ANGRA 2 QUALIFICAÇÃO DO PRODUTO DE REJEITO BETUMINIZADO

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1 ANGRA 2 QUALIFICAÇÃO DO PRODUTO DE REJEITO BETUMINIZADO Lauro José de Barros Monte Nelson J. P. Oliva Gomes e Vera Lúcia Branco Barreto * Marcia Flavia Righi Guzella e Tânia Valéria da Silva ** * Eletrobrás Termonuclear S.A. ELETRONUCLEAR Rua da Candelária, , Centro, Rio de Janeiro, RJ, Brasil ** Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN Cidade Universitária , Belo Horizonte RESUMO Na Central Nuclear de Angra 2, os concentrados do processamento de rejeitos líquidos radioativos e as resinas de troca iônica do processo de purificação do refrigerante primário, constituem-se nos rejeitos de baixa e média atividades, que são processados através de um extrusorevaporador, para incorporação em betume. A fim de atender um Programa de Controle de Processo para obtenção de um produto de rejeito com características conhecidas, necessárias para uma deposição intermediária e final, foram executados processamentos de rejeitos simulados em sistema de betuminização, em escala piloto no Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear - CDTN e, em escala industrial, na Unidade de Angra 2, no âmbito do comissionamento e licenciamento do Sistema de Manuseio de Concentrados Radioativos. O trabalho apresenta a experiência obtida pela equipe desde a seleção do betume nacional, à caracterização da matriz e dos produtos de rejeito obtidos. Keywords: radioactive waste, bituminization, waste product characterization. I. INTRODUÇÃO Os embalados de rejeito radioativos de Angra 2, constituídos de produtos de rejeitos (concentrados e resinas) imobilizados em betume, são submetidos a um processo de licenciamento para obtenção da Autorização para Operação Permanente, emitida pela Comissão Nacional de Energia Nuclear, CNEN. Dentro deste processo, a ELETRONUCLEAR, entre os documentos necessários ao atendimento de exigências de licenciamento, apresentou à CNEN o Programa de Controle de Processo (PCP), onde contempla as ações necessárias à obtenção de um embalado de rejeito [1] que seja autorizado a um armazenamento definitivo. Neste sentido a ELETRONUCLEAR, com base nas referências de processo de qualificação de produtos de rejeitos equivalentes [2], elaborou um programa de qualificação dos produtos rejeitos simulados, para fazer face ao processamento ativo da unidade de processamento. Este programa contemplou a procura do betume nacional, equivalente aos utilizados em unidades já licenciadas, processamento e testes de produtos simulados em escala piloto, realizadas no CDTN [3] e processamento, também com produtos simulados, em escala industrial na unidade de processamento da Usina de Angra 2 da Central Nuclear de Angra [4,5]. Este último com testes nos próprios laboratórios da Usina de Angra 2 e nos laboratórios do CDTN [6]. Finalmente, processados os dados do programa de qualificação do produto, são implementados nos procedimentos de operação, os parâmetros de processos a serem seguidos, exigidos pelo PCP, anteriormente testado e aprovado, o que, por repetição resultará em um embalado de rejeito em condições necessárias ao seu armazenamento definitivo. II. TESTES EM ESCALA PILOTO Seleção do betume. Em Angra 2, para o processo de incorporação de rejeitos foi especificado o betume B15, conforme a norma DIN Além de atender às condições de processo para armazenagem e bombeamento (viscosidade de 1000 cst na

2 temperatura de processo de 150 o C), o betume B15 apresenta as características necessárias para incorporação de rejeitos radioativos como a durabilidade a longo prazo sob efeito radiológico tais como, degradação e radiólise [7]. Tendo em vista a não utilização da norma DIN 1995 como padrão na indústria nacional, a ELETRONUCLEAR, juntamente com o CDTN, buscou encontrar no mercado o produto nacional que atendesse à norma citada, evitando-se desta forma a importação do mesmo. Neste sentido foi qualificado um betume produzido por uma empresa nacional como variação da linha regular de produção. Foi realizada no CDTN a adequação de utilização desse betume nacional para incorporação dos rejeitos líquidos concentrados tendo como referência um betume importado, do tipo B15, especificado como matriz para outras usinas nucleares. O Centro vem trabalhando com o processo de betuminização de rejeitos, há alguns anos, tendo avaliado várias matrizes e produtos de rejeito segundo normas nacionais e internacionais. A caracterização dos dois betumes estudados é mostrada na Tabela 1. TABELA 1. Caracterização dos Betumes Análise Importado Nacional Especificação (DIN 1995) Penetração Ponto de Fulgor (1) ( 0 C) Mín. 290 Ponto de amolecimento ( 0 C) Densidade (g/cm 3 ) 1,027 1,040 1,03-1,06 Solubilidade em tricloroetileno (%) 99,91 99,85 - Ductilidade a 25 0 C (cm) 6,9 6,0 Mín. 5 Perda por aquecimento (%) 0,01 0,02 Máx. 1 Teor de cinzas (%) 0,02 0,10 Máx. 0,5 (1) especificação adicional à norma DIN Os dois betumes foram caracterizados no Instituto de Pesquisas Tecnológica (IPT) e apresentaram a composição de 33,9% e 32,5% para os asfaltenos e, para maltenos, as composições de 66,1% e 67,5% respectivamente. A viscosidade do betume nacional a 135 o C foi de 1020 cst, também analisada pelo IPT, pelo método ASTM D Caracterização do rejeito simulado. As soluções para simulação do rejeito foram preparadas conforme especificação da ELETRONUCLEAR. Foi feita a composição de duas soluções simulando os rejeitos da Usina Nuclear de Angra 2. O concentrado de boro contendo principalmente ácido bórico (14,8%) e também cloreto de sódio (0,32%), EDTA (0,35%), sulfato de sódio (3,82%), fosfato de sódio (3,82%) e carbonato de cálcio (1,93%). O acerto de ph foi feito com NaOH para o valor de 7,4 ± 0,1. O concentrado de detergente foi preparado com os mesmos reagentes, sendo o ácido bórico em menor quantidade (1,14%) além dos detergentes utilizados na usina (Haka Dekopur, Dekowet e Ibell-Ex). Campanhas de incorporação no sistema piloto. Os testes foram feitos em um extrusor-evaporador piloto semelhante ao da usina. Os perfis de temperatura foram definidos de forma a se aproximar do perfil especificado para o sistema industrial. Nas campanhas em escala piloto as temperaturas dos banhos de aquecimento foram definidas em 155 o C para a zona 2, 165 o C para a zona 3 e 180 o C para a zona 4, de forma a atender um perfil crescente de temperatura. Na zona 1, entrada do rejeito, a temperatura foi de 100 o C. Os betumes foram testados com as duas soluções de rejeito e para cada incorporação foram feitas pelo menos três campanhas em cada concentração de rejeito. Avaliação do produto de rejeito. As Tabelas 2 e 3 apresentam os valores médios para as propriedades avaliadas nos produtos de rejeito: ponto de amolecimento-, ponto de fulgor-, penetração- e teor de água incorporada. Estes resultados mostram que, em relação ao betume puro os produtos estão mais rígidos e o ponto de fulgor apresentado indica que as operações foram realizadas com segurança. O ensaio de resistência à lixiviação, principal parâmetro na análise do produto, foi feito no período de um ano de acordo com a Norma ISO Amostras do lixiviante foram coletadas, na freqüência determinada pela norma e analisadas. Os métodos de análise para determinação de boro foram espectrofotometria e volumetria e para sódio fotometria de chama. Os dados de cada campanha de incorporação foram colocados em planilhas, avaliados e os resultados colocados em gráficos. A fração acumulada lixiviada dos elementos boro e sódio variou entre 10-2 a 10-4 m e a taxa de lixiviação variou de 10-7 a 10-8 kg/m 2 s em média para todas as campanhas. Estimase que para um tambor de 200 litros estas taxas estejam de 10 a 100 vezes menores. Para todas as campanhas foram realizadas análises termodiferencial em amostras de produto. Nos termogramas realizados feitos na faixa de 25 o C a 700 o C não foram observadas reações exotérmicas, abaixo de 300 o C, que implicaria em risco de operação para o sistema. Também foram registradas as alterações dos volumes da amostras em água e foi feita a análise visual dos produtos. Observou-se que houve inchamento dos corposde-prova o que pode estar relacionado a homogeneidade, uma vez que a não-homogeneidade pode acarretar um aumento da lixiviação dos sais e uma modificação na micro estrutura dos produtos.

3 TABELA 2. Produtos de obtidos com Betume Importado 46, , , ,8 42, ,4 45, , ,6 resinas de troca iônica provenientes dos filtros de leito misto utilizados em alguns sistemas nucleares. O sistema de tratamento de concentrados radioativos é constituído basicamente de uma máquina tipo extrusorevaporador cuja função é misturar e secar, de forma homogênea, betume líquido com o rejeito, recolhendo a mistura final em tambores de aço onde a mesma se solidifica por resfriamento natural. Os tambores cheios são armazenados inicialmente na própria usina aguardando o transporte para o seu destino final. Os concentrados radioativos são processados diretamente no extrusor, onde é realizada a evaporação da água residual, resultando numa mistura homogênea de sais radioativos e betume. A resina de troca iônica é inicialmente submetida a um processo de secagem anterior ao processamento no extrusor onde é misturada de forma homogênea com betume. A Figura 1 ilustra os processos descritos. TABELA 3. Produtos de obtidos com Betume Nacional ,4 47, , ,4 46, , , ,4 Os estudos realizados em escala piloto mostraram a semelhança dos dois betumes estudados e para os testes de comissionamento do Sistema de Betuminização de Angra 2, o betume nacional foi usado. III. PROCESSAMENTO EM ESCALA INDUSTRIAL Sistema de processamento de concentrados de Angra 2. Na unidade 2 da Central Nuclear de Angra os concentrados radioativos a serem processados pelo sistema de betuminização, são formados a partir dos seguintes elementos na usina: Concentrado radioativo, proveniente do sistema de tratamento de rejeito líquido. Figura 1. Angra 2 Sistema de Processamento de Concentrados Radioativos. Comissionamento do sistema e preparação para qualificação do produto de rejeito (concentrados). No âmbito do comissionamento do sistema amostras foram retiradas para análise do produto final. A otimização do processo foi obtida ajustando-se os parâmetros operacionais do parafuso-extrusor, como rotação e perfil de temperatura, com aquelas relativas às flexibilidade de dosagem do rejeito, sem que distúrbios do processo ocorressem (alarmes e desligamento por proteção). De acordo com o balanço de massa, os fluxos de betume e concentrado simulado foram ajustados de modo a se incorporar o percentual de sólidos desejado no betume, considerando um teor de água incorporada menor que 1% no produto final bem como a densidade e o conteúdo de sólidos totais no concentrado simulado. Para cada campanha, foram registrados os dados operacionais do processo tais como temperaturas de aquecimento e resfriamento das 10 carcaças do extrusor,

4 temperatura do betume e parâmetros operacionais do extrusor como rotação e torque. Em cada campanha, foram amostrados 0,2 kg do produto final e enviados ao CDTN para determinação das propriedades reológicas, ponto de fulgor e teor de água incorporada. Para a determinação da taxa de lixiviação e termo-análises, 3 amostras foram coletadas para análises nos laboratórios da usina. Programa de Controle de Processo (PCP). A fim de atender as especificações técnicas contempladas no Relatório de Segurança da Usina, foi elaborado um PCP que apresenta a descrição técnica para operação do sistema com vista ao processamento seguro e obtenção de um produto de rejeito, previamente qualificado para deposição final. IV. TESTES EM ESCALA INDUSTRIAL ANGRA 2 Betume. Cerca de 16 t de betume nacional foram carregadas no tanque de armazenagem, mantido aquecido durante todo o processamento a 150 o C. simulado. Foram preparados aproximadamente de 5m 3 de rejeito simulado de boro e 5m 3 de rejeito simulado de detergente. Em cada batelada foram determinados boro e sódio pelos métodos volumétrico e fotometria de chama, respectivamente. O ph foi ajustado para 7,4 para concentrado de boro e 7,1 para concentrado de detergente. Também foram determinados o percentual de sólidos e a densidade das soluções de rejeito. Os valores médios das determinações são apresentadas na Tabela 4. TABELA 4. Caracterização das Soluções Simuladas de Análise Concentrado de Concentrado de boro detergente B (mg/l) Na(mg/L) Sólidos (%) 20,39 25,42 Densidade (g/cm 3 ) 1,16 1,21 Campanhas de incorporação em escala industrial. Para qualificação do produto de rejeito executou-se processamento de rejeito simulado em campanhas de imobilização com betume, no âmbito do comissionamento do sistema. Foram feitas 22 campanhas de incorporação, sendo 12 com concentrado de boro com percentuais de rejeito variando de 20 a 60% em peso e 10 campanhas com concentrado de detergente variando de 20- a 50% em peso. Adicionalmente foram executadas 2 campanhas de 25% e 40% em peso para caracterização do produto de rejeito de resina para futuro processamento. Durante cada campanha, amostras do destilado foram coletadas onde foram analisados as quantidades de sódio, boro e a condutividade. Avaliação do produto de rejeito. As análises de caracterização dos produtos obtidos mostraram uma tendência de diminuição da penetração em relação ao betume puro com o aumento do percentual de rejeito, indicando produtos bem rígidos. O ponto de amolecimento permaneceu na faixa de 80 o C a 90 o C e os pontos de fulgor permaneceram na faixa do betume puro (300 0 C) indicando que as operações de incorporação podem ocorrer com segurança. Os resultados são apresentados na Tabela 5, onde a porcentagem de rejeito é a média dos valores de incorporação realizados. TABELA 5. Produtos de obtidos na Unidade Industrial (1/10mm) 21,4 80, <0,5 34,6 82, <0,5 40, ,7 52, ,7 60, ,9 (1/10mm) 19, <0,4 30, <0,4 40, <0,4 50, ,5 <0,4 Os ensaios de lixiviação realizados até o momento (150 dias) apresentam resultados de fração lixiviada e taxa de lixiviação em média uma ordem de grandeza abaixo daquelas apresentadas para as campanhas realizadas em escala piloto. O aspecto visual dos corpos-de-prova parece melhor que aqueles obtidos nas campanhas em escala piloto, ou seja estão, em média menos inchados, menos deformados. Ressalta-se que a homogeneidade do produto depende da intensidade e duração da mistura (tempo de residência), da razão entre rejeito e betume, do tipo de betume, da taxa de evaporação da água, da presença de emulsificantes, da escala de operação, do equipamento de betuminização e da temperatura do processo. Portanto, nas campanhas realizadas em escala industrial, devido aos fatores apresentados é de se esperar que a homogeneidade dos produtos seja melhor, contribuindo para melhorar a qualidade do produto final. O teor de água incorporada nos produtos ficou abaixo de 0,9 %.

5 Após este trabalho de comissionamento a instalação industrial encontra-se pronta para as primeiras campanhas com rejeito radioativo de Angra 2. REFERÊNCIAS [1] COMISSÃO NACIONAL DE ENERGIA NUCLEAR, Critérios de Aceitação para Deposição de s Radioativos de Baixo e Médio Níveis de Radiação, Projeto de Norma CNEN [2] SWISS FEDERAL NUCLEAR SAFETY INSCTORATE (HSK), Conditioning and Interim Storage of Radioactive Waste, Guideline HSK-R-14, Dez ABSTRACT In Angra Nuclear Power Plant, Unit 2, the concentrates from the liquid waste processing system and spent resins from the reactor coolant purification system, represent the low and intermediate level radioactive waste to be incorporate into a bitumen matrix. In order to attempt the Process Control Program aimed to obtain a waste product qualified to an intermediate and a final store, a program to qualify a Brazilian supplier bitumen manufacture, simulated tests in pilot scale in Centro de Desenvolvimento da Tecnologia Nuclear CDTN and tests in industrial scale, in Angra 2 during the commissioning and licensing phase was performed. The paper presents the team experience gained since the bitumen selection up to the bitumen characterization simulated waste product. [3] GUZELLA, M.F.R. e outros, Betuminização de s Radioativos de Angra 2, Relatório Técnico Final CDTN-RC-03-CT3/00, 20/02/2001. [4] LÍVIO, T., Commissioning of the Screw Extruder with Concentrates, Angra 2, Commissioning Result Report, [5] BARRETO, V; Commissioning of the Screw Extruder with Concentrates Product Qualifying, Angra 2, Commissioning Result Report rev 01, [6] GUZELLA, M.F.R. e outros, Betuminização de s Radioativos da Usina de Angra 2, Relatório Técnico CDTN-RC-01-CT3/01, 19/09/2001. [7] HUBERT ESCHRICH, Properties and long-term behaviour of bitumen and radioactive waste-bitumen mixtures, Eurochemic, Mol, October 1980.