[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze.
Ionenaustauscherharze werden beispielsweise beim Betrieb kerntechnischer Anlagen dazu
verwendet, das Kühlmittel des Primärsystems, also Wasser, zu reinigen. Ziel dieser
Reinigung ist die Vermeidung von nicht gewünschten Ablagerungen, die Vermeidung von
Korrosionen sowie die Verminderung des Kontaminationsaufbaus im Primärkreislauf der
Anlage. Neben sauren Kationenaustauschern, die dem Primärkühlmittel unter anderem
radioaktive Metallionen, beispielsweise Kobalt 60 entziehen, werden auch basische
Anionenaustauscher eingesetzt. Bevor verbrauchte Ionenaustauscherharze in ein Endlager
verbracht werden können, müssen sie konditioniert werden. Darunter versteht man allgemein
die Überführung eines radioaktiven Abfalls in eine endlagerungsfähige Form. Im Falle
kerntechnischer Anlagen werden verbrauchte Ionenaustauscherharze zunächst in anlageneigenen
Harzabfallbehältern aufbewahrt und später zum Zwecke der Zwischenlagerung getrocknet
und zum Zwecke der Endlagerung in eine feste Matrix eingebettet, beispielsweise einzementiert.
Die Einbettung der Ionentauscherharze in eine feste Matrix führt zu einer Volumenvermehrung
um mehr als das Sechsfache. Auf Grund der großen Menge anfallenden Abfalls ergeben
sich für den Betreiber eines Kernkraftwerks erhebliche Kosten für die Zwischen- oder
Endlagerung. Es wurden daher Konzepte entwickelt, das Volumen der Ionenaustauscherharze
zu verringern. Eines dieser Konzepte sieht eine Verbrennung vor. Dies erfordert jedoch
aufwändige Filteranlagen, um einen Austritt von Radioaktivität in die Umgebung zu
verhindern. Ein zweites Konzept sieht eine Nassoxidation der Harze unter sehr hohem
Druck vor. Bei beiden Konzepten ist der technische Aufwand so hoch, dass Kernkraftwerksbetreiber
bisher auf konventionelle Lösungen zurückgreifen, nämlich zum einen Trocknen der Harze
und Zwischenlagerung in Fässern und zum anderen Einbindung der unbehandelten Harze
in eine feste Matrix wie z.B. Zement oder Bitumen und Endlagerung in Fässern.
[0002] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze
vorzuschlagen, mit dem bei geringem gerätetechnischen und Kostenaufwand das Abfallvolumen
verringert werden kann.
[0003] Diese Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ionenaustauscherharze,
die üblicherweise in Granulatform vorliegen, mit Wasser vermischt, also eine Aufschlämmung
hergestellt wird. Eine derartige Aufschlämmung wird nun vorzugsweise bei einer Temperatur
von mehr als 30 °C in einem Kreislauf durch eine Reaktionsstrecke hindurchgeführt,
in der mittels einer dort vorhandenen Einrichtung Hydroxylradikale gebildet werden,
wodurch der oxidative Abbau der Ionenaustauscherharze erheblich beschleunigt wird.
Ein Überdruck, der druckfeste und dementsprechend teure Behälter und Rohrleitungen
erfordert ist dabei nicht erforderlich.
[0004] Bei der in Anspruch 2 angegebenen Lösung wird mit Hilfe der Einrichtung ein Plasma
erzeugt. Die dazu erforderliche Energiezufuhr kann auf verschiedene Weise erfolgen,
nämlich durch thermische Anregung, durch Strahlungsanregung, etwa durch UV-Licht,
sowie durch elektrostatische und elektromagnetische Felder. Vorzugsweise wird ein
Plasma mit Hilfe eines Lichtbogens erzeugt. Durch die Energiezufuhr entstehen aus
Wassermolekülen, Molekülen des Oxidationsmittels und den Makromolekülen des Ionenaustauscherharzes
sowie aus Bruchstücken der Makromoleküle ionisierte Teilchen, Elektronen und Radikale.
Dadurch wird der oxidative Abbau der Ionenaustauscherharze erheblich beschleunigt,
indem die energiereichen Teilchen, insbesondere Radikale wie Hydroxylradikale nicht
nur bereits gebildete Bruchstücke der Makromoleküle angreifen sondern auch auf die
Oberfläche von makroskopischen Partikeln der Ionenaustauscherharze zersetzend einwirken.
Bei Anwesenheit sauerstoffhaltiger Oxidationsmittel, insbesondere von Wasserstoffperoxid
ist ein sehr hoher Anteil von Hydroxylradikalen vorhanden. Aus dem Zusammenwirken
der entstehenden Radikale und dem zugesetzten Oxidationsmittel ergibt sich somit eine
erhebliche Beschleunigung des oxidativen Abbaus der Ionenaustauscherharze. Die Mehrzahl
der technisch relevanten Harze basiert auf vernetzten Styrol-Divinylbenzol-Kopolymeren,
welche im Falle sauerer Kationenaustauscher Sulfon-, Phosphon- oder Karbonsäuregruppen
und im Falle basischer Anionenaustauscher, z. B. quartäre Ammonium-Gruppen oder primäre,
sekundäre oder tertiäre Ammino-Gruppen aufweisen. Als Reaktionsprodukte des oxidativen
Abbaus entstehen hauptsächlich CO
2 und Wasser, wobei das CO
2 aus dem Verfahrenskreislauf ausgeschleust wird. Übrig bleibt im Wesentlichen Wasser,
in dem die Säuregruppen der sauren Austauscherharze in Form der entsprechenden Säuren
bzw. die Ammonium- und Aminogruppen der basischen Austauscherharze in Form entsprechender
Ammonium- bzw. Aminosalze gelöst sind. Das Abfallvolumen kann mit Hilfe des vorgeschlagenen
Verfahrens etwa um den Faktor 10 verringert werden.
[0005] Bei der Lösung gemäß Anspruch 3 ist in der Reaktionsstrecke eine Einrichtung zur
UV-Bestrahlung vorhanden. Im Gegensatz zu der weiter oben beschriebenen Verfahrensweise
wird die Energie der UV-Strahlung so gewählt, dass ein Plasma zumindest im merklichen
Ausmaße nicht entsteht. Der Wellenlängenbereich des UV-Lichts ist so gewählt, dass
zum einen kovalente Bindungen des Ionenaustauscherharzes aufgetrennt und zum anderen
z.B. aus einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel Hydroxylradikale gebildet werden.
Auch bei einer solchen Verfahrensweise ergibt sich eine erhebliche Beschleunigung
des oxidativen Abbaus der Ionenaustauscherharze. Auch hier entstehen die oben schon
erwähnten Reaktionsprodukte, nämlich hauptsächlich CO
2 und Wasser.
[0006] Die in Anspruch 4 angegebene Lösung sieht schließlich vor, dass mit der in der Reaktionsstrecke
vorhandenen Einrichtung eine anodische Oxidation der Ionenaustauscherharze bzw. der
daraus entstandenen Molekülbruchstücke durchgeführt wird. Die Einrichtung umfasst
im Wesentlichen mindestens zwei Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode. Zu
Beginn des Abbaus der Ionenaustauscherharze ist bei dieser Verfahrensvariante zunächst
das zugesetzte Oxidationsmittel wirksam. Dieses trennt aus der Polymermatrix des Ionenaustauscherharzes
Molekülbruchstücke heraus, die dann an der Anode und natürlich auch durch das Oxidationsmittel
selbst weiter oxidativ abgebaut werden.
[0007] Als Oxidationsmittel werden bei allen Verfahrensvarianten vorzugsweise Wasserstoffperoxid,
Ammoniumperoxid-Disulfat und gasförmig zudosierter Sauerstoff allein oder in Mischung
eingesetzt, wobei jedoch Wasserstoffperoxid besonders bevorzugt ist. Die oxidative
Zersetzung kann weiterhin durch Zusatz eines Katalysators beschleunigt werden. Ein
insbesondere im Zusammenhang mit Wasserstoffperoxid eine erhebliche Beschleunigung
des oxidativen Abbaus bewirkender Katalysator sind Eisen-II und/oder Eisen-II-Salze,
Cu-I und/oder Cu-II-Salze oder Mischungen der genannten Fe- und Cu-Salze. Diese katalysieren
die Bildung von Hydroxylradikalen aus Wasserstoffperoxid. Der Anteil an diesen Radikalen
in der Reaktionsmischung wird dadurch weiter erhöht, so dass sich der oxidative Abbau
der Ionenaustauscherharze beschleunigt.
[0008] Weiterhin ist vorgesehen, dass ein Teil des Wassers der Aufschlämmung vorzugsweise
während der Zersetzung durch Energiezufuhr verdampft wird, um dadurch das Volumen
der Restflüssigkeit weiter einzuengen. Vorzugsweise dient zur Verdampfung die mit
einer der oben genannten Einrichtungen zugeführte Energie, so dass zusätzliche Heizungseinrichtungen
gegebenenfalls nicht erforderlich sind. Der Gehalt des Wassers in der Restlösung wird
durch Verdampfung so eingestellt, dass die anschließende Einbindung der Restlösung
in eine feste Matrix ohne eine weitere Zusatzbehandlung durchgeführt werden kann.
Der Gehalt des Wassers liegt dabei im Bereich von etwa 10 bis 15 Gew. % der Endmatrix
bzw. des verfestigten Endprodukts.
[0009] Die am Reaktionsende vorliegende Restlösung wird mit Hilfe eines Bindemittels verfestigt,
wobei vorzugsweise Zement verwendet wird. Die Verfestigung mit Zement wird unter Zusatz
von Salzen vorgenommen, deren Kationen mit Sulfationen einen in Wasser schwer löslichen
Niederschlag bilden. Der schädliche Einfluss der Sulfationen auf die Verfestigung
des Zements wird dadurch deutlich verringert. Dementsprechend ist eine geringere Menge
an Zement erforderlich, um die Restflüssigkeit zu binden. Vorzugsweise werden Erdalkalioxide
und -hydroxide eingesetzt. Um die Druckfestigkeit des Zement-Endprodukts zu erhöhen,
können Oxide und/oder Hydroxide des Aluminiums und/oder des Siliziums zugesetzt werden.
[0010] Bei der oxidativen Zersetzung von Kationen-Austauscherharzen wird ein pH-Wert ≤ 8,
vorzugsweise von 1 bis 3 eingestellt. Bei solchen Bedingungen ist die Oxidationswirkung
von Wasserstoffperoxid besonders stark ausgeprägt. Außerdem bleiben alle Kationen
sowie die Aktivität als Sulfatsalze in Lösung, was die Weiterverarbeitung der Restlösung
erleichtert.
[0011] Im Falle eines Anionen-Austauscherharzes wird ein pH-Wert > 7, vorzugsweise von 10
bis 14 eingehalten. Solche Verhältnisse stellen sich aufgrund der basischen Austauschergruppen
von selbst ein. Manche Oxidationsmittel, etwa Wasserstoffperoxid, zeigen in basischer
Umgebung eine reduzierte Oxidationswirkung. Es ist nun denkbar, durch Zugabe von Säuren
in den sauren Bereich zu gelangen. Dies hätte aber den Nachteil, dass damit die zu
entsorgende Abfallmenge erhöht würde. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante werden
daher die basischen Verhältnisse belassen und statt einer pH-Wertreduzierung bei diesen
Bedingungen wirksame Oxidationsmittel, vorzugsweise Sauerstoff und/oder Ozon eingesetzt.
Bei dieser Verfahrensweise fallen im Zuge der oxidativen Zersetzung der Ionenaustauscherharze
Eisen-, Nickel-, Chrom-, Aktivitäts-Hydroxide an, die mittels eines mechanischen Trennverfahrens
(Filtration, Zentrifugieren etc.) aus der Restlösung entfernt werden.
[0012] Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
[0013] Die Zeichnung zeigt in stark vereinfachter schematisierter Form eine Anlage zur Zersetzung
von Ionenaustauscherharzen, welche eine Reaktionsstrecke bzw. einen Oxidationsreaktor
1 umfasst. Dieser ist im wesentlichen von einem beispielsweise tonnenförmigen Behälter
gebildet. An den Oxidationsreaktor 1 ist ober- und unterseits eine Ringleitung 2 angeschlossen.
Über eine Öffnung 3 ist der Oxidationsreaktor 1 mit einer wässrigen Aufschlämmung
von Ionenaustauscherharzen beschickbar. Bei der oxidativen Behandlung von sauren Kationenaustauscherharzen
entstehen aus deren Austauschergruppen Säuren wie Phosphon- oder Sulfonsäuren, so
dass sich hier von alleine ein pH-Wert einstellt, der deutlich im sauren Bereich liegt.
Im laufenden Prozess der oxidativen Ionenaustauscherharzzersetzung wird eine Konzentration
an Wasserstoffperoxid von 5 bis 10.000 mg/l Lösung eingestellt. Die Menge an Wasserstoffperoxid
orientiert sich hierbei an der jeweils verwendeten Technik zur Erzeugung von Hydroxylradikalen
(Unterwasser-Plasma, anodische Oxidation, UV-Licht). Zur Reaktionsbeschleunigung werden
Eisen-II/Eisen-III-Ionen und/oder Kupfer-I/Kupfer-II-ionen in Form löslicher Salze
zudosiert. Dabei wird eine Konzentration von größer 0,05 mMol/l, vorzugsweise von
0,05 bis 0,25 mmol/l eingestellt, indem stetig oder intermittierend der Aufschlämmung
eine entsprechende Menge zudosiert wird. Die Eisen- oder Kupferionen werden vorzugsweise
gleichzeitig mit dem Wasserstoffperoxid zudosiert.
[0015] Bei einer zweiten Verfahrensvariante erfolgt die Energiezufuhr in Form einer UV-Bestrahlung,
wobei aber deren Intensität nicht ausreicht um ein Plasma zu erzeugen. Der Frequenzbereich
der UV-Quelle liegt dabei im Bereich von 100 nm bis 800 nm, vorzugsweise von 200 nm
bis 400 nm. Die UV-Bestrahlung bewirkt zum einen eine Spaltung kovalenter Bindungen
des Ionenaustauscherharzes oder daraus gebildeter Zwischenprodukte. Zum anderen werden
aus dem als Oxidationsmittel zugesetzten Wasserstoffperoxid Hydroxylradikale gebildet,
die etwa entsprechend dem oben angegebenen Reaktionsschema weiter reagieren.
[0016] Bei einer dritten Verfahrensvariante schließlich wird mit Hilfe der Einrichtung 4
eine anodische Oxidation durchgeführt. Dazu sind mindestens zwei Elektrodenpaare,
also eine Anode und eine Katode vorhanden, welche an eine Gleichstromquelle angeschlossen
sind. Bei einem Stromfluss von 20 bis 40 A und einer Spannung von 5 bis 20 V beträgt
die Elektrodenfläche ca. 100 bis 200 cm
2/l Aufschlämmung. Die Elektroden bestehen beispielsweise aus metallischem Vollmaterial
, Graphit und/oder beispielsweise aus mit Metallen der Pt-Gruppe des PSE oder Diamant
beschichtetem Material. Auch bei dieser Verfahrensvariante wird die Reaktionsmischung
im Kreislauf gepumpt wobei hier, wie auch bei den beiden anderen Verfahrensvarianten,
das Reaktionsvolumen bis zu 1000 Mal pro Stunde durch den Oxidationsreaktor 1 geführt
wird.
[0017] Bei allen drei Verfahrensvarianten entstehen als Reaktionsprodukte CO
2 und Wasser und daneben die aus den Austauschergruppen hervorgegangenen Stoffe wie
Schwefelsäure, Sulfonsäure, Phosphorsäure oder im Falle von basischen Austauschern
Ammoniumverbindungen, eventuell auch Nitrit- und Nitrationen. Das während des oxidativen
Abbaus gebildete Kohlendioxid wird während des Abbauprozesses über eine Ablassöffnung
6 der Reaktionsmischung entzogen. Die Energiezufuhr über die Einrichtung 4 kann so
gesteuert werden, dass ein Teil des Wassers der Aufschlämmung verdampft, wobei der
Wasserdampf den Oxidationsreaktor beispielsweise über die genannte Öffnung 6 verlässt.
[0018] Bei der Konditionierung von Kationen-Austauscherharzen wird ein pH-Wert von gleich
oder kleiner 8, vorzugsweise von 1 bis 3 eingehalten. Solche pH-Werte bzw. saure Verhältnisse
stellen sich bei den genannten Austauscherharzen in der Regel von selbst ein, so dass
eine Zugabe von Säuren, die das zu entsorgende Abfallvolumen vergrößern würden, nicht
erforderlich ist. Als Oxidationsmittel wird bevorzugt Wasserstoffperoxid verwendet,
das bei den angegebenen pH-Werten, insbesondere bei pH-Werten von 1 bis 3 sehr effektiv
ist. Die aus den Austauschergruppen gebildeten Sulfate oder Phosphate sind im sauren
und leicht basischen Bereich löslich. Eine Volumenverringerung derartiger Restlösungen
erfolgt durch Verdampfen. Im Falle der Konditionierung von Anionenaustauscherharzen
herrschen aufgrund der basischen Austauschergruppen basische Verhältnisse bzw. pH-Werte
bis 12, insbesondere von 10 bis 12 vor. Eine pH-Wert-Einstellung durch Zudosieren
einer Base, was auch hier die zu entsorgenden Abfallmenge erhöhen würde, ist in der
Regel nicht erforderlich. Als im basischen Bereich effektiv arbeitende Oxidationsmittel
werden der Aufschlämmung Sauerstoff und/oder Ozon gasförmig zudosiert. In der Restlösung
enthaltende Metalle wie beispielsweise Eisen, Nickel oder Chrom fallen im alkalischen
Bereich in Form ihrer Hydroxide aus. Eine Volumenreduzierung kann daher durch eine
Filtration, eine Zentrifugation oder ein sonstiges Trennverfahren erfolgen, wobei
der Restlösung bzw. der Restsuspension Wasser entzogen und diese danach mit Hilfe
eines Bindemittels verfestigt werden. Meist fallen Kationen- und Anionentauscherharze
in einer kerntechnischen Anlage gleichzeitig an, so dass es zweckmäßig ist, die beiden
Harze gemeinsam zu konditionieren, dabei aber das Mischungsverhältnis der Harze so
zu wählen, dass sich in der Aufschlämmung saure Verhältnisse einstellen. Am Ende der
Konditionierung liegt dann eine Restlösung vor, in sämtliche Reaktionsprodukte in
gelöster Form vorliegen, s dass überschüssiges Wasser zweckmäßigerweise durch eine
Verdampfung erfolgt.
1. Verfahren zur Konditionierung radioaktiver Ionenaustauscherharze, bei dem
das Ionenaustauscherharz in einer wässrigen, wenigstens ein Oxidationsmittel enthaltenden
Aufschlämmung im Kreislauf durch eine Reaktionsstrecke hindurchgeführt wird, in der
mittels einer dort vorhandenen Einrichtung (4) Hydroxylradikale gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit Hilfe der Einrichtung (4) ein Plasma erzeugt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Aufschlämmung mit Hilfe der Einrichtung (4)
mit UV-Licht bestrahlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mit Hilfe der Einrichtung (4) eine anodische Oxidation
der Ionenaustauscherharze durchgeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,,
gekennzeichnet durch
die Verwendung wenigstens eines Oxidationsmittels aus der Gruppe Wasserstoffperoxid,
Ammoniumperoxidisulfat, Sauerstoff und Ozon.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zersetzung des Ionenaustauscherharzes unter Zusatz wenigstens eines Salzes aus
der Gruppe Fe-II-, Fe-III-, Cu-I-, und Cu-II-Salz durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mit der Einrichtung (4) zugeführte Energie zur Verdampfung eines Teils des Wassers
der Aufschlämmung verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das bei der Zersetzung des Ionenaustauscherharzes gebildete CO2, gegebenenfalls zusammen mit Wasserdampf, aus der Aufschlämmung entfernt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine als Reaktionsprodukt verbleibende Restlösung durch Zusatz eines Bindemittels
verfestigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Bindemittel Zement verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich ein Salz zugesetzt wird, dessen Kation mit Sulfationen ein in Wasser schwerlösliches
Salz bildet.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Erdalkalisalz zugesetzt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass zusätzlich oxydische Produkte zugesetzt werden, die die Druckfestigkeit des Zement-Endproduktes
erhöht.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass Oxide und/oder Hydroxide des Aluminiums und/oder Siliziums zugesetzt werden.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , bei dem im Falle eines Kationen-Austauscherharzes
ein pH-Wert ≤ 8 eingehalten wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem ein pH-Wert von 1 bis 3 eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem im Falle eines Anionen-Austauscherharzes
ein pH-Wert > 7 eingehalten wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein pH-Wert von 10 bis 12 eingestellt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, bei dem als Oxidationsmittel Sauerstoff und/oder
Ozon eingesetzt werden.