiento para la descontaminación química de objetos metálicos
radioactivos. El sistema de descontaminación, según la invención,
sólo produce materiales de desecho radioactivos sólidos en forma de
pequeñas partículas metálicas, y todos los líquidos utilizados en el
sistema de descontaminación, según la invención, pueden ser
reciclados. Los objetos metálicos contaminados se exponen a una
solución de descontaminación ácida que elimina una capa fina de
material contaminado. A continuación, se utiliza una celda
electroquímica de intercambio iónico a efectos de eliminar los
componentes radioactivos de la solución de descontaminación.
A continuación, la contaminación radioactiva se
elimina de la solución de descontaminación. Después de que la
solución de descontaminación ha absorbido los materiales
radioactivos, la solución de descontaminación fluye a través de un
circuito de purificación. El circuito de descontaminación presenta
una celda de intercambio iónico con un compartimiento central, un
compartimiento anódico y un compartimiento catódico. Este circuito
también puede tener un filtro que elimina sustancias sólidas de la
solución de descontaminación liberadas por los componentes durante
el procedimiento de descontaminación.
En una realización, la celda de intercambio
iónico se configura de tal modo que los compartimientos anódico y
catódico están separados, cada uno de ellos, del compartimiento
central por membranas permeables a iones. El compartimiento central
se llena con una resina de intercambio catiónico. La solución de
descontaminación fluye a través del compartimiento central y los
cationes metálicos radioactivos de la solución de descontaminación
son capturados por la resina. A continuación, los cationes metálicos
radioactivos retenidos migran por efecto de la corriente eléctrica
hacia el compartimiento catódico, en el que se depositan sobre el
cátodo en forma de pequeñas partículas metálicas. La solución de
descontaminación purificada fluye hacia afuera del compartimiento
central y puede reciclarse para una descontaminación de componentes
adicional.
En una realización alternativa, la celda de
intercambio iónico descrita anteriormente no se llena con una
resina de intercambio catiónico, y los cationes de la solución de
descontaminación que fluye a través de la cámara central no son
retenidos por la resina. En esta realización, los cationes metálicos
radioactivos migran por efecto de la corriente eléctrica desde la
solución de descontaminación, a través de una membrana permeable a
iones, hacia el compartimiento catódico. A continuación, los
cationes metálicos se depositan en forma de pequeñas partículas
metálicas sobre un cátodo. No todos los cationes radioactivos pueden
eliminarse de la solución de descontaminación, sin embargo, se
elimina una cantidad suficiente de contaminación, de tal modo que
la solución de descontaminación que sale de la celda de intercambio
iónico puede reutilizarse para descontaminar otros componentes.
En las dos realizaciones, una solución catódica
fluye por encima del cátodo y elimina las partículas metálicas
contaminadas del cátodo. La solución catódica y las partículas
metálicas fluyen hacia afuera del compartimiento catódico y hacia
un contenedor de recogida de residuos, en el que las partículas
metálicas se separan de la solución por sedimentación. Después de
que la solución catódica queda libre de contaminantes radioactivos,
puede ser reciclada.
En otra realización, el compartimiento central
de la celda electroquímica de intercambio iónico no se llena con
resina de intercambio iónico, y el compartimiento catódico no está
separado del compartimiento central mediante una membrana permeable
a iones. La solución de descontaminación fluye desde el
compartimiento central al compartimiento catódico. En esta
realización, la solución de descontaminación no fluye hacia afuera
del compartimiento central. Los cationes metálicos radioactivos
migran directamente al cátodo y se depositan sobre el mismo en
forma de pequeñas partículas metálicas. La solución catódica fluye
por encima del cátodo y elimina las partículas metálicas
depositadas. Tanto la solución catódica como la solución de
descontaminación fluyen hacia el contenedor de recogida de
residuos. Nuevamente, las partículas metálicas se separan de la
solución mixta por sedimentación. La solución del contenedor de
recogida de residuos se recicla como solución catódica y como
solución de descontaminación.
El metal radioactivo depositado sobre el cátodo
tiene forma de pequeñas partículas, en vez que como capa adherente,
controlando la acidez de la solución presente en el compartimiento
catódico. En una realización, el valor de pH en el compartimiento
catódico se mantiene aproximadamente entre 2,5 y 5,0, lo que provoca
que se formen pequeñas partículas sobre el cátodo. Estas partículas
pequeñas se separan fácilmente del cátodo mediante un líquido que
fluye sobre el cátodo, y además son lo suficientemente grandes para
separarse fácilmente de la solución catódica. Tal como se ha
descrito, las partículas metálicas sedimentan al fondo del
contenedor de recogida de residuos, permitiendo que la solución se
extraiga por la parte superior del contenedor y se recicle.
Un objeto de la presente invención consiste en
minimizar la cantidad de residuos radioactivos generados por el
procedimiento de descontaminación. Los contaminantes metálicos
procedentes de los componentes se convierten en pequeñas partículas
metálicas que se acumulan en un contenedor de recogida de residuos.
Produciendo únicamente residuos en forma de partículas metálicas
sólidas se genera el mínimo volumen de residuos posible.
A continuación, las partículas metálicas pueden
desplazarse desde el contenedor de recogida de residuos a otro
lugar por fluidización hidráulica, de modo similar al modo en el que
se trata convencionalmente la resina de intercambio de iones
radioactivos. Esta característica de la invención proporciona un
método práctico para eliminar la contaminación radioactiva del
aparato. Si se formara un depósito de metal coherente sobre el
cátodo, el único modo práctico de eliminar la contaminación sería
extraer físicamente el cátodo del aparato, lo que sería difícil de
conseguir de un modo radiológicamente seguro.
El procedimiento, según la invención, para
eliminar residuos metálicos radioactivos de un electrodo también es
compatible con otros procedimientos de descontaminación en celdas de
intercambio iónico, tal como se describen en la patente USA Nº
6.147.274, así como con otros tipos de procedimientos de
descontaminación con ácido diluido.
A continuación, la invención se describe,
únicamente a título de ejemplo, haciendo referencia a realizaciones
de la presente invención ilustradas en los dibujos adjuntos, en los
que:
la figura 1 es un diagrama de una realización
del sistema de descontaminación que utiliza resina en el
compartimiento central de la celda de intercambio iónico; y
la figura 2 es un diagrama de una realización
del sistema de descontaminación en el que no se utiliza resina en
el compartimiento central de la celda de intercambio iónico y el
compartimiento central no está separado del compartimiento catódico
mediante una membrana permeable a los iones.
La presente invención es un sistema de
descontaminación basado en ácido que limpia componentes metálicos
expuestos a radiación en un reactor nuclear. El sistema de
descontaminación incluye una solución de descontaminación, que se
utiliza a efectos de eliminar contaminación radioactiva de los
componentes metálicos, y un circuito de purificación, que elimina
los contaminantes radioactivos de la solución de descontaminación.
Los componentes contaminados están expuestos a la solución de
descontaminación, que disuelve metales y óxidos metálicos
radioactivos de la superficie de un objeto contaminado. La
concentración de ácido en la solución de descontaminación es baja
y, en circunstancias normales, la capacidad de la solución de
descontaminación para disolver contaminantes se agotaría
rápidamente. Sin embargo, en la presente invención, la capacidad de
disolución de la solución de descontaminación se regenera
continuamente en el circuito de purificación, que recicla la
solución de descontaminación. Más particularmente, el circuito de
purificación incluye una celda de intercambio iónico que sustituye
los iones metálicos radioactivos de la solución de descontaminación
por iones hidrógeno, antes de reciclar la solución de
descontaminación, y un sistema de eliminación de contaminación
sólida que produce únicamente residuos radioactivos sólidos.
La figura 1 ilustra una realización del sistema
de descontaminación (100), que presenta un depósito de
almacenamiento de solución de descontaminación (121) y una celda de
intercambio iónico (109). Los componentes pueden colocarse en el
depósito de almacenamiento (121) y sumergirse en la solución de
descontaminación a efectos de eliminar una capa de material
contaminado. Alternativamente, la solución de descontaminación puede
hacerse circular a través de superficies internas de los
componentes contaminados o ponerse en contacto con los componentes
contaminados de cualquier otro modo. La velocidad de eliminación de
material de los componentes depende de diversos factores,
incluyendo: la composición química de la solución de
descontaminación, la duración del contacto con la solución de
descontaminación y la temperatura de la solución de
descontaminación. Los cationes radioactivos y los contaminantes
sólidos en partículas se eliminan de la solución de descontaminación
en un circuito de purificación.
El circuito de purificación incluye una celda
electroquímica de intercambio iónico (111) y también puede incluir
un filtro (141) en la parte anterior, con respecto a la dirección de
flujo, de la celda electroquímica de intercambio iónico (111), a
efectos de eliminar partículas sólidas de la solución de
descontaminación. La solución de descontaminación líquida fluye a
través del filtro (141) y las partículas sólidas son retenidas por
el filtro (141). El filtro (141) puede lavarse periódicamente
haciendo fluir agua a través del filtro (141) en dirección
contraria, a efectos de eliminar los sólidos radioactivos. Las
partículas sólidas eliminadas por el filtro pueden combinarse con
las partículas metálicas eliminadas del contenedor de recogida de
residuos (151) (descrito, con mayor detalle, a continuación). Los
residuos del filtro (141) y del contenedor de recogida de residuos
(151) pueden eliminarse del mismo modo.
La celda de intercambio iónico (111) incluye
tres compartimientos, un compartimiento anódico (105), un
compartimiento catódico (107) y un compartimiento central (109),
cada uno de ellos separado por membranas de intercambio catiónico
(131). El compartimiento anódico (105) se llena con una solución
anódica y contiene un ánodo (133). El compartimiento catódico (107)
contiene un ánodo (135) y se llena con una solución catódica. El
compartimiento catódico (107) y el compartimiento anódico (105) no
contactan directamente entre sí, sino que mantienen una relación de
comunicación de iones a través del compartimiento central (109).
Tanto el compartimiento anódico (105) como el compartimiento
catódico (107) pueden presentar sistemas de recirculación que hacen
circular las soluciones anódica y catódica. Los sistemas de
recirculación facilitan la sustitución química, el lavado y la
modificación durante el procesamiento.
Los principios fundamentales de funcionamiento
del procedimiento de descontaminación, según la invención, se
describen mejor haciendo referencia a la figura 1. En una primera
realización, el compartimiento central (109) se llena con una
resina de intercambio catiónico (151). La solución de
descontaminación utilizada para limpiar los componentes se hace
pasar a través de la resina de intercambio catiónico (151) del
compartimiento central (109) de la celda de intercambio iónico
(111). La resina de intercambio catiónico (151) elimina los
contaminantes radioactivos y las impurezas metálicas de la solución
de descontaminación.
Se aplica una corriente entre el ánodo (143) y
el cátodo (141) de la celda electroquímica de intercambio iónico
(111). Dado que el compartimiento anódico (16) contiene una solución
ácida, la corriente eléctrica aplicada a los electrodos de la celda
de intercambio iónico (111) provoca que se formen iones hidrógeno en
el ánodo (143). Los iones hidrógeno se generan según las reacciones
siguientes:
2H_{2}O
\longrightarrow 4H^{+} + 4e^{-} +
O_{2}
o, si está presente ácido
fórmico,
HCOOH
\longrightarrow 2H^{+} + 2e^{-} +
CO_{2}
A continuación, los iones hidrógeno migran desde
el compartimiento anódico (105), a través de la membrana catiónica
(131), hacia el compartimiento central (109), por efecto de la
corriente eléctrica (131). En una primera realización, el
compartimiento central (109) se llena con una resina de intercambio
iónico (151). La solución de descontaminación fluye a través del
compartimiento central (109) y los cationes metálicos de la
solución son retenidos por la resina de intercambio iónico (151).
Los iones hidrógeno del compartimiento anódico sustituyen los
cationes metálicos retenidos presentes en la resina de intercambio
catiónico (151). A continuación, los cationes metálicos liberados
de la resina (151) migran desde el compartimiento central (109), a
través de la membrana permeable a iones (131), hacia el
compartimiento catódico (107).
Los cationes metálicos se desplazan hacia el
cátodo (141) y se depositan en forma de pequeñas partículas
metálicas (161) sobre el cátodo (141), tal como se describe en la
reacción química siguiente:
Metal^{2+} +
2e^{-} \longrightarrow
Metal
Una solución catódica del compartimiento
catódico (107) fluye por encima del cátodo (141) y separa las
partículas metálicas depositadas (161) del cátodo (141). La
solución catódica y las partículas metálicas (161) separadas fluyen
hacia afuera del compartimiento catódico (107) y hacia un contenedor
de recogida de residuos (151). Las partículas metálicas residuales
(161) son más densas que la solución catódica, y sedimentan en el
fondo del contenedor de recogida de residuos (151). La solución
catódica del contenedor de recogida de residuos (151) está libre de
partículas metálicas (151) y puede reciclarse bombeando la solución
catódica nuevamente al compartimiento catódico.
Las partículas metálicas residuales sedimentadas
pueden transportarse fuera del contenedor de recogida de residuos
(151) por suspensión en agua fluyente o cualquier otro medio
adecuado de eliminación y transporte. Después de transportarse el
material residual, el líquido utilizado para transportar los
residuos metálicos sólidos se separa y puede reutilizarse. El único
producto del sistema de descontaminación, según la invención, son
pequeñas partículas metálicas contaminadas con un volumen mínimo que
simplifica su eliminación.
En una realización alternativa, el
compartimiento central (109) no incluye una resina de intercambio
iónico (151) y la solución de descontaminación fluye directamente a
través del compartimiento central (109). En esta realización, los
cationes metálicos son arrastrados hacia afuera de la solución de
descontaminación, a través de la membrana permeable a cationes
(131), hacia el compartimiento catódico (107). En esta realización,
puede ser deseable controlar la velocidad de flujo de la solución
de descontaminación a través del compartimiento central (109). La
velocidad de flujo de la solución de descontaminación puede
ralentizarse colocando restrictores de flujo en el recorrido de
flujo a través del compartimiento central (109). Los restrictores de
flujo pueden ser dispositivos mecánicos, tales como elementos en
cruz en el contenedor central (109), que desvían los recorridos de
flujo de la solución de descontaminación, o un restrictor de flujo
en la salida del compartimiento central (109).
La figura 2 ilustra una realización alternativa
del sistema de descontaminación (200) que también utiliza una celda
de intercambio iónico (211) a efectos de eliminar los cationes
metálicos radioactivos de la solución de descontaminación. En esta
realización, la celda de intercambio iónico (211) tiene tres
compartimientos: un compartimiento catódico (107), un
compartimiento anódico (105) y un compartimiento central (109). Una
membrana permeable a iones (131) separa el compartimiento anódico
(105) y el compartimiento central (109). Una membrana permeable a
iones no separa el compartimiento central (109) del compartimiento
catódico (107), y la solución de descontaminación fluye libremente
desde el compartimiento central (109) al compartimiento catódico
(107). En esta realización, el compartimiento central (109) de la
celda electroquímica de intercambio iónico (211) no se llena con
resina de intercambio catiónico, y el fondo del compartimiento
central (109) no tiene una salida. De este modo, la solución de
descontaminación que fluye hacia el compartimiento central (109)
debe salir a través de la salida del compartimiento catódico
(107).
El funcionamiento de esta realización
alternativa se describe haciendo referencia a la figura 2. La
solución de descontaminación utilizada para limpiar los componentes
fluye hacia la cámara central (109) de la celda de intercambio
iónico (211) y, a continuación, hacia el compartimiento catódico
(107), en el que se combina con la solución catódica. Se aplica un
voltaje entre el cátodo (135) y el ánodo (133), y los cationes
metálicos radioactivos de la solución de descontaminación son
atraídos al cátodo (135) y se depositan en forma de pequeñas
partículas metálicas sobre el cátodo (135), según la reacción
química descrita anteriormente. Las soluciones de descontaminación
y catódica fluyen por encima del cátodo (135) y eliminan las
pequeñas partículas metálicas (161) depositadas. Las soluciones y
partículas fluyen hacia afuera de la cámara catódica (107) y hacia
el contenedor de recogida de residuos (151), en el que las pequeñas
partículas metálicas (161) sedimentan hacia el fondo del contenedor
de recogida de residuos (151). Las soluciones del contenedor de
recogida de residuos (151) pueden reciclarse y bombearse nuevamente
al compartimiento catódico (107) y al depósito de almacenamiento de
solución de descontaminación (121).
Tal como se ha descrito, la solución del
compartimiento catódico (107) debe tener unas características
químicas específicas que provocan que los cationes se depositen
sobre el cátodo (135) en forma de pequeñas partículas metálicas
(161). El metal depositado debe tener un tamaño apropiado de
partículas (por ejemplo, 100 micras de diámetro), de tal modo que
el metal puede eliminarse fácilmente del cátodo (135) y separarse de
la solución (de descontaminación) del cátodo (135) en un depósito
de sedimentación de residuos (151). El tamaño de partículas no debe
ser tan pequeño que el material se mantenga suspendido en el líquido
sin sedimentar al fondo del depósito de sedimentación de residuos
(151). En la realización preferente, las partículas metálicas
depositadas (161) tienen un diámetro de aproximadamente 100
micras.
Se ha puesto de manifiesto que las partículas
metálicas pequeñas (100 micras de diámetro) se depositan sobre el
cátodo (135) cuando la solución del compartimiento catódico (107)
tiene un pH inicial aproximadamente de 2,5-5,0. Las
partículas metálicas residuales (161) con un tamaño uniforme,
aproximadamente de 100 micras de diámetro, se eliminan fácilmente
del cátodo (135) y se separan fácilmente de la solución (de
descontaminación) del cátodo. Si el valor de pH es demasiado bajo,
el metal radioactivo puede depositarse sobre el cátodo (135) como
capa unitaria. A efectos de eliminar la capa unitaria, el cátodo
(135) debe extraerse completamente de la celda de intercambio
iónico (111), (211) a efectos de eliminar la capa metálica
depositada en el cátodo (135). Alternativamente, si el valor de pH
es demasiado bajo, puede no producirse ningún depósito sobre el
cátodo (135). En cambio, si el valor de pH es demasiado alto, las
partículas radioactivas (161) depositadas sobre el cátodo (135)
pueden ser demasiado pequeñas para separarse fácilmente de la
solución catódica. Las partículas (161) que son demasiado pequeñas
permanecerán suspendidas en el líquido circundante y no sedimentarán
en el contenedor de recogida de residuos (151). Si bien estas
partículas pequeñas (161) pueden filtrarse en la solución, este
componente adicional añade una complejidad innecesaria al sistema de
descontaminación. El valor de pH especificado no es necesariamente
la única condición que permite una formación adecuada de las
partículas, sin embargo, es un ejemplo de una condición que produce
resultados satisfactorios.
A continuación, se describen con mayor detalle
las sustancias químicas utilizadas en la celda de intercambio
iónico (211). Tanto la solución anódica como la solución catódica
contienen electrolitos. En una realización preferente, los
electrolitos utilizados en el compartimiento anódico (105) y el
compartimiento catódico (107) son ácido fórmico, formiato sódico o
sus mezclas. Las soluciones electrolíticas tanto del compartimiento
anódico (105) como del compartimiento catódico (107) se recirculan
a través de depósitos mediante bombas de líquido (no mostradas). El
contenedor de recogida de residuos (151) puede ser el depósito de
solución catódica. El depósito de solución anódica no se muestra en
las figuras 1 y 2, pero es bien conocido en la técnica. La solución
de descontaminación que fluye a través del compartimiento central
(109) también es un electrolito.
El ácido utilizado en la solución de
descontaminación puede ser cualquier ácido mineral u orgánico. Son
ejemplos de ácidos minerales: ácido nítrico, ácido fluorobórico,
ácido sulfúrico y ácido clorhídrico. La selección del ácido depende
de diversos factores, tales como su eficacia al disolver la
contaminación, la solubilidad de los contaminantes en el ácido en
cuestión, la compatibilidad de materiales (idealmente, el ácido
clorhídrico no debe utilizarse con sistemas de acero inoxidable,
por ejemplo) y la compatibilidad de procesamiento flujo abajo. En
las aplicaciones en las que los materiales de los componentes son
particularmente sensibles a la corrosión, puede utilizarse un ácido
orgánico. Dado que los ácidos orgánicos son generalmente ácidos
débiles, el pH de la solución será más alto que el de las
soluciones descontaminantes basadas en ácido mineral descritas
anteriormente. Son ejemplos de ácidos orgánicos: ácido fórmico,
ácido cítrico, ácido oxálico y ácido etilendiaminotetraacético.
La concentración de ácido de la solución de
descontaminación no está exclusivamente sujeta a mantenerse dentro
de límites particulares. Sin embargo, el intervalo más preferente de
concentración de ácido en la solución de descontaminación es entre
10^{-3} y 10^{-2} M. En este intervalo, el ácido está
suficientemente concentrado para permitir que la contaminación
radioactiva se disuelva en un período corto de tiempo, pero está
suficientemente diluido para permitir que los procedimientos del
circuito de purificación funcionen de modo efectivo.
El procedimiento de descontaminación puede
utilizarse a cualquier temperatura a la que el agua se encuentra en
estado líquido. La temperatura de la solución de descontaminación es
uno de los parámetros que controla la velocidad de reacción a la
que se disuelve la contaminación de metales y óxidos metálicos
radioactivos. Esta velocidad debe ser equivalente a la velocidad a
la que el circuito de purificación elimina los iones metálicos de
la solución de descontaminación. En la realización preferente, el
procedimiento de descontaminación se lleva a cabo a temperatura
ambiente, de tal modo que no se requiere calentamiento o
refrigeración. Aunque es deseable mantener el sistema lo más simple
posible, la solución de descontaminación puede calentarse
inherentemente por la energía eléctrica utilizada por la celda
electroquímica de intercambio iónico. Tal como se ha descrito, se
aplica un voltaje entre el ánodo y el cátodo, lo que provoca la
reacción iónica electroquímica. La alimentación de energía a la
celda de intercambio iónico provoca que la temperatura de las
soluciones anódica y catódica aumente durante el procedimiento de
purificación de la solución de descontaminación. En consecuencia, la
solución de descontaminación también se calienta al circular a
través de la celda de intercambio iónico. A efectos de mantener la
solución de descontaminación dentro de un intervalo óptimo de
temperatura, puede ser necesario refrigerar las soluciones anódica
y catódica. Se ha puesto de manifiesto que la eficacia óptima de la
celda se da cuando las temperaturas de las soluciones catódica y
anódica son cercanas al punto de ebullición del agua, 100ºC.
En la realización preferente, la celda
electroquímica de intercambio iónico tiene características
específicas. Las membranas permeables a cationes (131) permiten que
los iones se desplacen entre compartimentos adyacentes, pero impide
que los líquidos de cada compartimiento se mezclen. Las
características de transporte de iones y la durabilidad de los
materiales de la membrana son características importantes a
considerar en la selección de una membrana permeable a cationes
(131). La selección de la membrana permeable a cationes (131) entra
dentro de los conocimientos de la persona experta en la materia.
Los materiales representativos incluyen membranas de intercambio de
cationes BDH y membranas Nafion, comercialmente disponibles.
En una realización preferente, el ánodo (133) se
construye con un metal precioso o se recubre con el mismo. Son
particularmente preferentes ánodos de platino u otros ánodos
industriales habitualmente disponibles, tales como de titanio
recubierto con dióxido de platino o rutenio. El cátodo (135) se
construye preferentemente con un metal conductor poco costoso, tal
como acero inoxidable. La superficie del cátodo (135) debe además
ser muy lisa a efectos de mejorar la eliminación de las partículas
metálicas depositadas.
La selección de la resina de intercambio
catiónico (151) específica para utilizarse en el compartimiento
central (109) también entra dentro de los conocimientos de la
persona experta en la materia. El procedimiento de selección de la
resina de intercambio catiónico (151) está guiado por factores que
incluyen: la composición del flujo de residuos a tratar, la
capacidad enlazante de la resina, el coste de la resina y la
capacidad de la resina de liberar los cationes capturados a efectos
de permitir su sustitución por iones hidrógeno. En una realización
particularmente preferente, la resina de intercambio catiónico (151)
es Amberlyte 120(H), utilizada habitualmente en
procedimientos de descontaminación de este tipo. Otra resina de
cationes de ácido fuerte adecuada para esta aplicación es la
Amberlyte 120(H).
\newpage
Si en el sistema se encuentran presentes
impurezas aniónicas menores que deben ser eliminadas, esto puede
llevarse a cabo disponiendo una columna de intercambio aniónico (en
la misma forma iónica que el ácido utilizado para la
descontaminación) en el circuito de purificación. Si se desea
utilizar de forma discontinua el fluido de descontaminación, esto
puede alcanzarse haciendo circular la solución a través de una
resina de intercambio aniónico en la forma hidróxido. Esto
convierte la solución de ácido del sistema de descontaminación en
agua de calidad desionizada. Opcionalmente, puede alcanzarse una
mayor calidad de agua utilizando una columna de intercambio iónico
de lecho mixto.
Muchos procedimientos de descontaminación que
utilizan ácidos diluidos también utilizan las así designadas
"etapas de preoxidación". Típicamente, estas etapas de
preoxidación incluyen la oxidación de especies de cromo con iones
permanganato. Habitualmente, el intercambio iónico a través de un
circuito de purificación no tiene lugar durante el funcionamiento
de las etapas de preoxidación. En una realización, las etapas de
preoxidación descritas pueden utilizarse juntamente con la presente
invención, aunque el circuito de purificación no debe estar en
funcionamiento durante la aplicación de las etapas de
preoxidación.
La eficacia del sistema de descontaminación,
según la invención, se describe a continuación sobre la base de los
resultados experimentales de dos realizaciones:
Los resultados del ejemplo 1 se obtuvieron
utilizando la celda electroquímica de intercambio iónico mostrada
en la figura 1. El cátodo era una placa de acero inoxidable y el
ánodo era titanio recubierto con óxido de rutenio. Las membranas
catiónicas eran Nafion 324 (fabricada por Dupont) con unas
superficies de trabajo de 9 x 4,5 cm. El compartimiento central se
llenó con 80 ml de resina de intercambio catiónico en forma
hidrógeno. La solución del compartimiento anódico era ácido fórmico
0,1 N. La solución catódica era ácido fluorobórico 10 mM ajustada a
pH 3 con hidróxido sódico. Se preparó una solución de simulación,
equivalente a la disolución de acero inoxidable en ácido
fluorobórico 10 mM. Esta solución contenía hierro (255 ppm), cromo
(71 ppm) y níquel (45 ppm) en ácido fluorobórico 10 mM, y se hizo
circular a través del compartimiento central de la celda a una
velocidad de flujo de 2.000 ml por hora. Se hizo circular un volumen
total de 20 litros de solución. El voltaje aplicado a la celda fue
de 27 voltios, y la corriente fue de aproximadamente 1,2 A.
Se depositaron sobre el cátodo pequeñas
partículas metálicas, se eliminaron del mismo y se recogieron fuera
de la celda. La tabla 1 indica el balance de masas del experimento.
"Metales dentro" se refiere a la cantidad total de iones
metálicos en la solución que circula a través de la parte central de
la celda. "Metales fuera" se refiere a los iones metálicos en
la solución después de circular por el compartimiento central de la
celda. "Metales recuperados" se refiere a los metales
recuperados fuera de la celda en forma de depósito de partículas
metálicas. La eficacia de corriente para el depósito de metales fue
de aproximadamente el 56%.
Los resultados del ejemplo 2 se obtuvieron
utilizando la celda de intercambio iónico mostrada en la figura 2,
en la que la membrana que dividía el compartimiento central y el
compartimiento catódico fue eliminada y el compartimiento central
no se llenó con ninguna resina de intercambio iónico. El
compartimiento central se llenó con la misma solución que la que
fluía a través del compartimiento central. Se utilizó la misma
solución utilizada en el ejemplo 1 para fluir hacia el interior de
la celda. Se utilizó la misma velocidad de flujo de 2.000 ml por
hora, y se hicieron circular un total de 1,5 litros. El
compartimiento anódico se llenó con ácido fluorobórico 0,1 M. El
voltaje aplicado a la celda fue de 5,6 voltios, y la corriente fue
de aproximadamente 1,2 A. Se depositó metal sobre el cátodo y se
recogió fuera de la celda. La tabla 2 indica el balance de masas
del experimento del ejemplo 2. La eficacia de corriente para el
depósito de metales fue de aproximadamente el 19%.
Anteriormente se ha descrito un sistema de
descontaminación. Aunque la presente invención se ha descrito
haciendo referencia a realizaciones particulares del sistema de
descontaminación, a título de ejemplo, es evidente que pueden
realizarse diversas modificaciones y cambios en estas realizaciones
sin apartarse del amplio espíritu y alcance de la invención, tal
como se expone en las reivindicaciones. De acuerdo con ello, la
especificación y los dibujos deben considerarse en un sentido
ilustrativo y no restrictivo.
Claims (18)
-
\global\parskip0.950000\baselineskip
1. Procedimiento para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, que comprende las siguientes etapas:exponer materiales contaminados a la solución de descontaminación;hacer pasar la solución de descontaminación que contiene cationes radioactivos a través de un compartimiento central de una celda electroquímica de intercambio iónico, que está separado mediante una primera membrana de intercambio iónico de un compartimiento anódico que tiene un ánodo;reciclar la solución de descontaminación para su reutilización en la etapa de exposición;aplicar un voltaje entre el cátodo y el ánodo;atraer los cationes radioactivos al cátodo;depositar los cationes radioactivos sobre el cátodo en forma de partículas metálicas radioactivas; yhacer fluir una solución catódica por encima del cátodo para separar las partículas metálicas radioactivas. - 2. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 1, que además comprende la etapa de:capturar los cationes radioactivos en una resina de intercambio catiónico en el compartimiento central.
- 3. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 1, que además comprende las etapas de:separar las partículas metálicas radioactivas de la solución catódica en un depósito de sedimentación; yrecircular la solución catódica al compartimiento catódico.
- 4. Procedimiento para eliminar cationes radioactivos de materiales metálicos, según la reivindicación 1, en el que las partículas metálicas que se adhieren al cátodo en la etapa de atracción tienen un tamaño adecuado para el transporte hidráulico.
- 5. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 3, que además comprende la etapa de:fluidizar las partículas metálicas radioactivas para su eliminación del depósito de sedimentación.
- 6. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 1, que además comprende la etapa de:hacer fluir solución de descontaminación hacia afuera del compartimiento central antes de llevar a cabo la etapa de reciclaje;en el que la celda de intercambio iónico incluye una segunda membrana de intercambio iónico que separa el compartimiento central del compartimiento catódico.
- 7. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 1, que además comprende la etapa de:hacer fluir la solución de descontaminación hacia afuera del compartimiento central antes de llevar a cabo la etapa de reciclaje.
- 8. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 1, en el que la solución de descontaminación es un ácido con una concentración menor de 50 milimoles por litro.
- 9. Procedimiento para eliminar contaminación radioactiva de materiales metálicos, según la reivindicación 8, en el que el ácido es ácido fluorobórico.
- 10. Sistema para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, que comprende:una celda electroquímica de intercambio iónico que presenta un compartimiento central, un compartimiento anódico que presenta un ánodo, un compartimiento catódico que presenta un cátodo, una primera membrana de intercambio iónico que separa el compartimiento central del compartimiento anódico;
\global\parskip1.000000\baselineskip
una fuente de voltaje para aplicar un voltaje entre el cátodo y el ánodo;un depósito de recogida de residuos;una solución catódica que fluye del compartimiento catódico al depósito de recogida de residuos a efectos de desplazar las partículas metálicas radioactivas del cátodo al depósito de recogida de residuos;en el que los cationes radioactivos y la solución de descontaminación fluyen al compartimiento central y los cationes radioactivos se depositan sobre el cátodo en forma de partículas metálicas radioactivas, las partículas metálicas radioactivas se separan del cátodo y se recogen en el depósito de recogida de residuos. - 11. Sistema para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 10, que además comprende:un material de resina de intercambio catiónico en el compartimiento central de la celda electroquímica de intercambio iónico.
- 12. Sistema para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 10, en el que la resina de intercambio catiónico presenta un grupo ácido sulfónico en forma de hidrógeno.
- 13. Sistema para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 10, que además comprende:un filtro para eliminar partículas metálicas radioactivas de la solución de descontaminación.
- 14. Sistema para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 13, en el que el filtro se limpia haciendo fluir agua a través del filtro en dirección opuesta.
- 15. Sistema para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 10, en el que los materiales eliminados del filtro durante el lavado son partículas metálicas radioactivas.
- 16. Aparato para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, que comprende:una celda electroquímica de intercambio iónico que presenta un compartimiento central que contiene la solución de descontaminación, un compartimiento anódico, un compartimiento catódico que presenta una solución catódica, una fuente de voltaje que presenta un conductor negativo conectado a un cátodo montado en el compartimiento catódico y un conductor positivo conectado a un ánodo montado en el compartimiento anódico, y una membrana de intercambio iónico que separa el compartimiento central del compartimiento anódico;un depósito de recogida de residuos conectado al compartimiento catódico mediante una conexión de fluido que permite que la solución catódica fluya del compartimiento catódico al depósito de recogida de residuos;en el que la solución de descontaminación con los cationes radioactivos fluye al compartimiento central de la celda electroquímica de intercambio iónico y los cationes radioactivos se desplazan al compartimiento catódico, los cationes radioactivos se depositan sobre el cátodo en forma de partículas metálicas radioactivas, y las partículas metálicas radioactivas se separan del cátodo y se desplazan hasta el depósito de recogida de residuos.
- 17. Aparato para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 16, que además comprende:un filtro para eliminar partículas radioactivas de la solución de descontaminación.
- 18. Aparato para eliminar cationes radioactivos de una solución de descontaminación, según la reivindicación 16, que además comprende:una resina de intercambio catiónico en el compartimiento central de la celda electroquímica de intercambio iónico.
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