Способ комплексной переработки твердых радиоактивных отходов методом плавления в электрической печи постоянного тока

Авторы патента:

Гуламов Алишер Абдумаликович (RU)

Малышев Владимир Николаевич (RU)

Богданов Анатолий Викторович (RU)

Сорокин Юрий Иванович (RU)

Жукова Людмила Алексеевна (RU)

Никитенко Валерий Геннадьевич (RU)

Жабицкий Михаил Георгиевич (RU)

Киселев Сергей Вячеславович (RU)

Блохин Владимир Николаевич (RU)

G21F9/28 - обработка твердых радиоактивных отходов

Владельцы патента RU 2481659:

Богданов Анатолий Викторович (RU)
Малышев Владимир Николаевич (RU)
Никитенко Валерий Геннадьевич (RU)
Гуламов Алишер Абдумаликович (RU)
Киселев Сергей Вячеславович (RU)
Сорокин Юрий Иванович (RU)
Жукова Людмила Алексеевна (RU)
Блохин Владимир Николаевич (RU)
Жабицкий Михаил Георгиевич (RU)

Изобретение относится к области атомной промышленности и энергетики. Переработка ТРО происходит путем их расплавления в печи постоянного тока. Под действием высокой температуры, сил гравитации и действия электрического поля осуществляется перераспределение радионуклидов по физико-химическим свойствам в конечных компонентах переработки. Изобретение позволяет сократить объем ТРО до 50 раз. 3 ил.

Изобретение относится к области атомной промышленности и энергетики.

В проектах действующих атомных станций (АЭС) РФ твердые низко- и среднерадиоактивные отходы, образующиеся в процессе эксплуатации, после сортировки размещались в боксах хранилищ твердых радиоактивных отходов (ХТРО) или хранилищ жидких и твердых отходов (ХЖТО) «навалом». Значительные объемы накопленных твердых радиоактивных отходов (ТРО) и заполнение проектных хранилищ привело к необходимости сокращения объемов ТРО.

Основными способами сокращения объемов ТРО на действующих и вновь проектируемых АЭС приняты методы сжигания, прессования и «высокого» прессования.

При сжигании образующаяся мелкодисперсная летучая зола выгружается из печи в металлическую бочку объемом 200 дм³. С целью омоноличивания зольного остатка применяется его цементирование. После цементирования бочки размещаются в невозвратные железобетонные контейнеры (НЗК). Тем самым дополнительно увеличивается общее количество ТРО. При сжигании используется органическое топливо, образуются диоксиды и фураны, что в значительной мере усложняет систему газоочистки.

При прессовании твердых отходов происходит измельчение волокнистых и строительных отходов. По принятой на АЭС РФ технологии прессования ТРО загружаются в металлическую бочку объемом V=200 дм³ с последующим прессованием на установке с усилием G=950 кН.

«Высокое» прессование или суперпрессование осуществляется путем деформации заполненной бочки на прессе с усилием G=20 МН, что приводит к разрушению защитного покрытия металла бочки, особенно ее внутренних поверхностей. Поэтому предсказать стойкость металла упаковки, находящегося под действием внутренних напряжений от прессования, напряжений со стороны прессованных материалов и влияния ионизирующего излучения на составляющие размещенных в ней отходов, очень сложно.

Коэффициент «высокого» прессования ТРО достигает 5-7

Использование металлических бочек и НЗК из чистых материалов значительно увеличивает общее количество ТРО и снижает коэффициент уменьшения объема ТРО.

Во всех перечисленных способах не происходит фиксации радионуклидов, не предусмотрена сертификация отходов, что исключает прогнозирование стойкости упаковки при длительном хранении или захоронении.

Известен способ переработки радиоактивных отходов (РАО) в «холодном тигле», аналог индукционного метода плавления металлических материалов. Однако ввиду низкой электропроводности ТРО, сложной конструкции и значительных температурных потерь на охлаждение «холодного тигля», данный метод переработки не получил распространения.

Использование плазмы в качестве теплоносителя при высокотемпературном способе плавления ТРО связано с введением в процесс дополнительно большого количества инертного газа или воздуха высокой очистки. Применение плазмы приводит к большим тепловым нагрузкам поверхностей плавильной установки и низкой теплоотдачи из-за неравномерной плотности перерабатываемых ТРО. При этом усложняется система газоочистки за счет образования большого объема отходящих газов и образования диоксидов и фуранов.

Способ комплексной переработки твердых радиоактивных отходов методом плавления в электрической печи постоянного тока заявителям неизвестен.

Предлагаемый способ комплексной переработки ТРО методом плавления заключается в том, что плавление отходов в электрической печи постоянного тока (Фиг.1) происходит за счет «джоулева» тепла, выделяемого при протекании тока в расплаве между опускным электродом 3 и донной фазой печи 7. В процессе плавления изменяется агрегатный и морфологический состав продуктов переработки. При этом происходит частичное перераспределение радионуклидов. Под действием высокой температуры t=1500-2000°С все органические соединения, составляющие ТРО, переходят в газообразное состояние и удаляются на систему газоочистки 4, неорганические - плавятся и накапливаются в печи. После слива расплава в упаковку или форму и его охлаждения получается монолитный стеклообразный композит, близкий по структуре к базальтам с высокой механической прочностью и химической стойкостью. Фиксация радионуклидов в подобной матрице гарантирует их нераспространение на весь период хранения до необходимого уровня радиоактивного распада.

Формирование донной фазы электрической печи, «болота», осуществляется путем плавления металлических отходов на подине печи. По мере формирования «болота» производится загрузка отходов 2. В первоначальный период, до образования необходимого объема расплава 6, передача тепла электрической дуги отходам осуществляется жидким теплоносителем, в качестве которого используется расплавленный металл - «болото». В дальнейшем тепло выделяется за счет электротермического сопротивления расплава - «джоулево» тепло. По мере заполнения объема печи расплав сливается в форму или упаковку. Слив расплава осуществляется до зеркала «болота». Температура слива расплава из печи составляет t=1350-1500°С. «Болото» заменяется по мере достижения определенного уровня его активности. Оно состоит из расплавленных при формировании «болота» соединений железа и внедренных из расплава ГРО нуклидов кобальта ⁶⁰Со и других тяжелых металлов и сплавов.

С целью минимизации образования диоксидов и фуранов процесс протекает при ограниченном поступлении воздуха в зону плавления и резком охлаждении уходящих газов на выходе из печи плавления до температуры ниже 50°С.

Под действием высокой температуры, сил гравитации и электрического поля происходит перераспределение радионуклидов в получаемых компонентах продуктов переработки по схеме, приведенной на Фиг.2:

- легкие радионуклиды ¹³⁷Cs из основной массы твердой фракции отходящих газов удаляются на двухпоточную многоступенчатую систему газоочистки и после охлаждения улавливаются;

- вредные газовые соединения адсорбируются на водогазовом эжекторе;

- тяжелые радионуклиды ⁶⁰Со перемещаются в металлическое «болото» и образуют стабильную структуру сплава кобальта и железа;

- накапливаемый в печи расплав ТРО в процессе частичного извлечения радионуклидов переквалифицируется в очень низкоактивные отходы (ОНАО).

Изотоп ¹³⁷Cs является продуктом ядерного распада. При плавлении ТРО с высокой температурой в граничной зоне твердых материалов и расплава комплексные соединения ¹³⁷Cs цезия удаляются с отходящими газами и мелкодисперсной пылью и улавливаются в двухпоточной многоступенчатой системе газоочистки (Фиг.3).

При повторном переплаве уносов соединения цезия фиксируются в стекловидной массе. Радионуклид цезий ¹³⁷Cs плотностью ρ=1,873 г/см³, температура плавлении t_пл=28,6°С, температура кипения t_кип=669,2°С, период полураспада t_1/2=30,17 лет.

Радиоактивный кобальт ⁶⁰Со, период полураспада T_1/2=5,2713 года, с удельной плотностью, равной - 8,9 г/см³ с t_пл=1493°С и t_кип=2957°С в расплаве с плотностью - 2,7-2,8 г/см³ под действием гравитационных сил, как наиболее тяжелая составляющая, перемещается в расплав. Наличие вибрации при плавлении способствует этому процессу. Под действием электрического поля частицы перемещаются в «болото», имеющее отрицательный потенциал. Электрическое поле действует не только на микро- и макрочастицы (частицы пыли, дыма и т.д.), имеющие заряд, но и на электрически нейтральные частицы с общим нулевым зарядом, обладающие электрической полярностью или способные приобрести полярность в электрическом поле.

Процесс выделения тяжелых металлов из шлаковых соединений широко известен и применяется в металлургии черных и цветных металлов при обеднении шлаков в обеднительных или шлаковых печах.

Радионуклиды кобальт ⁶⁰Со и цезий ¹³⁷Cs составляют более 80% активности в ТРО. Их частичное удаление из состава расплава, по предлагаемому способу, позволит получить не только фрагменты ТРО, но и очень низких радиоактивных отходов (ОНАО).

Принципиальная схема работы электропечи показана на Фиг.1 и состоит из корпуса печи 1, узла загрузки 2, угольного электрода 3, системы удаления газов 4, источника постоянного тока 5; под пунктом 6 показан расплав ТРО, под пунктом 7 - расплав металлических отходов.

На Фиг.2 приведена принципиальная схема способа комплексной переработки ТРО методом плавления в электропечи постоянного тока.

На фиг.3 показана схема двухпоточной многоступенчатой системы газоочистки, состоящей из теплообменника 8, центробежного насоса 9, теплообменника циркуляционной воды 10, эжектора 11, рукавных фильтров 12, электростатических фильтров 13, фильтров финишной очистки 14.

В процессе плавления ТРО в печи поддерживается отрицательное давление с целью исключения выбросов в рабочую атмосферу цеха пыли и отходящих газов. Технологический процесс протекает под постоянным температурным и радиационным контролем. Образующиеся по предлагаемому способу комплексной переработки ТРО методом плавления композиты подлежат паспортизации. В дальнейшем они могут быть захоронены или вторично использованы как специфический строительный материал на полигоне АЭС, либо переданы на региональный пункт захоронения радиоактивных отходов (ПЗ РАО).

Согласно санитарным правилам «Обеспечение радиационной безопасности при обращении с промышленными отходами атомных станций, содержащими радионуклиды» СП 2.6.6.2572-2010:

п.4.1. Промышленные отходы с удельной бета-активностью от 0,3 до 100 кБк/кг, или с удельной альфа-активностью от 0,3 до 10 кБк, или с содержанием трансурановых радионуклидов от 0,3 до 1,0 кБк/кг относятся к очень низкоактивным отходам…(ОНАО).

«Основными санитарными правилами обеспечения радиационной безопасности» (ОСПОРБ-99) СП 2.6.1. 799-99 допускается их использование:

п.3.11.1 материалы и изделия с низкими уровнями содержания радионуклидов допускается использовать в хозяйственной деятельности. Критерием для принятия решения о возможном применении в хозяйственной деятельности сырья материалов и изделий, содержащих радионуклиды, является ожидаемая индивидуальная годовая эффективная доза облучения, которая при планируемом виде использования не должна превышать 10 мкЗв, а годовая коллективная эффективная доза не должна быть более 1 чел.-Зв.

п.3.11.4 Сырье, материалы и изделия с удельной бета-активностью от 0,3 до 100 кБк/кг, или с удельной альфа-активностью от 0,3 до 10 кБк/кг, или с содержанием трансурановых радионуклидов от 0,3 до 1,0 кБк могут ограниченно использоваться только на основании санитарно-эпидемиологического заключения органов государственного санитарно-эпидемиологического надзора на определенный вид применения. Эти материалы подлежат обязательному радиационному контролю.

Получаемые композиты могут быть использованы в хозяйственной деятельности в качестве специфического строительного материала при сооружении объектов для длительного хранения биологических отходов (патент 23214658 С2, МПК В09В 3/00 (2006.01), A61L 11/00 (2006/01).

Они могут быть использованы в виде источников ионизирующего излучения при стерилизации и дезинфекции или как исходные материалы получения радионуклидов.

Дезинфекция с помощью ионизирующего излучения регламентирована Государственным стандартом Союза ССР «Методы, средства и режимы стерилизации и дезинфекции изделий медицинского назначения» ГОСТ 25375-82 и применяются при:

- дезинфекции и обеззараживании любых жидких и твердых отходов, в том числе и медицинского происхождения (ЗАО "Обнинский Центр Естественных Наук и Технологий" (ОЦНТ));

- радиационной обработке воды (Санкт-Петербургский государственный технологический институт на примере Ленинградской АС);

- обеззараживании бытовых сточных вод («Энержи Системс», США);

- обеззараживании городских сточных вод («Гельбюдер Зульцер», «Ампер»,ФРГ);

- стерилизации плазмы и препаратов из плазмы крови (патент RU 2193893, 10.12.2002, МПК A61L 2/08);

- очистке сточных вод (патент RU 2057717, 10.04.1996, МПК C02F1/30). Разработки способов переработки ТРО методом плавления ведут:

- ГУП МосНПО «Радон» созданы и испытаны установки плазменной переработки твердых радиоактивных отходов "Пиролиз" и "Плутон";

- ВНИИНМ им. академика А.А.Бочвара создана установка «холодный» тигель.

Способ комплексной переработки твердых радиоактивных отходов методом плавления, отличающийся тем, что переработка ТРО происходит путем их расплавления в электрической печи постоянного тока под действием высокой температуры, сил гравитации и действия электрического поля осуществляется перераспределение радионуклидов по физико-химическим свойствам в конечных компонентах переработки, их фиксацией в стабильной матрице, гарантирующей надежное хранение на весь период до необходимого уровня их распада, и обеспечивается перевод основной массы низко- (НАО) и среднерадиоактивных отходов (САО) в очень низкоактивные отходы (ОНАО).

Изобретение относится к способам химической дезактивации металлов с радиоактивным загрязнением. .

Способ переработки оксалатных маточных растворов и пульпообразных отходов, содержащих трансурановые элементы // 2474898

Изобретение относится к области переработки жидких и пульпообразных радиоактивных отходов (РАО), образующихся при регенерации облученного ядерного топлива (ОЯТ), и может быть использовано в радиохимической промышленности.

Способ обращения с осадками на основе молибдена при переработке оят аэс // 2462776

Изобретение относится к переработке отработанного ядерного топлива атомных электростанций (ОЯТ АЭС). .

Способ определения объема радиоактивного грунта // 2459298

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности реабилитации радиоактивно загрязненных территорий. .

Способ реагентной дезактивации песчаных грунтов от радионуклидов цезия // 2457561

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, реабилитации территорий, загрязненных техногенными радиоактивными изотопами. .

Способ химической дезактивации радиоактивных материалов // 2457560

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для дезактивации радиоактивно загрязненного оборудования и конструкционных элементов на атомных электрических станциях (АЭС), промышленных и медицинских предприятиях, в научных и учебных учреждениях, деятельность которых связана с радиоактивными материалами.

Установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей // 2453939

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей. .

Способ разделения урана и плутония в экстракционной технологии переработки отработавшего ядерного топлива // 2449393

Изобретение относится к химической технологии, конкретно - к технологии переработки отработавшего ядерного топлива. .

Гель, удаляемый вакуумом, для очистки поверхностей, его применение и способ дезактивации поверхности // 2449392

Установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей // 2448380

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей, и может найти применение для дезактивации поверхностей отходов свинца, углеродистых и нержавеющих сталей, образующихся при ремонте и демонтаже оборудования радиохимических лабораторий и производств.

Способ переработки твердых радиоактивных отходов // 2486616

Изобретение относится к области охраны окружающей среды и к области переработки твердых отходов, загрязненных радионуклидами

Способ захоронения твердых радиоактивных отходов // 2488904

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к выводу из эксплуатации выработавших свой ресурс объектов использования атомной энергии и захоронения твердых и отвержденных радиоактивных отходов

Способ переработки отработавших фильтров на основе ткани петрянова // 2492536

Изобретение относится к области переработки отходов радиохимической промышленности и, в частности, к способам утилизации фильтрующих материалов

Способ дезактивации материалов // 2501106

Изобретение относится к ядерной технике и технологии, к дезактивации различных материалов, загрязненных радионуклидами. В заявленном способе дезактивацию проводят в две стадии: на первой стадии в разогретую до 110°C камеру дезактивации с загрязненными материалами подают пар, активированный химическими реагентами, на второй стадии охлаждают камеру дезактивации и проводят обработку дезактивируемого материала растворами органических растворителей и комплексообразователей в среде сжиженных газов или низкокипящих растворителей. Способ может включать использование последовательно нескольких циклов обработки, чередуя первую и вторую стадии. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности дезактивации, увеличении коэффициентов очистки в 4-30 раз по сравнению с одностадийным способом дезактивации в сверхкритических флюидах, в уменьшении рабочего давления, объема жидких радиоактивных отходов и сокращении времени дезактивации в 1,5 раза. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

Способ дезактивации труб и трубных пучков - кислотно-абразивная дезактивация // 2505872

Изобретение относится к области дезактивации твердых радиоактивных отходов, переработки жидких радиоактивных отходов и фиксации радиоактивных элементов в устойчивой твердой среде. С помощью суспензии с влажностью не менее 50%, содержащей глину, абразивный компонент до 20% от массы глины, диатомит до 25% от массы глины и фосфорную кислоту в количестве (20-25)%) от массы глины, производят дезактивацию внутренних поверхностей труб. Изобретение позволяет упростить дезактивацию. 1 ил.

Способ захоронения радиоактивных отходов и тепловыделяющая капсула для его осуществления // 2510540

Группа изобретений относится к методам захоронения долгоживущих радионуклидов, в том числе изотопов трансурановых элементов. Заявленный способ включает погружение, по меньшей мере, одной тепловыделяющей капсулы в скважину, образованную в геологических формациях. В полости капсулы с герметичной оболочкой находится теплопроводящая матрица, насыщенная радионуклидами. При этом средняя плотность капсулы с радиоактивными отходами (РАО) превышает плотность геологических пород, расположенных под капсулой. Температура плавления тугоплавкого материала, из которого выполнена герметичная оболочка капсулы, превышает температуру плавления геологических пород, расположенных под капсулой. Количественный состав смеси радионуклидов в полости оболочки выбирают из условия: мощность объемного тепловыделения РАО должна превышать тепловую мощность, необходимую для расплавления геологических пород, расположенных под капсулой. Содержание высокоактивного изотопа в смеси радионуклидов, заполняющих капсулу, выбирают из условия: qmin≥1,2 Вт/см3, где qmin, - минимальная плотность мощности объемного тепловыделения смеси радионуклидов в течение 10 лет после погружения капсулы. Техническим результатом является обеспечение возможности захоронения с относительно высокой скоростью всего спектра РАО, включая долгоживущие радионуклиды, а также безвозвратное растворение радионуклидов. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Способ дезактивации оборудования от радиоактивных загрязнений и устройство для его осуществления // 2510667

Изобретение относится к области атомной промышленности и может быть использовано для дезактивации внутренних и наружных поверхностей оборудования. В заявленном изобретении дезактивируемое оборудование помещают в дезактивирующий раствор и воздействуют на него ультразвуковыми колебаниями, при этом колебания возбуждают во всем объеме оборудования путем обеспечения жесткого акустического контакта поверхности оборудования с акустическими ультразвуковыми излучателями, причем колебания возбуждают в виде импульсов с частотой заполнения, соответствующей резонансной частоте нагруженных на оборудование излучателей. При этом устройство для осуществления заявленного способа содержит емкость с дезактивирующим раствором, размещенные в емкости опоры для установки дезактивируемого оборудования, электрический генератор, к выходу которого подключены акустические ультразвуковые излучатели, частично погруженные в раствор, излучатели снабжены волноводами-концентраторами и закреплены с тыльной стороны в технологической прижимной крышке, обеспечивающей за счет весовой нагрузки жесткий акустический контакт волноводов-концентраторов с поверхностью оборудования. Техническим результатом является обеспечение возможности дезактивация объектов, содержащих внутренние полости. 2 н. п. ф-лы, 1 ил.

Способ регенерации вторичной платины с радиоактивным заражением плутонием // 2521035

Заявленное изобретение относится к способам обработки радиоактивных отходов, а именно к очистке платины в виде лома технологического оборудования, и может быть использовано для очистки вторичной платины от радиоактивного заражения плутонием. Заявленный способ включает нагрев лома вторичной платины с радиоактивными загрязнениями плутония во всем объеме и нерадиоактивными загрязнениями в виде металлических примесей в его поверхностном слое, которые содержатся в большем, чем плутоний, количестве. Перед нагревом лома примеси удаляют средствами гидрометаллургии, не разрушающими поверхность платины. Нагрев лома ведут до его расплавления с образованием радиоактивного конденсированного оксида плутония и совмещают его с индукционной плавкой платины для отделения ее от оксида плутония. Плавку ведут в присутствии флюсующих добавок с образованием расплава платины и шлака, содержащего оксид плутония, при отношении площади зеркала расплава к объему расплава 0,20-0,50 с частотой индукционного электромагнитного поля (20-66) кГц и воздушным дутьем на поверхность расплава при температуре (2049-2073) К в течение (1,0-1,3) ч. Затем шлак отделяют от платины. Техническим результатом является создание условий для облегчения образования оксида плутония и сохранения платины. 6 з.п. ф-лы, 1 табл.

Пульсационный клапанный погружной насос (варианты) // 2532474

Изобретение относится к атомной промышленности в части переработки радиоактивных отходов, а именно к устройствам для более полного освобождения емкостей-хранилищ от радиоактивных осадков, и может найти применение в химической, нефтехимической и других отраслях. Насос содержит корпус, воздухораспределитель, состоящий из клапанов подачи сжатого воздуха, сброса отработанного воздуха и подачи разрежения в корпус, пульсопровод, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, систему управления и впускной клапан. Впускной клапан снабжен золотником, взаимодействующим с торцом выполненного в виде трубы седла и соединенным валом со штоком пневмоцилиндра. К донышкам корпусов по периметру присоединены всасывающие патрубки, на торце которых выполнены пазы, расширяющиеся внутрь, а к торцам прикреплены заглушки. По одному из вариантов пневмоцилиндр устанавливается в зоне обслуживания и подключается к системе управления, электропневмораспределители которой, управляющие работой клапана подачи разрежения и пневмоцилиндра двустороннего действия, соединены параллельно. По второму варианту пневмоцилиндр устанавливается на корпусе насоса, а верхняя полость пневмоцилиндра соединяется трубопроводом с пульсопроводом. В нижней полости пневмоцилиндра устанавливается возвратная пружина, усилие которой меньше усилия пневмоцилиндра при рабочем давлении и составляет при верхнем и нижнем положениях поршня пневмоцилиндра соответственно 0,4 и 0,6 усилия пневмоцилиндра. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Пульсационный клапанный погружной насос // 2533656

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для струйного растворения и размыва осадка, скопившегося на дне емкостей-хранилищ радиоактивных отходов любого уровня активности, перевода нерастворимой твердой фазы осадка во взвешенное состояние и выдачи раствора и суспензии из емкости. Пульсационный клапанный погружной насос содержит корпус с впускным шаровым клапаном, пульсопровод, нагнетательный трубопровод с выпускным шаровым клапаном, воздухораспределитель и систему управления. Корпус сообщается с нижними соплами посредством трубы и камеры нижних сопел, внутри которой размещен вал с присоединенным к нему по малому диаметру конусом. Конус по большему диаметру присоединен к полой части вала с соплами. На большем диаметре конуса выполнен бурт, взаимодействующий с седлом камеры при верхнем положении вала. Вал соединен через подвижный подшипниковый узел и зубчатую шестерню с приводами поворота и изменения глубины погружения сопел. Технический результат - возможность регулирования соотношения объемов жидкости, подаваемых одновременно в камеру нижних сопел и нагнетательный трубопровод. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.