Способ переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов

 

Использование: обработка твердых радиоактивных и токсичных отходов, а именно, сжигание радиоактивных отходов в индукционной печи и фиксация продуктов сгорания в матрицах из стекла. Сущность: способ переработки твердых радиоактивных отходов включает загрузку стеклообразующего флюса, дающего эвтектику с золой твердых радиоактивных отходов, в тигель индукционной печи, и расплавляют флюс. Расплав занимает в тигле объем от 30 до 70%. Подают в нерасплавленную зону кислородсодержащий газ в виде газовых потоков так, что направляющие газовых потоков пересекают ось тигля а одной точке на отрезке, ограниченном снизу поверхностью расплава, а сверху уровнем, расположенным на расстоянии не более 0,9 H, где H - расстояние между поверхностью расплава и уровнем расположения верхнего витка индуктора. При этом проекции углов, образованных направляющими ближайших газовых потоков, на горизонтальную плоскость равны между собой, а число газовых потоков не менее двух. После подачи газовых потоков в точке их пересечения инициируют возникновение плазменного факела. Затем в тигель подают отходы, сжигают их, смешивают образующуюся золу с расплавом и охлаждают полученный расплав. Преимущественно газовые потоки подают так, чтобы они пересекались на поверхности расплава, а для инициирования плазменного факела используют электрический разряд. Технический результат - снижение степени улетучивания радионуклидов, экономия энергии за счет использования магнитного поля индуктора для поддержания плазменного факела, 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к переработке твердых радиоактивных и токсичных отходов. Наиболее эффективно способ может быть использован при сжигании вышеуказанных отходов с последующей фиксацией продуктов сгорания в устойчивых матрицах стеклообразного типа.

Известны способы сжигания радиоактивных отходов с последующей фиксацией зольных продуктов сгорания в цементоподобных материалах (1). Недостатком данных способов является невысокое качество готового к захоронению продукта, обусловленное неустойчивостью по отношению к воздействию на него влаги. Повышенная вымываемость радионуклидов и токсичных компонентов объясняется в данном случае плохой совместимостью золы и цементной матрицы, имеющими разную физико-химическую природу, а также пористостью цементной матрицы (2), т. е. известные способы применимы только для переработки низкоактивных отходов и отходов с низкой концентрацией токсичных веществ.

Известны также способы сжигания радиоактивных и токсичных отходов с последующим переводом зольных продуктов сгорания в монолитное состояние путем их плавления с последующим охлаждением до образования камнеподобного материала (3). К недостаткам данных способов относятся значительный расход энергии, требуемый для плавления золы, а также повышенный унос радионуклидов и токсичных веществ в виде золоуноса, а также в форме летучих соединений. По вышеуказанным причинам эти способы также применимы в основном для переработки низкоактивных и низкотоксичных отходов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ перевода зольных продуктов сгорания в монолитное состояние путем их включения в стеклообразную матрицу (4).

Сущность известного способа состоит в том, что в металлический нагреватель цилиндрической формы, помещенный в печь, снабженную индукционной нагревательной обмоткой, устанавливают тигель, в который подают стеклообразующий флюс, дающий эвтектику с золой радиоактивных отходов. На расплавленный в металлическом нагревателе флюс небольшими порциями высыпают радиоактивные отходы, а в область над верхним уровнем расплава флюса подают кислородсодержащий газ, вызывая сгорание отходов. Образующаяся при этом зола расплавляется во флюсе, после чего полученный сплав охлаждается и направляется на захоронение.

Недостатком этого способа является повышенный унос радионуклидов, связанный с тем, что сгорание отходов происходит непосредственно на поверхности расплава флюса. При таком режиме сгорания отходов происходит повышение температуры поверхности расплава, которая способствует образованию летучих форм радионуклидов и повышению степени их уноса вместе с газообразными продуктами сгорания.

К недостаткам способа относится также невысокое качество получаемого продукта. Причиной этого является то, что некоторая часть отходов не успевает догореть на поверхности расплава и попадая в его объем, превращает конечный продукт в гетерогенную систему, представляющую собой механическую смесь недожженных отходов с эвтектикой золы и стеклообразующего флюса. Гетерогенность получаемого продукта ухудшает его химическую стойкость, водоустойчивость, а также прочностные характеристики.

И, наконец, еще одним существенным недостатком известного способа являются его энергетические потери. Они объясняются тем, что объем расплава стеклообразующего флюса обычно занимает от 30 до 70% объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри емкости с расплавом. Поскольку полезное использование энергии магнитного поля индуктора происходит только в объеме расплава, то остающиеся 70-30% энергии на плавление золы не расходуются. С другой стороны, часть энергии, передающейся в расплав, расходуется на нагрев надрасплавного пространства, где происходит сгорание основной массы радиоактивных отходов, а так как этой части энергии недостаточно для их полного озоления, то и формирование структуры конечного продукта происходит в виде гетерогенной системы. Отсюда следует, что для получения качественного захораниваемого стеклообразного блока требуются повышенные энергетические затраты.

Преимуществами предлагаемого способа являются снижение степени улетучивания радионуклидов, повышение качества получаемого продукта, а также повышение энергетической экономичности при реализации способа.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что в тигель, снабженный индукционной нагревательной обмоткой (индуктором), загружают стеклообразующий флюс, затем включают высокочастотный генератор, подсоединенный к индуктору и производят разогрев до образования стеклообразующего расплава, дающего эвтектику с золой радиоактивных отходов, причем объем, занимаемый вышеуказанным расплавом, составляет от 30 до 70 объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля. После получения расплава осуществляют формирование плазменного факела внутри тигля в зоне действия магнитного поля индуктора, расположенной над поверхностью расплава. Для этого в вышеуказанную зону подают газовые потоки окислителя, причем таким образом, чтобы направляющие всех газовых потоков пересекали ось тигля (соосную с осью магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля) в одной точке на отрезке, ограниченном снизу поверхностью расплава, а сверху уровнем, расположенном над расплавом не больше, чем 0,9 H, где H расстояние между поверхностью расплава и уровнем расположения верхнего витка индуктора, при этом проекции углов, образованных направляющими ближайших газовых потоков окислителя на горизонтальную плоскость равны между собой. Инициирование возникновения плазменного факела осуществляют введение в точку схождения направляющих газовых потоков окислителя средства, обеспечивающего кратковременное повышение температуры по сравнению с температурой надрасплавного пространства. В качестве инициирующего средства могут быть использованы термитная смесь, электрический разряд и т.п.

В случае подачи газовых потоков окислителя в точку, расположенную на оси тигля на расстоянии от поверхности расплава, большем, чем 0,9 H, образование плазменного факела наблюдаться не будет, так как в указанной зоне силовые линии магнитного поля индуктора искривляются, напряженность магнитного поля падает и количество энергии магнитного поля, подводимое индуктором для поддержания существования плазменного факела, будет недостаточным. Наиболее оптимальной точкой схождения направляющих газовых потоков окислителя будет точка, расположенная на поверхности расплава, так как из всех возможных точек схождения на отрезке в 0,9 H температура в вышеназванной точке будет наибольшей, что энергетически облегчит возникновение плазменного факела и обеспечит наиболее устойчивое его существование.

При подаче сходящихся потоков окислителя в любую другую точку надрасплавной зоны высотой 0,9 H возникновение плазменного факела будет возможным, но полной гарантии в стабильности его существования не будет вследствие снижения напряженности магнитного поля от центральной оси к периферии.

Таким образом, основной гарантией стабильности существования плазменного факела будет его соосность с осью магнитного поля индуктора, которая обеспечивается равенством проекций углов, образованных направляющими ближайших газовых потоков окислителя на горизонтальную плоскость, причем сгорание отходов в таком факеле будет происходить практически нацело, что предотвратит гетерогенизацию готового продукта, чем и улучшит его качество.

С другой стороны, подача окислителя в надрасплавное пространство и в особенности на поверхность расплава будет приводить к захолаживанию его верхнего слоя, подавляя тем самым унос в газовую фазу летучих форм радионуклидов и токсичных соединений.

И, наконец, обеспечение существования плазменного факела будет достигаться за счет использования энергии магнитного поля индуктора, подаваемой в надрасплавную зону, которая в прототипе не использовалась.

После формирования стабильного плазменного факела в надрасплавное пространство небольшими порциями подают твердые горючие радиоактивные и/или токсичные отходы, процесс сгорания которых начинается еще до того момента, когда они достигнут поверхности расплава с полнотой и интенсивностью гораздо более высокой, чем в способе согласно прототипу.

Как уже указывалось ранее, непосредственно перед формированием плазменного факела тигель заполняют стеклообразующим флюсом и путем разогрева создают стеклообразный расплав, занимающий от 30 до 70% объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля. Существенность данного признака объясняется тем, что особенности конструкций тиглей с индукционным обогревом таковы, что при заполнении их флюсом, дающим объем расплава, меньший, чем 30% расплав как таковой не образуется из-за недостаточного количества подводимой энергии (как видно на фиг.1, вследствие искривления силовых линий магнитного поля индуктора, в придонном пространстве тигля происходит уменьшение их плотности, следствием чего является снижение напряженности магнитного поля, а значит, и подводимой энергии). По аналогичным причинам при заполнении объема, большего, чем 70% температура в верхней части расплава будет ниже, чем в его остальном объеме, следствием чего может быть образование твердого "коркообразного" поверхностного слоя, который просто будет выброшен из тигля газообразными продуктами, образующимися при плавлении флюса и поддержании расплава в жидком состоянии.

Способ реализуется следующим образом.

В тигель 1, снабженный индуктором 2, загружают стеклообразный флюс, в который вводят средство, инициирующее образование стеклообразного расплава, например, водную суспензию магнетита, графит и т.п. после чего включают высокочастотный генератор, к которому подсоединен индуктор, производят разогрев и создают стеклообразный расплав 3, занимающий от 30 до 70% объема магнитного поля индуктора 4, заключенного внутри тигля 1 (в данном примере конкретного выполнения этот объем составлял 50%). После этого в надрасплавное пространство в зону действия магнитного поля индуктора 4 подают газовые потоки окислителя 5 (вид сверху вариантов подачи газовых потоков окислителя 5 представлен на фиг.2-4), направляющие которых пересекают ось тигля в одной точке, расположенной на расстоянии от поверхности расплава в 0,45 Н. Количество газовых потоков окислителя равно 4 (фиг.4). Проекции углов, образованных направляющими ближайших газовых потоков окислителя на горизонтальную плоскость равны составляют при этом 90^o. Одновременно с этим в указанной точке пересечения направляющих газовых потоков окислителя 5 создают электрический разряд, инициирующий образование плазменного факела 6. После достижения стабильного горения плазменного факела 6 в надрасплавную зону начинают подавать отдельными порциями упаковки их твердых горючих радиоактивных отходов и/или токсичных отходов, продукты сгорания которых, попадая в объем стеклорасплава, растворяются в нем, а полученную гомогенную смесь сливают в контейнер, охлаждают и направляют на захоронение, причем стабильность горения плазменного факела 6, достигаемая за счет его соосности с центральной осью магнитного поля индуктора, соосного с центральной осью тигля 1, и обеспечивает повышение качества получаемого продукта.

Поступление сходящихся потоков окисляющего газа в надрасплавное пространство приводит к снижению температуры поверхностного слоя расплава от 100^oC (при схождении газовых потоков окислителя в точке на расстоянии в 0,9 H от поверхности расплава) до 200^oC (при схождении направляющих в точке на поверхности расплава). За счет этого степень улетучивания радионуклидов по сравнению с прототипом уменьшилась в 7-16 раз, т.е. в среднем более чем на один порядок. Аналитические исследования показали практически полную гомогенность готового к захоронению продукта (доля механических включений составляла менее 1 вес.), а скорость вымываемости радионуклидов из приготовленных образцов снизилась по сравнению с образцами, полученными согласно прототипу, в 2,3-3,1 раза. Результаты испытаний также показали, что при одном и том же количестве энергии, потребляемой индуктором в прототипе и заявляемом способе, полезное использование энергии возросло с 70-85% до 90-97%

Формула изобретения

1. Способ переработки твердых радиоактивных и токсичных отходов, включающий загрузку стеклообразующего флюса, дающего эвтектику с золой твердых радиоактивных и токсичных отходов, в тигель, снабженный индуктором, нагрев стеклообразующего флюса до образования расплава, подачу в надрасплавную зону кислородсодержащего газа, порционную подачу отходов на поверхность расплава, сжигание отходов, смешение образующейся золы с расплавом и охлаждение полученной смеси, отличающийся тем, что расплав, получаемый путем нагрева стеклообразующего флюса, занимает 30 70% объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля, кислородсодержащий газ подают в надрасплавную зону в виде газовых потоков таким образом, что направляющие всех газовых потоков пересекают ось тигля в одной точке на отрезке, ограниченном снизу поверхностью расплава, а сверху уровнем, расположенным на расстоянии не больше, чем 0,9 Н, где Н расстояние между поверхностью расплава и уровнем расположения верхнего витка индуктора, при этом проекции углов, образованных направляющими ближайших газовых потоков, на горизонтальную плоскость равны между собой, а количество газовых потоков составляет не менее двух, после чего перед подачей отходов на поверхность расплава в точке пересечения газовых потоков кислородсодержащего газа с осью тигля инициируют возникновение плазменного факела.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что направляющие всех газовых потоков кислородсодержащего газа пересекают ось тигля в одной точке, расположенной на поверхности расплава.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инициирование возникновения плазменного факела осуществляют путем создания электрического разряда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4