[发明专利]放射性石墨的处理方法

说明书

本发明涉及放射性石墨的处理方法，更具体地说涉及处理在多种核反应堆(nuclear reactor)中用作减速剂(moderator)的石墨所产生的放射性石墨的方法。

石墨主要由元素碳组成，作为减速剂用于多种形式的核反应堆中，例如英国的MAGNOX和AGR气冷反应堆，以及俄罗斯的RBMK。在建造期间，反应堆的减速剂通常安装成石墨砖的连锁结构形式。在反应堆寿命结束时，石墨减速剂一般重约2,000吨，是一种需要最后处理的放射性废物。石墨是碳的一种相对稳定的化学形态，在许多方面均适于不经处理而直接清理(disposal)。然而，在中子辐射后，石墨将含有储存的维格纳能(Wigner energy)。任何清理石墨的措施，只要是依赖以未处理形式的石墨进行清理，都必须考虑释放这种能量的可能性。换句话说，在清理前处理石墨可以使储存的所有维格纳能安全释放。

石墨也含有非常大量的来自中子诱导反应的放射性核素，该放射性核素既包含在石墨本身中也包含在石墨含有的少量杂质中。所含的放射性同位素可以方便地分为两类。短寿命同位素(例如钴-60)使石墨在反应堆关闭(shutdown)后难于立即处理，但在数十年后衰变(decay)。长寿命同位素(主要是碳-14)因可能排放到生物圈中而令人关注。处理石墨则有机会将大多数石墨物质团块(graphite mass)(碳)与短寿命放射性同位素中分离开。这样又可方便在反应堆寿命结束后不久即对石墨废物进行处理。

因为石墨和其团块的特征之故，迄今为止，最常用的石墨减速的反应堆退役的方法是在反应堆关闭后在原地“安全储藏(safestore)”反应堆核芯(reactor core)数十年。在这期间，短寿命放射性同位素充分衰变，最后允许人工拆除石墨减速剂。在英国，大多数的计划都设定石墨然后以其现存化学形态进行清理，只是采用适当的附加包装以防止碳-14长期衰变期间的降解(degradation)和释放。

安全储藏具有某些不利影响，因为这意味着长期的财政负担、无生产效益却又有碍观瞻的设施，还需要连续监管，以及需要后代(并不从原始资产中获利)完成它的最后清除。如果要以更短期的措施代替安全储藏的方法，则必须对石墨以安全和放射学上可接受的方式进行处理。

我们现已开发了一种方法，该方法提供了一种方便的手段，用于将石墨转化成其中所有维格纳均被除去的形式；该方法可以用于使石墨中的碳气化，并基本上以一种形式保持该气化的碳，以备必要时作进一步处理。我们开发的该方法也可以用于将在石墨中的碳与存在于减速剂中的其它放射性元素有效地分离，以便容易处理，并便于将碳物质团块排放到大气中。该方法可以用于处理用常规方式从反应堆核芯中取出的单块石墨或石墨粒。我们开发的该方法也可以用于在原地以一种缓慢、控制的方式，使减速剂石墨缓慢反应，而无须人为干预反应堆核芯。

因此，本发明提供一种放射性石墨的处理方法，该方法包括下列步骤：

i)使放射性石墨在250～900℃温度与过热蒸汽或含有水蒸汽的气体反应，生成氢气和一氧化碳；以及

ii)使来自步骤(i)的氢气和一氧化碳反应，生成水和二氧化碳。

附图1说明本发明处理放射性石墨的工艺流程图。

本发明是一种应用于石墨材料的方法，所述石墨材料先前在热核反应堆(thermal nuclear reactor)核芯中作为减速剂但将不再为这一应用目的所需。本发明方法也应用于在核反应堆核芯的中子流(neutron flux)中受辐射的任何其它的石墨材料(燃料元件套管、支架(fuel element sleeves，braces)等)。

在本发明方法的步骤(i)中，过热蒸汽或含有水蒸汽的气体与石墨的反应在250～900℃温度进行，优选在600～700℃下进行，生成氢气和一氧化碳。这类过程在本领域中一般温度称作“蒸汽转化”。步骤(i)的反应可以在向蒸汽或含有水蒸汽的气体中加入氧气的情况下进行，以向该过程提供放热反应的能量。氧气的加入可使蒸汽转化反应的温度得到控制。

来自步骤(i)的气体然后在步骤(ii)用氧气进一步氧化，生成二氧化碳和水。在该过程中，所述气体保留在封闭气氛(enclosedatmosphere)中。

在本方法中生成的二氧化碳和水随后可以按下面一种措施进行处置：

经过任何进一步必需的处理以将其放射性含量减至最低后，将二氧化碳控制排放到大气中；

将二氧化碳压缩并液化，用于暂时储存、加工、运输或处置；

冷凝蒸汽得到水，以便处理、处置、或释放；和/或