PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA SEPARAR LITIO 7 DEL CIRCUITO DE REFRIGERACION PRIMARIO DE UNA CENTRAL NUCLEAR.

LA INVENCION SE REFIERE A UN PROCEDIMIENTO Y A UN DISPOSITIVO PARA SEPARAR 7 LI O BORO DEL CIRCUITO PRIMARIO DE RE FRIGERACION DE UNA CENTRAL NUCLEAR.

DE ACUERDO CON LA INVENCION SE PROPONE SEPARAR 7 LI O EL BORO DEL AGUA DE REFRIGERACION MEDIANTE ELECTROLISIS DE MEMBRANA

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E98119708.

Solicitante: ENBW KRAFTWERKE AG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: KERNKRAFTWERK PHILIPPSBURG, RHEINSCHANZINSEL,76661 PHILIPPSBURG.

Inventor/es: BOLZ,MICHAEL, ENKLER,GUNTHER, RUHLE,WILFRIED.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 19 de Octubre de 1998.

Fecha Concesión Europea: 16 de Diciembre de 2009.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G21C19/307 FISICA.G21 FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR.G21C REACTORES NUCLEARES (reactores de fusión, reactores híbridos fisión-fusión G21B; explosivos nucleares G21J). › G21C 19/00 Disposiciones para el tratamiento, para la manipulación, o para facilitar la manipulación, del combustible o de otros materiales utilizados en el interior del reactor, p. ej. en el interior de la vasija de presión. › especialmente adaptados para líquidos (descontaminación de líquidos G21F 9/04).
  • G21C7/22 G21C […] › G21C 7/00 Control de la reacción nuclear. › por desplazamiento de un material fluido o fluyente que absorbe los neutrones.

Clasificación PCT:

  • G21C19/307 G21C 19/00 […] › especialmente adaptados para líquidos (descontaminación de líquidos G21F 9/04).
  • G21C7/22 G21C 7/00 […] › por desplazamiento de un material fluido o fluyente que absorbe los neutrones.

Clasificación antigua:

  • G21C19/307 G21C 19/00 […] › especialmente adaptados para líquidos (descontaminación de líquidos G21F 9/04).
  • G21C7/22 G21C 7/00 […] › por desplazamiento de un material fluido o fluyente que absorbe los neutrones.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Irlanda, Finlandia, Chipre.

PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA SEPARAR LITIO 7 DEL CIRCUITO DE REFRIGERACION PRIMARIO DE UNA CENTRAL NUCLEAR.

Fragmento de la descripción:

Procedimiento y dispositivo para separara 7Li del circuito de refrigeración primario de una central nuclear.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para separar 7Li del circuito de refrigeración primario de una central nuclear, especialmente de un reactor de agua a presión.

En las centrales nucleares se obtiene energía mediante la fisión nuclear inducida por neutrones. El agua contenida en el circuito de refrigeración primario sirve en este caso tanto de refrigerante para evacuar el calor de reacción como de moderador para termalizar los neutrones necesarios para el mantenimiento de la reacción en cadena.

Para influir en el número en el número de neutrones termalizados y, por tanto, para controlar la potencia del reactor influyendo en la reacción en cadena, al agua de refrigeración se añaden sustancias extractoras de neutrones. Una sustancia preferida para la unión de la reactividad excedente es el isótopo físicamente eficaz para neutrones 10B, que en el circuito de refrigeración primario se presenta en forma de un ácido bórico (B(OH)3) enriquecido en 10B. Este isótopo tiene una gran sección transversal de captura de neutrones.

Sin embargo, la adición de ácido bórico tiene la desventaja que en el circuito de refrigeración primario se reduce el valor de pH. Para aumentar el valor de pH al intervalo de valores admisible y para compensar la acción reductora de pH del ácido bórico, al circuito de refrigeración primario se añade 7Li enriquecido en isótopos en forma de LiOH. Por tanto, las siguientes realizaciones sirven, en tanto que se trata de 7Li, análogamente al mismo tiempo para LiOH.

Debido al hecho de que la actividad en un reactor se reduce después una carga con nuevo combustible nuclear durante el ciclo de aproximadamente un año, al principio de un ciclo es necesaria una mayor concentración de ácido bórico que al final del ciclo para unir la reactividad excedente. Por tanto, la concentración de ácido bórico debe reducirse durante la duración del ciclo de aproximadamente 1200 ppm a aproximadamente 0 ppm. Para que el intervalo de pH admisible o la concentración de litio admisible máxima se mantengan, simultáneamente también debe influirse la concentración de litio. En este caso hay diferentes modos de operación litio-boro de un reactor.

Así, por ejemplo, el valor de pH puede mantenerse constante durante la duración del ciclo, reduciéndose homogéneamente la concentración de ácido bórico y de litio durante el ciclo. Otra variante consiste en que durante una gran parte del ciclo inicialmente se reduce la concentración de ácido bórico a concentración de litio constante y sólo hacia el final del ciclo también disminuye la concentración de litio. La concentración de hidróxido de litio se encuentra generalmente al principio de un ciclo entre 1,5 y 2,5 ppm y hacia el final del ciclo entre 0 y 1 ppm. De esto resulta la exigencia de reducir durante un ciclo no sólo la concentración de ácido bórico, sino también la concentración de hidróxido de litio.

Se añade que, debido a la reacción de captura de neutrones del 10B, el propio reactor produce en funcionamiento 7Li, que también debe extraerse.

Debido a los requisitos físicos y químicos de los neutrones en un reactor, el devenir habitual del 7Li durante la duración del ciclo de una carga de barras de combustible es, por tanto, del siguiente modo.

a) al principio de un ciclo, el circuito de refrigeración primario se carga con el litio adquirido en el comercio para adaptar la concentración inicial de 7Li a la alta concentración de boro en ese momento.
b) En la primera mitad del ciclo se produce el 7Li en exceso mediante la captura de neutrones del 10B. Este 7Li sobregenerado debe extraerse, al igual que el 7Li en exceso debido a la reducción de la concentración de ácido bórico, del circuito de refrigeración primario. En este caso vale la pena mantener a ser posible constante la concentración de 7Li en el refrigerante para que el valor de pH y consecuentemente el potencial redox no cambien o no cambien discontinuamente, de forma que se reforzaría la movilización de productos de corrosión radiactivos.
c) En la segunda mitad del ciclo se requiere una alta velocidad de intercambio de refrigerante para reducir la concentración de ácido bórico. En este caso, en los procedimientos utilizados según el estado de la técnica se pierde 7Li en el procesamiento del refrigerante. Este 7Li perdido se sustituye otra vez por 7Li nuevo comprado.
d) Los reactores de agua a presión también se utilizan para cubrir a corto plazo picos de consumo de energía, especialmente en países con alta proporción de energía nuclear en la producción de energía. Para ello debe modificarse en poco tiempo la reactividad de un reactor. El aumento de la reactividad puede conseguirse reduciendo la concentración de ácido bórico debiendo reducirse la concentración de litio en el mismo grado para mantener constante el valor de pH. Al contrario, la reactividad del reactor puede reducirse aumentando la concentración de ácido bórico, debiendo aumentarse también en este caso la concentración de litio para mantener constante el valor de pH en el mismo grado. Este modo de operación en el que la reactividad se aumenta o se reduce en poco tiempo se denomina operación de secuencia de carga.

Según el estado de la técnica, para extraer el 7Li se utilizan filtros de intercambio iónico. Junto con estos intercambiadores iónicos, el 7Li llega por último lugar a los residuos radiactivos. A causa de esto se forman, paralelamente a los altos costes de adquisición, costes de eliminación de residuos muy considerables. Los intercambiadores iónicos cargados de litio sirven de filtros de depuración principales de iones y partículas en el circuito de refrigeración primario. Es necesario intercambiar el filtro de extracción de litio explotado en la operación intermitente cuando ha alcanzado su límite de carga de litio y luego seguir operando como filtro de depuración principal. El anterior filtro de depuración principal se desecha en este caso, aunque todavía podría satisfacer su objetivo como filtro de depuración principal. Por tan- to, los costes de eliminación de residuos siguen aumentando por la saturación de litio de los intercambiadores iónicos.

Además, en los casos en los que las resinas del filtro de depuración principal deben cambiarse, por ejemplo, debido a su agotamiento químico, también es necesario cargar hasta la saturación el filtro de lecho mixto usado como filtro de extracción de litio con litio comprado nuevo y luego utilizarlo como filtro de depuración principal para la depuración del agua de refrigeración. El relleno de resina del antiguo filtro de depuración principal se desecha, el filtro se rellena con nuevas resinas de filtración y luego se usa como filtro de extracción de litio.

Por tanto, los filtros de intercambio iónico utilizados según el estado de la técnica son en resumen muy poco económicos ya que continuamente se adquiere 7Li a altos costes y se desecha como residuo radiactivo con costes de eliminación de residuos muy considerables. Este modo de operación fue considerado necesario por los expertos para conseguir un control admisible de la concentración de 7Li.

En el estado de la técnica se ha realizado un gran esfuerzo para reducir los considerables costes originados por el 7Li. En un estudio elaborado hace poco en este contexto de las empresas de suministro de energía se investigaron posibilidades para el ahorro de costes. Como resultado se propuso optimizar la gestión de la dosificación de litio aplicando los intercambiadores iónicos conocidos. Sin embargo, de esta manera no pueden reducirse decisivamente las desventajas anteriormente descritas justificadas en la tecnología anteriormente utilizada.

De los contextos previamente expuestos es evidente que en una central nuclear también existe el requisito de influir en la concentración de ácido bórico. Esto se realiza según el estado de la técnica mediante intercambio de refrigerante por agua desmineralizada y recuperación de ácido bórico mediante evaporación, por lo que se generan altos costes.

Se propuso separar el 7Li mediante...

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para separar 7Li del circuito de refrigeración primario de una central nuclear, especialmente de un reactor de agua a presión,

en el que se extrae el agua de refrigeración provista de 7Li y ácido bórico del circuito de refrigeración primario y se conduce por un módulo de electrolisis (3) en el que el 7Li se separa del agua de refrigeración mediante membranas selectivas de cationes (21) y electrolisis de membrana y sale del módulo de electrolisis (3) como concentrado,

caracterizado porque

en el módulo de electrolisis (3), además de las membranas selectivas de cationes (21), no están dispuestas membranas selectivas de aniones (22), de manera que el boro no se separa por electrolisis de membrana en el módulo de electrolisis (3), y el diluido que sale del módulo de electrolisis (3) se realimenta al circuito de refrigeración primario.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque en el módulo de electrolisis (3) no se usan resinas intercambiadoras de iones.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la tensión de electrolisis aplicada al módulo de electrolisis (3) se invierte de polaridad de vez en cuando, cambiándose también el flujo de diluido y concentrado en el módulo de electrolisis (3).

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque se realiza en operación por lotes, introduciéndose una carga de agua de refrigeración del circuito de refrigeración primario a un tanque colector de diluido (4), recirculándose el agua de refrigeración del tanque colector de diluido (4) al circuito por el módulo de electrolisis (3) al tanque colector de diluido (4) y después de alcanzarse una concentración límite de 7Li o boro predeterminada del lote éste se realimenta al circuito de refrigeración primario.

5. Procedimiento según las reivindicaciones 3 y 4, caracterizado porque la polaridad del módulo de electrolisis (3) se invierte entre lotes sucesivos.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se realiza en operación continua introduciéndose inmediatamente el agua de refrigeración extraída continuamente del circuito de refrigeración primario al módulo de electrolisis (3) y realimentándose el diluido que sale del módulo de electrolisis (3) al circuito de refrigeración primario.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque se realiza en operación semicontinua introduciéndose continuamente el agua de refrigeración extraída del circuito de refrigeración primario a un tanque colector de diluido (4), conduciéndose el agua de refrigeración extraída del tanque colector de diluido (4) por el módulo de electrolisis (3) y a continuación realimentándose al circuito de refrigeración primario, recirculándose una corriente parcial del diluido que sale del módulo de electrolisis (3) al circuito al tanque colector de diluido (4).

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el concentrado que sale del módulo de electrolisis (3) se introduce en un tanque colector de concentrado (5).

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el diluido se almacena temporalmente antes de la realimentación al circuito de refrigeración primario en un tanque colector de producto (6).

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el concentrado que sale del módulo de electrolisis (3) se concentra adicionalmente.

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el 7Li o 7LiOH se almacena temporalmente y, en caso de necesidad, especialmente en la operación de secuencia de carga mediante inversión de la polarización del módulo de electrolisis (3), se realimenta al circuito de refrigeración primario.

12. Circuito de refrigeración primario de una central nuclear, especialmente de un reactor de agua a presión, que comprende un dispositivo de separación para la realización de un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11 para separar 7Li del agua de refrigeración provista de 7Li y ácido bórico del circuito de refrigeración primario, presentando el dispositivo de separación un módulo de electrolisis (3) por el que puede conducirse el agua de refrigeración provista de 7Li y ácido bórico extraída del circuito de refrigeración primario y en el que el 7Li puede separarse del agua de refrigeración mediante membranas selectivas de cationes (21) y electrolisis de membrana, que puede conducirse fuera del módulo de electrolisis (3) como concentrado, caracterizado porque, además de las membranas selectivas de cationes (21), no están dispuestas membranas selectivas de aniones (22), de manera que el boro no se separa por electrolisis de membrana en el módulo de electrolisis (3), y el diluido que sale del módulo de electrolisis (3) puede realimentarse al circuito de refrigeración primario.

13. Circuito de refrigeración primario según la reivindicación 12, caracterizado porque el dispositivo de separación presenta un tanque colector de diluido (4) del que el agua de refrigeración extraída del circuito de refrigeración primario puede introducirse al módulo de electrolisis (3).

14. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 13, caracterizado porque el dispositivo de separación presenta un tanque colector de concentrado (5) al que puede introducírsele el concentrado que sale del módulo de electrolisis (3).

15. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizado porque el dispositivo de separación presenta un tanque colector de producto (6) en el que puede almacenarse temporalmente diluido antes de la realimentación al circuito de refrigeración primario.

16. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 15, caracterizado porque el módulo de electrolisis (3) presenta electrodos bipolares (25).

17. Circuito de refrigeración primario según la reivindicación 16, caracterizado porque el módulo de electrolisis (3) presenta una secuencia alterna de membranas intercambiadoras de cationes (21) y electrodos bipolares (25) o de membranas intercambiadoras de aniones (22) y electrodos bipolares (25).

18. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 17, caracterizado porque las membranas del módulo de electrolisis (3) están constituidas por películas de plástico con grupos iónicos incorporados.

19. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 18, caracterizado porque las conducciones de agua de refrigeración entre el circuito de refrigeración primario y el módulo de electrolisis (3) y/o las conducciones en el dispositivo de separación están constituidas principalmente por plástico.

20. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 19, caracterizado porque el dispositivo de separación presenta una etapa para concentrar el concentrado.

21. Circuito de refrigeración primario según una de las reivindicaciones 12 a 20, caracterizado porque el dispositivo de separación presenta un dispositivo de almacenamiento para almacenar 7Li o 7LiOH.

22. Uso de un módulo de electrolisis (3) para separar 7Li de agua de refrigeración provista de 7Li y ácido bórico del circuito de refrigeración primario de una central nuclear, especialmente de un reactor de agua a presión, mediante un procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11 en el que se extrae del circuito de refrigeración primario el agua de refrigeración provista de 7Li y ácido bórico y se conduce por el módulo de electrolisis (3) en el que el 7Li se separa del agua de refrigeración mediante membranas selectivas de cationes (21) y electrolisis de membrana y sale como concentrado del módulo de electrolisis (3), caracterizado porque en el módulo de electrolisis (3), además de las membranas selectivas de cationes (21), no están dispuestas membranas selectivas de aniones (22), de manera que el boro no se separa por electrolisis de membrana en el módulo de electrolisis (3), y el diluido que sale del módulo de electrolisis (3) se realimenta al circuito de refrigeración primario.


 

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