SVERIGE (12) UTLÄGGNINGSSKRIFT IBK21) 8300685-8 cm SE (51) Internationell klass 3 G21F 9/28 C23G 1/08 ^ PATENTVERKET (44) Ansökan utlagd och utläggningsskriften publicerad (41) Ansökan allmänt tillgänglig (22) Patentansökan inkom (24) Löpdag. ( 62 ) Stamansökans nummer (86) Internationell ingivningsdag C86) Ingivningsdag för ansökan om europeiskt patent (30) Prioritetsuppgifter 84-09-17 (11) Publicerings- 435 329 nummer 84-08-10 83-02-09 83-02-09 Ansökan inkommen som: 0 svensk patentansökan D fullföljd internationell patentansokan med nummer omvandlad europeisk patentansokan med.nummer (71)Sökande:Studsvik Energiteknik AB, 611 82 Nyköping SE (72)Uppfinnare: J Arvesen, H-P Hermansson, Nyköping (74)Ombud: Bergling & Sundbergh AB (54)Benämning: Oekontaminering av tryckvattenreaktorer (56)Anförda publikationer: SE 8001827-8 (G21F 9/28) (57)Sammandrag: Förfarande för dekontaminering av med radionuklider kontaminerade syraolösliga korrosionsprodukter från primärsystemytor i tryckvattenreaktorer genom oxidation och efterföljande upplösning i en sur dekontamineringslösning av de korrosionsprodukter som genom oxidationen har gjorts syralösliga. Det utmärkande för förfarandet är att man genomför oxidationen med ett vattenbaserat oxidationsmedel med ett ph-värde understigande 7 och innehållande permanganat, kromsyra och ozon. Enligt en föredragen utföringsform av förfarandet genomföres oxidationen vid relativt låg temperatur, t.ex. under cirka 60 C och ofta under cirka 25 C.
I 8300685-8 TEKNISKT OMRÅDE 5 Föreliggande uppfinning hänför sig till ett förfarande, medelst vilket radioaktiva beläggningar på väggarna av primärvärmesystemet i kärnreaktorer av tryckvattentyp kan avlägsnas. Närmare bestämt hänför sig uppfinningen till dekontaminering av syraolösliga eller -svårlösliga korrosionsprodukter från dessa pri- 10 märsystemytor. Uppfinningen är härvid en vidareutveckling av den teknik, som innebär att man i ett första steg bringar de kontaminerade ytorna i kontakt med ett oxidationsmedel för oxidation av de olösliga produkterna till syralösliga oxidationsprodukter, varefter man i ett efterföljande steg löser och avlägsnar de oxi- 15 deraae produkterna med hjälp av en sur dekontamineringslösning. BAKGRUND TILL UPPFINNINGEN Korrosionsprodukter härrörande, från primärvärmesystemet, vilket till största delen utgöres av ånggeneratorernas tuber 20 och rörledningar, transporteras in i reaktorhärden, där de deponeras på bränsleelementen. Efter någon tid frigöres korrosionsprodukterna, som nu är radioaktiva efter neutronbestrålningen, från bränsleelementen för att därefter avsättas i de delar av det vattenberörda pri- 25 märsystemet som ligger utanför reaktorhärden. De radioaktiva korrosionsprodukterna ger härvid upphov till strålningsfält utanför härden och därmed strålningsdoser till driftspersonalen. En annan orsak till uppkomsten av strålningsfält är bräns- 30 leelementläckage. Vid läckage i bränsleelementens kapslingsmaterial urlakas klyvningprodukter av det cirkulerande vattnet. Dessa införlivas sedan i oxidskikten i de delar av systemet (i första hand ånggeneratorerna) som ligger utanför reaktorhärden. 35 De av personalen mottagna strålningsdoserna måste hållas inom föreskrivna gränser. Av hälsoskäl och driftsekonomiska skäl bör doserna givetvis hållas så låga Som det rimligtvis är möjligt. Inför större arbeten på primärsystemet kan det således
8300685-8 2 vara önskvärt att avlägsna de radioaktiva korrosions- och klyvningsprodukter som har avsatt sig på primärsystemytorna. Genom en partiell eller fullständig upplösning av oxidskikten kan en väsentlig andel av de radioaktiva isotoperna avlägsnas från systemytorna. Denna process går inom kärnreaktorterminologin under benämningen dekontaminering. De allra flesta kända processerna inom denna teknologi har i detalj beskrivits i J.A. Ayres, Ed., Decontamination öf Nuclear Reactors and Equipment, the Ronald Press Company, N.Y. (1970). Under åren från omkring 1961 och fram till de första åren av 19 70-talet utfördes endast ett mycket litet antal dekontamineringar av reaktorsystem. De mest omtalade dekcntamineringarna under denna tidsperiod var den av Shippingport PWR (PWR = tryckvattenreaktor) i USA och av PWR-anläggningen vid Greifswald i DDR. Vid dessa dekontamineringar användes modifierade versioner av det under år 1961 i USA framtagna APAC-förfarandet. I detta förfarande ingick två steg, nämligen ett första oxiderande steg med alkalisk permanganat följt av ett andra upplösningssteg med en sur dekontamineringslösning innehållande ammoniumcitrat. Gemensamt för alla varianter av APAC-processen är, att kemikaliehalterna måste vara relativt höga för att acceptabla dekontamineringsfaktorer skall kunna uppnås. Dekontamineringsfaktorn (Df) definieras härvid på följande sätt: _ strålfält före dekontaminering strålfält efter dekontaminering I enstaka fall där APAC-processen har använts, har det varit nödvändigt att upprepa dekontamineringeri ett antal gånger för att ett tillfredsställande resultat skulle uppnås. De radioaktiva kemikalielösningarna från denna process har antingen renats med jonbytare eller behandlats i speciella indunstare. Den största nackdelen med APAC-processen är de stora volymer avfall som uppkommer i form av radioaktiva joribytarmassor eller indunstarrester. Ovannämnda nackdelar gjorde att man på flera håll under 1970 började arbeta på att utveckla nya processer. Syftet var härvid att åstadkomma processer som: ger en acceptabel minskning av strålfälten under en behandlingstid av maximalt 36 timmar,
3 8300685-8 endast kräver låga kemikaliekoncentrationer i slutsteget genom utnyttjande av kontinuerlig regenerering av kemikalierna med katjonbyte, är möjliga att utföra vid temperaturer under 100 C, ger ett slutligt avfall i form av jonbytarmassor innehållande samtliga ingående kemikalier och under processen utlösta metaller och radioisotoper. För de processer, som började utvecklas under 1970-talet och som användes idag, gäller att det har befunnits vara nödvändigt att ha med ett förbehandlingssteg med oxiderande reagenser. I förbehandlingssteget användes i huvudsak följande oxidationsmedel : Permanganat i alkalisk eller salpetersur miljö (i det sistnämnda fallet är ph-värdet cirka 2,5) kaliumhexacyanoferrat i alkalisk miljö. I det efterföljande behandlingssteget användes praktiskt taget uteslutande organiska syror (citron- eller oxalsyra och ammoniumsalter av dessa) samt någon stark komplexbildare, t.ex. EDTA (etylendiamintetraättiksyra). Tillsatser i form av reduktionsmedel, såsom aldehyder eller askorbinsyra, kan också förekomma i syrabehandlingssteget. De betingelser (reducerande, högt ph-värde) som råder i en tryckvattenreaktor är sådana, att bildade oxidskikt till stor del kommer att ha relativt höga halter av krom, delvis tillsammans med nickel, i form av oxid- eller spinelfaser. För att dessa oxidskikt överhuvud taget skall kunna lösas i organiska syror, är det sålunda nödvändigt att utföra förbehandlingen i oxiderande miljö. Det för närvarande helt dominerande oxidationsmedlet är härvid permanganat. Reaktionsförloppet för oxidationssteget är i huvudsak följande: 3Mn0 4 " + Cr 3+ + 8H 2 0 _> <- 3Mn 2 + + 5Cr0 4 2 " + 16H + För att däreftet närmare belysa den dekontamineringseffekt som kan erhållas med hjälp av de idag förekommande processerna hänvisas till följande. I samtliga i Europa, USA och Kanada idag tillgängliga processer ingår minst' två behandlingssteg, därav alltid det ovan omtalade föroxidationssteget. Samtliga dessa processer har provats, dels i laboratorieskala, dels även i enstaka fall i halv eller fullstor skala. De i Europa framtagna processerna har utprovats
I 8300685-8 inom två internationella dekontamineringsprojekt. Dessa är det i Sverige pågående Ågesta-dekontamineringsprojektet samt det projekt som pågår vid Pacific National Laboratories, Richland, Washington, USA. Försöken i USA har utförts i en autentisk ånggenerator uttagen från Surry-1 PWR-anläggningen efter en ungefärlig drifttid av 6 år. I Ägestaprojektet har laboratorieförsök utförts på prover tagna från ånggeneratorerna i Ringhals-2 (Sverige), Biblis A (Tyskland), Millstone-2 (USA) och från inloppskammaren i en av ånggeneratorerna i Borsselereaktorn i Holland. De svenska laboratorieförsöken har utförts med s.k. "mjuka" processer (dvs processer där låga kemikaliehalter användes) utvecklade vid: Studsvik Energiteknik AB (Sverige) JCraftwerk Union (Tyskland) EIR (Schweiz) BNL (CEGB) ( England). Proverna från ovannämnda PWR var av följande material: - ' Ringhals-2 Inconel 600 20 - Millstone-2 Inconel 600 Biblis A- Incoloy 800 Borssele AISI 304. I detta sammanhang kan nämnas, att sammansättningen för dessa material i viktprocent är: 25 Material C Si Mn. Cr Ni. Mo Fe AISI 304 0,04 0,4 1,2 19 9,5'" 0,2 rest Incoloy 800 0,02 0,6 0,6 21 33 rest Inconel 600 0,02 0,3 0,8 16 73 rest Resultaten av dessa försök kan sammanfattas enligt följande: 30 - Proverna av Inconel 600 var svåra att dekontaminera. Dekontamineringsfaktorer överstigande 3 (lägsta acceptabla värde) kunde nätt och jämt uppnås med tre av de fyra processerna. Proverna av Incoloy 800 och AISI 304 uppnådde med god marginal tillfredsställande dekontamineringsfaktorer. 35 Vid försöken i ånggeneratorn från Surry-1 PWR utprovades en process utvecklad i Kanada och en process liknande den som provades av BNL (CEGB) i Ägestaprojektet. Resultaten av försöken visade ochså här att ytor av Inconel 600 var mycket svårdekontaminerade. Acceptabla dekontamineringsfaktorer kunde uppnås först efter flera behandlingscykler. Det
5 8300685-8 torde i detta sammanhang observeras, att det i båda dessa processer ingår ett föroxidationssteg med permanganat. Som känd teknik inom detta område, även om denna teknik inte utnyttjas i praktiken idag, kan vidare nämnas den teknik som omtalas i den svenska patentansökningen 8001827-8. Nämnda patentansökan beskriver ett dekontamineringsförfarande, där föroxidationssteget utföres med hjälp av ozon som oxidationsmedel. I det efterföljande syraupplösningssteget användes organiska syror och komplexbildande medel vid höga temperaturer, såsom 85 C och 125 C. I patentansökningen beskrives dekontamineringsförsök på prover föroxiderade under 7 dygn (PWR-miljö 350 C) och därefter exponerade under 3 månader vid 2S0 C i en PWR-försöksanläggning. Vid försöken uppnåddes på prover av Inconel 600 dekontamineringsfaktorer på i medeltal cirka 2,1, vilket måste anses vara ett lågt värde. BESKRIVNING AV UPPFINNINGEN Enligt föreliggande uppfinning har det överraskande visat sig vara möjligt att väsentligen eliminera nackdelarna med den tidigare kända tekniken, framför allt stora mängder sekundärt avfall, låga dekontamineringsfaktorer, höga halter av kemikalier och höga behandlingstemperaturer, vilka i sin tur leder till ökad korrosion och höga kostnader, etc. Förfarandet enligt uppfinningen innebär närmare bestämt att man vid det inledande oxidationssteget som oxidationsmedel utnyttjar kombinationen permanganat, kromsyra och ozon. Denna kombination har sålunda överraskande visat sig ge en synergistisk effekt, som icke var förutsägbar mot bakgrund av de kända egenskaperna hos dessa oxidationsmedel var för sig. Vid förfarandet enligt uppfinningen bringas de kontaminerade ytorna i kontakt med nämnda oxidationsmedel i vattenbaserad form och med surt ph-värde, dvs ett ph-värde understigande 7. Detta kan t.ex. innebära att oxidationsmedlet föreligger i form av en vattenlösning av permanganat och kromsyra, samt ozon i företrädesvis mättad lösning och dispergerad form. Enligt en annan utföringsform av förfarandet kan dock oxidationsmedlet utnyttjas i form av en tvåfas-ozongas-vattenblandning, där ozon i gasform är dispergerat i vatten med tillsats av permanganat och kromsyra. Detta innebär i sin tur att ozontillförseln i sig kan ske enligt i huvudsak
83-00685*8 6 samma principer som i den svenska patentansökningen 8001827-8, vilka därför inte behöver upprepas här. Förutom de ovan omtalade fördelarna med uppfinningen i förhållande till den kända tekniken gäller dessutom att det överraskande har visat sig vara möjligt att uppnå de gynnsamma resultaten redan vid rumstemperatur samt under användning av låga halter av de använda kemikalierna. Detta innebär förvisso ett synnerligen väsentligt bidrag till tekniken på området i och med att man härigenom gör kostnadsbesparingar tack vare mindre mängder av kemikalier, tack vare energibesparingar och tack vare minskad korrosion. En speciellt föredragen utföringsform av förfarandet enligt uppfinningen innebär sålunda att oxidationssteget eller syraupplösningssteget eller helst båda dessa steg genomföres vid rumstemperatur eller lägre, dvs vid en temperatur understigande cirka 25 U C och företrädesvis understigande cirka 20 C. Dock uppnås vid oxidationssteget mycket gynnsamma effekter i förhållande till den kända tekniken redan vid en temperatur understigande cirka 60 C. Oxidationssteget enligt uppfinningen innebär att de kontaminerade ytorna bringas i kontakt med det nya oxidationsmedlet under en tidsperiod som är tillräcklig för att oxidera olösliga oxider, så att dessa göres lösliga i de sura dekontamineringslösningar som användes i efterföljande steg. Den tidsperiod, som erfordras i varje enskilt fall, bestämmes naturligtvis lätt av fackmannen på området mot bakgrund av använda koncentrationer av såväl oxidations reagens som efterföljande syralösningar, använda behandlingstemperaturer, etc. Valet av permanganat sker enligt tidigare teknik, dvs permanganatet är företrädesvis ett alkalimetallpermanganat och speciellt kaliumpermanganat. Kromsyrans ursprung är företrädesvis doserad kromtrioxid, och ozonet utnyttjas lämpligen i form av ozonanrikad syrgas eller luft. Koncentrationen av de i oxidationsmedlet ingående kemikalierna bestämmes av fackmannen från fall till fall bl.a. i beroende av de material som skall dekontamineras och önskad dekontamineringseffekt, men generellt gäller att koncentrationerna ligger inom området 0,01-50 g/1, företrädesvis 0,5-2 g/1, för permanganatet, inom området 0,01-50 g/1, företrädevis 0,05- -0,2 g/1, för kromsyran och inom området 0,001-1 g/1, företrädes-
8300685-8 7 vis 0,005-0-,015 g/1, "för ozonet. Det vattenbaserade oxidationsmedlet är företrädesvis surgjort med salpetersyra eller alifatiskt mättad enbasisk karboxylsyra, lämpligen till ett P H av cirka 3, varvid som exempel på 5 sistnämnda typ av syra kan nämnas ättiksyra. Även om koncentrationen av den syra som användes vid syraupplösningssteget kan hållas låg enligt föreliggande uppfinning, och detta trots att temperaturen ligger omkring eller under rumstemperatur, gäller att typen av syra väljes i enlighet med den 20 kända tekniken. Som exempél på användbara syror kan sålunda nämnas citronsyra och oxalsyra. Förfarandet enligt uppfinningen är generellt användbart för dekontaminering av alla de olika typer av material som förekommer i dessa sammanhang. Dock gäller att uppfinningen har visat 15 sig ge utomordentligt, goda resultat vid dekontaminering av krom (Ill)oxid från en krom-nickel-järnlegering, varför en sådan dekontaminering representerar en speciellt föredragen utföringsform av uppfinningen. Uppfinningen kommer nu att beskrivas i anslutning till några 2o icke begränsande utföringsexempel. EXEMPEL Vid ett antal dekontamineringsförsök utförda på prover av Inconel 600 tagna ur en ånggenerator i en PWR efter cirka 8 års drifttid, vilka prover utgjorde de mest svårdekontaminerbara 2s provmaterial som har kunnat erhållas, behandlades proverna vid rumstemperatur (cirka 20 C)/ 1 i < *en oxiieranje lösning enligt uppfinningen. Denna lösning utgjordes av en med ättiksyra eller salpetersyra till ph 3 surgjord vattenlösning av 1 g/1 kaliumpermanganat, 0,2 g/1 kromsyra samt 12 g/1 borsyra till vilken 30 ozon kontinuerligt tillfördes. Andrastegsbehandlingen utfördes i en vattenlösning innehållande 12 g/1 borsyra samt enbart citronsyra i en mängd av cirka 2 g/1 vid ph 3,5 (justerad med NH^) och rumstemperatur (cirka 20 C) under 6 timmar. 35 De vid dessa försök erhållna dekontamineringsfaktorerna uppgick till 15-20. Vid jämförande försök utförda på likartade prover, dvs tuber av Inconel 600, med de effektivaste av de vid Ågesta- och Surry-l-projekten utprovade mjuka processerna, som båda kräver en drifttemperatur på 80-90 C, uppnåddes dekontantineringsf aktörer på endast 2-6.
83006 85-8 8 Förutom ovan redovisade dekontamineringsförsök har korrosionsprovning utförts på blanka, ej föroxiderade prover av Inconel 600. Provbitarna utgjordes av 3 stycken 5 cm långa bitar av ånggeneratortuber. För att simulera tillståndet i den valsade zonen i tuberna i tubplattan var dessa prover invändigt valsade till halva längden. Den därvid uppkomna kalldeformationen uppgick till cirka 54. De tre proverna exponerades parallellt i en 100 ml glasbehållare i en vattenlösning innehållande 12 g/1 borsyra, 1,0 g/1 KMn0 4 och 0,2 g/1 Cr0 3 i 1% ättiksyra vid ph cirka 3. Syrgas med cirka 2,5 volymprocent ozon bubblades in i samma behållare med en hastighet av cirka 0,1 I/min. Temperaturen var 20 C och exponeringstiden uppgick till 21 timmar. Korrosionsprovningen avslutades efter en efterföljande upp till 6 timmar lång exponering i en syrefri 2 procentig citronsyralösning vid 20 C och ph cirka 3. Viktförlusterna under denna exponering redovisas i nedanstående tabell. Ytterligare en exponerings cykel, som var identisk med den första, utfördes. Viktförlusterna vid denna redovisas också i tabellen. Den totala materialförlusten efter två cykler ligger väl under 1 ^um, vilket får anses vara synnerligen tillfredsställande. Inga tecken på lokal korrosion har iakttagits. TABELL. Korrosionsprov utförda på 3 st parallellt exponerade identiska valsade tubprover av Inconel 600. Exponeringstider: oxiderande steg tid h reducerande steg tid h la 23 2a 6 lb 21,5 2b ' 33 Tub prov nr. Materialförlust Dekont. cykel 1 Steg la Steg 2a (/i ) ' Dekont. Steg lb cykel 2' Steg 2b 0 0,4 0,16 0,003 0,56 1 0,36 0,005 0,18 0,003 0,55 2 0,43 0,003 0,21 0,006 0,65 Materialförlust under 2 cykler ^um)
Q t I 8300685-8 PATENTKRAV 1. Förfarande för dekontaminering av med radionuklider kontaminerade syraolösliga korrosionsprodukter från primärsystemytor i tryckvattenreaktorer, speciellt för dekontaminering av krom(iii)oxid från en krom-nickel-järnlegering, varvid man bringar de kontaminerade ytorna i kontakt med ett oxidationsmedel och löser de korrosionsprodukter, som genom oxidationen har gjorts syralösliga, i en sur dekontamineringslösning, k ä n n e t e c k n a t av att man genomför oxidationen med ett vattenbaserat oxidationsmedel med ett ph-värde understigande 7 och innehållande permanganat, kromsyra och ozon, varvid koncentrationen av permanganatet är 0,01-50 g/1, koncentrationen av kromsyran är 0,01-50 g/1 och koncentrationen av ozonet är 0,001-1 g/1.. 2. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att oxidationsmedlet är en sur vattenlösning av permanganat och kromsyra samt ozon i mättad lösning och dispergerad form. 3. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att oxidationsmedlet är en tvåfas-ozongas-vattenblandning, där ozon i gasform är dispergerat i en sur vattenlösning av permanganat och kromsyra. 4. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att permanganatet är kaliumpermanganat. 5. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att oxidationen utföres vid en temperatur understigande cirka 60 C, företrädesvis understigande cirka 25 C och speciellt understigande cirka 20 C. 6. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att upplösningen av de oxiderade produkterna med den sura dekontamineringslösningen utföres vid en temperatur understigande cirka 25 C, företrädesvis understigande cirka 20 C. 7. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att det vattenbaserade oxidationsmedlet är surgjort med salpetersyra eller alifatisk mättad enbasisk karboxylsyra, till ett ph-värde understigande 7, företrädesvis till ett ph-värde av cirka 3.
83036*5-8 [O 8. Förfarande enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att den alifatiska mättade enbasiska karboxylsyran är ättiksyra. 9. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att den sura dekontamineringslösningen är en vattenlösning av citronsyra eller oxalsyra. 10. Förfarande enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att koncentrationen av permanganatet är 0,5-2 g/1, att koncentrationen av kromsyran är 0,05-0,2 g/1, och att koncentrationen av ozonet är 0,005-0,015 g/1.
I 8300685-8 SAMMANDRAG. Förfarande för dekontaminering av med radionuklider kontaminerade syraolösliga korrosionsprodukter från primärsystemytor i tryckvattenreaktorer genom oxidation och efterföljande upplösning i en sur dekontaminerings lösning av de korrosionsprodukter som genom oxidationen har gjorts syralösliga. Det utmärkande för förfarandet är att man genomför oxidationen med ett vattenbaserat oxidationsmedel med ett ph-värde understigande 7 och innehållande permanganat, kromsyra och ozon. Enligt en föredragen utföringsform av förfarandet genomföres oxidationen vid relativt låg temperatur, t.ex. under cirka 60 C och ofta under cirka 25 C.