СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ АЭС С БОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ Российский патент 1994 года по МПК G21F9/08 

Изобретение относится к химической технологии и касается вопроса переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) атомной электрической станции (АЭС) с борным регулированием.

Известен способ обработки ЖРО АЭС с борным регулированием, предусматривающий упаривание ЖРО с отгонкой борной кислоты в процессе упаривания, при котором после достижения в упариваемом растворе солесодержания 130-150 г/л упаривание ведут в азотнокислой среде при рН 3,5-4,0 [1] . Недостатками данного способа являются высокие энергозатраты на отгонку борной кислоты, низкая производительность и недостаточная степень извлечения борной кислоты из ЖРО, высокая степень радиоактивного загрязнения получаемой при этом борной кислоты вследствие брызгоуноса при кипении раствора ЖРО.

Известен способ обработки ЖРО АЭС с борным регулированием, включающий последовательно осуществляемые процессы упаривания ЖРО АЭС до концентрации 250-300 г/л в пересчете на борную кислоту, кристаллизации образовавшегося концентрата, отделения твердой фазы от маточного раствора, растворения выделенной твердой фазы в обессоленной воде, пропускания образовавшегося раствора через катионитовый и анионитовый фильтры и выделения раствора регенерированной борной кислоты с концентрацией 30-40 г/л [2] .

Основные недостатки этого известного способа обработки ЖРО АЭС с борным регулированием заключаются, наряду с недостаточной степенью извлечения борной кислоты за счет потерь ее с регенерационными растворами анионитового фильтра, в необходимости доочистки получаемых растворов от ионов щелочных металлов, а также от нитрат-ионов и других анионов на ионнообменных смолах, что приводит к увеличению количества захораниваемых отходов.

Цель изобретения - сокращение объема подлежащих захоронению радиоактивных отходов.

Цель достигается за счет повышения степени извлечения борной кислоты из ЖРО АЭС с борным регулированием и исключения необходимости ионообменной доочистки ее с обеспечением качества извлекаемой борной кислоты, позволяющего без дальнейшей переработки использовать ее по общепромышленному назначению, в том числе за пределами АЭС.

Этот результат достигается в предлагаемом способе обработки ЖРО АЭС с борным регулированием, включающем последовательно осуществляемые процессы упаривания отходов, кристаллизации образовавшегося концентрата, отделения твердой фазы от маточного раствора, растворения выделенной твердой фазы, пропускания образовавшегося раствора через анионитовый фильтр и выделения борной кислоты, в котором дополнительно осуществляют контроль за процессом кристаллизации путем слежения за температурой концентрата в процессе кристаллизации, а отделение твердой фазы от маточного раствора и последующие процессы осуществляют в том случае, если на температурной зависимости возникает участок нарушения ее монотонности, при отсутствии участка нарушения монотонности концентрат возвращают в начало цикла на повторное упаривание, а при выявлении такого участка раствор твердой фазы подвергают предварительно ультрафильтрации, а затем пропускают через анионитовый фильтр до тех пор, пока рН элюата за анионитовым фильтром не начнет снижаться, после чего анионитовый фильтр подвергают промывке и регенерации. Полученный при этом промывочный раствор используют в последующем для растворения твердой фазы, а регенерат пропускают через ионоселективный фильтр и упаривают до 80-250 г/л в пересчете на борную кислоту.

На фиг. 1 представлена температурно-временная зависимость на примере охлаждения упаренного раствора; на фиг. 2 - влияние объема пропущенного через анионитовый фильтр раствора (измеренного в объемах, кратных объему сильноосновного сорбента фильтра) на концентрацию борат-ионов и рН элюата за анионитовым фильтром; на фиг. 3 - влияние концентрации борной кислоты в растворе на степень ее выделения для различных температур охлаждения; на фиг. 4 - схема обработки ЖРО АЭС с борным регулированием.

Изобретение основано на следующем.

До момента выделения твердой фазы в процессе кристаллизации упаренного концентрата не наблюдается нарушения монотонности температурной зависимости на участках А и В кривой 1 (фиг. 1); в случае образования твердой фазы в процессе кристаллизации упаренного концентрата на температурной зависимости, представленной на кривой 1, выявляется нарушение монотонности на участке Б, свидетельствующее о повышении температуры концентрата. При введении дополнительного слежения за температурой концентрата в процессе кристаллизации отсутствие участка Б нарушения монотонности температурной зависимости на кривой 1 (фиг. 1) свидетельствует об отсутствии или незначительном образовании кристаллической твердой фазы и концентрат в этом случае рекомендовано возвращать в начало цикла на повторное упаривание; при выявлении же участка Б нарушения монотонности температурной зависимости на кривой 1 в процессе кристаллизации упаренного концентрата предлагается осуществлять с полученной суспензией последующие процессы отделения твеpдой фазы от маточного раствора, растворения выделенной твердой фазы, ультрафильтрации и пропускания образовавшегося раствора через анионитовый фильтр, что позволяет избежать непроизводительных энергозатрат при извлечении борной кислоты из ЖРО АЭС с борным регулированием.

При пропускании образовавшегося раствора, предварительно подвергнутого ультрафильтрации, при которой из раствора удаляются коллиодные и нерастворимые примеси, а также нефтепродукты, через анионитовый фильтр вначале на фоне возрастания концентрации борат-ионов в элюате за анионитовым фильтром (кривая 2 на фиг. 2) наблюдается рост величины рН на кривой 3 на фиг. 2, что связано с преобладанием в элюате катионов сильной щелочи, преимущественно натрия; по мере дальнейшего пропускания раствора боратов щелочных металлов через анионитовый фильтр темп роста концентрации борат-ионов в элюате за фильтром интенсивно снижается, что наглядно видно на кривой 2 (фиг. 2) и одновременно падает темп роста величины рН элюата на кривой 3 (фиг. 2), что свидетельствует об относительном постоянстве соотношения концентраций катионов сильной щелочи и борат-ионов в элюате и стабилизации процесса сорбции на анионитовом фильтре. Дальнейшее пропускание раствора боратов щелочных металлов через анионитовый фильтр сопровождается интенсивным ростом концентрации борат-ионов в элюате (кривая 2 на фиг. 2) на фоне нарушения постоянства соотношения концентраций ионов сильной щелочи и борат-ионов, что и вызывает одновременное падение величины рН на кривой 3 (фиг. 2) элюата за анионитовым фильтром. Пропускание раствора боратов щелочных металлов через анионитовый фильтр до тех пор, пока не начнет снижаться рН элюата за анионитовым фильтром, позволяет избежать интенсивного проскока через анионитовый фильтр борат-ионов еще до момента его полного насыщения и за счет этого повысить степень извлечения борной кислоты из ЖРО АЭС с борным регулированием.

Выявленная необходимость удаления значительной части радиоактивных загрязнений межкристаллитного пространства сильноосновного сорбента анионитового фильтра обуславливает целесообразность проведения промывки анионитового фильтра перед его регенерацией, а размещение за анионитовым фильтром ионоселективного фильтра обеспечивает возможность получения в результате обработки ЖРО АЭС с борным регулированием борной кислоты, удовлетворяющей по своим техническим характеристикам, в том числе по уровню радиоактивности, требованиям, предъявляемым к борной кислоте для промышленного применения; использование отработанного промывочного раствора для растворения твердой фазы на предшествующих операциях технологического процесса способствует снижению затрат на извлечение борной кислоты из ЖРО АЭС с борным регулированием.

При проведении процесса упаривания регенерата с анионитового фильтрат при концентрации борной кислоты в упаренном растворе более 250 г/л возникают затруднения с транспортированием раствора из-за осаждения твердой фазы в трубопроводе, что недопустимо по условиям эксплуатации оборудования, а при концентрации борной кислоты в упаренном растворе менее 80 г/л недопустимо мала степень выделения (К) борной кислоты из упаренного раствора, что наглядно видно из представленных на фиг. 3 данных, характеризующих взаимосвязь величины К с температурами охлаждения 20^оС (кривая 4) и 30^оС (кривая 5); при концентрации борной кислоты в упаренном растворе 80-250 г/л удаляется с одной стороны избежать осаждения твердой фазы в трубопроводе при транспортировании упаренного раствора и с другой - обеспечить приемлемую степень выделения борной кислоты при охлаждении упаренного раствора.

Схема обработки ЭРО АЭС с борным регулированием, представленная на фиг. 4, включает в себя соединенные трубопроводами емкость 1 для сбора ЖРО, выпарной аппарат 2, обогреваемый внешним паром, кристаллизатор 3, охлаждаемый проточной водой, обычно с температурой 20-30^оС, фильтровальный аппарат 4, например центрифугу, для отделения твердой фазы от маточного раствора, емкость 5 для растворения твердой фазы, бак 6 для сбора маточного раствора, установку 7 ультрафильтрации, анионитовый фильтр 8, заполненный сильноосновным сорбентом, ионоселективный фильтр 9, заполненный природным цеолитом, выпарной аппарат 10, обогреваемый внешним паром, кристаллизатор 11, охлаждаемый проточной водой, фильтровальный аппарат 12, например центрифугу, для отделения твердой фазы, сушилку 13, обогреваемую внешним паром, и сборник 14 конечного продукта. Кристаллизатор 3, так же и кристаллизатор 11, оснащены соответственно датчиками 15 и 16, измеряющими температуру раствора в кристаллизаторе, соединенным с вторичными регистрирующими приборами 17 и 18. За анионитовым фильтром 8 установлен датчик 19 рН-метра, соединенный с вторичным прибором 20, фиксирующим величину рН элюата за анионитовым фильтром 8. На входе в анионитовый фильтр 8 установлены дополнительные патрубок 21 для подвода обессоленной воды и патрубок 22 для подвода регенерационного раствора; емкость 1 снабжена дополнительным патрубком 23 для подвода возвратного раствора, емкость 5 оснащена дополнительным патрубком 24 для подвода обессоленной воды и раствора, полученного при промывке анионитового фильтрата 8. Схема также оснащена дозирующей и контролирующей аппаратурой, насосами для перекачки растворов (на фиг. 4 не показаны).

Обработку ЖРО АЭС с борным регулированием осуществляют следующим образом. Собранные в емкости 1 ЖРО с общим солесодержанием 4-5 г/л и суммарной радиоактивностью 10^-5-10^-6 Ки/л подают в выпарной аппарат 2, откуда упаренный концентрат с общим солесодержанием до 500 г/л при концентрации борат-ионов до 250 г/л, в пересчете на борную кислоту, и суммарной радиоактивностью до 10^-3 Ки/л направляют в кристаллизатор 3, где он охлаждается при постоянном перемешивании до температуры стабилизации, обычно 20-30^оС. Контроль за процессом кристаллизации в кристаллизаторе 3 осуществляют по показаниям вторичного прибора 17, соединенного с датчиком 15 (фиг. 4). В случае отсутствия участка Б нарушения монотонности температурной зависимости (фиг. 1) концентрат из кристаллизатора 3 возвращают в начало цикла в патрубок 23 емкости 1 на повторное упаривание в выпарной аппарат 2; при возникновении же участка Б нарушения монотонности (фиг. 1) полученную суспензию из кристаллизатора 3 подают на разделение в фильтровальный аппарат 4, из фильтровального аппарата 4 отделенную от маточного раствора твердую фазу, состоящую преимущественно из кристаллов боратов щелочных металлов, подают на растворение в емкость 5, куда через патрубок 24 подают обессоленную воду и/или промывочный раствор после анионитового фильтра, а маточный раствор из фильтровального аппарата 4 направляют в бак 6 для последующей переработки (на фиг. 4 не показано). Приготовленный в емкости 5 раствор твердой фазы с концентрацией борат-ионов до 60 г/л в пересчете на борную кислоту и суммарной радиоактивностью до 10^-8 Ки/л направляют на установку 7 ультрафильтрации, осветленный после ультрафильтрации раствор с прозрачностью до 95% направляют на анионитовый фильтр 8. По мере пропускания осветленного раствора через анионитовый фильтр 8 контролируют по показаниям вторичного прибора 20 величину рН элюата за анионитовым фильтром 8 и пропускание ведут до тех пор, пока рН элюата за анионитовым фильтром не начнет снижаться (кривая 3 на фиг. 2). После этого анионитовый фильтр 8, на котором сорбированы, в основном, борат-ионы, промывают обессоленной водой, подаваемой в патрубок 21 (фиг. 4), а полученный при этом промывочный раствор подают в емкость 5 на растворение твердой фазы. Затем на анионитовый фильтр 8 через патрубок 22 подают водно-аммиачный регенерационный раствор (фиг. 4); полученный в результате регенерации анионитового фильтра 8 бороаммиачный раствор (регенерат) с концентрацией борат-ионов до 25 г/л в пересчете на борную кислоту и суммарной радиоактивностью до 10^-9 Ки/л пропускают через ионоселективный фильтр 9 для исключения возможности проскока радионуклидов на последующие стадии обработки бороаммиачного раствора. Затем бороаммиачный раствор поступает на концентрирование в выпарной аппарат 10, где он концентрируется до 80-250 г/л в пересчете на борную кислоту при суммарной радиоактивности концентрата до 10^-10 Ки/л; полученный при упаривании регенерата вторичный пар после конденсации и корректировки (на фиг. 4 не показано) возвращают в водно-аммиачный регенерационный раствор, подаваемый в патрубок 22 анионитового фильтра 8. Концентрат из выпарного аппарата 10 поступает в кристаллизатор 11, где он охлаждается при постоянном перемешивании до температуры стабилизации, обычно 20-30^оС. Контроль за процессом кристаллизации концентрата в кристаллизаторе 11 ведут по показаниям вторичного прибора 18, соединенного с датчиком 16 (фиг. 4). После выявления нарушения монотонности температурной зависимости, проявляющегося в возникновении участка Б на кривой 1 (фиг. 1), полученную в кристаллизаторе 11 суспензию, содержащую кристаллы борной кислоты с примесью бората аммония, направляют на разделение в фильтровальный аппарат 12. Маточный раствор из фильтровального аппарата 12 направляют на дальнейшее использование, а отделенную в фильтровальном аппарате 12 от маточного раствора твердую фазу, представляющую собой кристаллы борной кислоты с влажностью до 12% , направляют в сушилку 13. Выгруженная из сушилки 13 борная кислота с концентрацией основного компонента более 98,5% и остаточной влажностью 0,5% поступает в сборник 14, откуда после контроля и расфасовки (на фиг. 4 не показано) борная кислота направляется потребителю.

Полученная в результате обработки ЖРО АЭС с борным регулированием борная кислота, выход которой составляет до 84% от содержания борат-ионов в ЖРО в пересчете на борную кислоту, содержит лимитированных примесей (хлор, натрий, кальций, окись кремния и др. ) на уровне 10^-2-10^-3 мас. % , а концентрация радионуклидов (Со⁶⁰, Сs¹³⁴, Сs¹³⁷) находится в интервале 10^-9-10^-10 Ки/кг.

Изобретение применимо в атомной промышленности при переработке жидких радиоактивных отходов АЭС с борным регулированием, а полученная в результате указанной переработки борная кислота пригодна для общепромышленного применения, в том числе за пределами АЭС.

Изобретение позволяет сократить объем подлежащих захоронению отходов за счет повышения степени извлечения борной кислоты из жидких радиоактивных отходов (ЖРО) АЭС с борным регулированием, пригодной для общепромышленного применения. Обработка ЖРО включает последовательно осуществляемые процессы упаривания ЖРО, кристаллизации образовавшегося концентрата при осуществлении дополнительного контроля за процессом кристаллизации. При отсутствии участка нарушения монтонности температурной зависимости концентрат возвращают в начало цикла на повторное упаривание, а при возникновении участка нарушения ее монотонности концентрат направляют на отделение твердой фазы от маточного раствора, растворяют отделенную от маточного раствора твердую фазу в обессоленной воде и/или промывочном растворе с анионитового фильтра, ультрафильтруют полученный раствор, пропускают фильтрат через анионитовый фильтр до тех пор, пока рН элюата за анионитовым фильтром не начнет снижаться. Затем промывают и регенерируют анионитовый фильтр, пропускают полученный регенерат через ионоселективный фильтр и упаривают его до 80 - 250 г/л в пересчете на борную кислоту. 4 ил.

СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ АЭС С БОРНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ, включающий последовательно осуществляемые процессы упаривания отходов, кристаллизации образовавшегоя концентрата, отделения твердой фазы от маточного раствора, растворения выделенной твердой фазы, пропускания образовавшегося раствора через анионитовый фильтр и выделения борной кислоты, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют контроль за процессом кристаллизации путем слежения за температурой концентрата в процессе кристаллизации, а отделение твердой фазы от маточного раствора и последующие процессы осуществляют в том случае, если на температурной зависимости возникает участок нарушения ее монотонности, при отсутствии участка нарушения монотонности концентрат возвращают в начало цикла на повторное упаривание, а при выявлении такого участка раствор твердой фазы подвергают предварительно ультрафильтрации, а затем пропускают через анионитовый фильтр до тех пор, пока pH элюата за анионитовым фильтром не начнет снижаться, после чего анионитовый фильтр подвергают промывке и регенерации, полученный при этом промывочный раствор используют в последующем для растворения твердой фазы, а регенерат пропускают через ионоселективный фильтр и упаривают до 80 - 250 г/л в пересчете на борную кислоту.