通过热等静压固结含放射性材料的方法
【专利说明】通过热等静压固结含放射性材料的方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年6月4日提交的美国非临时申请号13/488，376的优先权权益，通过引用将其整体并入本文。
[0003]公开领域
[0004]本公开一般而言涉及通过热等静压(HIP)固结(consolidate)放射性材料的方法。特别地，本公开涉及基于新颖的、底部装载的HIP方法的用于放射性材料的普适的固结技术。
[0005]背景
[0006]始于1953年，能源部对废核燃料(SNF)进行再加工以回收高浓缩铀和其它核有关的产物。加工操作涉及多个溶剂萃取循环以便从SNF回收铀-235和其它防御有关的材料。冷战的结束也终止了再加工SNF的计划，最后的再加工循环结束于1994年。这些再加工活动以及其它辅助设备活动和操作产生了数百万加仑的储存在地下储存箱中的放射性废液。
[0007]为了减轻与这些储存箱泄漏相关的危险，在1960年代早期投入使用流化床煅烧工艺以将箱装废液转变成通常具有类似于洗衣粉的密实度的小的、粒状固体煅烧物(calcine)。煅烧工艺产生了较安全的储存用产物，同时使储存废物的体积减小为平均七分之一。约8百万加仑(30300m3)的箱装废液转变成4400m3的煅烧物，它们现在正被储存着同时等待将来的处置。
[0008]这种储存的煅烧废物的处置由废物形态自身驱动。废物形态决定了锁藏废物的程度如何(化学耐久性)以及废物装载效率，即较高的效率需要较少的容器，这降低了处置成本。对于成问题的废物(例如煅烧物)使用难以玻璃化的玻璃-陶瓷废物形态，主要通过较高的废物装载来提供显著的性能改进和效能节约。对于废物形态的设计不可或缺的是用于处理煅烧物的合适工艺技术的选择。
[0009]重要的考虑是选择不限制废物形态化学的灵活工艺。由固结技术对废物形态化学所施加的限制将导致废物装载效率和工艺灵活性的降低。例如，焦耳加热熔化炉(JHM)不仅具有受限制的最大运行温度，而且还需要玻璃具有特定的电阻率和粘度特性。类似的考虑适用于冷坩祸熔化炉。因此，不能将玻璃设计成仅仅适合废物流。需要添加另外的组分以确保玻璃化学使得可将其在熔化炉运行温度下熔化并且安全地倒入密封容器(canister)。这些限制显著地降低了最大可实现的废物装载效率和/或工艺灵活性并且由此大幅度地增加所需的废物密封容器的数目。
[0010]本发明人已发现，通过使用新颖的HIP技术，可实现显著的性能提升。这些涉及较高的废物装载、提高的工艺灵活性、减少的废气排放、有竞争力的生产率以及二次废物的减少，同时容易地符合由DOE拟定的所需的废物形态验收标准。
[0011]发明概述
[0012]因此，公开了一种固结包含放射性材料的煅烧材料的方法，该方法包括:在混合器皿中使含放射性核素的煅烧物与至少一种添加剂混合以形成预HIP粉末；将该预HIP粉末装入罐中并且例如通过焊接密封该罐。
[0013]本发明人已发现，通过使用全自动系统将该密封的罐通过HIP器皿的底部装载，可预加热该罐并在热时装载。这允许工艺时间减少多达1/3或者甚至1/2。在一个实施方案中，可预加热该罐并在最高达600°C的温度下装载。
[0014]根据本教导以及如在一个示例性的实施方案中所述，将该密封的罐装入HIP器皿的底部，其中该罐在1000°c至1250°C的温度(例如1200°C至1250°C )和30至10MPa的压力下经历10-14小时的时间的热等静压。
[0015]根据一个示例性的实施方案，在装入HIP器皿中之前，将HIP罐封装在另外的安全壳中。通常将其中含有罐的另外的安全壳放置在HIP器皿底部封盖上，随后提升该底部封盖并且固定以密封该HIP器皿。
[0016]在一个实施方案中，使预HIP粉末在装入HIP器皿中之前经历至少一个预加热过程，例如加热至除去预HIP粉末中存在的过量湿气所需的温度。在该实施方案中，预加热包括加热至100°C — 400°C的温度。在该粉末在HIP罐中时典型地完成该预加热过程。
[0017]在替代性的实施方案中，该至少一个预加热过程包括加热至足以驱除预HIP粉末中存在的不需要的成分、但不足够高得使粉末中存在的任何放射性核素挥发的温度。
[0018]在该实施方案中，预加热发生在400°C至900°C的温度下。
[0019]在一个实施方案中，在装入HIP罐中之前加热该预HIP粉末。在密封该充填的罐之前，还将对其进行随后的排气步骤。
[0020]本发明方法的一个益处是高的废物装载能力。例如，预HIP粉末可包含60-80%的含放射性核素的煅烧物。在一个实施方案中，含放射性核素的煅烧物与添加剂的比例以重量计为约80:20，其中非放射性添加剂(例如BaO、CaO、A1203、T12, S12)与废物元素及化合物组合从而形成陶瓷矿物或玻璃/陶瓷材料。可形成的所得的矿物相的非限制性实例是:碱硬锰矿(BaAl2Ti6O16)、钛锆钍矿(CaZrThO7)和钙钛矿(CaT13)。非放射性添加剂的选择基于煅烧物中所表现的放射性核素的类型，例如如果煅烧物含有废核燃料、含钠废物或重金属。
[0021]除上面讨论的主题之外，本公开还包括许多其它示例性的特征，例如下文所说明的那些。应当理解的是，前面的描述和后面的描述都仅是示例性的。
[0022]附图简述
[0023]附图被并入并且构成该说明书的一部分。
[0024]图1是根据本教导的示例性实施方案的HIP煅烧物处置方法的工艺流程图。
[0025]图2是根据本教导并且示出示例性设备的HIP煅烧物处置方法的方框流程图。
[0026]详细描述
[0027]本文中所使用的定义和首字母缩写词:
[0028]如本文所使用的“煅烧物”是在来自SNF的铀的第一循环溶剂萃取之后剩下的固化废液流以及来自燃料的第二和第三循环萃取的浓缩废物。
[0029]“废核燃料”(SNF)也可称作“用过的核燃料”，并且是已在核反应堆中(通常在核电厂)辐射过的但是不再可用于维持普通热反应堆中的核反应的核燃料。
[0030]“残液”是已除去一种或多种组分的产物。含有除去的材料的产物称作萃取物。例如，在溶剂萃取中，残液是在来自原始液体的溶解物通过与不能混溶的液体接触而被除去之后剩下的液体流。在冶金中，精制(raffinating)是指从液体材料中除去杂质的工艺。
[0031]“全自动系统”是指使用机器和控制系统(包括机器人)装载并从HIP系统卸载HIP罐而没有任何直接的人力接触的能力。
[0032]“RCRA” 是指 1976 年的“资源保护和回收法案(Resource Conservat1n andRecovery Act) ”(42 USC 6901)，该法案是美国管理固体废物和有害废物处置的主要联邦法律。
[0033]“AC0P” —(活性安全壳外包装)是指封装第一 HIP罐的另外的容器(例如第二罐)。
[0034]“CRR” -(碳还原重整器)是指流化床蒸汽重整器。
[0035]“CCM” -(冷坩祸感应熔化炉)是指通过围绕坩祸的感应线圈来加热进料或熔体的水冷坩祸。
[0036]“DMR” -(脱硝/矿化重整器)是指其中引入添加剂以形成矿化产物的流化床蒸汽重整器。
[0037]“HEPA”是指高效微粒空气。
[0038]“HLW” —(高放射性废物)是作为在核反应堆内部发生的反应的副产物而产生的高放射性材料。高放射性废物具有两种形式中的一种:(I)当其被接收用于处置时为废的(或者用过的)反应堆燃料，和(2)在将废燃料再加工之后剩下的废料。
[0039]“JHM”一 (焦耳加热熔化炉)是指依赖于焦耳加热(也称作欧姆加热和电阻加热)的熔化炉，其依赖于通过导体的电流通路来释放热。
[0040]“LLW” (低放射性废物)是指已被放射性材料污染的或者已通过暴露于中子辐射而变得放射性的物品。这种废物典型地包括:污染的保护性鞋套及衣服、擦布、拖把、过滤器、反应堆水处理残留物、设备和工具、发光刻度盘、医用管、拭子、注射针、注射器以及实验室动物尸体和组织。
[0041]“MGR”是指受监控的地质处置库。
[0042]“MTHM”是指公吨重金属。
[0043]“SBW” (含钠废物)一因废物中存在的相对高浓度的钠离子(1-2摩尔)而获得其名称。钠来自利用了含钠化学物(例如氢氧化钠、高锰酸钠和碳酸钠)的工艺和活动。SBW典型地具有比第一循环残液低得多的水平的裂变产物活度。
[0044]本公开涉及一种用于处置大量储存的放射性煅烧物的方法，该方法依赖于新颖的固结方法。特别地，本发明人已示出了他们独特的热等静压(HIP)工艺对于煅烧物的直接处置或者处理可提供