Способ переработки реакторного графита
Владельцы патента RU 2658306:
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования (ФГБОУ ВО) "Уральский институт государственной противопожарной службы МЧС России" (RU)
Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования (ФГБОУ ВО) "Уральский Государственный Аграрный Университет" (УрГАУ) (отдел по научной, инновационной работе и докторантуре) (RU)
Изобретение относится к экологии и охране окружающей среды, а более конкретно к способам высокотемпературной переработки углеродсодержащих отходов. Способ переработки реакторного графита включает измельчение и высокотемпературный нагрев отходов. Для ограничения перехода углерода и, в частности, его изотопа 14С в летучие соединения переработку осуществляют в электродуговой печи в инертной атмосфере азота под действием электрической дуги при температуре 2600-2650°C, создавая условия перехода радионуклидов в газообразную фазу, кроме углерода. Изобретение позволяет создать более радиационно-безопасный способ переработки реакторного графита. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области экологии и охраны окружающей среды, а более конкретно к способам утилизации твердых углеродсодержащих отходов, в частности - отработанного реакторного графита АЭС, особенно в период вывода реакторов из эксплуатации.
В связи с выводом из эксплуатации уран-графитовых реакторов стоит задача переработки и утилизации графитовых элементов с надежной изоляцией содержащихся в них долгоживущих изотопов углерода 14С и других радионуклидов от окружающей среды.
Известен способ обработки углеродсодержащих отходов, при котором предварительно измельченные отходы окисляют и доокисляют в режиме беспламенного горения в потоке воздуха при температуре 620-680°С (а.с. №1718277, G21F 9/32, опубл. 1992 г.).
Недостатком способа является необходимость тонкого измельчения графита перед загрузкой в печь, что ведет к образованию радиоактивной пыли и газов и опасности их выхода в окружающую среду.
Известен также «Способ обработки углеродсодержащего материала» (см. патент РФ№2141076, F23G 5/00, опубл. 10.11.99 г. БИ №31), в котором с целью сжигания углерода, содержащегося в углеродсодержащем материале, удаление летучих токсичных элементов с реакторными отходящими газами в виде дыма, проводят введение материала в расплав шлака. При этом способ осуществляют при температуре от 1100 до 1400°С, а шлак представляет собой кремниевоангидридный конгломерат, включающий оксид железа и по меньшей мере один из других оксидов, выбираемых из оксида алюминия, оксида кальция и оксида магния, причем оксид железа выполняет в шлаке функцию носителя кислорода, способствующего сжиганию углерода, содержащегося в углеродсодержащем материале, посредством реакций:
2FеО(шлак)+1/2O 2=2FeO1,5(шлак),
2FeO1,5 (шлак)+С=2FеО(шлак)+СО.
и эти реакции поддерживают за счет турбулентного движения шлака.
Недостатками способа являются:
- сложность технологического процесса обработки отходов графита, обусловленная проведением процесса в реакторе с расплавом многокомпанентного высокотемпературного шлака, причем в жидкий шлак через погруженные в него сверху трубки вдувают кислородсодержащий газ, необходимый для поддержания реакции сжигания углерода, содержащегося в углеродсодержащем материале;
- перевод углерода, содержащегося в углеродсодержащем материале, в том числе в отходах графита из реакторов, а следовательно, и долгоживущего изотопа углерода 14С, в газовую фазу в виде оксида углерода СО и 14СО, что требует специальных дополнительных мер по исключению выхода оксида углерода 14СО в окружающую среду и переводу его в форму, пригодную для длительного безопасного захоронения.
Известен и «Способ переработки отходов реакторного графита» (Патент РФ №2328786, G21F 9/32, опубл. в 2006 г.), в котором обработку проводят беспламенным горением радиоактивных углеродсодержащих отходов АЭС при температуре от 750 до 900°С в расплаве одного из карбонатов щелочных металлов или их смесей в присутствии оксида свинца. Оксид свинца вводят в расплав в количестве 1-40% от массы расплава. Образующийся восстановленный свинец может быть использован для получения оксида свинца путем его окисления кислородсодержащим газом. Способ позволяет упростить управление процессом беспламенного горения радиоактивных углеродсодержащих отходов и исключить возможность выноса радиоактивных веществ и расплава в окружающую среду.
Недостатком способа является то, что использование в качестве окислителя высокотоксичного оксида свинца ухудшается экологическая обстановка на предприятии, вводя в окружающую среду дополнительный легкоплавкий высокотоксичный элемент и его соединения.
Задачей изобретения является создание более радиационно-безопасного способа переработки реакторного графита, который ограничивает возможность перехода изотопа 14С в летучие соединения, на долю которого приходится более 90% радиоактивности графитовых элементов, расширяя тем самым набор новых более эффективных способов переработки реакторного графита.
Задача решается за счет высокотемпературной переработки реакторного графита в электродуговых печах, где реакторный графит в инертной атмосфере азота под действием электрической дуги нагревается до 2600-2650°С (2873-2923 К), что создает необходимые условия перехода радионуклидов в газообразную фазу, кроме углерода и его изотопа 14С. Одновременно с этим вакуумная система удаляет из рабочей камеры печи образуемые летучие соединения и пропускает их через систему фильтров для их улавливания.
Для нагрева графита до высоких температур предлагается применять дуговые электрические печи типа ДСП (печи с поворотным сводом). Данные установки используются в металлургии, что существенно облегчает проектирование печи для рассматриваемого способа переработки.
Сущность изобретения поясняется схемой и графиком, где на фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего данный способ, на фиг. 2 изображены графики зависимости баланса углерода, полученные при компьютерном моделировании термодинамического нагревания реакторного графита в среде азота с вакуумным удалением газов.
Для высокотемпературной переработки графита предлагается использовать типовую электрическую печь емкостью 25 т с поворотным сводом. Габаритные размеры такой печи составляют: диаметр рабочего пространства - 3,42 м; глубина ванны - 0,775 м; диаметр электродов - 400 мм. Рабочий объем 7,2 м3.
Устройство фиг. 1 включает кожух 1 рабочего пространства, укрепленного на несущее основание 2, свод 3, подвешенный к полупорталу 4, который вместе с электродами 5 и системой их перемещения закреплен на поворотном валу 6, опирающемся также на основание. Для загрузки графита, в виде порошка, свод поднимают затем вращением вала 6 отворачивают с электродами на угол 85°, открывая, таким образом, рабочее пространство. Для создания инертной атмосферы по газоводу 7 с помощью насоса 9 подается азот с регулируемым расходом. По огнеупорному трубопроводу 8 удаляются образующиеся летучие соединения радионуклидов, создавая вакуум в электрической печи.
Для безопасности переработки графита рассматриваемым способом необходимо печь выполнить герметичной в рабочем режиме. По ориентировочным расчетам разовая загрузка такой печи составит 25 т.
Способ осуществляют следующим образом.
В камеру печи загружают реакторный графит 10 массой 25 т в виде порошка, предварительно размолотым до размера фракций 1-2 мм, таким образом, чтобы электроды могли беспрепятственно опускаться и подниматься в рабочем пространстве печи. Далее герметично закрывается свод над рабочим пространством во избежание попадания летучих радионуклидов в атмосферу.
В печи с помощью газовода 7 рабочая камера заполняется азотом с давлением, равным одной технической атмосфере. Электроды 5 постепенно опускаются с образованием дуговых разрядов, повышая температуру в печи до требуемого значения, одновременно с этим трубопроводом 8 создается вакуум в печи порядка 0,3-0,5 атм в рабочем пространстве для удаления радионуклидов. Нагрев длится 30-35 мин, после чего электроды возвращаются в верхнюю точку (первоначальное состояние).
Следующей стадией является подача по газоводу азота с расходом 10-15 л/с в течение 5-10 мин с целью продувки камеры печи и удаления оставшихся газообразных радионуклидов для дальнейшей их фильтрации.
После этого рабочую камеру печи постепенно охлаждают до безопасной температуры 70-80°С и сдвигают свод для извлечения термически переработанного графита без радионуклидов в виде порошка с возможным частичным его спеканием.
После закладки новой порции реакторного графита циклы переработки возобновляются.
После теоретической проработки предложенного способа были проведены компьютерные расчеты по термодинамическому моделированию окисления отработанных графитовых образцов в атмосфере азота в температурном интервале 373-3373 К.
Результаты экспериментов показали, что при нагревании системы до температуры 2873 К углерод полностью находится в конденсированной фазе. Дальнейшее возрастание температуры в системе от 2873 до 3573 К приводит к переходу конденсированной фазы в газообразную с образованием летучих соединений CN, С3, С2, С и C2N. В интервале 3573-4273 К наблюдается уменьшение концентрации С3 и возрастанию содержания CN, С, С2.
Аналогично было рассмотрено поведение радионуклидов, входящих в состав реакторного графита, результаты приведены в таблице 1.
Из таблицы видно, что при температуре 2600°С (2873 К) в системе в конденсированной фазе находится только углерод и его изотопы. Информация об образующихся газообразных соединениях позволяет подобрать соответствующие системы фильтров для улавливания элементов.
Новизной изобретения является принципиально иной подход переработки реакторного графита, который позволяет удержать изотоп 14С в конденсированном виде, удаляя из него набор различных радионуклидов.
Неочевидным эффектом является использование существующих дуговых электрических печей с небольшими доработками, не конструируя и не разрабатывая новые установки. Данные печи более рационально временно устанавливать непосредственно возле АЭС, запитав от нее и минимизирую тем самым затраты и риски на транспортировку реакторного графита как вид опасных твердых радиоактивных отходов.
1. Способ переработки реакторного графита, включающий измельчение и высокотемпературный нагрев отходов, отличающийся тем, что для ограничения перехода углерода и, в частности, его изотопа 14С в летучие соединения переработку осуществляют в электродуговой печи в инертной атмосфере азота под действием электрической дуги при температуре 2600-2650°C, создавая условия перехода радионуклидов в газообразную фазу, кроме углерода.
2. Способ переработки реакторного графита по п. 1, отличающийся тем, что из печи летучие соединения удаляет вакуумная система, которые далее пропускают через систему фильтров.
