SE429800B - Forfarande for behandling av radioaktivt avfall - Google Patents

Description

7712680-3 bortskaffa sådana avfallsprodukter i havet.

Det är nödvändigt att minska volymen av avfallslösningen och att omvandla de radioaktiva klyvningsprodukterna till vattenolöslig form. Tidigare kända metoder har innefattat försök att åstadkomma detta på ett flertal sätt, exempelvis genom dehydratisering och kalcinering, överförande i fast form av radioaktiva avfallsprodukter samt användning av en fluidiserad bädd för kalcinering av det radio- aktiva materialet, såsom beskrives i artikeln “Technical and Economic Comparison of Methods for Solidifying and Storing High- Activity Liquid Waste Arising in the Reprocessing of Irradiated Fuel Elements from Water-Cooled and Water-Moderated Reactors" från Symposium on the Management of Radioactive Wastes from Fuel Reprocessing of the Organization for Economic Co-Operation and Development in Paris, daterad mars 1973. Dessa tidigare kända processer har varit verksamma för att minska volymen av avfalls- materialet och problemen med avfallets korrosiva natur men har trots detta vissa inneboende olägenheter, i synnerhet vad beträffar an- vändningen av fluidiserad bädd för kalcinering av avfallsmaterialet.

Den fluidiserade bädden ger en produkt som är finfördelad och visar benägenhet till utlakning vid kontakt med vatten. Framställning av en granulär produkt utan alltför stor mängd fint material kräver att tillförseln av utgångsmaterialet regleras noggrant för åstad- kommande av partiklar med ett snävt storleksintervall samt att fbortföringen av finkornigt material hålles låg.

Man har föreslagit kalcinering av det radioaktiva avfalls- materialet, blandning av detta med glasfritta, exempelvis borsili- katglasfritta, och därefter smältning av blandningen till bildning av en massa av glas i vilken det radioaktiva materialet är fördelat.

Denna metod ger en produkt som är mycket beständig mot lakning.

En sådan process anges i U.S. Atomic Energy Commission (eller Energy Research and Development Administration) Report BNWL 1667.

För säkerställande av en likformig produkt är det emellertid nöd- vändigt att blanda det kalcinerade materialet och frittan. Den starkt radioaktiva karaktären hos kalcinatet gör det nödvändigt att använda speciell blandningsutrustning vilket gör anläggningen dyrbarare och mer komplicerad.

De angivna och andra svårigheter övervinnes enligt uppfin- ningen med ett förfarande som utnyttjar en kalcineringsanord- ning med fluidiserad bädd för att på ett enkelt sätt omvandla fly- 7712680-3 3 tande radioaktiva avfallsmaterial till stelnad glasform. Man använder proportionell tillsats av en glasfritta eller likartade glasbildande partiklar direkt till en fluidiserad bädd i vilken glasfrittan belägges med eller blandas intimt med det radioaktiva kalcinatet genom insprutning av det flytande avfallsmaterialet i bädden. De belagda materialen har sådan karaktär att de kan avtappas och bortföras från bädden direkt till en smältningsanord- ning för omvandling till glas, som binder det radioaktiva kalcine- rade avfallsmaterialet.

Pâ den bifogade ritningsfiguren visas schematiskt en anlägg- ning med fluidiserad bädd med tillhörande utrustning avpassad för kalcinering av flytande avfallsmaterial och efterföljande omvandling av kalcinatet till glasform som binder det radioaktiva avfalls- materialet.

Vid förfarandet enligt uppfinningen injiceras koncentrerat höghaltigt avfallsmaterial kontinuerligt i en fluidiserad bädd av glasfritta eller likartat material, som verkar såsom reaktionsställe för sönderdelning, dehydratisering och kalcinering av avfallsmate- rialet till fasta oxider, vattenånga och sönderdelningsgaser. De fasta oxiderna kalcineras på glasfrittan, som förefinnes i den fluidiserade bädden, och det belagda materialet avlägsnas konti- nuerligt genom elutriering och/eller breddavlopp från bädden.

Glasfrittbäddmaterialet verkar såsom utspädningsmedel för det radioaktiva kalcinat som bildas i reaktorn och minskar sålunda sönderfallsvärmeproblemet som annars skulle orsakas av den höga halten av klyvningsprodukter i bädden. Användningen av ett icke- radioaktivt bäddmaterial gör det möjligt att utan kakbildning kalcinera en mångfald avfallskompositioner, däribland sådana med förhållandevis hög natritmhalt.

Enligt föreliggande uppfinning åstadkommer man en upphettad fluidiserad bädd av glaspartiklar som är fluidiserade med ett gas- formigt medium, exempelvis luft, kväve eller vattenånga. Upphettad luft användes för förvärmning av systemet tills bädden uppnår självantändningstemperaturen för fotogen (kerosen), varvid fotogen införes genom ett sprutsystem. Andra medel för upphettning av bädden, exempelvis elektriska upphettningsanordningar eller cirku- lerande fluida, kan även användas. Avfallsmaterialet atomiseras med en gas och sprutas in i den fluidiserade bädden som drives vid en temperatur som är tillräckligt hög för att åstadkomma sönder- delning av eventuella instabila salter i det radioaktiva materialet 7712680-3 4 under bildning av huvudsakligen oxider men under smälttemperaturen för bäddmaterialet. Temperaturen kan variera mellan ca 300 och l200°C men varierar i allmänhet mellan ca 350 och 700°C. Den ato- miserade avfallslösningen, som huvudsakligen utgöres av metall- nitrater och salpetersyra, dehydratiseras och sönderdelas till metall- och klyvningsproduktoxider, som belägger eller intimt blandas med bäddpartiklarna och de gasformiga produkterna. De gasformiga produkterna och medförda partiklar svepes från reaktionszonen med den fluidiserande gasen. Såsom är känt beträffande processer i fluidiserad bädd tillsättes glasfrittbäddmaterial kontinuerligt till bädden för ersättning av bäddmaterial som konstant avlägsnas genom elutriering och/eller breddavlopp. Bäddmaterialet tillsättes för justering av medeldiametern av bäddmaterialet till mellan ca 100 och 400 um. Användningen av det icke-radioaktiva glasfrittmaterialet såsom bäddmaterial säkerställer en låg halt i bädden av värmeutveck- lande klyvningsprodukter. Det kalcinerade materialet som bortföres med de gaser, som bortgår från reaktorn, filtreras från gaserna och införes tillsammans med det kalcinerade materialet, som strömmar över från reaktorn, till en smältningsanordning i vilken den kal- cinathaltiga glasfrittan smältes. Smältan tappas därefter i en behållare, avgasas och får stelna eller vidarebehandlas på annat sätt, exempelvis till glaskulor.

Alternativt kan blandningen smältas direkt i behållaren, vilken därefter får svalna.

Förfarandet enligt uppfinningen beskrives utförligare under hänvisning till den bifogade ritningsfiguren, på vilken visas ett kärl l0 för genomförande av processen i fluidiserad bädd. Delen med mindre diameter eller begränsad diameter ll innefattar det partikelformiga mediet 32, som bildar den fluidiserade bädden, och delen med större diameter utgör en frigöringsdel 12 (disengaging portion), som är i huvudsak fri från den fluidiserade bädden. Delen ll upphettas genom förbränning av bränsle, exempelvis väte, fotogen, butan, naturgas eller andra kolvätebränslen eller alternativt genom utvändig upphettning som icke visas, exempelvis lindad elektrisk motstândstråd, som är placerad invid delen ll. Vid drift införes fluidiseringsgas, exempelvis luft, i delen ll genom en ledning 13, som är ansluten till en källa 22 för fluidiseringsgasen. Bränsle, exempelvis fotogen, införes i atomiserad form i delen ll genom en ledning 14, som är ansluten till en källa 23 för bränslet. Ett 7712680-3 5 oxidationsmedel, exempelvis syre, införes i delen ll antingen genom en ledning 14, ledning 15 eller genom en alternativ ledning som icke visas. Det vätskeformiga avfallsmaterialet införes i atomiserad form till delen ll av reaktorn 10 genom en ledning l5, som är an- sluten till en källa 24 för det radioaktiva avfallsmaterialet. Det radioaktiva avfallsmaterial, som användes som utgångsmaterial, atomiseras genom införing av atomiseringsgas från en källa 33 genom en ledning 34, som är ansluten med en ledning 15. Alternativt kan det som utgångsmaterial använda avfallsmaterialet injiceras under tryck genom ett sprutmunstycke. Intermittent eller kontinuerligt uttages större partiklar som avsättes på bottnen av delen ll genom en ledning 19. En överströmningsledning l8 användes såsom medel för avlägsnande av en del av det kalcinerade materialet från den fluidiserade bädden. Den utvidgade delen 12 av reaktorn lO utgöres av en frigöringsdel, som har större diameter än tvärsektionsarean hos den lägre delen ll för att möjliggöra frigöring av partiklarna från gasen. Gaser och medryckta partiklar bortgår från reaktorn lO genom en ledning 17 till en gas-fastmaterialseparator 35. Separa- torn 35 är anordnad för rening av gasen med filter 20 som kvar- håller eventuellt finkornigt fast material som medföres med det gasformiga medium, som bortgår från reaktorn 10 genom ledningen 17.

Gasfiltren kan utgöras av godtyckliga konventionella filter, exem- pelvis filterelement av sintrad metall med en nominell kvarhåll- ningsförmåga av 3 um eller andra gas-fastmaterialseparatorer. De fasta partiklar som avlägsnas från det gasformiga mediet som bortgår från reaktorn 10 avlägsnas från separatorn 35 genom en ledning 26.

En ledning l8 och en ledning 19 från reaktorn lO är anslutna till ledningen 26 så att de fasta partiklarna som strömmar över från delen ll genom ledningen l9 sammanblandas i ledningen 26 med de fasta partiklarna från separatorn 35 och blandningen införes där- efter i smältanordningen 27. Det kalcinatbelagda glasbäddmaterialet smältes i smältanordningen 27. Smältan avlägsnas därefter från smältanordningen 27 genom en ledning 36 till en behållare 28, i vilken smältan tillåtes stelna. Vid förlust av fluidisering till- låter ventilen 29 strömning av bäddmaterial genom en ledning 30 till en uppsamlingsbehållare 31. Alternativt kan ledningen 30 anslutas till smältanordningen 27.

I stället för att använda en separat smältanordning kan be- hållaren 28 upphettas till en temperatur som är tillräcklig för '7712680-3 smältning av glasfrittan.

Vid genomförande av uppfinningen passerar de fluidiserande gaserna in i delen ll med en hastighet som är tillräcklig för effek- tiv fluidisering av materialet till önskad nivå med kända medel.

I allmänhet införes den fluidiserande gasen med reglerad flödes- hastighet av ca 0,275 till ca 0,35 m per sekund. En utgångs- beskickning av partiklar med en storlek inom intervallet ca 100 till 600 um bildar bädden, som lätt fluidiseras med ett fluidise- ringsmedium. Bäddmaterialet kan vid igångsättningen utgöres av något annat material än glasfritta, exempelvis aluminiumoxid eller kiseldioxid, om högre temperaturer än smältpunkten för glasfrittan lskulle bildas vid igångsättning eller antändning av bränslet. Sedan den fluidiserade bäddens arbetstemperatur uppnåtts tillsättes här- vid glasfrittan för att ersätta utgångsbäddmaterialet. Utgångs- lösningen innehållande det radioaktiva avfallsmaterialet tillföres i atomiserad form i den fluidiserade-bädden med en hastighet som är lämpad för kalcineringskapaciteten hos kalcineringsanordningen.

När det radioaktiva avfallsmaterialet kalcineras på partiklarna i den fluidiserade bädden, borttages partiklarna från den fluidiserade bädden med en hastighet som regleras av processövervakaren.

De glasfrittpartiklar som bildar den fluidiserade bädden kan ha olika glassammansättning. Glaset bör väljas för att ge de egenskaper som önskas hos slutprodukten. I allmänhet utgör bor- silikatglasfritta det föredragna materialet för bildning av den fluidiserade bädden. I Eftersom uppfinningen avser kalcinering av flytande avfalls- material innehållande radioaktiva material, måste den med fluidi- serad bädd arbetande reaktorn för denna process monteras i ett skärmat utrymme i en reglerad atmosfär och förses med avstånds- manövrering för hantering av materialen. Olika kända material för konstruktion av reaktorer med fluidiserad bädd kan användas för konstruktion av reaktorn lO. Någon ny konstruktion av utrustningen erfordras icke för genomförande av förfarandet enligt uppfinningen.

Fördelarna med användning av glasmaterial såsom bäddmaterial i en fluidiserad bädd för kalcinering av radioaktiva avfallsmate- rial innefattar minskning av problemen med avlägsnande av sönder- delningsvärme beroende på den minskade halten av klyvningsprodukter samt medför en förenkling av partikelstorleksregleringen och bädd- nivåregleringen, eliminerar mekaniska utrustningar för blandning av 7712680-3 7 kalcinerat avfallsmaterial och glasfritta samt tillåter hantering av radioaktivt avfallsmaterial inom ett mer vidsträckt intervall.

Vid förfarandet enligt uppfinningen kan förhållandet mellan glas och avfallsmaterial varieras efter önskan för att uppfylla process- och produktspecifikationerna. Det är lämpligt att förhål- landet bäddmaterial:avfallsmaterial som skall kalcineras utgör från ca 1,5 till l till ca 5 till l.

Enligt en utföringsform av uppfinningen utgöres kalcinerings- kärlet av en fluidiseringsbäddsektion med kvadratisk form och måttet l7l mm samt en frigöringssektion med kvadratisk form och måttet 229 mm. En filterkammare med diametern 305 mm innehållande sju sintermetallfilter med en längd av 9l4 mm och diametern 58 mm an- vändes för att avlägsna medryckt finkornigt material från process- avgasen. Filtren backblâses periodiskt med en puls av högtrycks- luft för frigöring av partikelformigt material. Den filtrerade avgasen föres därefter genom en kondensor och ett tvättsystem (scrubber) för rening. Under drift av processen enligt uppfinningen fluidiseras bädden av borsilikatglasfritta med en storlek av ca 300 um, under det att processvärme tillföres genom förbränning av luft och fotogen direkt i bädden. Det såsom utgångsmaterial använda avfallsmaterialet införes genom ett luftatomiseringsmunstycke och kalcineringsreaktionen äger rum. Bäddmaterialet tillsättes kon- tinuerligt. En temperatur av 500°C upprätthålles i bädden. De med kalcinat belagda partiklarna tillåtes strömma över ett bredd- avlopp och/eller elutriera från bädden för upprätthållande av lämplig materialmängd i bädden. Den hastighet med vilken fast bäddmaterial tillsattes beror på glasbildningssteget och behöver vara ett över- skott av ca 1,5 delar glasbäddmaterial per l del kalcinat.

Kalcinatprodukten har en storlek varierande från ca 100 till 400 um i medeldiameter. Storleken av kalcinatprodukten regleras genom hastigheten för tillsats av bäddmaterialet, variering av hastigheten för tillsats av utgångsmaterialet, justering av atomi- seringsgashastigheten och variering av den hastighet med vilken bäddmaterialet avlägsnas från reaktorn.

Det är uppenbart att den beskrivna processen kan varieras på en mångfald sätt utan att man avviker från uppfinningstanken.

Claims (8)

i 7712680-3 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för kalcinering och förglasning av avfalls- material innehållande radioaktivt material, k ä n n e - t e c k n a t därav, att man åstadkommer en upphettad bädd av glasbildande partiklar i en reaktor, fluidiserar bädden med ett gasformigt medium, sprutar avfallsmaterial innehål- lande radioaktivt material in i den fluidiserade bädden, så att metaller och klyvningsprodukter i avfallsmaterialet kalcineras på partiklarna av bäddmaterialet samt återstoden av avfallsmaterialet förângas, samt avlägsnar de glasbildande partiklarna och det kalcinerade avfallsmaterialet från reaktorn.

2. Förfarande enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k - n a t därav, att de glasbildande partiklarna utgöres av glasfritta.

3. Förfarande enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t därav, att de glasbildande partiklarna utgöres av borsilikatglas.

4. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att de glasbildande partiklar- na har en medeldiameter mellan 200 och 400;¿m.

5. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att den fluidiserade bädden hâlles vid en temperatur av ca 300~800°C och företrädesvis 3oo-7oo°c.

6. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att bädden upphettas genom förbränning av bränsle, t.ex. fotogen, i bädden.

7. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att man överför den med kalcinat belagda glasfrittan från reaktorn till en smältnings- 7712680~3 anordning, smälter det med radioaktivt kalcinat belagda glas- frittmaterialet och kyler det smälta glasradioaktiva mate- rialet, eventuellt efter avlägsnande från smältningsanord- ningen.

8. Förfarande enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t därav, att det flytande avfalls- materialet innehåller joner av metaller och klyvnings- produkter.