ITMI20120817A1 - METHOD AND PLANT FOR THE CONDITIONING OF SCORES DERIVED FROM DISPOSAL OF NUCLEAR PLANTS - Google Patents

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ITMI20120817A1
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IT
Italy
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reactor
precipitation
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IT000817A
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Lorenzo Costa
Pier Paolo Costa
Luca Magagnin
Maurizio Massi
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Ecir Eco Iniziativa E Realizzazio Ni S R L
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    • C03GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03CCHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
    • C03C1/00Ingredients generally applicable to manufacture of glasses, glazes, or vitreous enamels
    • C03C1/002Use of waste materials, e.g. slags
    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21DNUCLEAR POWER PLANT
    • G21D1/00Details of nuclear power plant
    • G21D1/003Nuclear facilities decommissioning arrangements
    • GPHYSICS
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Description

Descrizione Description

METODO E IMPIANTO PER IL CONDIZIONAMENTO DI SCORIE DERIVATE DA SMALTIMENTO DI IMPIANTI NUCLEARI METHOD AND PLANT FOR THE CONDITIONING OF WASTE DERIVED FROM THE DISPOSAL OF NUCLEAR PLANTS

La presente invenzione riguarda un metodo per il trattamento di scorie nucleari ferrose, tipicamente scorie prodotte in operazioni di decapaggio di parti metalliche contaminate in superficie, così come un impianto per la realizzazione del metodo. The present invention relates to a method for treating ferrous nuclear waste, typically waste produced in pickling operations of surface contaminated metal parts, as well as a plant for carrying out the method.

Sono identificate come “scorie nucleari" tutti i sottoprodotti o i residui radioattivi, non riutilizzabili, di processi, o più in generale di operazioni, nelle quali sono state generate o utilizzate sostanze radioattive. Le scorie nucleari di qualunque tipo e provenienza, a causa della loro pericolosità per l’uomo e il suo ambiente, devono essere trattate e stoccate secondo metodologie del tutto particolari, che assicurino il confinamento a tempi anche molto lunghi delle radiazioni e degli elementi o isotopi nucleari. All radioactive by-products or residues, not reusable, of processes, or more generally of operations, in which radioactive substances have been generated or used are identified as "nuclear waste". Nuclear waste of any type and origin, due to their dangerousness for man and his environment, must be treated and stored according to very particular methodologies, which ensure the confinement to even very long times of radiation and nuclear elements or isotopes.

Esistono numerosi tipi di processi in cui vengono impiegati elementi o radiazioni nucleari, che producono scorie a diversi gradi di concentrazione e pericolosità. Una classificazione proposta, in uso in Italia, divide queste scorie in: There are numerous types of processes in which nuclear elements or radiation are used, which produce waste at varying degrees of concentration and danger. A proposed classification, in use in Italy, divides these slags into:

- categoria 1, che comprende tutte le scorie a basso livello di radioattività; à ̈ la categoria più vasta, comprendendo, come massa, circa il 90% delle scorie prodotte, ma solo Γ1 % della radioattività (esempi sono il materiale sanitario usato in medicina nucleare, gli indumenti usa e getta forniti in una visita ad un impianto nucleare etc. ...); - category 1, which includes all low level radioactive waste; It is the largest category, comprising, as mass, about 90% of the waste produced, but only Î "1% of the radioactivity (examples are sanitary material used in nuclear medicine, disposable clothing provided during a visit to a nuclear plant etc. ...);

- categoria 2, che comprende tutte le scorie a medio livello di radioattività; queste richiedono una schermatura, ma costituiscono solo il 7% delle scorie, con una radioattività totale del 4% (esempi sono le guaine degli elementi combustibili di un reattore); - category 2, which includes all medium level radioactive waste; these require shielding, but constitute only 7% of the waste, with a total radioactivity of 4% (examples are the sheaths of the fuel elements of a reactor);

- categoria 3, che comprende tutte le scorie ad alto livello di radioattività, che costituiscono solo il 3% delle scorie ma rappresentano il 95% della radioattività; sono le più pericolose per l’alta dose di radiazione che un’esposizione accidentale comporterebbe e per il decadimento nell'ordine di milioni di anni di alcuni degli isotopi radioattivi in esse contenuti. - category 3, which includes all waste with a high level of radioactivity, which constitutes only 3% of waste but represents 95% of radioactivity; they are the most dangerous due to the high dose of radiation that an accidental exposure would entail and to the decay in the order of millions of years of some of the radioactive isotopes they contain.

I differenti tipi di scorie richiedono procedure di smaltimento differenziate. Le tecniche studiate e descritte negli ultimi 60 anni allo scopo sono numerosissime. I risultati sono pubblici e in generale facilmente accessibili; per quelli specifici, riguardanti lo stoccaggio a lungo termine dei tipi di scoria contenenti isotopi a lunga vita e/o ad alta mobilità le conclusioni sono, tuttavia, ancora incerte. Le risorse investite in questi studi sono, presumibilmente, enormi; quelle da investire per il condizionamento e lo stoccaggio a lungo termine delle scorie nucleari esistenti (incluso il risanamento dei relativi siti), sono in parte note: per i soli USA sono state valutate in centinaia di miliardi di dollari. The different types of waste require different disposal procedures. The techniques studied and described in the last 60 years for this purpose are very numerous. The results are public and generally easily accessible; for the specific ones, concerning the long-term storage of types of waste containing long-lived and / or high-mobility isotopes, the conclusions are, however, still uncertain. The resources invested in these studies are, presumably, enormous; those to be invested for the conditioning and long-term storage of existing nuclear waste (including the remediation of the related sites) are partly known: for the USA alone they have been valued in hundreds of billions of dollars.

Lo smaltimento di queste scorie richiede, in generale, una fase di condizionamento, che consiste nella trasformazione della scoria in una forma adatta allo stoccaggio; e lo stoccaggio delle scorie condizionate in siti adatti, naturali o industrialmente prodotti. The disposal of this slag generally requires a conditioning phase, which consists in the transformation of the slag into a form suitable for storage; and the storage of conditioned waste in suitable natural or industrially produced sites.

Una tipologia particolare di scorie nucleari, strategicamente molto importanti, sono quelle generate nelle operazioni di bonifica dei reattori nucleari non più attivi e dei siti nucleari divenuti obsoleti. In questo caso le scorie nucleari sono tipicamente generate nelle operazioni di recupero e decontaminazione delle grandi strutture metalliche, che, esposte al contatto e/o alle radiazioni di isotopi radioattivi, sono diventate a loro volta radioattive (limitatamente alla superficie esposta), per contaminazione chimica o per mutazione nucleare (sotto l’effetto delle radiazioni). Il complesso delle operazioni legate a queste bonifiche viene indicato nel settore con il termine inglese "decommissioning†, che sarà adottato nel resto del testo. La tecnica dominante nelle operazioni di decontaminazione di superfici metalliche à ̈ il cosiddetto “decapaggio†. A particular type of nuclear waste, strategically very important, are those generated in the reclamation of nuclear reactors that are no longer active and nuclear sites that have become obsolete. In this case, nuclear waste is typically generated in the recovery and decontamination operations of large metal structures, which, when exposed to contact and / or radiation from radioactive isotopes, have in turn become radioactive (limited to the exposed surface), due to chemical contamination. or by nuclear mutation (under the effect of radiation). The whole of the operations linked to these reclamations is indicated in the sector with the English term "decommissioning", which will be adopted in the rest of the text. The dominant technique in the decontamination operations of metal surfaces is the so-called "pickling".

Molte delle scorie da decommissioning così generate appartengono alla categoria 3 sopra citata, e contengono tipicamente isotopi a lunga vita media e ad alta mobilità, che comportano in ogni modo il condizionamento specifico per scorie ad alta pericolosità. Mentre sono stati identificati processi industrialmente collaudati ed economicamente utili per la gestione completa delle scorie nucleari appartenenti alle categorie 1 e 2, per quelle di categoria 3 si sono avuti risultati importanti ma ancora parziali, sopratutto per l’aspetto anti-economico del condizionamento richiesto, e a tutt’oggi non à ̈ operativo alcun deposito per lo stoccaggio a lungo termine. Many of the decommissioning waste thus generated belong to the above-mentioned category 3, and typically contain isotopes with a long, medium-life and high mobility, which in any case involve specific conditioning for highly dangerous waste. While industrially tested and economically useful processes have been identified for the complete management of nuclear waste belonging to categories 1 and 2, for those of category 3 important but still partial results have been obtained, especially for the anti-economic aspect of the required conditioning. , and to date no long-term storage facility is in operation.

Per quanto riguarda il condizionamento di scorie da decommissioning, e tipicamente quelle generate da decapaggio, gli esperti sono arrivati alla conclusione che sia necessario usare matrici vetrose con alta stabilità, sia chimica che termo-meccanica per tutti gli isotopi radioattivi a lunga vita e/o ad alta mobilità; si veda per esempio l'articolo “G/ass packages guaranteed formillions ofyears", di É. Y. Vernaz, Clefs CEA, n. 46 (2002), pagg. 81-84. Sono stati proposti numerosi esempi di vetrificazione di scorie di categoria 3, anche a livello industriale, che sono però risultati condizionati da problemi di affidabilità di processo e da costi tipicamente alti. As regards the conditioning of decommissioning waste, and typically those generated by pickling, the experts have come to the conclusion that it is necessary to use glass matrices with high chemical and thermo-mechanical stability for all long-lived radioactive isotopes and / or high mobility; see for example the article â € œG / ass packages guaranteed formillions ofyears ", by à ‰. Y. Vernaz, Clefs CEA, n. 46 (2002), pp. 81-84. Numerous examples of vitrification of category 3 slag, even at an industrial level, which were however affected by process reliability problems and typically high costs.

Recentemente tra i materiali vetrosi più promettenti allo scopo di trattenere isotopi radioattivi, soprattutto se in presenza di solfati, cromati, fosfati e alogenuri, sono stati accreditati i sistemi vetrosi fosfatici contenenti ferro. Sistemi di questo tipo sono descritti nei brevetti US 5.750.824 e US 5.840.638 e nella domanda di brevetto GB 2.371.542 A. Recently, among the most promising glassy materials for the purpose of retaining radioactive isotopes, especially if in the presence of sulphates, chromates, phosphates and halides, the glassy phosphatic systems containing iron have been credited. Systems of this type are described in patents US 5,750,824 and US 5,840,638 and in patent application GB 2,371,542 A.

Tra questi, particolarmente interessante à ̈ US 5.750.824, che insegna la produzione di vetri fosfatici contenenti dal 30 al 70% in peso di ossido di fosforo (come P2O5) e dal 22 al 50% di ossido di ferro, il resto essendo costituito dagli ossidi di altri metalli, tra cui quelli derivati dalle scorie nucleari; inoltre, questo documento insegna che i risultati migliori si ottengono con vetri in cui il ferro à ̈ presente per almeno il 50%, preferibilmente almeno l’80% e ancor più preferibilmente almeno il 90%, nello stato di ossidazione 3, cioà ̈ come ione Fe<3+>. Secondo questo documento, i vetri fosfatici con un elevato rapporto Fe<3+>/Fe<2+>sono caratterizzati dalle migliori proprietà di resistenza chimica (per esempio, alla lisciviazione, cioà ̈ il dilavaggio con acqua), di densità e di resistenza termomeccanica. Among these, particularly interesting is US 5,750,824, which teaches the production of phosphate glasses containing from 30 to 70% by weight of phosphorus oxide (as P2O5) and from 22 to 50% of iron oxide, the rest being made up of from oxides of other metals, including those derived from nuclear waste; moreover, this document teaches that the best results are obtained with glasses in which iron is present for at least 50%, preferably at least 80% and even more preferably at least 90%, in the oxidation state 3, that is as Fe <3+> ion. According to this document, phosphatic glasses with a high Fe <3 +> / Fe <2+> ratio are characterized by the best properties of chemical resistance (for example, to leaching, i.e. washing with water), density and resistance thermomechanics.

I metodi insegnati in questi documenti prevedono la preparazione di una miscela di polveri di ossidi o sali di fosforo e di ferro nei rapporti in peso desiderati; la fusione di questa miscela; l'aggiunta, prima o durante detta fusione, delle scorie da smaltire; e la solidificazione del fuso in appositi stampi. The methods taught in these documents provide for the preparation of a mixture of powders of oxides or salts of phosphorus and iron in the desired weight ratios; the fusion of this mixture; the addition, before or during said melting, of the slag to be disposed of; and the solidification of the melt in special molds.

Un problema ancora aperto con questi metodi à ̈ la gestione dei notevoli volumi di liquido delle soluzioni in cui sono inizialmente dissolte le scorie da decommissioning. Infatti, in alcuni casi le soluzioni vengono aggiunte direttamente al fuso di ossidi o sali di fosforo e ferro, generando però ingenti volumi di vapori che poi devono essere ricondensati, decontaminati e smaltiti; in altri casi, le soluzioni vengono prima portate a secco, e le scorie vengono aggiunte in forma di polvere al fuso, ma anche in questo caso l’ottenimento delle polveri di scorie comporta l’evaporazione di elevate quantità di liquido. An open problem with these methods is the management of the considerable volumes of liquid of the solutions in which the decommissioning waste is initially dissolved. In fact, in some cases the solutions are added directly to the melt of oxides or salts of phosphorus and iron, generating however large volumes of vapors which must then be recondensed, decontaminated and disposed of; in other cases, the solutions are first brought to dryness, and the slag is added in the form of powder to the melt, but also in this case the obtaining of slag powders involves the evaporation of large quantities of liquid.

Le domande di brevetto Italiane MI2010A002105, MI2012A000801 e MI2012A000803, il cui contenuto à ̈ incorporato nella presente descrizione, insegnano vari metodi alternativi per produrre vetri fosfatici a partire da scorie nucleari metalliche (a base di ferro). L’oggetto di tutte e tre queste domande à ̈ un processo che si articola nelle seguenti operazioni: The Italian patent applications MI2010A002105, MI2012A000801 and MI2012A000803, the content of which is incorporated in the present description, teach various alternative methods for producing phosphatic glasses starting from metallic (iron-based) nuclear waste. The object of all three of these questions is a process that is divided into the following operations:

- dissoluzione delle parti metalliche contaminate di impianti nucleari con uso di acido fosforico, formando una soluzione a pH inferiore a 1,5; - dissolution of the contaminated metal parts of nuclear plants with the use of phosphoric acid, forming a solution with a pH lower than 1.5;

- ossidazione degli ioni di ferro in soluzione da Fe<2+>a Fe<3+>per ottenere un rapporto Fe<3+>/Fe<2+>uguale o superiore a 9; - oxidation of iron ions in solution from Fe <2+> to Fe <3+> to obtain a Fe <3 +> / Fe <2+> ratio equal to or greater than 9;

- innalzamento del pH della soluzione così ottenuta ad un valore superiore a 1,5 e inferiore a 10, e preferibilmente tra 1,7 e 2,5, così da causare la precipitazione dei sali fosfatici del ferro e degli altri ioni metallici presenti nella soluzione; - raising the pH of the solution thus obtained to a value greater than 1.5 and less than 10, and preferably between 1.7 and 2.5, so as to cause the precipitation of the phosphate salts of iron and other metal ions present in the solution;

- separazione dei sali precipitati dalla fase liquida; e - separation of the precipitated salts from the liquid phase; And

- trattamento termico di vetrificazione della miscela di solidi precipitati. - heat treatment of vitrification of the mixture of precipitated solids.

Le tre domande differiscono tra loro per il modo in cui viene realizzata la fase di innalzamento del pH della soluzione derivata dalla fase di ossidazione. The three questions differ from each other in the way in which the phase of raising the pH of the solution derived from the oxidation phase is carried out.

In particolare, nella domanda MI2010A002105 il pH viene portato ad un valore superiore a 1,5 tramite l'aggiunta di una base solida, per esempio Ca(OH)2, oppure per via elettrochimica. Nel caso della via elettrochimica, in dettaglio questa consiste nel provvedere una cella elettrochimica separata in due semicelle tramite una membrana anionica; introdurre la soluzione derivata dalla fase di ossidazione in una prima semicella, che durante il funzionamento del metodo sarà portata a potenziale catodico; introdurre in questa soluzione un primo elettrodo (catodo); introdurre nella seconda semicella, che durante il funzionamento del metodo sarà portata a potenziale anodico, una soluzione di composizione simile a quella della soluzione da trattare, ma che non contiene gli ioni metallici da precipitare; introdurre in questa soluzione un secondo elettrodo (anodo); portare gli elettrodi al loro potenziale di lavoro, causando l’elettrolisi dell’acqua, che comporta che nella prima semicella (catodica) avvenga la reazione di riduzione degli ioni idrogeno: In particular, in application MI2010A002105 the pH is brought to a value higher than 1.5 by adding a solid base, for example Ca (OH) 2, or by electrochemical way. In the case of the electrochemical pathway, in detail this consists in providing an electrochemical cell separated into two half-cells by means of an anionic membrane; introducing the solution derived from the oxidation step into a first half-cell, which, during the operation of the method, will be brought to cathodic potential; introducing a first electrode (cathode) into this solution; introduce in the second half-cell, which during the operation of the method will be brought to anode potential, a solution of a composition similar to that of the solution to be treated, but which does not contain the metal ions to be precipitated; introducing a second electrode (anode) into this solution; bring the electrodes to their working potential, causing electrolysis of the water, which involves the hydrogen ion reduction reaction in the first half cell (cathode):

2H<+>+ 2e<">→ H2† 2H <+> + 2e <"> â †’ H2â €

e nella seconda semicella (anodica) avvenga la reazione: and in the second (anodic) half-cell the reaction takes place:

H20 → 1/2 02† 2H<+>+ 2e<">; H20 â † ’1/2 02â € 2H <+> + 2e <">;

conseguentemente, nella prima semicella vengono consumati ioni H<+>, provocando l’innalzamento desiderato del valore del pH. consequently, H <+> ions are consumed in the first half cell, causing the desired increase in the pH value.

Nella domanda MI2012A000801 l’innalzamento del pH viene ottenuto con un metodo che consiste nel provvedere una cella elettrochimica contenente un primo elettrodo ed un secondo elettrodo; introdurre nella cella la soluzione derivante dall’operazione di ossidazione di Fe<2+>a Fe<3+>; portare il primo elettrodo a potenziale catodico e il secondo elettrodo a potenziale anodico causando, nell'intorno del catodo e dell’anodo, rispettivamente le stesse due reazioni elettrochimiche viste sopra per la semicella catodica e per quella anodica; la differenza di potenziale applicata agli elettrodi deve essere tale da indurre una densità di corrente elettrica circolante che determini un gradiente di concentrazione di ioni H<+>tra anodo e catodo tale da portare il pH nella prossimità del catodo a valori superiori a quello necessario per produrre la precipitazione dei fosfati metallici insolubili. Alternativamente, la stessa domanda insegna la realizzazione del metodo in una cella elettrochimica separata in due compartimenti da una membrana cationica. Le stesse reazioni viste sopra, che nel caso senza membrana avvengono nell’intorno degli elettrodi, in questo caso avvengono nelle due semicelle che si vengono a formare, con l’unica differenza che nelle due semicelle la concentrazione di ioni H<+>à ̈ quasi costante. In application MI2012A000801 the raising of the pH is obtained with a method which consists in providing an electrochemical cell containing a first electrode and a second electrode; introduce in the cell the solution resulting from the oxidation operation of Fe <2+> to Fe <3+>; bring the first electrode to cathode potential and the second electrode to anode potential causing, in the vicinity of the cathode and the anode, respectively, the same two electrochemical reactions seen above for the cathodic half-cell and for the anode one; the potential difference applied to the electrodes must be such as to induce a density of circulating electric current that determines a concentration gradient of H <+> ions between anode and cathode such as to bring the pH near the cathode to values higher than that necessary for produce the precipitation of insoluble metal phosphates. Alternatively, the same application teaches the implementation of the method in an electrochemical cell separated into two compartments by a cationic membrane. The same reactions seen above, which in the case without a membrane occur around the electrodes, in this case occur in the two half-cells that are formed, with the only difference that in the two half-cells the concentration of ions H <+> It is almost constant.

Infine, nella domanda MI2012A000803 l’innalzamento del pH viene fatto avvenire in un compartimento non contenente elettrodi di una cella di elettrodialisi. Più in dettaglio, il metodo consiste nel provvedere una cella di elettrodialisi separata in almeno tre compartimenti tramite almeno una membrana cationica e almeno una membrana anionica; inserire un primo elettrodo nel compartimento definito tra una membrana cationica e le pareti della cella; inserire un secondo elettrodo nel compartimento definito tra una membrana anionìca e le pareti della cella; introdurre la soluzione derivante dall’operazione di ossidazione nel compartimento definito tra detta membrana cationica e detta membrana anionica, e una soluzione diluita di acido fosforico nei compartimenti in cui sono presenti detti primo e secondo elettrodo; portare il primo elettrodo a potenziale catodico e il secondo elettrodo a potenziale anodico, causando, rispettivamente nel compartimento catodico e in quello anodico, la realizzazione delle stesse reazioni della semicella catodica e della semicella anodica viste sopra con riferimento alla domanda MI2010A002105; si realizza in questo modo l’eliminazione di acido fosforico dal compartimento definito tra le membrane, con conseguente innalzamento del valore del pH e precipitazione dei fosfati metallici insolubili. Finally, in application MI2012A000803 the pH increase is made to take place in a compartment not containing electrodes of an electrodialysis cell. More in detail, the method consists in providing a separate electrodialysis cell in at least three compartments by means of at least one cationic membrane and at least one anionic membrane; inserting a first electrode in the compartment defined between a cationic membrane and the cell walls; inserting a second electrode in the compartment defined between an anionic membrane and the cell walls; introducing the solution deriving from the oxidation operation in the compartment defined between said cationic membrane and said anionic membrane, and a dilute solution of phosphoric acid in the compartments in which said first and second electrodes are present; bringing the first electrode to cathode potential and the second electrode to anode potential, causing, respectively, in the cathode and anode compartment, the same reactions of the cathode half cell and the anode half cell seen above with reference to application MI2010A002105; in this way the elimination of phosphoric acid from the compartment defined between the membranes is achieved, with consequent increase in the pH value and precipitation of insoluble metal phosphates.

I metodi insegnati da queste tre domande di brevetto riducono al minimo i volumi di liquidi da impiegare nei processi di decommissioning e l’energia richiesta per evaporare i solventi e separarli dalle frazioni solide, e rappresentano quindi un concreto miglioramento rispetto a quelli precedentemente noti. The methods taught by these three patent applications minimize the volumes of liquids to be used in the decommissioning processes and the energy required to evaporate the solvents and separate them from the solid fractions, and therefore represent a concrete improvement over those previously known.

Questi metodi presentano però il problema di essere condotti in modalità discontinua, cioà ̈ in un singolo ciclo chiuso (al più ripetibile in sequenza di cicli uguali), modalità non adatta all'impiego industriale; inoltre, questi metodi non sono ottimali dal punto di vista del rendimento energetico. However, these methods have the problem of being conducted in discontinuous mode, that is, in a single closed cycle (at most repeatable in a sequence of equal cycles), a mode not suitable for industrial use; furthermore, these methods are not optimal from the point of view of energy efficiency.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un metodo migliorato per il condizionamento di scorie da decommissioning, specificamente quelle da decapaggio. The purpose of the present invention is to provide an improved method for the conditioning of decommissioning slags, specifically those from pickling.

Secondo l’invenzione, questo scopo viene ottenuto con un processo che comprende le seguenti fasi: According to the invention, this purpose is achieved with a process which includes the following steps:

- dissoluzione delle parti metalliche contaminate di impianti nucleari con uso di acido fosforico, formando una soluzione a pH inferiore a 1 ,5; - dissolution of contaminated metal parts of nuclear plants with the use of phosphoric acid, forming a solution with a pH lower than 1.5;

- ossidazione degli ioni di ferro in soluzione da Fe<2+>a Fe<3+>per ottenere un rapporto Fe<3+>/Fe<2+>uguale o superiore a 9; - oxidation of iron ions in solution from Fe <2+> to Fe <3+> to obtain a Fe <3 +> / Fe <2+> ratio equal to or greater than 9;

- innalzamento, per via chimica o elettrochimica, del pH della soluzione così ottenuta ad un valore superiore a 1,5 e inferiore a 10, causando la precipitazione dei sali fosfatici del ferro e degli ioni metallici presenti nella soluzione; - raising, by chemical or electrochemical way, of the pH of the solution thus obtained to a value higher than 1.5 and lower than 10, causing the precipitation of the phosphate salts of the iron and of the metal ions present in the solution;

- separazione dei sali precipitati dalla fase liquida; e - separation of the precipitated salts from the liquid phase; And

- trattamento termico di vetrificazione della miscela di solidi precipitati; caratterizzato dal fatto che dette operazioni sono condotte in modo continuo. L’invenzione verrà descritta in dettaglio nel seguito con riferimento alle Figure, in cui: - heat treatment of vitrification of the mixture of precipitated solids; characterized in that said operations are carried out continuously. The invention will be described in detail below with reference to the Figures, in which:

- la Fig. 1 schematizza un impianto per la realizzazione del metodo secondo la modalità operativa in cui la precipitazione dei fosfati à ̈ realizzata tramite aggiunta di una base solida alla soluzione di decapaggio; - Fig. 1 schematizes a plant for carrying out the method according to the operating mode in which the precipitation of phosphates is achieved by adding a solid base to the pickling solution;

- la Fig. 2 schematizza un impianto per la realizzazione del metodo secondo la modalità operativa che usa una cella elettrochimica separata in due semicelle tramite una membrana anionica; e - Fig. 2 schematizes a plant for carrying out the method according to the operating mode that uses an electrochemical cell separated into two half-cells by means of an anionic membrane; And

- le Figg. 3 e 4 schematizzano sistemi di recupero energetico che impiegano l’idrogeno e l’ossigeno formati, rispettivamente, nell'impianto della Fig. 2, e in un impianto basato su elettrodialisi. - Figs. 3 and 4 schematize energy recovery systems that use hydrogen and oxygen formed, respectively, in the plant of Fig. 2, and in a plant based on electrodialysis.

Per la descrizione delle condizioni chimiche con cui condurre le operazioni del processo, si rimanda ai contenuti delle domande MI2010A002105, MI2012A000801 e M12012A000803 citate. For the description of the chemical conditions with which to carry out the operations of the process, please refer to the contents of the questions MI2010A002105, MI2012A000801 and M12012A000803 mentioned.

Secondo la presente invenzione, il processo viene condotto in modo continuo. According to the present invention, the process is carried out continuously.

La Fig. 1 rappresenta in modo schematico un impianto in cui l’operazione di innalzamento del pH, con conseguente precipitazione di fosfati, avviene tramite aggiunta di una base solida alla soluzione ottenuta dal decapaggio. In un reattore, 100, vengono alimentati le parti metalliche da trattare (l’alimentazione à ̈ indicata genericamente con la freccia 101) ed una soluzione di acido fosforico concentrato tramite una linea 102. Nel reattore avviene la dissoluzione della parte metallica (decapaggio). Nella reazione di dissoluzione si libera idrogeno gassoso, che viene estratto da sistema attraverso la linea di degasaggio 103, e preferibilmente inviato ad una cella a combustibile (di tipo noto) a fini di recupero energetico. La soluzione ottenuta dal decapaggio viene inviata attraverso la linea 104 ad un secondo reattore, 110, in cui avviene l'ossidazione degli ioni Fe<2+>formati durante il decapaggio a ioni Fe<3+>; l’ossidazione può avvenire tramite aggiunta in continuo di una soluzione di perossido di idrogeno o di un permanganato attraverso la linea 111, oppure per gorgogliamento di ossigeno gassoso attraverso la linea 111’. La soluzione arricchita in Fe<3+>viene inviata, attraverso la linea 112, al reattore 120, in cui avviene la precipitazione del fosfato ferrico. Nel reattore 120 viene alimentata in continuo una base solida 130, per esempio idrossido di calcio, in forma di polvere, da un contenitore 131 (es., una tramoggia); all’interno del reattore 120 il pH raggiunge un valore tale da causare la precipitazione del fosfato ferrico, FeP04, e dei fosfati degli altri metalli inizialmente presenti nella parte metallica sottoposta a trattamento; il precipitato viene estratto dalla parte inferiore del reattore 120 tramite una linea 121 , mentre la soluzione non più contenente i metalli viene allontanata dal sistema attraverso la linea 122. Fig. 1 schematically represents a plant in which the operation of raising the pH, with consequent precipitation of phosphates, takes place by adding a solid base to the solution obtained from pickling. In a reactor, 100, the metal parts to be treated are fed (the feed is generically indicated with the arrow 101) and a solution of concentrated phosphoric acid through a line 102. The dissolution of the metal part takes place in the reactor (pickling) . In the dissolution reaction, gaseous hydrogen is released, which is extracted from the system through the degassing line 103, and preferably sent to a fuel cell (of known type) for energy recovery purposes. The solution obtained from the pickling is sent through the line 104 to a second reactor, 110, in which the oxidation of the Fe <2+> ions formed during the pickling to Fe <3+> takes place; the oxidation can take place by continuously adding a solution of hydrogen peroxide or a permanganate through line 111, or by bubbling gaseous oxygen through line 111â € ™. The solution enriched in Fe <3+> is sent, through the line 112, to the reactor 120, where the ferric phosphate precipitates. A solid base 130, for example calcium hydroxide, in the form of a powder, is continuously fed into the reactor 120 from a container 131 (e.g., a hopper); inside the reactor 120 the pH reaches a value such as to cause the precipitation of the ferric phosphate, FeP04, and of the phosphates of the other metals initially present in the metal part subjected to treatment; the precipitate is extracted from the lower part of the reactor 120 through a line 121, while the solution no longer containing the metals is removed from the system through the line 122.

La Fig. 2 rappresenta in modo schematico un impianto in cui l’operazione di innalzamento del pH, con conseguente precipitazione di fosfati, avviene in una cella elettrochimica separata in due semicelle tramite una membrana anionica. In un reattore di decapaggio, 200, vengono introdotte le scorie metalliche da trattare (freccia 201) e la soluzione di acido fosforico concentrato attraverso la linea 202. Viene prodotto idrogeno gassoso che viene allontanato attarverso la lin.ea 203 e inviato preferibilmente ad apparati di recupero energetico. La soluzione così pdototta viene inviata, tramite la linea 204, al reattore di ossidazione, 210, in cui avviene l’ossidazione degli ioni Fe<2+>a Fe<3+>come prima descritto; nel caso di impiego di soluzioni di composti ossidanti, queste vengono alimentate attraverso la linea 211, mentre nel caso dì impiego di ossigeno gassoso, questo viene alimentato attraverso la linea 211’. La soluzione in uscita dal reattore di ossidazione viene inviata, attraverso la linea 212, al reattore di precipitazione 220. La soluzione presente in questo reattore viene ricircolata in modo continuo, tramite una linea 221 ed una pompa 222, alla semicella catodica del reattore elettrochimico 230. Il reattore 230 à ̈ separato in due semicelle attraverso la membrana anionica 231, una delle quali contiene un elettrodo posto a potenziale catodico (indicato in figura dal segno “-") ed una un elettrodo posto a potenziale anodico (indicato in figura dal segno “+"). Come descritto in precedenza, nella semicella catodica vengono consumati ioni H<+>, determinando l’aumento di pH che causa la precipitazione dei fosfati. La soluzione contenuta in questa semicella, contenente polveri dei fosfati in sospensione, viene reinviata, tramite la linea 232, al reattore di precipitazione 220; in questo reattore la soluzione decanta, i fosfati si raccolgono sul fondo, da cui vengono poi estratti attraverso la linea 223, mentre l’idrogeno gassoso viene estratto attraverso la linea 224. Il sistema comprende un serbatoio di accumulo 240 contenente acido fosforico più diluito di quello alimentato tramite la linea 202, che viene fatto ricircolare nella semicella anodica del reattore 230; l’invio dell’acido dal serbatoio 240 al reattore 230 avviene attraverso la linea 241 e la pompa 242, mentre il ritorno della soluzione contenente ossigeno gassoso al serbatoio 240 avviene attraverso la linea 233; il serbatoio à ̈ anche alimentato in continuo con acqua, necessaria per la reazione anodica, tramite la linea 243, e presenta una linea di degasaggio dell’ossigeno, 244; l’ossigeno prelevato dal serbatoio 240 viene preferibilmente inviato ad un apparato di recupero energetico insieme all’idrogeno prelevato tramite le linee 203 e 224. La soluzione di alimentazione alla semicella catodica à ̈ fatta circolare in modo continuo dalla semicella al reattore di precipitazione 220 e da questo alla semicella. Analogamente ciò accade per la circolazione della soluzione di acido fosforico tra la semicella anodica e il serbatoio di accumulo. Ciò facendo si ottiene un sistema che raggiunge rapidamente le condizioni di stazionarietà e che con buona approssimazione può essere considerato perfettamente miscelato e a composizione pressoché uniforme. Affinchà ̈ ciò si verifichi senza variazione dei volumi in gioco (che si modificano giocoforza per effetto delle reazioni elettrochimiche e dell’azione della membrana) à ̈ necessario rimuovere in continuo una parte di dette soluzioni in quantità tale da compensare l’alimentazione di soluzione di decapaggio fresca (al circuito catodico) e di acido fosforico diluito (al circuito anodico). Le due soluzioni così prelevate, aventi la composizione media dei due serbatoi, sono entrambe riciclate al dissolutore. Queste condizioni vengono ottenute, per quanto riguarda il circuito catodico, inviando la soluzione prelevata dal reattore di precipitazione attraverso la linea 221, in parte alla semicella catodica attraverso la linea 221’, e in parte al reattore di decapaggio 200 attraverso la linea 221"; per il circuito anodico, parte della soluzione presente nel serbatoio di accumulo 240 viene inviata a sua volta al reattore di decapaggio 200 attraverso la linea 245. L’invarianza dei volumi in gioco si verifica quindi non solo relativamente alla cella elettrochimica ma a tutto l'impianto. Il risultato complessivo à ̈ che si alimentano al processo il metallo e acido fosforico fresco e dal processo si estraggono fosfati metallici. Fig. 2 schematically represents a plant in which the operation of raising the pH, with consequent precipitation of phosphates, takes place in an electrochemical cell separated into two half-cells by means of an anionic membrane. In a pickling reactor, 200, the metal slag to be treated (arrow 201) and the concentrated phosphoric acid solution are introduced through line 202. Gaseous hydrogen is produced which is removed through line 203 and preferably sent to energy recovery. The solution thus produced is sent, through line 204, to the oxidation reactor, 210, where the oxidation of the Fe <2+> ions to Fe <3+> takes place as described above; in the case of use of solutions of oxidizing compounds, these are fed through the line 211, while in the case of use of gaseous oxygen, this is fed through the line 211â € ™. The solution leaving the oxidation reactor is sent, through the line 212, to the precipitation reactor 220. The solution present in this reactor is continuously recirculated, through a line 221 and a pump 222, to the cathode half-cell of the electrochemical reactor 230 . The reactor 230 is separated into two half-cells through the anionic membrane 231, one of which contains an electrode placed at cathodic potential (indicated in the figure by the sign â € œ- ") and one an electrode placed at anode potential (indicated in the figure by the sign â € œ + "). As previously described, H <+> ions are consumed in the cathode half cell, causing the pH increase which causes the precipitation of phosphates. The solution contained in this half-cell, containing suspended phosphate powders, is sent back, through the line 232, to the precipitation reactor 220; in this reactor the solution decants, the phosphates collect on the bottom, from which they are then extracted through line 223, while the hydrogen gas is extracted through line 224. The system includes an accumulation tank 240 containing more diluted phosphoric acid of the one fed through the line 202, which is recirculated in the anode half-cell of the reactor 230; the sending of the acid from tank 240 to reactor 230 takes place through line 241 and pump 242, while the return of the solution containing gaseous oxygen to tank 240 takes place through line 233; the tank is also fed continuously with water, necessary for the anodic reaction, through line 243, and has an oxygen degassing line, 244; the oxygen withdrawn from tank 240 is preferably sent to an energy recovery apparatus together with the hydrogen withdrawn through lines 203 and 224. The feeding solution to the cathodic half-cell is continuously circulated from the half-cell to the precipitation reactor 220 and from this to the half cell. Similarly, this happens for the circulation of the phosphoric acid solution between the anodic half-cell and the storage tank. By doing this, a system is obtained which rapidly reaches stationarity conditions and which, with a good approximation, can be considered perfectly mixed and with an almost uniform composition. In order for this to occur without any variation in the volumes involved (which inevitably change due to the effect of the electrochemical reactions and the action of the membrane), it is necessary to continuously remove a part of these solutions in such quantities as to compensate for the supply of fresh pickling solution (to the cathode circuit) and diluted phosphoric acid (to the anode circuit). The two solutions collected in this way, having the average composition of the two tanks, are both recycled to the dissolver. These conditions are obtained, as regards the cathode circuit, by sending the solution taken from the precipitation reactor through line 221, partly to the cathode half cell through line 221â € ™, and partly to pickling reactor 200 through line 221 " ; for the anode circuit, part of the solution present in the storage tank 240 is in turn sent to the pickling reactor 200 through line 245. The invariance of the volumes involved therefore occurs not only in relation to the electrochemical cell but to everything The overall result is that the metal and fresh phosphoric acid are fed to the process and metal phosphates are extracted from the process.

Il sistema sopra illustrato ha anche il vantaggio di consentire la precipitazione e il degasaggio lontano dagli elettrodi e dalle membrane, evitandone così i relativi sporcamenti e riducendo le perdite di corrente. The system illustrated above also has the advantage of allowing precipitation and degassing away from the electrodes and membranes, thus avoiding their fouling and reducing current losses.

Un sistema in continuo basato su un reattore elettrochimico non suddiviso in semicelle da una membrana, o suddiviso in due semicelle con membrana cationica, come descritto nella domanda MI2012A000801, può essere realizzato secondo gli stessi principi sopra illustrati nel caso del reattore elettrochimico con membrana anionica, come risulterà evidente ai tecnici del settore. A continuous system based on an electrochemical reactor not divided into half-cells by a membrane, or divided into two half-cells with a cationic membrane, as described in application MI2012A000801, can be realized according to the same principles illustrated above in the case of the electrochemical reactor with anionic membrane, as will be evident to the technicians of the sector.

Analogamente, un sistema operante in continuo basato su un reattore di elettrodialisi, come descritto nella domanda MI2012A000803, potrà essere realizzato senza difficoltà da un esperto del settore; questo sistema differirà da quello sopra descritto con membrana anionica per il fatto che le soluzioni diluite di acido fosforico vengono in questo caso alimentate sia nel compartimento catodico che in quello anodico del reattore di elettrodialisi (invece che nel solo compartimento anodico come avviene nel caso sopra illustrato), e la soluzione contenente polveri di fosfati in sospensione, da inviare al reattore di precipitazione, viene estratta dal compartimento (o dai compartimenti) compreso tra le membrane cationìche ed anioniche del reattore. Similarly, a continuously operating system based on an electrodialysis reactor, as described in application MI2012A000803, can be made without difficulty by an expert in the field; this system will differ from the one described above with anionic membrane in that the dilute solutions of phosphoric acid are in this case fed both into the cathode and anode compartment of the electrodialysis reactor (instead of only into the anode compartment as occurs in the case illustrated above ), and the solution containing suspended phosphate powders, to be sent to the precipitation reactor, is extracted from the compartment (or compartments) between the cationic and anionic membranes of the reactor.

In una forma di realizzazione preferita, l’idrogeno e l’ossigeno gassosi prodotti nei sistemi con reattori elettrochimici vengono recuperati riutilizzati per produrre corrente elettrica, per esempio mediante una pila a combustibile così da ridurre le necessità energetiche del processo. Questa forma di realizzazione à ̈ illustrata in Fig. 3, con riferimento al caso dell’impiego, per precipitare i fosfati, di una cella elettrochimica con membrana anionica (l’applicazione del principio alle altre possibilità, cioà ̈ cella senza membrana, cella con membrana cationica, o cella da elettrodialisi, risulteranno evidenti al tecnico del settore). La cella elettrochimica, 30, à ̈ divisa in una semicella catodica ed una anodica tramite la membrana anionica 31; nella semicella catodica, tramite la linea 32 si alimenta la soluzione derivante da decapaggio e ossidazione, e tramite la linea 33 si estrae la soluzione spenta; nella semicella anodica, tramite la linea 34 si alimenta una soluzione di acido fosforico diluito, e tramite la linea 35 si estrae acido fosforico concentrato. Dalla semicella catodica viene inoltre estratto idrogeno gassoso, che viene inviato ad una pila a combustibile, 36; dalla semicella anodica si estrae ossigeno gassoso che viene inviato alla stessa pila 36; nella pila, dalla reazione controllata tra idrogeno ed ossigeno, viene generata corrente elettrica che viene reimmessa in circolo, alimentando gli elettrodi del reattore 30. In a preferred embodiment, the gaseous hydrogen and oxygen produced in systems with electrochemical reactors are recovered and reused to produce electric current, for example by means of a fuel cell in order to reduce the energy needs of the process. This embodiment is illustrated in Fig. 3, with reference to the case of the use, to precipitate the phosphates, of an electrochemical cell with anionic membrane (the application of the principle to the other possibilities, i.e. cell without membrane, cell with cationic membrane, or electrodialysis cell, will be evident to those skilled in the art). The electrochemical cell, 30, is divided into a cathodic and an anodic half-cell by means of the anionic membrane 31; in the cathode half cell, the solution deriving from pickling and oxidation is fed through line 32, and the spent solution is extracted through line 33; in the anodic half-cell, a solution of diluted phosphoric acid is fed through line 34, and concentrated phosphoric acid is extracted through line 35. From the cathode half cell, moreover, gaseous hydrogen is extracted, which is sent to a fuel cell, 36; gaseous oxygen is extracted from the anode half cell and sent to the same cell 36; in the cell, from the controlled reaction between hydrogen and oxygen, an electric current is generated which is reintroduced into circulation, feeding the electrodes of the reactor 30.

Il sistema di recupero energetico nel caso di un impianto che comprenda una cella di elettrodialisi à ̈ rappresentato schematicamente in Fig. 4, in cui à ̈ indicato il significato delle linee di entrata ed uscita dalla cella e dalla pila a combustibile, e i simboli MA e MC indicano, rispettivamente, la membrana anionica e quella cationica. The energy recovery system in the case of a plant that includes an electrodialysis cell is schematically represented in Fig. 4, which indicates the meaning of the inlet and outlet lines from the cell and from the fuel cell, and the symbols MA and MC indicate, respectively, the anionic and the cationic membrane.

Tenendo conto che mediamente il rendimento di corrente di un processo elettrochimico à ̈ pari a circa il 50% e quello di una pila a combustibile à ̈ del 60%, il recupero energetico possibile à ̈ dell’ordine del 30% e quindi del tutto significativo neH'economia del processo. Taking into account that on average the current efficiency of an electrochemical process is approximately 50% and that of a fuel cell is 60%, the possible energy recovery is of the order of 30% and therefore completely significant in the economics of the process.

Claims (4)

RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il condizionamento di scorie derivate da smaltimento di impianti nucleari che comprende le seguenti operazioni: - dissoluzione delle parti metalliche contaminate di impianti nucleari con uso di acido fosforico, formando una soluzione a pH inferiore a 1,5; - ossidazione degli ioni di ferro in soluzione da Fe<2+>a Fe<3+>per ottenere un rapporto Fe<3+>/Fe<2+>uguale o superiore a 9; - innalzamento, per via chimica o elettrochimica, del pH della soluzione così ottenuta ad un valore superiore a 1,5 e inferiore a 10, causando la precipitazione dei sali fosfatici del ferro e degli ioni metallici presenti nella soluzione; - separazione dei sali precipitati dalla fase liquida; e - trattamento termico di vetrificazione della miscela di solidi precipitati; caratterizzato dal fatto che dette operazioni sono condotte in modo continuo. CLAIMS 1. A method for conditioning waste resulting from the disposal of nuclear plants which includes the following operations: - dissolution of the contaminated metal parts of nuclear plants with the use of phosphoric acid, forming a solution with a pH lower than 1.5; - oxidation of iron ions in solution from Fe <2+> to Fe <3+> to obtain a Fe <3 +> / Fe <2+> ratio equal to or greater than 9; - raising, by chemical or electrochemical way, of the pH of the solution thus obtained to a value higher than 1.5 and lower than 10, causing the precipitation of the phosphate salts of the iron and of the metal ions present in the solution; - separation of the precipitated salts from the liquid phase; And - heat treatment of vitrification of the mixture of precipitated solids; characterized in that said operations are carried out continuously. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui la soluzione derivata dall’operazione di ossidazione viene inviata in continuo ad un reattore di precipitazione (120), in cui da un contenitore (131) viene introdotta in continuo una base solida (130) in forma di polvere, portando il pH all’interno di detto reattore di precipitazione ad un valore tale da causare la precipitazione dei fosfati, che vengono estratti in continuo dalla parte inferiore di detto reattore di precipitazione tramite una linea (121), e allontanando dal sistema la soluzione non più contenente i metalli attraverso una linea di scarico (122). 2. Method according to claim 1, in which the solution resulting from the oxidation operation is continuously sent to a precipitation reactor (120), into which a solid base (130) is continuously introduced from a container (131) in the form of powder, bringing the pH inside said precipitation reactor to a value such as to cause the precipitation of phosphates, which are continuously extracted from the lower part of said precipitation reactor through a line (121), and removing from the system the solution no longer containing the metals through a drain line (122). 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui: la soluzione derivata dall’operazione di ossidazione viene inviata in continuo ad un reattore di precipitazione (220); la soluzione presente in questo reattore viene ricircolata in modo continuo, tramite una linea (221) ed una pompa (222), alla semicella catodica di un reattore elettrochimico (230) separato in due semicelle attraverso una membrana anionica (231); in detta semicella catodica, il consumo di ioni H<+>determina l’aumento di pH che causa la precipitazione dei fosfati, che vengono trasportati in forma di polveri in sospensione a detto reattore di precipitazione, dove vengono fatti decantare ed estratti dal fondo di detto reattore attraverso una linea di scarico (224). 3. Method according to claim 1, wherein: the solution resulting from the oxidation operation is continuously sent to a precipitation reactor (220); the solution present in this reactor is continuously recirculated, through a line (221) and a pump (222), to the cathode half-cell of an electrochemical reactor (230) separated into two half-cells through an anionic membrane (231); in said cathode half cell, the consumption of H <+> ions determines the increase in pH which causes the precipitation of phosphates, which are transported in the form of suspended powders to said precipitation reactor, where they are decanted and extracted from the bottom of said reactor through a discharge line (224). 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui l’idrogeno e l’ossigeno gassosi prodotti rispettivamente in detta semicella catodica e in una semicella anodica del reattore elettrochimico (30) vengono inviati ad una pila a combustibile (36), in cui dalla reazione controllata tra idrogeno ed ossigeno viene generata corrente elettrica che viene reimmessa in circolo, alimentando gli elettrodi di detto reattore elettrochimico.4. Method according to claim 3, wherein the gaseous hydrogen and oxygen produced respectively in said cathode half cell and in an anode half cell of the electrochemical reactor (30) are sent to a fuel cell (36), in which from the controlled reaction between hydrogen and oxygen an electric current is generated which is reintroduced into circulation, feeding the electrodes of said electrochemical reactor.
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