用于连续处理放射性废钠的系统

技术领域

本申请的至少一种实施例涉及放射性废钠的处理，具体涉及一种用于连续处理放射性废钠的系统。

背景技术

钠快冷堆作为第四代核电，是第四代核反应堆中研发进展快的一类堆型，不同于水堆，因钠冷快堆采用金属钠作为冷却剂，因此废钠的处理是快堆退役中的研究重点。

在快堆退役的过程中，快堆内的大量废钠中含有各种放射性核素，目前普遍的处理方法是将其转化为稳定的化合物以实现最终的安全处置。在相关技术中，大规模处理放射性废钠的代表的工艺为NaOH工艺流程和Argonne流程。

其中，NaOH工艺流程是指将经过机械过滤的少量金属钠通过钠计量泵以喷雾的形式和大量的碱液反应，碱液通过酸中和成盐，产生的氢气则通过除雾器、干燥器和高效过滤器处理后排向大气。Argonne流程和现有的钠处理流程同样采用钠与氢氧化钠溶液的反应来处理金属钠，通过氮气将雾化的金属钠直接注入到碱液内部，将钠转化为氢氧化钠，最终将氢氧化钠的浓度调整到70wt％后填充到收集罐中以低放废物进行近地表处置。但是废钠以喷雾形式发生反应对设备以及反应条件的要求很高。因此，需要寻找一种安全高效，连续稳定地处理钠冷快中子反应堆中的放射性废钠的方法或者装置。

发明内容

有鉴于此，为解决相关技术中的所述以及其他方面的至少一种技术问题，本申请提出了一种用于连续处理放射性废钠的系统，包括废钠前处理单元、钠碱反应单元、换热单元、换气单元。其中，废钠前处理单元，被构造成净化及储存液态金属钠并去除述液态金属钠中的放射性核素；钠碱反应单元，被构造成发生钠碱反应，将液态金属钠转化为氢氧化钠溶液；换热单元，与钠碱反应单元连通，被构造成向钠碱反应单元供应去离子水与钠碱反应单元进行热交换；换气单元，与钠碱反应单元和换热单元连通，被构造成将钠碱反应单元和换热单元抽真空并供应氩气。

根据本申请实施例，钠碱反应单元包括：钠计量泵、钠碱反应器、碱液泵。其中，钠计量泵被构造成输运液态金属钠；钠碱反应器，包含氢氧化钠溶液，与钠计量泵相连，被构造成发生钠碱反应，使液态金属钠转化为氢氧化钠溶液，同时生成氢气；碱液泵，与钠碱反应器的底部连接，以移除反应后钠碱反应器中部分氢氧化钠溶液。

根据本申请实施例，废钠前处理单元包括：输入端、扩散型冷阱、核素去除装置。其中，输入端被构造成接收来自于外部的液态金属钠；扩散型冷阱被构造成去除液态金属钠中的可溶性杂质；核素去除装置被构造成去除述液态金属钠中的放射性核素。

根据本申请实施例，废钠前处理单元还包括：催化装置和钠过滤器。其中，催化装置，与核素去除装置连接，被构造成对放射性核素进行催化氧化；钠过滤器被构造成过滤液态金属钠中的不溶性杂质。

根据本申请实施例，上述用于连续处理放射性废钠的系统还包括产物处理单元，被构造成收集钠碱反应单元产生的氢氧化钠溶液以及收集净化钠碱反应单元产生的气体。

根据本申请实施例，产物处理单元包括气体处理模块和液体处理模块。其中，气体处理模块被构造成对钠碱反应中产生的氢气进行处理；液体处理模块被构造成对钠碱反应中产生的氢氧化钠溶液进行处理。

根据本申请实施例，气体处理模块包括：气液分离器、洗涤器、气体排放端。其中，气液分离器，与钠碱反应器连接，被构造成分离钠碱反应中产生的水蒸汽；洗涤器，与气液分离器连接，被构造成除去氢气中的钠蒸汽；气体排放端被构造成输出氢气。

根据本申请实施例，气体处理模块还包括：氢浓度检测装置和阻火器。其中，氢浓度检测装置，被构造成检测来自于气液分离器的氢气的浓度，以基于氢气的浓度控制产物处理单元内氢气浓度小于2％；阻火器，被构造成防止氢气燃烧回火。

根据本申请实施例，液体处理模块包括碱液回收罐，与钠碱反应器连接，被构造成分离并回收部分氢氧化钠溶液。

根据本申请实施例，上述用于连续处理放射性废钠的系统中换热单元包括热交换器和去离子水输入端。其中热交换器，热交换器的输入端与碱液泵连接，热交换器的输出端与钠碱反应器连接构成换热回路，热交换器被构造成通过水冷循环与钠碱反应单元中的部分氢氧化钠溶液进行热交换；去离子水输入端，与热交换器内部连接，被构造成稀释热交换后的氢氧化钠溶液以维持稳定浓度以及换热。

根据本申请实施例，水冷循环包括水箱和水泵。其中，水箱，与热交换器连接形成水冷循环，被构造成向热交换器通入冷水介质与氢氧化钠溶液进行热交换；水泵，与水箱连接，被构造成驱动冷水介质流动。

根据本申请实施例，上述用于连续处理放射性废钠的系统中，换气单元包括真空泵和氩气罐。其中，真空泵，与钠碱反应单元连通，被构造成将系统管道抽真空至负压状态；氩气罐，与钠碱反应单元连通，被构造成向钠碱反应单元通入氩气。

根据本申请实施例，本申请构建了以废钠前处理单元和钠碱反应单元为主体的连续性处理的放射性废钠的系统，一方面去除了放射性废钠中放射性核素、可溶性杂质和不可溶性杂质，另一方面通过钠碱反应将不稳定的金属钠转化为稳定的氢氧化钠溶液。同时，由换气单元控制系统的气体环境，由换热单元移除系统产热。本申请中，处理放射性废钠的系统的最大废钠处理量为10-50kg/h，利用该系统可以实现放射性废钠的连续、稳定处理。

附图说明

图1是本申请一种实施例的用于连续处理放射性废钠的系统方框图。

附图标记

1、废钠前处理单元：

1.1输入端；1.2钠贮存罐；1.3电磁泵；1.4扩散型冷阱、1.5核素去除装置、1.6催化装置、1.7储气罐、1.8储液罐、1.9钠过滤器、1.10日处理罐；

2、钠碱反应单元：

2.1钠计量泵、2.2钠碱反应器、2.3碱液泵；

3、换热单元：

3.1热交换器、3.2、水泵、3.3冷水机组、3.4水箱、3.5去离子水输入端；

4、产物处理单元：

4.1气液分离器、4.2洗涤器、4.3氢浓度监测装置、4.4气体循环泵、4.6阻火器、4.7气体输出端；4.8碱液罐、4.9碱液输出端。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本申请作进一步的详细说明。

在本申请中所公开的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本申请中具体公开。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本申请。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本申请中所述的“钠碱反应”本质上仍为钠水反应，由于钠水反应剧烈，不易控制，存在安全性的风险，以氢氧化钠溶液与钠反应可以后效降低反应的剧烈程度同时得到的氢氧化钠溶液可以作为产物保存或稀释以循环使用。

图1是本申请一种实施例的用于连续处理放射性废钠的系统方框图。

本申请提出了一种用于连续处理放射性废钠的系统，如图1所示，包括废钠前处理单元1、钠碱反应单元2、换热单元3、换气单元。其中，废钠前处理单元1被构造成净化及储存液态金属钠并去除述液态金属钠中的放射性核素；钠碱反应单元2被构造成发生钠碱反应，将液态金属钠转化为氢氧化钠溶液；换热单元3，与钠碱反应单元2连通，被构造成向钠碱反应单元2供应去离子水与钠碱反应单元进行热交换；换气单元，与钠碱反应单元2和换热单元3连通，被构造成将钠碱反应单元2和换热单元3抽真空并供应氩气。

根据本申请实施例，本申请构建了以废钠前处理单元1和钠碱反应单元2为主体的连续性处理的放射性废钠的系统，一方面去除了放射性废钠中放射性核素、可溶性杂质和不可溶性杂质，另一方面通过钠碱反应将不稳定的金属钠转化为稳定的氢氧化钠溶液。同时，由换气单元控制系统的气体环境，由换热单元3移除系统产热。本申请中，处理放射性废钠的系统的最大废钠处理量为10-50kg/h，利用该系统可以实现放射性废钠的连续、稳定处理。

根据本申请实施例，钠碱反应单元2包括：钠计量泵2.1、钠碱反应器2.2、碱液泵2.3。其中，钠计量泵2.1被构造成输运液态金属钠；钠碱反应器2.2，包含氢氧化钠溶液，与钠计量泵2.1相连，被构造成发生钠碱反应，使液态金属钠转化为氢氧化钠溶液，同时生成氢气；碱液泵2.3，与钠碱反应器的底部连接，以移除反应后钠碱反应器中部分氢氧化钠溶液。

根据本申请实施例，通过钠计量泵2.1将废钠前处理单元1提供的液态金属钠转移至钠碱反应器2.2中发生钠碱反应以将液态金属钠转化为稳定的氢氧化钠溶液，由碱液泵2.3输送到下一处理单元。

根据本申请实施例，废钠前处理单元1包括：输入端1.1、扩散型冷阱1.4、核素去除装置1.5。其中，输入端1.1被构造成接收来自于外部的液态金属钠；扩散型1.4冷阱被构造成去除液态金属钠中的可溶性杂质；核素去除装置1.5被构造成去除述液态金属钠中的放射性核素。

根据本申请实施例，放射性废钠依次通过扩散型冷阱1.4、核素去除装置1.5，通过加热和吸附的作用以去除可溶性杂质和放射性核素。

根据本申请实施例，废钠前处理单元还包括：催化装置和钠过滤器。其中，催化装置1.6，与核素去除装置1.5连接，被构造成对放射性核素进行催化氧化；钠过滤器1.9被构造成过滤液态金属钠中的不溶性杂质。

根据本申请实施例，催化装置1.6连接于核素去除装置1.5后，对分离的放射性核素进行处理固定，钠过滤器1.9在废钠前处理单元1的末端以过滤放射性废钠中不溶性杂质。

根据本申请实施例，上述用于连续处理放射性废钠的系统还包括产物处理单元4，被构造成收集钠碱反应单元产生的氢氧化钠溶液以及收集净化钠碱反应单元产生的气体。

根据本申请实施例，产物处理单元包括气体处理模块和液体处理模块。其中，气体处理模块被构造成对钠碱反应中产生的氢气进行处理；液体处理模块被构造成对钠碱反应中产生的氢氧化钠溶液进行处理。

根据本申请实施例，钠碱反应器2.2中的气相产物为含有钠蒸汽等杂质的氢气，通过气体处理模块进行除杂回收，液相产物为高浓度氢氧化钠溶液，通过液体处理模块回收。

根据本申请实施例，气体处理模块包括：气液分离器4.1、洗涤器4.2、氮气稀释罐4.5、气体排放端4.7。其中，气液分离器4.1，与钠碱反应器2.2连接，被构造成分离钠碱反应中产生的水蒸汽；洗涤器4.2，与气液分离器4.1连接，被构造成除去氢气中的钠蒸汽；气体排放端4.7被构造成输出氢气。

根据本申请实施例，在气体处理模块中，由气液分离器4.1提取钠碱反应中产生的气体，通过洗涤器4.2去除气体中的杂质气体，例如钠蒸汽。

根据本申请实施例，气体处理模块还包括：氢浓度检测装置4.3和阻火器4.6。其中，氢浓度检测装置，被构造成检测来自于气液分离器的氢气的浓度，以基于氢气的浓度控制产物处理单元内氢气浓度小于2％；阻火器4.6，被构造成防止氢气燃烧回火。

根据本申请实施例，氢气高位对空排放，同时氢浓度检测装置4.3可以检测系统中氢气浓度

根据本申请实施例，液体处理模块包括碱液回收罐，与钠碱反应器连接，被构造成分离并回收部分氢氧化钠溶液。

根据本申请实施例，上述用于连续处理放射性废钠的系统中换热单元包括热交换器3.1和去离子水输入端3.5。其中热交换器，热交换器3.1的输入端与碱液泵2.3连接，热交换器3.1的输出端与钠碱反应器2.2连接构成换热回路，热交换器3.1被构造成通过水冷循环与钠碱反应单元中的部分氢氧化钠溶液进行热交换；去离子水输入端3.5，与热交换器3.1内部连接，被构造成稀释热交换后的氢氧化钠溶液以维持稳定浓度以及换热。

根据本申请实施例，水冷循环包括水箱3.4和水泵3.2。其中，水箱3.4，与热交换器3.1连接形成水冷循环，被构造成向热交换器3.1通入冷水介质与氢氧化钠溶液进行热交换；水泵3.2，与水箱3.4连接，被构造成驱动冷水介质流动。

根据本申请实施例，热交换器3.1与钠碱反应器2.2连接构成换热回路以去除钠碱反应热量。其中，水箱3.4中储存冷水介质，通过水泵3.2以使冷水循环，然后通过去离子水输入端3.5以稀释高浓度的氢氧化钠溶液得到低浓度的氢氧化钠溶液以回归钠碱反应器2.2进行下一次循环处理。

根据本申请实施例，上述用于连续处理放射性废钠的系统中，换气单元包括真空泵和氩罐。其中，真空泵，与钠碱反应单元2连通，被构造成将系统管道抽真空至负压状态；氩气罐，与钠碱反应单元2连通，被构造成向钠碱反应单元2通入氩气。

根据本申请实施例，换气单元对钠碱反应单元2的环境内抽真空并通入惰性气体以保证金属钠的稳定存在不与空气中的氧气发生反应，同时，反应产生的废气由换气单元进行回收处理。

需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例

以处理400kg钠为实施例：

S1：将待处理的放射性废钠加热至液态待用，并将系统进行加热。

S2：抽真空，氩气置换：将系统回路中的空气排出，首先将系统回路中的气体抽出使系统处于真空状态，并保压一定的时间，检查系统回路的气密性，气密性完好的前提下对整个回路进行3次氩气置换以排空系统中的空气。

S3：将液态放射性废钠输送到钠贮存罐1.2。

S4：通过电磁泵将液态金属钠从钠贮存罐1.2中抽出，经过核素去除装置1.5、钠过滤器1.9后进入日处理罐1.10待用。钠贮存罐1.2和日处理罐1.10分别设置冷阱，用于收集钠存储罐1.2和日处理罐1.10中产生的钠蒸汽。核素去除装置1.5将排出的氚导入催化装置1.6，氚在催化装置1.6中产生的气相和液相分别进入储气罐和储液罐中。通过电磁泵输送到核素去除装置1.5、扩散型冷阱1.4、过滤器1.9，对钠中的杂质进行过滤、去除，最后输送到日处理罐1.10。

S5：通过碱液泵2.3将一定浓度的氢氧化钠溶液打入到钠碱反应器2.2中，随后日处理罐1.10中的液态金属钠通过钠计量泵送到钠碱反应器2.2与碱液发生反应，反应产生的碱液一部分侧线采出，一部分经过换热单元3换热后与去离子水混合形成新的碱液加入钠碱反应器2.2以建立碱液循环。期间，不断调整钠供给流量(10-40Kg/h)和碱液循环流量(25-40％，)以保证碱液的循环量和碱液浓度的对应关系，最终达到动态平衡，实现液态金属钠的连续和稳定处理。

S6：反应产生的部分碱液以最终的形态贮存。钠水反应后生成的氢气导排入气液分离器4.1和洗涤器4.2内，气液分离器4.1内去除气体产物中的水蒸气，洗涤器3.2去除气体产物中携带的钠蒸汽。经过氢浓度监测装置4.3，最后通过气体输出端4.7排空。

S7：待反应钠处理完成后，先关闭钠计量泵停钠供应，碱液循环不停，待热量导出，系统逐渐稳定并最终恢复到初始状态时，系统停运。

以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本申请的具体实施例而已，并不用于限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。