Способ остекловывания радиоактивных отходов в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе

 

Изобретение относится к переработке радиоактивных отходов путем их перевода в стеклообразное состояние. Технический результат: одновременное повышение удельной производительности способа, а также снижение суммарного количества присутствующих в отходящих из охлаждаемого металлического индукционного плавителя газах летучих форм радионуклидов. Сущность изобретения: способ включает создание в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе радиоактивного стартового стеклорасплава, подачу на него радиоактивной шихты до заполнения радиоактивным стеклорасплавом части объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя, последующую подачу на радиоактивный стеклорасплав смеси радиоактивной шихты с кусковым алюмосиликатным материалом до заполнения рабочего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел.

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к переработке радиоактивных отходов (РАО). Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован при остекловывании твердых РАО с последующим охлаждением расплава до получения монолитного конечного продукта, пригодного для долгосрочного хранения.

Известен способ остекловывания радиактивных отходов в керамической электропечи прямого нагрева [1], включающий подачу в керамическую электропечь прямого нагрева стеклобоя, включение пусковых нагревателей, разогрев электропечи до температуры, при которой стекломасса начинает пропускать электроток, подачу напряжения на электроды, разогрев стекломассы до рабочей температуры, демонтаж пусковых нагревателей, подачу РАО вместе со стеклообразователями на поверхность стеклорасплава до заполнения рабочего объема электропечи, слив образовавшегося радиоактивного стеклорасплава в контейнер и его охлаждение до образования конечного продукта, пригодного для долгосрочного хранения.

Недостатками известного способа являются: - его повышенная продолжительность, связанная с повышенной длительностью операции предварительного разогрева электропечи пусковыми нагревателями до температуры, при которой стекломасса начинает пропускать электроток; - повышенное суммарное содержание летучих форм радионуклидов в отходящих газах.

Известен способ остекловывания радиоактивных отходов в неохлаждаемом металлическом индукционном плавителе [2] , включающий подачу тока высокой частоты на индуктор, разогрев металлического индукционного плавителя до рабочей температуры, последующую подачу в него РАО вместе со стеклообразователями, их плавление, заполнение образующимся радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема металлического индукционного плавителя, выдержку радиоактивного стеклорасплава до его гомогенизации, слив радиоактивного стеклорасплава в контейнер и его охлаждение до образования конечного продукта, пригодного для долгосрочного хранения.

Недостатками известного способа являются: - его повышенные удельные энергозатраты, связанные с повышенными тепловыми потерями в окружающую среду; - повышенное суммарное содержание летучих форм радионуклидов в отходящих газах.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ остекловывания радиоактивных отходов в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе [3], включающий подачу тока высокой частоты на индуктор охлаждаемого металлического индукционного плавителя, загрузку в охлаждаемый металлический индукционный плавитель порции радиоактивной шихты (смеси стеклообразователей с РАО) с добавкой электропроводящего материала (графита, металлической стружки, магнетитовой пасты или металлического короткозамкнутого контура), ее плавление до образования радиоактивного стартового стеклорасплава [4] , подачу на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление, заполнение радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя (в данном конкретном случае он составляет 0,75 полного объема плавителя, однако в зависимости от формы плавителя размер рабочего объема может быть отличен от вышеуказанной величины) и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел.

Недостатками известного способа являются: - пониженная удельная производительность, связанная с повышенной продолжительностью плавления радиоактивной шихты вследствие пониженной величины поверхности стеклорасплава (т. к. плавление загружаемой в охлаждаемый металлический индукционный плавитель радиоактивной шихты до стеклообразного состояния происходит на верхнем расплавленном упругом слое поверхности уже присутствующего в нем радиоактивного стеклорасплава, имеющем более низкую температуру, чем температура основной массы радиоактивного стеклорасплава, а скорость плавления пропорциональна величине этой поверхности); - повышенное суммарное количество присутствующих в отходящих из охлаждаемого металлического индукционного плавителя газах летучих форм радионуклидов.

Преимуществами заявляемого способа являются одновременное повышение его удельной производительности, а также снижение суммарного количества присутствующих в отходящих из охлаждаемого металлического индукционного плавителя газах летучих форм радионуклидов.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что заявляемый способ остекловывания радиоактивных отходов в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе включает подачу тока высокой частоты на индуктор охлаждаемого металлического индукционного плавителя, загрузку в охлаждаемый металлический индукционный плавитель порции радиоактивной шихты (смеси стеклообразователей с РАО) с добавкой электропроводящего материала (графита, металлической стружки, магнетитовой пасты или металлического короткозамкнутого контура), ее плавление до образования радиоактивного стартового стеклорасплава, подачу на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление, до заполнения радиоактивным стеклорасплавом объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя, равного V, удовлетворяющего условию 0,3V_п≤V< V_раб, где V_п - полный объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, а V_раб - рабочий объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, последующую подачу на полученный радиоактивный стеклорасплав, в центр его поверхности, смеси радиоактивной шихты с твердым кусковым алюмосиликатным материалом со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление до заполнения радиоактивным стеклорасплавом всего рабочего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел, причем плотность твердого кускового алюмосиликатного материала больше плотности радиоактивной шихты, весовое соотношение между радиоактивной шихтой и твердым кусковым алюмосиликатным материалом составляет 10:1, а эффективный диаметр кусков алюмосиликатного материала составляет 2-5 см.

Отличительными признаками заявляемого способа являются следующие: - подачу на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты осуществляют до заполнения радиоактивным стеклорасплавом объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя, равного V, удовлетворяющего условию 0,3 V_п≤V<V, где V_п - полный объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, а V_раб - рабочий объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, после чего на полученный радиоактивный стеклорасплав, в центр его поверхности, подают смесь радиоактивной шихты с твердым кусковым алюмосиликатным материалом со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление: - плотность твердого кускового алюмосиликатного материала больше плотности радиоактивной шихты, весовое соотношение между радиоактивной шихтой и твердым кусковым алюмосиликатным материалом составляет 10:1, а эффективный диаметр кусков твердого алюмосиликатного материала составляет 2-5 см.

Способ реализуют следующим образом.

Сначала в корпус охлаждаемого металлического индукционного плавителя, состоящий из трубок, подают охлаждающую жидкость, после чего на индуктор охлаждаемого металлического индукционного плавителя подают ток высокой частоты (1,76 МГц). Затем в охлаждаемый металлический индукционный плавитель загружают порцию радиоактивной шихты с добавкой электропроводящего материала (например, графита), осуществляют ее плавление с помощью электромагнитного поля индуктора до образования радиоактивного стартового стеклорасплава (занимающего порядка 10% внутреннего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя). После этого на радиоактивный стартовый стеклорасплав подают радиоактивную шихту со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление (25 кг/ч шихты при величине площади поверхности расплава в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе, равной 0,15 м²) и заполняют образующимся радиоактивным стеклорасплавом 0,5 полного объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя, после чего в центр его поверхности подают смесь радиоактивной шихты с твердым кусковым алюмосиликатным материалом со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление до заполнения образующимся радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя, причем плотность твердого кускового алюмосиликатного материала больше плотности радиоактивной шихты, весовое соотношение между радиоактивной шихтой и твердым кусковым алюмосиликатным материалом составляет 10:1, а эффективный диаметр кусков алюмосиликатного материала составляет 3,5 см.

При подаче вышеуказанной смеси в центр поверхности радиоактивного стеклорасплава под действием веса твердого кускового алюмосиликатного материала происходит прогиб вниз (растяжение) его верхнего расплавленного упругого слоя, имеющего более низкую температуру, чем температура основной массы радиоактивного стеклорасплава, за счет чего увеличивается общая площадь поверхности этого слоя, а слой смеси радиоактивной шихты с твердым кусковым алюмосиликатным материалом утолщается за счет принятия им линзообразной формы.

В результате этого происходит одновременное ускорение процесса плавления радиоактивной шихты (вместе с кусковым алюмосиликатным материалом), а также снижение суммарного количества присутствующих в отходящих из охлаждаемого металлического индукционного плавителя газах летучих форм радионуклидов (за счет увеличения толщины сорбирующего их слоя смеси радиоактивной шихты с твердым кусковым алюмосиликатным материалом), причем если степень предварительного заполнения охлаждаемого металлического индукционного плавителя радиоактивным стеклорасплавом не будет удовлетворять условию 0,3 V_п≤V <V, смесь радиоактивной шихты с кусковым алюмосиликатным материалом будет подаваться не в центр поверхности радиоактивного стеклорасплава, плотность твердого кускового алюмосиликатного материала будет меньше или равна плотности радиоактивной шихты, весовое соотношение между радиоактивной шихтой и твердым кусковым алюмосиликатным материалом будет отличным от 10:1, а эффективный диаметр кусков алюмосиликатного материала будет выходить за пределы интервала 2-5 см, одновременное достижение вышеуказанных преимуществ будет невозможно.

Испытания показали, что по сравнению со способом наиболее близкого аналога удельная производительность заявляемого способа возрастает не менее чем на 10%, а суммарное количество присутствующих в отходящих из охлаждаемого металлического индукционного плавителя газах летучих форм радионуклидов снижается не менее, чем на 5%.

Список литературы 1. Давыдов В.И., Бурдинский В.П., Добрыгин П.Г., Лучников Н.В., Костин В. В. , Филиппов С.Н., Колупаева Т.И., Раков Н.А. Оборудование установки остекловывания отходов АЭС в керамической печи прямого нагрева.- Атомная энергия, т. 80, вып.3, 1996, с. 219-221.

2. А. С. Никифоров, В.В. Куличенко, М.И. Жихарев Обезвреживание жидких радиоактивных отходов.- М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 92-94.

3. Соболев И.А., Лифанов Ф.А., Стефановский С.В., Кобелев А.П, Корнев В. Н. , Князев О. А., Дмитриев С.А., О.Н. Цвешко O.H. Остекловывание радиоактивных отходов методом индукционного плавления в холодном тигле.- Физика и химия обработки материалов, Наука, N 4-5, 1994, с. 161-170.

4. Патент РФ N 2065214 С1, МПК G 21 F 9/16, оп. 10.08.96. Бюл. N 22.

Формула изобретения

Способ остекловывания радиоактивных отходов в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе, включающий подачу тока высокой частоты на индуктор охлаждаемого металлического индукционного плавителя, загрузку в охлаждаемый металлический индукционный плавитель порции радиоактивной шихты с добавкой электропроводящего материала, ее плавление до образования радиоактивного стартового стеклорасплава, подачу на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление, заполнение радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел, отличающийся тем, что подачу на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты осуществляют до заполнения радиоактивным стеклорасплавом объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя, равного V, удовлетворяющего условию 0,3V_п ≤ V < V_раб, где V_п - полный объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, а V_раб - рабочий объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, после чего на полученный радиоактивный стеклорасплав, в центр его поверхности, подают смесь радиоактивной шихты с твердым кусковым алюмосиликатным материалом со скоростью, обеспечивающей ее полное расплавление, причем плотность твердого кускового алюмосиликатного материала больше плотности радиоактивной шихты, весовое соотношение между радиоактивной шихтой и твердым кусковым алюмосиликатным материалом составляет 10:1, а эффективный диаметр кусков алюмосиликатного материала составляет 2-5 см.