Способ заплавления материалов и изделий

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ заплавления опасных материалов и/или изделий включает размещение заплавляющего материала, заплавляемых опасных материалов и/или изделий в металлическом контейнере и нагрев СВЧ-энергией. В качестве заплавляющего материала используют сыпучий радиопрозрачный материал, в который погружают заплавляемые опасные материалы и/или изделия до полного их окружения радиопрозрачным сыпучим материалом. Нагревают СВЧ-энергией опасные заплавляемые материалы и/или изделия, по меньшей мере, до температуры расплавления сыпучего радиопрозрачного материала, соприкасающегося с заплавляемыми опасными материалами и/или изделиями, для получения вокруг заплавляемых опасных материалов и/или изделий монолитной оболочки. Преимущества изобретения заключаются в надежной фиксации опасных веществ. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области изоляции опасных материалов и/или изделий от окружающей среды и может быть использовано, например, для заплавления радиоактивных отходов в сплавленную из различных радиопрозрачных материалов плотную монолитную оболочку.

Известен способ переработки радиоактивных материалов путем расплавления в печи смеси шихты стекла с радиоактивным материалом с последующей разливкой стекла в металлический контейнер, который затем герметизируют (В.И.Комаров и др. «Переработка радиоактивных отходов с использованием СВЧ-энергии». Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып.2 (476), 2000, ГНПП «Исток», Фрязино, Моск. обл., с.30-36).

Недостатками такого способа является следующее:

- при проведении плавок вышеупомянутой смеси возникают вторичные отходы с высокой активностью, дезактивация которых практически невозможна;

- при переработке ряда радиоактивных отходов в печах накапливается осадок металлоподобной фазы, что приводит к аварийным ситуациям;

- при остановке процесса, приводящей к застыванию стекломассы, продолжить процесс уже невозможно.

Эти недостатки в значительной мере устранены путем использования СВЧ-нагрева.

За прототип принят способ, при котором используют шихту стекла, смешанную с радиоактивными отходами. Смесь помещают в сменный металлический контейнер и нагревают, воздействуя на нее СВЧ-энергией. В результате происходит расплавление шихты и варка стекла. СВЧ-энергию отключают, и стекломасса остывает. Таким образом происходит стеклование радиоактивных отходов. Затем металлический контейнер герметизируют (В.И.Комаров и др. «Переработка радиоактивных отходов с использованием СВЧ-энергии». Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып.2 (476), 2000, ГНПП «Исток», Фрязино, Моск. обл., с.30-36).

Однако данный способ также имеет недостатки

Поскольку находящаяся в контейнере шихта стекла, смешанная с радиоактивными отходами, должна быть вся не только расплавлена, но и проварена, образующийся расплав обязательно вплотную примыкает к стенкам металлического контейнера. Это приводит к тому, что:

- контейнер нагревается до температуры варки стекла и, чтобы избежать деформации контейнера, необходимо применять стекла с температурой варки не выше 1000°С. Более надежные для изоляции радиоактивных отходов тугоплавкие стекла использовать нельзя;

- при высоких температурах возникает химическое взаимодействие материала расплавленной шихты с радиоактивными отходами и материалом стенок контейнера, что совершенно недопустимо;

- резко возрастают потери тепла;

- на поверхности полученного стеклянного слитка всегда присутствуют радиоактивные вещества;

- хрупкий стеклянный слиток слабо защищен от внешних механических воздействий, что может привести к его растрескиванию, дроблению и потере изолирующих свойств.

Предлагаемый способ предназначен для исключения вышеперечисленных недостатков.

Способ заключается в том, что опасные материалы и/или изделия, подлежащие заплавлению, погружают в находящиеся в контейнере радиопрозрачные сыпучие материалы, например кварцевый песок, окись алюминия и т.п., до полного их окружения радиопрозрачным сыпучим материалом. В контейнер подают СВЧ-энергию, которая, пройдя через радиопрозрачный сыпучий материал, нагревает опасные материалы и/или изделия до температуры, по меньшей мере, достаточной для расплавления, по меньшей мере, слоя сыпучего радиопрозрачного материала, соприкасающегося с заплавляемыми опасными материалами и/или изделиями и образования вокруг них монолитной оболочки. Затем СВЧ-энергию сразу или постепенно отключают, расплав остывает, образуя плотную монолитную оболочку. При этом между монолитной оболочкой и стенками металлического контейнера всегда остается слой непроплавленного сыпучего радиопрозрачного материала. Заплавляемые в оболочку опасные материалы и/или изделия можно оставить в том же контейнере или переложить в другой. Контейнер с заплавленными опасными материалами и/или изделиями затем герметизируют.

Для уменьшения объема и увеличения плотности заплавляемые опасные материалы и/или изделия можно предварительно подпрессовать и/или спечь.

Если заплавляемые опасные материалы и/или изделия хотя бы на первых стадиях нагрева не обладают достаточной поглощающей СВЧ-энергию способностью, их можно предварительно смешать с веществами-поглотителями для усиления эффекта нагрева опасных материалов и/или изделий.

Для улучшения изолирующих свойств монолитной оболочки, окружающей заплавляемые опасные материалы и/или изделия, радиопрозрачный сыпучий материал формируют из нескольких, по меньшей мере, двух последовательно расположенных слоев разных радиопрозрачных материалов, например, в качестве одного слоя используют окись алюминия, а в качестве второго слоя - кварцевый песок..

Новым в предлагаемом способе заплавления опасных материалов и/или изделий является то, что их погружают в сыпучий радиопрозрачный материал до полного их окружения сыпучим радиопрозрачным материалом. При воздействии СВЧ-энергией заплавляемые опасные материалы и/или изделия нагревают до температуры, по меньшей мере достаточной для расплавления, по меньшей мере, слоя сыпучего радиопрозрачного материала, соприкасающегося с нагретыми заплавляемыми опасными материалами и/или изделиями, и образования монолитной оболочки, изолированной от стенок контейнера слоем непроплавленного радиопрозрачного сыпучего и потому теплоизолирующего материала.

Предлагаемый способ обладает очевидными преимуществами:

- температура в центральной части заплавляемых опасных материалов и/или изделий может достигать 2500°С и выше. Таким образом, для лучшей их изоляции можно использовать заплавляющие радиопрозрачные сыпучие материалы с высокими температурами плавления;

- монолитная оболочка полностью окружена непроплавившимся сыпучим радиопрозрачным материалом, образующим «подушку», предохраняющую оболочку и заплавленные опасные материалы и/или изделия от механических повреждений при хранении, а стенки металлического контейнера - от химического и теплового воздействия; потерь тепла практически нет;

- заплавляемые опасные материалы и/или изделия оказываются полностью изолированными плотной монолитной оболочкой (ами) и не выходят на поверхность этих оболочек.

На фиг.1 показаны заплавляемые опасные материалы и/или изделия, помещенные в радиопрозрачную сыпучую среду до их полного окружения.

На фиг.2 показаны опасные материалы, заплавленные в оболочку из радиопрозрачного материала и окруженные слоем сыпучего радиопрозрачного материала.

на фиг.3 показаны заплавляемые опасные материалы и/или изделия, помещенные в радиопрозрачную сыпучую среду, сформированную из двух слоев различных радиопрозрачных материалов до их полного окружения.

- на фиг.4 показаны опасные материалы, заплавленные в многослойную оболочку из различных радиопрозрачных материалов.

Способ осуществляется следующим образом.

Заплавляемые опасные материалы и/или изделия 1 погружают в сыпучий радиопрозрачный заплавляющий материал 2 так, чтобы опасные материалы и/или изделия были полностью окружены заплавляемым сыпучим радиопрозрачным материалом. Для этого в металлический контейнер 3 вначале помещают заплавляющий материал 2 и в него погружают заплавляемые опасные материалы и/или изделия, закрывают контейнер крышкой 4 с отверстием 5, через которое в контейнер 3 подают СВЧ-энергию, проходящую через радиопрозрачный сыпучий материал 2 (фиг.1). Воздействуя СВЧ-энергией на заплавляемые опасные материалы и/или изделия 1, их нагревают, по меньшей мере, до температуры, необходимой для расплавления соприкасающегося с ними радиопрозрачного материала 2, и образования монолитной оболочки 6. При этом сами опасные материалы и/или изделия 1 могут спекаться или расплавляться. Затем СВЧ-энергию отключают (сразу или постепенно в зависимости от технологии) и содержимое контейнера 3 остывает. В результате опасные материалы и/или изделия 1 оказываются заключенными в плотную монолитную защитную оболочку 6, окруженную со всех сторон нерасплавленным сыпучим радиопрозрачным материалом 2, являющимся теплоизолирующим слоем и одновременно «подушкой», предохраняющей заплавленные опасные материалы и/или изделия 1 и их оболочку 6 от механических воздействий, а стенки металлического контейнера 3 - от теплового и химического воздействия (фиг.2). При необходимости заплавляемые опасные материалы и/или изделия 1 можно переложить в другой контейнер.

Заплавляемые опасные материалы и/или изделия 1 можно предварительно подпрессовать и/или спечь.

Радиопрозрачный сыпучий материал 2 может быть сформирован из нескольких, например двух, последовательных слоев разных радиопрозрачных материалов (фиг.3), например из окиси алюминия и кварцевого песка, в результате чего оболочка 6 получается многослойной (фиг.4).

1. Способ заплавления опасных материалов и/или изделий, включающий размещение заплавляющего материала, заплавляемых опасных материалов и/или изделий в металлическом контейнере, нагрев СВЧ-энергией, по меньшей мере, до температуры расплавления заплавляющего материала и отключение СВЧ-энергии, отличающийся тем, что в качестве заплавляющего материала используют сыпучий радиопрозрачный материал, в который погружают заплавляемые опасные материалы и/или изделия до полного их окружения радиопрозрачным сыпучим материалом, нагревают СВЧ-энергией опасные заплавляемые материалы и/или изделия, по меньшей мере, до температуры расплавления сыпучего радиопрозрачного материала, соприкасающегося с заплавляемыми опасными материалами и/или изделиями, для получения вокруг заплавляемых опасных материалов и/или изделий монолитной оболочки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сыпучий радиопрозрачный материал состоит из нескольких слоев, благодаря чему получают многослойную оболочку.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что заплавляемый материал предварительно подпрессовывают и/или спекают.