способ обращения с жидкими радиоактивными отходами

Формула изобретения

1. Способ обращения с жидкими радиоактивными отходами, включающий сбор отработанных вод спецпрачечных, щелочных растворов от регенерации ОН^--анионитового фильтра, кислотных растворов от регенерации H⁺-катионитовых фильтров, усреднение и концентрирование отходов в выпарных аппаратах, отличающийся тем, что до усреднения растворов периодически через выпарной аппарат последовательно пропускают смеси отработанных вод спецпрачечной со щелочными и кислотными растворами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что щелочной раствор пропускают через выпарной аппарат совместно с отработанной водой спецпрачечной при объемном соотношении 1:(0,8-1).

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что кислотный раствор пропускают через выпарной аппарат совместно с отработанной водой спецпрачечной при объемном соотношении 1:(0,1-0,8).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и может быть использовано на атомных станциях или на производствах, связанных с переработкой радиоактивных материалов.

В процессе эксплуатации ядерных энергетических установок образуется значительное количество ЖРО, которые образуются из-за протечек реакторного оборудования, проведения дезактивации помещений и оборудования, регенерации ионообменных смол, обработки спецодежды и т.д. Объем образующихся ЖРО на современных атомных станциях составляет до 500000 м³/год. Для уменьшения объема ЖРО их подвергают переработке. Известны способы обращения с ЖРО, включающие сбор, усреднение отдельных потоков ЖРО и последующее концентрирование с использованием осадительных методов очистки, ионного обмена, электродиализа, обратного осмоса [1, 2]. Недостатком данных методов является зависимость методов концентрирования от солевого и радионуклидного состава отходов, удельной активности ЖРО, колебаний примесного состава.

Наиболее близким аналогом является способ обращения с ЖРО, включающий сбор отработанных вод спецпрачечной, щелочных растворов, от регенерации ОН^--анионитовых фильтров и кислотных растворов от регенерации H⁺-катионитовых фильтров, усреднение отдельных потоков ЖРО и концентрирование отходов в выпарных аппаратах [3].

Концентрирование ЖРО путем их выпаривания требует периодического проведения химических очисток выпарных аппаратов. Это обусловлено тем, что в процессе упаривания усредненных ЖРО на поверхности выпарных аппаратов образуется значительное количество радиоактивных отложений, ухудшающих теплопередачу, увеличивающих гидравлическое сопротивление и вызывающих развитие подшламовой коррозии. На основании рентгеноструктурного анализа установлено, что отложения, образующиеся на поверхности выпарных аппаратов АЭС, можно разделить на 4 основные группы:

1. Кальцевые и магниевые накипи, в составе которых преобладают до (90%) СаСО₃, CaSO₄, Ca(PO₄)₂, Mg(OH)₂.

2. Оксалатные отложения: оксалаты кальция СаС₂O₄, оксалаты железа FeC₂O₄. Наличие на поверхности выпарных аппаратов оксалатов связано с использованием на АЭС для дезактивации растворов щавелевой кислоты.

3. Железокислые - FeOOH, Fe₂O₃, Fе₃O₄ и железофосфатные - Fе₃(РO₄)₂, NaFePO₄ отложения.

4. Силикатные накипи. Наряду с двуокисью кремния в состав силикатных накипей могут входить ферросиликаты и алюмосиликаты.

Недостатком ближайшего аналога является необходимость использования при проведении химических очисток специально приготовленных растворов, что ведет к образованию дополнительного количества ЖРО.

Задачей, решаемой заявленным изобретением, является повышение эффективности обращения с ЖРО, уменьшение количества вторичных жидких радиоактивных отходов, образующихся в процессе химической очистки выпарных аппаратов.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе обращения с жидкими радиоактивными отходами, включающем операции сбора, усреднения, концентрирования отходов в выпарных аппаратах, предложено периодически часть щелочных и кислотных отходов, до их смешения, использовать в качестве щелочных и кислотных растворов для химической очистки, последовательно пропуская их через выпарной аппарат, предназначенный для концентрирования усредненных отходов, причем в качестве щелочного раствора используют смесь регенерата ОН^- - анионитового фильтра с отработанной водой спецпрачечной при объемном соотношении между ними 1:(0,8-1), а в качестве кислотного раствора используют смесь регенерата Н⁺-катионитовых фильтров с отработанной водой спецпрачечной при их объемном соотношении 1:(0,1-0,8).

В предложенном способе использованы следующие отличительные признаки:

Признак 1 - изменена последовательность обращения с ЖРО, заключающаяся в том, что часть отходов, минуя стадию усреднения, периодически направляют в выпарной аппарат, используя их в качестве растворов для проведения химической промывки. Признак 2 - в качестве растворов для химической очистки используются ЖРО: для щелочной обработки используют смесь регенерата ОН^--анионитового фильтра с отработанной водой спецпрачечной, а для кислотной обработки - смесь регенерата Н⁺-катионитового фильтра с отработанной водой спецпрачечной. Признак 3 - щелочной и кислотный растворы, используемые для кислотной очистки, содержат регенераты ионообменных фильтров и отработанные воды спецпрачечной в определенных соотношениях, позволяющих наиболее эффективно удалять отложения с поверхности выпарных аппаратов.

В порядке обоснования соответствия заявленной совокупности признаков изобретения критериям новизна, изобретательский уровень приводим следующее:

По первому признаку: в способе ближайшего аналога все потоки ЖРО, до проведения процесса выпарки, усредняют путем их смешения, а для удаления отложений из выпарных аппаратов периодически проводят химическую очистку специально приготовленными растворами, что приводит к образованию дополнительного количества ЖРО. В предлагаемом способе химическая очистка проводится ЖРО, образующимися в процессе эксплуатации атомной станции. Для этого изменена последовательность обращения с ЖРО (см. чертеж): часть отходов, до операции усреднения, периодически направляют в выпарные аппараты для проведения химической очистки. Таким образом, в отличие от способа - ближайшего аналога - при реализации предлагаемого способа не образуется дополнительного количества ЖРО. По второму признаку: в предлагаемом способе для химической очистки выпарных аппаратов, выполненных из нержавеющей хромоникелевой стали, впервые используются смеси отдельных потоков ЖРО: для щелочной обработки применяется смесь регенерата ОН^--анионитового фильтра с отработанной водой спецпрачечной, а для кислотной обработки - смесь регенерата Н⁺-катионитового фильтра с отработанной водой спецпрачечной. На современных АЭС для регенерации ОН^--анионитового фильтра используют 4-5% раствор NaOH, регенерации Н⁺-катионитового фильтра 4-5% раствор НNО₃. После проведения регенерации в щелочном регенерате наряду с NaOH присутствуют карбонат-, хлорид-, фторид-, сульфат-, нитрат- ионы. В кислотном регенерате - HNO₃ и катионы металлов. Отработанные воды спецпрачечной содержат поверхностно-активные вещества (ПАВ), комплексообразователи: трилон Б, гексаметафосфат натрия и т.д. Каждый из компонентов щелочного и кислотного растворов выполняют определенную функцию в процессе удаления отложений. Присутствие ПАВ способствует отделению частиц отложений от поверхности металла, образовывая эмульсии или суспензии, что не дает возможности отделенным частицам повторно осаждаться на обрабатываемой поверхности. Наличие NaOH в щелочном промывочном растворе способствует растворению и эмульгированию масляных включений, которые всегда присутствуют в отложениях выпарных аппаратов и затрудняют растворение основной массы отложений. Кроме этого, обработка щелочным раствором ведет к частичному растворению отложений.

Так, для соединений кремния, которые существуют в отложениях в виде nSiO₂ mH₂O, FeO SiO₂, Fе₂О₃ SiO₂, Аl₂О₃ SiO₂ при действии щелочи происходит образование растворимых силикатов:

SiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+Н₂O;

FeOSiO₂+2NaOH=Na₂SiO₃+Fe(OH)₂.

Соединения алюминия взаимодействуют со щелочью с образованием растворимого гидроалюмината, например:

Аl(ОН)₃+NaOH=NaAl(OH)₄.

Для соединений цинка воздействие щелочи приводит к образованию цинкатов - Na₂ZnO₂.

Комплексообразователи, вводимые в раствор с отработанными водами спецпрачечной, взаимодействуют с нерастворимыми оксалатами кальция, магния, железа, что приводит к их частичному растворению.

Наличие в кислотном промывочном растворе азотной кислоты позволяет эффективно растворять железоокисные и карбонатные отложения. Необходимо отметить, что при совместном присутствии в щелочном растворе регенерата ОН^- - анионообменных фильтров и отработанных вод спецпрачечной, а в кислотном растворе регенерата Н-катионитовых фильтров и отработанных вод спецпрачечной процесс удаления (растворения) отложений резко интенсифицируется.

По третьему признаку: повышение эффективности удаления отложений с поверхности выпарных аппаратов при совместном присутствии в щелочном растворе регенерата ОН^--анионообменных фильтров и отработанных вод спецпрачечной, а в кислотном растворе регенерата Н-катионитовых фильтров и отработанных вод спецпрачечной наблюдается только при их определенном соотношении. Предлагаемые значения соотношений компонентов промывочных растворов получены экспериментальным путем.

Способ поясняется технологической схемой последовательности операций по обращению с ЖРО (см. чертеж) и примерами его осуществления.

На чертеже поз.1-4 - отдельные потоки ЖРО (1 - трапные воды, отработанные дезактивирующие растворы; 2 - регенерат ОН-фильтров; 3 - регенерат Н-фильтров; 4 - отработанные воды спецпрачечной); 5 - усреднение и корректировка рН отдельных потоков ЖРО; 6 - выпарка усредненных ЖРО; 7 - кубовый остаток, образующийся после выпарки ЖРО; 8 - конденсат вторичного пара, образующийся после выпарки ЖРО. По предлагаемому способу потоки ЖРО (1-4) после операции усреднения и корректировки рН (5) поступают на выпарку (6). Образующийся после выпарки кубовый остаток (7) направляют на битумирование, а конденсат вторичного пара используют для технологических нужд станции. Периодически часть потоков ЖРО (1-3) направляют, до их усреднения, на выпарные аппараты для проведения химической очистки.

Пример 1 иллюстрирует влияние соотношения объемов регенерата ОН-фильтров и отработанных вод спецпрачечной в щелочном промывочном растворе на эффективность удаления отложений с поверхности выпарных аппаратов. Пример 2 поясняет влияние объемов регенерата Н-катионитовых фильтров и отработанных вод спецпрачечной в кислотном растворе на эффективность удаления отложений с поверхности выпарных аппаратов. Пример 3 характеризует заявленное изобретение, и для сравнения приведены данные по эффективности удаления отложений традиционными методами химической очистки.

Для определения оптимальных соотношений компонентов промывочных растворов и сравнительных испытаний использовали вырезки трубок греющих камер выпарных аппаратов Ленинградской атомной станции; в качестве компонентов промывочных растворов - реальные ЖРО Ленинградской атомной станции: регенераты ионообменных фильтров и отработанные воды спецпрачечной. Эффективность удаления отложений оценивали по величине Y:

Y=Ан/Ак,

где Ан, Ак - количество отложений до и после химической очистки.

Пример 1. Для определения оптимальных соотношений компонентов в щелочном промывочном растворе использовали следующий режим обработки: образцы трубок греющей камеры, площадью 20 см² помещали в емкость из нержавеющей стали, заливали 400 мл раствора, содержащим различные объемы регенерата ОН-анионитового фильтра и отработанных вод спецпрачечной и выдерживали при температуре 80 С в течение 20 часов. Затем щелочной раствор дренировали и образцы заливали кислотным раствором, содержащим регенерат Н-катионитового фильтра и отработанные воды спецпрачечной в соотношении 1:0,5. Отмывку в кислотном растворе проводили при температуре 90-95 С в течение 10 часов. Результаты испытаний по примеру 1 приведены в табл.1.

Из данных, приведенных в табл. 1, следует, что для щелочной обработки наиболее эффективно использование растворов, одновременно содержащих регенерат ОН-фильтров и отработанные воды спецпрачечной. Оптимальное соотношение объемов регенерата ОН-фильтров и отработанных вод спецпрачечной составляет 1:(0,2-1).

Пример 2. Образцы трубок греющих камер, площадью 20 см², обрабатывали щелочным и кислотным растворами, объемом 400 мл. Щелочная обработка проводилась раствором, содержащим регенерат ОН-фильтра и отработанные воды спецпрачечной в соотношении 1:0,5, при температуре 80 С в течение 20 часов. Обработка в кислотном растворе осуществляли при температуре 90-95 С в течение 10 часов при различных соотношениях регенерата Н-катионитового фильтра и отработанных вод спецпрачечной. Результаты исследований приведены в табл.2.

Приведенные в табл.2 данные показывают, что добавка к регенерату Н-фильтров отработанных вод спецпрачечной интенсифицирует процесс удаления отложений. Оптимальное соотношение объемов регенерата Н-катионитовых фильтров и отработанных вод спецпрачечной составляет 1:(0,1-0,8).

Пример 3. Результаты сравнительных испытаний заявленного способа, предусматривающего проведение химической отмывки с использованием растворов на основе ЖРО и традиционных способов химической отмывки, приведены в табл.3. Из приведенных в табл.3 данных видно, что использование ЖРО для проведения химической очистки позволяет эффективно удалять отложения с поверхностей выпарных аппаратов, причем по предлагаемому способу не образуется дополнительного количества ЖРО.

Использование ЖРО (отработанных вод спецпрачечной и регенератов) для проведения химических очисток выпарных аппаратов позволяет избежать образования дополнительного количества жидких радиоактивных отходов.

Источники информации

1. Кузнецов Ю.В., Щебетковский В.И., Трусов А.Г. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. / Под ред. чл.-кор. АН СССР В.М.Вдовенко. М., Атомиздат, 1974, 360с.

2. Хоникевич А.А. Дезактивация сбросных вод. М., Атомиздат, 1966, 232с.

3. Химическая технология теплоносителей ядерных энергетических установок: Учеб. пособие для вузов. В.М.Седов, А.Ф.Нечаев, В.А.Доильницын, П.Г.Крутиков. - М.: Энергоатомиздат, 1985, 312 с., с.