Способ остекловывания радиоактивной золы и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к охране окружающей среды и предназначено для остекловывания радиоактивной золы. Технический эффект заключается в повышении скорости и безопасности реализации способа, а также в снижении его энергоемкости, упрощении конструкции устройства и повышении безопасности его работы. Заявленный способ включает смешение радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем, приготовление стеклорасплава в емкости из порции вышеуказанной смеси и порционную подачу смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем на поверхность расплава до полного заполнения емкости. Устройство включает металлическую емкость, расположенную внутри внешней металлической емкости, причем между обеими емкостями расположен слой порошкообразного огнеупорного материала, 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Заявляемые способ и устройство относятся к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем их перевода в твердое монолитное состояние, пригодное для долгосрочного хранения. Наиболее эффективно заявляемые способ и устройство могут быть реализованы при остекловывании радиоактивной золы с последующим охлаждением стеклорасплава до твердого монолитного состояния, пригодного для долгосрочного хранения.

Известен способ переработки радиоактивной золы [1], включающий загрузку радиоактивной золы в печь и ее последующее прессование при одновременном микроволновом нагреве.

Недостатками известного способа являются его повышенная сложность, связанная с наличием операции прессования, повышенная энергоемкость, связанная с необходимостью обеспечения микроволнового нагрева, подвода энергии извне, а также пониженное качество получаемого конечного продукта, обусловленное его пористостью.

Известно "Устройство для отверждения отходов путем их спекания под действием микроволнового излучения" [1], включающее печь, содержащую микроволновый нагреватель, поршень, жаропрочную теплоизоляционную втулку, внутрь которой заходит поршень, а также патрубки для отвода газов.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и пониженная надежность его работы, связанная с наличием в нем подвижных частей.

Известен способ переработки радиоактивной золы [2], включающий нагрев радиоактивной золы в съемной емкости (поде) факелом плазменного реактора до ее расплавления, выдержку расплава радиоактивной золы до гомогенизации и его охлаждение в съемной емкости до образования твердого монолитного конечного продукта.

Недостатками известного способа являются длительность процесса, связанная с наличием и продолжительностью операции выдержки, а также повышенная энергоемкость, связанная с необходимостью обеспечения операций плавления и выдержки, подвода энергии извне.

Известно устройство для плавления радиоактивной золы [2], представляющее собой могущую работать самостоятельно камеру гомогенизации, состоящую из съемной емкости (пода) и крышки с установленным на ней плазменным реактором и снабженной отверстием для загрузки радиоактивной золы, причем вышеуказанную съемную емкость после ее заполнения расплавом золы и его охлаждения используют в качестве контейнера при захоронении конечного продукта переработки.

Недостатками известного устройства являются его повышенная сложность, связанная с наличием плазменного реактора, а также пониженная надежность, связанная с опасностью выхода его из строя вследствие высокой коррозионной активности расплава золы.

Наиболее близким к заявляемому способу является "Способ обработки расплавлением золы радиоактивных отходов" [3], включающий загрузку порции стеклообразующего материала, дающего эвтектику с радиоактивной золой, в емкость, нагрев стеклообразующего материала внешним источником энергии до его расплавления, подачу радиоактивной золы вместе с газообразным окислителем на поверхность стеклообразного расплава и ее плавление до полного заполнения образующимся стеклорасплавом конечного продукта емкости, выдержку стеклорасплава конечного продукта до гомогенизации и его охлаждение вместе с емкостью до его перехода в твердое монолитное состояние, пригодное для долгосрочного хранения, причем нагрев осуществляют до тех пор пока вся подаваемая в емкость радиоактивная зола не перейдет в стеклорасплав.

Недостатками известного способа являются: - повышенная продолжительность, связанная с длительностью операций плавления радиоактивной золы и выдержки стеклорасплава конечного продукта до его гомогенизации; - повышенная опасность, связанная с повышенным суммарным количеством переходящих в газовую фазу летучих форм радионуклидов, вследствие повышенной продолжительности способа; - повышенная энергоемкость, связанная с необходимостью постоянного в течение операций плавления стеклообразующего материала плавления радиоактивной золы и выдержки стеклорасплава конечного продукта, подвода энергии извне.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для расплавления золы радиоактивных отходов [3], включающее металлическую емкость, имеющую загрузочное устройство и патрубок для отвода отходящих газов и установленную внутри металлического нагревателя цилиндрической формы, снабженного нагревательной индукционной катушкой.

Недостатками известного устройства являются: - повышенная сложность конструкции; - повышенная опасность работы, связанная с загрязнением окружающей среды радиоактивными веществами, вследствие возможности нарушения целостности металлической емкости из-за коррозионной активности образующегося стеклорасплава.

Преимуществами заявляемого способа являются повышение скорости его реализации, повышение его безопасности и снижение энергоемкости.

Преимуществами заявляемого устройства являются упрощение его конструкции и повышение безопасности его работы.

Указанные преимущества в части способа достигаются за счет того, что порцию смеси радиоактивной золы, окислителя, порошкообразного алюминия, силикокальция и ускорителя при следующем соотношении компонентов, мас.%: радиоактивная зола - 50-60 окислитель - 18-22 порошкообразный алюминий - 3-7 силикокальций - 18-22
ускоритель - 1-2
помещают в емкость и нагревают до ее перевода в стеклообразное состояние.

Нагрев порции смеси осуществляют путем инициирования в ней экзотермической реакции между порошкообразным алюминием, силикокальцием и окислителем, обеспечивающей практически скачкообразный подъем температуры, при котором ее максимальная величина может достигать 1700^oC. Инициирование осуществляют путем поджига порции смеси, в результате которого обеспечивается постепенное распространение экзотермической реакции по всему объему порции смеси.

После перевода первой порции смеси в расплавленное состояние на поверхность стеклообразного расплава подают следующую порцию смеси, инициирование экзотермической реакции в которой происходит за счет температуры стеклообразного расплава, без подвода энергии извне. Порционную подачу смеси осуществляют до полного заполнения образующимся стеклорасплавом конечного продукта емкости, причем подачу каждой последующей порции производят после перехода в стеклообразный расплав предыдущей. Затем емкость со стеклорасплавом конечного продукта охлаждают до перехода его в твердое монолитное состояние, пригодное для долгосрочного хранения.

В процессе экзотермической реакции между порошкообразным алюминием, силикокальцием и окислителем происходит образование легкоплавких и хорошо совместимых со стеклофазой алюмосиликатов, которые, взаимодействуя с радиоактивной золой, обеспечивают ее перевод в стеклообразное состояние.

В качестве окислителя используют перманганат калия или двуокись марганца, а в качестве ускорителя фториды калия, натрия или кальция.

Ускоритель делает возможным получение гомогенизированного стеклорасплава конечного продукта без операции выдержки, а также, обладая антидетонационными свойствами, предотвращает возможность самопроизвольного инициирования экзотермической реакции при механическом воздействии на смесь.

Применение для перевода радиоактивной золы в стеклообразное состояние тепла экзотермической реакции с последующим использованием для поддержания указанной реакции тепла образующегося стеклорасплава обеспечивает снижение энергоемкости заявляемого способа, т. к. его реализация обеспечивается только кратковременным инициирующим начало процесса подводом тепла извне.

Быстропротекающий в ходе скачкообразного подъема температуры перевод радиоактивной золы в стеклообразное состояние в присутствии ускорителя, исключающего необходимость проведения операции выдержки, обеспечивает повышение скорости реализации заявляемого способа, что в свою очередь повышает его безопасность за счет снижения суммарного количества переходящих в газовую фазу летучих форм радионуклидов.

Быстрое образование в ходе экзотермической реакции хорошо совместимых со стеклофазой алюмосиликатов, способных связывать присутствующие в золе радионуклиды в нелетучие соединения также способствует повышению безопасности реализации способа, а порционная подача смеси радиоактивной золы, окислителя, порошкообразного алюминия, силикокальция и ускорителя указанным образом предотвращает вероятность взрывного течения процесса и обеспечивает возможность его проведения.

При содержании в смеси силикокальция менее 18 мас.% или окислителя более 22 мас.%, или радиоактивной золы менее 50 мас.% может произойти возрастание температуры процесса (свыше 1700^oC), сопровождающееся интенсивным переходом радионуклидов в газовую фазу, в результате чего не будет обеспечиваться повышение безопасности реализации способа.

Излишек силикокальция при его содержании в смеси более 22 мас.% приведет к образованию конечного продукта, по своим физико-химическим свойствам непригодного для долгосрочного хранения.

При содержании в смеси порошкообразного алюминия менее 3 мас.% или окислителя менее 18 мас. %, или радиоактивной золы более 60 мас.% количества выделяющегося тепла экзотермической реакции будет недостаточно для получения стеклорасплава конечного продукта.

В случае содержания алюминия более 7 мас.% течение экзотермической реакции может носить взрывной характер.

При содержании ускорителя менее 1 мас.% не будет обеспечиваться получение гомогенизированного стеклорасплава конечного продукта без операции выдержки, а при его содержании более 2 мас.% в охлажденном стеклообразном конечном продукте будет происходить процесс кристаллизации стекла, ухудшающий его свойства и делающий его непригодным для долгосрочного хранения.

Преимущества в части устройства достигаются за счет того, что заявляемое устройство состоит из металлической емкости, расположенной внутри внешней металлической емкости, причем между внешней поверхностью металлической емкости и внутренней поверхностью внешней металлической емкости расположен слой порошкообразного огнеупорного материала с величиной зерен не более 2 мм и толщиной, определяемой из формул
q = λ·ΔT/Δx и q = Q/S·Δτ,
где ΔT - разница между температурами на внешней поверхности металлической емкости и внутренней поверхности внешней металлической емкости;
Δx - толщина слоя порошкообразного огнеупорного материала;
λ - теплопроводность слоя порошкообразного огнеупорного материала;
q - плотность теплового потока через стенки и днище металлической емкости;
Q - количество тепла, выделяющееся в ходе процесса в металлической емкости;
S - площадь внешней поверхности металлической емкости;
Δτ - время прохождения процесса в металлической емкости.

В качестве материала обеих металлических емкостей используют металлы с температурой плавления более 1700^oC, из которых наиболее предпочтительным является сталь, обладающая высокой устойчивостью к перепаду температур и способностью выдержать температурную нагрузку в пределах длительных интервалов времени.

В качестве огнеупорного материала используют алюмосиликатные огнеупоры, причем наиболее предпочтительным из них является плотный шамот, обладающий малой теплопроводностью (1,5 Вт/м·град при 1000^oC), высокой температурой плавления (порядка 1900^oC), высокой огнеупорностью (не менее 1730^oC) и, что особенно важно, хорошей сопротивляемостью разъеданию кислыми стеклорасплавами, к которым относится стеклорасплав, получаемый в процессе остекловывания радиоактивной золы.

Заявляемое устройство более просто по конструкции по сравнению с устройством-прототипом, а также более безопасно в процессе эксплуатации, за счет наличия в его составе внешней металлической емкости и слоя огнеупорного материала, выполняющих функции защитных барьеров от возможного при нарушении целостности металлической емкости попадания радиоактивных веществ в окружающую среду.

Если величина зерен порошкообразного огнеупорного материала будет превышать 2 мм, то его слой не будет обеспечивать надежную тепловую изоляцию металлической емкости, а также химическую защиту внешней металлической емкости от контакта с ней стеклорасплава конечного продукта в случае нарушения целостности металлической емкости.

В первом случае из-за быстрого падения рабочей температуры либо будет невозможно проведение заявляемого способа в заявляемом устройстве, либо конечный продукт будет непригоден по своим свойствам для долгосрочного хранения, а во втором - из-за необеспечения химической защиты внешней металлической емкости не будет достигаться повышения безопасности работы устройства.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежом, где представлен общий вид устройства в разрезе.

Устройство состоит из металлической емкости 1, слоя огнеупорного материала 2 и внешней металлической емкости 3.

Способ реализуют следующим образом.

Порцию смеси массой в 3 кг состава, маc.%: радиоактивная зола 54,5, перманганат калия 20, порошкообразный алюминий 4, силикокальций 20 и фторид натрия 1,5 помещают в емкость, после чего инициируют в ней экзотермическую реакцию путем поджига порции смеси с помощью электрического разряда. После окончания экзотермической реакции и образования стеклорасплава на его поверхность подают следующую порцию смеси до ее перехода в расплав, после чего последнюю операцию повторяют до полного заполнения образующимся стеклорасплавом конечного продукта емкости. Емкость со стеклорасплавом конечного продукта охлаждают за счет естественного понижения температуры, закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

В металлическую емкость 1 помещают порцию смеси радиоактивной золы, окислителя, порошкообразного алюминия, силикокальция и ускорителя, после чего в ней инициируют экзотермическую реакцию, обеспечивающую перевод смеси в расплавленное стеклообразное состояние. Затем на поверхность стеклорасплава поочередно подают следующие порции смеси до полного заполнения внутренней металлической емкости 1 образующимся стеклорасплавом конечного продукта, после чего все устройство охлаждают за счет естественного понижения температуры, закрывают крышкой и направляют на захоронение.

По сравнению со способом-прототипом в заявляемом способе обеспечивается повышение скорости его реализации в 4,5 - 5 раз, снижается энергоемкость, а также повышается его безопасность за счет снижения суммарного количества радионуклидов, перешедших в газовую фазу в 2-3 раза.

По сравнению с устройством-прототипом в заявляемом устройстве обеспечивается упрощение его конструкции, а также достигается повышение безопасности его работы за счет обеспечения надежной изоляции остекловываемой радиоактивной золы от внешней среды.

ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка Японии N 60 34101 В₄, МКИ: G 21 F 9/30, оп. 02.05.94.

2. Патент РФ N 1810911 Cl, МКИ⁵: G 21 F 9/32, F 27 В 1/00, оп. в Бюл. 15, 1993.

3. Заявка Японии N 4 - 50558 В₄ МКИ⁵: G 21 F 9/30, 9/32, оп. 28.02.85.

Формула изобретения

1. Способ остекловывания радиоактивной золы, включающий загрузку порции стеклообразующей смеси в емкость, ее нагрев до образования стеклорасплава, подачу на поверхность стеклорасплава золы радиоактивных отходов, ее плавление до полного заполнения емкости стеклорасплавом конечного продукта и охлаждение емкости со стеклорасплавом конечного продукта, отличающийся тем, что радиоактивную золу подают на поверхность стеклорасплава порциями в смеси с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Радиоактивная зола - 50 - 60
Окислитель - 18 - 22
Порошкообразный алюминий - 3 - 7
Силикокальций - 18 - 22
Ускоритель - 1 - 2
в качестве порции стеклообразующей смеси используют порцию смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем при вышеуказанном соотношении компонентов, нагрев порции стеклообразующей смеси осуществляют путем инициирования в ней экзотермической реакции между порошкообразным алюминием, силикокальцием и окислителем, а подачу каждой последующей порции смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем на поверхность стеклорасплава осуществляют после перехода в стеклорасплав предыдущей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют перманганат калия или двуокись марганца, а в качестве ускорителя - фториды калия, натрия или кальция.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициирование экзотермической реакции между порошкообразным алюминием, силикокальцием и окислителем осуществляют путем поджига или электрическим разрядом.

4. Устройство для остекловывания радиоактивной золы, включающее металлическую емкость, отличающееся тем, что металлическая емкость расположена внутри внешней металлической емкости, причем между внешней поверхностью металлической емкости и внутренней поверхностью внешней металлической емкости расположен слой порошкообразного огнеупорного материала с величиной зерен не более 2 мм и толщиной, определяемой из формул:
q = λ·ΔT/ΔX и q = Q/S·Δτ,
где ΔT - разница между температурами на внешней поверхности металлической емкости и внутренней поверхности внешней металлической емкости;
ΔX - толщина слоя порошкообразного огнеупорного материала,
λ - теплопроводность слоя порошкообразного огнеупорного материала;
q - плотность теплового потока через стенки и днище металлической емкости;
Q - количество тепла, выделяющееся в ходе процесса в металлической емкости;
S - площадь внешней поверхности металлической емкости;
Δτ - время прохождения процесса в металлической емкости, а в качестве материала обеих металлических емкостей используют металлы с температурой плавления более 1700^oC.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве огнеупорного материала используют алюмосиликатные огнеупоры.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что в качестве алюмосиликатного огнеупора используют плотный шамот.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве материала металлической емкости и внешней металлической емкости используют сталь.

РИСУНКИ

Рисунок 1