Descontaminación térmica de grafito con gases reductores.

Descontaminación térmica de grafito con gases reductores.

Se proporciona un horno que funciona a temperaturas en el intervalo de 800º Celsius a 2000º Celsius con gases inertes,

opcionalmente oxidantes y reductores para tratar grafito contaminado con radionúclidos incluyendo tritio, carbono-14 y cloro-36. La combinación de temperaturas y gases permite la extracción de la mayoría a sustancialmente todo el carbono-14 dentro del grafito mientras que se limita sustancialmente la gasificación del grafito en masa.

Descontaminación térmica de grafito con gases reductores

Campo técnico

La presente invención se refiere, en general, a procedimientos para la descontaminación de grafito para extraer 5 tritio, carbono-14, y cloro-36 usando tratamiento térmico con gases de purga que incluye gases reductores.

Antecedentes El grafito, que consiste predominantemente en el elemento carbono, se usa como moderador en varios diseños de reactores nucleares, tales como los reactores refrigerados por gas MAGNOX y AGR en el Reino Unido, y el diseño RBMK en Rusia. Durante la construcción, el moderador del reactor se instala normalmente como una 10 estructura entrelazada de ladrillos de grafito. Al final de la vida del reactor, el moderador de grafito, que normalmente pesa aproximadamente 2.000 toneladas, es una forma de residuo radiactivo que requiere un almacenamiento seguro. El grafito es una forma química relativamente estable de carbono, que, en muchos aspectos, es adecuada para su almacenamiento directo sin procesado. Sin embargo, después de la irradiación de neutrones, el grafito contendrá energía de Wigner almacenada. Es necesario que el potencial para la liberación de esta energía se tenga en cuenta en cualquier estrategia que se base en el almacenamiento del grafito en forma no procesada. De forma alternativa, el procesado del grafito antes de su almacenamiento puede permitir la liberación segura de cualquier energía de Wigner almacenada.

El grafito también contiene cantidades significativas de radionúclidos de reacciones inducidas por neutrones, tanto en el propio grafito como en las impurezas menores que contiene. Debido a la estructura del grafito, que 20 incluye hojas o capas poco empaquetadas, los radioisótopos pueden quedarse atrapados dentro de los espacios o poros del grafito. El contenido en radioisótopo se puede dividir convenientemente en dos categorías: isótopos de vida corta e isótopos de vida larga. Los isótopos de vida corta (tales como cobalto-60) hacen que el grafito sea difícil de manipular inmediatamente después del cierre del reactor, pero se desintegran después de unas decenas de años. Los isótopos de vida larga (principalmente carbono-14 y cloro-36) son motivo de 25 preocupación debido a la posibilidad de su vertido a la biosfera. El carbono-14 se produce en el grafito de una de dos maneras. Una manera es la activación de gas nitrógeno, con el carbono-14 presente en los poros del grafito como gas dióxido de carbono. La segunda manera es a través de la activación de neutrones del carbono-13, que es un isótopo estable, natural, del carbono, que constituye algo más del 1 por ciento del carbono en el grafito. El carbono-14 fabricado de esta manera formaría parte de la matriz de grafito. El cloro-36

se forma de una forma similar por irradiación del cloro que queda en la matriz de grafito durante el proceso de sinterización de grafito. El procesado de grafito ofrece la oportunidad de separar la mayoría de la masa de grafito (carbono) de los radioisótopos de vida larga. A su vez, este procesado facilita el almacenamiento del residuo de grafito poco después del final de la vida del reactor, y puede permitir su reciclado.

Debido a las características del grafito y su masa, el procedimiento más común hasta la fecha para el

desmantelamiento de los reactores moderados por grafito es almacenar el núcleo del reactor in situ durante un período de decenas de años después del cierre del reactor. Durante este período, los radioisótopos de vida corta se desintegran lo suficiente como para permitir el desmantelamiento manual posterior del moderador de grafito. La mayoría de los planes asumen después que el grafito se almacenará en su forma química existente, con un embalaje adicional apropiado para evitar la degradación o liberación durante el periodo largo de desintegración del carbono-14 y cloro-36.

El almacenamiento tiene determinadas consecuencias negativas, tales como las siguientes: 1) una implicación de responsabilidad financiera a largo plazo, 2) una estructura de almacenamiento visualmente intrusivo que no tiene una finalidad productiva, y 3) un requisito impuesto a la generación futura (que no obtuvo ningún beneficio del activo original) para completar la eliminación final. Si se va a desplazar el almacenamiento alternativo por la 45 gestión a corto plazo, es esencial que el grafito se procese de una forma segura y radiológicamente aceptable.

Determinadas técnicas anteriores para tratar grafito radiactivo aplicaban calor y gases oxidantes para tratar el grafito para extraer una fracción suficiente de los radionúclidos de larga vida en el grafito. Estos procedimientos han demostrado que calentar o "calcinar" con gases inertes, tales como nitrógeno o argón, solos puede extraer sustancialmente todo el hidrógeno-3 (tritio) pero el procedimiento no puede extraer más de aproximadamente 50 un sesenta (60) por ciento del carbono-14. Se han realizado procedimientos alternativos para mejorar la extracción del carbono-14 añadiendo cantidades limitadas de gases que contienen oxígeno al gas inerte para proporcionar oxígeno que puede convertir preferencialmente el carbono-14 a los gases monóxido de carbono o dióxido de carbono, que después se pueden extraer del grafito. Las pruebas con gases inertes y gases que contienen oxígeno (vapor, dióxido de carbono, óxido nitroso, oxígeno) han demostrado que es posible una 55 mejora en la extracción del carbono-14 pero la presencia de oxígeno tiende a incrementar considerablemente la gasificación de la masa de grafito. Para reducir este efecto de gasificación cuando se combinan gases que contienen con los gases inertes, la temperatura de funcionamiento del procedimiento de calcinación se debe reducir o limitar para evitar la gasificación de la masa de grafito excesiva. Desafortunadamente, al reducir o limitar la temperatura de calcinación, la cantidad de carbono-14 extraído también se reduce o se limita en gran medida. Como consecuencia, cuando se introducen gases que contienen oxígeno con los gases inertes, se debe reducir la concentración de estos gases oxidantes para que se puedan usar temperaturas más altas. Todavía, cuando las temperaturas de calcinación superan aproximadamente 1200º Celsius, la cantidad de masa de grafito gasificado es excesiva independientemente de la reducción en la concentración de gases que contienen oxígeno que se usan.

Los resultados de las pruebas de estos procedimientos demuestran que, si la concentración de gases que contienen oxígeno se limita lo suficiente para reducir la gasificación de la masa de grafito a temperaturas mayores de aprox. 1200º Celsius, entonces la extracción de carbono-14 se reduce en gran medida a menos de aproximadamente un sesenta (60) por ciento, lo que no es satisfactorio. Si se incrementa la concentración de gases que contienen oxígeno de tal forma que la extracción del carbono-14 sea satisfactoria, entonces se gasifica demasiada masa de grafito. En ambos casos, con estos procedimientos convencionales no se puede lograr un objetivo de volatilización de más de un noventa (90) por ciento del carbono-14 mientras se reduce simultáneamente la gasificación de masa de grafito a menos de un cinco (5) por ciento en peso.

Lo que se necesita son sistemas y procedimientos que puedan someter al grafito a un intervalo de temperaturas suficiente para volatilizar los radionúclidos sin gasificar la masa de grafito y específicamente sistemas y procedimientos que puedan extraer más de un 90 por ciento del carbono-14 mientras se gasifica menos de un 5 por ciento de la masa de grafito.

Sumario de la invención Las realizaciones ejemplares de la presente invención proporcionan procedimientos que pueden someter al grafito a un intervalo de temperaturas suficiente para volatilizar los radionúclidos sin gasificar significativamente la masa de grafito. Un aspecto de la invención proporciona un procedimiento que incluye las etapas de (1) calentar un horno hasta una temperatura de entre 800º Celsius a 2000º Celsius; (2) introducir grafito contaminado con radionúclidos en el horno; (3) introducir un gas inerte en el horno; (4) introducir un gas reductor en el horno; y (5) extraer radionúclidos volatilizados del horno. Este procedimiento también puede incluir las etapas adicionales de:

• añadir un gas oxidante en el horno, y/o

• reducir el tamaño del grafito antes de introducir el grafito en el horno.

Este procedimiento también se puede caracterizar cuando:

• se gasifica menos de cinco (5) por ciento del grafito;

• la temperatura del proceso está entre de 1200º Celsius a 1500º Celsius;

• los radionúclidos comprenden carbono-14 y al menos un setenta (70) por ciento del... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento que comprende las etapas de:

calentar un horno a una temperatura de entre 800º Celsius a 2000º Celsius;

introducir grafito contaminado con radionúclidos en el horno;

introducir un gas inerte en el horno;

introducir un gas reductor en el horno; y

retirar radionúclidos volatilizados desde el horno.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que se gasifica menos de un cinco (5) por ciento del grafito.

3. El procedimiento de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la temperatura está entre de 1200º 10 Celsius a 1500º Celsius.

4. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que los radionúclidos comprenden carbono-14 y al menos un setenta (70) por ciento del carbono-14 se extrae del grafito.

5. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que los radionúclidos comprenden carbono-14 y al menos un noventa (90) por ciento del carbono-14 se extrae del grafito.

6. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, en el que el gas de purga comprende al menos uno de nitrógeno, helio, y argón y el gas reductor comprende al menos uno de hidrógeno, hidrazina, amoníaco, monóxido de carbono y vapor de hidrocarburo.

7. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente en el que el gas de purga comprende uno o más gases reductores que pueden producir hidrógeno, monóxido de carbono (CO) , amonio, o vapor orgánico 20 libres.

8. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente, que comprende además la etapa de añadir un gas oxidante en el horno.

9. El procedimiento de la reivindicación 8, en el que el gas oxidante comprende al menos uno de vapor,

dióxido de carbono (CO2) , óxido nitroso (N2O) , oxígeno (O2) , aire, alcoholes (con grupos OH) , u otros 25 vapores oxigenados.

10. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente en el que las etapas de introducir el gas inerte en el horno e introducir el gas reductor en el horno comprenden introducir el gas inerte y el gas reductor en una posición próxima a la parte inferior del reactor y en el que el gas inerte y el gas reductor fluyen a través del grafito.

11. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente que comprende además la etapa de reducir el tamaño del grafito antes de introducir el grafito en el horno.

12. El procedimiento de cualquier reivindicación precedente en el que el horno comprende un reactor de lecho en movimiento orientado verticalmente y en el que la etapa de introducir grafito contaminado con radionúclidos en el horno comprende introducir el grafito próximo a la parte superior del horno y en el que las etapas de introducir el gas inerte en el horno e introducir el gas reductor en el horno comprenden introducir los gases próximos a la parte inferior del horno.