-
Feld der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Entfernen von radioaktiver Oberflächenkontamination
metallischer Materialien und das Sammeln der entfernten Kontamination
in einer Form, welche für
eine zweckmäßige Behandlung
und Lagerung radioaktiver Abfälle
geeignet ist. Insbesondere betrifft die Erfindung das Auflösen von
Oberflächenkontamination
mit einer Säurelösung die
darauf folgende Umwandlung der gelösten Ionen in Metallpartikeln
mittels einer elektrochemischen Zelle und die Entfernung der Metallpartikel
aus dem Dekontaminationssystem.
-
Hintergrund
-
Chemische
Dekontamination ist ein bewährtes
Verfahren zur Reduktion der Strahlungsbelastung von Arbeitern in
kerntechnischen Anlagen geworden. Bei diesem Verfahren werden Chemikalien
zu einem Teil des Kühlwasserkreislaufes
der Anlage zugesetzt und diese Chemikalien lösen radioaktive Ablagerungen
von den Oberflächen
des Kreislaufes. Die Chemikalien und die radioaktiven Komponenten
werden aus der zirkulierenden Kühllösung durch
Innenaustausch entfernt. Ein Beispiel eines solchen Verfahrens ist
im
US-Patent Nr. 4,705,573 mit
dem Titel „Descaling
Process" geoffenbart.
-
In
jüngerer
Zeit wurde dasselbe Grundprinzip auf die Behandlung von Komponenten,
welche nicht mehr für
den Einsatz in kerntechnischen Anlagen benötigt werden, angewandt. Die
Dekontamination dieser Komponenten reduziert nicht nur die Strahlungsbelastung
der Arbeiter sondern reduziert auch das radioaktive Niveau, so dass
die dekontaminierten Komponenten als radioaktiver Abfall einer geringeren
Stufe behandelt werden können.
Wenn das Dekontaminationsverfahren die Radioaktivitäten unter
ein gewisses Niveau senkt, können
die Komponenten als nicht radioaktiv betrachtet werden. Diese behandelten
Komponenten können dann
als Komponenten in anderen nuklearen oder nicht nuklearen Anwendungen
verwendet werden oder können
wiederverwertet werden. Diese Dekontaminationsbehandlung wird manchmal
als Dekontaminierung zur Stilllegung bezeichnet. Ein Beispiel für diese
Art von Verfahren ist im
US-Patent
Nr. 6,147,274 mit dem Titel „Method For Decontamination
Of Nuclear Plant Components" geoffenbart.
-
Die
existierenden Verfahren zur Dekontamination zur Stilllegung bringen
kontaminierte Metallkomponenten mit einer Dekontaminationslösung in
Kontakt, welche eine Materialschicht entfernt. Die radiaktiven Feststoffe
und Kationen werden dann aus der Dekontaminationslösung entfernt.
Die Verfahren zur Dekontamination zur Stilllegung verursachen keinen
flüssigen
radiaktiven Abfall, weil das Wasser, welches verwendet wird um die
Dekontaminationslösung
herzustellen, am Ende des Verfahrens wieder in eine reine deionisierte Form
gebracht wird und wiederverwertet werden kann. Die Verfahren zur
Dekontamination verwenden auch verdünnte Lösungen und vermeiden Gefahren,
welche mit der Verwendung konzentrierter Chemikalien verbunden sind.
Die Verfahren zur Dekontamination sind insbesondere für das Reinigen
von Komponenten komplexer Form (wie beispielsweise Rohrbündel-Wärmetauscher)
von Nutzen, bei denen mechanische Dekontaminationsmethoden schwierig
anzuwenden sind.
-
Ein
erhebliches Problem bei den existierenden Verfahren zur Dekontamination
zur Stilllegung war die Schwierigkeit der Handhabung des sekundären radioaktiven
Abfalls. In einigen Ländern
gibt es keine Lagerstätten
für radioaktiven
Abfall und es ist notwendig, jeglichen sekundären Abfall der anfällt, auf
unbestimmte Zeit vor Ort zu lagern. Zur Entfernung des sekundären radioaktiven
Abfalls muss der Abfall zu einer Lagerstätte gebracht werden, wo die
Unversehrtheit des Lagercontainers und die Abschirmung der Strahlung
garantiert werden kann. Der sekundäre radioaktive Abfall muss
auch in einer für
den Transport und die Einlagerung geeigneten Form sein. Bei einem
dieser Verfahren wird der sekundäre
radioaktive Abfall als fester Monolith konditioniert und in leicht
handhabbaren Fässern
aufgenommen. In allen Ländern
ist es zwingend erforderlich, die Stabilität zu maximieren und das Volumen
des sekundären
radioaktiven Abfalls, welcher gebildet wird, zu minimieren.
-
Die
Verfahren zur Dekontamination zur Stilllegung generieren für gewöhnlich Ionenaustauscherharze als
die letztliche Form des sekundären
radioaktiven Abfalls. Die gesamte Radioaktivität der dekontaminierten Komponenten
und alle restlichen Chemikalien werden in diesen Ionenaustauscherharzabfall
gesammelt. In den Vereinigten Staaten wird radioaktiver Ionenaustauscherharzabfall
routinemäßig entwässert und
zur Endlagerung in hochdichten Containern gesandt. In anderen Ländern verbieten
Bestimmungen die Handhabung radioaktiven Ionenaustauscherharzabfalls
auf diese Weise. Der Harzabfall ist auch keine bequeme Abfallform, da
er lediglich einen Bruchteil seines eigenen Gewichts in Form von
radioaktiver oder metallischer Kontamination beinhaltet. Somit besteht
der letztendliche radioaktive Harzabfall nicht nur aus der Dekontamination,
welche von den Oberflächen
entfernt wurde, sondern auch aus den organischen polymeren Materialien,
welche das Ionenaustauscherharz selbst bilden. Diese Ineffizienz
bei der Abfallbehandlung von auf Harz basierender Dekontamination
ist ein bedeutender Nachteil im Vergleich mit mechanischen Dekontaminationsverfahren,
bei welchen eine dünne
Schicht von dekontaminiertem Material von den Oberflächen der
Komponenten entfernt wird. Der einzige Abfall, welcher bei mechanischen
Dekontaminationsverfahren gebildet wird, ist das Material, welches
von der Komponente entfernt wurde.
-
Das
US-Patent Nr. 5,078,842
A mit dem Titel „Process
For Removing Radioactive Burden From Spent Nuclear Reactor Decontamination
Solutions Using Electrochemical Ion Exchange" offenbart ein Verfahren, bei welchem
ein Ionenaustauscherharz als eine Abfallzwischenform verwendet werden
kann und wird hiermit unter Bezugnahme aufgenommen. Das '842-Patent offen bart
eine elektrochemische Ionenaustauscherzelle mit drei Kammern, welche
verwendet wird, um radioaktive Kationen aus einer Dekontaminationslösung zu
entfernen. Eine Dekontaminationslösung strömt durch eine zentrale Kammer
der Ionenaustauscherzelle, welche ein Kationenaustauscherharz enthält. Das
Kationenaustauscherharz entfernt gelöste Kontaminanten und Metallionen
aus der Dekontaminationslösung.
Die Ionen, welche in dem Harz zurückgehalten werden, wandern
dann unter dem Einfluss eines elektrischen Stroms in eine Kathodenkammer
und werden zu einer metallischen Ablagerung auf einer Kathode reduziert.
Ein anionisches Äquivalent
zu diesem Verfahren ist in dem
US-Patent Nr.
5,306,399 mit dem Titel „Electrochemical Exchange
Anions In Decontamination Solutions" und wird hiermit ebenfalls unter Bezugnahme
aufgenommen.
-
Obwohl
das Verfahren, welches in dem '842-Patent
beschrieben ist, umfassend getestet wurde, wurde das Verfahren nicht
in vollem kommerziellen Umfang für
Kernreaktoren angewendet. Ein Grund für dieses Nichteinsetzen ist,
dass das Verfahren ausgelegt wurde, Teil der operativen Reaktordekontamination
zu sein, was Gegenstand kommerziellen Interesses in der Vergangenheit
war. Die operative Dekontamination findet während des Herunterfahrens der
kerntechnischen Anlage zur Instandhaltung statt und muss in sehr
kurzer Zeit durchgeführt
werden. Tatsächlich
ist das Herunterfahren zur Instandhaltung bei kerntechnischen Anlagen so
kurz geworden, dass häufig
nicht genügend
zeit für
das Dekontaminationsverfahren ist, welches eine Ionenaustauscherzelle,
die angepasst werden muss, geschweige denn ein zusätzliches
Dekontaminationssystem zur Behandlung der Dekontaminationslösung nützt. Diese
zeitlichen Zwänge
erfordern es, dass der elektrische Wanderprozess sehr schnell vor
sich geht, was wiederum erforderte viel elektrische Energie in die
Ionenaustauscherzelle einzubringen und gleichzeitig schwere, teure
Ausrüstung
erforderte, was kommerziell nicht attraktiv war.
-
Das
Dekontaminationsverfahren, welches in dem '842-Patent geoffenbart ist, ist viel
geeigneter für
die Anwendung zur Dekontamination zur Stilllegung bei denen die
Volumenreduktion des Abfalls zwingend ist und die zeitlichen Zwänge weniger
drückend
sind. In diesem Fall kann der elektrische Prozess bei einem geringeren
Strom mit bescheidener Ausrüstung über eine
längere
Zeitspanne stattfinden. Von großer
Wichtigkeit ist, dass das '842-Patent
sich nicht mit der Art befasst, in welcher die radioaktiven Ablagerungen,
welche sich auf der Kathode ausbilden, gehandhabt werden sollen.
Im Labormaßstab
könnte
die beschriebene Zelle in der Folge zerlegt werden und die Ablagerung
könnte
mechanisch von der Elektrodenoberfläche entfernt werden. Ein solches
Verfahren ist im Vollmaßstab
unter Berücksichtigung
der geeigneten Strahlenschutzvorschriften nicht durchführbar. Um
das Verfahren in vollem Umfang zu kommerzialisieren wäre es nötig, ein
neues Verfahren zum Entfernen der radioaktiven Ablagerung auf der
Kathode aus der Ionenaustauscherzelle zur Entsorgung zu entwickeln.
-
Das
US-Patent Nr. 4,828,759 mit
dem Titel „Process
For Decontaminating Radioactivity Contaminated Metallic Materials" offenbart noch ein
weiteres Dekontaminationsverfahren, bei welchem eine saure Dekontaminationslösung verwendet
wird, um radioaktive Materialien von Komponenten zu entfernen. Die
Kontaminanten und festen Verunreinigungen werden anschließend aus
der Dekontaminationslösung
durch Behandlung mit einer Ionenaustauscherzelle durch elektrochemische
Mittel entfernt und auf einer Kathode abgelagert. Wie beim '842-Patent beschäftigt sich
das '759-Patent
nicht mit der Art, auf welche die radioaktiven Ablagerungen von
der Kathode entfernt werden oder wie der radioaktive Abfall für die Lagerung
behandelt wird.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die
Erfindung ist ein System und ein Verfahren für die chemische Dekontamination
von radioaktiven, metallischen Objekten. Das erfindungsgemäße Dekontaminationssystem
liefert nur feste, radioaktive Abfallmaterialien in Form von kleinen
Metallpartikeln und alle Flüssigkeiten,
die im erfindungsgemäßen Dekontaminationssystem
verwendet werden, können
wieder verwendet werden. Die kontaminierten metallischen Objekte werden
mit einer sauren Dekontaminationslösung in Kontakt gebracht, welche
eine dünne
Schicht des kontaminierten Materials entfernt. Ein elektrochemischer
Innenaustausch wird dann verwendet, um die radioaktiven Komponenten
aus der Dekontaminationslösung
zu entfernen.
-
Die
radioaktive Kontamination wird dann aus der Dekontaminationslösung entfernt.
Nachdem die Dekontaminationslösung
die radioaktiven Materialien absorbiert hat, fließt die Dekontaminationslösung durch eine
Reinigungsschleife. Die Reinigungsschleife hat eine Ionenaustauscherzelle
mit einer zentralen Kammer, eine Anodenkammer und eine Kathodenkammer.
Diese Schleife kann auch einen Filter haben, welcher feste Substanzen
aus der Dekontaminationslösung
entfernt, welche von den Komponenten während des Dekontaminationsvorgangs
freigesetzt wurden.
-
In
einer Ausführungsform
ist die Ionenaustauscherzelle so konfiguriert, dass die Anoden-
und die Kathodenkammern jeweils von der zentralen Kammer durch ionenpermeable
Membranen getrennt sind. Die zentrale Kammer ist mit einem Kationenaustauscherharz
gefüllt.
Die Dekontaminationslösung
fließt
durch die zentrale Kammer und die radioaktiven Metallkationen in
der Dekontaminationslösung
werden von dem Harz eingefangen. Die eingefangenen radioaktiven
Metallkationen wandern dann unter dem Einfluss des elektrischen Stroms
in die Kathodenkammer, wo sie in Form von kleinen Metallpartikeln
auf einer Kathode abgelagert werden. Die gereinigte Dekontaminationslösung fließt aus der
zentralen Kammer und kann für
eine weitere Dekontamination der Komponenten wieder verwendet werden.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
ist die oben beschriebene Ionenaustauscherzelle nicht mit einem
Ionenaustauscherharz gefüllt
und die Kationen in der Dekontaminationslösung, welche durch die zentrale Kammer
fließen,
werden nicht von Harz eingefangen. Bei dieser Ausführungsform
wandern radioaktive Metallkationen unter dem Einfluss des elektrischen
Stroms aus der Dekontaminationslösung
durch eine ionenpermeable Membran in die Kathodenkammer. Die Metallkationen
werden dann in Form von kleinen Metallpartikeln auf der Kathode
abgelagert. Nicht alle der radioaktiven Kationen können aus
der Dekontaminationslösung entfernt
werden, jedoch wird eine ausreichende Menge der Kontamination entfernt,
so dass die Dekontaminationslösung,
welche aus der Ionenaustauscherzelle fließt, wieder verwendet werden
kann, um andere Komponenten zu dekontaminieren.
-
Bei
beiden Ausführungsformen
fließt
eine Kathodenlösung über die
Kathode und entfernt die kontaminierten Metallpartikel von der Kathode.
Die Kathodenlösung
und Metallpartikel fließen
aus der Kathodenkammer und in einen Abfallsammelcontainer, wo die
Metallpartikel sich aus der Lösung
absetzen. Nachdem die Kathodenlösung
frei von radioaktiven Kontaminanten ist, kann sie wieder verwendet
werden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die zentrale Kammer der elektrochemischen Ionenaustauscherzelle
nicht mit Kationenaustauscherharz gefüllt und die Kathodenkammer
ist nicht von der zentralen Kammer durch eine ionenpermeable Membran
getrennt. Die Dekontaminationslösung
fließt
aus der zentralen Kammer in die Kathodenkammer. Bei dieser Ausführungsform
fließt
die Dekontaminationslösung
nicht aus der zentralen Kammer. Die radioaktiven Metallkationen
wandern direkt zur Kathode und werden als kleine Metallpartikel auf
der Kathode abgelagert. Die Kathodenlösung fließt über die Kathode und entfernt
die abgelagerten Metallpartikel. Sowohl die Kathodenlösung als
auch die Dekontaminationslösung
fließen
in den Abfallsammelcontainer. Wieder setzen sich die Metallpartikel
aus der gemischten Lösung
ab. Die Lösung
im Abfallsammelcontainer wird sowohl als Kathodenlösung als
auch als Dekontaminationslösung
wieder verwendet.
-
Das
radioaktive Metall, welches auf der Kathode abgelagert ist, liegt
durch das Kontrollieren der Azidiät der Lösung in der Kathodenkammer
eher in Form von kleinen Partikeln als in Form einer anliegenden Schicht
vor. In einer Ausführungsform
ist das pH-Niveau in der Kathodenkammer bei ungefähr 2,5 bis
5,0 gehalten, was zur Ausbildung von kleinen Partikeln auf der Kathode
führt.
Diese kleinen Partikel werden durch eine Lösung, welche über eine
Kathode fließt,
leicht abgelöst
und sind auch groß genug,
um einfach aus der Kathodenlösung
abgetrennt zu werden. Wie erörtert
setzen sich die Metallpartikel am Boden des Abfallsammelcontainers
ab, was es gestattet, die Lösung
aus dem oberen Teil des Containers zu entfernen und wieder zu verwenden.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Menge an radioaktiven
Abfall, welcher durch den Dekontaminationsprozess gebildet wird,
zu minimieren. Die metallischen Kontaminanten von den Komponenten
werden in kleine metallische Partikel umgewandelt, welche in einem
Abfallsammelcontainer gesammelt werden. Dadurch, dass nur fester
Metallpartikelabfall gebildet wird, entsteht das geringst mögliche Abfallvolumen.
-
Die
Metallpartikel können
dann durch hydraulische Fluidisation, ähnlich der Art wie radiaktives
Ionenaustauscherharz für
gewöhnlich
gehandhabt wird, aus dem Abfallsammelcontainer an einen anderen
Ort gebracht werden. Diese Eigenschaft der Erfindung schafft ein
praktisches Verfahren zum Entfernen der radioaktiven Kontamination
aus der Vorrichtung. Wenn eine zusammenhängende Metallablagerung auf
der Kathode ausgebildet würde,
wäre der
einzig praktische Weg die Kontamination zu entfernen, die Kathode
physisch aus der Vorrichtung zu entfernen, was in einer radiologisch
sicheren Art schwierig zu erreichen wäre.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Entfernen radioaktiven Metallabfalls von einer Elektrode ist auch
mit anderen Verfahren zur Dekontamination mit Ionenaustauscherzellen,
wie beispielsweise dem, welches im
US-Patent
Nr. 6,147,274 beschrieben ist, sowie mit anderen Arten
von Dekontaminationsverfahren mit verdünnten Säuren kompatibel.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird hierin lediglich beispielhaft mit Bezug auf die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, welche in den dazugehörigen Zeichnungen
illustriert ist, beschrieben, in denen:
-
1 ein
Diagramm einer Ausführungsform
des Dekontaminationssystems ist, welches ein Harz in der zentralen
Kammer der Ionenaustauscherzelle verwendet; und
-
2 ein
Diagramm einer Ausführungsform
des Dekontaminationssystems ist, in welchem Harz in der zentralen
Kammer der Ionenaustauscherzelle nicht verwendet wird und bei der
die zentrale Kammer nicht durch eine ionenpermeable Membran von
der Kathodenkammer getrennt ist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die
vorliegende Erfindung ist eine säurebasiertes
Dekontaminationssystem, das metallische Komponenten, die in einem
Kernreaktor Strahlung ausgesetzt waren, reinigt. Das Dekontaminationssystems
umfasst eine Dekontaminationslösung, welche
verwendet wird, um radioaktive Kontamination von den metallischen Komponenten
zu entfernen und eine Reinigungsschleife, welche die radioaktiven
Kontaminanten aus der Dekontaminationslösung entfernt. Die kontaminierten
Komponenten werden mit der Dekontaminationslösung in Kontakt gebracht, welche
radioaktive Metalle und Metalloxide von der Oberfläche eines
kontaminierten Objekts löst.
Die Säurekonzentration
in der Dekontaminationslösung
ist niedrig und unter normalen Umständen wäre die Kapazität der Kontaminationslösung, Kontaminanten
zu lösen,
schnell erschöpft.
Jedoch wird bei der vorliegenden Erfindung die Lösekapazität der Dekontaminationslösung kontinuierlich
in der Reinigungsschleife regeneriert, welche die Dekontaminationslösung wieder
aufbereitet. Insbesondere umfasst die Reinigungsschleife eine Ionenaustauscherzelle,
welche die radioaktiven Metallionen in der Dekontaminationslösung durch
Wasserstoffionen ersetzt, bevor die Dekontaminationslösung wieder
aufbereitet wird und ein System zur Entfernung von fester Kontamination,
welches nur festen radioaktiven Abfall liefert.
-
1 illustriert
eine Ausführungsform
des Dekontaminationssystems 100 mit einem Aufnahmetank 121 für die Dekontaminationslösung und
einer Ionenaustauscherzelle 109. Die Komponenten können in
den Aufnahmetank 121 platziert werden und in die Dekontaminationslösung eingetaucht
werden, um eine Schicht von kontaminiertem Material zu entfernen.
Alternativ kann die Dekontaminationslösung durch innere Oberflächen der
kontaminierten Komponenten geführt
werden, oder auf jede andere Art mit den kontaminierten Komponenten
in Kontakt gebracht werden. Die Rate der Materialentfernung von
den Komponenten hängt
von verschiedenen Faktoren ab, umfassend: die chemische Zusammensetzung
der Dekontaminationslösung,
die Zeitdauer des Kontakts mit der Dekontaminationslösung und
die Temperatur der Dekontaminationslösung. Die radioaktiven Kationen
und Festpartikelkontaminanten werden aus der Dekontaminationslösung in
einer Reinigungsschleife entfernt.
-
Die
Reinigungsschleife umfasst eine elektrochemische Ionenaustauscherzelle 111 und
kann auch ein Filter 141 stromaufwärts der elektrochemischen Ionenaustauscherzelle
umfassen, um feste Partikel aus der Dekontaminationslösung zu
entfernen. Die Flüssigkeit
der Dekontaminationslösung
fließt
durch das Filter 141 und feste Partikel werden durch den
Filter 141 zurückgehalten.
Das Filter 141 kann periodisch gereinigt werden, in dem
man Wasser durch das Filter 141 rückwärts fließen lässt, um die radioaktiven Feststoffe
zu entfernen. Die festen Partikel, welche durch das Filter entfernt
wurden, können
mit den Metallpartikeln, welche aus dem Abfallsammelcontainer entfernt
wurden (unten detaillierter beschrieben) vereinigt werden. Der Abfall
aus dem Filter 141 und dem Abfallsammelcontainer 151 kann
auf dieselbe Art entsorgt werden.
-
Die
Ionenaustauscherzelle 111 umfasst drei Kammern, eine Anodenkammer 105,
eine Kathodenkammer 107 und eine zentrale Kammer 109,
welche jeweils durch Kationenaustauschermembranen 131 getrennt sind.
Die Anodenkammer 105 ist mit einer Anodenlösung gefüllt und
enthält
eine Anode 133. Die Kathodenkammer 107 enthält eine
Kathode 135 und ist mit einer Kathodenlösung gefüllt. Die Kathodenkammer 107 und die
Anodenkammer 105 berühren
einander nicht direkt, sind jedoch in ionenkommunizierender Verbindung
mit der zentralen Kammer 109. Sowohl die Anodenkammer 105 als
auch die Kathodenkammer 107 können Rezirkulationssysteme
haben, welche die Anoden- und die Kathodenlösungen zirkulieren. Die Rezirkulationssysteme
erleichtern das chemische Ersetzen, das Reinigen und die Umbildung
während
der Behandlung.
-
Die
fundamentalen Prinzipien des Betriebs des erfindungsgemäßen Dekontaminationsverfahrens werden
am besten unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
Bei einer ersten Aus führungsform
ist die zentrale Kammer 109 mit einem Kationenaustauscherharz 151 gefüllt. Die
Dekontaminationslösung,
welche verwendet wird, um die Komponenten zu reinigen, wird durch
das Kationenaustauscherharz 151 in der zentralen Kammer 109 der
Ionenaustauscherzelle 111 geführt. Das Kationenaustauscherharz 151 entfernt
die radioaktiven Kontaminanten und metallische Verunreinigungen
aus der Dekontaminationslösung.
-
Ein
Strom wird über
die Anode 143 und die Kathode 141 in der elektrochemischen
Ionenaustauscherzelle 111 angelegt. Da die Anodenkammer 105 eine
saure Lösung
enthält,
führt der
an die Elektroden der Ionenaustauscherzelle 111 angelegte
Strom zur Bildung von Wasserstoff an der Anode 143. Die
Wasserstoffionen werden durch die folgenden Reaktionen gebildet: 2H2O – – – > 4H+ +
4e- + O2 oder, wenn Ameisensäure zugegen
ist HCOOH – – – > 2H+ +
2e- + CO2
-
Die
Wasserstoffionen wandern dann unter dem Einfluss des elektrischen
Stroms 131 aus der Anodenkammer 105 durch die
Kationenmembran 131 in die zentrale Kammer 109.
Bei einer ersten Ausführungsform ist
die zentrale Kammer 109 mit einem Ionenaustauscherharz 151 gefüllt. Die
Dekontaminationslösung
fließt durch
die zentrale Kammer 109 und die Metallkationen in der Lösung werden
von dem Ionenaustauscherharz 151 eingefangen. Die Wasserstoffionen
von der Anodenkammer ersetzen die eingefangenen metallischen Kationen,
welche in dem Kationenaustauscherharz 151 vorhanden sind.
Die metallischen Kationen, welche aus dem Harz 151 freigesetzt
werden, wandern dann von der zentralen Kammer 109 durch
die kationenpermeable Membran 131 und in die Kathodenkammer 107.
-
Die
Metallkationen werden zur Kathode 141 gezogen und als kleine
Metallpartikel 161 auf der Kathode abgelagert, wie in der
chemischen Reaktion unten beschrieben. Metall2+ + 2e- – – – > Metall
-
Eine
Kathodenlösung
in der Kathodenkammer 107 fließt über die Kathode 141 und
trennt die abgelagerten Metallartikel 161 von der Kathode 141.
Die Kathodenlösung
und abgetrennte Metallpartikel 161 fließen aus der Kathodenkammer 107 und
in einen Abfallsammelcontainer 151. Die Metallabfallpartikel 161 sind
dichter als die Kathodenlösung
und setzen sich am Boden des Abfallsammelcontainers 151 ab.
Die Kathodenlösung
im Abfallsammelcontainer 151 ist frei von Metallpartikeln 151 und
kann durch Zurückpumpen
der Kathodenlösung
in die Kathodenkammer wieder verwendet werden.
-
Die
abgesetzten Metallabfallpartikel können aus dem Abfallsammelcontainer 151 durch
Suspension in fließendem
Wasser oder auf jede andere geeignete Art der Entfernung und des
Transports gebracht werden. Nachdem das Abfallmaterial transportiert
wurde, kann die Lösung,
welche für
den Transport des festen Metallabfalls verwendet wurde, abgetrennt
und wieder verwendet werden. Das einzige Produkt des erfindungsgemäßen Dekontaminationssystems
sind kleine kontaminierte Metallpartikeln mit einem minimalen Volumen, was
die Entsorgung vereinfacht.
-
In
einer alternativen Ausführungsform
umfasst, die zentrale Kammer 109 kein Ionenaustauscherharz 151 und
die Dekontaminationslösung
fließt
direkt durch die zentrale Kammer 109. In dieser Ausführungsform werden
die Metallkationen durch die kationenpermeable Membran 131 aus
der Dekontaminationslösung
und in die Kathodenkammer 107 gezogen. Bei dieser Ausführungsform
kann es wünschenswert
sein, die Flussrate der Dekontaminationslösung durch die zentrale Kammer 109 zu
regeln. Die Flussrate der Dekontaminationslösung kann durch das Anbringen
von Flusshemmern im Flussweg der Dekontaminationslösung durch
die zentrale Kammer 109 verlangsamt werden. Die Flusshemmer
können
mechanische Einrichtungen wie beispielsweise Kreuze in der zentralen
Kammer 109 sein, welche die Flusswege der Dekontaminationslösung teilen, oder
ein Flusshemmer im Auslass der zentralen Kammer 109 sein.
-
2 illustriert
eine alternative Ausführungsform
des Dekontaminationssystems 200, welche auch eine Ionenaustauscherzelle 211 nutzt,
um radioaktive Metallkationen aus der Dekontaminationslösung zu
entfernen. Bei dieser Ausführungsform
hat die Ionenaustauscherzelle 211 drei Kammern: eine Kathodenkammer 107,
eine Anodenkammer 105 und eine zentrale Kammer 109.
Eine ionenpermeable Membran 131 trennt die Anodenkammer 105 und
die zentrale Kammer 109. Keine ionen permeable Membran
trennt die zentrale Kammer 109 von der Kathodenkammer 107 und
die Dekontaminationslösung
fließt
frei aus der zentralen Kammer 109 in die Kathodenkammer 107.
Bei dieser Ausführungsform
ist die zentrale Kammer 109 der Ionenaustauscherzelle 211 nicht
mit Kationenaustauscherharz gefüllt
und der Boden der zentralen Kammer 109 hat keinen Auslass.
Somit muss die Dekontaminationslösung,
welche in die zentrale Kammer 109 fließt durch den Auslass der Kathodenkammer 107 austreten.
-
Der
Betrieb dieser alternativen Ausführungsform
wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
Die Dekontaminationslösung,
welche verwendet wird um die Komponenten zu reinigen, fließt in die
zentrale Kammer 109 der Ionenaustauscherzelle 211 und
dann in die Kathodenkammer 107, wo sie mit der Kathodenlösung vereint
wird. Eine Spannung wird über
die Kathode 135 und die Anode 133 angelegt und
die radioaktiven Kationen in der Dekontaminationslösung werden
zur Kathode 135 gezogen und als kleine Metallpartikel auf
der Kathode 135 nach der oben beschriebenen chemischen
Reaktion abgelagert. Sowohl die Dekontaminationslösung und
die Kathodenlösung
fließen über die
Kathode 135 und entfernen die kleinen abgelagerten Metallpartikel 161.
Die Lösungen
und Partikel fließen
aus der Kathodenkammer 107 in den Abfallsammelcontainer 151,
wo sich die kleinen Metallpartikel 161 am Boden des Abfallsammelcontainers 151 absetzen.
Die Lösungen
im Abfallsammelcontainer 151 können wieder verwendet und zurück in die
Kathodenkammer 107 und dem Aufnahmetank für die Dekontaminationslösung 121 gepumpt
werden.
-
Wie
erörtert,
muss die Lösung
in der Kathodenkammer 107 spezifische, chemische Charakteristika haben,
welche verursachen, dass Kationen auf der Kathode 135 als
kleine Metallpartikel 161 abgelagert werden. Das abgelagerte
Metall muss von geeigneter Partikelgröße (z.B. 100 Mikrometer Durchmesser)
sein, so dass das Metall leicht von der Kathode 135 entfernt
und von der Kathodenlösung
(und Dekontaminationslösung)
in einem Abfallabsetztank 151 abgetrennt werden kann. Die
Partikelgröße darf
nicht so klein sein, dass das Material suspendiert in der Flüssigkeit
bleibt und sich nicht am Boden des Abfallabsetztanks 151 absetzt. In
der bevorzugten Ausführungsform
sind die abgelagerten Metallpartikel 161 ungefähr 100 Mikrometer
im Durchmesser.
-
Man
hat herausgefunden, dass kleine (100 Mikrometer Durchmesser) Metallpartikel
auf der Kathode 135 abgelagert werden, wenn die Lösung in
der Kathodenkammer 107 einen anfänglichen pH-Wert von ungefähr 2,5 bis
5,0 hat. Metallabfallpartikel 161 von einheitlicher Größe von ungefähr 100 Mikrometer
im Durchmesser werden leicht von der Kathode 135 entfernt
und einfach aus der Kathoden- (Dekontaminations-) lösung abgetrennt.
Wenn der pH-Wert zu gering ist, kann radioaktives Metall als einheitliche
Schicht auf der Kathode 135 metallisieren. Um die einheitliche
Schicht zu entfernen, muss die Kathode 135 vollständig aus
der Ionenaustauscherzelle 111, 211 entfernt werden,
um die abgelagerte Metallschicht von der Kathode 135 zu
entfernen. Alternativ, wenn der pH-Wert zu gering ist, kann es auch
zu gar keiner Ablagerung auf der Kathode 135 kommen. Im
Gegensatz dazu, wenn der pH-Wert zu hoch ist, können die radioaktiven Partikel 161,
welche auf der Kathode 135 abgelagert werden, zu klein
sein, um leicht aus der Kathodenlösung abgetrennt zu werden. Die
Partikel 161, die zu klein sind, werden in der umgebenden
Flüssigkeit
suspendiert bleiben und sich nicht im Abfallsammelcontainer 151 absetzen.
Obwohl diese kleinen Partikel 161 aus der Lösung gefiltert
werden könnten,
fügt diese
zusätzliche
Komponente eine unnötige
Komplexität
zum Dekontaminationssystem hinzu. Das angegebene pH-Niveau ist nicht
notwendigerweise der einzige Zustand, welcher eine geeignete Partikelausbildung
ermöglicht,
jedoch ist er ein Beispiel eines Zustands, welcher zufrieden stellende
Resultate liefert.
-
Spezifischere
Beschreibungen der in der Ionenaustauscherzelle 211 verwendeten
Chemikalien sind unten beschrieben. Sowohl die Anodenlösung als
auch die Kathodenlösung
enthalten Elektrolyte. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist der eingesetzte Elektrolyt sowohl in der Anodenkammer 105 als
auch in der Kathodenkammer 107 Ameisensäure, Natriumformiat oder deren
Gemische. Sowohl die Elektrolytlösungen
in der Anodenkammer 105 als auch in der Kathodenkammer 107 werden
durch Flüssigkeitspumpen
(nicht gezeigt) durch Reservoir rezirkuliert. Der Abfallsammelcontainer 151 kann
das Reservoir für
die Kathodenlösung sein.
Das Reservoir für
die Anodenlösung
ist in den 1 oder 2 nicht
gezeigt, jedoch im Stand der Technik wohl bekannt. Die Dekontaminationslösung, welche
durch die zentrale Kammer 109 fließt, ist auch ein Elektrolyt.
-
Die
in der Dekontaminationslösung
eingesetzte Säure
kann jede mineralische oder organische Säure sein. Beispiel für mineralische
Säuren
sind Salpetersäure,
Flourborsäure,
Schwefelsäure
und Salzsäure.
Die Wahl der Säure
wird von einer Reihe von Faktoren, wie beispielsweise der Effektivität des Lösens der
Kontamination, die Löslichkeit
der Kontaminanten in der fraglichen Säure, der Materialkompatibiltät (Salzsäure sollte idealer
Weise nicht bei Systemen aus rostfreiem Stahl eingesetzt werden)
und der Downstream-Verarbeitungskompatibli tät abhängen. Bei Anwendungen, bei
welchen die Materialien der Komponenten besonders anfällig für Korrosion
sind, kann eine organische Säure
verwendet werden. Da organische Säuren allgemein schwache Säuren sind,
wird der pH-Wert der Lösung
höher sein
als jener, der oben beschriebenen auf mineralischen Säuren basierenden
Dekontaminationslösungen.
Beispiele organischer Säuren
sind: Ameisensäure, Zitronensäure, Oxalsäure und
Ethylen-Diamin-Tetra-Essigsäure.
-
Die
Säurekonzentration
der Dekontaminationslösung
muss nicht unbedingt innerhalb spezifischer Grenzen liegen. Jedoch
ist der am meisten bevorzugte Bereich der Säurekonzentration in der Dekontaminationslösung im
Bereich zwischen 10–3 und 10–2 M.
In diesem Bereich ist die Säure
ausreichend konzentriert, um zu gestatten, die radioaktive Kontamination
in einer kurzen Zeit zu lösen,
ist jedoch ausreichend verdünnt,
um den Prozess in der Reinigungsschleife zu gestatten, in einer
effektiven Art abzulaufen.
-
Der
Dekontaminationsprozess kann bei jeder Temperatur angewendet werden,
bei welcher Wasser im flüssigen
Zustand vorliegt. Die Temperatur der Dekontaminationslösung ist
einer der Parameter, welcher die Reaktionsrate, bei welcher das
radioaktive Metall und Metalloxidkontamination aufgelöst wird,
kontrolliert. Diese Rate sollte gleich der Rate sein, mit welcher
die Reinigungsschleife die Metallionen aus der Dekontaminationslösung entfernt.
In der bevorzugten Ausführungsform
wird der Dekontaminationsprozess bei Umgebungstemperatur durchgeführt, so
dass Heizen oder Kühlen
nicht notwendig ist. Obwohl es wünschenswert
ist, das System so einfach wie möglich
zu halten, kann die Dekontaminationslösung inhärent durch die elektrische
Energie, welche von der elektrochemischen Ionenaustauscherzelle
verbraucht wird, geheizt werden. Wie besprochen wird eine Spannung über die
Anode und die Kathode angelegt, welche die elektrochemische, ionische Reaktion
antreibt. Die in die Ionenaustauscherzelle eingebrachte Ener gie
veranlasst die Temperatur der Anoden- und Kathodenlösungen während des
Reinigungsprozesses der Dekontaminationslösung anzusteigen. Somit wird
auch die Dekontaminationslösung
geheizt, während
sie die Ionenaustauscherzelle passiert. Um die Dekontaminationslösung in
einem optimalen Temperaturbereich zu halten, kann es notwendig sein,
die rezirkulierenden Anoden- und
Kathodenlösungen
zu kühlen.
Es hat sich herausgestellt, dass sich die optimale Effizienz der
Zelle auftritt, wenn die Temperatur der Kathoden- und Anodenlösungen nahe
dem Siedepunkt von Wasser, 100° C,
sind.
-
Bei
der bevorzugten Ausführungsform
hat die elektrochemische Austauscherzelle spezifische Charakteristika.
Die kationenpermeablen Membranen 131 gestatten es Ionen,
zwischen den einzelnen Kammern zu wandern, verhindern jedoch das
Vermischen der Flüssigkeiten
in den jeweiligen Kammern. Die Ionentransportcharakteristika und
die Beständigkeit
des Membranmaterials sind wichtige Charakteristika, die beachtet werden
müssen,
wenn eine kationenpermeable Membran 131 gewählt wird.
Die Auswahl der kationenpermeable Membran 131 liegt im
Bereich der Fähigkeiten
des normalen Fachmanns. Repräsentative
Materialien umfassen kommerziell erhältliche BDH Kationaustauschermembranen
und Nafion Membranen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Anode 133 aus einem Edelmetall konstruiert oder
damit beschichtet. Platin oder andere normal erhältliche industrielle Anoden,
wie beispielsweise Platin oder Ruthenium-Dioxid geschichtet auf
Titan, sind insbesondere bevorzugt. Die Kathode 135 ist
vorzugsweise aus einem billigen, leitfähigen Metall, wie beispielsweise
rostfreiem Stahl, konstruiert. Die Oberfläche der Kathode 135 sollte
auch sehr glatt sein, um das Entfernen der abgelagerten Metallpartikel
zu verbessern.
-
Die
Auswahl des speziellen Kationenaustauscherharzes 151, welches
in der zentralen Kammer 109 eingesetzt werden soll, liegt
auch im Können
des normalen Fachmanns. Der Prozess zur Auswahl des Kationenaustauscherharzes 151 wird
von Faktoren geleitet, welche umfassen: die Zusammensetzung des
zu behandelnden Abfallstroms, die Bindekapazität des Harzes, die Kosten des
Harzes und die Fähigkeit
des Harzes, seine eingefangenen Kationen freizusetzen, um die Substitution
durch Wasserstoffionen zu ermöglichen. In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist das Ionenaustauscherharz 151 Amberlyte 120(H), welches
bereits normalerweise bei Kontaminationsprozessen dieser Art zum
Einsatz kommt. Ein anderes stark saures Kationenharz, welches für diese
Anwendung geeignet ist, ist Amberlyte 120(H).
-
Wenn
geringfügige
anionische Verunreinigungen im System vorhanden sind, welche entfernt
werden müssen,
kann dies durch Einsetzen eine Anionenaustauscher-Säule (in
der selben ionischen Form, wie die Säure, die für die Dekontamination eingesetzt
wird) in der Reinigungsschleife erreicht werden. Wenn es gewünscht wird,
den Einsatz der Dekontaminationslösung einzustellen, kann dies
durch Leiten der Lösung
durch ein Anionenaustauscherharz in der Hydroxidform erreicht werden.
Dies wandelt die Säurelösung im
Kontaminationssystem in deionisiertes Qualitätswasser um. Optional kann
eine Aufwertung der Wasserqualität
durch den Einsatz einer Mischbett-Ionenaustauschersäule erfolgen.
-
Viele
Dekontaminationsprozesse, welche verdünnte Säuren einsetzen, verwenden auch
so genannte „Voroxidationsschritte". Diese Voroxidationsschritte
bringen üblicherweise
die Oxidation von Chromspezies mit Permanganationen mit sich. Ein
Innenaustausch durch eine Reinigungsschleife findet normalerweise
nicht während
der Durchführung
von Voroxidationsschritten statt. In einer Ausführungsform können die
beschriebenen Voroxidationsschritte gemeinsam mit der vorliegenden
Erfindung verwendet werden, obwohl die Reinigungsschleife nicht
während
der Anwendung der Voroxidationsschritte in Verwendung sein sollte.
-
Die
Effektivität
des erfindungsgemäßen Dekontaminationssystems
ist unten basierend auf experimentellen Resultaten zweier Ausführungsformen
beschrieben:
Beispiel 1 – Elektrochemischer
Innenaustausch von Dekontaminationslösung unter Verwendung einer
Ionenaustauscherzelle mit Ionenaustauschermembranen, welche sowohl
die Katoden- als auch die Anodenkammer von der zentralen Kammer
und dem Kationenaustauscherharz in der zentralen Kammer trennen.
-
Die
Resultate für
Beispiel 1 wurden unter Einsatz der elektrochemischen Ionenaustauscherzelle,
welche in 1 gezeigt ist, erhalten. Die
Kathode war eine Platte aus rostfreiem Stahl und die Anode war mit
Rutheniumoxid beschichtetes Titan. Die Kationenmembranen waren Nafion
324 (hergestellt von Dupont) mit Arbeitsflächen, welche 9 × 4,5 cm
maßen.
Die zentrale Kammer war mit 80 ml Kationenaustauscherharz in der Wasserstoffform
gefüllt.
Die Anodenkammerlösung
war 0,1 N Ameisensäure.
Die Kathodenlösung
war 10 mM Fluorborsäure,
mit Natriumhydroxid auf pH 3 eingestellt. Eine Simulationslösung wurde
hergestellt, äquivalent der
Auflösung
von rostfreiem Stahl in 10 mM Fluorborsäure. Diese Lösung enthielt
Eisen (255 ppm), Chrom (71 ppm) und Nickel (45 ppm) in 10 mM Fluorborsäure und
wurde durch die zentrale Kammer der Zelle einer Flussrate von 2,000
ml pro Stunde geleitet. Ein Gesamtvolumen von 20 l Lösung wurde
hindurchgeleitet. Die an die Zelle angelegte Spannung war 27 Volt
und der Strom war ungefähr
1,2 Ampere.
-
Kleine
Metallpartikel wurden auf der Kathode abgelagert, von der Kathode
entfernt und außerhalb
der Zelle gesammelt. Tabelle 1 listet die Massenbilanz des Experiments
auf. „Metalle
hinein" bezieht
sich auf die Gesamtmenge von Metallionen in der Lösung, welche
durch die zentrale Kammer der Zelle gewandert sind. „Metalle
hinaus" bezieht
sich auf die Metallionen in der Lösung nach der Passage durch
die zentrale Kammer der Zelle. „Metalle wiedergewonnen" bezieht sich auf
die wiedergewonnen Metalle in Form von metallischer teilchenförmiger Ablagerung
außerhalb
der Zelle. Die Stromeffizienz der Ablagerung der Metalle war ungefähr 56 %.
| | Eisen | Chrom | Nickel |
| Metalle
hinein | 5,100
mg | 1,410
mg | 894
mg |
| Metalle
hinaus | 753
mg | 147
mg | 225
mg |
| Metalle
wiedergewonnen | 4,347
mg | 1,263
mg | 669
mg |
Tabelle
1
-
Beispiel
2 – Elektrochemischer
Innenaustausch von Dekontaminationslösung unter Verwendung einer Ionenaustauscherzelle
mit einer einzelnen Ionenaustauschermembran zwischen der zentralen
Kammer und der Anodenkammer und keinem Ionenaustauscherharz in der
zentralen Kammer.
-
Die
Resultate von Beispiel 2 wurden unter Einsatz einer Ionenaustauscherzelle,
welche in 2 illustriert ist, erhalten,
bei welcher die Membran, welche die Kathodenkammer und die zentrale
Kammer trennt, entfernt wurde und bei welcher die zentrale Kammer
nicht mit irgendeinem Ionenaustauscher-Harz gefüllt war. Die Kathodenkammer
wurde mit derselben Lösung
gefüllt,
wie jener, welche durch die zentrale Kammer fließt. Dieselbe Lösung wie
in Beispiel 1 wurde eingesetzt, um in die Zelle zu fließen. Dieselbe
Flussrate von 2,000 ml pro Stunde wurde eingesetzt und 1,5 l wurden
insgesamt durchgeströmt.
Die Anodenkammer wurde mit 0,1 M Flourborsäure gefüllt. Die an die Zelle angelegte
Spannung war 5,6 Volt und der Strom war ungefähr 1,2 Ampere. Metall wurde
an der Kathode abgelagert und außerhalb der Zelle gesammelt.
Tabelle 2 präsentiert
die Massenbilanz des Experiments von Beispiel 2.
-
Die
Stromeffizienz zur Ablagerung der Metalle war ungefähr 19 %.
| | Eisen | Chrom | Nickel |
| Metalle
hinein | 389
mg | 113
mg | 71
mg |
| Metalle
hinaus | 267
mg | 69
mg | 45
mg |
| Metalle
wiedergewonnen | 122
mg | 44
mg | 26
mg |
Tabelle
2
-
Ein
Dekontaminationssystem wurde oben beschrieben. Obwohl die vorliegende
Erfindung unter Bezugnahme auf spezifische beispielhafte Ausführungsformen
des Dekontaminationssystems beschrieben wurde, wird es einleuchtend
sein, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen an diesen Ausführungsformen
vorgenommen werden können,
ohne vom weiteren Geist und dem Umfang der Erfindung, wie er in
den Ansprüchen
dargelegt ist, abzuweichen. Dementsprechend sind die Beschreibung
und die Zeichnungen eher in einem illustrativen als in einem restriktiven
Sinn zu sehen.