Устройство для термической переработки радиоактивных ионообменных смол

 

Изобретение относится к области переработки радиоактивных ионообменных смол с получением продукта, пригодного для долгосрочного хранения. Технический результат - повышение безопасности в работе устройства для окружающей среды, повышение коэффициента сокращения объема термоперерабатываемых радиоактивных ионообменных смол, а также повышение производительности работы устройства за единичный цикл термопереработки радиоактивных ионообменных смол. Сущность изобретения: устройство содержит защитную камеру с узлом загрузки, патрубком для подвода газообразного окислителя, инициирующим устройством, узлом выгрузки, газоотводной магистралью и опорным кольцом, а также термореактор, состоящий из направляющей камеры термореактора и съемного контейнера термореактора, систему газоочистки, газовытяжное устройство и газосбросной узел. 1 ил.

Заявляемое устройство относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки твердых горючих радиоактивных отходов. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использовано при термической переработке радиоактивных ионообменных смол (РИОС).

Известен способный работать самостоятельно узел для термической переработки отработавшей РИОС [1], включающий реакционный аппарат, снабженный электронагревателем с подсоединенной к нему системой газоочистки, включающей фильтр для очистки содержащих окислы серы и азота отходящих газов, образующихся на первом этапе термообработки РИОС в инертной среде и оборудование для фильтрации и дожигания отходящих газов, образующихся на втором этапе терморазложения отработавшей РИОС в окисляющей среде.

Недостатками известной конструкции являются: - повышенная сложность системы газоочистки: - повышенная энергоемкость, обусловленная использованием в качестве средства нагрева электронагревателя, требующего постоянного подвода электроэнергии извне; Известно устройство для термической переработки РИОС [2], включающее смеситель для приготовления смеси РИОС с углем, последовательно соединенный со снабженной электродами сушилкой, снабженным электродами термореактором для терморазложения смеси РИОС с углем, доокислителем шлака, образующегося в термореакторе, и узлом фильтрации, причем термореактор через циклон также соединен с узлом фильтрации.

Смесь РИОС с углем, обладающая, благодаря присутствию в ней последнего, электропроводностью, поступает сначала в сушилку, где обезвоживается, а затем в термореактор, где происходит терморазложение РИОС с одновременным образованием шлака, содержащего карбидные соединения. Отходящие газы из термореактора поступают на узел фильтрации. Шлак из термореактора подают в доокислитель, где он подвергается окончательному доокислению, а отходящие газы из доокислителя поступают на узел фильтрации.

Недостатками известного устройства являются: - повышенная энергоемкость, обусловленная использованием в качестве средства нагрева электродов и электронагревателя, требующих постоянного подвода электроэнергии извне; - повышенная опасность работы, вследствие возможности короткого замыкания электродов в сушилке и термореакторе; - ненадежность работы, обусловленная невозможностью поддержания в сушилке и термореакторе стабильной рабочей температуры, из-за возможности изменения электропроводности смеси РИОС с углем, движущейся между электродами вышеуказанных аппаратов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для термической переработки РИОС [3], включающее термореактор, состоящий из съемного контейнера термореактора, содержащего корпус съемного контейнера термореактора и днище съемного контейнера термореактора и крышки термореактора с газоотводной магистралью, соединяющей крышку термореактора с системой газоочистки.

Известное устройство работает следующим образом.

РИОС, смешанные с окислителем (нитратом натрия или калия) и порошкообразным металлизированным топливом (состоящим из порошкообразных алюминиево-магниевого сплава, нитрата натрия и силикокальция), в которое введена добавка индустриального масла, помещают в съемный контейнер термореактора. Сверху на смесь насыпают слой зажигательной композиции, съемный контейнер термореактора закрывают крышкой термореактора, газоотводную магистраль которой подсоединяют к системе газоочистки, после чего осуществляют дистанционный поджог зажигательной композиции. После окончания единичного цикла термопереработки РИОС съемный контейнер термореактора отделяют от крышки термореактора и вместе с продуктами термообработки РИОС направляют на захоронение.

Недостатками известного устройства являются: - повышенная опасность работы для окружающей среды, вследствие возможности разрушения термореактора под действием скачкообразного возрастания давления в нем и высокотемпературной коррозии, вызываемой местными перегревами в его пристеночных зонах.

Указанный недостаток обусловлен тем, что благодаря своей конструкции, термореактор в процессе термопереработки РИОС может превратится в замкнутую емкость, вследствие забивки газоотводной магистрали шлаковыми продуктами терморазложения РИОС; - повышенная опасность работы для окружающей среды, вследствие повышенного содержания в отходящих газах летучих радиоактивных и газообразных горючих и токсичных соединений, а также пониженный коэффициент сокращения объема перерабатываемых РИОС.

Указанный недостаток обусловлен отсутствием в составе конструкции термореактора газоподводного патрубка для подвода газообразного окислителя, обеспечивавшего бы более полное терморазложение РИОС с образованием шлака, хорошо сорбирующего радионуклиды, а также более полное доокисление отходящих газов; - пониженная производительность работы устройства за единичный цикл термопереработки РИОС, вследствие того, что количество перерабатываемых РИОС в течение единичного цикла работы устройства ограничено объемом съемного контейнера термореактора.

Преимуществами заявляемого устройства являются повышение безопасности работы устройства для окружающей среды, повышение коэффициента сокращения объема термоперерабатываемых РИОС, а также повышение производительности работы устройства за единичный цикл термопереработки РИОС.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что устройство для термической переработки РИОС содержит защитную камеру, термореактор, состоящий из направляющей камеры термореактора и съемного контейнера термореактора, систему газоочистки, газовытяжное устройство, а также газосбросной узел.

На верхней торцевой части защитной камеры расположен узел загрузки, на верхней боковой части - патрубок для подвода газообразного окислителя и инициирующее устройство, на боковой части - узел выгрузки, на нижней боковой части - газоотводная магистраль, а на нижней внутренней поверхности - опорное кольцо, размещенное выше уровня расположения газоотводной магистрали.

Внутри защитной камеры, в его верхней части, расположена направляющая камера термореактора, нижняя торцевая часть которой расположена вплотную с верхней торцевой частью съемного контейнера термореактора, установленного днищем съемного контейнера термореактора на опорном кольце.

Днище съемного контейнера термореактора состоит из двух металлических перфорированных пластин, между которыми расположен керамический фильтр.

Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- то, что устройство содержит защитную камеру с расположенными на ее верхней торцевой части узлом загрузки, на верхней боковой части - патрубком для подвода газообразного окислителя и инициирующим устройством, на боковой части - узлом выгрузки, а на нижней внутренней поверхности - опорным кольцом;
- то, что газоотводная магистраль расположена на нижней боковой части защитной камеры;
- то, что опорное кольцо, размещено выше уровня расположения газоотводной магистрали;
- то, что термореактор содержит направляющую камеру термореактора, расположенную внутри защитной камеры, в ее верхней части;
- то, что съемный контейнер термореактора расположен внутри защитной камеры и установлен днищем съемного контейнера термореактора на опорном кольце;
- то, что направляющая камера термореактора своей нижней торцевой частью расположена вплотную с верхней торцевой частью съемного контейнера термореактора;
- то, что днище съемного контейнера термореактора состоит из двух металлических перфорированных пластин, между которыми расположен керамический фильтр;
- то, что система газоочистки соединена с газовытяжным устройством, подсоединенным к газосбросному узлу.

Заявляемое устройство иллюстрируется чертежом.

Заявляемое устройство состоит из защитной камеры 1, узла загрузки 2, узла выгрузки 3, патрубка 4 для подвода газообразного окислителя, инициирующего устройства 5 газоотводной магистрали 6, опорного кольца 7, термореактора 8, системы газоочистки 9, газовытяжного устройства 10, газосбросного узла 11.

Термореактор 8 состоит из направляющей камеры 12 термореактора и съемного контейнера 13 термореактора.

Съемный контейнер 13 термореактора состоит из корпуса 14 съемного контейнера термореактора и днища 15 съемного контейнера термореактора.

Днище 15 съемного контейнера термореактора состоит из металлических перфорированных пластин 16 и керамического фильтра 17.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Отработанные РИОС смешивают с окислителем (нитратом натрия или калия) и порошкообразным металлизированым топливом, состоящим из алюминиево-магниевого сплава, нитрата натрия, силикокальция и порообразователя (древесных опилок, измельченного шамота и т.п.), в которое введена добавка индустриального масла. Полученную смесь загружают через узел загрузки 2 на днище 15 съемного контейнера термореактора до заполнения ею корпуса 14 съемного контейнера термореактора и направляющей камеры 12 термореактора, после чего на всю поверхность смеси насыпают слой зажигательной композиции [3]. Затем через патрубок 4 для подачи газообразного окислителя внутрь защитной камеры 1 подают газообразный окислитель (воздух) и с помощью инициирующего устройства 5 (электроразрядника, запального устройства, горелки и т.п.) осуществляют поджог зажигательной композиции. Быстропротекающее и краткосрочное горение зажигательной композиции обеспечивает инициирование в порошкообразном металлизированном топливе смеси экзотермической реакции между ее компонентами, в ходе которой происходит термопереработка РИОС. Образующийся при этом шлак уплотняется (чему в значительной мере способствует давление на него подаваемого сверху вниз окисляющего газа) и собирается в съемном контейнере 13 термореактора.

Отходящие газы из термореактора 8 проходят через металлические перфорированные пластины 16, керамический фильтр 17 и по газоотводной магистрали 6 направляются в систему газоочистки 9, откуда с помощью газовытяжного устройства 10 (вентилятора, компрессора и т.п.) сбрасываются в атмосферу через газосбросной узел 11, причем принудительное удаление отходящих газов в значительной мере способствует повышению производительности работы устройства за единичный цикл термопереработки РИОС.

После завершения единичного цикла термопереработки РИОС из защитной камеры 1 через узел выгрузки 3 выгружают съемный контейнер 13 термореактора, который вместе с продуктами термопереработки РИОС направляют на захоронение, а в защитной камере 1 размещают новый съемный контейнер 13 термореактора.

Испытания показали, что в заявляемом устройстве:
- коэффициент сокращения объема термоперерабатываемых РИОС в 3 - 5 раз выше, чем в устройстве наиболее близкого аналога;
- в отходящих газах, поступающих в систему газоочистки, отсутствуют токсичные и горючие компоненты, а содержание радионуклидов в 1,5 раз меньше, чем в отходящих газах, образующихся при работе устройства наиболее близкого аналога;
- величина давления в защитной камере не превышает атмосферного:
- отсутствуют местные перегревы в пристеночных зонах термореактора;
- производительность за единичный цикл термопереработки РИОС выше по сравнению с устройством наиболее близкого аналога в 5 раз.

Литература
1. Заявка Японии N 6031868 В₄, МКИ G 21 F 9/30, оп.27.04.94.

2. Заявка Японии N 5088440 B₄, МКИ G 21 F 9/30, оп. 22.12.93.

3. Патент РФ N 2114471 C1, МКИ⁶ G 21 F 9/32, оп. 27.06.98 в Бюл. N 18.

Формула изобретения

Устройство для термической переработки радиоактивных ионообменных смол, включающее термореактор, имеющий в своем составе съемный контейнер термореактора, содержащий корпус съемного контейнера термореактора и днище съемного контейнера термореактора, а также газоотводную магистраль, соединенную с системой газоочистки, отличающееся тем, что устройство содержит защитную камеру с расположенными на ее верхней торцевой части узлом загрузки, на верхней боковой части - патрубком для подвода газообразного окислителя и инициирующим устройством, на боковой части - узлом выгрузки, а на нижней внутренней поверхности - опорным кольцом, термореактор содержит расположенную внутри защитной камеры в ее верхней части направляющую камеру термореактора, нижняя торцевая часть расположена вплотную к верхней торцевой части съемного контейнера термореактора, также расположенного внутри защитной камеры и установленного днищем съемного контейнера на опорном кольце, днище съемного контейнера термореактора состоит из двух металлических перфорированных пластин, между которыми расположен керамический фильтр, газоотводная магистраль расположена на нижней боковой части защитной камеры, причем опорное кольцо размещено выше уровня расположения газоотводной магистрали, а система газоочистки соединена с газовытяжным устройством, подсоединенным к газосбросному узлу.

РИСУНКИ

Рисунок 1