Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом
Изобретение относится к области дезактивации металлических отходов методом переплавки. Сущность изобретения: способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом включает подачу дезактивируемого металла в водоохлаждаемый кристаллизатор и очистку расплава с использованием рафинирующего шлака. В кристаллизатор, подключенный к сети электрического тока, сначала загружают рафинирующий шлак в виде расплава. Затем подают предварительно расплавленные радиоактивные металлические отходы со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня расплавленного рафинирующего шлака в границах токопроводящей секции кристаллизатора и позволяющей вытягивать слиток очищенного от радионуклидов металла по ходу плавки. Преимущества изобретения заключаются в повышении экономичности способа обработки. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к атомной промышленности и может быть использовано для глубокой дезактивации радиоактивных металлических отходов, образующихся при выводе из эксплуатации ядерных установок и демонтаже загрязненного радиоактивностью оборудования с целью повторного использования металла.
В атомной промышленности стоит проблема повторного использования дезактивированного металла, заключающаяся в том, что для производства из него каких-либо изделий необходимо уже на стадии переплава обеспечить дезактивацию получаемого слитка с минимальным остаточным содержанием радиоактивных загрязнений менее 3,7·103 Бк/кг, причем распределение загрязнений в слитке должно быть равномерное, чтобы упростить радиометрический контроль (особенно по α-активным нуклидам), и не вызвать вторичных загрязнений при производстве изделий за пределами контролируемой зоны. При этом распределение стабильных компонентов и их концентрация в многокомпонентных сплавах (например, нержавеющая сталь) должны быть равномерными и соответствовать заданным значениям с тем, чтобы не ухудшились технические характеристики дезактивированной стали (механическая прочность, стойкость к межкристаллитной коррозии и т.д.).
Известен способ дезактивации радиоактивных металлических отходов в индукционной печи с использованием специально подобранных рафинирующих шлаков, при котором дезактивируемый металл расплавляется в индукционной печи и обрабатывается рафинирующим шлаком, после чего производится литье расплава металла в изложницу для получения слитка требуемого размера (см. Заявка ФРГ №3331383, кл. G 21 F 9/30 и G 21 F 7/06, 1986).
К существенным недостаткам известного способа относится то, что получение однородного металлического слитка затруднено вследствие различий физических и физико-химических свойств уже затвердевшего и кристаллизующегося металла, а также из-за неравномерности распределения температуры и усадки металла. В результате возникает химическая неоднородность в слитках как по стабильным, так и по радиоактивным компонентам. Кроме того, в торцевой и пристеночной частях слитков происходит захват частиц загрязненного радионуклидами шлака, что требует дополнительной механической обработки слитков (обдирки, обрезки, ковки и т.п.).
При осуществлении другого известного из уровня техники способа, включающего подачу дезактивируемого металла в водоохлаждаемый кристаллизатор и очистку расплава с использованием рафинирующего шлака, устраняются некоторые недостатки, описанные в аналоге, и радиоактивное остаточное загрязнение достаточно равномерно распределяется в объеме слитка, достигается высокая химическая однородность дезактивированного слитка, шлаковые включения в нем отсутствуют. Таким способом является способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом, в котором дезактивируемый металл подается для переплавки в виде расходуемого электрода и переплав ведется в присутствии рафинирующего шлака (см. Treatment of plutonium-contaminated metallic Waste by the electroslag Melting method/ Ochiiai A., Kitagawa K., Samada Y., Tzuhama S., Ohsaka//Conditioning Radioactive Wastes Storage and disposal. Proc. Int., Symp. Utrecht. 21-25 July, 1982. Vienna. - Vienna, 1983. - р.177-190). Этот способ является наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принят за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом требуется специальное изготовление расходуемого электрода и его подготовка для загрузки, включающая такие операции, как предварительное литье с последующим прокатом или ковкой полученного слитка для обеспечения его максимальной плотности и заданной геометрии, что приводит к дополнительным затратам. Кроме того, недостатком этого известного способа является то, что расплавление рафинирующего шлака ведется непосредственно в кристаллизаторе и затраты электроэнергии составляют 1200-1600 кВт·ч/ на тонну дезактивируемого металла.
Задачей заявляемого изобретения является сокращение числа предварительных технологических операций при получении пригодного для повторного использования металла, остающегося при выводе из эксплуатации ядерных установок и демонтаже оборудования, загрязненного радиоактивностью.
Технический результат - повышение экономичности способа дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом при сохранении качества и всех технических характеристик слитка дезактивированного металла вследствие снижения расхода электроэнергии, упрощения радиометрического контроля остаточной загрязненности и получения слитка, не требующего последующей дополнительной обработки (обрезания дефектных частей слитков, нормализующего отжига и долегирования сплавов).
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом, при котором металлические отходы подаются в охлаждаемый водой кристаллизатор и очистка расплава производится с использованием рафинирующего шлака, особенность заключается в том, что в кристаллизатор, подключенный к сети электрического тока, сначала загружают рафинирующий шлак в виде расплава, а затем подают предварительно расплавленные радиоактивные металлические отходы со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня расплавленного рафинирующего шлака в границах токопроводящей секции кристаллизатора и позволяющей вытягивать слиток очищенного от радионуклидов металла по ходу плавки.
Учитывая особые условия, способ, во-первых, отличается тем, что кристаллизатор подключен к цепи переменного тока, а во-вторых, предварительный расплав радиоактивных металлических отходов ведется в присутствии рафинирующего шлака и после предварительного расплава рафинирующего шлака в той же вспомогательной печи. Кроме того, особенность способа заключается в том, что слиток вытягивается из кристаллизатора путем отвода вниз платформы от токопроводящего кристаллизатора.
Использование токопроводящего кристаллизатора позволяет подавать дезактивируемый материал в виде расплава, что исключает дополнительные операции по изготовлению и доводке расходуемого электрода. Загрузка в токопроводящий кристаллизатор предварительно расплавленного рафинированного шлака позволяет обеспечить такое качество получаемого слитка, при котором не требуется дополнительная обработка (обрезание дефектных частей слитка, нормализующий отжиг и долегирование сплава), а содержание остаточной радиоактивности удовлетворяет требованиям для повторного использования металла. Оптимизация скорости, с которой подается предварительно расплавленный дезактивируемый металл, и скорости вытягивания слитка по ходу плавки обеспечивают стабилизацию процесса направленной кристаллизации, при котором исключается захват слитком частиц загрязненного шлака.
Проведенный заявителем анализ уровня техники по имеющимся патентным и научно-техническим источникам информации позволил установить, что аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам изобретения, заявителем не обнаружен,
Определение из выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения, что, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения условию “новизна”.
Результаты дополнительного поиска известных решений для выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного устройства, показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из определенного заявителем уровня техники не выявлено влияние преобразований, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, на достижение технического результата. Поэтому заявитель предполагает соответствие данного изобретения критерию “изобретательский уровень”.
На чертеже представлена схема установки для дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом, состоящая из колонны 1, на которой неподвижно закреплен кристаллизатор 2 и перемещающаяся по колонне 1 каретка 3 с платформой 4. На платформе 4 установлена и закреплена затравка 5, к которой подсоединен токопровод 6, а к кристаллизатору 2 в верхней токоведущей части подсоединен другой токопровод 7. Расплавы электропроводного рафинирующего шлака 8 и дезактивируемого металла 9 получают в одной и той же вспомогательной печи 10. Жидкий токопроводящий рафинирующий шлак и расплав дезактивируемого металла подаются в кристаллизатор 2 с помощью дозатора 11.
Способ осуществляется следующим образом.
Рафинирующий электропроводный шлак расплавляют во вспомогательной печи 10 и сливают через дозатор 11 в токопроводящий кристаллизатор 2 так, чтобы расплав рафинирующего шлака 8 располагался в верхней токоведущей и средней промежуточной секции кристаллизатора 2, и производят подключение кристаллизатора 2 к цепи переменного тока 12, что обеспечивает поддержание шлака в расплавленном состоянии. Подлежащие дезактивации радиоактивные металлические отходы загружают в виде кусков во вспомогательную печь и в присутствии рафинирующего шлака расплавляют, после чего расплав металла подают в дозатор 3, из которого расплав металла 5 с заданной скоростью подается в кристаллизатор 2 на зеркало токопроводящего рафинирующего шлака. По ходу плавки можно производить присадку легирующих компонентов в слиток путем подачи лигатуры (в виде порошка, дроби, губки) в кристаллизатор вместе с расплавом дезактивируемого металла. Скорость дозирования металлического расплава должна быть такой, чтобы уровень электропроводного шлака в верхней секции кристаллизатора был неизменным. Для этой цели подбирают соответствующую скорость опускания вниз каретки 3 с платформой 4. При этом слиток дезактивированного металла вытягивается из кристаллизатора и происходит наплавленная кристаллизация металла. По окончании процесса каретка 3 достигает своего крайнего нижнего положения, и электропитание кристаллизатора отключается. После охлаждения слитка и шлака проводят разгрузку установки: слиток направляют для дальнейшего использования, а шлак в виде отвержденного радиоактивного отхода - на долговременное хранение.
После дезактивации предложенным способом нержавеющая сталь Х18Н10Т по механическим, коррозионным и химическим свойствам полностью соответствовала сортовой промышленной стали Х18Н10Т. Суммарная остаточная радиоактивность стали по α-излучателям составляла менее 2,6·10-9 Ки/кг, а по γ-излучателям - менее 1·10-7 мг экв. радия/кг дезактивированной стали. Затраты электроэнергии составили: электрошлаковая дезактивация - 700 кВт·ч/т и 300 кВт·ч/т на предварительный переплав рафинирующего шлака и радиоактивных металлических отходов.
Таким образом, при использовании заявленного способа вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в атомной промышленности для глубокой дезактивации радиоактивных металлических отходов, образующихся при выводе из эксплуатации ядерных установок и демонтаже загрязненного радиоактивностью оборудования с целью повторного использования металла;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.
Это позволяет заявителю претендовать на то, что заявленное изобретение соответствует критерию "промышленная применимость".
1. Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом, включающий подачу дезактивируемого металла в водоохлаждаемый кристаллизатор и очистку расплава с использованием рафинирующего шлака, отличающийся тем, что в кристаллизатор, подключенный к сети электрического тока, сначала загружают рафинирующий шлак в виде расплава, а затем подают предварительно расплавленные радиоактивные металлические отходы со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня расплавленного рафинирующего шлака в границах токопроводящей секции кристаллизатора и позволяющей вытягивать слиток очищенного от радионуклидов металла по ходу плавки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что кристаллизатор подключен к цепи переменного тока.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что слиток вытягивается из кристаллизатора путем отвода вниз платформы от токопроводящего кристаллизатора.
