Способ переработки облученного в реакторе аэс углерода и устройство для его реализации

Изобретение относится к способу и устройству по переработке облученного в реакторе АЭС углерода. Способ включает выбор метода разделения изотопов Углерода из группы технологий разделения: газовая диффузия, сопловой метод, газовое центрифугирование, метода аэродинамической сепарации, лазерный метод. Далее из облученного Углерода АЭС получают рабочий газ для извлечения атомов изотопа ¹⁴С выбранным методом разделения. Затем проводится выделение изотопа ¹⁴С на одноступенной разделительной установке или каскаде этих установок и разделение в разделительной установке. Разделение проводят до уровня, обеспечивающего получение в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора из одиночной установки или каскада, активности изотопа ¹⁴С ниже уровня, допускающего приповерхностное захоронение радиоактивных отходов, далее осуществляют сортировку, компактирование, дифференцированное захоронение радиоактивных отходов и возврат в природу отходов с естественной активностью. Устройство содержит установку для переработки Углерода в рабочий газ для установки разделения изотопов Углерода, выход которой подается на вход разделительной установки. Техническим результатом является создание разделенных фракций рабочего газа с содержанием изотопа ¹⁴С выше исходного содержания и с содержанием изотопа ¹⁴С, уменьшенным до уровня, допускающего приповерхностное захоронение. 2 н. и 19 з.п. ф-лы, 10 ил.

 

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к технологии утилизации радиоактивных отходов, и может быть использовано для переработки облученного реакторного графита (далее облученного Углерода АЭС) после вывода из эксплуатации уран-графитовых реакторов атомных электростанций (АЭС).

В уран-графитовых реакторах графитовая форма Углерода применяется в качестве замедлителя. При этом в Углероде накапливается радиоактивный изотоп ¹⁴С - β-излучатель с периодом полураспада 5730 лет. После вывода из эксплуатации реактора и выгрузки, облученный Углерод необходимо утилизировать.

По оценкам экспертов в мире было в работающих и выведенных из эксплуатации уран-графитовых реакторах около 26000 т облученного графита. В настоящее время в РФ имеется около 60 тысяч тонн графита в работающих реакторах типа РБМК, 30000 т - в промышленных реакторах и 2500 т - в промышленно-энергетических реакторах (Бушуев А.В., Кожин А.Ф., Зубарев В.Н. и др. Радиоактивное загрязнение отработавшего реакторного графита / Атомная энергия, 2014, т. 117, вып. 3, с. 156-159).

Уровень активности свежеизвлеченного облученного Углерода АЭС зависит от типа реактора и от условий его эксплуатации. По данным различных исследований (например -Павлюк А.О. Технические решения и опыт «АО ОДЦ УГР» по обращению с облученным графитом при выводе из эксплуатации, Международный общественный форум-диалог и выставка «АтомЭко 2017», Москва, 21-22 Ноябрь, 2017) активность свежеизвлеченного облученного Углерода АЭС составляет 1,5÷10⋅10⁵ Бк/г (Таблица 1).

Правила обращения с радиоактивными отходами регламентируются Федеральным законом от 11 июля 2011 г. №190-ФЗ «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» (сайт ФГУП «Национальный оператор по обращению с радиоактивными отходами», http://www.norao.ru/). В соответствии со статьей 24 закона: по уровню активности и характеристикам излучения данный тип радиоактивных отходов (РАО) относится к 2 классу опасности, подразумевающему централизованное глубинное захоронение (Таблица 2).

Ввоз на территорию России РАО из-за рубежа для переработки и захоронения регламентируется этим же законом, что означает существенное ограничение утилизации даже РАО реакторов, построенных СССР за пределами России. Аналогичные законы и классификация приняты во всех развитых странах, использующих атомную энергию и изотопные источники.

Предшествующий уровень техники

Опыта, оборудования и технологий перемещения таких объемов РАО 2 класса на несколько тысяч километров к централизованному глубинному хранилищу нет, как нет и технологий создания самого хранилища, обеспечивающего его герметичность на несколько тысяч лет. Также нет способов переработки и утилизации облученного Углерода АЭС (в настоящее время эти РАО складируются вблизи мест выгрузки из ректоров), хотя активный поиск методов ведется.

Отметим, что в процессе нерасчетной эксплуатации, снятия реакторов с эксплуатации генерируется значительное количество новых радиоактивных отходов с более сложным составом по сравнению с отходами, образуемыми при штатной эксплуатации этих установок (данные Таблицы 1). В то же время основной вклад (>90%) в активность облученного Углерода АЭС, определяющий его класс опасности и проблему его хранения из-за периода полураспада 5730 лет, вносит изотоп углерода ¹⁴С.

Принципиальным упрощением ситуации является разработка технологии переработки облученного Углерода АЭС, которая позволит перевести основную массу данного типа РАО в третий класс опасности, допускающий локальное приповерхностное захоронение, а в идеальном варианте - получение естественного уровня активности этих отходов, не требующего захоронения и хранения.

В настоящее время предложены различные способы переработки облученного графита, в том числе для уменьшения содержания изотопа ¹⁴С в облученном Углероде АЭС за счет физико-химической, механической обработки поверхности блоков облученного углерода АЭС. Они показали возможность снижения общей активности этого изотопа в несколько (2-5) раз, что практически никак не меняет класс опасности РАО и требования к его захоронению.

Авторы патента «Способ переработки отходов реакторного графита» (№RU 2624270, приоритет 24.02.2016) предлагают способ переработки отходов реакторного графита, включающий его высокотемпературную обработку, отличающийся тем, что перед термообработкой графит подвергают воздействию реагентов, разрушающих его поверхностный слой, содержащий радиоактивные нуклиды, и удаляют полученный продукт с поверхности графита. По результатам применения способа практически полностью были удалены все неуглеродные радиоактивные примеси при потерях массы (по сути: потеря массы - концентрированные активные радионуклиды РАО 2 класса, подлежащие безусловному централизованному захоронению) от 3 до 52%.

В другом патенте «Способ переработки облученного реакторного графита» (№RU 2580818, приоритет 04.07.2015) авторы предлагают способ, включающий выбор реакторного графита из кладки уран-графитового реактора, механическое измельчение крупных кусков, окисление измельченного графита, отличающийся тем, что облученный реакторный графит окисляют в среде низкотемпературной плазмы, предварительно графит помещают в плазмохимический реактор в качестве расходуемых электродов, материал расходуемых электродов испаряют с образованием атомарного углерода, в область формирования низкотемпературной плазмы вводят окислитель, перемещают продукты плазмохимической реакции вдоль оси реактора, обеспечивают осаждение продуктов реакции в дисперсной фазе в виде зольного остатка на стенках реактора, газообразные продукты реакции извлекают из реактора, часть газового потока закольцовывают и подают вместе с окислителем в реактор, газообразные продукты реакции за исключением оксидов углерода улавливают скруббером, оксиды углерода переводят в жидкую фазу и отправляют на дальнейшее захоронение, твердый зольный остаток извлекают из плазмохимического реактора и захоранивают отдельно. По результатам применения способа практически полностью были удалены все неуглеродные радиоактивные примеси, но о существенном снижении активности изотопа ¹⁴С данных не приведено. Причиной отсутствия существенного снижения активности изотопа ¹⁴С является то, что изотоп ¹⁴С, наработанный в результате нейтронного облучения Углерода в процессе эксплуатации реактора, распределен практически равномерно по всему объему блоков облученного Углерода АЭС (Павлюк А.О. - «Разработка технологических решений по переработке элементов графитовой кладки для снижения класса РАО» «ЛКИРО АО ОДЦ УГР», доклад по результатам госконтракта от 19.04.2016).

Таким образом, существующие технические предложения по переработке облученного Углерода АЭС направлены на извлечение микропримесей неуглеродных нуклидов высокой удельной активности в основном с поверхности графитовых блоков - углеродной кладки реактора, и вносящие сравнительно малый вклад (5-10%) в общую активность свежеизвлеченного облученного Углерода АЭС. Способов гарантированного снижения активности изотопа ¹⁴С в ходе переработки в 50-100 раз, обеспечивающего перевод этих РАО в класс опасности 3 и выше для захоронения на месте выгрузки, для облученного Углерода АЭС любого типа реактора и с возможными уровнями отклонений его исходной активности нет.

Технической проблемой, на решение которой направлена группа изобретений, связанных единым изобретательским замыслом, является разработка способа утилизации облученного Углерода АЭС, позволяющего уменьшить его остаточную активность после переработки в 50-100 раз и более для любого типа реактора и с возможными уровнями отклонений его исходной активности для дальнейшего перевода этих РАО в 3 класс опасности, обеспечивающий возможность приповерхностного локального захоронения, или до уровня естественной активности, а также вариантов устройства для переработки облученного Углерода АЭС на месте его выгрузки и снижения радиационной активности основной массы облученного Углерода АЭС до уровня, позволяющего перевод в класс опасности 3 и выше, допускающий локальное приповерхностное захоронение, или поступления в природную среду в случае полученного естественного уровня радиационной активности Углерода.

Технический результат заключается в использовании в способе доступных и оптимальных по своим характеристикам методов очистки облученного Углерода АЭС от неуглеродных радиоактивных микропримесей при проведении комплекса химических реакций для получения из Углерода рабочего газа, а затем применения доступных методов разделения изотопов применительно к разделению изотопов Углерода. При этом процесс разделения газа на две основные фракции проводится для выделения из облученного Углерода АЭС в газообразной форме радиоактивного изотопа ¹⁴С. При этом в одной из фракций концентрируется изотоп ¹⁴С, который может быть далее использован в коммерческих целях, а в другой фракции после разделения активность изотопа ¹⁴С снижена в 50-100 и более раз, вплоть до естественного уровня активности ¹⁴С.

Использование предлагаемого способа позволяет достичь следующих особенностей процесса переработки облученного Углерода АЭС:

- переработка данного типа РАО на месте выгрузки из реактора без транспортировки всего объема РАО на расстояния тысячи-десятки тысяч километров к месту глубинного захоронения (такая транспортировка будет необходима только для объемов высокоактивных РАО в десятки-сотни раз меньше исходных). При этом основной объем облученного Углерода АЭС после переработки и снижения его активности в 50-100 и более раз захоранивается вблизи места переработки. А в случае доведения до естественного уровня активности по ¹⁴С может быть частично реализован как коммерческий продукт, а также безопасно возвращен в природную среду;

- фракция с концентрированным изотопом ¹⁴С или ее часть вместо транспортировки к месту глубинного захоронения может далее быть использована для получения коммерческого продукта на основе ¹⁴С;

- универсальность предлагаемого способа, обеспечивающего возможность переработки облученного Углерода АЭС для любых типов углеграфитовых реакторов с возможными колебаниями в составе РАО по химическому составу и активности;

- в предлагаемом способе комплекс технологий позволяет создать единый производственный модуль, объединяющий все технологические потоки применяемых технологий универсального характера, пригодного для серийного производства на специализированных заводах с производственной мощностью переработки, согласованной с количеством выгружаемого облученного углерода АЭС для каждого индивидуального комплекса реакторов АЭС, вблизи которых он будет располагаться.

Сущность изобретения в части способа заключается в том, что способ переработки облученного в реакторе АЭС углерода, предусматривающий, что осуществляется предварительный выбор метода разделения изотопов Углерода из группы технологий разделения: газовая диффузия, сопловой метод, газовое центрифугирование, метода аэродинамической сепарации, лазерный метод, далее из облученного Углерода АЭС получают рабочий газ для извлечения атомов изотопа ¹⁴С, выбранным методом разделения, далее проводится выделение изотопа ¹⁴С на одноступенной разделительной установке или каскаде этих установок для разделения изотопов Углерода, и разделение в разделительной установке, которое проводят до уровня, обеспечивающего получение в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора из одиночной установки или каскада, активности изотопа ¹⁴С ниже уровня допускающего приповерхностное захоронение радиоактивных отходов, и далее сортировка, компактирование и дифференцированное захоронение радиоактивных отходов, и возврат в природу отходов с естественной активностью.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС перед переработкой облученного в реакторе АЭС Углерода проводится очистка поверхности блоков облученного Углерода от неуглеродных микропримесей методом химической очистки, методом механической очистки.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС перед изготовлением рабочего газа для извлечения атомов изотопа ¹⁴С проводят механическое измельчение блоков облученного в реакторе АЭС Углерода.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС перед подачей синтезированного рабочего газа в разделительную установку для извлечения атомов изотопа ¹⁴С проводят очистку рабочего газа от побочных продуктов реакции синтеза рабочего газа на установке, реализующей метод ректификации, адсорбции, химического обмена.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС производительности каждой из установок переработки облученного Углерода АЭС в части очистки от неуглеродных микропримесей, механического измельчения блоков облученного Углерода, получения и очистки рабочего газа выбирают из условия не менее чем производительность одиночной разделительной установки или каскада таких установок.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС в качестве рабочего газа для применения в технологии разделения используются соединения из группы:

- метан, оксид, диоксид Углерода (только для метода газовой диффузии, газового центрифугирования, метода аэродинамической сепарации, соплового и вихревого процесса);

- смешанные Фторзамещенные метаны с одним атомом Углерода в молекуле CF₂Cl₂ (фреон-12), CF₂HCl (фреон-22);

- трифториодметан (CF₃I), трифторбромметан (CF₃Br), триброиодметан (CBr₃I) и йодметан (CH₃J).

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС выбирают производительность одноступенных разделительных установок или каскада таких установок из условия переработки имеющегося исходного облученного Углерода АЭС за заранее заданное количество лет или ресурсный срок работы разделительных установок.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС выбирают количество одноступенных разделительных установок последовательно соединенных в каскад из условия получения в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора каскада уровня активности изотопа ¹⁴С, соответствующего естественному уровню активности этого изотопа в природе.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС обедненная по содержанию изотопа ¹⁴С фракция отбора разделительной одноступенной установки или каскада таких установок, химическими методами переводится в соединения, которые находятся в твердой, жидкой фазе при нормальных условиях.

В частных случаях реализации способа переработки облученного Углерода АЭС извлеченный изотоп ¹⁴С на дополнительном каскаде перерабатывают в продукты с высокообогащенным ¹⁴С с применением технологии обогащения разделительными методами разделения изотопов из группы: диффузионный метод, разделительное сопло Беккера, газовая центрифугирование, вихревая труба, аэродинамическая сепарация.

Сущность изобретения в части устройства состоит в том, что устройство для переработки облученного в реакторе АЭС углерода, содержащее установку для переработки Углерода в рабочий газ для установки разделения изотопов Углерода, выход которой подается на вход разделительной установки, состоящей из одноступенной разделительной установки, каскада последовательно соединенных одноступенных установок, имеющих отборы разделенных фракций рабочего газа, в одной из которых содержание изотопа ¹⁴С выше исходного содержания, а фракция с концентрацией изотопа ¹⁴С уменьшенной по сравнению с исходным до уровня, допускающего приповерхностное захоронение.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС перед установкой переработки облученного в реакторе АЭС углерода в рабочий газ размещается установка химической, механической очистки поверхности блоков облученного в реакторе АЭС Углерода от неуглеродных микропримесей.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС перед установкой изготовления рабочего газа размещается установка механического дробления блоков облученного в реакторе АЭС Углерода.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС между установкой изготовления рабочего газа и разделительной установкой для извлечения атомов изотопа ¹⁴С размещена установка очистки рабочего газа от побочных неулеродсодержащих продуктов реакции синтеза рабочего газа.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС в качестве одноступенной разделительной установки для конструкции разделительного каскада противоточного типа используются диффузионная ступень, состоящая из фильтра и компрессора, разделительное сопло Беккера с компрессором, газовая центрифуга, вихревая труба с компрессором, установка аэродинамической сепарации с компрессором.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС разделительный каскад состоит из последовательно соединенных одноступенных лазерных комплексов с газовыми реакторами и установками ректификационного, адсорбционного выделения из смеси газов чистого рабочего газа а также соединения, содержащего газовую фракцию обогащенную по изотопу ¹⁴С, объединенных по прямоточной схеме.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС поток фракции каскада, обогащенной по изотопу ¹⁴С, состоящий из ступеней лазерного разделения, направляется в устройство изготовления рабочего газа для противоточного каскада, составленного из одиночных разделительных ступеней других методов разделения, и далее полученный рабочий газ поступает в противоточный разделительный каскад, реализующих метод разделения из группы: диффузионный метод, разделительное сопло Беккера, газовая центрифугирование, вихревая труба, аэродинамическая сепарация.

В частных случаях устройство в виде единого комплекса размещено рядом с местом выгрузки облученного Углерода из реактора или группы реакторов данной АЭС, местом локального приповерхностного захоронения РАО.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС количество последовательно соединенных ступеней из одноступенных разделительных установок в каскаде выбирается из условия получения в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора каскада уровня активности изотопа ¹⁴С, соответствующего естественному уровню активности этого изотопа в природе.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС трубопроводы отборов обеих разделенных фракций после разделительной установки соединены с установками химического передела газовых потоков после разделения в твердую, жидкую фазу при нормальных условиях.

В частных случаях в устройстве для переработки облученного Углерода АЭС трубопровод потока отбора обедненной по изотопу ¹⁴С до уровня естественного содержания фракции каскада одноступенных установок соединен с установкой химической, ректификационной переработки в коммерческий продукт, и с трубопроводом вывода в природу излишков отбора фракции.

Описание чертежей

На фиг. 1 изображена принципиальная схема переработки облученного Углерода АЭС после выбора метода разделения, на фиг. 2 - принципиальная схема переработки облученного Углерода в рабочий газ, на фиг. 3 - принципиальная схема устройства выделения изотопа ¹⁴С на одиночной разделительной установке, на фиг. 4 - принципиальная схема устройства выделения изотопа ¹⁴С из облученного Углерода на противоточном каскаде одиночных разделительных установок, на фиг. 5 - принципиальная схема устройства одиночной лазерной разделительной установки, на фиг. 6 - принципиальная схема устройства каскада из одиночных лазерных разделительных установок, на фиг. 7 - принципиальная схема устройства переработки фракций облученного Углерода после разделения на одиночной разделительной установке или на каскаде одиночных разделительных установок: фиг. 7а) и 7б) - варианты переработки фракции разделительной установки с пониженным содержанием ¹⁴С; фиг. 7в) - варианты переработки фракции разделительной установки с повышенным содержанием ¹⁴С, на фиг. 8 - уменьшение отходов 2 класса радиационной опасности в зависимости от коэффициента разделения разделительной установки при снижении активности ¹⁴С в различное число раз.

На схеме фиг. 1 обозначены: 1 - блок синтеза рабочего газа из облученного Углерода АЭС, 2 - процедура передачи потока неуглеродных радиоактивных микропримесей, 3 - блок разделительной установки, 4 - блок компактизации отходов РАО 2 класса радиационной опасности перед транспортировкой, 5 - процедура транспортировки РАО 2 класса к месту глубинного централизованного захоронения, 6 - блок переработки потока РАО после разделительной установки с уменьшенной активностью изотопа ¹⁴С, 7 - процедура транспортировки к месту приповерхностного захоронения или 8 - процедура вывода в природную среду или коммерческое применение.

На схеме фиг. 2 обозначены: 9 - установка для операции механической очистки поверхности блоков облученного Углерода от неуглеродных радиоактивных микропримесей, 10 - установка для операции химической очистки поверхности блоков облученного Углерода от неуглеродных радиоактивных микропримесей, 11 - установка для операции механического дробления блоков Углерода, 12 - установка для операции очистки синтезированного рабочего газа от побочных неуглеродсодержащих продуктов реакций синтеза, 13 - установка для операции компактизации микропримесей выделенных при поведении операций 9, 10, 12 для операции 2 - компактизации и передачи потока неуглеродных радиоактивных микропримесей.

На схеме фиг. 3 обозначены: 14 - трубопровод подачи высокочистого рабочего газа с исходным содержанием изотопа ¹⁴С C_F0 и величиной потока Q_F0 в одиночное разделительное устройство 17, 15 - поток Qp разделенной в устройстве 17 фракции обогащенной по содержанию изотопа ¹⁴С с концентрацией Ср>C_F0, 16 - поток Qw разделенной в устройстве 17 фракции обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С с концентрацией Cw<C_F0.

На схеме фиг. 4 дополнительно к обозначениям Фиг. 3 обозначены: 18 - трубопровод подачи высокочистого рабочего газа с исходным содержанием изотопа ¹⁴С C_F0 и величиной потока Q_F0 - поток ввода питания в каскад, 19 - поток отбора обогащенной по ¹⁴С фракции каскада, 20 - поток отбора обедненной по ¹⁴С фракции каскада, 21 - устройство регулирования величин потоков, передаваемых из ступени в ступень каскада.

На схеме фиг. 5 обозначены: 22 - ИК лазер, 23 - канал ввода излучения лазера в газовый реактор, 24 - газовый реактор, 25 - окно для ввода излучения в газовый реактор, 26 - циркуляция газовой смеси с рабочим газом в газовом реакторе, 27 - компрессор, обеспечивающий циркуляцию потока смеси с рабочим газом в газовом реакторе, 28 - операция вывода смеси газов из реактора после обработки излучением ИК лазера, 29 - блок выделения из смеси продукта реакции с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С концентрацией Ср>C_F и потоком Qp, 30 - блок очистки рабочего газа с пониженным содержанием изотопа ¹⁴С концентрацией Cw<C_F и потоком Qw, 31 - блок очистки смеси из газового реактора и выделения неуглеродсодержащих продуктов реакции 32 - операция вывода неуглеродсодержащих продуктов реакции для дальнейшей утилизации или коммерческого применения.

На схеме фиг. 6 дополнительно к обозначениям фиг. 4, 5 обозначены: 33 - комплекс для одиночной ступени из ИК лазера, газового контура с компрессором, 34 - трубопровод сбора неуглеродсодержащих продуктов реакции в каждой ступени для дальнейшей утилизации или коммерческого применения, 35 - трубопровод сбора продукта реакции с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С, относящихся к 2 классу радиационной опасности, 36 - трубопровод сбора продукта реакции с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С, относящихся к 3 и выше классу радиационной опасности, 37 - отбор обогащенной по ¹⁴С фракции ступеней относящихся к 3 и выше классу радиационной опасности.

На схеме фиг. 7 дополнительно к обозначениям Фиг. 1 и 4, обозначены: 38 - изготовление рабочего газа для применения методов разделения изотопов Углерода из группы газовая диффузия, сопловой метод, газовое центрифугирование, метод аэродинамической сепарации, 39 - каскад для получения высокообогащенного изотопа ¹⁴С, 40 - компактизация рабочего газа из фракции с пониженным содержанием ¹⁴С (отвальной) в форму для транспортировки к месту централизованного глубинного захоронения, 41 - операция изготовления из фракции каскада с содержанием изотопа ¹⁴С≥0,1% товарной формы продукта.

На фиг. 8 приведены графики уменьшения отходов 2 класса радиационной опасности в зависимости от коэффициента разделения разделительной установки при снижении активности ¹⁴С по сравнению с исходным его содержанием в облученном Углерода в заданное число раз: в 8 раз (графики фиг. 8а), в 50 раз (графики фиг. 8б) и 10⁶ раз (графики фиг. 8в).

Осуществление изобретения

Переработка облученного Углерода предусматривает четыре основных этапа:

Первый этап: выбор метода разделения Углерода.

Выбор метода разделения определяет основное оборудование блока разделения облученного Углерода и перечень допустимых для выбранного метода рабочих газов. При этом из всех допустимых рабочих газов для синтеза при прочих равных условиях необходимо выбирать газ с наибольшим содержанием атомов Углерода в молекуле: при разделении изотопов в газовой фазе разделяются молекулы газа, содержащие разные изотопы Углерода. Поэтому чем выше содержание атомов Углерода в молекуле, тем большее количество Углерода будет переработано в разделительной установке при одинаковых объемных расходах газа через установку.

В то же время при выборе метода разделения также необходимо учитывать не только технические и стоимостные параметры метода, но и такие факторы как:

- имеющийся опыт разработки оборудования, его промышленного изготовления и эксплуатации выбираемой технологии разделения в промышленных масштабах. Промышленными технологиями разделения изотопов из группы методов газовая диффузия, сопловой метод, газовое центрифугирование, метода аэродинамической сепарации, лазерный метод, пригодных для разделения изотопов Углерода владеют очень небольшое число стран. Эти технологии редко экспортируются разработчиками в другие страны и только в виде полнокомплектных заводов для обогащения Урана как топлива для АЭС. Знаний по разработке оборудования, документации для изготовления оборудования при этом не передаются, поэтому разработки новых проектов для получения других изотопов исключены;

- в ряде стран, имеющих опыт разработки оборудования для указанных выше методов разделения изотопов, имеются остановленные и законсервированные заводы по обогащению изотопов Урана, что связано с избытком производственных мощностей в мире и недостаточной конкурентоспособностью производств, которые были остановлены. В частности, такие заводы имеются в США, Франции (диффузионный метод разделения), в ЮАР (частично остановлен завод по методу аэродинамической сепарации) и т.д. Существенную часть оборудования этих заводов можно применить при создании установки для разделения облученного Углерода.

С учетом вышеуказанного, выбор метода разделения и экономическими соображениями и опытом в разделительных технологиях и при создании установки переработки облученного Углерода может существенно отличаться для различных стран.

Второй этап: изготовление из исходного облученного Углерода АЭС рабочего газа для установки разделения облученного Углерода.

Облученный Углерод поступает в реактор синтеза рабочего газа в блок 1, фиг. 1. При синтезе рабочего газа в блоке 1 практически во всех вариантах рабочего газа происходит очистка рабочего газа от неуглеродных радиоактивных микропримесей, представленных, например, в Таблице 1. Величина суммарной активности этих микропримесей в исходном составе облученного Углерода сравнительно невелика, но в концентрированном в 50-100 и более раз виде эти микропримеси по величине активности являются малыми количествами РАО 2 класса. Поэтому эти микропримеси компактизируются в операции 2 и поступают в блок 4 сбора, компактизации и подготовке к процедуре 5 - транспортировке РАО 2 класса опасности к месту глубинного захоронения. Синтезированный рабочий газ поступает в блок 3 - разделительную установку, в которой рабочий газ разделяется на две основных части - фракции отбора установки:

- в первой части, существенно меньшей (в 10-100 и более раз), чем исходное количество рабочего газа, поступившее в разделительную установку, содержится основное количество изотопа ¹⁴С из исходного рабочего газа. Эта фракция является РАО 2 класса опасности, поэтому поступает в блок 4 для компактизации и подготовке к процедуре 5 - транспортировке РАО 2 класса опасности к месту глубинного захоронения;

- вторая часть исходного рабочего газа, выходящая из разделительной установки, имеет низкое содержание изотопа ¹⁴С, которое определяет 3 и выше класс опасности этого вида РАО, поэтому подлежит локальному приповерхностному захоронению близи места переработки. Перед локальным захоронением для компактизации объема РАО 3 класса также проводится переработка рабочего газа в блоке 6.

При достаточной разделительной мощности разделительной установки 3 основная часть фракции с пониженной активностью изотопа ¹⁴С (или весь объем этой фракции) может иметь уровень естественной (природной) активности изотопа ¹⁴С, поэтому в процедуре 8 возможна либо ее переработка в случае необходимости в коммерческий продукт, либо переработка и безопасное поступление в природную среду. Если не весь объем фракции с пониженной активностью изотопа ¹⁴С имеет уровень естественной активности ¹⁴С, то оставшаяся часть также подлежит локальному захоронению в процедуре 7 как РАО 3 класса.

Дополнительная предварительная очистка тонкого слоя поверхности углеродных блоков облученного Углерода, осуществляемая известными химическими и механическими методами от неуглеродных примесей в операциях 9, 10, фиг. 2, не является принципиально необходимой, но в ряде случаев может быть полезной и желательной:

- во-первых, это позволяет практически полностью удалить неуглеродные радиоактивные примеси из состава облученного Углерода;

- во-вторых, как следствие более стабильного состава Углерода, поступающего на синтез, позволит обеспечить стандартизацию и стабильность проведения технологического процесса синтеза рабочего газа для любых колебаний химического состава исходного облученного Углерода.

Измельчение облученного Углерода в операции 11, фиг. 2, за счет увеличения поверхности реагирующих компонентов повышает эффективность проведения реакций синтеза рабочего газа.

В принципиальной схеме синтеза рабочего газа, фиг. 2, также предусмотрена возможность проведения операции 12 - удаление побочных продуктов реакции синтеза для получения рабочего газа высокой чистоты поступающего в блок разделения 3, фиг. 1. В разделительной установке, блок 3 фиг. 1, для любых применяемых методов разделения произойдет и дополнительная очистка рабочего газа от его химических примесей, но их наличие в исходном составе рабочего газа требует дополнительных затрат разделительной мощности установки, включения в ее конструкцию устройств вывода этих примесей, а также может приводить к нарушению работы системы регулирования потоков разделительной установки.

Извлеченные микропримеси неуглеродных элементов собираются, компактизируются в операции 13 и смешиваются - операция 2, фиг. 1, с потоком компактизируемых в блоке 4 РАО 2 класса опасности, полученных после процесса выделения ¹⁴С на разделительной установке блока 3 и предназначенных для транспортировки в процедуре 5 к месту централизованного глубинного захоронения.

Основными требованиями к соединению рабочего газа является его достаточно высокое давление конденсации - не менее 10 мм рт.ст. при нормальной температуре, высокая химическая чистота и невысокая коррозионная активность по отношению к конструкционным материалам. Дополнительным, желаемым требованием, упрощающим процесс разделения, является единственность атома Углерода в соединении - рабочем газе.

Разделительная установка, блок 3 фиг. 1, по объему, стоимости ее оборудования и эксплуатации как правило, существенно выше, чем оборудование других блоков установки для реализации предлагаемого способа. Для минимизации необходимого объема разделительной установки как основной - необходим непрерывный режим ее работы. Поэтому производительности всех установок блоков 9, 10, 11, 1, 12 - предварительной очистки облученного Углерода, синтеза и очистки рабочего газа должны быть не менее чем производительность блока 3 - одиночной разделительной установки или каскада таких установок.

Возможных соединений Углерода, отвечающих таким требованиям очень много и выбор в первую очередь, определяется методом разделения из всей возможной совокупности известных и допустимых для применения методов разделения изотопов и выделения ¹⁴С на этапе 2. Так, в случае применения газовой диффузии, соплового, вихревого метода, метода аэродинамической сепарации наиболее эффективными рабочими газами являются метан и окись Углерода - CH₄, СО, для газового центрифугирования - СО₂, для метода лазерного разделения - смешанные Фторзамещенные метаны с одним атомом Углерода в молекуле CF₂Cl₂ (фреон-12), CF₂HCl (фреон-22), трифториодметан CF₃I, трибромиодметан CBr₃I, трифторбромметан CF₃Br и йодметан CH₃J. Для всех этих рабочих газов известны и имеются промышленные способы получения: в частности для синтеза перспективных рабочих газов типа CH₄, СО, СО₂ преимущественным методом является прямое сжигание Углерода в атмосфере водорода или кислорода и далее - ректификационная очистка рабочего газа от примесных продуктов реакции., для получения Фреона-22 возможна цепочка реакций промышленного типа С→CH₄(Метан)→CHCl₃(Хлороформ)→CHClF₂ (Фреон-22).

Третий этап: на одноступенной разделительной установке фиг. 3, или каскаде этих установок 17, Фиг. 4, проводится разделение изотопов Углерода. В разделительную установку блок 3, фиг. 1, поступает синтезированный высокочистый рабочий газ 14, который на выходе установки разделяется на два потока - фракции 15 и 16, отличающиеся содержанием изотопа ¹⁴С. По сравнению с содержанием этого изотопа во входящем потоке одна из фракций - 16 - имеет меньшее, чем во входящем потоке содержание ¹⁴С - Cw - обедненная, а другая - 15 - большее - Ср - обогащенная. Разделительная установка обеспечивает уменьшение содержания в обедненной фракции изотопа ¹⁴С в 50-100 и более раз, по сравнению с исходным содержанием во входящем потоке. В этом случае поток обедненной фракции Qw, 16, по величине радиационной опасности соответствует классу 3 и выше и может подлежать локальному приповерхностному захоронению на месте без транспортных операций на дальние расстояния. Поток обогащенной фракции - Qp, 15, по массе в десятки-сотни раз меньше, чем исходные объемы облученного Углерода, при этом имеет радиационную активность выше исходной, относится к 2 классу радиационной опасности и требует транспортировки к месту централизованного глубинного захоронения.

Выбор метода разделения из вышеперечисленного класса допустимых и освоенных в промышленности определяется не только техническими характеристиками метода, но и содержанием изотопа ¹⁴С в исходном облученном Углероде, наличием опыта изготовления и эксплуатации оборудования конкретного метода разделения для организаций, использующих предлагаемый способ.

Разделительная установка в общем случае, независимо от метода разделения характеризуется двумя основными техническими параметрами - величиной коэффициента разделения фракций по изотопу ¹⁴С - α₁₄ на оптимальном технологическом режиме величиной входящего потока Q_F (в специальной литературе - поток питания установки) на этом режиме, где определяется α₁₄ как:

Величины потоков фракций Qw, Qp и потока питания разделительной установки Q_F связаны с величинами концентраций изотопа ¹⁴С в этих фракциях - Cw, Ср и потоке питания - C_F соотношениями:

из которых можно получить основные зависимости, необходимые для выбора разделительной установки, в том числе и оценку необходимого количества n (ступеней) последовательно соединенных одиночных разделительных - каскада. Если коэффициент разделения одиночной установки обозначить как , то необходимое количество n ступеней каскада оценивается по формуле:

Разделительные методы («Изотопы: свойства, получение применение». Под ред. В.Ю. Баранова, т. 1, М.: Физматлит, 2005) существенно отличаются друг от друга по своим характерным особенностям:

- Газодиффузионный метод разделения основан на различии скоростей диффузии легких и тяжелых молекул через пористые перегородки с каналами малого диаметра по сравнению со средней длиной свободного пробега молекул в газе. Технически одиночная разделительная установка (ступень каскада) метода состоит из компрессора, который нагнетает поток, идущий вдоль пористой перегородки (т.н. - фильтра), на котором входящий поток делится на две части, и откачивающих эти потоки устройств после фильтра - тоже компрессора. Через перегородку - фильтр преимущественно проходят легкие молекулы компонент газа и, поскольку скорость диффузии пропорциональна квадратному корню из молекулярного веса, за перегородкой будет идти поток газа, обогащенный более легким изотопом. Коэффициент разделения одиночной ступени для разделения облученного углерода газодиффузионным методом максимально оценивается по формуле:

где μ₁₂, μ₁₄ - молекулярная масса изотопных компонент газовой смеси содержащих изотопы ¹²С и ¹⁴С. Реальное отличие от 1 коэффициента примерно в 2-5 раз ниже, чем максимальное теоретическое значение. В то же время, из формулы (5) вытекает обоснование желательности максимально легких соединений Углерода при применении газодиффузионного метода: так для соединения СН₄ коэффициент разделения одиночной ступени составит 1,2-1,4, для СО ~ 1,1-1,25, а для СО₂ ~ 1,07-1,2. Данный метод первоначально широко применялся для обогащения изотопа 235 Урана в США, Франции, Великобритании, СССР, КНР, но затем оборудование было остановлено из-за неконкурентности с другими методами разделения и в ряде стран законсервировано. Основной причиной низких показателей метода является огромные энергозатраты и сравнительно более низкий коэффициент разделения отдельной ступени (для разделения изотопов Урана ~1,02-1,05). В то же время данный метод характеризуется высокой надежностью и возможностью переработки больших объемов рабочего газа, что является его положительной характеристикой применительно к переработке облученного Углерода;

- Центробежный метод основан на процессе разделения смеси газов за счет действия поля ультравысоких (0,5 млн. и более g- ускорений в поле тяготения Земли) центробежных сил, действующих на атомы и молекулы. При центрифугировании коэффициент обогащения зависит не от отношения масс атомов разделяемых изотопов, а от их разницы. Процесс реализуется в быстровращающихся роторов газовых центрифуг. В роторе центрифуги, вращающейся с большой окружной скоростью, более тяжелые молекулы под действием центробежных сил концентрируются у периферии, а легкие - у ротора центрифуги. У стенок ротора создается осевая циркуляция за счет газодинамического возбуждения и осевого температурного перепада. Отбор газов производится: с внешней части с тяжелыми изотопами, с внутренней части с легкими изотопами. Эффект разделения одиночной газовой центрифуги может быть оценен по формуле:

где k -коэффициент, зависящий от конструкции ротора центрифуги, температуры газа в роторе и организации циркуляционного течения, обычно величина k находится в диапазоне 4-20, а - окружная скорость вращения ротора, а Т(К) - температура газа внутри ротора газовой центрифуги. Оборудование и технология для центробежного метода разделения разработано и используется при обогащении изотопов Урана в России, и в Западной Европе (концерн ЮРЕНКО), и разработчиками построены заводы и в США, Франции, КНР и других странах. В России существуют технологии, оборудование и промышленное производство, позволяющее производить изотопы Углерода по центробежной технологии. При разделении изотопов Углерода ¹⁴С и ¹²С газоцентрифужный метод дает оценку коэффициента разделения одиночной центрифуги ~ 1,2-1,8, при этом легкие соединения Углерода внутри ротора центрифуги практически невозможно удержать, поэтому рабочие газы должны иметь молекулярную массу не менее 30-40 а.е.м. - для российских газовых центрифуг, и не менее -120-150 а.е.м. - для центрифуг разработчиков других стран. Преимуществом метода являются минимальные, по сравнению со всеми остальными методами энергозатраты на разделение, поскольку процесс разделения проводится в режиме близком к термодинамическому равновесию. В то же время сравнительно невысокое газосодержание центрифуг требует применения очень большого количества машин при переработке объемов рабочего газа более десятков тонн Углерода в год. При этом резко возрастает и объем и стоимость установки даже при этих количествах;

- Аэродинамическая сепарация - этот способ можно рассматривать как вариант центрифугирования, но вместо закручивания газа в центрифуге, он завихряется при выходе из специальной форсунки, куда подается под давлением. Эта технология, основанная на вихревом эффекте, использовалась ЮАР (опытно-промышленная реализация) и Германией. Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect) - эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Вихревой эффект представляет собой эффект энергетического разделения сжимаемых сред в их закрученном потоке. Под средой подразумеваются газы, пары, парогазовые, парожидкостные и другие сжимаемые смеси. Вихревая труба - устройство, предназначенное для реализации вихревого эффекта. В ней реализуется эффект разделения потока газа на холодный и горячий. Разделение потока происходит в цилиндрической или конической камере, газ входит с давлением под определенным углом. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре -закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии;

- Сопловой процесс (процесс Беккера) - процесс, в котором поток газа инжектируется с высокой скоростью в сопло, имеющее большую кривизну. Разделительный эффект метода также основан на разделении смеси в поле центробежных сил при обтекании криволинейной поверхности с круглым поперечным сечением. На выходе поток делится на две фракции специальными ножами-отсекателями. Процесс реализован в промышленном производстве изотопов Урана. Оба последних рассмотренных метода разделения имеют существенно меньший коэффициент разделения, чем центробежный метод ~ 1,05-1,1, но эффективны при работе на легких соединениях Углерода и могут быть применены при переработке больших количеств Углерода - сотни тонн и более в год. К недостаткам этих методов следует отнести необходимость больших энергозатрат, связанных с работой мощных компрессоров для потоков ввода-вывода рабочих газов в разделительное устройство;

- Лазерный метод разделения в отличие от всех ранее рассмотренных, основан на изменении активности молекул, содержащих разные изотопы Углерода при проведении химической реакции под действием лазерного излучения, рабочего газа. При этом константы химических реакций становятся различными для разных изотопов и при проведении реакции в продуктах реакции концентрации изотопов становятся различными - происходит разделение. Принципиальная схема одиночного устройства лазерного разделения изотопов Углерода приведена на фиг. 5. Исходный рабочий газ, поз. 14, поступает в газовый реактор 24. Внутрь газового реактора кроме рабочего газа из в технологических соображений часто добавляют долю нейтрального неуглеродсодержащего газа. В газовом реакторе организуется циркуляция смеси с рабочим газом 26 благодаря компрессору 27. Одна из сторон газового реактора оборудована оптически прозрачным окном 25 через которое внутрь газового реактора поступает ИК-излучение 23 лазера 22. Под действием ИК излучения лазера внутри газового реактора происходит химическая реакция при которой часть рабочего газа разлагается и образуются другие газообразные химические соединения. При этом в Углеродсодержащих продуктах реакции концентрация изотопа ¹⁴С будет выше, чем в исходном рабочем газе. Параметры излучения лазера - частота излучения, мощность и частота следования импульсов, а также параметры циркуляции смеси с рабочим газом в газовом реакторе, такие как давление смеси, скорость циркуляции и время облучения порции смеси в реакторе и другие, подбираются из условия получения оптимального по расходу потока питания установки 14 и получаемого повышения концентрации изотопа ¹⁴С в продукте реакции. Из условия баланса поступающего в реактор и выходящего количества изотопа ¹⁴С - формула (2) - при этом в оставшемся рабочем газе концентрация изотопа ¹⁴C-Cw будет ниже, чем в исходном, Cw<C_F. Полученная смесь выводится из газового реактора - операция 28 операция вывода смеси газов из реактора после обработки излучением ИК лазера. Далее, эту смесь разделяют химическими, физико-химическими методами не менее, чем на три фракции:

- в блоке 29 - выделения из смеси продукта реакции с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С концентрацией Ср>C_F и потоком Qp, далее очищенный продукт с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С выводится с потоком 15;

- в блоке 30 проводится очистка рабочего газа с пониженным содержанием изотопа ¹⁴С концентрацией Cw<C_F и потоком Qw, далее очищенный рабочий газ с пониженным содержанием изотопа ¹⁴С выводится с потоком 16;

- в блоке 31 проводится очистка смеси из газового реактора и выделения неуглеродсодержащих продуктов реакции.

Объем выходящего потока из блока 31 сравним и может быть больше величины потока 15 продукта реакции - разделенной фракции Qp.Соединения неуглеродсодержащих продуктов реакции обычно требуют утилизации, но некоторые компоненты могут иметь коммерческое применение. Поэтому в принципиальной схеме предусмотрена операция 32 вывода неуглеродсодержащих продуктов реакции для дальнейшей утилизации или коммерческого применения.

Применительно к разделению изотопов Углерода лазерным методом используется явление многофотонной диссоциации (МФД) углеродсодержащих молекул под действием излучения ИК лазеров. В качестве углеродсодержащих молекул («Изотопы: свойства, получение применение». Под ред. В.Ю. Баранова, т. 1, М.: Физматлит, 2005 - гл. 8.3, Таблица 8.3.1) обнаружена эффективность воздействия для соединений CF₃I, CF₃Br, CF₂HCl, CF₃COCF₃. Последнее соединение из-за наличия трех атомов углерода в молекуле и связанного с этим эффекта «изотопного перекрытия» мало пригодно для выделения тяжелых изотопов Углерода. Особенностью лазерного метода разделения является то, что коэффициент разделения на одиночном устройстве может достигать величин 50-100 и более и при сравнительно с другими методами небольшими капитальными затратами и размерами производственных площадей может быть обеспечен объем перерабатываемого исходного Углерода также сотни и более тонн в год.

Лазерный метод ИК многофотонной диссоциации CHClF₂ промышленно проверен при облучении в реакторе смеси Фреона-22 (CHClF₂) с азотом, в результате которого повышается вероятность образования тетрафторэтилена (C₂F₄ - ТФЭ) с изотопом ¹³С и последующего выделения ТФЭ. В период 1999-2005 гг в г. Калининград в ЗАО «ГА3-ОЙЛ» на базе завода «Кварц» было создано промышленное производство, на котором проводилось первичное обогащение изотопа ¹³С от ~1,1% (природа) до ~30%, далее этот продукт использовался для получения товарного 99% ¹³С центрифужным методом. На этом промышленном производстве был получен коэффициент разделения ~50.

Практически во всех случаях и для всех разделительных методов необходимый для решения технической задачи коэффициент разделения недостижим на одиночной разделительной установке и требуется каскадирование - последовательное соединение одиночных установок по потокам входа-выхода разделенных фракций одиночных установок.

Для повышения эффективности переработки рабочего газа по извлечению изотопа ¹⁴С - уменьшению количества фракции обогащенной этим изотопом - при количестве ступеней более 2-3 каскад должен быть построен по противоточной схеме, рис. 4. В схеме противоточного каскада, фиг. 4, поток 15 - отбор обогащенной по ¹⁴С фракции ступени каскада с номером К поступает на вход ступени К+1 -последующей и является для нее частью потока питания 14. Поток отбора 16 - обедненной по ¹⁴С фракции ступени К поступает на вход ступени К-1 и также является для нее частью потока питания 14. Поток питания всего каскада 18 поступает - добавляется к потоку питания ступени K_F. Из ступени 1 каскада производится отбор поток отбора обедненной по ¹⁴С фракции каскада с концентрацией ¹⁴С ниже требований РАО 3 класса радиационной опасности, а из последней ступени каскада - n - поток отбора 19 обогащенной по ¹⁴С фракции каскада, который является РАО 2 класса радиационной опасности. Режим работы ступеней каскада устанавливается и оптимизируется устройствами 21 для регулирования величин потоков, передаваемых из ступени в ступень каскада. Такая схема каскада позволяет выбирать оптимальные величины потока питания одиночных разделительных установок и увеличивает глубину переработки исходного рабочего газа. При этом каждая из ступеней каскада может состоять из нескольких параллельно соединенных одиночных разделительных установок.

Общее число параллельно соединенных в ступени каскада одиночных разделительных элементов - «ширина каскада» - определяет общую разделительную производительность разделительной установки и объем переработки исходного количества рабочего газа.

Общее число ступеней противоточного каскада - «длина каскада» - n определяет суммарный коэффициент разделения разделительной установки α₁₄ как произведение величин всех ступеней каскада. При этом в части каскада - в ступенях, расположенные на схеме фиг. 4 правее ступени, в которую осуществляется ввод потока питания каскада, концентрация изотопа ¹⁴С в рабочем газе выше, чем в потоке питания и увеличивается по мере приближения к отбору 19, а в другой части - в ступенях, расположенных на схеме фиг. 4 левее ступени, в которую осуществляется ввод потока питания каскада, концентрация изотопа ¹⁴С в рабочем газе ниже, чем в потоке питания и уменьшается по мере приближения к отбору 20. Меняя число ступеней в этих частях каскада можно изменять оптимальные концентрации ¹⁴С в отборах 19 и 20 каскада.

Увеличивая длину части каскада с пониженным содержанием ¹⁴С можно обеспечить уровень активности этого изотопа в отборе 20, соответствующем его естественному уровню в природе, что исключит обращение с этим отбором как радиоактивным материалом и часть этого отбора может быть использована для коммерческих целей, остальное в случае необходимости - после переработки может безопасно поступить в природную среду. Увеличивая длину части каскада с повышенным содержанием ¹⁴С можно обеспечить уровень концентрации этого изотопа в отборе 19 более 0,1%, соответствующем его коммерческому применению.

Лазерный метод разделения в отличие от всех остальных, как уже указывалось ранее, имеет принципиальные особенности при каскадировании: разделенная фракция одиночного разделительного устройства с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С (обогащенная) не является рабочим газом.

Разумеется, возможна организация цикла химических переделов полученного соединения обратно в рабочий газ, но это не только приведет к существенному усложнению конструкции и технологии эксплуатации каскада, но и к существенным потерям обогащенной ¹⁴С фракции в процессе химического передела. Исследования работы лазерных установок разделения для обогащения изотопа ¹³С показали неэффективность или практическую невозможность организации процедуры обратного передела соединения обогащенной фракции в рабочий газ.

Эта особенность приводит к невозможности построения схемы противоточного каскада, ног при решении поставленной технической задачи организация процесса каскадирования обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции возможна. Принципиальная схема каскадирования лазерных одиночных разделительных установок приведена на фиг. 6.

Исходный рабочий газ 18 поступает в газовый реактор крайней правой, последней ступени каскада с номером n, поз. 33. После облучения в ступени n выходной поток из газового реактора, как описано выше, делится на три части в блоках 29, 30 и 31 и после очистки в блоке 30 рабочий газ с пониженным содержанием изотопа ¹⁴С поступает на вход газового реактора ступени n-1. Очищенный продукт разделения ступени n с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С из блока 29 поступает в трубопровод 35 для сбора продукта реакции с повышенным содержанием изотопа ¹⁴С и относящихся к 2 классу радиационной опасности, а неуглеродсодержащие соединения - продукты реакции, выделенные в блоке 31, поступают в общий трубопровод каскада 34 и далее в операции 32 их утилизируют или превращают в товарную форму для коммерциализации.

По аналогичной же схеме связаны и все остальные ступени каскада. Такой тип каскада может быть назван «прямоточным».

При этом для увеличения объема переработки рабочего газа в каждой ступени, так же как и для противоточного каскада, типовые одиночные лазерные разделительные установки могут соединяться параллельно, а блоки 29, 30, 31 переработки выходящей из газовых реакторов ступени смеси могут быть единые для всех газовых реакторов ступени.

Другая особенность данной схемы каскада в том, что концентрация обогащенной изотопу ¹⁴С фракции не может превосходить концентрацию ¹⁴С исходного рабочего газа более, чем коэффициент разделения на одной ступени. При этом, по мере движения в каскаде потока рабочего газа в сторону фракции отбора каскада с пониженным содержанием изотопа ¹⁴С (уменьшения номера ступени каскада), концентрация изотопа ¹⁴С в продукте обогащенной фракции ступени с повышенной, по сравнению с концентрацией ¹⁴С в входящем потоке рабочего газа в ступень, также будет снижаться.

При достаточно большом количестве ступеней в каскаде, возможно получение в основном отборе 20 обедненной по ¹⁴С фракции каскада концентрации этого изотопа выше РАО класса 4 вплоть до естественного уровня активности. В этом случае концентрация изотопа ¹⁴С в обогащенных фракциях отборов ступеней начиная с определенной ступени, расположенной между ступенью n и 1 станет ниже концентрации ¹⁴С по требованиям к РАО 3 класса и это будет справедливо для всех расположенных левее на схеме фиг. 6 ступеней. Эти отборы ступеней целесообразно собирать отдельно в трубопроводе 36 в поток отбора 37, поскольку он предназначен для локального приповерхностного захоронение рядом с местом переработки.

На фиг. 8 на основе соотношений (1)-(3) изображены зависимости доли потока Qw/Q_F и уменьшение доли РАО второго класса опасности (Q_F/Qp - количество раз), требующих транспортировки к месту централизованного глубинного захоронения от α₁₄ для заданного уменьшения активности изотопа ¹⁴С в обедненной фракции C_F/Cw в 50 раз – фиг. 8а и в 8 раз - фиг. 8б и на фиг. 8в - в 10⁶ раз.

Выбор коэффициента уменьшения активности изотопа ¹⁴С в основной доле РАО 50 раз (фиг. 8б) соответствует достаточно типичным случаям состава облученного Углерода свежеизвлеченного из реактора АЭС (Таблица 1), равным 8 (фиг 8а) - практически предельному случаю, когда еще переработанные РАО могут быть переведены в класс 3 радиационной опасности, а уменьшение активности в 10⁶ раз (фиг. 8в) - естественному уровню активности изотопа ¹⁴С в облученном Углероде после его переработки.

В случае C_F/Cw=8, фиг. 8а, для обеспечения уменьшения количества РАО второго класса опасности в 10-20 раз (Q_W/Q_F>90-95%) требуется величина коэффициента разделения установки α₁₄>80-150.

В случае C_F/Cw=50 и более, фиг. 8б, для обеспечения уменьшения количества РАО второго класса опасности в 10-20 раз требуется обеспечение коэффициента α₁₄ разделительной установки 500-1000.

В случае C_F/Cw=10⁶ и более, фиг. 8в, обеспечивается природная активность РАО и эти отходы могут быть возвращены в природную среду. Для обеспечения уменьшения количества РАО второго класса опасности в 10-20 раз требуется обеспечение коэффициента α₁₄ разделительной установки 1×10⁷÷1,8×10⁷.

Оценки необходимого количества ступеней каскада n по формуле (4) для разных методов разделения при различных коэффициентах уменьшения активности изотопа ¹⁴С в основной доле РАО (C_F/Cw) приведены в Таблице 3.

Четвертый этап: переработка разделенного углерод со держащего рабочего газа в форму, пригодную для транспортировки к месту захоронения, передачу в природную среду или для коммерческой реализации.

Принципиальная схема осуществления четвертого этапа согласно предлагаемому способу представлена на фиг. 7. На схемах фиг. 7а и фиг. 7б варианты переработки фракции разделительной установки с пониженным содержанием ¹⁴С. Поток отбора одиночной разделительной установки или каскада 20 с активностью изотопа ¹⁴С соответствующей РАО 3 класса радиационной опасности или выше поступает в блок 6 переработки потока РАО после разделительной установки с уменьшенной активностью изотопа ¹⁴С. В этом блоке поток РАО из газовой фазы известными для всех рабочих газов химическими методами переводится в соединения, которые находятся в твердой, жидкой фазе при нормальных условиях. За счет такого компактирования объем этих РАО уменьшается и появляется возможность их транспортировки и локального захоронения на длительный период.

Схема фиг. 7б предназначена для случая, когда поток 20 отбора одиночной разделительной установки или каскада имеет естественную активность изотопа ¹⁴С. В этом случае материал этого потока в форме газа не является радиационноопасным материалом, а с учетом высокой химической чистоты после прохождения разделительной установки, пригоден к любому применению: сам рабочий газ для разделительной установки может быть коммерческим продуктом, например, СН₄, СО₂, фреоны и т.д., либо может быть использован для получения исходного сырья для химической промышленности. При этой переработке применяются реакторы для проведения реакций химической переработки, а для обеспечения необходимой чистоты коммерческого продукта установки ректификационной, адсорбционной очистки. Поэтому задача переработки потока 20 для блока 6 определяется коммерческими заказами, а остаток этого невостребованного продукта может быть передан в природу в том числе и в газовой фазе или после конверсии в реакторах химической переработки в соединения в твердой, жидкой фазе при нормальных условиях.

На схемах фиг. 7в приведены варианты переработки фракции отбора 19 разделительной установки с повышенным содержанием ¹⁴С. Поток 19 поступает в блок 4, где из газовой фазы известными для всех рабочих газов химическими методами переводится в соединения, которые находятся в твердой, жидкой фазе при нормальных условиях. За счет такого компактирования объем этих РАО 2 класса уменьшается и появляется возможность проведения процедуры 5 - транспортировки этих РАО к месту централизованного глубинного захоронения.

Изотоп ¹⁴С широко применяется в научных исследованиях, в первую очередь, в хронологических исследованиях событий 2-10 тысячелетней давности («Изотопы: свойства, получение применение». Под ред. В.Ю. Баранова, т. 2, М.: Физматлит, 2005, с. 520). Концентрированный ¹⁴С имеет коммерческое применение, но при этом его концентрации в РАО 2 класса, полученной в ходе переработки облученного Углерода АЭС может быть недостаточно. Поэтому после основной разделительной установки часть отбора обогащенной ¹⁴С фракции установки направляется на дополнительное дообогащение на каскаде существенно меньшего (в 10-100 и более раз) объема, по сравнению с основной установкой разделения, и методы разделения на основной и дополнительной разделительной установке могут отличаться - выбор определяется экономическими соображениями по стоимости дополнительной установки и имеющимся опытом изготовления оборудования и его эксплуатации. Для этого в блоке 38 проводится изготовление рабочего газа из части потока отбора 19 для применения методов разделения изотопов Углерода из группы газовая диффузия, сопловой метод, газовое центрифугирование, метод аэродинамической сепарации. (Лазерный метод для дополнительной установки разделения непригоден, поскольку не позволяет каскадировать эффект обогащения ¹⁴С). Далее полученный рабочий газ поступает в блок 39 - разделительный каскад для получения высокообогащенного изотопа ¹⁴С. Величина необходимого обогащения определяется рыночной практической потребностью, но обычное требование - не менее ¹⁴С≥0,1%. Отбор каскада 39 с высокообогащенным ¹⁴С поступает в блок 41 на операцию изготовления химическими методами товарной формы продукта, а отбор каскада с пониженным по сравнению с исходным газом содержанием ¹⁴С - в блок 40 для компактизации - переработки химическими методами из газа в соединения, которые находятся в твердой, жидкой фазе при нормальных условиях. Далее, в зависимости от величины активности изотопа ¹⁴С (РАО 2 или 3 класса радиационной опасности) полученный в блоке 40 материал объединяется с материалами переработки РАО в блоке 4 (РАО класс 2) или блока 6 фиг. 7а - РАО класс 3.

В случае если в основной 3 и дополнительной 39 разделительных установках применяется один и тот же рабочий газ, то необходимости в использовании в схеме фиг. 7 блоков 38 и 40 нет.

Устройство переработки облученного Углерода согласно способу, для реализации этапов 2-4 составляет единый производственный комплекс, работающий в непрерывном режиме. Для этого блок 1 устройства второго этапа переработки соединен трубопроводами передачи газовой фазы с разделительным блоком 3 этапа 3, а выход блока 3 соединен трубопроводами передачи разделенных потоков газа с различными концентрациями изотопа ¹⁴С и относящихся к разным классам радиационной опасности с блоками 4 и 6 для переработки этих потоков в форму для транспортировки к месту централизованного глубинного захоронения, месту локального приповерхностного захоронения и в форму для коммерческого применения. Для обеспечения непрерывной работы устройства переработки облученного Углерода производительности по рабочему газу блоков 1,4 и 6 согласованы с производительностью блока 3.

Оборудование, применяемое в конструкциях всех основных блоков является известным и в большинстве случаев изготавливается промышленностью. В конструкции блоков 9 и 10 механической и химической очистки исходного облученного Углерода могут быть применены установки высокотемпературной обработки поверхности блоков облученного Углерода с применением различных реагентов, например, на основе изобретений RU 2624270 приоритет 24.02.2016, качестве устройства для операции механического дробления блоков Углерода - блок 11 предварительной подготовки Углерода перед реактором 1 синтеза рабочего газа - промышленные мельницы для дробления различных материалов. Установки очистки рабочего газа перед подачей в трубопровод соединяющий блок синтеза рабочего газа и разделительную установку основаны на известной и применяемой в химической промышленности систем получения высокочистых газов на аппаратах колонного типа по технологии ректификации, адсорбции, химического обмена.

Как уже указывалось выше для обеспечения технических характеристик и надежности все оборудование разделительных установок выпускается только промышленно и только серийно.

Весь комплекс оборудования, реализующий предлагаемый способ переработки облученного Углерода, основан на одинаковой цепочке операций и промышленно выпускаемом оборудовании. Для учета каждого типа состава выгружаемого из реактора облученного Углерода комплекс для переработки облученного Углерода строится по модульному принципу как единая производственная площадка, что позволит минимизировать протяженность технологических потоков и трубопроводов и уменьшить площадь радиационно-опасного производства.

Для минимизации транспортных операций, повышения безопасности и экологичности процедур утилизации облученного Углерода полезно расположение этого комплекса в непосредственной близости к месту выгрузки из конкретного реактора или группы реакторов данной АЭС облученного Углерода и месту предполагаемого локального захоронения.

В случае удаленности предполагаемого места локального захоронения РАО 3 класса радиационной опасности от АЭС, с точки зрения минимизации транспортных расходов и радиационной безопасности транспортировка РАО 3 класса опасности является более предпочтительной, чем транспортировка РАО 2 класса опасности. Поэтому в этом случае для комплекса переработки и утилизации облученного Углерода АЭС более предпочтительным является расположение рядом с местом выгрузки РАО из реактора или группы реакторов данной АЭС.

Количество облученного Углерода, выгружаемого из реакторов АЭС после ее остановки в зависимости от ее мощности, конструкции и т.д. может отличаться, но практически для всех промышленных АЭС составляет от 2 до 10-15 тысяч тонн.

Доказанный ресурс работы разделительного оборудования для разных методов разделения изотопов составляет от 15 до 50 лет. Поэтому разделительная установка в составе единого производственного модуля переработки облученного Углерода, как и все остальное оборудование модуля должно иметь производительность такую, что за это время успеть переработать весь объем выгруженного из реактора облученного Углерода. Оценки показывают, что необходимая производительность модуля 100-500 тонн Углерода в год и с учетом этого для каждого комплекса переработки облученного Углерода, размещенного вблизи конкретной АЭС выбирают производительность одноступенных разделительных установок или каскада таких установок из условия переработки имеющегося исходного облученного Углерода АЭС за заранее заданное количество лет или ресурсный срок работы разделительных установок. Одиночные разделительные установки, в том числе и те, из которых создается в случае необходимости разделительный каскад, создаются серийного типа с ограниченным набором (один - три типа) величины объемной производительности по потоку питания рабочего газа. В этом случае производительность разделительных установок комплекса изменяется в зависимости от количества параллельно установленных одноступенных установок.

Поэтому настоящее изобретение реализуется с помощью универсального доступного современного оборудования, с применением веществ, широко распространенных в промышленности.

1. Способ переработки облученного в реакторе АЭС углерода, предусматривающий, что осуществляется предварительный выбор метода разделения изотопов Углерода из группы технологий разделения: газовая диффузия, сопловой метод, газовое центрифугирование, метода аэродинамической сепарации, лазерный метод, далее из облученного Углерода АЭС получают рабочий газ для извлечения атомов изотопа ¹⁴С выбранным методом разделения, далее проводится выделение изотопа ¹⁴С на одноступенной разделительной установке или каскаде этих установок для разделения изотопов Углерода, и разделение в разделительной установке, которое проводят до уровня, обеспечивающего получение в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора из одиночной установки или каскада, активности изотопа ¹⁴С ниже уровня, допускающего приповерхностное захоронение радиоактивных отходов, и далее сортировка, компактирование и дифференцированное захоронение радиоактивных отходов, и возврат в природу отходов с естественной активностью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед переработкой облученного Углерода АЭС проводится очистка поверхности блоков облученного Углерода от неуглеродных микропримесей методом химической очистки, методом механической очистки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед изготовлением рабочего газа для извлечения атомов изотопа ¹⁴С проводят механическое измельчение блоков облученного в реакторе АЭС Углерода.

4. Способ по любому из пп. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что перед подачей синтезированного рабочего газа в разделительную установку для извлечения атомов изотопа ¹⁴С проводят очистку рабочего газа от побочных продуктов реакции синтеза рабочего газа на установке, реализующей метод ректификации, адсорбции, химического обмена.

5. Способ по любому из пп. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что производительности каждой из установок переработки облученного Углерода АЭС в части очистки от неуглеродных микропримесей, механического измельчения блоков облученного Углерода, получения и очистки рабочего газа выбирают из условия не менее чем производительность одиночной разделительной установки или каскада таких установок.

6. Способ по любому из пп. 1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа для применения в технологии разделения используются соединения из группы:

- метан, оксид, диоксид Углерода (только для метода газовой диффузии, газового центрифугирования, метода аэродинамической сепарации, соплового и вихревого процесса);

- смешанные Фторзамещенные метаны с одним атомом Углерода в молекуле CF₂Cl₂ (фреон-12), CF₂HCl (фреон-22);

- трифториодметан CF₃I, трибромиодметан CBr₃I, трифторбромметан CF₃Br и йодметан CH₃J.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают производительность одноступенных разделительных установок или каскада таких установок из условия переработки имеющегося исходного облученного Углерода АЭС за заранее заданное количество лет или ресурсный срок работы разделительных установок.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выбирают количество одноступенных разделительных установок, последовательно соединенных в каскад, из условия получения в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора каскада уровня активности изотопа ¹⁴С, соответствующего естественному уровню активности этого изотопа в природе.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обедненная по содержанию изотопа ¹⁴С фракция отбора разделительной одноступенной установки или каскада таких установок химическими методами переводится в соединения, которые находятся в твердой, жидкой фазе при нормальных условиях.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что извлеченный изотоп ¹⁴С на дополнительном каскаде перерабатывают в продукты с высокообогащенным ¹⁴С с применением технологии обогащения разделительными методами разделения изотопов из группы: диффузионный метод, разделительное сопло Беккера, газовое центрифугирование, вихревая труба, аэродинамическая сепарация.

11. Устройство для переработки облученного в реакторе АЭС углерода, содержащее установку для переработки Углерода в рабочий газ для установки разделения изотопов Углерода, выход которой подается на вход разделительной установки, состоящей из одноступенной разделительной установки, каскада последовательно соединенных одноступенных установок, имеющих отборы разделенных фракций рабочего газа, в одной из которых содержание изотопа ¹⁴С выше исходного содержания, а фракция с концентрацией изотопа ¹⁴С, уменьшенной по сравнению с исходным до уровня, допускающего приповерхностное захоронение.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что перед установкой переработки облученного в реакторе АЭС углерода в рабочий газ размещается установка химической, механической очистки поверхности блоков облученного в реакторе АЭС Углерода от неуглеродных микропримесей.

13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что перед установкой изготовления рабочего газа размещается установка механического дробления блоков облученного в реакторе АЭС Углерода.

14. Устройство по любому из пп. 11, или 12, или 13, отличающееся тем, что между установкой изготовления рабочего газа и разделительной установкой для извлечения атомов изотопа ¹⁴С размещена установка очистки рабочего газа от побочных неулеродсодержащих продуктов реакции синтеза рабочего газа.

15. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что в качестве одноступенной разделительной установки для конструкции разделительного каскада противоточного типа используются диффузионная ступень, состоящая из фильтра и компрессора, разделительное сопло Беккера с компрессором, газовая центрифуга, вихревая труба с компрессором, установка аэродинамической сепарации с компрессором.

16. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что разделительный каскад состоит из последовательно соединенных одноступенных лазерных комплексов с газовыми реакторами и установками ректификационного, адсорбционного выделения из смеси газов чистого рабочего газа, а также соединения, содержащего газовую фракцию, обогащенную по изотопу ¹⁴С, объединенных по прямоточной схеме.

17. Устройство по п. 16, отличающееся тем, что поток обогащенной по изотопу ¹⁴С фракции каскада, состоящего из ступеней лазерного разделения, направляется в устройство изготовления рабочего газа для противоточного каскада, составленного из одиночных разделительных ступеней других методов разделения, и далее полученный рабочий газ поступает в противоточный разделительный каскад, реализующих метод разделения из группы: диффузионный метод, разделительное сопло Беккера, газовое центрифугирование, вихревая труба, аэродинамическая сепарация.

18. Устройство по любому из пп. 11, или 15, или 16, или 17, отличающееся тем, что устройство в виде единого комплекса размещено рядом с местом выгрузки облученного Углерода из реактора или группы реакторов данной АЭС, местом локального приповерхностного захоронения РАО.

19. Устройство по любому из пп. 11, или 15, или 16, или 17, отличающееся тем, что количество последовательно соединенных ступеней из одноступенных разделительных установок в каскаде выбирается из условия получения в обедненной по содержанию изотопа ¹⁴С фракции отбора каскада уровня активности изотопа ¹⁴С, соответствующего естественному уровню активности этого изотопа в природе.

20. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что трубопроводы отборов обеих разделенных фракций после разделительной установки соединены с установками химического передела газовых потоков после разделения в твердую, жидкую фазу при нормальных условиях.

21. Устройство по п. 19, отличающееся тем, что трубопровод потока отбора обедненной по изотопу ¹⁴С до уровня естественного содержания фракции каскада одноступенных установок соединен с установкой химической, ректификационной переработки в коммерческий продукт и с трубопроводом вывода в природу излишков отбора фракции.