Гидротермальная переработка кубовых остатков АЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат технических наук Шматко, Сергей Иванович

• Шматко, Сергей Иванович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шматко, Сергей Иванович

1. ВВЕДЕНИЕ

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2.1.Введение

2.2.Проблема кубовых остатков выпарных аппаратов 7 спецводоочистки АЭС

2.2.1. Источники поступления радионуклидов в технологические 7 воды АЭС

2.2.2.0бращение с ЖРО на АЭС

2.2.3. Накопление и хранение кубовых остатков

2.2.4. Химический и радиохимический состав кубовых остатков

2.2.5. Переработка кубовых остатков АЭС

2.3. Окислительные методы в переработке жидких 38 радиоактивных отходов

2.4. Гидротермальные процессы

2.5. Селективные сорбенты в переработке кубовых остатков 42 АЭС

3. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ 48 ПЕРЕРАБОТКИ КУБОВЫХ ОСТАТКОВ АЭС

3.1. Экспериментальное исследование извлечения 48 радионуклидов при переработке кубовых остатков АЭС

3.1.1 .Очистка кубовых остатков АЭС от радионуклидов Cs

3.1.2. Очистка кубовых остатков АЭС от радионуклидов 60Со

3.2. Принципиальная схема гидротермальной переработки 58 кубовых остатков АЭС (лабораторные эксперименты)

3.3. Результаты стендовых испытаний технологии гидротермальной переработки кубовых остатков НВАЭС

4. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КУБОВЫХ ОСТАТКОВ АЭС

5. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ КУБОВЫХ ОСТАТКОВ АЭС

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гидротермальная переработка кубовых остатков АЭС»

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ Экологическая безопасность работы атомных электростанций (АЭС), во многом определяется уровнем технологий обращения с радиоактивными отходами (РАО). Совершенствование технологии обращения с РАО, одним из важнейших компонентов которых являются жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) является, в настоящее время, одной из основных задач обеспечения экологической безопасности работы АЭС. Главным требованием экологической безопасности переработки ЖРО, является уменьшение вероятности попадания долгоживущих радионуклидов в окружающую среду, что можно обеспечить, превращая жидкие радиоактивные отходы в твердые радиоактивные отходы (ТРО). При этом объем ТРО, полученных в процессе иммобилизации ЖРО и предназначенных для долговременного хранения, определяет уже экономическую эффективность переработки ЖРО. Таким образом, основной задачей совершенствования технологий переработки ЖРО является обеспечение надежной иммобилизации ЖРО и сокращение объемов ТРО передаваемых на долговременное хранение. При этом следует учитывать, что стоимость долговременного хранения единицы объема ТРО многократно больше стоимости переработки единицы объема ЖРО. Наиболее проблематичной в производственном цикле обращения с ЖРО на АЭС является стадия переработки кубовых остатков (КО) спецводоочистки (СВО) АЭС. Разработанные к настоящему времени технологии цементирования, битумирования и глубокого упаривания КО не дают существенного уменьшения объемов РАО и приводят к образованию ТРО не обеспечивающих достаточной безопасности хранения. Внедряемая в производство в последнее время технология ион-селективной очистки КО имеет множество недостатков, в первую очередь связанных с используемым при этом процессом озонирования КО. Именно поэтому, разработка новых технологий обращения с КО АЭС, позволяющих эффективно перерабатывать

КО в ТРО с минимальным объемом передаваемых на долгосрочное хранение РАО, актуальна для обеспечения безопасности работы АЭС и снижения себестоимости обращения с РАО на АЭС.

Данная работа выполнена в соответствии с плановой тематикой Института химии.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ заключается в:

1. разработке новых способов обращения с КО АЭС и создания на их основе технологии переработки КО АЭС в ТРО, безопасные при долговременном хранении.

2. испытании разработанной технологии на реальных кубовых остатках АЭС

3. оценке экономической эффективности разработанной технологии Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ:

• разработать принципиальную схему гидротермальной технологии переработки КО АЭС

• провести систематические исследования возможностей гидротермальной переработки КО АЭС

• разработать экономическое обоснование гидротермальной переработки КО АЭС

НАУЧНАЯ НОВИЗНА Гидротермальные технологии в последнее время показали свою перспективность в самых различных областях химической технологии. В то же время работ по использованию гидротермальных технологий в очистке жидких радиоактивных отходов до настоящего времени нет. Настоящая работа является первой в области применения гидротермальных технологий в практике обращения с жидкими радиоактивными отходами.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ РАБОТЫ На базе полученных научных результатов была создана технология гидротермальной очистки КО АЭС. С

05.2006 по 11.2006 г на 1-2 блоках НВАЭС проведены стендовые испытания гидротермальной технологии очистки КО АЭС. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

• Результаты лабораторных, опытных и стендовых испытаний гидротермальной технологии очистки КО АЭС.

• Экономические расчеты эффективности гидротермальной технологии переработки КО АЭС.

Личный вклад автора Автором разработаны основные положения гидротермальной технологии переработки КО АЭС, проведены расчеты экономической эффективности данной технологии.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на II и III семинарах МАГАТЭ по теме «Обращение с проблемными ЖРО» (Киев, 2005 и Мумбаи (Индия), 2006), конференции «Обращение с радиоактивными отходами» ВНИИАЭС (Москва, 2005), конференции «Современная химия (Теория, практика) Экология» (Барнаул, 2006), конференции «Приморские зори» (Владивосток, 2007), КРГ МАГАТЭ «Ядерное наследие СССР на Дальнем Востоке РФ»

Публикации По результатам работы получено два патента РФ, опубликовано 3 статьи и два технических документа МАГАТЭ.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 2.1. ВВЕДЕНИЕ

В данном обзоре автор ставил своей задачей дать общую схему образования кубовых остатков в технологических процессах обращения с ЖРО на АЭС, дать краткую химическую и радиохимическую характеристику кубовых остатков выпарных аппаратов СВО АЭС и рассмотреть, как уже используемые в практике, так и разрабатываемые методы переработки кубовых остатков АЭС. Поскольку наиболее перспективными методами переработки кубовых остатков являются селективные методы, в которых загрязняющие радионуклиды селективно удаляются из общего солевого раствора, в обзоре уделено специальное внимание селективным сорбентам, позволяющим осуществить такие процессы. Кроме того, рассмотрены различные способы жидкофазного окисления растворов, так как одной из основных задач, решаемых в данной работе, является именно разработка нового метода окисления органических компонентов кубового остатка.

Заключение диссертации по теме «Ядерные энергетические установки, включая проектирование, эксплуатацию и вывод из эксплуатации», Шматко, Сергей Иванович

выводы

1. Разработан способ окисления кубовых остатков АЭС с использованием гидротермального процесса. Показано, что при гидротермальном окислении кубовых остатков при температурах 200-250 °С органические комплексы, удерживающие коррозионные радионуклиды разрушаются за время менее 10 мин.

2. Показано, что при проточном гидротермальном окислении кубовых остатков образуются оксиды переходных металлов, включающие радионуклиды кобальта в кристаллическую структуру.

3. Разработана гидротермальная технология переработки кубовых остатков АЭС, включающая предварительную очистку кубового остатка от радионуклидов цезия, гидротермальное окисление в слое оксидного катализатора, доочистку раствора от радионуклидов цезия фильтрацией на слое ферроцианидного сорбента и цементацию очищенного раствора. При этом образуется небольшой (менее 1 %) объем ТРО (отработанные фильтры и реакторы) и нерадиоактивные промышленные отходы, не требующие специального хранения.

4. Проведены стендовые испытания разработанной технологии на кубовых остатках 1-2 блока НВАЭС и показана перспективность использования данной технологии для решения проблем обращения с кубовыми остатками АЭС.

5. Проведена оценка экономической эффективности гидротермальной переработки кубовых остатков и показано, что общая стоимость обращения с РАО, включающая кондиционирование, хранение, транспортирование и захоронение при использовании гидротермальной технологии снижается более чем в 200 раз по сравнению с переработкой кубовых остатков цементированием и битумированием.

101

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шматко, Сергей Иванович, 2007 год

1. Коростелев Д.П. Водный режим и обработка радиоактивных вод атомных электростанций 1983, М. Энергоатомиздат, 240 с.

2. Жабо В.В. Охрана окружающей среды на ТЭС и АЭС. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 240 с.

3. Improvements of radioactive waste management at WWER nuclear power plants., IAEA-TECDOC-1492, IAEA, Vienna, April 2006

4. Кузнецов B.M., Острецов И.Н., Шингаркин M.A. Загрязненный радиоактивный металлом, радиоактивные отходы объектов атомной энергетики и Чернобыльской зоны. Возможность их попадания в промышленное производство Российской Федерации. Часть 1. РЗК, М., 2004

5. Технологические и организационные аспекты обращения с радиоактивными отходами. IAEA, 2006, TCR-25 г, pp. 107-125

6. University of Sheffield, The Centre for Cement and Concrete. Department of Civil and Structural Engineering. This is the largest concrete academic research centre in the UK. Website address: www.shef.ac.uk/uni/academic/A-C/ccc/

7. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Improved Cement Solidification of Low and Intermediate Level Radioactive Wastes, Technical Reports Series No. 350, IAEA, Vienna (1993).

8. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Conditioning of Low and Intermediate Level Radioactive Wastes, Technical Reports Series No. 222, IAEA, Vienna (1983).

9. Соболев И.А., Хомчик Л.М. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. ^М.: Энергоатомиздат, 1983, 128 с.

10. INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY, Bituminisation Processes to Condition Radioactive Waste, Technical Report Series No. 352, IAEA, Vienna (1993).

11. Чечельницкий Г.М., Лифанов Ф.А. СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ Патент РФ 2131152

12. Кудрявцев Б.К., Корчагин Ю.П., Резник А.А., Дмитриев С.А., Савкин А.Е., Зинин А.В., Хубецов С.Б., Чечельницкий Г.М. СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ АТОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ Патент РФ 2226726

13. R. Harjula, Y. Lehto, Е. Tusa, and A. Paavola, "Industrial scale removal of cesium with hexacyanoferrate exchanger -process development," Nucl. Technol., 107, No. 3, 272-278 (1994).

14. A.E. Савкин, С.А.Дмитриев, Ф.А.Лифанов, C.M Голобоков, Ю.Т. Сластенников, О.Г. Синякин. Возможность применения сорбционного метода для очистки жидких радиоактивных отходов АЭС. //Радиохимия 1999.- Т.41, №2.- С.172-176.

15. Савкин А.Е. Переработка кубовых остатков АЭС с использованием селективных сорбентов // Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук.- М., 1999.- 24 с

16. Dmitriev S. A,. Lifanov F. A, Savkin А. Е., and Lashchenov С. М. Handling of the Bottom Residues of a Nuclear Power Plant Atomic Energy, 2000, Vol. 89, No. 5, pp 884-889

17. Арустамов А.Э., Зинин A.B., Красников П.В., Прилепо Ю.П., Перевезенцев В.В., Савкин А.Е., Свитцов А.А., Хубецов С.Б. Метод ионоселективной очистки жидких радиоактивных отходов атомных станций. // «Безопасность жизнедеятельности», 2005, № 4.

18. Brooks S. С., Taylor D. L., and Jardine P.M.Reactive transport of EDTA-compIexed cobalt in the presence of ferrihydrite// Geochimica et Cosmochimica Acta, 1996, Vol. 60, No. 11, pp. 1899-1908

19. Rosikova К., John J., Sebesta F. Comparision of Photocatalytic Degradation of Organic Complexants and Metal Complexes Thereof //Chem. Listy Vol.94 No. 9, 2000, pp852-853

20. В.Н.Косяков, Н.Г.Яковлев, П.Е.Пискарев. Возможности электрохимических методов в ядерно-энергетическом топливном цикле. // В кн.: Вторая Российская Конференция по радиохимии, г.Димитровград, 27-31 окт. 1997г. Тезисы докладов

21. V.Kosyakov, N.Yakovlev, I.Veleshko,L. Gorovoj, G.Kusnetsov, L Shklyar.Decontamination of LRW of Low and Intermediate Level of Activity with a New Bio-Sorbent Mycoton/Proceedings of GLOBAL 2005,Tsukuba, Japan, Oct 9-13, 2005,Paper No. 241

22. Чугунов А. С., Рыбкин С. С., Нечаев А. Ф. Основы гальванохимического метода переработки ЖРО с повышенным содержанием органических соединений/ Сборник научных трудов. Ч. 1. М.:Изд-во МИФИ. 2003, с. 55-56.

23. Komaromy P., Krojer A., Pataki I., Kreisz J., Schermer I., Tilky P., The Application of Underwater Plazma Technology in Radioactive WasteWater Treatment/ Proc. Int. Symp. on Radiation Safety Management/.Nov. 2-4, 2005, Daejeon, Korea, p. 140-150

24. Marton G., Szanya Т., Hanak L., Simon G., Hideg J., Makai J., Schunk J. Purification of nuclear power plant decontamination solutions by preparative scale reactive adsorption./ZChemical Engineering Science, 1996, Vol.51, N.ii, pp 2655-2660

25. M. Semelova, J. John, F. Sebesta, R. Harjula, A. Paajanen: Separation of Radiocobalt from NPP Evaporator Concentrate, Czech. J. Phys. 2006, Vol. 56.

26. Zimmermann F. J. Sewage sludge treatment by wet air oxidation // Proc. 13 Ind. Conf, Purdue Univ. 1958, vol. 96, P. 409-417.

27. Zimmermann F. J. New waste disposal process// Chemical engineering. 1958. vol. 25, P. 117-121.

28. Mishra V. S., Mahajani V. V., Joshi J. B. Wet air oxidation// Ind. Eng. Chem. Res. 1995. vol. 34, №1. P. 2-48.

29. Proesmans P. I., Luan L., Buelow S. J. Hydrothermal Oxidation of Organic Wastes Using Ammonium Nitrate Ind. Eng. Chem. Res., 1997, Vol.36, No.5, pp.1559-1566

30. Oldenborg R.; Robinson J.M.; Buelow S.J.; Dyer R.B.; Anderson G.; Dell'Oreo, P.C.; Funk K.; Wilmanns E.; Knutsen K.; "Hydrothermal Processing of Inorganic Components of Hanford Tank Wastes," Los Alamos National Laboratory, 1994.

31. Dell'Orco P. C.; Foy B.R.; Wilmanns E.G.; Le L.A.; Ely J.; Patterson, K.;Buelow S.J. "Hydrothermal Oxidation of Organic Compounds by Nitrate and Nitrite," ACS Symposium Series Vol. 179, 608,1995.

32. Buelow S. J. Enhanced Sludge Processing of HLW: Hydrothermal Oxidation of Chromium, Technetium, and Complexants by Nitrate/1999 FINAL REPORT U. S. Department of Energy, Project Number: 54765, 23 p.

33. Ringwood A.E., Kesson S.E., Reeve K.D., Levins D.M., Ramm E.J. Synroc. In: Radioactive Waste Forms for the Future. Eds. Lutze W. and Ewing R.C. Amsterdam:Elsevier Science Publishers B.V., 1988. P. 233-334

34. Johnson C.D, Skakle J.M.S., Johnson M.G. Feldmann J. Macphee D.E. Hydrothermal synthesis, crystal structure and aqueous stability of two cadmium arsenate phases, CdNH4(HAs04)0H and Cd5H2(As04)4*4H20. J. Mater. Chem., 2003, Vol.13, pp. 1429-1432

35. P. A. Haas. A Review of Information on Ferrocyanide Solids for Removal of Cesium from Solution. Separation.Sci.and Tech. 1993, v.28, No.17-18, pp. 2479-2506,

36. Ketos'D. Macas'ek F. Matel L'. Adsorption of alkali and alkaline earth radionuclides on zeolite from water solution. J. of Radioanalitical and Nuclear Chemistry, 1991, v. 154 No.2, pp.81-88

37. Dosch R.G., Anthony R.G., Brown N.E., Sprung J.L., Stephens H.P. Advaced Forms of Titanate Ion-Exchengers for Chemical Pretretment of Nuclear Wastes. Abs. of papers of the Amer.Chem.Soc.1992, v.204, Aug. p.110.

38. Сухарев Ю.И., Егоров Ю.В. Неорганические иониты типа фосфата циркония. М., Энергоатомиздат, 1983,110 с.

39. Авраменко В.А., Бурков И.С., Голиков А.П., и др. Поглощение стронция сорбционно-реагентными материалами. Ж. физ. химии, 2004. Т.78. №3. С.493-496

40. G. Marton, Т. Szanya, L. Hanak, G. Simon, J. Hideg, J. Makai, J. Schunk. Purification of nuclear power plant decontamination solutions by preparative scale reactive adsorption. Chemical Engineering Science, 1996, v.51, NJJ, p.2655-2660.

41. Амфлетт С. Неорганические иониты. М., Мир. 1966, с. 179

42. Тананаев И.В. Химия ферроцианидов М., Наука, 1971, 320 с.

43. Pekarek V., Vesely V. Synthetic Inorganic Exchangers II. Salt of Heteropoly acids, Insoluble Ferrocyanides, Synthetic Aluminosilicates and Miscellaneous Exchangers. Talanta, 1972, Vol.19, pp. 1245-1293

44. Loewenschuss H. Metal-Ferrocyanide Complexes for Decontamination of Cesium from Aqueous Radioactive Waste. Radioact. Waste Manage. 1982, Vol.2, No.4. pp. 327-341

45. Loos-Neskovic C., Fedoroff M., Gamier E., Gravereau P. Zinc and Nikel Ferrocyanides: Preparation, Composition and Structure. Talanta, 1984, Vol.31, No. 12, pp. 1133-1147

46. Lehto J., Haukka S., Harujla R. of Cesium Ion Exchange on Potassium Cobalt Hexacyanoferrates (II), J. Shem.Soc., Dalton Trans., 1990, pp. 10071011

47. Loos-Neskovic C., Fedoroff M., Fixation Mechanisms of Cesium on Nikel and Zinc Ferrocyanides. Solv.Extr. Ion Exch. 1989, Vol.7, No.l, pp. 131-158

48. Loos-Neskovic C. Column-Usable Inorganic Fixator Preparation by Localized Growth on Solid Alkaline Ferrocyanide. J. Mater. Sci., 1990, Vol.25, 677-682

49. Калюжный A.B., Вольхин B.B., Милютин B.B. Ферроцианидные электроноионообменники для сорбции рубидия и цезия. Изв.ВУЗ. Цветная металлургия. 1980, №1., с.57

50. Кузнецов Ю. В., Щебетковский В. Н., Трусов А. Ш. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. М.: Атомиздат, 1974.

51. Салдадзе К. М., Копылова В. Д., Комплексообразующие иониты (комплекситы), М., 1980;

52. Бахирева О.И. Сложные оксигидроксиды и оксиды марганца (111,1 У) с ионами щелочных и щелочноземельных металлов и сорбенты на их основе для ионов стронция: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. хим. наук. Пермь, 1995. - 16 с.

53. Avramenko V.A. Shmatko S.I. Tech.Doc. IAEA, Venna, 2007