УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОГО УРОВНЯ АКТИВНОСТИ Российский патент 1994 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к переработке радиоактивных отходов высокого уровня активности, в частности переводу их в отвержденное состояние путем включения в неорганическое связующее.

Известны устройства для отверждения высокоактивных отходов (ВАО), в которых осуществляется их остекловывание в печах для получения стеклоплава [1] , [2] .

Известно устройство для отверждения ВАО [3] , в котором осуществляются следующие стадии: - получение синтетического минерала Synroc по схеме: 1. Смешение раствора ТiCl₄ в тетрагидрофуриловом спирте с нитратами кальция, циркония, алюминия, бария в присутствии гелеобразующего реагента МЕТНОСЕL 4АС; 2. Диспергирование. 3. Золь-гель превращение в среде NН₄ОН-(NН₄)₂С₂О₄. 4. Промывка гель-сфер. 5. Сушка и обжиг при температуре 450^оС. - смешивание водной суспензии порошка синтетического минерала Synroc с раствором ВАО; - кальцинация (отверждение) в течение 2 ч при температуре 600-800^оС.

Известная установка (кальцинатор) для сушки и прокалки влажного сорбирующего синтетического материала Syncor, пропитанного раствором ВАО [4] , выбранная в качестве прототипа, содержит цилиндрический корпус с горизонтальным и вертикальным участками, нагревательными устройствами, устройствами для ввода и вывода перерабатываемых продуктов и внутренними шнековыми устройствами, перемещающими обрабатываемый материал и приводимый во вращение от внешних электромоторов валами, проходящими через торцовые стенки корпуса.

Недостатками известного способа устройства являются:
- использование в качестве адсорбирующего материала дорогостоящего синтетического минерала Synroc;
- проведение в аппарате-кальцинаторе только операций сушки и прокалки адсорбента растворами ВАО и устройств для транспортировки смоченного адсорбента в аппарат-кальцинатор. В шнековом аппарате проведение операции пропитки невозможно, так как раствор будет протекать между вращающимся шнеком и корпусом в зону прокалки, что недопустимо;
- наличие в аппарате-кальцинаторе приводных валов для вращения шнековых транспортеров, что требует устройства подвижных уплотнений, которые не являются надежными гарантами от проникновения высокорадиоактивных газов, паров и аэрозолей из установки в окружающую среду.

Цель изобретения состоит в повышении эффективности процесса отверждения жидких ВАО и повышения экологической надежности и функциональных возможностей устройства для его осуществления.

Цель достигается тем, что в способе отверждения жидких ВАО в качестве материала адсорбирующего радионуклида используется силикагель (SiO₂), причем операция насыщения силикагеля осуществляется методом чередования операций смачивания и подсушки.

Цель достигается также тем, что в устройстве для отверждения операция насыщения осуществляется в аппарате барабанного типа. Именно такой тип аппарата при вращении горизонтального барабана обеспечивает периодическое извлечение твердого сорбента из пропиточной жидкости, просушку и повторное погружение в жидкость.

Цель достигается также тем, что в устройстве для отверждения ВАО за счет расширения его функциональных возможностей проведение трех операций, а именно насыщение (пропитка) сорбента раствором ВАО, сушка и прокалка насыщенных гранул, осуществляется в одном аппарате, а герметичность корпуса аппарата вследствие отсутствия подвижных уплотнений вращающихся деталей (валов) обеспечивает повышение экологической надежности.

Устройство содержит цилиндрический горизонтальный герметичный корпус с патрубками для ввода твердого сорбента (силикагеля) и жидких продуктов и вывода готового прокаленного сорбента, нагревательные элементы в виде внутренних излучателей или обмоток высококачественных (ВЧ) нагревателей и магнитный привод (магнитные муфты) для вращения рабочих органов (барабанов), расположенных внутри корпуса и имеющих днища в виде усеченных конусов с разгрузочной воронкой на одном из днищ и ребрами внутри барабанов, причем барабаны размещены соосно, а разгрузочная воронка первого барабана входит в отверстие днища второго барабана со стороны загрузки перерабатываемого материала.

Именно использование силикагеля в качестве твердого сорбента и его насыщение радионуклидами, сушка и прокалка насыщенных гранул в одном устройстве обеспечивают повышение эффективности процесса отверждения ВАО, расширение функциональных возможностей аппарата и повышение экологической надежности и тем самым достижение цели изобретения.

Новыми существенными признаками изобретения является расчленение транспортирующего органа на две части - барабаны, что позволяет проводить в одном устройстве три операции - пропитку абсорбента, сушку и прокалку, расширяет его функциональные возможности, а также конструктивные особенности барабанов - наличие разгрузочных воронок и соосное размещение в одном корпусе -, позволяющие осуществлять транспортировку перерабатываемых материалов без дополнительных механизмов.

Устройство схематически изображено на чертеже и состоит из герметичного цилиндрического корпуса 1 с днищами 2 и 3, патрубков для подачи твердого адсорбента 4 и раствора ВАО 5, электронагревательных элементов 6 и 7, размещенных внутри барабанов, разгрузочного отверстия 8, дренажного 9 и сдувочного 10.

Внутри корпуса размещены два рабочих барабана: пропиточно-сушильный 11 и прокалочный 12. Размещение двух барабанов и разделение их функций обусловлены кардинально различными требованиями к коррозионной стойкости материалов, из которых они изготовлены: для пропиточно-сушильного барабана необходима коррозионная устойчивость в среде горячей концентрированной азотной кислоты, а для прокалочного барабана - термо- и окалиностойкость.

Конструктивно оба барабана идентичны. Днища барабанов имеют открытые отверстия, одно из которых - разгрузочное - оснащено воронкой 13.

Внутри барабанов имеются со стороны загрузки на днище отбойные ребра 14, на царге - перемешивающие-транспортирующие ребра 15 и на другом днище разгрузочные лопасти 16.

Снаружи на барабанах закреплены внутренние части 17 магнитной системы привода, а снаружи корпуса размещены внешние части 18 магнитной системы привода барабанов. Привод барабанов реверсивный, отдельный для каждого барабана.

Устройство для отверждения ВАО (нагревательные элементы и две другие элементы, размещаемые внутри корпуса) и сам корпус ремонту не подлежит. По выработке эксплуатационного ресурса устройство вместе с герметичным корпусом, но без внешней магнитной системы дистанционно извлекается манипулятором, загружается в пенал и отправляется на захоронение, что предотвращает попадание радиоактивности в окружающее пространство.

Работает устройство следующим образом. При вращении пропиточно-сушильного барабана 11 в одну сторону, например, по часовой стрелке в барабан загружается порция силикагеля через патрубок 4, включается нагреватель 6 и через патрубок 5 подается порциями или непрерывно с расчетной скоростью раствор ВАО. Под воздействием тепла от нагревателя 6 раствор испаряется. Пар отводится через сдувку 10 в последующий аппарат (конденсатор).

При вращении барабана ребра 15 непрерывно поднимают и ссыпают (сливают) адсорбент и раствор, распределяя его равномерно вдоль барабана. Отборные ребра 14 и разгрузочные лопасти 16 при этом не позволяют силикагелю и раствору высыпаться (вытекать) из барабана через отверстия в днищах. После испарения всей порции жидкости (радионуклиды при этом адсорбируются силикагелем) силикагель сушится. По окончании сушки вращение барабана 11 меняется на обратное (против часовой стpелки), а барабан 12 приводится во вращение по часовой стрелке. При этом насыщенный силикагель с помощью ребер 15 перемещается к лопаткам 16, которыми выгружается из барабана 11 через воронку 13 барабан 12. В барабане 12 материал под действием тепла нагревателя 7 прокаливается. По окончании прокалки вращение барабана 12 меняется на обратное и насыщенный и прокаленный силикагель высыпается в разгрузочное отверстие 8. В случае попадания перерабатываемых материалов в кожух они, так же как и накапливающийся конденсат, удаляются через дренажное устройство 9.

По окончании разгрузки барабана 11 в него подается новая порция перерабатываемых материалов. Цикл обработки повторяется. Повторная загрузка барабана 11, пропитка и сушка могут осуществляться одновременно с операцией прокалки в барабане 12.

Использование предлагаемого способа отверждения жидких высокоактивных отходов и конструкции аппарата позволяет по сравнению с известным значительно удешевить процесс вследствие использования в качестве адсорбента радионуклидов дешевого и легко доступного неорганического материала - силикагеля. Расширяются функциональные возможности установки по отверждению ВАО, позволяющие проводить в ней все необходимые операции по отверждению (насыщение силикагеля, сушку и прокалку насыщенных гранул).

Одновременно резко возрастает экологическая надежность процесса, так как устройство для отверждения ВАО является полностью герметичным, не содержит приводных валов, вращающихся уплотнений, и т. п. , что гарантирует невозможность попадания радиоактивных газов, паров, аэрозолей, жидкостей и твердых материалов в окружающую среду.

П р и м е р 1. В пропиточно-сушильный барабан через патрубок 4 был загружен силикагель марки АСКГ в количестве 0,5 кг и кислотно-солевой раствор, имитирующий по составу высокоактивный рафинат, образующийся после переработки облученного топлива АЭС. Состав раствора:
Азотная кислота - 3,0 моль/л
Нитраты металлов (La, Рr, Fe, Cr, Ni, Mn, Al, Na, Ca, Ва, Cе, Sr - 3 г/л (по сумме металлов).

Раствор был помечен индикаторными количествами радиокуклидов Ru - 103, 106; Cs - 134, 137; Ce - 144; Еu - 154.

Раствор ВАО в объеме 80 л непрерывно подается в пропиточно-сушильный барабан 11 через патрубок 5 со скоростью 40 л/ч и был выпарен досуха за 2 ч с помощью нагревателя 6. Температура насыщения гранул силикагеля в данном случае обусловлена температурой кипения кислотно-солевого раствора 100-130^оС.

Насыщенный силикагель выгружали в прокалочный барабан 12, где гранулы прокаливали при различных температурах.

Активность насыщенного сорбента составила 6,5^о ˙ 10^-4 мкР/с. г. Прокаленный при различных температурах силикагель для определения химической стойкости конечного отвержденного продукта заливали раствором 0,1 моль/л азотной кислоты при объемном соотношении раствор: сорбент = 50 и выдерживали 24 ч, после чего определяли активность десорбирующего раствора. Результаты определения химической стойкости приведены в таблице.

Таким образом, температурой прокалки, обеспечивающей минимальное выщелачивание радионуклидов, является температурный интервал 850-1050^оС. Дальнейшее повышение температуры прокаливания может привести к спеканию гранул силикагеля.

П р и м е р 2. В пропиточно-сушильный барабан 11 через устройство 4 был загружен силикагель марки АСКГ в количестве 0,5 кг и имитатор раствора высокоактивных отходов состава, описанного в примере 1. Раствор ВАО в объеме 80 л непрерывно подавался в пропиточно-сушильный барабан 11 через устройство 5 со скоростью 40 л/ч выпарен досуха за 2 ч при температуре кипения раствора 100-130^оС, создаваемой нагревателем 6. Во время адсорбции радионуклидов силикагелем барабан 11 непрерывно вращался в одну сторону. При этом силикагель периодически поднимался ребрами из жидкости и, находясь под действием теплового излучения, в воздухе частично подсушивался, а затем снова погружался в жидкость. После испарения всей порции жидкости силикагель был высушен при той же температуре в течение 30 мин, после чего вращение барабана было изменено на обратное и насыщенный силикагель с помощью лопаток 16 был выгружен через воронку 13 в прокалочный барабан 12. В прокалочном барабане, вращающемся в одну сторону, силикагель в течение 2 ч подвергался нагреванию при температуре 850-1050^оС, создаваемой нагревателем 7. При этом произошло разложение адсорбированных нитратных комплексов металлов до окислов, а поверхность гранул силикагеля оплавилась. По окончании прокалки вращение барабана 12 было изменено на обратное, насыщенный и прокаленный силикагель высыпан в разгрузочное устройство 8.

Анализ полученного силикагеля показали, что емкость силикагеля по сумме металлов составила 500 мг на 1 г силикагеля, т. е. извлечение металлов из исходного раствора превысило 99,9% .

Коэффициент очистки (отношение удельной активности исходного раствора к удельной активности конденсата) составил величину 10⁴.

П р и м е р 3. В пропиточно-сушильный барабан 11 был загружен силикагель марки АС-100 в количестве 0,5 кг и раствор имитатора ВАО состава:
Азотная кислота - 6,0 моль/л;
Сумма нитратов металлов - 20 г/л в объеме 12 л. Раствор был помечен радиоизотопами Ru, Cs, Cе, Еu.

Раствор был выпарен досуха в течение 1 ч при температуре 100-130^оС в барабане 11, силикагель высушен в течение 0,5 ч и перегружен в прокалочный барабан 12, где в течение 2 ч подвергался нагреванию при 850-1000^оС. Емкость силикагеля по адсорбированным металлам составила 48,0 мг/г; извлечение > 99,9% ; коэффициент очистки - 10⁴.

Полученный твердый материал, содержащий радионуклиды, компактен, легко пересыпается, транспортируется и полностью пригоден для длительного безопасного хранения. Опыты по вымыванию радионуклидов из насыщенного силикагеля, полученного в примерах 1 и 2, показали, что скорость выщелачивания составляет 1x x10^-6-5 ˙ 10^-7 г/см² ˙ сут, что меньше соответствующей величины в известных решениях (1 ˙ 10^-5-1 ˙ 10^-6г/см² ˙ сут). (56) 1. Blasewitz A. G. , Kichardson G. L. The Highlevel waste Silidification Demonstration Program. OECD. Paris, 1972, p. 615-650.

2. Studieson the Fixation of Fission Products in Ceramic Materials - "Trans. Amer. Nucl. Soc". 1975, v. 20, p. 666-669.

3. Аналитический обзор ЦНИИАтоминформ, Т. I, 1986, N 23 (1468).

4. Европейский патент N 0244534, кл. G 21 F 9/16, 1987.

Использование: переработка радиоактивных отходов высокого уровня активности, получение твердых радиоактивных отходов. Сущность изобретения: для повышения эффективности процесса и его экологической безопасности устройство для отверждения содержит цилиндрический корпус, включающий два входных патрубка, один из которых предназначен для ввода жидких радиоактивных отходов, а другой - для подачи твердого зернистого неорганического материала, который насыщают высокоактивными отходами, выходной патрубок для вывода отвержденных радиоактивных отходов. В корпусе размещены два последовательно расположенных по оси корпуса барабана, один из которых предназначен для насыщения зернистого неорганического материала жидкими радиоактивными отходами и его сушки, а другой - для его прокаливания, снабженные магнитными приводами для их реверсивного вращения, выполненные с днищами в форме усеченных конусов с загрузочными и разгрузочными отверстиями в центре. Барабаны содержат средство для перемещения отвержденных радиоактивных отходов, выполненное в виде внутренней насадки с ребрами и лопатками, нагревательные элементы, расположенные в барабанах по оси корпуса. 1 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОГО УРОВНЯ АКТИВНОСТИ, содержащее цилиндрический корпус, включающий два входных патрубка, один из которых предназначен для входа жидких радиоактивных отходов, и другой для подачи твердого зернистого неорганического материала, выходной патрубок для вывода отвержденных радиоактивных отходов, нагревательные элементы, средство для перемещения отвержденных радиоактивных отходов по длине корпуса, отличающееся тем, что в корпусе размещены два последовательно расположенных по оси корпуса барабана, один из которых предназначен для насыщения зернистого органического материала жидкими радиоактивными отходами и его сушки, а другой - для его прокаливания, снабженных магнитным приводом для их реверсивного вращения, выполненных с днищами в форме усеченных конусов с загрузочными и разгрузочными отверстиями в центре, днища со стороны выгрузки отвержденных радиоактивных отходов снабжены разгрузочными воронками, причем разгрузочная воронка первого по ходу движения отверждаемых отходов барабана входит в загрузочное отверстие второго барабана, средство для перемещения отвержденных радиоактивных отходов выполнено в виде внутренней насадки с ребрами и лопатками, а нагревательные элементы расположены в барабанах по оси корпуса.