[发明专利]被动冷却的离子交换柱

说明书

一种离子交换系统包括填充有离子交换介质的离子交换柱和被动冷却系统。被动冷却系统包括将热从离子交换柱转移走的工作流体。在一个实施例中，工作流体处于封闭系统中。在另一个实施例中，被动冷却系统包括热管。在又一个实施例中，离子交换系统用于从液体废弃物流分离放射性核素，例如Cs‑137。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求在2015年10月5日提交的、题目为“被动冷却的离子交换柱(PassivelyCooled Ion Exchange Column)”的美国专利申请No.14/875,485的优先权，该美国专利申请要求在2015年8月13日提交的、题目为“用于从液体去除放射性核素的离子交换柱的被动除热的系统和方法(System and Method for Passively Removing Heat from IonExchange Columns Used to Remove Radionuclides from Liquids)”的美国临时专利申请No.62/204,793的权益，所有这些申请均通过引用整体并入本文。在发生冲突的情况下，在本文中明确叙述或示出的主题控制通过引用并入的任何主题。所并入的主题不应被用于限制或缩小被明确地叙述或描绘的主题的范围。

背景技术

通过核反应堆的运行、处理使用的核燃料、粒子加速器的运行以及其它来源产生了放射性废弃物。这种废弃物的一部分为含有放射性污染物的液体流的形式。液体废弃物必须通过固化、放射性核素去除和/或其它方法进行处理，以使其得到安全处置。

离子交换是用于处理含有大量放射性核素的液体放射性废弃物的常用方法。离子交换过程包括使得液体废弃物流移动通过填充有离子交换介质的离子交换柱。液体中的放射性核素被离子交换介质吸收，并且被从剩余的液体分离。

由离子交换介质吸收的放射性核素的量随着过程的进行而增加。发射辐射的核素在离子交换介质中的积累是显著的，并且能够在离子交换柱周围产生危险的辐射场。在某些情况下，离子交换柱被装入辐射屏蔽材料中或被其包围，以降低辐射水平并保护工作人员。

由放射性核素发射的高辐射场在离子交换介质中产生热。在运行期间，热量被液体废弃物流从离子交换柱转移走。然而，有时通过柱体的流动停止。而且，离子交换介质最终变得被加载到接近其容量，并且柱体被从服务中移除。在这两种情况下，液体废弃物流均不再冷却柱体。

由放射性核素产生的热能够将温度升高到使得柱体中的水沸腾、使得离子交换介质劣化和/或引起其它不利影响和安全问题的程度。由于离子交换介质的低导热性和/或在柱体周围存在辐射屏蔽件，通过自然对流将热从离子交换柱转移走是无效的。这些担忧已经导致使设备不完全加载离子交换介质、限制柱体的尺寸，和/或安设昂贵的安全可信主动冷却系统。

目前解决与装载的离子交换柱中的放射性衰变相关的高温的最常用方式设备如下：(1)柱体被连接到主动地冷却柱体的安全可信系统；(2)柱体被连接到清洗系统并加热，直到所有的液体都被蒸发掉并被从柱体洗出；(3)柱体的直径被限制为增加柱体表面体积比，从而降低峰值温度；和/或(4)限制离子交换介质中吸收的放射性核素的量，以控制介质中的发热速率。

这些方法存在多个缺点。方法1和2的安设和维护非常昂贵，因为它们要求包括能够连续操作的备用电源的冗余系统。方法2会在离子交换介质、柱体和/或辐射屏蔽件中产生峰值温度，这存在安全隐患，并对设备施加了额外的设计限制。方法3限制了离子交换柱的容量，因为直径与通过它的流量成正比。方法4增加了所使用的离子交换介质的量及其更换频率。

发明内容

一种离子交换系统包括填充有离子交换介质的离子交换柱和被动冷却系统。该离子交换系统能够用于处理或以其它方式从液体废弃物流分离污染物。其对于从液体放射性废弃物流分离一种或多种放射性核素是特别有用的。