用于去除液體中放射性核素的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及液體中放射性核素的處理和處置。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，放射性材料廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)，以及環(huán)?；顒?dòng)等中。例如， 放射性廢棄物在核設(shè)施處產(chǎn)生，并且在需要處理以去除放射性污染物的核設(shè)施處有大量液 體工藝和廢棄物流。該廢棄物的管理通常包括處理、臨時(shí)存儲(chǔ)，以及將廢棄物運(yùn)輸至永久性 處置站點(diǎn)。
[0003] 例如，薩瓦納河站點(diǎn)（SRS)和漢福德站點(diǎn)是美國(guó)能源署（D0E)擁有的核專用地， 并且分別位于南卡羅來納州和華盛頓。在這些站點(diǎn)的液體廢棄物運(yùn)營(yíng)合約分別由由URS Corporation領(lǐng)導(dǎo)的公司團(tuán)隊(duì)的薩瓦納河整治（SRR)和華盛頓河保護(hù)解決方案（WRPS)來保 持。這些合約的主要的重點(diǎn)是與過去在這些站點(diǎn)所進(jìn)行的工作有關(guān)的清理活動(dòng)。
[0004] 具體地，大、高毒性量的高含量放射性廢棄物位于SRS和漢福德站點(diǎn)。在SRS，含有 億萬居里的幾乎4千萬加侖的該廢棄物以淤泥、鹽，和液體的形式被發(fā)現(xiàn)。主要的放射性核 素是钚、鍶-90,以及銫-137。鍶和銫占有放射性核素的95%以上。大量的超鈾（TRU)廢棄 物也存儲(chǔ)在站點(diǎn)。在漢福德，存在幾乎6千萬加侖的類似的廢棄物。
[0005] 處理這些廢棄物的目前的計(jì)劃是經(jīng)由在漢福德的再生離子交換以及在SRS的液 體-液體溶劑萃取和非再生離子交換來首先預(yù)處理廢棄物，以去除各種放射性核素。如已 知的，再生離子交換和溶劑萃取對(duì)于將大量流體的放射性含量分別轉(zhuǎn)換成少量提取液和剝 離廢水是有效的，并且非再生離子交換對(duì)于將大量流體的放射性含量轉(zhuǎn)換成少量固體是有 效的。雖然離子交換工藝可以以各種方式來實(shí)現(xiàn)，但離子交換介質(zhì)的最常見的用途是作為 器皿中的填充床。更具體地，通常，離子交換介質(zhì)包含在不銹鋼壓力器皿內(nèi)，該不銹鋼壓力 器皿具有改造的入口、出口，以及流量分配系統(tǒng)以允許流體以指定的流速均勻滲透穿過介 質(zhì)床。為此，可獲得離子交換介質(zhì)的多種類型包括無機(jī)和有機(jī)合成介質(zhì)。
[0006] 在漢福德、在SRS，來自離子交換或溶劑萃取工藝的二次廢棄物最終與沉淀固體混 合，并且通過稱為玻璃化的工藝固定。在高溫情況下，形成材料的玻璃將被添加到廢棄物 中以形成熔融玻璃。隨后，熔融材料將倒入不銹鋼容器中，在那里，當(dāng)玻璃冷卻時(shí)，玻璃將 變硬。該廢棄物仍然是放射性的，但不再流動(dòng)（因此不能夠很容易地?cái)U(kuò)散到環(huán)境中）。在 SRS，稱為國(guó)防廢棄物處理設(shè)施（DWPF)的玻璃化設(shè)施已經(jīng)在過去15年一直運(yùn)營(yíng)，每天大約 一百萬美元的運(yùn)營(yíng)開支。在這段時(shí)間內(nèi)，箱中的廢棄物量和淤泥量實(shí)際上增加，這是因?yàn)槟?力不足以處理液體廢棄物。在漢福德，稱為廢棄物處理廠（WTP)的玻璃化設(shè)施在過去11年 已經(jīng)開工建設(shè)，但直到2019年或超過2019年，預(yù)計(jì)不會(huì)開始運(yùn)營(yíng)。不幸的是，漢福德具有 在玻璃化工藝操作之前需要處理的多個(gè)泄漏箱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明認(rèn)識(shí)并解決了現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)和方法的各種事項(xiàng)。在這方面，本發(fā)明的實(shí) 施例提供了一種器皿，用于從液體中去除放射性核素。該器皿包括殼體，其限定其中的離子 交換腔室。殼體具有下部部分和上部部分。器皿還包括支撐殼體的基體、與離子交換腔室 流體連通的過程入口，以及與離子交換腔室流體連通的過程出口。此外，器皿包括圍繞所述 殼體下部部分的第一屏蔽和圍繞所述殼體上部部分的第二屏蔽。第一屏蔽比第二屏蔽具有 更大的厚度。
[0008] 根據(jù)其它的實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種器皿，用于從液體中去除放射性核素。該器 皿包括屏蔽殼體，其包括外部外殼和置于外部外殼內(nèi)的內(nèi)部外殼。殼體限定在內(nèi)部外殼與 外部外殼之間的離子交換腔室。器皿還包括：與離子交換腔室流體聯(lián)接的入口，該入口配置 成與所述液體源流體連通；以及與離子交換腔室流體聯(lián)接的出口，該出口配置成與流體的 目的地流體連通。器皿還包括在器皿的外部與內(nèi)部外殼之間延伸的第一流體通道以及在器 皿的外部與內(nèi)部外殼之間延伸的第二流體通道。
[0009] 根據(jù)另一實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種組件，其配置成定位在含有放射性液體的存 儲(chǔ)箱附近并且配置成從所述流體中去除放射性核素。組件包括有至少一個(gè)過濾器的過濾器 器皿以及多個(gè)離子交換器皿。每個(gè)離子交換器皿包括屏蔽殼體，其包括外部外殼和設(shè)置在 外部外殼內(nèi)的內(nèi)部外殼。殼體限定在內(nèi)部外殼與外部外殼之間的離子交換腔室。離子交換 器皿還包括與離子交換腔室流體連通的過程入口以及與離子交換腔室流體連通的過程出 口。另外，每個(gè)離子交換器皿包括在器皿的外部與內(nèi)部外殼之間延伸的第一流體通道以及 在器皿的外部與內(nèi)部外殼之間延伸的第二流體通道。
[0010] 根據(jù)其它的實(shí)施例，本發(fā)明提供了一種器皿，用于處理放射性液體。該器皿包括屏 蔽殼體，其限定其中的離子交換腔室。離子交換腔室配置成在內(nèi)部頂部表面與內(nèi)部底部表 面之間的其內(nèi)部接收離子交換介質(zhì)。器皿還包括置于離子交換腔室中靠近底部表面的入口 擴(kuò)散器以及置于離子交換腔室中靠近頂部表面的出口采集頭。此外，器皿包括與入口擴(kuò)散 器流體連通的過程入口以及與出口采集頭流體連通的過程出口。
[0011] 在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種處理放射性液體的方法。該方法包括步驟：提 供至少一個(gè)離子交換器皿，該至少一個(gè)離子交換器皿限定其中的離子交換腔室。離子交換 腔室具有內(nèi)部頂部表面和內(nèi)部底部表面。至少一個(gè)離子交換器皿還包括置于離子交換腔室 中靠近底部表面的流體入口以及置于離子交換腔室中靠近頂部表面的液體出口。該方法還 包括步驟：在離子交換腔室中提供離子交換介質(zhì)。該方法還包括將至少一個(gè)離子交換器皿 的液體入口與放射性液體源流體聯(lián)接，使得放射性液體向上流動(dòng)通過離子交換介質(zhì)。此外， 該方法包括從放射性液體中去除放射性核素以產(chǎn)生處理過的液體。最終，該方法包括在液 體出口處收集處理過的液體，使得處理過的液體轉(zhuǎn)移出至少一個(gè)離子交換器皿。
[0012] 在結(jié)合附圖閱讀以下優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明 的范圍并且認(rèn)識(shí)到本發(fā)明的其它方面。
【附圖說明】
[0013] 針對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員中的一個(gè)，參照所附附圖，一個(gè)完整和能夠?qū)嵤┑陌?括其最佳模式的本發(fā)明的公開在說明書中闡述，其中：
[0014] 圖1A-圖1B是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的在核設(shè)施處的示例性廢水處理系統(tǒng)的示 意圖，其包括近箱過濾和離子交換組件。
[0015] 圖2是可以與圖1A-圖1B的系統(tǒng)一起使用的依照本發(fā)明的實(shí)施例的近箱過濾和 離子交換組件的立體視圖。
[0016] 圖3是圖2的近箱過濾和離子交換組件的側(cè)視圖。
[0017] 圖4是圖2的近箱過濾和離子交換組件的俯視圖。
[0018] 圖5是圖2的近箱過濾和離子交換組件的端視圖。
[0019] 圖6是可以與圖1A-圖1B的系統(tǒng)一起使用的示例性的離子交換器皿的立體圖，例 如作為圖2的過濾和離子交換組件的一部分。
[0020] 圖7是圖6的離子交換器皿的側(cè)視圖。
[0021] 圖8是圖6的離子交換器皿的俯視圖。
[0022] 圖9是沿圖8的線A-A截取的圖6中的離子交換器皿的剖面圖。
[0023] 圖10是圖6中的離子交換器皿的提升器、上部板，與離子交換腔室之間界面的剖 面詳圖。
[0024] 圖11是圖6中的離子交換器皿的離子交換腔室、下部板，與基體之間的界面的剖 面詳圖。
[0025] 圖12是圖6中的離子交換器皿的部分剖開的立體圖。
[0026] 圖13是沿圖8的線B-B截取的圖6中的離子交換器皿的剖面圖。
[0027] 圖14是沿圖7的線C-C截取的圖6中的離子交換器皿的剖面圖。
[0028] 圖15是沿圖7的線D-D截取的圖6中的離子交換器皿的剖面圖。
[0029] 在本說明書和附圖中重復(fù)使用的附圖標(biāo)記意在表示本發(fā)明的相同或類似的特征 或元件。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 現(xiàn)在將詳細(xì)地參照本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選的實(shí)施例，其中的一個(gè)或多個(gè)示例在所附附 圖中示出。每個(gè)示例以解釋而非限制本發(fā)明的方式來提供。事實(shí)上，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯 而易見的是，在不偏離其范圍和構(gòu)思的情況下，可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改和變型。例如，示為 或描述為一個(gè)實(shí)施例的一部分的特征可以用于另一個(gè)實(shí)施例以產(chǎn)生其它的實(shí)施例。因此， 本發(fā)明涵蓋這些修改和變型。
[0031] 用于去除液體中放射性材料的液體處理的各種系統(tǒng)和技術(shù)在題目為"用于從液體 廢棄物中去除放射性粒子的系統(tǒng)和方法"的6, 387, 274號(hào)美國(guó)專利、題目為"廢水處理和放 射性材料處置容器"的13/862, 009號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)，以及題目為"流體處理系統(tǒng)"的國(guó)際專 利公開號(hào)為WO2013/085644( '644公開）的申請(qǐng)中示出并描述。前述專利和專利申請(qǐng)各 自將全文通過引用并入本文用于所有目的。
[0032] 本發(fā)明的實(shí)施例提供一種液體處理系統(tǒng)，以及一種用于從液體中去除放射性核素 的方法。本發(fā)明的一些實(shí)施例特別適合用于在核設(shè)施處理放射性廢水流，而下面的討論將 描述在這方面優(yōu)選的實(shí)施例。例如，本發(fā)明的實(shí)施例提供可以用于處理各種廢水問題的新 穎的系統(tǒng)和方法，包括但不限于上文描述的漢福德的泄漏箱問題。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明并不局限于此。事實(shí)上，可以想到的是，本發(fā)明的實(shí)施例可以與含有 核裂變產(chǎn)物的任何液體一起使用，并可以用于并非核設(shè)施的工業(yè)環(huán)境中。
[0033] 如那些熟悉本領(lǐng)域的人所理解的，有許多類型的珠狀和粒狀介質(zhì)用于從水性液體 中選擇性除去諸如放射性核素的污染物。如本文所用的術(shù)語(yǔ)"離子交換"是指在本發(fā)明范 圍內(nèi)可能發(fā)生的任何和所有過程，例如但不限于離子交換、吸附、沉淀等。因此，術(shù)語(yǔ)"離子 交換"涵蓋多種去除機(jī)制。
[0034] 圖1A-圖1B是依照本發(fā)明的一實(shí)施例的在核設(shè)施處的廢水處理系統(tǒng)10的示意 圖。例如含有放射性鍶（Sr)、錒系元素，以及銫（Cs)中的一種或多種的高含量核廢棄物的 量可以存儲(chǔ)在一個(gè)大型存儲(chǔ)箱12中。給定的核設(shè)施可以包括許多存儲(chǔ)箱12,盡管僅示出了 一個(gè)這樣的箱。在一示例中，存儲(chǔ)箱12可具有超過100萬加侖的量并且存儲(chǔ)包括上清液、 鹽塊、淤泥，以及固體的廢棄物。上清液可包括液體鹽溶液，例如其可以具有高濃度的硝酸 鈉和亞硝酸鈉的鹽。淤泥可以包含沉淀固體和不溶性廢棄物，并且固體可以是結(jié)晶鹽（"芒 硝"）的形式。
[0035] 系統(tǒng)10的某些發(fā)明方面在下文中更加詳細(xì)地描述。然而，在一般情況下，系統(tǒng)10 操作于從存儲(chǔ)箱12的上清液中去除一種或多種放射性核素（包括但不限于Sr、錒系元素， 以及Cs)，從而產(chǎn)生凈化的鹽溶液（DSS) 14。隨后，DSS14可以發(fā)送至另一個(gè)設(shè)施（例如，經(jīng) 由箱體車或管道）用于進(jìn)一步處理16以最終處置。例如，DSS14可以以灰漿，或水泥、混 合物的形式固定并且置于地窖中。本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)DSS14的其它的進(jìn)一步處理，諸如傳 送至低水平玻璃體（vitrifier)是熟知的。最后，存儲(chǔ)箱12中的淤泥和固體可以被傳送至 單獨(dú)的儲(chǔ)存罐，以便最終高電平玻璃化。液體通過系統(tǒng)10的流速可以取決于存儲(chǔ)箱12中 的上清液的鹽濃度。例如，在鹽濃度低的設(shè)施中，流率可以是大約80-100加侖/分鐘。相 反，在鹽濃度較高的設(shè)施中，流速可以是大約20加侖/分鐘。
[0036] 更具體地，在一實(shí)施例中，首先，系統(tǒng)10可以使用鈦酸鹽（MST)侵襲處理存儲(chǔ)箱 12中的廢棄物。雖然該處理并不是在所有的實(shí)施例都需要，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的 是，其可以用于吸附存儲(chǔ)箱12中的上清液中的Sr和錒系元素。在這方面，傳送栗18可以 將MST從MST存儲(chǔ)箱20抽吸至存儲(chǔ)箱12中。至少一個(gè)潛水混合栗22可以聯(lián)接存儲(chǔ)箱12， 以確保MST可以充分地吸附上清液中的Sr和錒系元素。在一替代實(shí)施例中，侵襲可以在箱 12的外部執(zhí)行，在或者位于在過濾器皿