DE2400123B2

DE2400123B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Konzentrieren von flüssigen radioaktiven Abfällen

Info

Publication number: DE2400123B2
Application number: DE2400123A
Authority: DE
Inventors: Jozsef Hirling; Laszlo Liptak; Gyula Lovass; Oszkar Pavlik; Karoly Szivos
Original assignee: EROEMUE ES HALOZATTERVEZOE VALLALAT EROETERV; MAGYAR TUDOMANYOS AKADEMIA IZOTOP INTEZETE
Current assignee: EROEMUE ES HALOZATTERVEZOE VALLALAT EROETERV; MAGYAR TUDOMANYOS AKADEMIA IZOTOP INTEZETE
Priority date: 1973-12-27
Filing date: 1974-01-03
Publication date: 1978-05-03
Also published as: FR2279205B1; DE2400123C3; FR2279205A1; DE2400123A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 4.

Entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DD-PS 42534 bereits ein Verfahren zum Einengen von flüssigen radioaktiven Abfällen bekannt, bei dem ein geeignetes temperaturbeheiztes Gas, z. B. Luft, den Flüssigkeitsspiegel der radioaktiven Abfälle bestreicht und dabei den infolge des Partialdruckgefälles austretenden Dampf mitnimmt. Die Temperatur des Trägergases wird dabei so eingestellt, daß eine fortschreitende Verdunstung an der Oberfläche der Flüssigkeit eintritt, ohne daß radioaktive Bestandteile enthaltende Flüssigkeitsteilchen mitgerissen werden. Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Steingutbehälter vorgeschlagen, der vorzugsweise am Entstehungsort aufgestellt werden soll und in dem die Abfallflüssigkeit je nach Anfall eingefüllt wird und sich im unteren Teil des Behälters sammelt. Auf einem Schwimmer ist das Ende eines biegsamen Schlauches befestigt, durch welchen das Trägergas in den Behälter eingespeist wird. Über die Art und Weise der Gasführung werden keine Angaben gemacht, es heißt lediglich, daß der Abstand der Austrittsöffnung zum Flüssigkeitsspiegel möglichst gleich gehalten werden soll. Über ein durch den Dekkel des Behälters gefülltes Tauchrohr wird das Trägergas abgesaugt. Nachdem der Behälter gefüllt ist,

ίο wird er durch Zugießen verschlossen und an den Ort seiner dauernden Einlagerung verbracht.

Dieses Verfahren eignet sich nur für die Einengung kleinerer Flüssigkeitsmengen, z. B. 10 bis 50 Liter und kann daher für die Endlagerung, wo die untere Grenze der Wirtschaftlichkeit bei einer Menge von mehreren 100 ην¹ pro Jahr liegt, nicht verwendet werden. Da der Flüssigkeitsspiegel im Laufe der Einengung ständig ansteigt, ändern sich dementsprechend auch die Strömungsverhältnisse und damit die Stoffüber-

>o gangskoeffizienten an der Oberfläche. Diese haben darüber hinaus eine lokal unterschiedliche Größe, da infolge des mit scharfem Strahl eintretenden Trägergases nicht die ganze Flüssigkeitsoberfläche gleichmäßig beaufschlagt wird, so daß Toträume mit niedriger Geschwindigkeit und damit auch niedrigem Stoffübergangskoeffizienten entstehen. Dies hat aber eine relativ geringe Verdampfungswirkung mit hoher Kontamination des abströmenden, beladenen Transportmittels zur Folge.

In der DE-OS 1614497 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem flüssige radioaktive Abfälle durch eine sogenannte Zerstäubungstrocknung aufbereitet werden. Dabei wird die Flüssigkeit einem zirkulierenden Gasstrom aufgegeben, dessen Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit so eingestellt sind, daß die Tröpfchen so lange in Schwebe bleiben, bis ihr Flüssigkeitsanteil verdampft ist. Mittels einer Heizung wird die Flüssigkeit auf einer Temperatur gehalten, die oberhalb des Siedepunktes liegt. Dadurch kommt es insbesondere bei größerem Salzgehalt zu einem Aufschäumen der Flüssigkeit und einer damit verbundenen Verminderung des Reinigungsfaktors. Die Einspeisung des Trägergases erfolgt jedoch tangential, so daß sich ein zirkulierender Luftstrom ergibt.

Aus der DE-AS 1639 299 ist eine Vorrichtung zum Eindicken radioaktiver Konzentrate bekannt, bei der ein Infrarotstrahler über der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, der von Spülluft umspült wird. Zur gleichmäßigen Führung dieser Spülluft umspült wird.

Zur gleichmäßigen Führung dieser Spülluft können Leitbleche vorgesehen sein. Eine derartige Vorrichtung ist sowohl hinsichtlich des Energieverbrauches als auch hinsichtlich der Effektivität des Stoffaustausches nachteilig.

•55 Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung der angegebenen Gattung derart zu verbessern, daß hinsichtlich eines optimalen Wirkungsgrades und eines über der gesamten Flüssigkeitsoberfläche gleichmäßig hohen Stoff-

bo Übergangskoeffizienten eine verbesserte Verdampfungswirkung bei verringerter Kontamination des abströmenden, beladenen Transportmittels erzielt wird.

Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen

b5 des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. 4 gelöst. Dabei ist insbesondere die spezielle Führung des Transportmittels von Bedeutung.
Durch diese Lösung wird erreicht, daß eine den ra-

dioaktiven Abfall enthaltende Flüssigkeit einem Behälter zugeführt wird, das Transportmittel durch einen über der Oberfläche der Flüssigkeit angeordneten Kanal in den Behälter eingeblasen und in Wirbelströmung über die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird, wobei es den dann aus der Flüssigkeit unterhalb des Siedepunktes austretenden Dampf aufnimmt, während das Konzentrat nach erfolgter Konzentrierung endgültig in den genannten Behälter gelagert wird. Durch die tangentiale Einführung des Trägergases in den Behälter wird erreicht, daß die gesamte Flüssigkeitsoberfläche nahezu gleichmäßig mit Transportmitteln bzw. Trägergas beaufschlagt wird, so daß sich keine Toträume ausbilden können. Die die Stoffübergangsgeschwindigkeit bestimmende Dicke der Diffusionsschicht bzw. die Größe des Turbulenzgrades an der Oberfläche können optimal eingestellt werden.

Da die Konzentrierung an Ort und Stelle der endgültigen Lagerung vorgenommen wird, entfallen zusätzliche Transportkosten und das gefährliche Umfüllen.

Durch die Wirbelströmung wird zwar einerseits die Flüssigkeitsoberfläche gleichmäßig bestrichen, durch die verminderte Geschwindigkeit jedoch erreicht, daß das Transportmittel keine radioaktiven Flüssigkeitspartikel mitreißt.

Mit den Merkmalen des Patentanspruches 2 wird erreicht, daß die für das Verfahren benötigte Energie möglichst gering gehalten werden kann.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein vereinfachtes Funktionsschema einer anlage zum Konzentrieren von flüssigen radioaktiven Abfällen,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer in der Anlage gemäß Fig. 1 befindlichen Einrichtung zum Konzentrieren von flüssigen radioaktiven Abfällen,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Einrichtung nach Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Einrichtung zum Konzentrieren von flüssigen radioaktiven Abfällen und

Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Einrichtung nach Fig. 4.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung gelangt der abzulagernde flüssige Abfall entweder nach vorhergehender Behandlung, oder ohne dieselbe in den Speisebehälter 1. Von dem Speisebehälter fördert eine Speisepumpe 2 den flüssigen Abfall in eine Verdampfungseinrichtung 3. Um eine optimale Kapazität zu erreichen, muß das Flüssigkeitsniveau in der Verdampfungseinrichtung 3 zweckmäßig auf einem nahezu konstanten Wert gehalten werden. Deshalb wird die Förderleistung der Speisepumpe 2 durch ein Regelventil 4 in Abhängigkeit des Flüssigkeitsniveaus der Verdampfungseinrichtung 3 geregelt. Die sich in der Verdampfungseinrichtung 3 abspielenden Vorgänge und die Form der Verdampfungseinrichtung 3 sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Die Verdampfungseinrichtung 3 ist ein aus rostfreiem Stahl hergestellter walzenförmiger Stehbehälter und weist einen Innenbehälter 8 und einen Außenbehälter 9 auf. Der Innenbehälter 8 ist oben geöffnet und dient zur Aufnahme der Lösung. Der Außenbehälter 9 ist oben bedeckt und dient einerseits für die Hermetisierung und die Leitung des Transportmittels und verhindert andererseits für den Fall der Beschädigung des Innenbehälters, daß der radioaktive Abfall in die Umgebung gelangen kann. Das heiße, trockene Transportmittel

tritt in die Verdampfungseiniichtung 3 durch den Eintrittsstutzen 5 tangential ein. Die Eintrittsgeschwindigkeit beträgt 10 bis 30 m/Sek. und hängt von dem verwendeten Mittel und der Konstruktion ab. Im oberen Zylinder bildet sich eine Wirbelströmung aus.

lu Gleichzeitig bewegt sich das Transportmittel an die Oberfläche der Flüssigkeit. In dem konischen Teil des Behälters vermindert sich die tangentiale Geschwindigkeit des Transportmittels, und die Geschwindigkeit über dem Flüssigkeitsspiegel beträgt nur einige m/

Sek. Die sich nach unten richtende Geschwindigkeitskornponente des wirbelnden Transportmittels kann leichter geregelt werden, wenn ein Teil des Mittels längs der Achse senkrecht nach unten geleitet wird. Die Einleitung des Abwassers erfolgt durch einen

2c Stutzen 6 in der Achsenlinie unter das Flüssigkeitsniveau.

Die Elektrode 7 dient der Niveaumessung der im Behälter 8 befindlichen Flüssigkeit. Da die Flüssigkeit im Behälter Salze, Säuren und Laugen enthält und eine ziemlich große Leitfähigkeit hat, kann bei der Messung des Flüssigkeitsniveaus ein elektrischer Niveaumesser verwendet werden, bei dem ein Pol einer Stromquelle mit parallelgeschalteten Elektroden verschiedener Länge verbunden ist, während der andere

jo Pol am Innenbehälter 8 anliegt. In jedem Stromkreis der Elektroden ist ein Relais geschaltet. Wenn das Flüssigkeitsniveau das Ende der Elektrode erreicht, erhöht sich die Stromstärke in ihrem Stromkreis, worauf das Relais anzieht und ein Signal abgibt.

j3 Über dem Wasserspiegel strömendes trockenes, warmes Transportgas sättigt sich mit Wasserdampf. Die Temperatur des Abwassers ist niedriger als sein Siedepunkt, so daß die Verdampfung des Wassers nur von der Oberflache des Wasserspiegels erfolgt. Das

4ü garantiert eine sehr hohe Dekontamination. Gegenüber den Verdampfern fehlt hier eine die Oberfläche des Wasserspiegels durchbrechende senkrechte Materialströmung. Somit tritt keine Aufschäumung oder kein Mitreißen von Tropfen auf. Infolge der unterhalb des Siedepunktes erfolgenden Verdampfung gelangen die im Abwasser gelösten aktiven Gase nur in kleinen Mengen in das Transportmittel. Die Geschwindigkeit der Verdampfung wird durch die Intensität des sogenannten nassen Wärmeaustausches bestimmt, welche von dem Diffusionskoeffizienten, dem Druck, der Geschwindigkeit des Transportmittels sowie von der Differenz der Partialdrücke des Dampfes über dem Wasserspiegel und dem Transportmittel abhängt. Als Transportmittel eignet sich am besten Luft. Jedoch in vielen Fällen kann auch ein anderes Gas vorteilhafter sein. Wenn als Transportmittel Stickstoff verwendet wird, vermindert sich die Korrosionsgefahr im System. Wenn im System Helium verwendet wird, kann sich neben der Beseitigung der Korrosionsprobleme die spezifische Leistung des System erhöhen.

Das Transportmittel mit erhöhtem Dampfinhalt strömt von dem Abdampfraum tangential in den Heizraum, der zwischen dem Innenbehälter 8 und dem Außenbehälter 9 ausgestaltet ist. In den Weg des in den Heizraum eintretenden Transportmittels kann aus Sicherheitsgründen ein Tropfenabscheider angeordnet werden. Die einfachste Lösung für die Tropfenabscheidung ist in Fig. 2 gezeigt und beinhaltet die

am Innenbehälter 8 angeordnete Kante 20.

Das Transportmittel im Heizraum wird durch die am Innenbehälter 8 angeschweißte Leitgewinde 10 geleitet. Das im Heizraum strömende Transportmittel überträgt einen großen Teil seiner Wärme auf den Innenbehälter, womit der Wärmeverlust des Abwassers infolge der Verdampfung ausgeglichen wird.

Das Abwasser im Innenbehälter 8 ist praktisch in Ruhe. Deshalb setzen sich die in dem radioaktiven Abwasser vorhandenen Feststoffe auf dem Boden des Behälters ab. Infolge der Temperaturabhängigkeit der Wichte des Wassers ist die Temperatur des Wassers im unteren Teil des Behälters geringer als an der Oberfläche, was die Ausscheidung der gelösten Salze auf den Boden des Behälters fördert. Die weitere Folge des sich ausbildenden Temperaturgradienten ist, daß die Temperatur des Transportgases unten im Heizraum geringer sein kann, als die Temperatur der Flüssigkeit an dem Wasserspiegel, deshalb kann die Kondensation des im Transportmittel vorhandenen Wasserdampfes schon in dem unteren Teil des Heizraumes anfangen. Bei der Kondensation entbundene Wärme gelangt in den Innenbehälter 8 zurück, wodurch sich der thermische Wirkungsgrad des Systems erhöht. Der im Heizraum kondensierende Niederschlag gelangt durch einen Stutzen 11 und einen Siphon in ein Gefäß 13 für Kondenswasser.

Wenn die Leistung der Einrichtung durch die Verminderung durch die Wandung des Innenbehälters übertragbaren Wärme beschränkt wird, z. B. wegen jo der Verschmutzung des Behälters, dann kann die Intensität der Heizung dadurch gesteigert werden, daß im Raum zwischen den zwei Behältern durch einen Stutzen 19 Dampf in das Transportgas geleitet wird. Das Transportmittel verläßt die Verdampfungsein- j-3 richtung 3 durch einen Austritlsstutzen 12 und gelangt in einen Kondensator 14. Der Kondensator 14 bewirkt die wirksame Entfernung des im Transportmittel vorhandenen Wasserdampfes. Der Kondensator 14 besteht aus einem Röhrenwärmeaustanscher stehender oder liegender Ausführung. In den Röhren des Kondensators strömt kaltes Kühlwasser 15 und im Raum zwischen den Röhren das Transportmittel. Eine auf die Kühlfläche gerichtete Wärmeströmung ergibt sich größtenteils aus der Kondensation des im Transportmittel vorhandenen Wasserdampfes und zu einem kleinen Anteil aus der Abkühlung des Transportmittels. Die Temperatur des aus dem Kondensator austretenden Transportmittels verringert sich wenig. Die relative Feuchtigkeit des Transportmittels wird aber wesentlich geringer als 100%. Der Absolutwert des Feuchtigkeitsgehaltes des Transportmittels entspricht dem in der Nähe der Temperatur des austretenden Kühlwassers liegenden Sättigungs-Feuchtigkeitsgehaltes. Im Kondensator 14 und auf dem Boden des Außenbehälters 9 angesammelter Niederschlag sammelt sich in dem Gefäß 13 für Kondenswasser an. Es ist zweckmäßig, die Aktivität des Niederschlages stetig zu kontrollieren. Nach dem Kontrollieren kann der Niederschlag in das die radioaktiven Abwässer erzeu- ω gende Objekt zurückgebracht werden.

Ein Ventilator 16 fördert das Transportmittel aus dem Kondensator in eine Heizeinheit 17. Die Heizeinheit wird in üblicher Weise mit Dampf oder mit heißem Wasser beheizt. Das erwärmte Transportmit- b5 tel gelangt von der Heizeinheit zur Verdampfungseinrichtung zurück.

In der Einrichtung zirkuliert das Transportmittel in einem geschlossenen Kreis. Wenn das Transportmittel Luft ist, dann kann das System mit kleinem Unterdruck oder mit Überdruck arbeiten, bei der Verwendung von anderen Gasen jedoch nur mit Überdruck. Wenn das Transportmittel Luft ist, wird der Unterdruck durch den mit der Abluftanlage des Betriebs für die Abfallaufbereitung verbundener Stutzen 18 gesichert. Bei der Überdruck-Ausführung ergibt sich der Überdruck durch das durch den Stutzen 18 eingeleitete Gas, wodurch sich eine Minderung der Verluste einstellt. Da das System völlig geschlossen ist, kann die Gasleckage auf einen minimalen Wert vermindert werden. Da die Aktivität des Transportmittels klein ist, werden die eventuellen Leckgase mit der Abluft des Betriebes für Abfallaufbereitung fortgeführt. In dem erfindungsgemäßen Abfallaufbereitungsverfahren können die charakteristischen Betriebswerte und -mittel die folgenden sein:

Transportmittel Luft oder Stockstoff
Temperatur

vor dem Eindampfen 80-160° C

Temperatur

vor dem Kondensieren 40- 90° C

Temperatur

nach dem Kondensieren 30- 80° C

Spezifische Zirkulation der Luft
bezogen auf den Wasserspiegel 200-400 mVnr · 1 Temperatur des Abwassers im
Innenbehälter 50- 90° C

Die Verdampfungsgeschwindigkeit, bezogen aul den Wasserspiegel, verändert sich wesentlich in Abhängigkeit von der Art des Transportmittels und uei Betriebsparameter. Dieser Wert ist annähernd 2 bi; 15 kp/m² ■ h. Der Dekontaminationsfaktor häng ebenfalls von mehreren Parametern ab. Dieser Wer beträgt ohne Dampfreinigung 10⁵ bis K)⁶.

Die Anordnung der erfindungsgemäßen Einrichtung hängt wesentlich von der spezifischen Aktivitä und der Zusammensetzung des zu behandelnden Abwassers ab. Im gewöhnlichen Fall muß nur die Verdampfungseinrichtung und eventuell der Speisebehäl ter mit einer Strahlungsabschirmung versehen wer den. Wenn sich der Speicherraum mit dem breiartiger Konzentrat füllt, dann sollen die Außenanschlüsse ge sperrt werden.

Wenn der Salzgehalt des radioaktiven Abwasser: groß ist, oder wenn die entstandenen Abwässer au heikömmliche Weise konzentriert werden, kann die erfindungsgemäße Einrichtung mit kleinerer spezifi scher Flächenleistung in einfacherer Ausführung unc billiger aufgebaut werden. Die Vereinfachung wire dadurch ermöglicht, daß der für die Konzentrierunj des Abwassers und für die Endlagerung desselber dienende Behälter nicht doppelwandig, sondern ein wandig ist.

Diese Einrichtung stimmt im wesentlichen mit den Außenbehälter 9 der in Fig. 2 dargestellten Einrich tung überein. Diese Lösung ist in Fig.4 und Fig.5 dargestellt. Der Unterschied gegenüber dem in Fig. Ί und Fig. 3 gezeigten Doppelbehälter besteht darin daß der Austrittsstutzen 12 für das Transportmitte auf der bauchigen Oberfläche des Deckels angeordnei ist, und der Stutzen 11 für die Konclensableitung de: Außenbehälters wegfällt.

Bei dieser Ausführung erfolgt die Wärmeeinleitunf nur durch den Wasserspiegel. Die Wärmeeinleitunj durch die Seitenwandung des Behälters fällt weg.

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Das die Wärme und den Dampf liefernde Transportmittel wird bei dieser Ausführung durch den an dem Deckel des Behälters ausgestalteten tangentialen Einführungsstutzen 5 in Wirbelströmung über die Flüssigkeitsflächc gerichtet, und das Transportmittel wird durch den an dem oberen bauchigen Feil des Behälters angeordneten Austrittsstutzen 12 weggeleitet.

Die spezifische Leistung dieser Ausführung, bezogen auf den Flüssigkeitsspiegel, ist neben den vorher angegebenen Parametern des Transportmittels 1 bis 2 kg/nr · h.

Bei der Ausführung mit einwandigem Behälter kleinerer spezifischer Leistung können die außerhalb der Verdampfungseinrichtung liegenden Vorrichtun-

gen unverändert bleiben. Jedoch kann aber die Einschaltung des Kondensators 14 in den Transportmittelstrom weggelassen werden.

Bei dieser Ausführung kann wegen des kleineren, spezifischen Leistungs- und Heizbedarfes die Ausgestaltung der Heizeinheit 17 mit elektrischer Heizung erfolgen.

Mit der erfindungsgemälkn Einrichtung ist die Konzentrierung von flüssigen Abfällen abhängend von der Zusammensetzung der primären Abfälle sogar bis zu einem Feststoffgehalt von 500-1000 g/l möglich, so daß der Lagerraumbedarf für die Verarbeitung von flüssigen Abfällen gegebener Menge wesentlich kleiner ist, als bei allen bekannten Verfah-

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Konzentrieren von flüssigen radioaktiven Abfällen durch Abdampfen unterhalb des Siedepunktes, wobei die Flüssigkeit in einen zur Endlagerung des Konzentrates dienenden zylindrischen Behälter eingeleitet, ein gasförmiges, aufgeheiztes Transportmittel über dem Flüssigkeitsspiegel eingeblasen und das mit Dampfpartikeln aus der Flüssigkeit beladene Transportmittel abgeleitet wird, dadurch gekennzeichne t, daß das Transportmittel zur Ausbildung einer Wirbelströmung tangential mit einer nach unten gerichteten Geschwindigkeitskomponente in den zylindrischen oberen Teil des Behälters eingeblasen und die Tangentialgeschwindigkeit des Transportmittels durch den sich daran anschließenden konischen Teil vermindert wird, daß das Flüssigkeitsniveau konstant gehalten wird, daß Dampfpartikel aus dem beladenen Transportmittel auskondensiert werden und daß das Transportmittel aufgeheizt und in einem geschlossenen Kreislauf in den Behälter rückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abströmende Transportmittel über die Außenfläche des Behälters geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem über die Außenfläche des Behälters geführten Transportmittel Dampf zugegeben wird.

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Behälter (9) ein weiterer oben offener Behälter (8) für die Flüssigkeit angeordnet ist, wobei in dem Raum zwischen den beiden Behältern (8, 9) ein das Transportmittel führendes Leitgewinde (10) vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Weg des im Raum zwischen dem Behälter (9) und dem weiteren Behälter (8) eintretenden Transportmittels ein Tropfenabscheider (20) angeordnet ist.