Способ обработки радиоактивного графита

 

Изобретение относится к способам обработки радиоактивного графита. Сущность изобретения: способ обработки радиоактивного графита включает окисление графита и образование воды и диоксида углерода. Радиоактивный графит окисляют перегретым паром или газами, содержащими водяной пар, при температуре от 250 до 900°С для образования водорода и монооксида углерода. Далее полученные водород и монооксид углерода окисляют кислородом для образования воды и диоксида углерода. Преимущества изобретения заключаются в том, что отделяют углерод от других радиоактивных элементов и переводят углерод в газообразное состояние. 11 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Настоящее изобретение относится к способу обработки радиоактивного графита и, в частности, радиоактивного графита, которым становится графит, используемый в качестве материала замедлителя в ряде конструкций ядерных реакторов.

Графит, который преимущественно состоит из элементарного углерода, применяют в качестве замедлителя в ряде таких конструкций ядерных реакторов, как газоохлаждаемые реакторы MAGNOX (магноксовый ядерный реактор) и AGR (усовершенствованный газоохлаждаемый реактор) в Великобритании и реактор конструкции RBMK (РБМК) в России. В процессе конструирования замедлитель реактора обычно монтируют в виде взаимозамыкающейся структуры из графитовых кирпичей. В конце срока жизни ректора графитовый замедлитель, весящий, как правило, около 2000 тонн, представляет собой разновидность радиоактивных отходов, которые требуют окончательной утилизации. Графит представляет собой относительно химически устойчивую форму углерода, которая во многих отношениях пригодна для непосредственной утилизации без переработки. Однако после облучения нейтронами графит будет содержать накопленную энергию Вигнера. Возможность высвобождения этой энергии требует согласования при применении какой-либо стратегии, основанной на удалении графита в необработанном виде. Альтернативно переработка графита перед его удалением может обеспечить безопасное высвобождение любой накопленной энергии Вигнера.

Графит также содержит значительные количества радионуклидов, полученных в результате индуцированных нейтронами реакций, как в самом графите, так и в незначительных примесях, содержащихся в нем. Содержащиеся изотопы можно стандартным образом разделить на две категории. Короткоживущие изотопы (такие, как кобальт-60) вызывают сложности при работе с графитом сразу после отключения реактора, но они распадаются через несколько десятилетий. Долгоживущие изотопы (в частности, углерод-14) вызывают озабоченность в связи с возможностью их попадания в биосферу. Переработка графита предполагает возможность отделения короткоживущих изотопов от основной части графитовой массы (углерода). Это, в свою очередь, облегчает управление графитовыми отходами вскоре после окончания срока службы реактора.

Из-за свойств графита и его массы в настоящее время самой обычной процедурой прекращения эксплуатации ядерных реакторов с графитовыми замедлителями является “безопасное хранение” активной зоны реактора in-situ в течение десятков лет после отключения ядерного реактора. В течение этого периода времени короткоживущие радиоизотопы распадаются в достаточной мере, чтобы позволить осуществление окончательного демонтажа графитового замедлителя вручную. При этом в большей части планов в Великобритании предполагается, что графит будет удален в существующей химической форме при соответствующей дополнительной упаковке для предотвращения разложения или высвобождения в течение долгого периода времени продуктов распада углерода-14.

Безопасное хранение имеет определенные отрицательные последствия, поскольку предполагает долговременные финансовые обязательства, назойливую структуру, не имеющую производственного назначения, требует постоянного наблюдения, а также требует, чтобы будущее поколение (которое не получило никакой выгоды от первоначального имущества) завершило окончательную очистку. Если альтернативу безопасного хранения заменить управлением с более коротким сроком, существенной становится безопасная и приемлемая с радиологической точки зрения переработка графита.

Наиболее близким техническим решением является патент Японии №6094896, в котором описан способ обработки радиоактивного графита, позволяющий снизить объем отходов радиоактивного графита. В известном способе радиоактивный графит измельчают на кусочки размером менее 1,5 мм и сжигают в печи, дополнительно вводя кислород, при температуре 800-1200°С с образованием воды и диоксида углерода. Недостатком предложенного способа является необходимость тонкого измельчения радиоактивного графита на помольном оборудовании, потребность процесса в высоких температурах и строго регламентированное введение кислорода.

Заявителем разработан способ, который обеспечивает подходящее средство для превращения графита в такую форму, где удаляется вся энергия Вигнера, и который можно применять для превращения в газ углерода в графите и для практического аккумулирования газифицированного углерода в пригодном для дальнейшей переработки виде. Разработанный заявителем способ также можно применять для эффективного отделения в графите углерода от других радиоактивных элементов, присутствующих в замедлителе, чтобы обеспечить простоту обращения и облегчить сброс углеродной массы в атмосферу. Указанный способ можно применять для обработки отдельных блоков или частиц графита, удаленного из активной зоны реактора обычным путем. Разработанный заявителем способ можно также применять в случае медленного воздействия на графит замедлителя in-situ, причем медленно, управляемо и без необходимости вмешательства человека в активную зону реактора.

Соответственно, в настоящем изобретении предложен способ обработки радиоактивного графита, включающий операции:

(а) взаимодействие радиоактивного графита с перегретым паром или газами, содержащими водяной пар, с образованием водорода и монооксида углерода в интервале температур от 250 до 900°С и

(б) взаимодействие водорода и монооксида углерода, полученных на операции (а), с образованием воды и диоксида углерода.

На чертеже представлена технологическая схема способа обработки радиоактивного графита согласно настоящему изобретению.

Настоящее изобретение представляет собой способ, применимый к графитовым материалам, которые применялись в качестве замедлителя в активной зоне термоядерного реактора и которые более не пригодны для этой цели. Изобретение также применимо к любым другим графитовым материалам (гильзам и креплениям топливных элементов и т.д.), облученным потоком нейтронов в активной зоне ядерного реактора.

На операции (а) в способе по настоящему изобретению реакцию между графитом и перегретым паром или газами, содержащими водяной пар, осуществляют при температуре в интервале от 250 до 900°С, предпочтительно от 600 до 700°С, чтобы получить водород и монооксид углерода. Этот тип процесса в технике известен как “паровой реформинг”. Реакцию на операции (а) можно осуществлять с добавлением кислорода к пару или газам, содержащим водяной пар, чтобы обеспечить для способа экзотермическую энергию реакции. Добавление кислорода позволяет контролировать температуру реакции парового реформинга.

Газы, полученные на операции (а), затем дополнительно окисляют кислородом на операции (б), чтобы получить диоксид углерода и воду. Во время процесса газы поддерживаются в закрытой атмосфере.

Диоксид углерода и воду, которые получают в данном способе, можно впоследствии утилизировать по одной из следующих методик:

- Контролируемый сброс диоксида углерода в атмосферу после какой-либо дополнительной переработки, необходимой для сведения к минимуму радиоактивной составляющей.

- Сжатие и сжижение диоксида углерода для временного хранения, переработка, транспортировка или утилизация.

- Конденсация пара с получением воды для обработки, утилизации и сброса и/или

- Дополнительная химическая переработка диоксида углерода с получением подходящей для утилизации формы твердых отходов, такой как карбонат кальция.

Способ по настоящему изобретению можно осуществлять или in-situ, в активной зоне выведенного из эксплуатации ядерного реактора или (на внешнем оборудовании) на кусках или частицах графита, удаленных из активной зоны реактора.

Вторичные радиоактивные отходы, получаемые в результате способа по предлагаемому изобретению или в результате дополнительной переработки диоксида углерода, образуются в данном способе перед сбросом, и с ними можно обращаться любым традиционным способом, соответствующим стандартным методикам, применяемым в ядерной технике.

Обработка графита in-situ предполагает, что графит в активной зоне реактора находится в условиях, пригодных для газификации графита. Реакции in-situ можно проводить различными способами, как это описано ниже.

Согласно первому способу диоксид углерода, азот или иной инертный газ можно рециркулировать через реактор при помощи обычного, расположенного в одном помещении оборудования и, если потребуется, с добавлением незначительных, контролируемых количеств пара и/или кислорода. Для удаления монооксида углерода, водорода и диоксида углерода боковой погон из обводной линии труб постоянно извлекают. Для снижения потенциальной опасности взрыва водорода в обводной линии труб обработки предпочтительно устанавливают каталитический преобразователь водорода, чтобы превращать весь водород в воду. Этот вариант требует впрыскивания в каталитический преобразователь незначительного количества кислорода.

При добавлении следовых количеств кислорода контур реактора поддерживают при температуре выше 250°С, чтобы реакции окисления протекали в течение времени, достаточного для применения менее 5% концентрации кислорода в рециркулирующих газах. Применение ограниченных уровней содержания кислорода рекомендовано для устранения любых потенциальных взрывоопасных реакций.

При добавлении пара контур реактора поддерживают при температуре свыше 350°С с тем, чтобы реакции преобразования протекали с подходящей скоростью.

Во втором способе газы впрыскивают в реактор и удаляют из него без применения расположенного в одном помещении оборудования. Этот способ включает изолирование реактора от остальной системы установки. Для впрыскивания газов в реактор и удаления газообразных продуктов реакции моно применять внешнюю обводную линию труб рециркуляции газов. Выбранные зоны реактора можно поддерживать при высокой температуре посредством впрыскивания перегретых газов при температуре от 400 до 900°С или посредством генерирования необходимого тепла внутри реактора. Генерирование тепла внутри реактора можно обеспечить установкой электрических трубчатых нагревателей или трубчатых нагревателей сгорания, помещенных в один или более топливный канал. Реакция in-situ, в которой применен этот способ, позволяет осуществлять предпочтительное удаление графита в выбранных зонах реактора с тем, чтобы осуществлять удаление графита в определенной последовательности. Это очень ценный признак безопасности, поскольку он позволяет удалять графит конструкционно-безопасным образом, предотвращая возможность разрушения разупрочненной структуры замедлителя во время более поздних стадий его удаления. Осуществимости локального удаления графита при помощи этого способа дополнительно способствует пониженная теплопроводность графита в конце срока службы замедлителей, которая возникает в результате облучения нейтронами. По оценкам свыше 75% графита можно удалить таким способом. Впрыскиваемые газы могут, если это требуется, состоять из инертного газа и пара совместно с кислородом. Окончательного удаления последних следов графита можно достигнуть, например, посредством возвращения к предыдущему способу, обсужденному ранее.

Если способ по настоящему изобретению осуществляют на кусках или частицах графита, которые были удалены из активной зоны реактора, то указанный способ можно осуществлять непрерывно, полунепрерывно или периодически. Способ можно осуществлять, применяя стационарный слой, сформированный из частиц или кусков графита, или, предпочтительно, способ осуществлять в реакторе с кипящим слоем. Предпочтительно слой флюидизировать, применяя в качестве средства флюидизирования реагент-пар, но следует принимать во внимание, что слой реагента можно флюидизировать при помощи инертного газа, такого как азот или диоксид углерода, при соответствующем впрыскивании пара и/или кислорода, чтобы обеспечить протекание реакции. Инертный материал слоя можно применять в кипящем слое для стабилизации температуры при впрыскивании в сосуд пара и/или кислород.

Реакция парового реформинга протекает согласно следующему уравнению:

С+H₂ O→СО+Н ₂.

Во время второй операции способа по данному изобретению монооксид углерода и водород окисляются до диоксида углерода и воды. Это обычно осуществляют с применением газа-кислорода в качестве окисляющего агента. Реакцию окисления можно проводить в том же самом сосуде, в котором осуществляют реакцию парового рефирминта, или в другом сосуде. Например, если реакцию парового реформинга проводят в реакторе с кипящим слоем, то кислород можно вводить в верхнюю зону реактора с кипящим слоем с тем, чтобы обе операции способа осуществлять в едином реакционном сосуде.

Преимущество способа по данному изобретению заключается в том, что по сравнению со сжиганием радиоактивного графита предлагаемый способ можно осуществлять при соответствующем контроле условий загрязнения. Таким образом, можно уменьшить или даже устранить сброс опасных или радиоактивных материалов с отходящими газами. Другим важным преимуществом является низкий объем отходящих газов, включая возможность достижения по существу нулевого выделения газов, что упрощает манипулирование. Кроме того, способ позволяет осуществлять контролируемое высвобождение энергии Вигнера, накопленной в радиоактивном графите.

Далее настоящее изобретение будет пояснено со ссылкой на прилагаемый чертеж, где приведен общий вид технологической схемы одного из средств осуществления способа по настоящему изобретению.

Согласно чертежу радиоактивный графит дистанционно удаляют из активной зоны ядерного реактора посредством водомета или механического режущего инструмента. Куски графита и воду вводят в дробилку 1 мокрого измельчения, где получают кусочки графита размером менее 1 см. Измельченный графит смешивают с водой в сосуде 2, и суспензию подают непосредственно в реформинг-установку 4 с кипящим слоем посредством суспензионного струйного насоса 3, при этом не требуется никакой предварительной обработки или манипулирования. Альтернативно графит можно измельчить до кусков размером менее 12,0 см, предпочтительно менее 4,0 см, для непосредственного введения в реформинг-установку 4 посредством механического винтового конвейера 5.

Реформинг-установка 4 с кипящим слоем служит для выпаривания всей воды из графитовой суспензии и других подаваемых жидких отходов и для пиролиза любых органических компонентов в результате сухой перегонки (пиролиза). Энергию, необходимую для выпаривания подаваемой воды и осуществления эндотермического процесса преобразования, обеспечивают функционированием кипящего слоя в режиме автотермического парового реформинга. Монооксид углерода и водород, получаемые в процессе преобразования слоя паром, полностью окисляют до диоксида углерода и воды в верхней зоне кипящего слоя при помощи впрыскивания кислорода по трубопроводу 6. Газ, отходящий из реформинг-установки 4, который уходит из реформинг-установки по трубопроводу 7, содержит мелкие частицы, включая большинство радионуклидов и нелетучие неорганические материалы, такие как диоксид кремния и кальций, и газообразные компоненты, такие как пар, диоксид углерода и газообразные радионуклиды, в частности, тритий, углерод-14 и йод. Твердый остаток выводят из реформинг-установки 4 при помощи флюидизирующего потока и газов.

Частицы в газе, отходящем из реформинг-установки, удаляют из потока отходящего газа при помощи высокотемпературного фильтра или мокрого скруббера 8. Если предлагаемым способом требуется обработать только графит, то для очистки отходящего газа от всех нелетучих радионуклидов потребуется только высокотемпературный фильтр. В случае переработки других потоков применяют мокрый скруббер, как это показано на чертеже. В таблице приведен перечень типичных радионуклидов, обнаруженных в графитовом замедлителе, а также показано, как распределяются радионуклиды в способе по настоящему изобретению.

Благодаря применению мокрого скруббера 8 происходит очистка отходящих газов посредством удаления частиц, выносимых из реформинг-установки 4, и нейтрализация любых возможных кислых газов. Скрубберный раствор концентрируют при помощи горячих газов, отходящих из реформинг-установки 4, до содержания в нем от 1 до 20 мас.% твердого вещества. Величину рН скрубберного раствора регулируют между 5,0 и 7,0, чтобы свести к минимуму поглощение диоксида углерода и гарантировать удаление кислых газов. Раствор соли можно направлять по трубопроводу 9 для обработки традиционными способами, такими как непосредственный сброс (если это позволяет уровень радиоактивности), сброс после выборочного удаления радиоактивных веществ или герметизация с образованием твердых отходов. В случае выбора варианта сброса нерастворимые составляющие в скрубберном растворе можно удалить фильтрованием.

Теплый, насыщенный водой, поток отходящего газа покидает скруббер 8 по трубопроводу 10 и может быть дополнительно обработан для удаления по существу всего водяного пара при помощи охлаждаемого конденсатора 11. Сконденсированная вода, выходящая по трубопроводу 12 из конденсатора 11, будет включать по существу весь тритий, полученный из графита. Вода из конденсатора со следовыми количествами трития может быть обработана по одному из следующих способов. Ее можно отправлять на повторный цикл, чтобы предусмотреть снижение водопотребления, или подавать перегретый пар в реформинг-установку. Альтернативно ее можно сбрасывать в виде водяного пара или жидкой воды или применять для смешивания с цементом для затвердевания других радиоактивных отходов. Некоторое количество йода в отходящем газе также имеет тенденцию к переносу с водой, выходящей по трубопроводу 13 из конденсатора 11.

Холодный, сухой отходящий газ состоит почти исключительно из диоксида углерода и незначительных количеств кислорода и азота. Если регламент позволяет, обогащенный диоксидом углерода отходящий газ можно профильтровать через высокоэффективный сухой воздушный фильтр в сосуде 14, проконтролировать в позиции 15 и затем сбросить в оборудование 16 для вывода. Если по регламенту потребуется, диоксид углерода можно удалить из отходящего газа при помощи конденсатора 18, охлаждаемого СО₂. Поглотитель 17 воды требуется, чтобы удалять все следы воды, которая могла бы повлиять на работу СО₂ сепаратора 18. Сконцентрированный диоксид углерода можно передавать по трубопроводу 20 для его превращения в твердую карбонатную соль. Остающиеся неконденсируемые газы затем можно направить по трубопроводу 19 на высокоэффективный сухой воздушный фильтр 14, проконтролировать и затем сбросить в оборудование 16 для вывода. Оставшийся маленький поток отходящего газа составляет менее 5% от потока отходящих газов на выходе из реформинг-установки.

Применяя существующую технологию, поток 20 концентрированного диоксида углерода, выходящий из конденсатора, можно превратить в твердое, инертное соединение карбоната. Например, диоксид углерода может взаимодействовать с оксидами кальция или магния или с металлами с образованием нерастворимых солей карбоната магния или кальция. Взаимодействие диоксида углерода с бросовыми осколками магноксового тепловыделяющего элемента описано в некоторых публикациях (например, "CEGB dissolves Magnox fuel element debris at Dungeness" by FH Passant, CP Haigh and ASD Willis Nuclear Engineering International, February 1988, pp.48-51).

Карбонатную соль также можно превратить в плотные гранулы или в порошок и обычным образом применять для заполнения пустот в существующих контейнерах сброса радиоактивных отходов.

Формула изобретения

1. Способ обработки радиоактивного графита, включающий окисление графита и образование воды и диоксида углерода, отличающийся тем, что радиоактивный графит при температуре в интервале 250 - 900°С окисляют перегретым паром или газами, содержащими водяной пар, для образования водорода и монооксида углерода и затем полученные водород и монооксид углерода окисляют кислородом для образования воды и диоксида углерода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура окисления радиоактивного графита находится в интервале 600 - 700°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что окисление радиоактивного графита осуществляют в пределах активной зоны выведенного из эксплуатации ядерного реактора.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что его осуществляют за пределами выведенного из эксплуатации ядерного реактора на кусках или частицах графита, удаленного из активной зоны указанного реактора.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что куски или частицы графита, удаленного из активной зоны указанного реактора, образуют слой в реакторе с неподвижным или кипящим слоем.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что куски или частицы графита имеют длину в наибольшем измерении менее 12 см, предпочтительно менее 4 см.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что реактором является реактор с кипящим слоем, где слой флюидизируют с помощью пара или смеси пар/инертный газ.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что окисление полученных водорода и монооксида углерода осуществляют в том же самом реакторе, что и окисление радиоактивного графита.

9. Способ по п.7, отличающийся тем, что кипящий слой содержит инертные твердые вещества.

10. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что к пару или газам, содержащим водяной пар, добавляют кислород, чтобы обеспечить способ экзотермической реакционной энергией.

11. Способ по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что образованный диоксид углерода концентрируют и превращают в твердый карбонат.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что диоксид углерода превращают в твердый карбонат, выбранный из группы, включающей карбонат кальция и карбонат магния.

РИСУНКИ