СПОСОБ ОБРАБОТКИ СТРУКТУРЫ, СОДЕРЖАЩЕЙ НАТРИЙ И РАДИОАКТИВНОЕ ВЕЩЕСТВО
METHOD OF TREATING STRUCTURE CONTAINING SODIUM AND RADIOACTIVE SUBSTANCE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Данное изобретение относится к области переработки ядерных отходов. В частности, данное изобретение относится к переработке отходов, содержащих натрий и радиоактивное вещество, при этом данные отходы могут образовываться, например, в процессе очистки первого контура реактора на быстрых нейтронах, охлаждаемого натрием (Fast Neutron Reactor "Na-FNR").
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Цезий является одной из главных загрязняющих примесей натрия, используемого в качестве теплоносителя в ядерном реакторе типа "Na-FNR". По причине безопасности, существует необходимость извлечения радиоактивных изотопов цезия для того, чтобы уменьшить радиологическую активность натрия во время и после эксплуатации реактора. С этой целью загрязненный цезием натрий переводят в жидкое состояние и затем фильтруют через ловушку цезия.
Эта ловушка обычно содержит пористую структуру с защитным покрытием. Это может быть, например, картридж из сетчатого стеклоуглерода, известный как «картридж RVC (vitreous carbon cartridge)», как описано ниже.
Хотя во время процесса фильтрации цезиевая ловушка задерживает цезий в основном путем адсорбции, одним из ее недостатков является то, что некоторое количество натрия также остается в ее порах.
Ловушка, таким образом, становится одним из видов ядерных отходов, которые являются источником двойного риска с точки зрения безопасности, как для человека, так и для процесса:
химический риск из-за наличия остаточных количеств натрия, который необходимо хранить в атмосфере инертного газа (такого как аргон или азот) для того, чтобы он не мог вызвать химическую реакцию, такую как, например, взрыв при контакте с водой или воспламенение на воздухе;
радиологический риск из-за загрязнения радиоактивными изотопами цезия (в частности цезия 137), вследствие наличия которого данная ловушка классифицируется как радиоактивные отходы, и должна отвечать жестким требованиям по надежности и безопасности.
Чтобы обеспечить возможность переработки таких ядерных отходов с применением традиционных систем утилизации загрязненного мусора, следует сначала понизить химический риск, то есть удалить остаточный натрий из ловушки, содержащей цезий.
В ядерной промышленности, однако, натрий традиционно перерабатывается посредством реакции гидролиза (см., например, заявку на патент FR 2,598,248). Эта реакция наиболее часто проводится в реакционной ячейке или автоклаве и, главным образом, включает в себя реакцию натрия в жидком или твердом состоянии с водой с получением гидроксида натрия. Однако данный способ имеет такие недостатки, как сложность контроля и необходимость переработки образующихся жидких отходов.
Чтобы решить эту проблему твердый натрий можно подвергнуть реакции карбонизации, в которой гидроксид натрия, полученный реакцией гидролиза, затем превращается в карбонат путем взаимодействия с газообразным диоксидом углерода, согласно следующим реакциям:
2
2
Na+HO→NaOH+1/2 Н
2
2
2
3
CO+HO↔НСО
2
3
3
2
NaOH+НСО↔NaHCO+HO
3
2
3
2
NaOH+NaHCO↔NaCO+HO
2
3
2
3
3
NaCO+HCO↔2 NaHCO
Преимущество обработки углекислым газом заключается в том, что в результате получаются отходы в виде карбоната в твердом состоянии.
Оборудование для проведения обработки углекислым газом описаны, например, в заявке на патент FR 2,888,231. В этой заявке, натрий переводят в жидкое состояние в камере, которая содержит большое количество тарелок, на которых натрий затвердевает в форме тонких слоев до того, как начнется реакция карбонизации.
Вследствие ограничения, связанного с образованием тонких слоев, это оборудование не может быть использовано для обработки трудно доступного натрия, например, натрия, содержащегося в пористой структуре ловушек цезия.
В частности, нельзя вскрывать эти ловушки на открытом воздухе для получения доступа к натрию поскольку задачей является, напротив, уменьшить число операций в присутствии радиоактивного вещества.
Несомненно, работы с данным веществом необходимо проводить по большей части в герметичной камере в атмосфере инертного газа, например, в перчаточном боксе. Однако, операции по разрезанию, осуществляемые в нем, сопряжены с определенными трудностями, по причине общей сложности выполнения операций внутри камеры такого рода. Поэтому в большинстве случаев желательно свести такие операции к минимуму.
К тому же, такие операции разрезания могут привести к загрязнению режущих инструментов радиоактивными веществами, например, цезием 137.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, задачей настоящего изобретения является разработка способа обработки структур, содержащех радиоактивные вещества и натрий, к которым затруднен доступ, который бы обеспечил такие преимущества-, как, в частности, легкость контроля, получение твердых отходов, которые не требуют никакой дальнейшей обработки, и сведение к минимуму операций, которые необходимо проводить в присутствии радиоактивного вещества.
Задачей настоящего изобретения, таким образом, является разработка способа переработки натрия, содержащегося в открытых сообщающихся порах структуры, имеющейпокрытием, при этом порысодержат радиоактивное вещество.
Способ включает следующую последовательность операций:
a) выполнение по меньшей мере двух распилов по всей длине оболочки;
b) превращение натрия в карбонат натрия при помощи реакции карбонизации, путем приведения структуры в контакт (через распилы) с химически активной смесью газов, состоящей из пара, углекислого газа и газа, инертного по отношению к натрию, таким образом, что расширение карбоната приводит к раскрыванию структуры и оболочки, начиная с разрезов, и в результате чего реакция карбонизации распространяется внутрь структуры.
Один из основных аспектов, лежащий в основе способа обработки согласно настоящему изобретению, состоит в использовании того обстоятельства, что карбонат, формирующийся при реакции карбонизации, имеет больший объем, чем объем, изначально занимаемый натрием в порах.
Реакцию карбонизации проводят таким образом, что объемное расширение карбоната эффективно приводит к раскрытию оболочки, начиная с первоначально выполненных в ней распилов, с последующим распространением на всю структуру.
В результате, контактная поверхность между натрием и смесью активных газов увеличивается, таким образом, ускоряя реакцию карбонизации.
Благодаря последовательности стадий, включающей раскрытие структуры и увеличение скорости реакции карбонизации, реакция может распространяться по всей структуре.
Таким образом, несмотря на изначально затрудненный доступ к натрию, содержащемуся в порах структуры, их «открытый» характер (а именно, тот факт, что некоторые из этих пор сообщаются с поверхностью структуры и, следовательно, со средой) и их взаимосвязанность позволяет химически активной смеси газов глубоко проникать в структуру и сквозь нее. Структура может затем быть обработана по способу согласно настоящему изобретению без необходимости в дополнительной операции разрезания.
Это является значительным преимуществом, потому что из-за присутствия радиоактивного вещества, стадия (a) и/или стадия (b) способа изобретения наиболее часто выполняются внутри герметичной камеры, такой как перчаточный бокс или горячая камера, которые, как упомянуто выше, накладывают ограничения на возможность проведения операции разрезания.
Также дополнительное преимущество способа обработки согласно данному изобретению заключается в том, что благодаря проведению реакций карбонизации, в результате образуются только твердые (карбонат и радиоактивное вещество) и газообразные отходы (водород), которые не требует дальнейшей обработки.
Более того, в отличие от натрия или гидроксида натрия, карбонат является стабильным и химически инертным, в частности по отношению к воздуху.
Наконец, способ обработки согласно данному изобретению можно легко контролировать, так как реакцию карбонизации можно замедлить путем уменьшения содержания пара в химически активной смеси газов, или даже остановить заменой этой смеси на интерный газ. Образование тепла или водорода, а также распространение радиоактивного вещества, которые получаются в результате реакции карбонизации, могут, таким образом, легко быть ограничены.
В результате способ согласно данному изобретению обладает высокой степенью безопасности и дает возможность обработки большого количества натрия.
Вместе с его относительной простотой реализации, способ согласно данному изобретению также дает преимущество в том, что появляется возможность обработки большого количества устройств, таких как ловушки цезия, в одну стадию, таким образом, приводя к значительному снижению себестоимости.
Согласно конкретному варианту реализации изобретения, структура, обрабатываемая способом согласно настоящему изобретению (обычно элемент фильтра) состоит из сетчатого стеклоуглерода и/или содержащегося в нем радиоактивного вещества, в котором содержится по меньшей мере один из радиоактивных изотопов цезия, например, цезий 137. Таким образом, способ согласно данному изобретению в частности хорошо подходит для обработки ловушек цезия, таких как "RVC картридж". В том случае, когда оболочка обрабатываемой структуры имеет по существу цилиндрическую форму, как наиболее часто и бывает в случае "RVC картриджа", предпочтительно выполнить по меньшей мере два диаметрально противоположенных распила на стадии (a), чтобы способствовать раскрытию оболочки и структуры.
Химически активная смесь газов, которая проникает через распилы, и, возможно, через торцы структуры, предпочтительно состоит из от 0.5% до 5.5% водных паров, от 5% до 25% диоксида углерода, в молярном отношении, при этом остальное составляет инертный газ (а именно, химически инертный газ, например, благородный газ или азот).
2
3
3
Эта смесь вызывает протекание реакции, в которой участвует натрий, в результате которой образуется, в частности, карбонат, состоящий в основном из карбоната натрия NaCO и/или гидрокарбоната натрия NaHCO.
Более предпочтительно, для оптимизации продолжительности стадии карбонизации, используют химически активную смесь газов, которая состоит из водяного пара от 3.5% до 4%, углекислого газа от 10% до 20%, в мольных долях, и инертного газа, составляющего оставшуюся часть, возможно нагретого до температуры от 35°C до 45°C.
Другие задачи, признаки и преимущества данного изобретения станут более очевидны из последующего описания, которое приводится в качестве примера, не ограничивающего настоящее изобретение со ссылками на прилагаемые фигуры (Фиг.1-5).
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фиг.1 показывает изменение во времени количества образовавшегося водорода или количества расходуемого натрия на стадии (b) способа обработки, предлагаемого согласно данному изобретению.
На Фиг.2-5 представлены фотографии, выполненныепри различном времени обработки, указанном на Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ КОНКРЕТНЫХ СПОСОБОВ РЕАЛИЗАЦИИ
1 - Устройство, подходящее для реализации способа согласно настоящему изобретению
Способ обработки согласно данному изобретению, как правило, выполняют в камере, позволяющей проводить реакцию карбонизации в закрытом объеме. Ввиду присутствия радиоактивного вещества внутри обрабатываемой структуры, эта камера, как правило, является перчаточным боксом.
Эта камера соединена с несколькими модулями, которые выполняют следующие функции:
- смешивание химически активных газов для получения смеси активных газов;
- анализ газа на входе и на выходе камеры;
- удаление отработанных газов. Камера и связанные с ней модули описаны ниже.
1.1 Камера для обработки
Данная камера предназначена для проведения в закрытом объеме реакции карбонизации, и в частности, для предотвращения утечки радиоактивного вещества, которое содержится в структуре до и после обработки.
Указанная камера таким образом, образует начальный барьер, предотвращающий загрязнение помещения, в котором реализуется способ согласно настоящему изобретению.
Она обычно содержит отверстия (для впуска/выпуска) и средства соединения, которые необходимы, чтобы соединить ее с системой для приготовления химически активной смеси газов и с системой для удаления отработанных газов. Желательно, чтобы эти отверстия были снабжены металлическими фильтрами, изготовленными из нержавеющей стали (например, стали, поставляемой на рынок SYNTHERTEC) для предотвращения выделения пыли карбоната натрия, которая может быть загрязненной.
Обрабатываемая структура может находиться внутри камеры на носителе, чтобы улучшить контакт со смесью активных газов и стимулировать расширение, вызванное образованием карбонатов.
1.2 Модуль для смешивания активных газов
Реакцию карбонизации проводят в атмосфере химически активной смеси газов, содержащей водяной пар, углекислый газ и газ, инертный по отношению к натрию (предпочтительно азот).
Модуль для смешивания газов используется для контроля состава, температуры (и, следовательно, гидрометрии), а также скорости потока смеси газов.
Влажность газа поддерживают ниже предела насыщения, который определяется пределами безопасности для того, чтобы предотвратить конденсацию воды на стенках камеры, входных и отводных труб, и труб, используемых в элементе анализа газа. Это может потребовать нагревания соответствующих частей.
2
2
3
2
3
Данные меры предосторожности позволяют медленно проводить реакцию натрия с паром, с превращением в гидроксид натрия (NaOH), и с получением ограниченного количества водорода (Н), который уносится инертным газом, промывающим камеру. Гидроксид натрия реагирует диоксидом углерода (СО) с образованием твердого бикарбоната натрия (NaHCO) и карбоната натрия (NaCO).
1.3 Модуль анализа газа
Данный модуль используется для определения состава и влажности i) химически активной смеси газов, входящих в камеру и ii) отработанного газа, выходящего из камеры, для того, чтобы контролировать, в частности, протекание реакции карбонизации.
Он обычно содержит хроматограф для измерения содержания инертного газа (например, азота), водорода, углекислого газа или кислорода. Содержание водорода после выхода из камеры является хорошим показателем полноты протекания реакции карбонизации.
Другой параметр, позволяющий контролировать протекание реакции карбонизации, - это увеличение массы структуры, подвергаемой обработке.
1.4 Модуль удаления отработанных газов
Для хорошего протекания реакции карбонизации необходимо обеспечить непрерывное восполнение смеси активных газов внутри камеры.
Для этой цели устройство обеспечивает непрерывное удаление газов из камеры и одновременно поддерживает незначительное избыточное давление внутри нее.
Соединенная с устройством отводная линия обычно снабжена контрольным клапаном и фильтрующим устройством для предотвращения попадания радиоактивного вещества в окружающую среду.
2 - Обработка "RVC картриджа"
2.1 Характеристики "RVC картриджа"
В ядерной промышленности "RVC картриджи" обычно используют для извлечения различных радиоактивных изотопов цезия (включая цезий 137) из натрия, который используется в качестве теплоносителя в ядерном реакторе типа "Na-FNR".
Такого рода картридж обычно состоит из структуры, изготовленной из сетчатого стеклоуглерода, помещенной внутрь стальной цилиндрический оболочки, закрытой с двух концов фильтрами, которые могут быть полностью или частично удалены, таким образом, чтобы смесь активных газов также проникала через эти концы.
3
Сетчатый стеклоуглерод является материалом с открытыми порами; его объемная плотность приблизительно равна 0.06 г/см. Он содержит сообщающиеся между собой открытые поры, 60% которых имеют диаметр в пределах от 10 до 300 мкм.
2.2 Обработка
Проводят фильтрацию части первого контура "Na-FNR" реактора с помощью "RVC картриджа".
После данной стадии фильтрации картридж содержит в своих порах радиоактивный цезий и остаточный натрий.
Данный картридж затем для проведения обработки согласно способу данного изобретения помещают в перчаточный бокс, нагретый до температуры, значение которой зависит от используемого коэффициента влажности. Температура обработки обычно находится в пределах между 15°C и 45°C.
С помощью обрабатывающих инструментов, таких как пилорама, используемая без каких-либо смазочных материалов, выполняют два диаметрально противолежащих распила по всей длине картриджа. Эти распилы выполняют на всю толщину цилиндрической оболочки, так чтобы выполнить их сквозными, с тем чтобы обеспечить контакт химически активной смеси газов со структурой RVC. Однако необходимо соблюдать меры предосторожности для того, чтобы предотвратить доведение этих распилов вплотную до данной структуры, с тем чтобы ограничить загрязнение режущих инструментов и их окружения радиоактивным цезием.
2
3
3
При необходимости, сварные точки оболочки удаляются шлифовкой или с помощью режущих инструментов, с тем чтобы удалить все препятствия для последующего раскрытия картриджа, вызванного расширением карбоната (в данном случае NaCO и NaHCO).
После стадии разрезания, металлическая оболочка будет иметь форму двух полуцилиндрических половин, которые соединенных между собой посредством адгезионного сцепления натрия в структуре RVC.
Для того чтобы запустить реакцию карбонизации, химически активную смесь газов, содержащую в мольных долях, от 3.5 до 4% пара, от 10 до 20% диоксида углерода, и азот, составляющий остальную часть смеси, подают в перчаточную камеру с постоянной скоростью потока.
Скорость потока поддерживают такой, чтобы создать внутри камеры обработки состав атмосферы, который поддерживает продолжительное протекание реакции карбонизации. Данная величина обычно зависит от объема камеры для обработки. В данном случае, так как объем составляет 550 литров, скорость потока составляет 8.7 литров/минут.
Протекание реакции карбонизации контролируется с помощью системы анализа газа хроматографического типа, который измеряет содержание водорода (выраженное в молярных процентах образующегося водорода) по выходу из перчаточного бокса. Прореагировавшая масса натрия (выраженная в граммах) может быть рассчитана основываясь на содержании водорода, с использованием коэффициентов стехиометрии реакции образования гидроксида натрия:
2
2
Na+HO→NaOH+1/2 H.
Изменение данных параметров во времени (выраженном в днях) показано на Фиг.1. Они могут варьировать как функция от состава газовой смеси, обрабатываемой структуры и скорости потока, с которой смесь газов подается в камеру для обработки.
На Фиг.2, 3, 4 и 5 показаны фотографии, снятые на различных стадиях реакции карбонизации (как отмечено на Фиг.1).
После того как смесь реакционных газов приведена в контакт со структурой RVC через распилы и через оба конца структуры (Фиг.2), быстро начинает протекать реакция карбонизации, как видно по образованию водорода с момента начала реакции.
Расширение, вызванное образованием карбонатов, тем временем приводит к тому, что полуцилиндрические части оболочки отделяются друг от друга и металлические фильтры внутри концов картриджа полностью освобождаются. Последующее увеличение площади контактной поверхности между структурой RVC и смесью активных газов, приводит к ускорению реакции карбонизации, что проявляется в значительном увеличении содержания выделяемого водорода (Фиг.3), и также в увеличении расширения карбонатов.
Вышеописанное расширение способствует распространению реакции карбонизации по всему картриджу посредством постепенного раскрытия структуры RVC (Рис.4) до полной переработки натрия, первоначально находящегося в порах структуры RVC (Фиг.5).
Окончание обработки может быть легко определено по отсутствию выделения водорода при продолжении подачи смеси реакционных газов в камеру для обработки.
После окончания обработки по способу согласно настоящему изобретению «картридж RVC» больше не представляет химической опасности. Теперь он может быть обработан по системе, которая традиционно используется для обезвреживания загрязненных отходов, чтобы устранить оставшийся радиологический риск, обусловленный присутствием радиоактивных изотопов цезия.
Из описанного выше можно видеть, что структура, содержащая радиоактивное вещество и труднодоступный натрий может обрабатываться с помощью способа данного изобретения контролируемым способом, при этом в результате образуются только твердые отходы, которые не требуют какой-либо дополнительной обработки, за исключением обработки, традиционно применяемой для загрязненных отходов.
Благодаря безопасной и простой реализации, несмотря на присутствие радиоактивного вещества, а также благодаря возможности обработки большого количества структур в одну операцию, способ согласно настоящему изобретению имеет значительные преимущества, особенно при необходимости переработки ловушек цезия, которые использовались для очистки первого контура реактора типа "Na-FNR".