[發明專利]濃縮固化放射性廢液中核素的方法和系統

有效

• 申請號: 201810006458.6
• 申請日: 2018-01-03
• 公開（公告）號: CN109994238B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 趙璇;李福志;尉繼英;張猛
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G21F9/12
• 分類號: G21F9/12
• 代理公司: 北京東方億思知識產權代理有限責任公司 11258
• 代理人: 肖善強

本發明涉及濃縮固化放射性廢液中核素的方法和系統。本發明的濃縮固化放射性廢液中核素的方法包括如下步驟：步驟1)預處理：利用第一選擇性提取劑對放射性廢液進行提取；步驟2)濃縮：對經提取的放射性廢液進行反滲透濃縮；步驟3)提取：利用有機離子交換樹脂和/或第二選擇性提取劑將濃縮液中富集的放射性核素提取至固相；步驟4)核素固化：再使步驟3)獲得的富含核素的有機離子交換樹脂和/或第二選擇性提取劑和步驟1)獲得的第一選擇性提取劑形成固化體。通過本發明的方法和系統，可以有效提取濃縮放射性廢液中的放射性核素，進行安全貯存，同時實現放射性廢物的貯存體積最小化。

技術領域

本發明涉及濃縮固化放射性廢液中核素的方法和系統。

背景技術

核電作為一種重要的清潔能源，正在逐漸成為世界能源結構中的重要組成部分。日本福島核事故后，核安全已經成為核能發展中需要重點關注的問題。在核電廠的日常運行及事故工況中，通常產生大量放射性廢液。

放射性廢液中包含的放射性核素主要有兩個來源，一個來源為裂變產物，另一個來源為活化產物和腐蝕產物。第二來源主要與金屬材料的活化、腐蝕、沉淀以及釋放行為有關，該部分放射性核素包括Ag、Co、Cr、Mn、Fe等核素。在發生燃料破損時，放射性廢液中出現具有β放射性的長壽命裂變產物¹³⁴Cs/¹³⁷Cs和⁹⁰Sr等。對于半衰期長的放射性核素，需要從廢液中分離，與環境隔離后長期儲存，直至其衰變至無害的水平。

由于放射性核素長期地質儲存處置的費用較高，暫存庫或處置場容量有限，放射性廢液一般要經過濃縮減容，盡可能實現體積最小化，才可以進行長期儲存。目前核電廠中，濃縮放射性廢液中核素的方法主要是蒸發濃縮和離子交換。無論采取哪種處理方法，實質上是將放射性核素濃縮富集到液體介質或者固體介質中，這些物質最終經固化后進行長期地質儲存。蒸發濃縮是將放射性核素在蒸殘液和冷凝液中進行重新分配，獲得包含絕大多數放射性核素的蒸殘液和放射性核素含量較低的冷凝液。離子交換則是將放射性核素容納在自身的材料中。

蒸發濃縮和離子交換在放射性廢液處理中都有廣泛的應用，具有各自的優缺點。蒸發工藝優點在于技術成熟，去污能力強，放射性廢物產生量最小；缺點在于能耗高，設備龐大，投資高，操作條件差，腐蝕結垢等問題嚴重。而離子交換工藝則恰好相反，其優點在于能耗低，設備簡單，操作方便；缺點在于產生大量的放射性廢離子交換樹脂，后續處理處置困難。

在三代核電的設計中，蒸發工藝已經逐漸退出，離子交換工藝成為了主體工藝。但是核電廠現有的離子交換工藝在濃縮包容放射性核素的同時，必須確保其排出的液體滿足環境排放要求。這對樹脂去污系數有較高的要求，并因此使得樹脂的吸附容量不可能得到充分利用，導致放射性廢樹脂的產生量較大，對后期的長期儲存產生了較大的壓力。

放射性廢液本身的處理難度較大，主要表現在以下幾個方面：

1)核電廠放射性廢液中含有Na-24、Cr-51、Mn-54、Fe-55、Fe-59、Co-58、Co-60、Zn-65、Sr-89、Sr-91、Zr-95、Nb-95、Mo-99、Tc-99m、Ru-103、Ru-106m、Ag-110m、Te-129m、Te-129、Te-131m、Te-131、Te-132、Cs-134、Cs-137、Ba-140、La-140、Ce-141、Ce-143、Ce-144、W-187、Np-239等上百種核素。各核素的性質(例如濃縮富集性質，存在形態，濃度，化合價，腐蝕性等)復雜且可在不同操作條件(例如pH值、離子強度、溫度等)下發生變化，對核素的濃縮富集造成一定的難度。

2)放射性核素的質量濃度極低，一般為10^-3微克/升以下；而共存的非放射性離子如K、Na、Ca、Mg的濃度較高，一般為毫克/升的量級，甚至高達克/升量級，這些非放射性離子的存在嚴重影響放射性廢液中核素的濃縮和固化。

3)需要盡可能降低放射性廢物的量(尤其是體積)，以較高的回收率濃縮放射性廢液中的核素。