Ydinvoimalan kiinteytyslaitoksen hartsinkäsittelyjärjestelmän toimintavarmuuden parantaminen : Ioninvaihtohartsivesisuspension virtausominaisuuksien määrittäminen ja järjestelmämuutosten kokeellinen tarkastelu

Abstract

Ydinvoimalaitosten vedenpuhdistusprosesseissa syntyvän ioninvaihtohartsijätteen turvallinen ja tehokas loppusijoitus on keskeinen osa ydinvoimalaitoksen jätehuoltoa ja siten päästöttömän sähkön tuotantoa. Loviisan ydinvoimalaitoksen ionivaihtohartsijätteet kiinteytetään betonimatriiseihin ennen loppusijoitusta. Hartsijätettä käsitellään vesisuspensiossa, jonka virtaus on heikkoa ja aiheuttaa hartsinkäsittelyjärjestelmässä tukkeutumista sekä pumppujen jumiutumista. Lisäksi hartsin epävakaa virtaus hankaloittaa kiinteytysluvan kannalta välttämätöntä näytteenottoa.

Tässä työssä tutkittiin konkreettisia ratkaisuja kiinteytyslaitoksen hartsinkäsittelyjärjestelmän toimintavarmuuden parantamiseksi. Vaihtoehtoisia järjestelmämuutoksia testattiin koejärjestelmällä ja puhtaalla hartsilla, jotka mahdollistivat muutosten testauksen ilman oikean järjestelmän radioaktiivisuuden tuomia haasteita. Järjestelmässä esiintyvien ilmiöiden ymmärtämiseksi ja ongelmanratkaisun tueksi mitattiin ioninvaihtohartsivesisuspension virtausominaisuuksia ja pyrittiin löytämään sen käyttäytymistä parhaiten kuvaava fluidimalli.

Tulokset osoittavat hartsin virtaushaasteiden pohjautuvan sekä suspension epänewtoniseen käyttäytymiseen että kaksifaasisuuteen. Reometrisesti ioninvaihtohartsivesisuspensio luokiteltiin myötöpseudoplastiseksi fluidiksi, jonka käytöstä voidaan kuvata parhaiten Herschel-Bulkleyn tai Cassonin fluidimalleilla. Hartsi vaatii siis liikkeelle lähteäkseen tietyn voiman, jonka ylityttyä sen viskositeetti laskee leikkausnopeuden kasvaessa. Hartsikonsentraatio vaikuttaa merkittävästi suspension viskositeettiin ja myötörajaan. Lisäksi hartsipartikkelit erottuvat hyvin herkästi hitaassa virtauksessa. Näiden ominaisuuksien yhdistelmä altistaa järjestelmän tukkeutumiselle ja vaikeuttaa hartsin uudelleensekoittumista. Kummankin ongelmakohdan kannalta hartsi on suotuisaa pitää mahdollisimman nopeassa ja tasaisessa liikkeessä.

Työn tuloksena suositellaan toimenpiteitä hartsinkäsittelyjärjestelmän toimintavarmuuden parantamiseksi. Työssä annetaan harkittavaksi useita eri mittakaavan vaihtoehtoja. Yksinkertaisimmat ja edullisimmat vaihtoehdot ovat säätöventtiilin lisääminen järjestelmän pääkiertoon ja hartsisäiliön sekoittimen vaihtaminen. Näytteenottokierron pumppauskapasiteetin kasvattaminen tai pumpputyypin vaihtaminen on myös mahdollinen ratkaisu. Toisaalta työn tuloksiin liittyy epävarmuutta eikä muutosten voida taata tuovan parannuksia oikeaan järjestelmään. Etenkin näytteenoton haasteiden juurisyy jäi epäselväksi. Lisätiedon keräämiseksi suositellaan näytteenoton toimintatapojen, tulosten ja tukkeumakohtien seurantaa tarkkojen ongelmakohtien tunnistamiseksi. Seuranta mahdollistaisi paremman näytteenottojärjestelmän suunnittelun, jos muut toimenpiteet osoittautuvat riittämättömiksi. Viimeisenä vaihtoehtona suositellaan järjestelmän näytteenottokierron uusimista lyhyemmäksi versioksi käyttäen suurempaa putkikokoa. Kokonaisuutena järjestelmän toiminnan sujuvoittaminen voi vaatia yhdistelmän useita toimenpiteitä.

Safe and efficient disposal of spent ion exchange resins produced in the water purification processes of nuclear power plants is a crucial aspect of both plant waste management and emissionfree electricity production. At the Loviisa nuclear power plant, radioactive ion exchange resins are processed at the solidification facility prior to final deposition. These resins are handled as a water suspension, which flows poorly, leading to blockages and pump failures in the resin processing system. In addition, unsteady flow hinders the sampling of resin, which is essential to permit solidification.

This thesis explores concrete solutions to improve the performance and reliability of the resin handling system. Alternative process modifications are tested using clean resin and a replica of the system, which enables testing changes without the challenges brought by radioactivity in the actual system. In order to understand the phenomena occurring in the system and to support problem solving, the flow properties of the ion exchange resin suspension are measured and an attempt is made to find a fluid model suitable to describe its behavior in different conditions.

The results indicate that the flow issues are caused by the non-Newtonian properties and twophased nature of the suspension. The ion exchange resin suspension is characterized as a yieldpseudo-plastic fluid best described by the Herschel-Bulkley or Casson models. Therefore, the resin requires a specific force to initiate flow. Once the applied stress exceeds the yield strength, the viscosity decreases with increasing shear rate. Resin concentration significantly impacts the viscosity and yield strength. Additionally, the resin particles settle quickly in slow flow conditions. The combination of these issues makes the system especially prone to blockages and makes resuspension of the resin difficult. To prevent issues from both perspectives, it is crucial to keep the suspension in as continuous and fast motion as possible.

Based on the findings, several process modifications are recommended to improve the reliability of the resin handling system. Multiple alternative solutions of different scale are proposed for consideration. The simplest and most cost-effective options are adding a control valve to the main line and replacing the mixer in the resin tank. Increasing the pumping capacity or changing the pump type in the sampling line is another possible solution. However, the results of the experiments carry some uncertainty, and the effectiveness of the proposed modifications in the actual system cannot be guaranteed. The root cause of the issues in the sampling was left unclear. To gain additional information and specify the exact problem, it is recommended to monitor results, practices, and blockage locations in the sampling process. This knowledge can be utilized to design an improved sampling line in case the previous modifications are not sufficient to solve all challenges. As a final solution, a shorter sampling line made of larger-diameter piping is proposed. Ultimately, improving the operability of the system may require a combination of measures.