Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Abstract

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Ionexchange resins are used in the cleaning systems of nuclear power plant primary water circuit. After use, contaminated ionexchange resin storage and the final disposal are expensive by present techniques. Used resin can be incinerated with plasma. The mass of the waste decreases significantly and the waste loses its organic nature in theplasma incineration. The aims of this Master's Thesis have been to optimize and to develop plasma incineration device for disposal of the used ionexchange resin. Reaction products were determined via mass balancecalculations and studying thermogravimetric analysis. According to those calculations and studies of the operation condition ranges, cooling system needs and feeding device were determined for the plasma incineration device. 6.5 kW power is fed into the plasma from a radiofrequency generator via a matching network and the induction coil in plasma incineration test device. Oxygenargon mixture is used as an incineration gas. Pressure, temperature, composition of the combustion gases and optical emission were measured during incinerations. Power of the rfgenerator limited continuous incineration rate below 130 g/h and temporary incineration rate to 175 g/h. The retention of radioactive cesium was 93.5 %. Based on experiments, 4 kg/h incineration rate of a commercial unit requires about 65 kW rfgenerator. During experiments a few problems were encountered. Unburned resin and ash were drifted to the particle filter and nascent sulphur oxide caused some corrosion for equipments. Those problems need more studies and development work.