Adsorbentes para el tratamiento de efluentes radioactivos con isotopos

En NUCLEANTECH hemos desarrollado un novedoso proceso para el tratamiento de efluentes radioactivos complejos generados en centrales nucleares.

El proceso está basado en el uso de distintos adsorbentes sólidos inorgánicos y permite la separación de distintos isotopos del efluente, incluido el tritio. 

La gran ventaja de los adsorbentes frente a otros métodos actualmente aplicados es su eficacia a la hora de tratar efluentes radioactivos con alta salinidad, lo cual permite una importante reducción en el volumen de residuo final y en los costes de tratamiento de estos efluentes. 

ÍNDICE

Estos son los distintos apartados de los que consta la presentación de nuestra solución para la adsorción de isotopos. Se puede acceder directamente a cualquiera de los apartados clicando en el enlace correspondiente.

  1. Producción de isotopos en reactores PWR
  2. Adsorbentes: función y efectividad frente a efluentes radioactivos
  3. Separación de isotopos en efluentes radioactivos mediante adsorbentes
  4. Tipos de adsorbentes
  5. Tratamiento de efluentes radioactivos mediante procesos tradicionales

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PRODUCCIÓN DE ISOTOPOS EN REACTORES PWR

En Europa la mayoría de los reactores nucleares en activo son del tipo PWR. Estos reactores nucleares utilizan como combustible uranio enriquecido y están refrigerados en primera instancia por un circuito primario que transporta agua a alta presión y temperatura.

Esta extrae el calor del núcleo generado por la fisión del uranio y lo cede a un circuito secundario que se encargará de generar corriente eléctrica mediante un generador. Este circuito primario no interactúa en ningún momento con el exterior, de forma que el refrigerante que circula en su interior, a lo largo del tiempo de utilización, se va enriqueciendo en determinadas especies isotópicas por efecto de varias causas:

  • La corrosión del acero.
  • La activación neutrónica de estos productos de corrosión.
  • Isótopos que provienen de las barras de combustible.

En el primer grupo tenemos el Co60, Mn54, Co58 entre otros y en el segundo grupo tenemos el Cs137 como elemento guía. La química del primario es muy variada y compleja.

Evidentemente, todo el efluente conlleva en disolución tritio, que proviene de la activación neutrónica del hidrogeno, y del uso del litio como elemento moderador, como causas fundamentales.

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ADSORBENTES: FUNCIÓN Y EFECTIVIDAD FRENTE A EFLUENTES RADIOACTIVOS

Frente al tratamiento tradicional de las resinas, desde Nucleantech apostamos por el uso de absorbentes sólidos inorgánicos para el tratamiento de efluentes radiactivos. Estos adsorbentes presentan tres propiedades de alto valor añadido para el tratamiento de los efluentes radiactivos.

  1. La primera propiedad de estos adsorbentes es su selectividad frente al isótopo. Frente a un isótopo determinado, utilizamos un adsorbente específico. De hecho podemos utilizar mezclas de adsorbentes para tratar efluentes radiactivos complejos (Co60, Co58, Cs137, Sb125, Mn54).

  2. La segunda propiedad es su alta eficacia frente a efluentes radiactivos de alta salinidad. Normalmente la mayoría de efluentes operacionales (descargas, purgas, tratamientos de intercambio iónico o recargas de combustibles) contienen un alto contenido en sales; cloruro de sodio, boratos, sulfatos etc. Los iones salinos compiten con los puntos de intercambio de las resinas y restan eficacia a estas.

Un caso muy concreto es el tratamiento del Sb125. El tratamiento de este isótopo precisa de una cantidad elevada de resinas pues la salinidad del efluente compite con el antimonio, y este acaba efluyéndose de la resina.

Todo esto conduce a un volumen elevado de residuo. El uso de adsorbente en este caso permite la reducción del volumen de residuo puesto que la adsorción del antimonio no depende de la salinidad del efluente.

  1. Otra característica fundamental de estos adsorbentes es su nula solubilidad en agua, de forma que adsorben el isótopo en cuestión, y este precipita con el adsorbente. Este hecho permite ser retirado de la disolución por filtración.

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SEPARACIÓN DE ISOTOPOS EN EFLUENTES RADIOACTIVOS MEDIANTE ADSORBENTES

Todas estas cuestiones han sido testadas por NUCLEANTECH en una central nuclear PWR con efluentes operacionales que provienen de tratamientos, recargas y operaciones convencionales.

a.- Tratamiento de un efluente con Sb125 (4Bq/g); Co60 (0.67Bq/g); Cl-( (107mg/l); B(1200mg/l)

La presencia del antimonio dificulta el tratamiento por las resinas. El Sb125 es un producto de activación del Sn124, presente en las aleaciones de zircaloy.

En el rango de pH entre 6 y 9, que corresponde al pH de las aguas almacenada en los tanques y de acuerdo con el diagrama de Pourbaix, el antimonio se encuentra en la forma [Sb(OH)6].

El tratamiento en resinas se ve obstaculizado por la presencia de cloruros, sulfatos y boratos. La experiencia operacional indica que la actividad eluidas de 5 a 8 veces superior a la actividad en la entrada del lecho.

El resultado es la sustitución temprana de la resina mixta y un mayor volumen de residuo.

Utilizando el adsorbente R3, en concreto con una concentración de 6 g/l, y realizando las medidas de actividad mediante espectrometría gamma en el propio laboratorio de la Central, se eliminó prácticamente en su totalidad la actividad del Sb125.

Los resultados se muestran en la siguiente gráfica:

b.-Tratamiento de un efluente con Cs137, con una actividad de  8 Bq/g.

La utilización de un adsorbente conocido como R6 adsorbió el 100% del isótopo (no quedó constancia por espectrometría gamma de la presencia del isótopo) en concentraciones de 0.28g/l.

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TIPOS DE ADSORBENTES

La elección del adsorbente correcto para la separación de cada tipo de isótopo se lleva a cabo siguiendo el siguiente procedimiento:

Diagrama Descripción generada automáticamente con confianza baja

Desde Nucleantech se ha trabajado con diferentes tipos de adsorbentes en función del problema operacional concreto. Efluentes con Sb125, efluentes con mezcla isotópica de Co60, Co58, efluentes operacionales con alto contenido en Cs137. Así mismo se han realizado cinéticas de adsorción en laboratorio con Sr90, U238 y Am241.

La gama de adsorbentes se centra en 5 tipos: 1.-Adsorbentes R1 y R6. Adsorbentes utilizados para el tratamiento del Cs137. Adsorbentes basados en la estructura de hexacianoferrato; КхFey[Fe(CN)6], donde x = 0.2-0.8; y = 1.2-1.8.

2.-Adsorbente R2. Basado en la adsorción del MnO2 utilizando un transportador base silicato. Se utiliza para proceder a la adsorción de estroncio, Uranio, Plutonio, Bismuto, Polonio.

3.-Adsorbente R3. KCuNi[Fe[CN]6]. Tratamiento específico para el Cs137.

4.-Adsorbente R4. Basado en la capacidad de adsorción del Hidróxido de Circonio. Es usado para jijas isótopos emisores α.

5.- Adsorbente R5. Basado en la fijación del sulfuro de cobre sobre estructuras silicatadas. Se utiliza para el tratamiento de la Ag110; Sb125; Co60; Co58.

6.- Adsorbente C-1. Adsorbente desarrollado exclusivamente para la separación de tritio. Mas información en nuestra solución para la separación de tritio.

7.- Otros adsorbentes

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TRATAMIENTO DE EFLUENTES RADIOACTIVOS MEDIANTE PROCESOS TRADICIONALES

En la actualidad, los sistemas reguladores proceden a utilizar las resinas (catiónicas, aniónicas y mixtas) como recurso fundamental para el tratamiento de los efluentes líquidos activados. La limpieza del efluente del circuito primario se realiza básicamente por resinas.  El uso de estos elementos presenta ventajas e inconvenientes, como toda herramienta tecnológica. 

La principal ventaja es que fija los isótopos mencionados. 

Los dos inconvenientes más importantes son:

  • Baja eficacia en condiciones de alta salinidad para retener los isótopos (se ha de gastar mucho más volumen de resina) 
  • Aumento de volumen al entrar en contacto con el efluente (propiedad normal en las resinas, en algunos casos un 20%). 

Estos dos inconvenientes conllevan una mayor cantidad de volumen de residuo (bultos de 220 litros) y un incremento en los costes que todos debemos asumir. Este hecho cobra especial importancia frente al reto de los desmantelamientos nucleares que en aproximadamente 10 años empezaran a ser una realidad. 

Dos preguntas fundamentales serán:

  • ¿Qué volumen de residuo vamos a generar? 
  • ¿Qué coste va a suponer? 

Evidentemente estas dos cuestiones están sometidas al imperio del argumento de seguridad. En todo momento debe garantizar-se la máxima seguridad y mínimo riesgo.

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