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 выделяющихся в газовую фазу летучих форм радионуклидов и удельных энергозатрат. Сущность изобретения: способ включает создание в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе радиоактивного стартового стеклорасплава, подачу на него радиоактивной шихты, погружение в образующийся радиоактивный стеклорасплав электродов, подачу на них тока промышленной частоты, заполнение радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема плавителя и его слив через сливной узел.

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки 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 радиоактивных 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 образующимся радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема (3/4 полного объема) охлаждаемого металлического индукционного плавителя и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел.

Недостатками известного способа являются: - пониженная удельная производительность, связанная с повышенной продолжительностью процесса, обусловленной необходимостью прогрева центральной зоны радиоактивного стеклорасплава (гомогенизацию радиоактивного стеклорасплава), имеющей более низкую температуру по сравнению с температурой в пристеночных зонах охлаждаемого металлического индукционного плавителя, являющейся рабочей (составляющей порядка 1400-1500^oC): - повышенное суммарное количество выделяющихся в газовую фазу летучих форм радионуклидов; - повышенные удельные энергозатраты, обусловленные охлаждением металлического индукционного плавителя и повышенной продолжительностью процесса.

Преимуществами заявляемого способа являются одновременное повышение его удельной производительности, а также снижение суммарного количества выделяющихся в газовую фазу летучих форм радионуклидов и удельных энергозатрат на проведение процесса.

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, погружение в радиоактивный стеклорасплав, образующийся в процессе подачи на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты, электродов на расстоянии H от стенок металлического индукционного плавителя, равном не менее 1/3 L, где L - глубина проникновения электромагнитного поля индуктора в объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, подачу на электроды переменного тока промышленной частоты, заполнение образующимся радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема (3/4 полного объема) охлаждаемого металлического индукционного плавителя и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел.

Отличительными признаками заявляемого способа являются - погружение в радиоактивный стеклорасплав, образующийся в процессе подачи на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты, электродов на расстоянии H от стенок металлического индукционного плавителя, равном не менее 1/3 L, где L - глубина проникновения электромагнитного поля индуктора в объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя и подачу на электроды переменного тока промышленной частоты.

Способ реализуют следующим образом.

Сначала в корпус охлаждаемого металлического индукционного плавителя, состоящего 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, обеспечивающую ее полное расплавление (25 кг/ч шихты при величине площади поверхности расплава в охлаждаемом металлическом индукционном плавителе, равной 0,15 кв.м), причем в радиоактивный стеклорасплав, образующийся в процессе подачи на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты, погружают электроды на расстоянии H от стенок металлического индукционного плавителя, равном 1/3 L (наиболее жесткие условия), где L - глубина проникновения электромагнитного поля индуктора в объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, на электроды подают переменный ток промышленной частоты и заполняют образующимся радиоактивным стеклорасплавом рабочий объем (3/4 полного объема) охлаждаемого металлического индукционного плавителя, после чего радиоактивный стеклорасплав сливают через сливной узел.

При подаче на электроды переменного тока промышленной частоты происходит их короткое замыкание через радиоактивный стеклорасплав, являющийся электропроводным, с выделением дополнительного количества тепла, обеспечивающего ускоренный прогрев центральной зоны радиоактивного стеклорасплава, изначально имеющей более низкую температуру по сравнению с температурой в пристеночных зонах охлаждаемого металлического индукционного плавителя. При этом за счет весьма значительного сокращения времени реализации процесса обеспечивается одновременное повышение удельной производительности способа, а также снижение суммарного количества выделяющихся в газовую фазу летучих форм радионуклидов и удельных энергозатрат, причем если электроды будут опущены в стеклорасплав на расстоянии H от стенок металлического индукционного плавителя меньшем 1/3 L получить одновременно все вышеуказанные технические эффекты будет невозможно.

Испытания показали, что по сравнению со способом наиболее близкого аналога удельная производительность заявляемого способа возрастает на 30-40%, суммарное количество выделяющихся в газовую фазу летучих форм радионуклидов снижается на 5-10%, а удельные энергозатраты снижаются на 30%.

ЛИТЕРАТУРА 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". Москва, Энергоатомиздат, 1985, стр. 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, "ОСТЕКЛОВЫВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ МЕТОДОМ ИНДУКЦИОННОГО ПЛАВЛЕНИЯ В ХОЛОДНОМ ТИГЛЕ", "Физика и химия обработки материалов", Наука, N 4-5, 1994, стр. 161 - 170.

4. Патент РФ N 2065214 C1, 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, до заполнения образующимся радиоактивным стеклорасплавом рабочего объема охлаждаемого металлического индукционного плавителя и слив радиоактивного стеклорасплава через сливной узел, отличающийся тем, что в радиоактивный стеклорасплав, образующийся в процессе подачи на радиоактивный стартовый стеклорасплав радиоактивной шихты, погружают электроды на расстоянии H от стенок металлического индукционного плавителя, равном не менее 1/3 L, где L - глубина проникновения электромагнитного поля индуктора в объем охлаждаемого металлического индукционного плавителя, и подают на электроды переменный ток промышленной частоты.