Experimentální technologická linka pro výzkum, vývoj a testování solidifikace kapalných radioaktivních odpadů s cílem minimalizace objemu
Ing. Jana Dymáčková[email protected]
Centrum výzkumu Řež s.r.o
Obsah
Radioaktivní odpady a solidifikační technologie
Projekt SUSEN
Experimentální technologická linka RAO (ETL)
Radioaktivní odpady
Jaderné elektrárny
Průmyslová výroba
Zdravotnictví
Výzkum
Produkce radioaktivních odpadů
Celkový konečný objem pevných radioaktivních odpadů (zpevněných kapalných, pevných slisovaných nebo nestlačitelných) by neměl být větší než 50 m3 na 1 000 MWe za rok normálního provozu elektrárny
Nakládání s radioaktivními odpady se řídí zákonem č. 18/1997 Sb
Radioaktivní odpady
4x VVER 440 s tlakovodními reaktory typu V V213 – výkon 510MWe
EDU
- Štěpné a aktivační radionuklidy – primárný okruh- Kontaminované plynné a kapalné média a pevné materiály- Potenciálně radioaktivní vody- Kaly ze sedimentačních nádrží a přesycené ionexy
ETE2x VVER-1000 s tlakovodními reaktory typu V320 – výkon 1055 MWe
Zdroje radioaktivních odpadů
Solidifikační technologie
imobilizace kapalných radioaktivních koncentrátů
dobrá vyluhovatelnost (při obsahu 30 – 40% solnosti koncentrátů)
nízká pevnost v tlaku a riziko samovolného vznícení v případě, že jsou v odpadu přítomny oxidační látky, matrice vylučují emise obsahující heterocyklické a polycyklické aromatické uhlovodíky, což jsou karcinogenní prvky
Bitumenace
Vitrifikace
imobilizace zbytků z přepracování vyhořelého paliva
imobilizace nízko a středně aktivních radioaktivních odpadů
nízká hodnota vyluhovatelnosti a výrazná redukce objemu výsledných produktů
jsou vysoké náklady pro optimalizaci procesu, energetická náročnost, a vznik toxických či radioaktivních plynů, které musí postoupit další čištění
Solidifikační technologie
vhodná pro fixaci pevných odpadů a práškových materiálů např. popílků ze spalování kontaminovaných pevných materiálů a drobných pevných nespalitelných materiálů
nenáročnou na technologické vybavení a vlastní provoz, nejpoužívanější fixační metoda
kompatibilita s odpadem zvyšuje objem výsledného produktu, při vysokém naplnění produktu solemi (45 %) je získaný produkt nekvalitní a nestálý (nízká pevnost a
odolnost), přítomnost boritanových iontů retardujících proces tuhnutí cementového produktu mohou při vysoké koncentraci vést až k trvalé plasticitě cementového produktu , limitující je také obsah organických látek obsažených v cementové směsi, loužitelnost kontaminantů je závislá na obsahu naplnění, poměru vody k cementu a dalších faktorech, voda může do cementu pronikat a kontaminanty, které jsou cementem pouze obklopeny při kontaktu s vodou můžou difundovat do okolního prostředí
výzkum a vývoj se zaměřuje na zlepšování vlastností matric na bázi cementů přídavkem např. alkalicky aktivovaných směsí (alkalických popílků), strusky, kaolinických látek a fosfátů.
Cementace
Solidifikační technologie
imobilizace kapalných a semikapalních radioaktivních koncentrátů, technologie zpracování stejná jako cementace
vysoká mechanická pevnost, vysoká hydrolytická odolnost, odolnost proti vlivům geologického prostředí, tepelná stabilita až do 1400°C, vysoká záchytná schopnost pro kationy těžkých kovů a radionuklidů, solidifikace kalů pomocí geopolymerní matrice byly vykázány vnikající výsledky (60% obj. odpadu ve fixované matrici, nízká vyluhovatelnost a hodnota pevnosti v tlaku výsledné matrice až 18 MPa )
solidifikace ionexů ukázala výrazné problémy týkající se výsledné stability materiálů ve vodě při testech vyluhovatelnosti,
Fixace do geoplymerů
Fixace do syntetických organických polymerůnízká hodnota vyluhovatelnosti, solidifikace může probíhat při okolní teplotě,
vhodnost pro imobilizaci vysušených odpadů (70% obj odpadu ve fixované matrici)
dosud není vhodný a ověřený způsob fixace odpadů s vyšší vlhkostí (max. 5%) a kapalných koncentrátů
Struktura projektu SUSEN a JPC program
Výzkum a vývoj nových materiálů a principů pro efektivnější a bezpečnější ukládání RAO
Vývoj pokročilých technologií a technologických postupů pro zneškodňování RAO a minimalizaci jejich objemu
Vývoj nových technologií palivového cyklu jaderných reaktorů nových generací založených na fluoridových technologiích
Vytvoření vědecko-technické základny pro podporu výstavby hlubinného úložiště v ČR
Vývoj nových metod detekce velmi nízkých aktivit dlouhodobých radionuklidů ve velmi malých objemech vzorků
Získání souboru poznatků o chování Coria pro účely zvýšení bezpečnosti jaderných reaktorů v post-havarijních stavech
Laboratoř pro nakládání s odpady
Vývoj pokročilých technologií a technologických postupů pro zneškodňování RAO a minimalizaci jejich objemu
Technologie Studený Kelímek
Technologie MSO
Experimentální technologická linka RAO (ETL)
12/2011: schválení
09/2015: ukončení výstavby
12/2013 -12/2020: VV výstupy a prokázání udržitelnosti
Průběh projektu SUSEN
09/2015: ukončení výstavby
Experimentální technologická linka RAO (ETL)
Technologická linka bude sloužit pro výzkum, vývoj a testování v oblasti solidifikace kapalných a semi- kapalných radioaktivních odpadů s cílem minimalizace výsledných objemů odpadů.
Vzhledem k výborným výsledkům z hlediska minimalizace výsledných objemů budou primárně studovány geopolymerní a polysiloxanové matrice.
Studium se zaměří na samotné metody fixace a zároveň na formy odpadů vstupujících do procesu solidifikace (zejména formy koncentrátů z odparek) a procesy probíhající v jednotlivých zařízeních, s cílem ověření možnosti záměny fixačních médií v komerčně využívaných zařízeních.
Výzkum bude soustředěn na kapalné a semi- kapalné odpady s dominantní složkou kyseliny borité, což jsou odpady z jaderných elektráren v ČR a SR.
Uvažuje se však také o využití této linky, nebo některých částí linky i pro solidifikaci jiných odpadů např. z reaktorů GEN IV.
Experimentální technologická linka RAO (ETL) výstupy v SUSEN
Vývoj pokročilých technologií a technologických postupů pro zneškodňování RAO a minimalizaci jejich objemu.
Realizace demonstračního zařízení pro minimalizaci objemu kapalných RAO na pětinu stávající produkce. Termín 06/2015.
Projektové podklady pro nakládání s RAO na nových blocích JE s plánovanou produkcí RAO v konečné formě pro ukládání max. 50 m3/1000MWe/rok. Termín 12/2017.
Certifikované analytické metody stanovení velmi nízkých koncentrací (aktivit) dlouhodobých radionuklidů v minimálně 3 různých matricích radioaktivních a přírodních materiálů. Termín:12/2018.
Výstupy pro SUSEN
Navazující projekty Genuin (H2020) -vVývoj způsobu fixace radioaktivních koncentrátů do geopolymerní matrice
– testování v aktivních podmínkách MSO (TaČR) - Vývoj způsobu fixace nasycených ionexů do boritanových solí Eurofusion - Výzkum a vývoj v oblasti separace a záchytu Tritia
Experimentální technologická linka RAO (ETL)
Odpařovací zařízeníExtruderFixační zařízení
Technologická linka se bude skládat z těchto zařízení:
Technologická linka bude provozována v několika solidifikačných větvích
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Odpařovací zařízení
6
1. stupeň - odpařovací částNádrže a zásobníky pro výstupní a výstupní média včetně dopravních systémů, potřebných
armatur a čerpadel,Těleso odparky opatřeno míchadlem, otopný systém - elektr. ohřev, odlučovač kapek
(cyklon), kondenzátor, kondenzační nádrž (kondenzační nádrž bude společná), vývěva pro vytvoření vakua a vakuový systém pro krystalizační část zařízení
Propojovací potrubí (potrubní trasy) včetně armatur, čerpadel a ohřevu Tepelné a protihlukové izolace
Odpařovací zařízení se bude skládat ze dvou odparek (standardní odparka + krystalizační odparka – pracující ve vakuu), které budou moc být provozovány jako jedno dvoustupňové zařízení, tak i samostatně.
2. stupeň – krystalizační částNádrže a zásobníky pro výstupní a výstupní média včetně dopravních systémů, potřebných
armatur a čerpadel,Těleso odparky opatřeno míchadlem, otopný systém - elektr. ohřev, odlučovač kapek
(cyklon), kondenzátor + chladič (v případě potřeby na dochlazení kondenzátu) , vývěva pro vytvoření vakua
Propojovací potrubí (potrubní trasy) včetně armatur, čerpadel a ohřevu Tepelné a protihlukové izolace
Experimentální technologická linka RAO (ETL) - Odpařovací zařízení
Solnost na vstupu Objem koncentrátu na vstupu
10 g/l 3200 l
160 g/l 200 l
Teplota na vstupu 15 – 30 °C
Hustota (při 15-30°C) 1000 – 1200 kg/m3
pH 6 – 11,5
Vodivost 0 -110 mS/cm
Aktivita gama záření 0,1 – 10 kBq/l
6
Vstupní parametry
Průběh experimentů : Neaktivní experimenty
Experimenty se simulovanou aktivitou
Aktivní experimenty
Navazující fixace v médiu: Bitumen Polysiloxan, geopolymer
Solnost na výstupu ze zařízení 300 g/l 1200 g/l
Objem na výstupu ze zařízení 5 – 10 l 15 – 20 l
Výslední forma Koncentrát Granulát / matečný louh
Procento vody obsažené v roztoku 40 - 60% 0,5 – 5 %
Frakce (velikost částic) ---- Max. 3 mm
Výstupní parametry
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Fixační zařízení
V zařízení bude probíhat homogenizace směsi a následný monitoring průběhu tuhnutí při různých podmínkách (teplotní profil)
Fixace bude probíhat přímo v sudu (objem sudu 50l). Sud bude hermeticky uzavřen do segmentů se zabudovaným elektrickým ohřevem. Jednotlivé části budou spojeny mezi sebou těsným přírubovým spojem. Tyto spoje budou navržený takým způsobem, aby umožnily bezpečnou a snadnou manipulaci se zařízením. Víko bude opatřeno míchadlem, umožňujícím pohyb/ míchání vertikálně i horizontálně.
Teplota 20 – 120°C
Tlak 5Pa – 1kPa
Objem sudu 50 l
Parametre zařízení:
Popis provedení:
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Fixační zařízení
Tepelná odolnost -50 – 180 °C
Lineární smrštění max. 0,5 %
Tažnost 120 – 130 %
Pevnost v tahu 4 – 5 MPa
Tvrdost 20 -25 °ShA
Hustota 980 kg/m3
Viskozita 2000 –2500 mPa.S
Přídavek katalizátoru 2 – 4 hmot. %
Relativní vlhkost (při 25°C) 50 %
Doba tuhnutí po vulkanizaci 60 - 120 Min.
Dávkovací poměry:
Poměr dávkování granulátu a polysiloxanu budou předmětem výzkumu (napr. 7:1 až 1:5)
Poměr dávkování granulátu (ionexu al. Mat. louhu), geopolymeru a aktivátoru geopolymerové směsi budou předmětem výzkumu (napr. 7:0,5:0,5 až 1:2,5:2,5)
Fixační média:Parametre polysiloxanu
Tepelná odolnost 200 – 1400 °C
Lineární smrštění max. 10 %
Pevnost v tlaku 4 – 80 MPa
Tvrdost 20 -25 °ShA
Hustota 1483-16000 kg/m3
Parametre geopolymeru
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Fixační zařízení
Fixační zařízení
Segmentové zařízení se zabudovaným míchadlem a elektrickým ohřevem, včetně dávkovacího systému granulátu, dávkovacího systému ionexu, dávkovacího systému matečných louhů z procesu krystalizace, dávkovacího systému směsi polysiloxanu, dávkovacího systému směsi geopolymeru, dávkovacího systému aktivátoru geopolymerů) – dávkovací systémy můžou být zaměnitelné pro napojení na jednotlivé vstupy
Kondenzátor
Propojovací potrubí (potrubní trasy) včetně armatur, vývěva pro vytvoření podtlaku
Tepelné a protihlukové izolace
Stínící prvky
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Extruder
V extruderu budou probíhat minimálně tyto procesy:• Homogenizace směsi • Odpařování volné vody• Odpařování chemicky vázané vody• Zhutňování směsi
Teplota 25 - 180°C
Objem sudu výsledného produktu 50 l
Parametre zařízení:
Zařízení slouží pro fixace:
• Granulátu v polysiloxanové směsi • Zahuštěného koncentrátu v bitumenové směsi
Zónování, délka (resp. L/D), tvar a počet šneků, stupňování atd. bude navrhnuto takým způsobem, aby extruder byl schopen obsáhnout minimálně všechny výše uvedené procesy.
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Extruder
Extruder
Systém pro dopravu bitumenu (zásobní nádrže včetně dopravního systému bitumenu, armatur, čerpadel a ohřevu) a systém dávkování koncentrátu, systém dávkování polysiloxanu a systém dávkování granulátu - dávkovací systémy můžou být zaměnitelné pro napojení na jednotlivé vstupy
Extruder
Kondenzátor
Propojovací potrubí (potrubní trasy) včetně armatur, čerpadel a ohřevu
Tepelné a protihlukové izolace
Stínící prvky
Experimentální technologická linka RAO (ETL) – Dispozice
Děkuji za pozornost
