СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF PROCESSING LIQUID RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в частности гомогенных жидких радиоактивных отходов, и может быть использовано в процессе обращения с кубовыми остатками выпарных аппаратов и отработавшими ионообменными смолами и фильтр-перлитом.
3
3
6
2
3
3
При эксплуатации атомных электростанций (АЭС) образуются жидкие гетерогенные радиоактивные отходы в виде пульп отработавших ионообменных смол и фильтр-перлита. Данный тип отходов образуется при работе спецводоочисток, основанных на очистке воды от солей на ионообменных фильтрах и очистке воды от взвесей и масел на намывных фильтрах. Примерами спецводоочисток являются: байпасная очистка контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ), байпасная очистка системы управления и защиты (СУЗ), конденсатоочистка, очистка замасленного конденсата, очистка малосолевых вод, очистка вод бассейнов выдержки и хранилища отработанного ядерного топлива, очистка конденсата выпарных аппаратов системы переработки трапных вод. На АЭС отработавшие ионообменные смолы и фильтр-перлит гидротранспортом передаются по трубопроводам в железобетонные облицованные емкости объемом от 500 м до 5000 м, где после отстаивания путем декантации отделяется транспортная вода, далее направляемая на переработку совместно с другими гомогенным ЖРО, и происходит хранение пульп гетерогенных ЖРО. На разных АЭС прием и хранение пульп ионообменных смол и фильтр-перлита может осуществляться как совместно, так и раздельно. Влажность хранящейся пульпы составляет 60-80 вес.%, причем до 50% влаги находится в связанном виде внутри зерна набухшего ионита, а также в порах фильтр-перлита (порошок вспученного вулканического стекла с размерами частиц 10-80 мкм и удельной поверхностью до 5·10 см/г). В настоящее время на большинстве АЭС емкости хранения гетерогенных ЖРО заполнены отработавшими ионообменными смолами и фильтр-перлитом по объему более чем на 80%. Так, на Ленинградской АЭС две емкости объемом по 500 м заполнены на 99%, а две емкости объемом по 3200 м заполнены на 94% и 97%. Гомогенные ЖРО представляют собой смесь трапных вод, отработавших дезактивирующих растворов, регенерационных растворов ионообменных фильтров, вод душевых, вод спецпрачечных, транспортной воды отработавших фильтроматериалов и т.д. Таким образом, имеется значительное количество накопленных гетерогенных ЖРО из отработавших ионообменных смол и фильтр-перлита, которые обладают большой остаточной обменной емкостью и незаполненными внутренними пустотами, и межзерновой воды с низким солесодержанием.
В уровне техники представлено большое количество патентов, в которых предлагается проводить переработку гомогенных и гетерогенных ЖРО раздельно (Авторское свидетельство СССР №1403431, МКИ С01В 21/26; Патент РФ №2068208, МКИ G21F 9/32; Авторское свидетельство СССР №1826801, МКИ G21F 9/16; Патент РФ №2136065, МКИ G21F 9/16), что обусловлено раздельным хранением жидких радиоактивных отходов разных типов. При этом не учитывается, что ионообменные смолы находятся в ненасыщенном состоянии, а фильтр-перлит имеет большой объем пор, заполненных транспортной водой, в качестве которой используются малосолевые воды. Например, по способу, приведенному в патенте РФ №2136065, МКИ G21F 9/16, гомогенные ЖРО концентрируют многократным упариванием, а затем кубовый остаток смешивают с неорганическим связующим.
Ближайшим аналогом заявляемого изобретения принят способ по патенту РФ №2174723, по которому часть гомогенных ЖРО перед концентрированием и смешением со связующим смешивают с гетерогенными ЖРО систем спецводоочистки, а образующийся при этом декантат концентрируют совместно с другими гомогенными ЖРО. Под гомогенными ЖРО согласно приведенной технологической схеме принимают смесь исходных ЖРО и промежуточного кубового остатка из емкостей хранения.
Недостатками ближайшего аналога являются недостаточные эффективность и технологичность способа, обусловленные тем, что в случае принудительного смешения ЖРО разных типов в отдельном специальном аппарате используется только обменная емкость направляемых в емкости хранения отработавших ионообменных смол. В патенте РФ №2174723 указывается, что при этом можно фиксировать на смолах примерно 10 тонн солей в год, что эквивалентно обменной емкости годового сброса ионообменных смол. Однако в этом процессе не используются ранее накопленные гетерогенные ЖРО, что приводит к большим затратам на битумирование гомогенных ЖРО.
Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении эффективности и технологичности способа переработки гомогенных ЖРО.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе переработки жидких радиоактивных отходов с использованием операций концентрирования гомогенных и гетерогенных отходов, декантирования, операции частичного смешения гомогенных радиоактивных отходов с гетерогенными и смешения отходов со связующим предложено смешение гомогенных отходов с гетерогенными осуществлять непосредственно в емкости хранения гетерогенных отходов, подавая в нее периодически порциями горячий кубовый остаток при температуре 50-110°С и выдерживая его в течение 3-16 суток, а в промежутках между подачей горячего кубового остатка в емкости хранения гетерогенных отходов также периодически порциями подавать ионообменные смолы и фильтр-перлит.
3
3
3
3
3
3
3
3
3
3
В предложенном способе для поглощения и удержания солей из гомогенных ЖРО используется остаточная обменная емкость всей массы распределенных по объему емкостей хранения отработавших ионообменных смол, а также внутренний объем пор отработавшего фильтр-перлита и пространство между зернами фильтроматериалов. В сравнении с направляемым в емкость горячим кубовым остатком, солесодержание в котором составляет 100-450 г/дм, солесодержание в декантате составляет 0,5-10 г/дм, что в десятки-сотни раз ниже. При реализации предлагаемого способа полезно используется весь объем ранее накопленных гетерогенных ЖРО, в том числе и объем инертного материала - фильтр-перлита, и межзерновое пространство, что позволяет фиксировать в объеме гетерогенных ЖРО более 250 т/год солей, против 10 т/год по способу ближайшего аналога. В указанном выше ближайшем аналоге предлагают смешивать часть гомогенных ЖРО с гетерогенными отходами либо в процессе гидротранспортирования, либо в емкостях для хранения. При смешении в режиме гидротранспортирования используют остаточную обменную емкость только участвующих в этом процессе отработанных ионообменных смол и указывают, что при образовании в год около 100 м гетерогенных ЖРО можно поглотить до 10 тонн солей и сократить количество битумного компаунда, образующегося при битумировании кубового остатка, на 30 м. Принудительное смешивание в емкостях хранения практически невозможно ввиду ограниченного доступа, так как они находятся вне зданий и обвалованы землей, а также имеют большие габариты, от 10 м до 30 м диаметр и объем от 500 мдо 5000 м. При этом реализуется только процесс диффузионного перемещения солей из-за разности концентраций, схематически показанный на фигуре 1. При таком решении не используются потенциальные возможности накопленных ранее за годы эксплуатации АЭС гетерогенных ЖРО. При проведении процесса по предлагаемому способу реализуется механизм, позволяющий распределить соли по всему объему накопленных гетерогенных ЖРО без их принудительного перемешивания. Проведенные исследования показали, что при подаче горячих растворов солей в емкости с гетерогенными ЖРО часть солей быстро проникает в поры фильтр-перлита и накапливается там в количестве выше равновесных концентраций. Отношение концентрации солей в порах фильтр-перлита к концентрации солей в подаваемом горячем солевом растворе более 1,6. Возможно, что из горячих растворов кубового остатка (КО) при охлаждении часть солей кристаллизуется в порах фильтр-перлита и плотность его возрастает до величины 1,25-1,6 г/см. Часть малорастворимых солей кристаллизуется в воде между зернами ионообменных смол и фильтр-перлита, образуя мелкодисперсный шлам с плотностью 1,5-2,2 г/см. Одновременно, но с меньшей скоростью, часть солей улавливается ионообменными смолами и плотность раствора снижается до величин, близких 1 г/см. Это создает условия для перемещения частиц фильтр-перлита и мелкодисперсного шлама вниз. При движении мелких частиц под действием силы тяжести вниз происходит захват и перемещение с ними раствора солей из кубового остатка. Возникший направленный поток расталкивает нижерасположенные слои жидкости в стороны и инициирует контакт водного раствора солей с ранее накопленными гетерогенными ЖРО. При этом создаются условия для поглощения солей в ранее накопленных ионообменных смолах и в порах фильтр-перлита. Очищенный от массы солей водный раствор при циркуляции постепенно перемещается вверх, где и накапливается. Данный процесс схематично изображен на фигуре 2. При выдержке 3-16 суток раствор с солесодержанием 1-15 г/дм декантируют и направляют на выпаривание совместно с другими малосолевыми ЖРО. Влияние необходимого времени выдержки раствора в емкостях с гетерогенными ЖРО до проведения декантации приведено в таблице 1.
Таблица 1
Снижение солесодержания в декантате при различном времени выдержки кубового остатка в емкостях хранения гетерогенных ЖРО
№ п/п
Время выдержки (сут)
Солесодержание в кубовом остатке (г/дм<sup>3</sup>)
Солесодержание в декантате (г/дм<sup>3</sup>)
1
2
144
18,7
2
3
185
15
3
4
145
10
4
8
178
5
5
14
175
3,5
6
15
167
1,7
7
16
175
1,0
8
17
149
1,0
9
18
178
1,7
10
15
160
3,0
3
3
Проведенные испытания показали, что при выдерживании растворов менее 3 суток концентрация солей в декантате превышает 15 г/дм(поз. №1 и 2), что определяет нижний временной интервал выдерживания кубового остатка в емкостях хранения гетерогенных ЖРО - 3 суток. Выдержка раствора в емкости хранения гетерогенных ЖРО более 16 суток не приводит к дальнейшему существенному снижению концентрации солей в декантате менее 1-3 г/дм (поз. №7-10), а, кроме того, мешает использованию емкости хранения гетерогенных ЖРО в режиме нормальной эксплуатации, что и определяет верхний временной интервал выдерживания кубового остатка в емкости хранения гетерогенных ЖРО - 16 суток.
Необходимость периодической подачи отработавших ионообменных смол и фильтр-перлита в емкости хранения гетерогенных ЖРО видна из результатов, приведенных в таблице 2, в которой представлены данные по снижению солесодержания при подаче кубового остатка в выведенную из работы емкость, в которую прекращен прием гетерогенных ЖРО.
Таблица 2
Снижение солесодержания в кубовом остатке, последовательно подаваемом в выведенные из работы емкости хранения гетерогенных ЖРО
№ последовательно подаваемой порции КО
Время выдержки (сут)
Солесодержание в КО (г/дм<sup>3</sup>)
Солесодержание в декантате (г/дм<sup>3</sup>)
1
10
193
8,8
2
12
170
18
3
15
175
25
Из представленных в таблице 2 данных видно, что при отсутствии поступления в емкости хранения гетерогенных ЖРО новых порций отработавших ионообменных смол и фильтр-перлита очистка кубового остатка от солей снижается и солесодержание в декантате последовательно возрастает. Поэтому для инициирования процесса очистки подаваемого в емкости с гетерогенными ЖРО кубового остатка необходимо перед подачей последующих порций кубового остатка в емкости с гетерогенными ЖРО периодически подавать в них новые порции отработавших ионообменных смол и фильтр-перлита. Оптимальное время их подачи в емкость - это интервал времени после декантирования раствора и подачей порции горячего кубового остатка.
3
3
По предполагаемому механизму при направленном движении вниз потока мелкодисперсных частиц шлама и фильтр-перлита и увлекаемого ими раствора солей более чистая вода по периферии емкости перемещается вверх, при этом оставшиеся соли улавливаются накопленными ионообменными смолами и фильтр-перлитом. Таким образом, после выдержки в течение 3-16 суток и декантации раствора солесодержание в нем не превышает 1-15 г/дм. В емкости с накопленными гетерогенными ЖРО предлагается подавать кубовые остатки непосредственно с работающих выпарных аппаратов. Верхний температурный предел 110°С определяется температурой кипения растворов с концентрацией солей 450-550 г/дм. Нижний температурный предел 50°С получается за счет остывания первых порций кубового остатка при транспортировании его по трубопроводу и смешении падающей струи с гетерогенными ЖРО. При смешивании за счет энергии падающей струи отношение фаз гетерогенных и гомогенных ЖРО примерно 1:1, поэтому происходит снижение температуры раствора примерно в два раза, что определяет нижний температурный предел 50°С. Таким образом происходит распространение и улавливание солей из гомогенных ЖРО всем объемом накопленных ранее гетерогенных ЖРО.
Пример конкретного выполнения.
3
3
3
При выпаривании трапных вод в двухкорпусном выпарном аппарате на комплексе переработки ЖРО Ленинградской АЭС образуется кубовый остаток с солесодержанием 150-190 г/дм, который периодически сбрасывают в железобетонные облицованные нержавеющей сталью емкости с гетерогенными ЖРО рабочим объемом по 3180 м. Гетерогенные ЖРО представляют собой отработавшие ионообменные смолы и фильтр-перлит из систем спецводоочисток Ленинградской АЭС. Емкости заполнены гетерогенными ЖРО более чем на 90%. Кубовый остаток выдерживали в емкостях течение 3-16 суток и затем декантировали отстой. В интервале времени между декантацией отстоя и сбросом новой порции кубового остатка в емкости в режиме нормальной эксплуатации принимали пульпы отработавших ионообменных смол и фильтр-перлита. Транспортную воду декантировали и после этого в емкости сбрасывали порции горячего кубового остатка с выпарных аппаратов. Объем порции кубового остатка составлял по 50-100 м. Объем декантата равен объему кубового остатка. Результаты приведены в таблице 3.
Таблица 3
Количество поглощенных солей в отработавших фильтроматериалах
№ п/п
Объем кубового остатка, м<sup>3</sup>
Солесодержание в кубовом остатке, г/дм<sup>3</sup>
Солесодержание в декантате, г/дм<sup>3</sup>
Количество удаленных из раствора солей, кг
1
50
176,0
5,2
8540
2
80
160,0
8,0
12160
3
80
190,0
1,0
15120
4
100
168,0
4,5
16350
5
100
185,0
2,2
18280
Приведенные в таблице результаты конкретного выполнения предлагаемого способа показывают, что в емкостях хранения гетерогенных ЖРО можно фиксировать значительное количество солей из кубового остатка, образующегося при выпаривании трапных вод. В данном случае в каждом эксперименте извлекали из кубового остатка от 8,5 тонн до 18,28 тонн.
3
3
Проведенные исследования и промышленные испытания предлагаемого способа показали, что благодаря улавливанию солей всем объемом накопленных ранее ионообменных смол и поглощению их внутренним объемом пор фильтр-перлита возможно в 1 м гетерогенных отходов фиксировать 0,25 т солей. Таким образом, реализовав предложенный способ в каждой емкости с гетерогенными ЖРО наиболее распространенным рабочим объемом 3200 м, можно фиксировать по 800 т солей, что уменьшит необходимое количество битумного компаунда на 2000 т и сократит расходы на его хранение и захоронение.
Дополнительно способ проиллюстрирован графическими материалами, на фиг.1 представлено графическое изображение процесса проникновения солей в объеме емкости временного хранения гетерогенных ЖРО по старому варианту, где:
1 - емкость хранения гетерогенных ЖРО;
2 - перлит;
3 - отработавшие ионообменные смолы;
4 - подаваемые исходные ЖРО и промежуточный кубовый остаток;
5 - процесс диффузии солей между зернами ионообменных смол и перлита;
6 - взмученный объем ионообменных смол и перлита при подаче ЖРО в емкость их хранения.
На фиг.2 представлено графическое изображение процесса проникновения солей в объеме емкости временного хранения гетерогенных ЖРО по новому варианту, где:
1 - емкость временного хранения гетерогенных ЖРО;
2 - перлит;
3 - отработавшие ионообменные смолы;
4 - горячий кубовый остаток;
5 - зона массопереноса;
6 - взмученный объем ионообменных смол и перлита при подаче ЖРО в емкость их хранения;
7 - зона подъемного движения раствора;
8 - шлам кристаллизовавшихся малорастворимых солей при охлаждении кубового остатка.