ČESKOSLOVENSKA SOCIALISTICKÁ R E P U B L I K A (19)
POPIS VYNÁLE
(11)
(11)
( 5 1 ) I n t . Cl. 4 G 21 F 9/04
(220 P ř i h l á š e n o 07 11 85 (21) (PV 8001-85)
(40) Z v e ř e j n ě n o 18 09 86 ÚŘAD PRO VYNÁLEZY A OBJEVY
(45) Vydáno 15 07 88
(75)
Autor vynálezu
NÁPRAVNÍK JIŘÍ, ŠKÄBA VÁCLAV ing., DITL PAVEL doc. ing. CSc., PRAHA
(54) Způsob zpracování radiuaktivních odpadu a zařízení к provádění tohoto způsobu
1 P o d s t a t a ř e š e n í se zabývá z p r a c o v á n í m r a d i o a k t i v n í c h o d p a d ů k a p a l n é n e b o kašovité k o n z i s t e n c e a j e j i c h fixaci s cílem maximální stability v ý s l e d n é h o p r o d u k t u při vysokém o b j e m o v é m r e d u k č n í m f a k t o r u . Při k a l c i n a c i v m í c h a n é m r e a k t o r u s chemickými aditivy za teploty 100 až 320 °C se získ á v á sypký p r o d u k t , k t e r ý se h o m o g e n i z u j e s roztaveným bitumenem nebo organickými p o l y m e r y a po v y p u š t ě n í do n á d o b nebo for e m ž á d a n é h o t v a r u a velikosti a z a t u h n u t í se t r a n s p o r t u j e do m í s t a p ř e c h o d n é h o n e b o t r v a l é h o uložení n e b o se p ř í m o vypouští do odpovídající geologické formace.
2 S0 4 4 1
2
250441 3
4
Vynález se týká zpracování radioaktivních odpadů k a p a l n é nebo kašovité konzistence kalcinací a fixací bitumenem nebo organickými polymery s cílem d o s á h n o u t maximální stability výsledného p r o d u k t u při výhodn é m objemovém r e d u k č n í m f a k t o r u . Dosud se radioaktivní odpady z j a d e r n ě energetických zařízení u k l á d a j í buď v kapaln é m stavu, n e j č a s t ě j i po předchozím zahuštění, a t o n a p ř í k l a d v n á d o b á c h z austenitických nerezavějících ocelí, nebo se o d p a ř u j í dosucha — kalcinují a u k l á d a j í v sudech. Nevýhodami u k l á d á n í k a p a l n ý c h nebo kašovitých odpadů do nerezových nádob jsou nebezpečná m a n i p u l a c e a možnost koroze, vedoucí ke vzniku netěsností, jimiž se může dostat radioaktivita do životního prostředí. Výroba těchto nádob je technologicky n á r o č n á a n á k l a d n á . Další nevýhodou tohoto způsobu jsou zvýšené náklady na monitorování. Při u k l á d á n í vysušeného neupraven é h o odpadu v s u d e c h se také u p l a t ň u j e koroze, z e j m é n a proto, že je obtížné zabránit, aby často hygroskopický g r a n u l á t nenavlhal a nezvyšoval tak korozi, vedoucí к úniku radioaktivity do okolí. Dalším známým způsobem zpracování kap a l n ý c h nebo kašovitých radioaktivních odp a d ů je jejich přímá cementace, tj. smísení s cementovou záměsí к vytvoření cementových bloků po jejím ztuhnutí. Používá se i c e m e n t a c e s předchozím vysušením — kalcinací radioaktivních odpadů. Nevýhodné je, že se při c e m e n t a c i u p l a t ň u j e silný r e t a r dační vliv n ě k t e r ý c h látek obsažených v odpadech, n a p ř í k l a d kyseliny borité na tuhnutí cementové hmoty. Při přímé c e m e n t a c i vystupuje jako další nevýhoda nízký objemový r e d u k č n í f a k t o r . Používá se též fixace k a p a l n ý c h nebo kašovitých radioaktivních odpadů do bitumenu. Přitom se p o s t u p u j e tak, že se buď vyrobí vodní emulze bitomenu, k t e r á se mísí ipřímo s odpady, n e b o se mísí k a p a l n é odpady do r o z t o p e n é h o bitumenu. Získaný produkt však nemá stabilitu, potřebnou pro dlouhodobé uložení, protože o b s a h u j e vodu. Vedle těchto nevýhod může při někdy značn é m obsahu d u s i č n a n ů ve zpracovávaných odpadech n a s t a t i vznícení nebo výbuch. Jsou známy též způsoby pro fixaci radioaktivních odpadů do organických polymerů. Kapalné odpady se při nich mísí s monom e r n í složkou a p ř i d á n í m tužidla n a s t a n e polymerace. Přitom dochází к odlučování vody n a d vytvrzenou hmotou, a tak к úniku části z p r a c o v á v a n ý c h radionuklidů. Další nevýhodou je okolnost, že polymerace má prob ě h n o u t za přítomnosti vody, což limituje výběr použitelných pryskyřic. Nebezpečí vznícení nebo výbuchu p ř i zpracování radioaktivních odpadů obsahujících dusičnany nebo při jejich n á s l e d n é m u uložení existuje u dosud používaných způsobů fixace do o r g a n i c k ý c h polymerů také. Nedostatky dosavadních technologických postupů a z nich vycházejících zařízení od-
s t r a ň u j í způsob a zařízení na zpracování radioaktivních odpadů k a p a l n é nebo kašovité konzistence podle vynálezu, jehož pods t a t a spočívá v tom, že k a p a l n ý nebo kašovitý radioaktivní odpad se promísí s chemickými aditivy, n a p ř í k l a d s í r a n e m hlinitým, koloidním oxidem křemičitým, kyselinou mravenčí a suspenzí cementu, teplota se zvýší na 100 až 320 °C, a tím se radionuklidy obsažené ve směsi spolu s ostatními látkami převedou do pevného skupenství a vzniklý g r a n u l á t a/nebo p r á š e k se homogenizuje s roztaveným b i t u m e n e m nebo organickými polymery a po vypuštění do nádob nebo forem ž á d a n é h o tvaru a velikosti a z a t u h n u t í se t r a n s p o r t u j e do místa p ř e c h o d n é h o nebo trvalého uložení nebo se přímo vypouští do odpovídající geologické f o r m a c e . Vysušením k a p a l n é h o nebo kašovitého odpadu a tím, že při teplotě až 320 °C r e a g u j e s chemickými aditivy, se získá sypký mezip r o d u k t ( g r a n u l á t a/nebo p r á š e k ] , vyznačující se již s á m o sobě nízkou hodnotou loužitelnosti. Homogenizací s roztaveným bitumenem nebo organickými polymery se tento meziprodukt uzavře do pevné matrice, nedovolující jeho uvolňování rozdružováním, loužením a erozí. To, že homogenizace probíhá bez přítomnosti vody, dále přispívá ke stabilitě a dlouhodobé skladovatelnosti výsledného produktu. Je možno d o s á h n o u t až 40 % hmot. n a p l n ě n í matrice sypkým meziproduktem. Vliv dusičnanů na nebezpečí vznícení nebo výbuchu je jak u s y p k é h o meziproduktu, tak u výsledného p r o d u k t u zcela potlačen tím, že byly dusičnany chemicky rozloženy za vzniku kysličníků dusíku, k t e r é jsou dále jímány ve s c r o o b e r e c h za zpětného vzniku kyseliny dusičné, použitelné pro dekontaminaci zařízení. U zařízení na zpracování radioaktivních odpadů podle vynálezu je podstatné, že výstup sypkého p r o d u k t u z m í c h a n é h o reaktoru je p ř i p o j e n na vstup dávkovače sypkého produktu, jehož výstup ústí do homogenizátoru, o p a t ř e n é h o míchadlem, d r u h ý m vstupem a výstupem výsledného p r o d u k t u . Při fixaci radioaktivních odpadů do organických polymerů je d r u h ý vstup homogenizátoru spojen s výstupem zásobníku organických polymerů p ř e s dávkovač; při fixaci do bit u m e n u je homogenizátor uzpůsoben к vyt á p ě n í a jeho d r u h ý vstup je spojen s výstupem vytápěného zásobníku bitumenu p ř e s dávkovač. Dalšími a p a r á t y , kterými může být zařízení doplněno, jsou f i l t r a č n í jednotka mezi výstupem brýdových par z míchaného r e a k t o r u a k o n d e n z á t o r e m a vývěva, připojená svým sacím potrubím na kondenzátor. Vynález dále u m o ž ň u j e rozdělit nosnou konstrukci, na níž jsou upevněny aparáty, na n e j m é n ě dva s a m o s t a t n é moduly maximálních roměrů 2,5' x 2,5 x 6 m, přičemž jednotlivé moduly jsou mezi sebou vzájemně spojeny spojkami potrubí a elektric-
25 0 4 4 1 6
5 kými p r o p o j o v a c í m i prvky. Tak je možno vytvořit z a ř í z e n í mobilní, s n a d n o t r a n s p o r t o vatelné, n a p ř í k l a d n a ložné ploše n á k l a d n í h o a u t o m o b i l u , a z p r a c o v á v a t po j e d n o d u c h é m o n t á ž i m o d u l u zásoby o d p a d u n a místě vzniku, p ř í p a d n ě v c e n t r á l n í c h či region á l n í c h úložištích. Modulové ř e š e n í u stabilních zařízení u s n a d ň u j e a časově z k r a c u j e m o n t á ž i p ř í p a d n é opravy. Na p ř i p o j e n ý c h v ý k r e s e c h jsou z n á z o r n ě ny dva p ř í k l a d y p r o v e d e n í z a ř í z e n í podle vynálezu. V n i c h je n a obr. 1 z a c h y c e n o s c h é m a a p a r á t ů a p o t r u b í j e d n o t k y n a zpracování k a p a l n ý c h r a d i o a k t i v n í c h o d p a d ů s jejich k o n e č n o u fixací do o r g a n i c k ý c h polymerů, n a obr. 2 s c h é m a o b d o b n é jednotky s fixací d o b i t u m e n u . Zařízení s fixací do o r g a n i c k ý c h p o l y m e r ů (obr. 1) s e s t á v á z n o s n é k o n s t r u k c e 1 a n a ní u p e v n ě n ý c h a p a r á t ů . K nim p a t ř í zásobník 2 k a p a l n ý c h r a d i o a k t i v n í c h o d p a d ů s m í c h a d l e m 3, v s t u p e m 4 k o n c e n t r á t u , vstup e m 5 aditiv a v ý s t u p e m 6, dále dva zásobníky 7 c h e m i c k ý c h aditiv. Každý z nich je o p a t ř e n m í c h a d l e m 8 a v ý s t u p e m Э a je spojen p o t r u b í m p ř e s ventil 10 a č e r p a d l o 11 se v s t u p e m 5 aditiv z á s o b n í k u 2 k o n c e n t r á tu. Dalším a p a r á t e m n a n o s n é k o n s t r u k c i 1 je m í c h a n ý r e a k t o r 12 s v o d o r o v n o u osou, v jehož t ě l e s e 13 t v a r u d u t é h o válce, vytáp ě n é m e l e k t r i c k ý m i o d p o r o v ý m i p r s t e n c i 14, se otáčí m í c h a c í a t r a n s p o r t n í r o t o r 15 s 12 š i k m ý m i listy, spojený s p o h o n n o u jedn o t k o u 16 s n a s t a v i t e l n ý m i o t á č k a m i pomocí v a r i á t o r u v r o z s a h u od 150 do 450 ot/min. Těleso 13 m í c h a n é h o r e a k t o r u má v n i t ř n í p r ů m ě r 350 mm a d é l k u v y t á p ě n é části 1 700 milimetrů. Příkon e l e k t r i c k é h o t o p e n í je 80 k i l o w a t ů max. Teplota v y s t u p u j í c í h o sypkého p r o d u k t u je až 320 °C. Výkon m í c h a n é h o r e a k t o r u je 0,1 m 3 z p r a c o v á v a n é h o k a p a l n é h o r a d i o a k t i v n í h o o d p a d u za h o d i n u . Ten se d o p r a v u j e ze z á s o b n í k u 2 d á v k o v a c í m č e r p a d l e m 17 p ř e s ventil 18 n a vstup 19 koncentrátu míchaného reaktoru, v něm p ř i c h á z í do s t y k u s v y t á p ě n o u v n i t ř n í plochou jeho tělesa 13 a o d p a ř u j e se z n ě j voda. Zbylý m a t e r i á l je r o z e s t í r á n po vytápěné ploše listy r o t o r u 15, dále se z a h ř í v á a probíhá v něm požadovaná chemická reakce. Díky s k l o n u listů je p ř i t o m t r a n s p o r t o ván s m ě r e m к výstupu 20 s y p k é h o p r o d u k tu, k d e m á již podobu g r a n u l á t u a / n e b o p r á š k u . Výstup 21 brýdových p a r z míchan é h o r e a k t o r u 12 je s p o j e n p ř e s f i l t r a č n í j e d n o t k u 22, jež z a c h y c u j e aerosoly, s kond e n z á t o r e m 23. T r u b k o v ý m p r o s t o r e m kond e n z á t o r u 23 p r o t é k á c h l a d i c í voda. Kondenzát, h r o m a d í c í se u dna, s t é k á p o t r u b í m 24 ke d n u z á s o b n í k u 25 k o n d e n z á t u , spojen é m u p ř e s ventil 26 s o d p a d e m 27. Prostor p l á š t ě k o n d e n z á t o r u 23 je s p o j e n p o t r u b í m 28 s v o d o k r u ž n í vývěvou 29 a p o t r u b í m 30 s p r o s t o r e m pod víkem z á s o b n í k u 25 kondenzátu. Sypký p r o d u k t z výstupu 20 s y p k é h o p r o d u k t u m í c h a n é h o r e a k t o r u 12 p a d á do dáv-
k o v a č e 31, k t e r ý m je a u t o m a t i c k á v á h a s váživostí 100 kg. Výstup 32 d á v k o v a č e 31 s y p k é h o p r o d u k t u je s p o j e n p ř e s t u r n i k e tový p o d á v a č 33 s p r v n í m v s t u p e m 34 hom o g e n i z á t o r u 35, o p a t ř e n é h o m í c h a d l e m 36, d r u h ý m v s t u p e m 37 m o n o m e r u , t ř e t í m vstup e m 38 tužidla a v ý s t u p e m 39 v ý s l e d n é h o p r o d u k t u s u z á v ě r e m 40. Druhý v s t u p 37 m o n o m e r u je s p o j e n p ř e s d á v k o v a č 41, jímž je d á v k o v a c í č e r p a d l o , se z á s o b n í k e m 42 o r g a n i c k ý c h m o n o m e r ů . Třetí v s t u p 38 tužidla je s p o j e n p ř e s d á v k o v a c í č e r p a d l o 43 se z á s o b n í k e m 44 tužidla. Monomer promísený s t u ž i d l e m se vypouští do p ř i p r a v e n ý c h f o r e m dříve než z h o u s t n e p o k r a č u j í c í polymerací. Zařízení s fixací do b i t u m e n u (obr. 2 j se liší od p ř e d c h o z í h o tím, že d r u h ý v s t u p 37 h o m o g e n i z á t o r u 35 je s p o j e n p ř e s d á v k o v a č 45, k t e r ý m je d á v k o v a c í č e r p a d l o , s vytápěným z á s o b n í k e m 46 b i t u m e n u . Homogenizátor 35, d á v k o v a č 45, v y t á p ě n ý zásobník 46 b i t u m e n u a s p o j o v a c í p o t r u b í mezi nimi jsou v y t á p ě n y vodní p á r o u n a t e p l o t u 180 °C. К t o m u jsou o b k l o p e n y jejich n á d o b y duplikét o r y a p o t r u b í plášti. Do t a k t o v y m e z e n ý c h p r o s t o r ů se p ř i v á d í p ř í v o d e m 48 vodní p á r a a vývodem 49 se odvádí k o n d e n z á t . U obou z a ř í z e n í je provoz a u t o m a t i z o v á n a p r o b í h á v o p a k u j í c í c h se cyklech. V prvním s t a d i u a u t o m a t i c k é h o cyklu se p l y n u l e plní d á v k o v a č 31 s y p k é h o p r o d u k t u na p ř e d volenou d á v k u . Při jejím d o s a ž e n í se n a p l n í homogenizátor v prvním případě monomer e m a tužidlem, v d r u h é m p ř í p a d ě roztaveným b i t u m e n e m . Potom se d o n ě j v y p r á z d n í d á v k o v a č 31 s y p k ý c h h m o t o t á č e n í m t u r n i k e t o v é h o p o d á v a č e 33, m í c h a d l e m 36 se s m ě s z h o m o g e n i z u j e a vypustí do p ř i p r a v e n é formy nebo o c e l o v é h o sudu. Mezitím již p r o b í h á p r v n í s t a d i u m dalšího cyklu. Způsobu z p r a c o v á n í r a d i o a k t i v n í c h odpadů podle vynálezu je m o ž n o využít k r o m ě j a d e r n é e n e r g e t i k y i v jiných o b o r e c h , k d e se к t e c h n i c k ý m , l é k a ř s k ý m , biologickým n e b o p o d o b n ý m ú č e l ů m , ať už při experim e n t á l n í nebo r u t i n n í práci, z a c h á z í s mat e r i á l y o b s a h u j í c í m i r a d i o n u k l i d y a k d e je t ř e b a h r o m a d í c í se r a d i o a k t i v n í o d p a d y likvidovat. Postup p o d l e vynálezu je r o z v e d e n v těchto p ř í k l a d e c h : Příklad
1
Do 1 litru k a p a l n ý c h m o d e l o v ý c h radioa k t i v n í c h o d p a d ů , o b s a h u j í c í c h 250 g dusičn a n u s o d n é h o a 120 g k y s e l i n y borité, bylo p ř i d á n o 50 g h y d r a t o v a n é h o oxidu v á p e n a tého, 50 g c h l o r i d u v á p e n a t é h o , 50 g síranu h l i n i t é h o a po p r o m í s e n í byla s m ě s vys u š e n a při 300 °C. Výsledný p r o d u k t byl smísen s r o z t o p e n ý m b i t u m e n e m při t e p l o t ě 180 s t u p ň ů Celsia s m a x i m á l n í m n a p l n ě n í m 40 p r o c e n t h m o t . Po v y c h l a d n u t í a uložení ve vodě vykazoval po 60 d n e c h r y c h l o s t loužen í 10~ 5 g . c m - 2 . d _ 1 p r o r a d i o n u k l i d 137>Cs.
250
41 8
7 Příklad
2
Do 1 litru k a p a l n ý c h modelových radioaktivních odpadů, obsahujících 250 g dusičnanu sodného a 120 g kyseliny borité, bylo p ř i d á n o 50 g h y d r a t o v a n é h o oxidu vápenatého, 50 g chloridu vápenatého, 50 g síranu hlinitého a po promísení byla směs vysuP Ř E D M Ě T
1. Způsob zpracování radioaktivních odpadů k a p a l n é nebo kašovité konzistence, vyznačený tím, že k a p a l n ý nebo kašovitý radioaktivní odpad se promísí s chemickými aditivy, n a p ř í k l a d s í r a n e m hlinitým, koloidním oxidem křemičitým, kyselinou mravenčí a suspenzi cementu, teplota se zvýší n a 100 až 320 °C a tím se radionuklidy obsažené ve směsi spolu s ostatními l á t k a m i převedou do pevného skupenství a vzniklý granulát a/nebo p r á š e k se h o m o g e n i z u j e s roztaveným bitumenem n e b o organickými polymery a po vypuštění do n á d o b nebo for e m ž á d a n é h o tvaru a velikosti a zatuhnutí se t r a n s p o r t u j e d o místa p ř e c h o d n é h o nebo trvalého uložení nebo se přímo vypouští do odpovídající geologické f o r m a c e . 2. Zařízení na p r o v á d ě n í způsobu podle bodu 1, sestávající z nosné k o n s t r u k c e a na ní u p e v n ě n ý c h a p a r á t ů , z e j m é n a ze zásobníku k a p a l n ý c h n e b o kašovitých odpadů, z n e j m é n ě jednoho s ním s p o j e n é h o zásobníku chemických aditiv, z m í c h a n é h o reaktoru, t v o ř e n é h o tělesem tvaru dutého válce a opat ř e n é h o míchacím a t r a n s p o r t n í m rotorem s p o h o n n o u jednotkou, výstupem s y p k é h o p r o d u k t u a výstupem brýdových par, připojeným na kondenzátor, vyznačené tím, že výstup (20) sypkého p r o d u k t u m í c h a n é h o rea k t o r u (12) je p ř i p o j e n na vstup dávkovače (31) sypkého produktu, jehož výstup (32) ústí do prvního vstupu (34) homogenizátoru
š e n a při 300 °C. Výslodný p r o d u k t byl smísen s f e n o l f o r m a l d e h y d o v o u rpyskyřicí s 30 % hmot. naplnění, vytvrzen při teplotě 120 °C a po vychladnutí uložen ve vodě. Po 60 dnech se pohybovala hodnota rychlosti l o u ž e n í o kolo 10~ 4 g . c m - 2 . d _ 1 pro radionuklid 137 Cs.
V Y N A L E Z U
(35), o p a t ř e n é h o míchadlem (36), d r u h ý m vstupem (37) a výstupem (39) výsledného p r o d u k t u s u z á v ě r e m (40). 3. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že d r u h ý vstup (37) homogenizátoru (35) je spojen s výstupem k a p a l n é h o organického m o n o m e r u ze zásobníku (42) organických m o n o m e r ů p ř e s dávkovač (41), kterým je n a p ř í k l a d dávkovací čerpadlo. 4. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že homogenizátor (35) je uzpůsoben к vytápění na teplotu do 180 °C, n a p ř í l k a d duplikátorem a jeho d r u h ý vstup (37) je spojen s výstupem roztaveného bitumenu z vyt á p ě n é h o zásobníku (46) bitumenu p ř e s dávkovač (45), kterým je n a p ř í k l a d vytápěné dávkovací čerpadlo. 5. Zařízení podle bodu 2, vyznačené tím, že výstup (21) brýdových p a r m í c h a n é h o r e a k t o r u (12) je spojen s k o n d e n z á t o r e m (23) přes filtrační jednotku (22). 6. Zařízení podle bodů 2 a 5, vyznačené tím, že k o n d e n z á t o r (23) je p ř i p o j e n na sací potrubí v.ývěvy (29). 7. Zařízení podle bodů 2, 3 nebo 4, vyznačené tím, že nosná k o n s t r u k c e (1) je tvořena n e j m é n ě dvěma s a m o s t a t n ý m i moduly, přičemž jednotlivé moduly jsou mezi sebou v z á j e m n ě spojeny spojkami potrubí, například hadicemi a elektrickými propojovacími prvky, n a p ř í k l a d kabely s konektory.
2 listy v ý k r e s ů
2 5 0 441
CJ>
О
(N
ГО
CNJ
o: m o
-í
CO ГО
N 00
ю ГО
1Л CO
