DE69217983T2

DE69217983T2 - Verfahren zur volumenverminderung einer radioaktiver zusammensetzung

Info

Publication number: DE69217983T2
Application number: DE69217983T
Authority: DE
Inventors: Robert Bach; William Haney; Christopher Nagel
Original assignee: Molten Metal Technology Inc
Current assignee: Molten Metal Technology Inc
Priority date: 1991-11-07
Filing date: 1992-11-06
Publication date: 1997-10-09
Anticipated expiration: 2012-11-07
Also published as: DE69217983D1; US5489734A; ATE149730T1; EP0611478B1; AU661534B2; CA2121813A1; JP3093793B2; MD960180A; JPH07500912A; EP0611478A1; BR9206888A; WO1993009543A1; US5202100A; AU3127393A

Description

Stand der Technik für die Erfindung

Radioaktiver Abfall hat viele Formen wie beispielsweise als verbrauchter Brennstoff von nuklearen Reaktoren und kontaminierter Glaswerkstoff und verbrauchte Ionenaustauschharze, die von medizinischen und chemischen Laboratorien erzeugt werden. Radioaktive Bestandteile sind häufig nur gewichtsmäßig ein kleiner Prozentsatz des Gesamtgewichts von derartigen Abfällen. Die Halbwertszeit von radioaktivem Abfall kann jedoch hunderte oder tausende von Jahren betragen, wodurch eine Lösung für die endgültige Beseitigung nötig wird.
Typischerweise wird radioaktiver Abfall durch Begraben an speziell vorbereiteten Abfallstellen entsorgt, wie beispielsweise in Landauffüllungen, die verkleidet oder versiegelt sind, oder in tiefen Untergrundminen. Große Volumina radioaktiver Abfälle sind jedoch schwierig einzuschließen. Beisdielsweise können Landauffüllungen mit der Zeit Lecks entwickeln, wodurch radioaktive Bestandteile von der Landfüllstelle entweichen und in öffentliche Wasserversorgungen eintreten können. Auch Minen können überflutet werden und Wasser kontaminieren, das daraufhin entweicht. Außerdem ist geeigneter Platz zur Entsorgung von radioaktivem Abfall beschränkt. Die Rate, mit der radioaktiver Abfall erzeugt wird, ist auch viel größer als die Rate, mit der neue Begrabungsstellen verfügbar werden.
Deshalb besteht ein Bedarf für ein Verfahren zum Reduzieren des Volumens von radioaktiven Zusammensetzungen wie beispielsweise radioaktiven Abfällen, die einen radioaktiven Bestandteil enthalten.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reduzieren des Volumens einer radioaktiven Zusammensetzung durch Abtrennung einer radioaktiven ersten Komponente von einer zweiten Komponente der radioaktiven Zusammensetzung.
Das Verfahren umfaßt, daß die radioaktive Zusammensetzung in eine Reaktionszone geleitet wird. Die Reaktionszone schließt ein geschmolzenes Bad ein, wobei Oxidation einer Komponente der radioaktiven Zusammensetzung in dem geschmolzenen Bad eine Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente bewirken wird. Ein erstes Oxidationsmittel wird in das geschmolzene Bad eingeleitet, wodurch eine Komponente der radioaktiven Zusammensetzung oxidiert wird, um dadurch Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente zu bewirken.
Diese Erfindung hat viele Vorteile. Es kann beispielsweise entweder die radioaktive erste Komponente oder die zweite Komponente oxidiert werden. Zusätzlich können die oxidierte Komponente und die andere Komponente getrennt werden, indem die Löslichkeit, die Polarität oder die Dichte von einer der Komponenten verändert wird oder indem eine der Komponenten flüchtig gemacht wird und dadurch aus dem geschmolzenen Bad entweichen kann. Auch kann die radioaktive Komponente in einer geschmolzenen Metallschicht des geschmolzenen Bades oder in einer Schlacke des Bades zur anschließenden Beseitigung gelöst werden. Im allgemeinen wird radioaktives Material in einem Metall oder in einer Schlacke leichter eingeschlossen als in gemischtem Abfall, wie in unbehandelten radioaktiven Abfällen. Alternativ dazu kann die radioaktive Komponente verflüchtigt werden, um ein radioaktives Gas zu bilden, das getrennt behandelt wird, wie zum Beispiel durch Waschen und nachfolgende Reaktion, um relativ stabile Verbindungen zu bilden, die sicher und billig entsorgt werden können. Außerdem reduziert eine Trennung von radioaktiven von nicht-radioaktiven Materialien das Volumen des radioaktiven Materials, das verdichtet oder in Landauffüllungen oder in tiefen Untergrundminen entsorgt werden muß.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems zum Reduzieren des Volumens von radioaktiven Zusammensetzungen durch Anwendung des Verfahrens der Erfindung.
Figur 2 ist eine Kurvendarstellung der freien Oxidationsenergien von Uran, Eisen und Kohlenstoff unter den Bedingungen eines geschmolzenen Bades, das in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung angewendet wird.
Figur 3 ist eine Kurvendarstellung der freien Energie der Reaktion von Jod mit einem geschmolzenen Bad aus Nickel und Kalziumjodid mit Sauerstoff in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Figur 4 ist eine Kurvendarstellung der freien Energie der Reaktion von Chlor als einem Oxidationsmittel mit Eisen und Uran gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel für das Verfahren der Erfindung.
Figur 5 ist eine Kurvendarstellung der freien Oxidationsenergie von Uranchlorid gemäß dem Ausführungsbeispiel, auf das in der Beschreibung von Figur 4 Bezug genommen wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Merkmale und weitere Einzelheiten des Verfahrens der Erfindung werden nun spezieller unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wie sie in den Ansprüchen angegeben ist. Es wird ausdrücklich bemerkt, daß die speziellen Ausführungsformen der Erfindung nur zur Erläuterung und nicht zur Einschränkung der Erfindung angegeben sind.
Das System 10, das in der Figur gezeigt ist, ist eine Darstellung eines Systems, das zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung geeignet ist. Das System 10 enthält den Reaktor 12. Beispiele für geeignete Reaktoren umfassen K-BOP, Q-BOP, Argon-Sauerstoff-Entcarbonisierungsofen (AOD), EAF, usw., wie sie in der Technik der Stahlherstellung bekannt sind. Der Reaktor 12 hat einen oberen Abschnitt 14 und einen unteren Abschnitt 16.
Die Blasform 18 umfaßt ein Gashüllrohr 20, ein Einlaßrohr 22 für ein oxidierendes Mittel und ein Einlaßrohr 24 für radioaktive Zusammensetzung. Das Hüllgasrohr 20 erstreckt sich von der Hüllgasquelle 26 zu dem Reaktor 12. Das Oxidationsmittelrohr 22 erstreckt sich von der Oxidationsmittelquelle 28 zum unteren Abschnitt 16 des Reaktors 12. Das Oxidationsmittelrohr 22 ist innerhalb des Hüllgasrohres 20 an der Blasformöffnung 30 angeordnet. Das Einlaßrohr 24 für radioaktive Zusammensetzung ist innerhalb des Oxidationsmittelrohres 22 an der Blasformöffnung 30 angeordnet. Eine Pumpe 32 ist am Einlaßrohr 24 für die radioaktive Zusammensetzung angeordnet, um eine geeignete radioaktive Zusammensetzung von einer Quelle 34 für radioaktive Zusammensetzung einzuleiten.
Die Blasform 18 ist so dimensioniert und aufgebaut, daß sie gleichzeitig und kontinuierlich eine geeignete radioaktive Zusammensetzung und ein Oxidationsmittel in den Reaktor 12 einführen kann. Es soll jedoch bemerkt werden, daß ein Hüllgas, die radioaktive Zusammensetzung und das Oxidationsmittel getrennt oder intermittierend oder sowohl getrennt als auch intermittierend anstatt nur gleichzeitig oder kontinuierlich oder beides eingeführt werden können. Dies ist auch so zu verstehen, daß mehr als eine Blasform 18 in dem Reaktor 12 angeordnet sein können und daß konzentrische oder mehrfach konzentrische Blasformen für die getrennte Einführung von Reaktionsbestandteilen wie der radioaktiven Komponente und des Oxidationsmittels in den Reaktor 12 angewendet werden können. Die radioaktive Zusammensetzung kann beispielsweise durch eine erste doppelte konzentrische Blasform, die nicht gezeigt ist, eingeleitet werden, und das Oxidationsmittel kann getrennt durch eine zweite doppelte konzentrische Blasform, die ebenfalls nicht gezeigt ist,eingeleitet werden, was eine Alternative zur Verwendung der Blasform 18 darstellt. Doppelte konzentrische Blasformen,wie zum getrennten Einführen einer radioaktiven Zusammensetzung und eines Oxidationsmittels,können nahe beieinander oder entfernt voneinander im Reaktor 12 angeordnet sein. Weiterhin ist zu bemerken, daß Oxidationsmittel und radioaktive Zusammensetzung durch andere geeignete Verfahren in den Reaktor 12 eingeführt werden können. So kann zum Beispiel die radioaktive Zusammensetzung auch durch einen Einlaß 36 für radioaktive Zusammensetzung in den Reaktor 12 oder durch Einblasen der radioaktiven Zusammensetzung von oben in den Reaktor 12 eingeleitet werden.
Ein am Boden angesetzter Auslauf 38 erstreckt sich vom unteren Abschnitt 16 aus und ist zur Entfernung von wenigstens einem Teil eines geschmolzenen Bades vom Reaktor 12 geeignet. Material kann auch durch andere Verfahren, die an sich in der Technik bekannt sind, entnommen werden. Es kann zum Beispiel Material vom Reaktor 12 durch Drehen des Reaktors 12 oder durch Verwenden einer nicht gezeigten Rinne, die sich vom Einlaß 36 für die radioaktive Zusammensetzung aus erstreckt, entnommen werden. Alternativ dazu kann sich die Rinne durch ein Anzapfloch, das ebenfalls nicht gezeigt ist, in den Reaktor 12 hinein erstrecken.
Der Abgasauslaß 40 ist am oberen Abschnitt 14 des Reaktors 12 angeordnet und erstreckt sich zu einem Wärmeaustauscher 42.
Der Wärmeaustauscher 42 hat eine Abgasseite 44 und eine Kühlmediumseite 46. Die Abgasseite 44 hat einen Wärmeaustauschereinlaß 48 und einen Wärmeaustauscherauslaß 50. Die Kühlmediumseite 46 hat einen Kühlmediumeinlaß 52 und einen Kühlmediumauslaß 54. Beispiele für geeignete Wärmeaustauscher umfassen wassergekühlte Hauben, Wärmetauscher vom Röhren- und Manteltyp, usw. Ein geeignetes Kühlmedium kann ein beliebiges Medium zum Kühlen von Abgas im Wärmeaustauscher 42 sein. Beisdiele für geeignete Kühlmedien umfassen zum Beispiel Wasser, Ethylenglycol, Ethylbenzol, Alkohole usw.
Ein Scrubber oder eine Wascheinrichtung 56 ist am Wärmeaustauscherauslaß 50 angeordnet. Die Wascheinrichtung ist geeignet, um das Abgas Bedingungen auszusetzen, die ausreichend sind, um wenigstens einen Teil des Abgases von dem Abgasstrom zu entfernen. Die Wascheinrichtung ist, um ein Beispiel anzugeben, ein Scrubber, der einen Venturi-Naßscrubber usw. einschließt. Weiterhin ist zu bemerken, daß das Abgas durch andere geeignete Verfahren gekühlt und getrennt werden kann. In einem Ausführungsbeispiel wird das Abgas nach dem Verfahren und dem System gekühlt und getrennt, das in der US-Patentanmeldung Serial-No. 07/737,048 beschrieben ist und die Bezeichnung trägt: "Method and System for Controlling Chemical Reaction in a Molten Bath" (Verfahren und System zum Steuern von chemischen Reaktionen in einem geschmolzenen Bad), deren Lehre hier durch diese Bezugnahme inkorporiert wird.
Eine Induktionsspule 58 ist am unteren Abschnitt 16 zum Heizen des Reaktors 12 oder zum Starten der Erzeugung von Wärme innerhalb des Reaktors 12 angeordnet. Zu bemerken ist, daß alternativ der Reaktor 12 durch andere geeignete Einrichtungen geheizt werden kann, wie zum Beispiel durch Sauerstoff-Brennstoff-Brenner, elektrische Bögen, usw. Auflager 60 sind an dem Reaktor 12 zur Betätigung des Reaktors 12 und des Abgasauslaßrohres 40 angeordnet. Zwischen dem Reaktor 12 und dem Abgasauslaßrohr 40 ist eine Dichtung 62 angeordnet. Auflager 60 sind geeignet, um teilweise Drehung des Reaktors 12 um die Achsen 60 zu gestatten, ohne daß die Dichtung 62 bricht. Alternativ dazu muß der Reaktor 12 keine Auflager oder eine Dichtung haben und muß nicht rotieren.
Eine Spule 64 ist am Äußeren des Reaktors 12 angeordnet, um Wärme vom Reaktor 12 zu übertragen. Die Spule 64 ist durch eine Isolation 66 abgedeckt und enthält ein geeignetes Wärmeübertragungsmedium wie Wasser oder flüssiges Metall. Das Wärmeübertragungsmedium wird durch die Spule 64 mittels einer geeigneten Einrichtung wie einer Pumpe, die nicht gezeigt ist, zirkulieren gelassen, um dadurch Wärme vom Reaktor 12 zu übertragen.
Eine Reaktionszone innerhalb des Systems 10 umfaßt ein geschmolzenes Bad 68, eine Schlackenschicht 74 und eine Gasschicht 76. Das geschmolzene Bad 68 enthält wenigstens ein Metall, wenigstens ein Oxid eines Metalles oder wenigstens ein Salz eines Metalles, wodurch Oxidation einer ersten radioaktiven Komponente oder einer zweiten Komponente einer radioaktiven Zusammensetzung Trennung der ersten radioaktiven Komponente von der zweiten Komponente bewirken wird. Beispiele für geeignete Metalle im geschmolzenen Bad 68 umfassen Eisen, Chrom, Mangan, Kupfer, Nickel, Kobalt usw. Dies soll so verstanden werden, daß das geschmolzene Bad 68 eine Lösung von Metallen einschließen kann. Dies ist auch so zu verstehen, daß das geschmolzene Bad 68 Oxide oder Salze von Metallen einschließen kann. Das geschmolzene Bad 68 kann mehr als eine Phase geschmolzenes Metall umfassen, wie es in US-Patentanmeldung Serial-No. 07/557,561 mit dem Titel "Method and System for Forming Carbon Dioxide from Carbon Containing Material in a Molten Bath of Immiscible Metals" (Verfahren und System zum Bilden von Kohlenstoffdioxid aus Kohlenstoff enthaltendem Material in einem geschmolzenen Bad aus unmischbaren Metallen) beschrieben ist, deren Lehre durch diese Bezugnahme hier inkorporiert wird. Das geschmolzene Bad 68 kann beispielsweise im wesentlichen unmischbare geschmolzene Phasen 70, 72 umfassen.
Das geschmolzene Bad 68 wird gebildet, indem der Reaktor 12 wenigstens teilweise mit wenigstens einem geeigneten Metall gefüllt wird. Das Metall wird dann auf eine geeignete Temperatur erhitzt, indem die Induktionsspule 64 aktiviert wird, oder durch ein anderes Mittel, das nicht gezeigt ist. Wenn zwei unmischbare Metalle in den Reaktor 12 eingeführt werden, trennen sich diese Metalle während des Schmelzens, um unterschiedliche geschmolzene Phasen 70, 72 zu bilden.
Eine Schlackeschicht 74 liegt auf dem geschmolzenen Bad 68. Die Schlackeschicht 74 ist mit dem geschmolzenen Bad 68 im wesentlichen unmischbar. Alternativ dazu hat das System 10 keine Schlackeschicht 74. Die Schlackeschicht 74 umfaßt wenigstens ein Metalloxid. Beispiele für geeignete Metalloxide der Schlackeschicht 74 umfassen Titanoxid (TiO&sub2;), Zirkonoxid (ZrO&sub2;), Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Magnesiumoxid (MgO), Kalziumoxid (CaO), Siliziumdioxid (SiO&sub2;) usw. Andere Beispiele für geeignete Komponenten der Schlackeschicht 74 umfassen Halogene, Schwefel, Phosphor, Schwermetalle usw. Es wird bemerkt, daß die Schlackeschicht 74 mehr als ein Metalloxid umfassen kann. Es können auch radioaktive anorganische Komponenten der radioaktiven Zusammensetzung in der Schlackeschicht 74 enthalten sein. Die Schlackeschicht 74 kann mehr als eine Phase enthalten. Typischerweise ist die Schlackeschicht 74 im wesentlichen fluid, so das Freie Radicale und andere Gase über die Schlackeschicht 74 von dem geschmolzenen Bad 68 passieren können.
Die Gasschicht 76 liegt über dem geschmolzenen Bad 68 und, wenn sie vorhanden ist, der Schlackeschicht 744 In einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Gasschicht 76 vom oberen Abschnitt 14 des Reaktors 12 durch den Abgasauslaß 22 zur Wascheinrichtung 56. Die Gasschicht 76 umfaßt Abgase, die Reaktionsprodukte sind, wie Wasserstoff, Wasserdampf, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Das Abgas kann eine radioaktive erste Komponente von der radioaktiven Zusammensetzung enthalten.
Geeignete Betriebsbedingungen des Systems 10 umfassen eine Temperatur, die ausreichend ist, um eine Komponente einer in den Reaktor 12 geleiteten radioaktiven Zusammensetzung zu oxidieren, wodurch eine radioaktive erste Komponente von einer zweiten Komponente der radioaktiven Zusammensetzung getrennt wird.
In einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung wird eine radioaktive Zusammensetzung von einer Quelle 34 der radioaktiven Zusammensetzung in die Reaktionszone gelenkt. Die radioaktive Zusammensetzung, das erste Oxidationsmittel und das Hüllgas werden in das geschmolzene Bad 68 des Reaktors 12 entsprechend von der Quelle 34 der radioaktiven Zusammensetzung, der Quelle 28 für das Oxidationsmittel und der Quelle 26 für das Hüllgas geleitet. Zu bemerken ist, daß die radioaktive Zusammensetzung durch andere geeignete Verfahren in den Reaktor eingeleitet werden kann. Die radioaktive Zusammensetzung kann zum Beispiel durch einen Einlaß 36 für radioaktive Zusammensetzung in Fiorm ganzer Gegenstände wie radioaktiv-verseuchter Kleidung, kontaminierter Leitungen usw. in den Reaktor 12 eingebracht werden.
Die radioaktive Zusammensetzung umfaßt eine radioaktive erste Komponente und eine zweite Komponente, wobei Oxidation einer der Komponenten Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente bewirkt. Beispiele für geeignete radioaktive Zusammensetzungen umfassen Abfallstoffe mit niedrigem radioaktivem Niveau, wie verschiedene Krankenhausabfälle, kontaminierte Kleidung, kontaminierte Glasware und verbrauchte Ionenaustauschharze, die in chemischen Laboratorien erzeugt worden sind, usw. Beispiele für radioaktive erste Komponenten umfassen: ³²P, ³&sup5;S, &sup5;¹Cr, &sup5;&sup4;Mn, &sup5;&sup5;Fe, &sup5;&sup8;Co, &sup5;&sup9;Fe, &sup6;&sup5;Zn, &sup6;&sup7;Ga, ¹²&sup5;I, ¹³¹I, &sup6;&sup0;Co, ³H, &sup9;&sup0;Sr, ¹³&sup7;Cs, &sup6;³Ni, &sup6;³Ni Inaktiviertem Metall; ¹&sup4;C, ¹&sup4;C inaktiviertem Metall; &sup9;&sup4;Nb inaktiviertem Metall; &sup5;&sup9;Ni inaktiviertem Metall; &sup9;&sup9;Tc, ¹²&sup9;I; α-emittierende Transurannuklide mit Halbwertszeiten von weniger als 5 Jahren, ²&sup4;²Cm; ²&sup4;¹Pu, usw.
Das Oxidationsmittel ist geeignet für die Oxidation einer Komponente der radioaktiven Zusammensetzung im geschmolzenen Bad 68, um dadurch Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente zu bewirken. Ein "Oxidationsmittel" bezeichnet, wie der Ausdruck hier verwendet wird, ein Mittel, das die positive Ladung oder Wertigkeit eines Elementes erhöhen kann, indem Elektronen von diesem Element entfernt werden. Beispiele für geeignete Oxidationsmittel umfassen: Sauerstoffgas oder sauerstoffhaltige Verbindungen wie Kalziumoxid; Halogene; chlorhaltige Verbindungen; fluorhaltige Verbindungen und hochwertige Metall-Kationen wie Fe&spplus;³, Cr&spplus;&sup6; und V&spplus;&sup6;; usw.
Das Hüllgas ist geeignet für die Kühlung des Bereiches innerhalb des Reaktors 12, der der Blasform 18 naheliegt, unter den Betriebsbedingungen des Systems 10. Beispiele für geeignete Hüllgase umfassen Stickstoffgas (N&sub2;), Dampf, Methan (CH&sub4;), Chlorbenzol (C&sub6;H&sub5;Cl), usw. In einem Ausführungsbeispiel ist in dem Bereich Stickstoffgas vorhanden.
Die radioaktive Zusammensetzung, die in den Reaktor 12 eingeleitet worden ist, vereinigt sich mit dem geschmolzenen Bad 68 und kann sich auch mit der Schlackenschicht 74 vereinigen. In einem Ausführungsbeispiel lösen sich wenigstens ein Teil der radioaktiven ersten Komponente und der zweiten Komponente, die durch das Verfahren der Erfindung getrennt werden sollen, in dem geschmolzenen Bad 68 und/oder der Schlackenschicht 74. Der Kontakt der radioaktiven Zusammensetzung mit dem geschmolzenen Bad 68 oder der Schlackenschicht 74 setzt die radioaktive Zusammensetzung dem Oxidationsmittel bei einer Temperatur aus, die ausreichend ist, um eine Komponente der radioaktiven Zusammensetzung in dem geschmolzenen Bad 68 zu oxidieren, und dadurch wird Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente aufgrund der Änderungen und als Folge davon der Differenzen zwischen der radioaktiven ersten Komponente und der zweiten Komponente in Bezug auf die Löslichkeit, die Dichte, die Polarität, die Flüchtigkeit usw. verursacht. In einem Ausführungsbeispiel liegt die Temperatur des geschmolzenen Bades in dem Bereich zwischen etwa 1000ºC und etwa 2000ºC. Die radioaktive erste Komponente und die zweite Komponente werden durch Wanderung oder Migration entweder der radioaktiven ersten Komponente oder der zweiten Komponente getrennt. Eine Komponente kann beispielsweise vom geschmolzenen Bad 68 zu der Schlackenschicht 74 oder zu der Gasschicht 76 wandern. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann jede der Komponenten in einer von zwei oder mehr unmischbaren geschmolzenen Phasen des geschmolzenen Bades 68 oxidiert werden und zu einer anderen geschmolzenen Phase wandern. Es kann beispielsweise die radioaktive erste Komponente in der geschmolzenen Phase 70 oxidiert werden und zu der geschmolzenen Phase 72 des geschmolzenen Bades 68 wandern. Alternativ dazu können sowohl die radioaktive erste Komponente als auch die zweite Komponente wandern, wobei Trennung dadurch erhalten werden kann, daß die Wanderung der radioaktiven ersten Komponente und die Wanderung der zweiten Komponente zu unterschiedlichen Teilen der Reaktionszone erfolgt. Die radioaktive erste Komponente kann beispielsweise zur Schlackenschicht 74 wandern, während die zweite Komponente zur Gasschicht 76 wandert.
Eine Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente wird durch Oxidation entweder der radioaktiven ersten Komponente oder der zweiten Komponente verursacht. Zum Beispiel kann Oxidation der radioaktiven ersten Komponente bewirken, daß die radioaktive erste Komponente von dem geschmolzenen Bad 68 zu der Schlackenschicht 74 wandert, während die zweite Komponente in dem geschmolzenen Bad 68 verbleibt, wodurch sich die radioaktive Komponente von der zweiten Komponente abtrennt. Die Trennung der zwei Komponenten reduziert signifikant das Volumen der radioaktiven Zusammensetzung, weil die zweite Komponente von der radioaktiven ersten Komponente isoliert worden ist und weil typischerweise die radioaktiven Zusammensetzungen hauptsächlich aus nicht-radioaktiven Komponenten bestehen.
In einem anderen Ausführungsbeispiel des Verfahrens der Erfindung wird entweder die radioaktive erste Komponente oder die zweite Komponente durch ein erstes Oxidationsmittel oxidiert, um eine Zwischenkomponente zu bilden. Die Zwischenkomponente trennt sich von der verbleibenden Komponente der radioaktiven Zusammensetzung entweder durch Wanderung der Zwischenkomponente oder durch Wanderung der verbleibenden Komponente aus dem geschmolzenen Bad 68 heraus. Alternativ dazu können sich die Komponenten durch Wanderung entweder der Zwischenkomponente oder der verbleibenden Komponente von einer unmischbaren geschmolzenen Phase zu einer anderen unmischbaren Phase des geschmolzenen Bades 68, wie zum Beispiel von der geschmolzenen Phase 70 zu der geschmolzenen Phase 72, trennen.
Ein zweites Oxidationsmittel wird dann durch ein geeignetes Mittel in die Reaktionszone eingeleitet zur Reaktion mit der Zwischenkomponente. Das zweite Oxidationsmittel kann zum Beispiel von der Quelle 29 für ein zweites Oxidationsmittel durch das Oxidationsmittelrohr 22 und die Blasform 18 am unteren Abschnitt 16 des Reaktors 12 in das geschmolzene Bad 68 eingeleitet werden. Geeignete zweite Oxidationsmittel umfassen Oxidationsmittel, die mit der Zwischenkomponente reagieren werden. In einem Ausführungsbeispiel ist das zweite Oxidationsmittel ein Metall oder Metalloxid der Gruppe I oder der Gruppe II. Das zweite Oxidationsmittel ist von dem ersten Oxidationsmittel verschieden. In einer Ausführungsform kann das erste Oxidationsmittel zum Beispiel Fluor sein und das zweite Oxidationsmittel kann Sauerstoffgas sein. Das zweite Oxidationsmittel reagiert mit der Zwischenkomponente, um ein Produkt zu bilden. Das Produkt kann durch die Reaktionszone zu der Gasschicht 76 zur Entfernung aus dem Reaktor 12 wandern.
Gase, wie das Produkt, die radioaktive erste Komponente oder die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung, die aus dem geschmolzenen Bad 68 in die Gasschicht 76 frei abgegeben werden, werden durch den Abgasauslaß 40 zu dem Wärmeaustauscher 42 geleitet. Die Gase werden in dem Wärmeaustauscher 42 gekühlt und dann in den Scrubber 56 zur Trennung von Komponenten aus dem Gas eingeleitet. Dadurch wird ein Zwischenstrom am Scrubber 56 gebildet, der so behandelt werden kann, wie es in der US-Patentanmeldung Serial-No. 07/737,048 beschrieben ist, und die Lehre aus dieser Patentanmeldung wird durch diese Bezugnahme hier inkorporiert. Der Zwischenstrom kann zum Beispiel zu dem geschmolzenen Bad 68 durch die Leitung 78 oder die Leitung 80 zurückgeleitet werden oder kann durch andere Mittel behandelt werden, so kann zum Beispiel der Zwischenstrom zu einem anderen Reaktor, der nicht gezeigt ist, geleitet werden.
Im folgenden werden verschiedene Anwendungen des Verfahrens der Erfindung zum Reduzieren des Volumens von radioaktiven Zusammensetzungen mit einer radioaktiven ersten Komponente und einer zweiten Komponente dargestellt.

Beispiel I

Eisenrohrleitungen oder andere Lagerungsbehälter aus Metall und ihre Inhalte, die mit radioaktivem Uran kontaminiert sind, werden durch den Einlaß 36 für radioaktive Zusammensetzung in das geschmolzene Bad 68 des Reaktors 12 eingeführt. Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung ist Uran. Die zweite Komponente ist Eisen.
Sauerstoffgas als ein erstes Oxidationsmittel wird kontinuierlich dem geschmolzenen Bad 68 von der Oxidationsmittelquelle 23 durch das Oxidationsmittelrohr 22 der Blasform 18 zugegeben. Stickstoffgas, ein Hüllgas, wird dem geschmolzenen Bad 68 von einer Hüllgasquelle 26 durch das Hüllgasrohr 20 in der Blasform 18 zugeführt. In dem geschmolzenen Bad 68 kann Kohlenstoff vorhanden sein. Das geschmolzene Bad 68 hat eine Temperatur von etwa 1800ºK.
Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird in dem geschmolzenen Bad 68 von Uran zu Uranoxid durch das erste Oxidationsmittel oxidiert. Die Reaktion der radioaktiven ersten Komponente mit dem ersten Oxidationsmittel erfolgt vorzugsweise zur Oxidation von Eisen- oder Kohlenstoffschmelzbad 68, weil, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, die freie Energie der Oxidation von Uran (Kurve 82) niedriger als die von Eisen (Kurve 84) oder Kohlenstoff (Kurve 86) bei der Temperatur des geschmolzenen Bades 68 ist. Die radioaktive erste Komponente wandert von dem geschmolzenen Bad 68 zur Schlackenschicht 74. Die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird von der radioaktiven ersten Komponente in dem geschmolzenen Bad 68 getrennt, wenn die radioaktive erste Komponente oxidiert wird. Das Volumen der radioaktiven Zusammensetzung wird signifikant reduziert, weil die Eisenkomponente von der ersten radioaktiven Komponente, dem Uran, abgetrennt worden ist. Die Schlackenschicht 74, die die radioaktive erste Komponente einschließt, wird von dem Reaktor 12 durch ein geeignetes Mittel entfernt. Die zweite Komponente, das Eisen, verbleibt in dem geschmolzenen Bad 68. Die zweite Komponente kann durch eine Anzapfstelle am Boden, den Auslauf 38, aus dem Reaktor 12 entfernt werden.

Beispiel II

Die radioaktive Zusammensetzung umfaßt weggeworfene elektrische Transformatoren, die etwa 10% polychloriertes Biphenyl (C&sub1;&sub2;H&sub6;Cl&sub4;) enthalten und mit Spurenmengen von radioaktivem Kobalt in einer Konzentration von etwa einhundert Teilen pro Million kontaminiert sind. Die radioaktive Zusammensetzung umfaßt auch etwa 50% Eisen und etwa 40% Kupfer. Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung ist eine Lösung von dem Kobalt, dem Eisen und dem Kupfer. Die zweite Komponente ist das polychlorierte Biphenyl.
Die radioaktive Zusammensetzung wird von der Quelle 34 für die radioaktive Zusammensetzung durch den Einlaß 36 für die radioaktive Zusammensetzung in das geschmolzene Bad 68 des Reaktors 12 eingeleitet. Es werden Sauerstoffgas und Kalziumoxid als Oxidationsmittel zu dem geschmolzenen Bad 68 von der Oxidationsmittelquelle 28 durch das Oxidationsmittelrohr 22 hinzugegeben. Stickstoff gas wird als Hüllgas zu dem geschmolzenen Bad 68 von der Hüllgasquelle 26 durch das Hüllgasrohr 20 in der Blasform 18 zugegeben. Das geschmolzene Bad 68 hat eine Temperatur von etwa 1800ºK.
Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung sammelt sich in dem geschmolzenen Bad 68 an. Die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird in dem geschmolzenen Bad 68 und der Schlackenschicht 74 thermisch zersetzt, um atomaren Kohlenstoff, Chlor und Wasserstoff zu bilden. Wenigstens ein Teil des Kohlenstoffs wird oxidiert, um Kohlenmonoxidgas zu bilden, und Kalziumchlorid wird aus Chlor und Kalk erzeugt. Es wird auch Wasserstoffgas erzeugt. Das Kohlenmonoxidgas und das Wasserstoffgas wandern von dem geschmolzenen Bad 68 durch die Schlackeschicht 74 zu der Abgasschicht 76 und werden dann aus dem Reaktor 12 abgelassen. Das Kalziumchlorid sammelt sich in der Schlackeschicht 74 an.

Beispiel III

Die radioaktive Zusammensetzung umfaßt radioaktives Ionenaustauschharz mit einer Konzentration von etwa zwei Teilen pro Million von radioaktivem Uranisotop. Das Harz umfaßt eine organische Komponente, Polystyrol-Trimethylbenzylammoniumsalz. Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung umfaßt Uran und Chlor, die an das Harz gebunden sind.
Die zweite Komponente ist das Polystyrol-Trimethylbenzylammoniumsalz.
Die radioaktive Zusammensetzung wird durch die Blasform 18 in das geschmolzene Bad 68 des Reaktors 12 eingeführt. Sauerstoffgas und Kalziumoxid werden als Oxidationsmittel zu dem geschmolzenen Bad 68 von der Oxidationsmittelquelle 28 durch das Oxidationsmittelrohr 22 in der Blasform 18 zugegeben. Stickstoffgas wird als ein Hüllgas zu dem geschmolzenen Bad 68 von der Hüllgasquelle 26 durch das Hüllgasrohr 20 in der Blasform 18 zugegeben. Das geschmolzene Bad 68 hat eine Temperatur von etwa 1800ºK.
Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird durch das erste Oxidationsmittel in dem geschmolzenen Bad 68 oxidiert, um Uranoxid und Kalziumchlorid zu bilden. Die radioaktive erste Komponente wandert dann von dem geschmolzenen Bad 68 zu der Schlackenschicht 74.
Die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung zersetzt sich thermisch zu elementarem Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff, Komponenten von Polystyrol-Trimethylbenzylammonium, und wird von der radioaktiven ersten Komponente in dem geschmolzenen Bad 68 getrennt, wenn die radioaktive erste Komponente oxidiert wird, und wandert zu der Schlackenschicht 74. Der Stickstoff und der Wasserstoff verflüchtigen sich von dem geschmolzenen Bad 68. Der Kohlenstoff kann oxidieren, um Kohlenmonoxidgas zu bilden, das ebenfalls zu der Gasschicht 76 wandert. Das gesamte Volumen des radioaktiven Materials kann um ein Verhältnis reduziert werden, das größer als etwa zwanzig zu eins ist.

Beispiel IV

Eine radioaktive Zusammensetzung, die Kalziumjodid (CaI&sub2;) einschließt, hat eine radioaktive erste Komponente, die die Jodkomponente des Kalziumjodids ist, in Form von radioaktiven Isotopen ¹²&sup5;I, ¹²&sup9;I und ¹³¹I. Die zweite Komponente ist die Kalziumkomponente des Kalziumjodids. Die radioaktive Zusammensetzung wird von der Quelle 34 für radioaktive Zusammensetzung durch die Pumpe 32 durch das Rohr 24 für radioaktive Zusammensetzung durch die Blasformöffnung 30 in das geschmolzene Bad 68 des Reaktors 12 eingeführt. Das geschmolzene Bad 68 umfaßt Nickel. Sauerstoffgas wird in das geschmolzene Bad 68 als das erste Oxidationsmittel von der Oxidationsmittelquelle 28 durch das Oxidationsmittelrohr 22 eingeleitet. Stickstoffgas wird als Hüllgas dem geschmolzenen Bad 68 von der Hüllgasquelle 26 durch das Hüllgasrohr 20 zugegeben. Das geschmolzene Bad 68 hat eine Temperatur von etwa 1800ºK.
Die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird oxidiert, um Kalziumoxid und Jod (I&sub2;) zu bilden. Das erste Oxidationsmittel reagiert vorzugsweise mit der radioaktiven ersten Komponente, weil die freie Energie der Oxidation der radioaktiven ersten Komponente (Kurve 88) niedriger als die von dem Nickel (Kurve 90) des geschmolzenen Bades 68 ist, wie aus Figur 3 ersichtlich ist. Das Jod verflüchtigt sich und wandert von dem geschmolzenen Bad 68 durch die Schlackenschicht 74 zu der Gasschicht 76 und durch das Abgasauslaßrohr 40 aus dem Reaktor 12 heraus. Die zweite Komponente wandert von dem geschmolzenen Bad 68 zu der Schlackeschicht 74 und sammelt sich in der Schlackeschicht 74 an. Kalziumfluorid (CaF&sub2;) kann zu der Schlackeschicht 74 hinzugegeben werden, um die Fließfähigkeit der Schlackeschicht 74 aufrecht zu erhalten.

Beispiel V

Die radioaktive Zusammensetzung umfaßt Eisen, das mit radioaktivem Uran kontaminiert ist. Die radioaktive erste Komponente ist das radioaktive Uran. Die zweite Komponente ist das Eisen. Die radioaktive Zusammensetzung wird durch den Einlaß 36 für radioaktive Zusammensetzung in das geschmolzene Bad 68 des Reaktors 12 eingeführt. Chlorgas wird als ein zweites Oxidationsmittel dem geschmolzenen Bad 68 von der Oxidationsmittelquelle 28 durch das Oxidationsmittelrohr 22 zugeführt. Stickstoffgas wird als ein Hüllgas dem geschmolzenen Bad 68 von der Hüllgasquelle 26 durch das Hüllgasrohr 20 in der Blasform 18 zugegeben. Das geschmolzene Bad 68 hat eine Temperatur von etwa 1800ºK.
Die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird durch das erste Oxidationsmittel in dem geschmolzenen Bad 68 oxidiert, um eine Zwischenkomponente, Uranchlorid (UCl&sub4;) zu bilden. Das erste Oxidationsmittel reagiert vorzugsweise mit der radioaktiven ersten Komponente und zwar eher als mit dem Eisen, weil die freie Energie der Oxidation der radioaktiven ersten Komponente, Uranchlorid (Kurven 92, 94), niedriger als die des Eisens (Kurven 96, 98) in dem geschmolzenen Bad 68 ist, wie aus Figur 4 ersichtlich ist. Das Uranchlorid verflüchtigt sich und wandert durch die Schlackeschicht 74 aus dem geschmolzenen Bad 68 zu der Gasschicht 76.
Die Zwischenkomponente wird dann durch Sauerstoffgas als einem zweiten Oxidationsmittel oxidiert, welches durch eine geeignete Vorrichtung der Gasschicht 76 zugeführt wird, zum Beispiel durch eine Lanze von oben oder durch direkte Injektion in die Schlackeschicht oder an der Gasschicht/Schlackeschicht-Zwischenschicht. Die Zwischenkomponente, Uranchlorid, wird zu Uranoxid oxidiert. Die Reaktion der Zwischenkomponente mit dem zweiten Oxidationsmittel (Kurve 100) ist hoch begünstigt, wie in Figur 5 gezeigt ist, und führt zu der Bildung von UO&sub2;-Pulver und CL&sub2;-Gas. Das Uranoxid ist ein Feststoff, der sich in der Reaktionszone absetzt und in der Schlackeschicht 74 ansammelt.
Die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung wird von der radioaktiven ersten Komponente in dem geschmolzenen Bad 68 getrennt, wenn die radioaktive erste Komponente durch das erste Oxidationsmittel oxidiert wird. Die zweite Komponente, die Eisen ist, verbleibt in dem geschmolzenen Bad 68. Die zweite Komponente wird durch eine Zapfstelle am Boden, den Auslauf 38, entfernt.

Claims

1. Ein Verfahren zum Trennen einer radioaktiven ersten Komponente von einer zweiten Komponente einer radioaktiven Zusammensetzung, das die Schritte umfaßt, daß:

a) die radioaktive Zusammensetzung in eine Reaktionszone geleitet wird, wobei die Reaktionszone eine erste geschmolzene Metallphase und eine zweite Phase einschließt; und

b) ein erstes Oxydationsmittel in die erste geschmolzene Metallphase geleitet wird, wodurch eine Komponente der radioaktiven Zusammensetzung oxydiert wird, was Wanderung einer Komponente der radioaktiven Zusammensetzung von der ersten geschmolzenen Metallphase zu der zweiten Phase bewirkt, wodurch die radioaktive erste Komponente von der zweiten Komponente getrennt wird und wahlweise die Reaktionszone bildet.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Reaktionszone eine gasförmige zweite Phase einschließt und wahlweise das erste Oxydationsmittel die radioaktive erste Komponente der radioaktiven Zusammensetzung oxydiert, in welchem Falle weiterhin wahlweise die Reaktionszone bewirkt, daß die oxydierte radioaktive erste Komponente verflüchtigt wird, wodurch diese radioaktive erste Komponente von der ersten geschmolzenen Metallphase zu der besagten gasförmigen zweiten Phase wandert, wodurch die oxydierte radioaktive erste Komponente von der zweiten Komponente getrennt wird.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die zweite Phase eine zweite geschmolzene Phase ist, wodurch die oxydierte in der ersten geschmolzenen Phase gebildete Komponente von der ersten geschmolzenen Phase zu der zweiten geschmolzenen Phase wandert.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die erste geschmolzene Metallphase ein erstes Metall umfaßt.

5. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die gebildete zweite geschmolzene Phase der Reaktionszone ein Metalloxid umfaßt, wodurch die zweite geschmolzene Phase in der ersten geschmolzenen Metallphase im wesentlichen unmischbar ist.

6. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die gebildete zweite geschmolzene Phase der Reaktionszone ein Salz umfaßt.

7. Ein Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die gebildete zweite geschmolzene Phase ein zweites Metall einschließt, wodurch die zweite geschmolzene Phase in der ersten geschmolzenen Metallphase im wesentlichen unmischbar ist.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das erste Oxydationsmittel die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung oxydiert und bei dem wahlweise die Reaktionszone bewirkt, daß die oxydierte zweite Komponente verflüchtigt wird, wodurch die oxydierte zweite Komponente von der radioaktiven ersten Komponente getrennt wird, in welchem Falle weiterhin wahlweise die zweite Komponente eine radioaktive Komponente umfaßt.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das erste Oxydationsmittel mit der radioaktiven Zusammensetzung reagiert, um eine Zwischenkomponente zu bilden, die mit einem zweiten Oxydationsmittel reagieren kann.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das erste Oxydationsmittel mit der radioaktiven ersten Komponente der radioaktiven Zusammensetzung reagiert, um die Zwischenkomponente zu bilden.

11. Ein Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das erste Oxydationsmittel mit der radioaktiven zweiten Komponente der radioaktiven Zusammensetzung reagiert, um die Zwischenkomponente zu bilden.

12. Ein Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Zwischenkomponente, die gebildet worden ist, zu der zweiten geschmolzenen Phase wandert und mit dem zweiten Oxydationsmittel in der zweiten geschmolzenen Phase reagiert, um ein oxydiertes Produkt zu bilden.

13. Ein Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das erste Oxidationsmittel ein Halogen umfaßt.

14. Ein Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das zweite Oxydationsmittel eine sauerstoffhaltige Verbindung umfaßt.

15. Ein Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das zweite Oxydationsmittel eine fluorhaltige Verbindung umfaßt.

16. Ein Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das zweite Oxydationsmittel ein Metall der Gruppe I umfaßt.

17. Ein Verfahren nach Anspruch 13, bei dem das zweite Oxydationsmittel ein Metall der Gruppe II umfaßt.

18. Ein Verfahren zum Trennen einer radioaktiven ersten Komponente von einer zweiten Komponente einer radioaktiven Zusammensetzung, das die Schritte umfaßt, daß:

a) die radioaktive Zusammensetzung in eine Reaktionszone geleitet wird, wobei die Reaktionszone ein geschmolzenes Bad mit einer ersten geschmolzenen Phase und einer zweiten geschmolzenen Phase umfaßt; und

b) ein erstes Oxydationsmittel in das geschmolzene Bad geleitet wird, wodurch eine radioaktive Komponente der radioaktiven Zusammensetzung oxydiert wird, wodurch Trennung der radioaktiven ersten Komponente von der zweiten Komponente durch Wanderung von der ersten geschmolzenen Phase zu der zweiten geschmolzenen Phase bewirkt wird.

19. Ein Verfahren zur Verringerung des Volumens einer radioaktiven Zusammensetzung durch Trennen einer radioaktiven ersten Komponente von einer zweiten Komponente der radioaktiven Zusammensetzung, das die Schritte umfaßt, daß:

b) ein erstes Oxydationsmittel in das geschmolzene Bad geleitet wird, wodurch die zweite Komponente der radioaktiven Zusammensetzung oxydiert wird, wodurch Trennung der zweiten Komponente von der radioaktiven ersten Komponente durch Wandern von der ersten geschmolzenen Phase zu der zweiten geschmolzenen Phase bewirkt wird.

20. Ein Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem die erste geschmolzene Phase ein erstes Metall umfaßt.

21. Ein Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die gebildete zweite geschmolzene Phase der Reaktionszone ein Metalloxid umfaßt.