СПОСОБ СОЗДАНИЯ СТАРТОВОГО РАСПЛАВА В ИНДУКЦИОННЫХ ПЕЧАХ С ХОЛОДНЫМ ТИГЛЕМ ПРИ ОСТЕКЛОВЫВАНИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к переработке радиоактивных отходов, и наиболее эффективно может быть использовано при переработке радиоактивных отходов методом остекловывания.

К настоящему времени в процессах остекловывания радиоактивных отходов наибольшее развитие получили аппаратурно-технологические схемы, где в качестве узла плавления стекломассы используют индукционные нагреватели, которые условно можно разделить на три типа: нагреватели с металлическим тиглем, нагреватели с керамическим (неэлектропроводным) тиглем и так называемые индукционные нагреватели с холодным тиглем, в которых корпус тигля состоит из несоприкасающихся между собой водоохлаждаемых металлических трубок.

Известен способ остекловывания радиоактивных отходов в индукционных нагревателях с металлическим тиглем. При использовании таких нагревателей в индукционном поле нагревается сам тигель и тепло от его стенок передается остекловываемым радиоактивным отходам. После образования расплава температура поднимается уже за счет появления вихревых токов во всей массе расплавленного материала. Достоинством известного способа является то, что при его реализации нет необходимости в использовании специальных средств для создания стартового расплава, обеспечивающего дальнейший разогрев и плавление отходов за счет появления вихревых токов.

Основным недостатком способа является то, что для создания стартового расплава путем плавления исходной порции стеклообразующей шихты или расплавления стекломассы, оставшейся от предыдущей плавки (небольшая порция стекломассы всегда остается в тигле, так как обычно опорожнение тигля происходит путем слива с уровня) требуется довольно значительное время. Кроме того, использование металлических индукционных нагревателей ограничивается их коррозионной стойкостью по отношению к перерабатываемой среде, а также требованиям к отсутствию микронеординарностей в материале тигля.

Известен также способ остекловывания радиоактивных отходов в индукционных плавителях с керамическим тиглем. При использовании керамических тиглей приходится учитывать, что керамика неэлектропроводна. Поэтому для создания стартового стеклорасплава используют электропроводный материал карбид кремния или графит.

Основными недостатками известного способа являются длительность процесса образования стартового расплава, ухудшенное качество первых порций готовой стекломассы за счет присутствия в ней недогоревших кусков карбида кремния или графита, а также повышенная опасность создания стартового расплава за счет возможного контакта карбида кремния или графита со стенками тигля следствием чего может быть короткое замыкание, пробой и разрушение корпуса тигля. Использование керамических индукционных нагревателей ограничено также еще и тем, что уже в процессе создания стартового расплава начинается их прогар (постепенное расплавление и переход в расплав стекломассы материала тигля), что чрезвычайно опасно и может быть причиной серьезной аварии.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ создания стартового расплава в индукционной печи с холодным тиглем, включающий загрузку исходной порции стеклообразующей шихты, состоящей из смеси кальцината жидких радиоактивных отходов или золы от сжигания твердых радиоактивных отходов (в зависимости от типа перерабатываемых отходов) со стеклообразователями в холодный тигель, введение в шихту электропроводящего замкнутого контура и возбуждение переменного электромагнитного поля. Электромагнитное поле инициирует в электропроводном контуре вихревые токи, которые нагревают контур, за счет чего происходит плавление шихты и создание стартового расплава. Преимуществами холодного тигля является его повышенная надежность в работе за счет образования на его внутренних стенках предохранительного гарнисажного слоя (слоя, захоложенного за счет водяного охлаждения стенок тигля расплава стекла), который защищает корпус тигля от опасности коррозии (в металлических и керамических тиглях гарнисажный слой не образуется).

Недостатками известного способа являются:
невысокая скорость создания стартового расплава;
ухудшенное качество получаемых первых порций стекломассы за счет присутствия в ней продуктов сгорания материала электропроводящего контура;
повышенная аварийноопасность создания стартового расплава, объясняющаяся тем, что при расплавлении исходной порции шихты используемый металлический контур или его отдельные части могут вступить в контакт с корпусом холодного тигля, замкнув его секции и тем самым стать причиной его разрушения (гарнисажный слой по своей консистенции представляет собой вязкую полумягкую массу, хорошо защищающую стенки тигля от коррозии, но не дающей гарантии от опасности короткого замыкания при попадании в него металлических предметов).

Преимуществами предлагаемого способа являются повышение скорости создания стартового расплава, повышение качества получаемых первых порций стекломассы, а также повышение аварийнобезопасности проведения процесса за счет предотвращения опасности разрушения корпуса тигля.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что предварительно готовят шихту, состоящую из содержащего нитрит натрия солевого компонента со стеклообразователями, взятыми в количестве не менее 40 мас. но не более 60 мас. от общего веса шихты, полученную смесь нагревают до 350-380^oC, а образовавшийся расплав, обладающий хорошей текучестью, теплоемкостью и высокой электропроводностью заливают в рабочее пространство холодного тигля при уже включенном генераторе в количестве не менее 10 объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля. Благодаря вышеуказанным свойствам, определяемым наличием нитрата натрия, в расплаве возникают вихревые токи, которые производят его дальнейший разогрев до рабочих температур проведения процесса остекловывания радиоактивных отходов. Аналогичным образом поступают и в тех случаях, когда в холодном тигле уже имеется некоторое количество застывшей радиоактивной стекломассы, оставшейся от предыдущей плавки в случаях периодического режима остекловывания радиоактивных отходов (обычно в тиглях холодного типа уровень слива находится несколько выше уровня днища тигля). Здесь расплав при тех же условиях выливают на поверхность застывшего стекла. За счет вихревых токов происходит разогрев расплава и одновременный разогрев стекла до достижения рабочих температур процесса остекловывания. После выхода на рабочий режим плавки в тигель подают радиоактивные отходы вместе со стеклообразователями и осуществляют непосредственно сам процесс переработки отходов.

Как уже говорилось, количество заливаемого расплава должно занимать объем не менее 10 от объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля. Объясняется это тем, что особенности конструкций тиглей с индукционным нагревом таковы, что при их заполнении менее, чем на 10 от объема магнитного поля индуктор, залитый расплав будет застывать из-за недостаточного количества подводимой энергии, так как в придонной части силовые линии магнитного поля индуктора искривляются, их плотность уменьшается, следствием чего является снижение напряженности магнитного поля, а значит и подводимой энергии. В случаях, когда предварительно приготовленный расплав используют для запуска холодного тигля, в котором уже находится застывший после предыдущей плавки слой стекла, количество вводимого расплава также должно быть по объему не менее 10 от объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля. Однако в этом случае определяющим фактором уже является время достижения рабочей температуры остекловывания. При объеме расплава менее, чем в 10 время достижения рабочей температуры остекловывания не ниже, чем у прототипа (125 135 мин).

Предварительный нагрев шихты солевого компонента со стеклообразователями до температур ниже 350^oC не обеспечивает ее полное расплавление, а при температурах свыше 380^oC начинается разложение нитрата натрия с выделением токсичных нитрозных газов. Оба этих фактора значительно снижают электропроводящие свойства используемой солевой смеси, что негативно сказывается на скорости процесса формирования стартового расплава (в обоих случаях скорость образования расплава значительно ниже, чем в прототипе).

В качестве солевого компонента используют либо чистый нитрат натрия, либо сухой остаток обезвоженных жидких радиоактивных отходов АЭС, представляющий собой практически чистый нитрат натрия или же нитрат натрия с небольшими примесями других компонентов, не влияющих на вышеуказанные свойства расплава.

Содержание стеклообразователей в количестве менее 40 мас. не обеспечивает полный перевод солевого компонента в стеклообразное состояние (избыток нитрата натрия будет плавать на поверхности стеклорасплава в виде хальмозного слоя, что приведет к ухудшению качества первых порций получаемого продукта). При увеличении содержания стеклообразователей свыше 60 мас. образующееся стекло будет тугоплавким, что увеличит время создания стартового расплава сверх прототипного.

Способ реализуется следующим образом.

В холодный тигель, снабженный медным двухвитковым индуктором, при включенном генераторе заливают предварительно приготовленный расплав (температура 365^oC) следующего состава, мас. нитрат натрия 50; датолитовый концентрат 24; кварцевый песок 14; бентонитовая глина 12 в количестве 10 от объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля.

Режим работы генератора:
1. Начальный режим
Напряжение на индукторе, кВ 8,5
Ток анода генераторной лампы, А 3,5
Частота, МГц 1,72
2. Режим проведения старта
Напряжение на индукторе, кВ 8,5
Ток анода генераторной лампы, А 6
Частота, МГц 1,725
3. Режим образования ванны стартового расплава
Напряжение на индукторе, кВ 6
Ток анода генераторной лампы, А 11
Частота, МГц 1,776
Время образования ванны стартового расплава при исходном пустом тигле, надежно обеспечивающей плавание поступающей в холодный тигель шихты 60 мин. Время образования ванны стартового расплава в холодном тигле с застывшим остатком стекла от предыдущей плавки 45 мин.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом позволяет уменьшить время создания ванны стартового расплава в среднем в 2,5 раза, повысить качество первых порций стекломассы за счет предотвращения присутствия в ней инородных включений, а также предотвратить опасность разрушения корпуса тигля.

Использование: фиксация радиоактивных отходов в стеклоподобных материалах. Сущность изобретения: предварительно расплавленную шихту, состоящую из содержащего нитрат натрия солевого компонента в смеси со стеклообразователями, заливают в рабочее пространство холодного тигля при уже включенном индукторе, после чего температуру расплава поднимают до рабочих температур остекловывания. Способ позволяет сократить время образования стартового расплава, повысить качество получаемых первых порций готового продукта, а также предотвратить опасность разрушения корпуса тигля. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ создания стартового расплава в индукционных печах с холодным тиглем при остекловывании радиоактивных отходов, включающий приготовление стеклообразующей шихты, загрузку полученной шихты в индукционную печь с холодным тиглем и индукционный нагрев до образования ванны расплава с рабочей температурой процесса остекловывания, отличающийся тем, что в качестве стеклообразующей шихты используют смесь содержащего нитрат натрия солевого компонента со стеклообразователями при содержании последних не менее 40 60% от общей массы шихты, которую предварительно нагревают до 350 380^oС, а полученный расплав заливают в рабочее пространство холодного тигля при уже включенном индукторе в количестве не менее 10% от объема магнитного поля индуктора, заключенного внутри тигля. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве содержащего нитрат натрия солевого компонента используют чистый нитрат натрия или сухой остаток жидких радиоактивных отходов атомных электростанций.