Индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов

Изобретение относится к печам для индукционной плавки в холодном тигле, которые используются для плавки непроводящих материалов, и в первую очередь может быть использовано для иммобилизации высокоактивных отходов, содержащих благородные металлы, частицы которых препятствуют нормальной работе донных сливных устройств печей. Индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов содержит индуктор, металлический водоохлаждаемый тигель с индукционным сливным устройством горячего типа. Донная часть тигля и индуктора выполнена в форме конуса. Витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части секций тигля расположено сливное устройство. Сливное устройство выполнено в виде воронки с термоизолированной конусной частью. Сливной индуктор выполнен с уменьшенным шагом витков в области конуса воронки и увеличенным в области трубки. Изобретение обеспечивает наилучшее удаление благородных металлов со сливаемым расплавом стекла, при возможности многократного слива расплава без организации повторного стартового нагрева и нового запуска печи. 4 ил.

 

Заявленное техническое решение относится к печам для индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ), которые используются для плавки непроводящих материалов, и в первую очередь может быть использовано для иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО), содержащих благородные металлы (БМ), частицы которых препятствуют нормальной работе донных сливных устройств печей.

Остекловывание ВАО в настоящее время представляет наиболее эффективный способ кондиционирования ВАО с возможностью последующего безопасного хранения и захоронения. Для непрерывной работы печи остекловывания необходимо надежное сливное устройство, которое на современном общепризнанном уровне представляет собой устройство донного типа с индукционным нагревом для обеспечения его длительного срока службы. Наличие БМ в расплаве стекла приводит к осаждению частиц БМ на горизонтальных участках дна холодного тигля, увеличению вязкости и электропроводности стекла в этой зоне и блокированию работы донного сливного устройства.

Известна плавильная печь для остекловывания ВАО с керамическим тиглем и резистивным нагревом с помощью погружных электродов - [VEK Experiencesat Pamelaand Karlsruhe. W. Grьnewald, G. Roth, W. Tobie, K. WeiЯ, W. Wernz. EM-30 Next Generation Melter Technology Workshop, March 3-5, 2010, Washington, D.C.]. Печь состоит из керамического тигля с дном конусной формы для удаления благородных металлов, и погружных электродов для реализации прямого резистивного нагрева расплава стекла в ванне. Печь так же имеет металлическое индукционное сливное устройство горячего типа. Твердые частицы БМ имеют высокую плотность, увеличивают вязкость расплава стекла,осаждаются на дно печи и препятствуют сливу расплава. Частицы БМ шунтируют нагрев основной ванны расплава стекла погружными электродами, что ухудшает нагрев в зоне сливного устройства.

Недостатком этого устройства так же является использование керамического тигля и погружных электродов в расплаве стекла, что приводит к их растворению и снижению срока службы плавильного устройства. Поэтому, необходимо останавливать работу тяжелой, массивной печи и проводить её дорогостоящую дистанционную замену с захоронением в могильнике.

Также известна плавильная печь для остекловывания ВАО с металлическим тиглем и резистивными косвенными нагревателями прямого пропускания тока - [World Premiere Industrial Vitrificationof High Level Liquid Waste Producedby Uranium/Molybdenum Fuel Reprocessingin La Hague's Cold Crucible Melter. Rйgis Didierlaurent, Eric Chauvin, Jean Francois Hollebecque, Jacques Lacombe, Christian Mesnil, Catherine Veyer, Olivier Pinet. WM2014 Conference, March 2 – 6, 2014, 14035, Phoenix, Arizona, USA], содержащая металлический тигель с дном конусной формы, косвенные нагреватели сопротивления, обеспечивающие нагрев металлического тигля и стекла внутри этого тигля. Нагреватели располагаются вокруг металлического тигля и косвенным образом путем теплопередачи обеспечивают нагрев тигля и внутреннего его пространства, в том числе и расплава стекла. Нагреватели являются теплоизолированными с помощью керамической футеровки и теплоизоляции, что увеличивает массу и габариты печи. Конусная форма дна металлического тигля способствует удалению благородных металлов ВАО с расплавом стекла при его сливе.

К недостаткам данного устройства относятся низкий срок службы нагревателей сопротивления, обусловленный окислением провода нагревателя и контактным подведением тока/напряжения к нагревателям. Также устройство имеет другой недостаток – постепенное растворение металлического тигля в расплаве стекла. Эти два фактора снижают срок службы печи, что требует частой её замены и больших затрат на дистанционное удаление печи с громоздкой и тяжелой керамической футеровкой. Слив расплава ускоряет растворение металла горячего тигля благодаря увеличению скорости эрозии его стенок и дополнительно снижает срок службы печи.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является индукционная печь для плавки оксидных материалов и стекол, в том числе для остекловывания ВАО, содержащая индуктор, металлический водоохлаждаемый секционированный тигель с индукционным сливным устройством горячего типа, при этом донная часть тигля и индуктор выполнены в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части конуса тигля расположено сливное устройство со сливным фланцем и сливной трубкой, которая снабжена дополнительным индуктором, при этом сливной фланец выполнен сварным с нижними торцами секций тигля, а на периферии фланца выполнены радиальные разрезы для заполнения тугоплавким огнеупорным диэлектрическим материалом (Патент № 2737663 Российская Федерация, МПК G 21 F 9/16, F 27 B 14/06. Индукционная печь с холодным тиглем для остекловывания ВАО / Лопух Д.Б., Вавилов А. В., Мартынов А. П. и др.; Акционерное общество «Радиевый институт имени В.Г. Хлопина». – № 2019145192; заявл. 25.12.2019; опубл. 02.12.2020, – 10 с.). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является конструкция сливного устройства в виде разрезного горизонтального фланца с приваренной к нему вертикальной трубкой. Срок службы и надежность конструкции сливного устройства ограничены коррозионной стойкостью тугоплавкого огнеупорного диэлектрического материала, которым заполнены прорези фланца. В свою очередь горизонтальная форма фланца способствует накапливанию тяжелых частиц БМ, что, со временем, приводит к закупориванию сливного отверстия и выходу печи из строя (Д. Б. Лопух, С. В. Бешта, А. П. Мартынов, А. В. Вавилов, И. Н. Скриган. Индукционная плавка кориума и варка стекла в холодном тигле. Свойства и моделирование. Санкт-Петербург, Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021, 202 с.). При этом вышедшая из строя печь подлежит дорогостоящей дистанционной замене с полным тиглем высокорадиоактивного стекла. Таким образом, срок службы печи снижается и возрастают затраты на дистанционное удаление и захоронение холодного тигля.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является совершенствование индукционной печи с холодным тиглем для остекловывания ВАО, обеспечивающей наилучшее удаление благородных металлов со сливаемым расплавом стекла, при возможности многократного слива расплава без организации повторного стартового нагрева и нового запуска печи.

Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы индукционной печи для остекловывания ВАО, содержащих БМ, что позволяет снизить затраты на замену печи, то есть на изготовление новой печи, демонтаж и дополнительный монтаж оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов, содержащая индуктор, металлический водоохлаждаемый тигель с индукционным сливным устройством горячего типа, при этом донная часть тигля и индуктора выполнена в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части секций тигля расположено сливное устройство, выполненное в виде воронки с термоизолированной конусной частью, а сливной индуктор выполнен с уменьшенным шагом витков в области конуса воронки и увеличенным в области трубки. Остановка слива расплава обеспечивается прекращением индукционного нагрева сливного устройства и его естественным воздушным охлаждением. Срок службы предлагаемого изобретения ограничен коррозионной стойкостью сливного устройства из жаропрочного сплава.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими фигурами: на фиг. 1 изображена схема печи ИПХТ для остекловывания ВАО с индукционным донным сливным устройством горячего типа, где а –вид печи ИПХТ сбоку, б –вид печи ИПХТ в разрезе; на фиг. 2 отдельно от холодного тигля изображено индукционное донное сливное устройство горячего типа, где а –вид сливного устройства сбоку, б – вид сливного устройства в разрезе; на фиг. 3 представлено распределение температуры в сливном устройстве при его нагреве сливным индуктор [oC]; на фиг. 4 – распределение температуры в ванне расплава и сливном устройстве при работе основного индуктора (слева) и при одновременной работе двух индукторов, обеспечивающих слив расплава (справа) [oC]

Индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов (см. фиг. 1), содержащая индуктор 1, металлический водоохлаждаемый тигель 2 с индукционным сливным устройством горячего типа 3, при этом донная часть тигля и индуктора выполнена в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части секций тигля расположено сливное устройство (см. фиг. 2), сливное устройство выполнено в виде воронки с термоизолированной конусной частью 4, а сливной индуктор 5 выполнен с уменьшенным шагом витков в области конуса воронки и увеличенным в области трубки 6. Сливной индуктор 5 обеспечивает равномерный нагрев всего сливного устройства 3 до температуры слива расплава стекла и рабочей температуры металла сливного устройства, например, из жаропрочного сплава ХН70Ю (см. фиг. 3). Для обеспечения механической прочности печи сливное устройство соединяется с нижними торцами секций тигля с помощью сварки, образуя единую конструкцию. В качестве термоизолятора конуса сливной воронки 7 может быть использована прокаленная муллитокремнеземистая теплоизоляция марки МКТИ с рабочей температурой до 1570 oС. Конусное дно тигля и воронка сливного устройства обеспечивают надежный выпуск расплава стекла с частицами БМ.

В рассматриваемой печи расплав стекла нагревается высокочастотным магнитным полем основного индуктора конусной формы 1. Холодный тигель 2 состоит из металлических секций из нержавеющей стали, расположенных и закрепленных относительно друг друга с воздушным зазором, таким образом, чтобы донная часть полости тигля образовывала конус. Магнитное поле, образованное током индуктора, проникает в расплав благодаря секционированной конструкции холодного тигля, при этомсекции тигля охлаждаются проточной водой. Охлаждение секций приводит к тому, что между ними и расплавом стекла образуется слой закристаллизованного расплава «гарнисаж», препятствующий термохимическому взаимодействию расплава с секциями тигля. Основной индуктор печи запитан от транзисторного или лампового генератора с частотой колебательного контура 0,1…2,0 МГц. При остекловывании ВАО заполнение тигля расплавом стекла происходит до номинального уровня заполнения тигля. После этого производится включение многовиткового индуктора сливного устройства 3, который питается от транзисторного генератора с частотой колебательного контура 2…20 кГц. Конструкция индуктора 5 обеспечивает равномерный нагрев сливного устройства до его максимальной рабочей температуры 1250 оС, что обеспечивает донный выпуск расплава из печи. На фиг. 4 представлено распределение температуры в ванне расплава боросиликатного стекла и в сливном устройстве при работе основного индуктора (слева) и при одновременной работе основного и сливного индукторов (справа). Коническая конструкция тигля и части сливного устройства обеспечивает удаление частиц БМ, присутствующих в расплаве стекла. Выпуск расплава продолжается до тех пор, пока его уровень не приблизится к конической части тигля, после чего устройство слива отключается и производится повторное наплавление ванны расплава до номинального уровня. Таким образом, основной индуктор 1 работает в непрерывном режиме, а индуктор сливного устройства 5 в периодическом.

Благодаря предложенным конструкционным отличиям обеспечивается работа печи в непрерывном режиме без определенного ограничения срока её службы при остекловывании ВАО. Изобретение может быть использовано при реализации других технологий на основе метода ИПХТ.

Индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов, содержащая индуктор, металлический водоохлаждаемый тигель с индукционным сливным устройством горячего типа, при этом донная часть тигля и индуктора выполнена в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части секций тигля расположено сливное устройство, отличающаяся тем, что сливное устройство выполнено в виде воронки с термоизолированной конусной частью, а сливной индуктор выполнен с уменьшенным шагом витков в области конуса воронки и увеличенным в области трубки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО) путем их фиксации в устойчивой твердой среде. Способ заключается в пропитке пористого формообразующего материала, расположенного в контейнере, путем вакуумирования.
Изобретение относится к технологии разделения изотопов водорода и может быть использовано для удаления радиоактивных загрязнений из водных сред. Способ выделения трития из загрязненной им воды включает добавление в загрязненную воду безводного пероксида стронция (ПОС) с возможностью равномерного распределения ПОС по объему воды до образования осадка октагидрата пероксида стронция и отделение этого осадка.
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к области переработки жидких радиоактивных или химических отходов и их изоляции от окружающей среды. Способ заключается в том, что радиоактивный раствор отверждают путем смешения с полимерным материалом и последующим высушиванием при помощи СВЧ-излучения.

Изобретение относится к способам иммобилизации радионуклидов стронция в керамике и может быть использовано для отверждения радиоактивных отходов, а также изготовления радиоизотопной продукции. Подготовленную реакционную смесь SrO и WO3 в молярном соотношении 1:1 помещают в токопроводящую пресс-форму, подпрессовывают и подвергают искровому плазменному спеканию в вакуумной камере при постоянной механической нагрузке 24,5 МПа под воздействием однонаправленного импульсного тока, который генерируют пакетами по 12 импульсов при длительности одного импульса 3,3 мс, с паузами между пакетами, по времени равными длительности двух импульсов, с выдержкой при достигнутой температуре в течение 5 мин и последующим охлаждением в вакууме до температуры окружающей среды.

Изобретение относится к способам иммобилизации радионуклидов стронция в керамике и может быть использовано для отверждения радиоактивных отходов, а также изготовления радиоизотопной продукции. Подготовленную реакционную смесь SrO и WO3 в молярном соотношении 1:1 помещают в токопроводящую пресс-форму, подпрессовывают и подвергают искровому плазменному спеканию в вакуумной камере при постоянной механической нагрузке 24,5 МПа под воздействием однонаправленного импульсного тока, который генерируют пакетами по 12 импульсов при длительности одного импульса 3,3 мс, с паузами между пакетами, по времени равными длительности двух импульсов, с выдержкой при достигнутой температуре в течение 5 мин и последующим охлаждением в вакууме до температуры окружающей среды.

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов. Отработанные радиоактивные ионообменные смолы сушат при температуре 268-302°С, механически диспергируют в формообразующей полимерной матрице до размера гранул 0,18-0,63 мм и размещают в конечной упаковке – 200-литровой бочке для радиоактивных отходов, соотношение обезвоженных отработанных радиоактивных ионообменных смол и полимерной матрицы составляет от 2:1 до 3:1 об.%.

Изобретение относится к плавильным устройствам, работающим с использованием метода индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ). Индукционная печь для плавки оксидных материалов и стекол, в том числе для остекловывания ВАО, содержащая индуктор, металлический водоохлаждаемый секционированный тигель с индукционным сливным устройством горячего типа.

Изобретение относится к технологии переработки радиоактивных отходов, в частности отработавших ионообменных смол. Способ переработки отработавших ионообменных смол, включающий обработку смолы окислителем при нагревании, отличающийся тем, что процесс растворения смолы проводят в среде ортофосфорной кислоты с периодическим внесением в реакционную среду окислителя или окислительной смеси при температуре 110-120°С и постоянном перемешивании.

Изобретение относится к области охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения, в частности к области кондиционирования тритийсодержащей воды. Способ заключается в соединении тритийсодержащей воды с предварительно приготовленным отвердителем, перемешивании с отвердителем до получения однородной суспензии и выдержке ее до полного отверждения.

Изобретение может быть использовано при строительстве, эксплуатации и ликвидации поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, а также при очистке загрязненных вод поверхностных водоемов. Способ защиты подземных вод от загрязнений из поверхностных хранилищ жидких отходов, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, включает создание на внутренней поверхности хранилища противофильтрационного экрана, подачу в хранилище после его заполнения жидкими отходами, содержащими токсичные или радиоактивные вещества, активированного глинистого грунта из расчета 10-15 кг на 1 м3 жидких отходов.
Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов (РАО), образующихся в процессе разрушения облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов на быстрых нейтронах (РБН), методом индукционно-шлакового переплава в холодном тигле. Разработана установка индукционно-шлакового переплава в холодном тигле, в которой получают металлический слиток заданной длины, используют специально подобранный флюс на основе не содержащей летучих компонентов системы Al2O3-MgO-Fe2O3-CaO, обеспечивающий очистку КМ ОТВС и образование шлака, не содержащего ни силикатов, ни фторидов.
Наверх