[发明专利]浓缩固化放射性废液中核素的方法和系统

说明书

本发明涉及浓缩固化放射性废液中核素的方法和系统。本发明的浓缩固化放射性废液中核素的方法包括如下步骤：步骤1)预处理：利用第一选择性提取剂对放射性废液进行提取；步骤2)浓缩：对经提取的放射性废液进行反渗透浓缩；步骤3)提取：利用有机离子交换树脂和/或第二选择性提取剂将浓缩液中富集的放射性核素提取至固相；步骤4)核素固化：再使步骤3)获得的富含核素的有机离子交换树脂和/或第二选择性提取剂和步骤1)获得的第一选择性提取剂形成固化体。通过本发明的方法和系统，可以有效提取浓缩放射性废液中的放射性核素，进行安全贮存，同时实现放射性废物的贮存体积最小化。

技术领域

本发明涉及浓缩固化放射性废液中核素的方法和系统。

背景技术

核电作为一种重要的清洁能源，正在逐渐成为世界能源结构中的重要组成部分。日本福岛核事故后，核安全已经成为核能发展中需要重点关注的问题。在核电厂的日常运行及事故工况中，通常产生大量放射性废液。

放射性废液中包含的放射性核素主要有两个来源，一个来源为裂变产物，另一个来源为活化产物和腐蚀产物。第二来源主要与金属材料的活化、腐蚀、沉淀以及释放行为有关，该部分放射性核素包括Ag、Co、Cr、Mn、Fe等核素。在发生燃料破损时，放射性废液中出现具有β放射性的长寿命裂变产物¹³⁴Cs/¹³⁷Cs和⁹⁰Sr等。对于半衰期长的放射性核素，需要从废液中分离，与环境隔离后长期储存，直至其衰变至无害的水平。

由于放射性核素长期地质储存处置的费用较高，暂存库或处置场容量有限，放射性废液一般要经过浓缩减容，尽可能实现体积最小化，才可以进行长期储存。目前核电厂中，浓缩放射性废液中核素的方法主要是蒸发浓缩和离子交换。无论采取哪种处理方法，实质上是将放射性核素浓缩富集到液体介质或者固体介质中，这些物质最终经固化后进行长期地质储存。蒸发浓缩是将放射性核素在蒸残液和冷凝液中进行重新分配，获得包含绝大多数放射性核素的蒸残液和放射性核素含量较低的冷凝液。离子交换则是将放射性核素容纳在自身的材料中。

蒸发浓缩和离子交换在放射性废液处理中都有广泛的应用，具有各自的优缺点。蒸发工艺优点在于技术成熟，去污能力强，放射性废物产生量最小；缺点在于能耗高，设备庞大，投资高，操作条件差，腐蚀结垢等问题严重。而离子交换工艺则恰好相反，其优点在于能耗低，设备简单，操作方便；缺点在于产生大量的放射性废离子交换树脂，后续处理处置困难。

在三代核电的设计中，蒸发工艺已经逐渐退出，离子交换工艺成为了主体工艺。但是核电厂现有的离子交换工艺在浓缩包容放射性核素的同时，必须确保其排出的液体满足环境排放要求。这对树脂去污系数有较高的要求，并因此使得树脂的吸附容量不可能得到充分利用，导致放射性废树脂的产生量较大，对后期的长期储存产生了较大的压力。

放射性废液本身的处理难度较大，主要表现在以下几个方面：

1)核电厂放射性废液中含有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等上百种核素。各核素的性质(例如浓缩富集性质，存在形态，浓度，化合价，腐蚀性等)复杂且可在不同操作条件(例如pH值、离子强度、温度等)下发生变化，对核素的浓缩富集造成一定的难度。

2)放射性核素的质量浓度极低，一般为10^-3微克/升以下；而共存的非放射性离子如K、Na、Ca、Mg的浓度较高，一般为毫克/升的量级，甚至高达克/升量级，这些非放射性离子的存在严重影响放射性废液中核素的浓缩和固化。

3)需要尽可能降低放射性废物的量(尤其是体积)，以较高的回收率浓缩放射性废液中的核素。