FI71625B - Foerfarande foer keramisering av radioaktivt avfall - Google Patents

Description

71625 1 Menetelmä radioaktiivisten jätteiden kerumisoimiseksi Förfarande för keramisering av radioaktivt avfall 5

Keksinnön kohteena on menetelmä radioaktiivisten jätteiden keramisoimisek-si, jossa menetelmässä radioaktiivisesta jäteliuoksesta jätteet sidotaan epäorgaaniseen ioninvaihtimeen, sekoitetaan jätteillä ladatut epäorgaaniset ioninvaihtimet keramisoivaan aineeseen ja keramisoivaan aineeseen sekoi-10 tetut jätteet poltetaan loppusijoitustuotteeksi.

Ydinvoimatuotannossa syntyvien radioaktiivisten jäteliuosten käsittelyllä pyritään saattamaan jäte turvalliseen loppusijoitusmuotoon. Turvallisuus merkitsee loppusijoitustuotteen niukkaliukoisuutta, mekaanista 15 sekä lämmön- ja säteilynkestävyyttä.

Keski- ja matala-aktiivisten ydinvoimalajätteiden kiinteyttämisessä yleisimmät menetelmät ovat niiden betonoiminen ja bitumoiminen. Halvan ja yksinkertaisen betonoimisen suurin haittapuoli on radionuklidien suuri 20 eluutionopeus kiinteytystuotteesta Bitumointituotteet ovat niukkaliukoi- sempia, mutta prosessi on huomattavasti vaikeampi mm. syttymisvaaran vuoksi. Käytetyn polttoaineen jälleenkäsittelystä syntyvän korkea-aktiivisen jätteen kiinteyttämisessä ainoa laajalti käytössä oleva menetelmä on jätteen lasittaminen erityisesti borosilikaattilaseihin. Kuitenkin kokeet 25 keraamisilla loppusijoitustuotteilla, kuten titanaatti-, zirkonaatti- ja niobaattipohjaisilla keramisoimistuotteilla, ovat osoittaneet näiden olevan pidemmälle kehiteltyjä lasitustuotteita huomattavasti kestävämpiä ja ne valtaavat alaa tutkimuksessa.

30 Titanaatit, erityisesti natriumtitanaatti, ovat tärkeimpiä keraamisten loppusijoitustuotteiden lähtöaineita. Radioaktiiviset jätteet sidotaan niihin materiaalin synteesissä, ioninvaihdolla tai sekoittamalla mekaanisesti kalsinaattina. Tämän jälkeen tuote voidaan keramisoida korkeassa paineessa ja lämpötilassa. Lupaavin keraaminen loppusijoitus-35 tuote on SYNROC (A.E. Ringwood et.ai., Immobilization of High Level Nuclear Reactor Wastes in Synroc: A Current Appraisal, Research School of Earth Sciences, Australian National University, Publication 2 71625 1 no. 1975, 198]). Se koostuu kolmesta inineran1Jsta, joiden pääkomponentit ovat TiO^ (60 %) ja ZrO^ (10 %). Nämä mineraalit ovat analogeja luonnossa oleville mineraaleille ja niiden on todettu olevan erittäin niukkaliukoisia ja kestävän erittäin hyvin säteilyä.

5

Tutkittujen keramisoimismenetelmien haittapuolena on niiden monimutkaisuus ja kalleus. Niissä käytetään kalliita, hankalasti esikäsitel-täviä lähtöaineita ja puristuslaitteita.

10 Keksinnön päämääränä on aikaansaada parannus nykyisin tunnettuihin menetelmiin. Keksinnön yksityiskohtaisempana päämääränä on aikaansaada prosessitekniikaltaan yksinkertainen, taloudellinen menetelmä, jossa käytetään halpoja ja helposti saatavia lähtöaineita, mm. keramiikka ja tiiliteollisuuden tavanomaisia raaka-aineita. Keksintö soveltuu sekä 15 matala- että korkea-aktiivisille jätteille. Keksinnön muut tavoitteet ja sillä saavutettavat edut käyvät ilmi keksinnön selityksestä.

Keksinnön päämäärät saavutetaan menetelmällä, jolle on pääasiallisesti tunnusomaista se, että poltetaan normaalipaineessa ja sellaisessa lämpö-20 tilassa, jossa keramisoituminen tapahtuu.

Keksinnön mukaisen menetelmän muut tunnuspiirteet on esitetty patenttivaatimuksissa 2-9.

25 Keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan lukuisia merkittäviä etuja. Keksintö tarjoaa halpoihin ja helposti saataviin lähtöaineisiin, keramiikka- ja tiiliteollisuuden tavanomaisiin raaka-aineisiin sekä yksinkertaiseen prosessitekniikkaan perustuvan epäorgaanisten ioninvaihtimien keramisoimismenetelmän, joka soveltuu sekä matala- että korkea-aktiivi-30 sille jätteille. Tiilien raaka-aineet, tiilisavet ovat halpoja sekä helposti ja jatkuvasti saatavissa olevia. Tiilien valmistustekniikka on yksinkertainen ja tiilien polttolämpötila on suhteellisen alhainen, mikä estää eräiden radioaktiivisten aineiden haihtumisen polton aikana. Tiiliin voidaan lisätä synteettisiä tai luonnon lisäaineita, kuten 35 vermikuliittia tai apatiittia, jotka parantavat eräiden aineiden pysyvyyttä tiilissä. Tiilien poltossa ei tarvita monimutkaisia puristus-laitteita, mikä laskee kustannuksia suuresti ja yksinkertaistaa pro- 3 71625 1 sessia. Titanaattia sisältävä savitiili lasittuu poltettaessa tullen erittäin niukkaliukoiseksi. Se voidaan päällystää inaktiivisella pintakerroksella. Näin ollen ainakaan keskiaktiivisilla jätteillä ladatuille tiilille ei tarvita metallikuorta. Bitumointi- ja sementointi-5 tuotteisiin verrattuna keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan huomattava tilavuuden säästö ja lopullinen tilavuuden pieneneminen on samaa suuruusluokkaa kuin lasitustuotteilla.

Keksinnön käyttömahdollisuuksia kuvataan yksityiskohtaisesti oheisissa jO piirroksissa. Niissä on esitetty keksinnön tärkeimmät sovellutustavat, joihin keksintöä ei kuitenkaan ole tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

Kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen menetelmän prosessikaaviona, kun käytetään erätasapainoitusta.

15

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen menetelmän prosessikaaviona, kun jäte sidotaan ioninvaihtokolonniin.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä liuosmuodossa olevat radioaktiiviset 20 jätteet sidotaan epäorgaaniseen ioninvaihtimeen, kuten titanaattiin, niobaattiin, zirkonaattiin tai zirkoniumdioksidiin. Eräiden radionukli-dien, kuten Cs:n, sitomiseksi paremmin tiiliin voidaan lisätä synteettisiä tai luonnon lisäaineita, kuten vermikuliittia, laumontiittia tai apatiittia. Kun käytetään erätasapainoituksia, ei ioninvaihdinta tar-25 vitse kuivata ja jauhaa, ja tiilisavi voidaan lisätä tasapainoituksen jälkeen suoraan jäte-ioninvaihdinseokseen siten, että seoksen vesipitoisuudeksi tulee noin 23-27 X. Ioninvaihtimien ja tiilisavien massa-suhde on 1/9-2/8.

30 Keramisoivina aineina käytetään mm. punasavea, kaoliinia, montmorillo-niittia, maasälpää, illiittiä ja kvartsia.

Tiilisaven sekoittamisen jälkeen seosta sekoitetaan huolellisesti niin, että siitä saadaan leivottavaa. Tämän jälkeen siitä muovaillaan muo-35 tissa tiiliä. Tiilien huokoisuuden pienentämiseksi niitä voidaan puristaa. Tiilien annetaan kuivua yli yön. Sitten niitä kuivataan noin 150°C:ssä vähintään A tuntia ja annetaan jäähtyä yli yön.

4 71625 1 Tiilien poltto tapahtuu seuraavasti: Uunia lämmitetään nopeudella noin 100°C/h lämpötilaan 1020-1060°C. Tiiliä pidetään huippulämpö-tilassa 4-10 tuntia. Polton jälkeen annetaan tiilien jäähtyä uunissa.

5 Tiiliuuni voidaan vuorata ohuilla inaktiivisilla tiilillä mahdollisten haihtuvien aineiden sitomiseksi. Nämä vuoraustiilet vaihdetaan aika ajoin ja hävitetään jätetiilien mukana. Tiilien poltto voidaan tehdä myös jatkuvatoimiseksi tiili- ja keramiikkateollisuuden kokemusten mukaisesti.

10

Tiilien laadun tärkein tekijä loppusijoituksen kannalta on jätenuklidien liukoisuus niistä. Sr:n, Cs:n ja Co:n liukoisuus haihdutinjätteellä ladatuista natriumtitanaatti- tai ZrO„-punasavitiilistä on 10 -10 ^ 2 1 g/cm x d em. laskevassa järjestyksessä. Korkea-aktiivisella jätteellä 15 ladatusta natriumtitanaatti-punasavitiilistä on Sr:n liukoisuus kertaluokkaa suurempi. Vermikuliitin lisääminen tiiliin (2 %) pienentää liukoisuutta jonkin verran. Eluutionopeudet ovat siten parhaiden boro-silikaattilasien luokkaa.

20 Tiilien liukoisuusominaisuuksia voidaan parantaa joko lasittamalla pinta tai paistamalla ko. tiilisavesta inaktiivinen kerros tiilen pinnalle. Jo titanaatin lisääminen tiilisaviin lasittaa tiiliä, ja titanaatti-punasavitiili on huomattavasti vähemmän huokoinen kuin pelkkä punasavitiili. Ihanteellinen tiili olisi silloin, kun sen liu-25 koisuusominaisuudet sallisivat sen loppusäilytyksen ilman lisäkuoria. Tätä voidaan ajatella ainakin keskiaktiivisilla jätteillä ladatuille tiilille.

Tiilet ovat mekaanisesti erittäin kestäviä, mikä on tärkeää niiden 30 käsittelyn ja kuljetuksen kannalta. Tillien taivutusvetolujuudet ovat 2 2 luokkkaa 20-30 MN/m (meganewton/m ).

Kun ioninvaihtimien määrä tillissä on enintään 15 %, on metallien haihtuminen niistä vähäistä, enintään pari prosenttia polttolämpö-35 tilan ollessa 1020°C. Ioninvaihdinmäärän ja lämpötilan kasvaessa em. arvoista kasvaa myös haihtuminen. Optimiarvot mahdollisimman pienen haihtumisen aikaansaamiseksi ovat: 15 %:n ioninvaihdinlataus tiilessä, 5 71625 1 polttolämpötila 1020°C ja polttoaika 4 h.

Keksinnön mukaista menetelmää voidaan käyttää ainakin tärkeimpien jätteiden, kuten haihdutinjätekonsentraattien, käytetyistä reaktorihart-5 seista eluoitujen jätenuklidien ja korkea-aktiivisen jälleenkäsittely-jätteen keramisoimiseen.

Ohessa seuraa patenttivaatimukset, joiden määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa keksinnön eri yksityiskohdat voivat vaihdella.

10 15 20 25 30 35

Claims (9)

71625

1. Menetelmä radioaktiivisten jätteiden keramisoimiseksi, jossa menetelmässä radioaktiivisesta jäteliuoksesta jätteet sidotaan epäorgaani- 5 seen ioninvaihtimeen, sekoitetaan jätteillä ladatut epäorgaaniset ioninvaihtimet keramisoivaan aineeseen ja keramisoivaan aineeseen sekoitetut jätteet poltetaan loppusijoitustuotteeksi, tunnettu siitä, että poltetaan normaalipaineessa ja sellaisessa lämpötilassa, jossa kera-misoituminen tapahtuu. 10

1 Patenttivaatimukset

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että keramisoivana aineena käytetään punasavea, kaoliinia, montmorilloniittia, maasälpää, illiittiä tai kvartsia tai näiden seosta.

3. Patenttivaatimuksien 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lisätään lisäaineita, kuten vermikuliittia, laumontiittia tai apatiittia radionuklidien tiiliin sitomisen parantamiseksi.

4. Jonkin patenttivaatimuksien 1-3 mukainen menetelmä, tunnet-20 t u siitä, että lisätään vettä siten, että saadaan muovailtava seos ja muotoillaan massasta tiiliä.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että annetaan tiilien kuivua yli yön. 25

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuivataan tiiliä lämpötilassa n. 150°C ainakin neljä tuntia.

7. Jonkin patenttivaatimuksien 1-6 mukainen menetelmä, tunnettu 30 siitä, että poltetaan tiiliä uunissa lämpötilassa n. 1020°-1060°C n. 4-10 tunnin ajan.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että uunin lämpötilaa nostetaan nopeudella n. 100°C/tunti. 35

9. Patenttivaatimuksen 7 tai 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että annetaan poltettavan massan jäähtyä uunissa uunin jäähtymisnopeudella . 71625