DE2240928A1 - Verfahren zur bindung von radioaktiven abfallstoffen in phosphatglaesern - Google Patents

Verfahren zur bindung von radioaktiven abfallstoffen in phosphatglaesern

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DE2240928A1
DE2240928A1 DE19722240928 DE2240928A DE2240928A1 DE 2240928 A1 DE2240928 A1 DE 2240928A1 DE 19722240928 DE19722240928 DE 19722240928 DE 2240928 A DE2240928 A DE 2240928A DE 2240928 A1 DE2240928 A1 DE 2240928A1
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Guenter Krug
Helfried Dr Lahr
Heinz Dipl Ing Vornhusen
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    • GPHYSICS
    • G21NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21FPROTECTION AGAINST X-RADIATION, GAMMA RADIATION, CORPUSCULAR RADIATION OR PARTICLE BOMBARDMENT; TREATING RADIOACTIVELY CONTAMINATED MATERIAL; DECONTAMINATION ARRANGEMENTS THEREFOR
    • G21F9/00Treating radioactively contaminated material; Decontamination arrangements therefor
    • G21F9/28Treating solids
    • G21F9/30Processing
    • G21F9/301Processing by fixation in stable solid media
    • G21F9/302Processing by fixation in stable solid media in an inorganic matrix
    • G21F9/305Glass or glass like matrix

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)

Description

  • Verfahren zur Bindung von radioaktiven Abfall stoffen in Phosphatgläsern Zur Isolierung radioaktiver Abfallstoffe von der Biosphäre werden diese nach einem bekannten Verfahren in unlösliches Phosphatglas übergeführt und dieses unterirdisch und grundwassersicher gelagert. Die in Porm von Lösungen-vorliegenden Abfallstoffe werden zuvor konzentriert und, wenn sie Nitrate enthalten, denitriert.
  • Die üblicherweise 50 bis 60 Gew.-% Feststoffe enthaltenden konzentrierten Lösungen bzw. Aufschlämmungen, in denen das Verhältnis von Metalloxyden zu P205 etwa der Metaphosphat-Zusammensetzung entspricht, werden in einen über die Schmelztemperatur des Glases erhitzten Tiegel geleitet, in dem zunächst das nooh vorhandene Wasser verdampft und die Feststoffe kalziniert werden. Letztere schmelzen sodann auf und sammeln sich im Tiegel, aus dem die Schmelze kontinuierlich oder satzweise in Kokillen geleitet wird.
  • Bei der Verdampfung des Wassers sowie beim Aufschmelzen der Feststoffe läßt es sich nicht vermeiden, daß radioaktive Feststoffe mitgerissen werden bzw. sich verflüchtigen. Diese Gefahr besteht insbesondere bei Ruthenium-Verbindungen, aber auch bei anderen Elementen, z.B. Caesium und Selen. Man hat bisher dieses Abgas kondensiert und das erhaltene radioaktive Kondensat unter hohen Sicherheitsanforderungen aufgearbeitet.
  • Es wurde nun gefunden, daß man bei einem aus Konzentrierung, gegebenenfalls Denitrierung und Verglasung bestehenden Verfahren zur Bindung radioaktiver Abfallstoffe als Phosphatglas den Anfall des Verglasungskondensates vermeiden und zugleich den Gesamtgehalt an radioaktiven Verunreinigungen im anfallenden Kondensat dadurch verringern kann, daß die bei der Glasbildung entstehenden Gase in die Konzentrationsstufe zurückgeleitet werden. Zweckmäßigerweise erfolgt die Einleitung in die auf Siedetemperatur erhitzte Lösung der Konzentrationsstufe. Die mitgerissenen Festkörper bzw. verfltohtigten radioaktiven Stoffe werden in der Lösung ausgewasohen bzw. kondensiert und gelangen später erneut zur Verglasungestufe.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auch zur Behandlung thoriumhaltiger bzw. aus dem THOREX-Prozeß stammender Abfallösungen geeignet.
  • Falls die radioaktiven Abfallstoffe zunächst in Form salpetersaurer Lösungen anfallen, ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Verfahren zu kombinieren, das in der von der Anmelderin heute unter dem Titel "Verfahren zum Konzentrieren und Denitrieren salpetersäurehaltiger radioaktiver Lösungen" eingereichten Patentanmeldung besohrieben ist und darin besteht, daß das Konzentrieren und Denitrieren dieser Lösungen durch Eindampfen in Gegenwart von Phosphorsäure in einer reduzierenden Atmosphäre vorgenommen wird. Das Reduktionsmittel, insbesondere Formaldehyd, reduziert flüchtige Verbindungen wie Rutheniumtetroxid und vermindert 8o den Gehalt an radioaktiven Stoffen in den entstehenden Kondensaten.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus folgendem Vergleich: Wurde eine 6 % Ruthenium (bezogen auf den Feststoffgehalt) enthaltende salpetersaure Spaltproduktlösung nach dem Verfahren der Anmeldung "Verfahren zum Konzentrieren und Denitrieren salpetersäurehaltiger radioaktiver Lösungen" konzentriert und denitriert, so enthielt das entstehende Kondensat 0,01 % Ruthenium (bezogen auf die eingesetzte Menge).
  • Bei der anschließenden Verglasung entstand ein Abgas, in dessen Kondensat 0,4 ffi Ruthenium (bezogen auf die Einsatzmenge) enthalten war. Der Gesamtverlust an Ruthenium während Konzentrierung, Denitrierung und Verglasung betrug also 0,41 %. Wurde hingegen gemäß vorliegender Erfindung das Abgas der Verglasung in die Konzentrierungs-/Denitrierungsstufe eingeleitet, so enthielt das daraus erhaltene Kondensat weniger als 0,04 % Ruthenium (bezogen auf die eingesetzte Menge). Der Rutheniumverlust war also auf weniger als 1/10 vermindert.
  • Die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusammen mit der Konzentrierung, einer Denitrierung und einer Salpetersäurerückgewinnung anhand der Zeichnung-beschrieben: Die im Behälter 1 gesammelten Abfallösungen werden zur Vorkonzentration in den Umlaufverdampfer 2 geleitet. Die entstehenden Dämpfe passieren die Füllkörperkolonne 3 und werden im Kühler 4 niedergeschlagen. Aus dem Zwischenbehälter 5 wird mittels Pumpe 6 ein Teil des Kondensats als nur schwach radioaktive Lösung bei 7 abgezogen, der übrige Teil als Rückfluß auf die Millkörperkolonne 3 gegeben. Die vorkonzentrierte Abfallösung gelangt in dsn Zwischenbehälter 8.
  • Vor Beginn der Denitrierung wird die im Vorratsbehälter 9 befindliche Phosphorsäure in die elektrisch beheizte Blase 13, auf der die Füllkörpersäule 12 aufgesetzt ist, geleitet und dort auf Betriebstemperatur aufgeheizt. Die Abfallösung oder ein gemäß vorstehendem Absatz anfallendes Vorkonzentrat wird aus dem Behälter 8 auf die Mitte der Füllkörpersäule 12 gegeben, wobei die Lösung durch den Erhitzer 11 vorgeheizt wird. Zugleich wird aus dem Vorratsbehälter 14 Formaldehyd in die Blase 13 geleitet. Die entstehenden, Wasserdampf, nitrose Gase und Kohlendioxyd enthaltenden Dämpfe werden im Kühler 15 gekühlt und teilweise niedergeschlagen, das Kondensat im Zwischenbehälter 16 gesammelt. In diesen Zwischenbehälter wird zugleich Luft zur Oxydation der nitrosen Gase durch die Leitung 17 eingeblasen. Die aus dem Zwischenbehälter 16 entweichenden Gase werden im Kühler 18 gekühlt und in den Absorptionsturm 19 von unten eingeleitet. Salpetersäure wird mittels eines Kondensates der Salpetersäurekonzentration ausgewaschen und über die Pumpe 20 in den Zwischenbehälter 21 gefördert. Die salpetersäurefreien, nicht radioaktiven Abgase können bei 22 abgeleitet werden.
  • Die in der Absorption 19 gewonnene, im Zwischenbehälter 21 gespeicherte Salpetersäure wird zu ihrer Konzentration auf die Mitte der über dem elektrisch beheizten Umlaufverdampfer 23 befindlichen Kolonne 24 geleitet. Das im Kühler 25 anfallende Kondensat wird zum Teil als Rückfluß auf die Kolonne 24 gegeben, zum Teil im Zwischenbehälter 26 gesammelt. Aus diesem wird es durch die Pumpe 27 auf den Absorber 19 gefördert, überschüssiges Destillat kann über die Leitung 28 abgezogen werden.
  • Die anfallende konzentrierte Salpetersäure wird im Klihler 29 gekühlt und im Behälter 30 gesammelt. Über 31 kann sie zum Wlederaufarbeitungsprozeß zurückgeführt werden.
  • Nach Beendigung der Zuführung der Spaltprodukt-Lösung zur Blase 13 wird zunächst noch weitere Formaldehydlösung zur Reduktion des Nitrats eingespeist und sodann bis zurvollständigen Reduktion des Nitrats gekocht. Die in der Blase 13 befindliche Lösung hat dann weinen Feststoffgehalt von 50 bis 60 %. Aus dem Behalter 1o wird sodann so viel heiße Sodalösung über die Kolonne 12 in die Blase 13 gegeben, daß das zur Glasbildung günstige Verhältnis zwischen Metallen und Phosphorsäure (etwaMetaphosphat-Zusainmensetzung) erreicht wird. Die erhaltene Mischung wird nach Verkochen des Eohlendioxyds im Zwischenbehälter 32 gespeichert, aus dem sie entsprechend der Leistungsfähigkeit der Verglasungsapparatür kontinuierlich mittels Pumpe 33 in den Tiegel 34 gefördert wird.
  • Dieser aus einem gegen die Phosphatschmelze beständigen Naterial, z.B. Platin gefertigte Tiegel 34 wird vom Ofen 35 so beheizt, daß sich in seinem unteren Teil eine oberhalb der Schmelztemperatur des Phosphatglases liegende Temperatur 0 von insbesondere 800 bis 1100 °C einstellt. Die Temperatur im oberen Teil des Tiegels 34 ist aufgrund der Konstruktion des Ofens 35 und wegen der dort stattfindenden Verdampfung des Wassers der eingespeisten Aufschlämmung niedriger; sie liegt in der Einspeis-Zone insbesondere zwischen 1oo und 400 C und in der Kalzinations-Zone bei 700 00. Nach der Verdampfung des Wassers entsteht zunächst ein Kalzinat, das im unteren Teil des Tiegels aufschmilzt. Die entstehende Schmelze wird von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich in die Kokille 36 abgelassen, die durch den Ofen 37 beheizt ist.
  • Die beim Verdampfen des Restwassers und bei der Verglasung im Tiegel 34 entstehenden Gase (in der Hauptsache Wasserdampf, aber auch flüchtige Stoffe) werden nach Abscheidung evtl. mitgerissener Feststoffteile im Abscheider 38 so in die Konzentrierungs- und Denitrierungsblase 13 zurückgeführt, daß sie in-die darin befindliche, kochende Flüssigkeit geleitet werden.
  • Beispiel: Innerhalb von 15 Stunden wurden au die beschriebene Art unter Vorlage von 6,3 1 einer auf 140 C erhitzten 85 %igen Phosphorsäure und Zugabe von 4 1 einer 40 %igen Formaldehydlösung 150 1 einer auf 11o OC erhitzten Abfallösung in die Konzentrierungs-Denitrierungsblase geleitet und darein konzentriert und denitriert. Die Abfallösung entsprach einer bei der Extraktion von Brennelementen nach dem THOREX-Prozeß anfallenden und hatte folgende Zusammensetzung: HNO3 1,45 Mol/l F o,339 gIl Al 1,223 g/l H3204 o,426 g/l Spaltprodukte 13,6 g/l, davon o,82 g/l Ru.
  • Die innerhalb einer Stunde aus der Denitrierungs-/Konzentrierungsstufe kommenden Gase hatten einen Ruthenium-Gehalt von weniger als 1 mg.
  • Nach Beendigung der Denitrierung und Konzentrierung wurden zu der heißen Mischung 5,5 Liter einer Sodalösung mit 200 g Na2C03/1 gegeben und die Kohlensäure verkocht. Es wurden 1o 1 einer gut pumpbaren Aufschlämmung mit 10,4 kg Feststoffen und einem Restnitratgehalt von weniger als o,o1 Mol erhalten.
  • Von dieser Aufechlämmung wurden innerhalb von ioo Minuten 1 1 in einen, die Form eines aufrechtstehenden Zylinders aufweisenden Tiegel aus Quarz geleitet, der an seinem unteren Ende auf looo OC aufgeheizt war; die Temperatur im Einspeisbereich des Tiegels betrug etwa loc OC. Die bei der Verdampfung und Verglasung entstehenden Gase wurden kondensiert; sie enthielten 492 mg Ruthenium.
  • In einem weiteren Versuch wurde in gleicher Weise 1 1 der genannten Bufschlämmung verglast, die entstehenden Gase jedoch in die Konzentrierungs-Denitrierungsblase zurückgeführt, in der unter den oben genannten Bedingungen eine Lösung der erwähnten Zusammensetzung denitriert und konzentriert wurde.
  • Die während der Rückführung der bei der Verglasung entstehenden Gase anfallenden Kondensate der Denitrierungs-Konzentrierungsstufe enthielten 38 mg Ruthenium.

Claims (3)

Patentaneprüche:
1. Verfahren zur Bindung von radioaktiven Abfallstoffen in Phosphatgläsern durch Konzentration, gegebenenfalls Denitrierung und Verglasung, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Glasbildung anfallenden Gase in die Konzentrationsetufe geleitet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Glasbildung anfallenden Gase in die flüssige Phase der Konzentrationsstufe geleitet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daB die zu verglasenden Abfälle thoriumhaltig sind bzw.
aue dem THOREX-Prozeß stammen.
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