СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ АТОМНЫХ ПОДВОДНЫХ ЛОДОК И КОМПЛЕКС ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G21F9/28 B09B3/00 

Изобретение относится к способу утилизации атомных подводных лодок (АПЛ). Широкая его универсальность позволяет его применять также для судов, танков, торпед, ракет и других объектов.

Известные отечественные и зарубежные способы утилизации АПЛ характеризуются следующими особенностями (см. международный научный семинар "Проблемы вывода из эксплуатации и утилизации атомных подводных лодок". Тезисы докладов 19-22.06.95 г., М.):
1. Технология утилизации АПЛ предусматривает обязательную разделку корпусных конструкций и судового оборудования, не пригодных для дальнейшей эксплуатации в народном хозяйстве, в судовой лом.

2. Широкий диапазон использованных материалов и их толщин, сложные конфигурации в сечениях разрезаемых (разделываемых) конструкций корпуса АПЛ и затесненность делают технологию разделки корпуса одной из сложных и трудоемких работ. При этом разработанные и применяемые технологии разделки корпуса (газовая, плазменная, лазерная и гидравлическая резка) являются в целом несовершенными, трудоемкими и загрязняющими окружающими среду. Сложно применять резку металла взрывом, т. к. требуются точная пригонка "шнура" к профилю конструкции АПЛ, а также не обеспечивается необходимая безопасность работ. Наиболее чистым процессом разделки является механическая резка, однако ее возможности для данных конструкций весьма ограничены.

3. Высокая наведенная радиоактивность реакторного отсека (РО) за весь период эксплуатации судовой ядерной установки предопределяет его длительное (50-100 лет) хранение в закрытых тоннелях или огражденных зонах до снижения уровня радиации, при котором впоследствии возможна разделка отсека на лом-шихту. Для обеспечения длительного хранения РО потребуется создание специальных хранилищ, имеющих подъездные пути, системы освещения и мониторинга. Кроме того подготовленные отсеки необходимо транспортировать к месту их длительного хранения, что потребует создания специальных транспортных средств и подъездных путей.

4. Работы по разделке радиоактивного оборудования и конструкций РО являются потенциально-опасными. При разрезке радиоактивного металла на судовой лом невозможно создать защитные барьеры, обеспечивающие охрану окружающей среды и рабочего персонала.

5. Высокая трудоемкость работ, так, например, трудоемкость утилизации АПЛ, не считая переплавки лома, составляет 700 тыс. чел.-ч, при этом подготовленный к длительному хранению РО впоследствии также потребует трудозатрат на его утилизацию.

6. Акватории предприятий, отведенные под утилизацию АПЛ, занимают большие площади, а многочисленные и вредные отходы производства в процессе утилизации загрязняют окружающую среду, нанося непоправимый вред всей природе.

В качестве аналога можно привести наиболее проработанный способ утилизации АПЛ (Е.А. Горигледжан "Основные направления решения проблемы утилизации АПЛ России"), представленный в сборнике международного научного семинара "Проблемы вывода из эксплуатации и утилизации атомных подводных лодок". Тезисы докладов, 19-22 июня 1995 г., Москва, с. 14-15.

Основными отличительными признаками этого способа являются:
- отрезка реакторного отсека (РО) от носового и кормового блоков;
- герметизация РО по прочному корпусу и его испытания на герметичность;
- загрузка РО на специальное транспортно-крановое судно (ТКС) грузоподъемностью крана около 1600 тс и его транспортировка в пункты длительного хранения тоннельного типа;
- перегрузка РО с ТКС на судовозные тележки и отправка их на отстой в течение 50-70 лет;
- разрезка оставшихся носового и кормового блоков на металлолом или сварка их между собой и отправка на временное хранение после демонтажа оборудования.

Приведенный способ утилизации АПЛ, кроме того, требует выполнения значительного объема дополнительных работ:
- дооборудование заводов специализированными участками для разделки корпусов (АПЛ) и переработки отходов;
- создание прогрессивных технологий разделки корпусов (лазерная, гидроструйная, плазменная);
- проведение большого комплекса работ по обеспечению охраны окружающей среды и т.д.

Заявка N 94018126, G 21 F 9/34, 1994 г., RU, "Способ промышленной дезинтеграции кораблей и судов с ядерными энергетическими установками" предусматривает дезактивацию агрегатов и узлов ядерной энергетической установки (ЯЭУ), разделку корпуса по меньшей мере на три части с выделением части, включающей ЯЭУ. Затем эту часть корпуса с ЯЭУ подвергают разделке на части в специально оборудованной камере с помощью линейных, направленных к центру установки взрывов. Далее эти части подвергают дезактивации за счет специальной переплавки с добавлением соответствующего флюса.

При плавке радиоактивного металла, по мнению авторов, получают высокорадиоактивный шлак, радиоактивные газы и дезактивированный металл. Однако разделка радиоактивной части корпуса с помощью взрыва для таких сложных крупногабаритных судовых конструкций является непрогнозируемым, неуправляемым процессом и, самое главное, не приемлемым с точки зрения безопасности работ. Указанный способ разделки может быть использован для малогабаритных или фрагментированных конструкций.

Наиболее близкий к предлагаемому способу является способ, описанный в заявке N 94005896, МПК G 21 F 9/30, 1994 г., RU, "Способ переработки демонтированного радиоактивно-загрязненного оборудования и комплекс для его осуществления. Данный способ включает в себя фрагментацию оборудования, индукционную переплавку в присутствии отшлаковывающих флюсов с последующим отделением радиоактивно-загрязненного шлака и отверждение металла, при этом перед фрагментацией оборудования проводят жидкостную дезактивацию его в сборе, а после фрагментации - повторную дезактивацию фрагментов. Перед индукционной переплавкой осуществляют также термическую дезактивацию фрагментов путем выжигания горючих (неметаллических) материалов, расплавления легкоплавких металлов при отделении радиоактивных оксидов и прокалки остальных металлов с последующим удалением радиоактивно-загрязненной окалины, при этом прокаленные металлы сортируют по видам и группам и направляют на индукционную переплавку, а образовавшиеся в процессе газы отводят на обезвреживание и очистку.

Способ предполагает жидкостную и термическую дезактивацию, применение отшлаковывающих флюсов, что в целом существенно уменьшает радиоактивность полученного после переплавки металла. Однако при данном способе необходима операция фрагментации радиоактивно-загрязненного оборудования до размеров, удобных для загрузки в транспортный контейнер. Переплавка фрагментов предусмотрена индукционным способом.

Необходимость указанной фрагментации применительно к габаритам и массам АПЛ, судов и кораблей не устраняет основные недостатки разделки корпусов, то есть требует для проведения потенциально-опасных работ создание специализированных участков, а также большого комплекса работ по охране окружающей среды, таким образом снижая эффективность процесса.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности утилизации АПЛ (сокращение трудоемкости и продолжительности утилизации, исключение долговременного хранения энергоотсеков, расширение номенклатуры утилизируемых изделий), обеспечение экологической безопасности.

Указанный технический результат достигается тем, что в этом способе утилизации АПЛ, включающем дезактивацию оборудования, удаление неметаллических материалов путем их газификации, переплавку металла в присутствии отшлаковывающих присадок с последующим отделением образовавшегося радиоактивно-загрязненного шлака от расплавленного металла, разливку и отверждение металла и шлака, перед дезактивацией оборудования производят выгрузку активной зоны реактора, фильтров I и II контура, радиоактивных вод и вооружения, а после дезактивации - демонтаж оборудования, затем корпус АПЛ подают в подземный тоннель, в приемную камеру, в которой производят удаление неметаллических материалов, нагревая корпус до температуры 500^oC, после чего корпус нагревают до температуры 700^oC и перемещают по мере плавления его торцевой части в плавильную камеру, расположенную в подземном тоннеле за приемной камерой, до полного расплавления, при этом в процессе плавления поверхность расплавленного металла в накопительной камере, расположенной в нижней части тоннеля, инжектируют порошкообразным углеродом.

Проведение операций способа в указанной последовательности в подземном тоннеле позволяет утилизировать АПЛ без предварительной резки корпуса, уменьшает затраты и продолжительность выполнения работ, повышает безопасность процесса.

Проведение работ в указанных режимах в едином цикле позволяет исключить этапы работы, связанные с транспортировкой промежуточных продуктов, например, прокаленных металлов, что также повышает эффективность и безопасность процесса.

Известные металлургические плавильные установки (мартеновские, электроплавильные, конвертерные) не могут обеспечить переплавку корпуса АПЛ, выпуск и разливку металла в связи с его габаритами, массой и конструктивными особенностями, например, сталеплавильная плазменная печь (см. А.Д. Крамаров, А.Н. Соколов. Электрометаллургия стали и ферросплавов, М., Металлургия, 1976, с. 184-186). Агрегаты такого типа предназначены для переплавки металлошихты, ограниченный по массе, габаритам и химическому составу требованиями ГОСТ 2785-75.

Таким образом, реализация способа утилизации крупногабаритных радиационно-загрязненных объектов требует проработки его воплощения в конкретных устройствах.

Следует отметить, что реализация заявляемого способа может быть осуществлена с помощью целого комплекса устройств, связанных единым технологическим циклом. Комплекс также является объектом изобретения по данной заявке. Патентуемые способ и комплекс представляют собой группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, а именно позволяют высокоэффективно проводить процесс утилизации крупногабаритных конструкций, в частности, корпуса АПЛ с соблюдением требований экологической безопасности. Указанный технический результат достигается при совместном использовании объектов изобретения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является комплекс для переработки демонтированного радиоактивно-загрязненного оборудования по заявке N 94005896, МПК G 21 F 9/30, 1994 г., RU.

Комплекс по переработке демонтированного радиоактивно-загрязненного оборудования содержит установки фрагментации оборудования, индукционной переплавки (устройство плавления), жидкостной дезактивации, установки термической дезактивации, включающую электропечь косвенного нагрева (устройство подогрева), устройства для разливки и отверждения расплавленного металла и шлака, устройства обезвреживания и очистки газов, узлы транспортировки, сортировки металлов, подготовки шихты.

Указанный комплекс служит для реализации способа по этой же заявке, принятого в качестве прототипа заявляемого способа, и ему присущи те же ограничения, которые препятствуют использованию способа для утилизации крупногабаритных конструкций, в частности, корпусов АПЛ.

Способ и устройство, выбранные в качестве прототипа, позволяют произвести очистку и переплавку утилизируемого оборудования до радиационного уровня, позволяющего осуществить возврат металлов в хозяйственный оборот непосредственно после обработки. Однако они требуют предварительной фрагментации демонтированного оборудования, что для объектов такой категории как АПЛ является очень трудоемкой операцией, к тому же не обеспечивающей экологическую безопасность.

Комплекс для утилизации АПЛ, содержащий устройство подогрева, устройство плавления, устройства для разливки и отверждения расплавленного металла и шлака, устройство для обезвреживания и очистки газов, выполнен в виде двух подземных наклонных тоннелей, в первом тоннеле, расположенном выше второго, транспортного тоннеля, размещены приемная, плавильная и накопительная камеры, причем накопительная камера расположена в нижней части первого тоннеля, устройство подогрева размещено в приемной камере, а устройство плавления - в плавильной камере, устройства для разливки и отверждения металла и шлака выполнено в виде сливных желобов и изложниц, при этом желоб для слива расплавленного металла выходит из нижней части накопительной камеры в транспортный тоннель, а желоб слива шлака - из верхней части накопительной камеры в транспортный тоннель, в котором размещены изложницы для приема и отверждения металла и шлака, а в верхней части накопительной камеры расположены инжекторы для подачи порошкообразного углерода на поверхность расплавленного металла.

В качестве нагревательных элементов устройства подогрева использованы топливно-кислородные горелки, размещенные на внутренней поверхности приемной камеры, а в качестве нагревательных элементов устройства плавления - струйные плазмотроны, размещенные на внутренней поверхности плавильной камеры.

В качестве рабочего слоя футеровки накопительной камеры применены углеродные блоки.

Соединение указанных элементов и узлов в комплексе обеспечивает достижение указанного технического результата, а именно, эффективной утилизации крупногабаритных конструкций, в частности, корпусов АПЛ, методом локального торцевого плавления.

Преложенные способ и комплекс для его осуществления обладают новизной; из известного уровня техники не выявлено решений, аналогичным образом решающих поставленную задачу.

Предложенная группа изобретений имеет изобретательский уровень, так как не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с их отличительными признаками.

Предложенное решение является промышленно применимым, т.к. его реализация позволит удовлетворить потребность в утилизации крупногабаритных радиационно-загрязненных объектов средствами и методами, описанных в материалах заявки.

Таким образом, предлагаемое решение удовлетворяет всем критериям патентоспособности.

Сущность предложенного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид комплекса для утилизации АПЛ в разрезе, на фиг. 2 - сечение А-А.

Комплекс состоит из двух наклонных тоннелей: первого, плавильного, в котором последовательно размещены приемная 1, плавильная 2 и накопительная 3 камеры, и второго, транспортного тоннеля 16. В комплексе предусмотрены также:
- устройство обезвреживания и очистки газов 4,
- шлюзовые герметизирующие створки 5 и 6;
- устройство подогрева 7, размещенное в приемной камере 1;
- устройство плавления 8, размещенное в плавильной камере 2;
- устройство подачи присадок 9;
- инжекторы 10 порошкообразного углерода, расположенные в верхней части накопительной камеры;
- желоб слива 14 расплавленного металла;
- желоб слива шлака 15;
- изложницы 17 для приема расплавленного металла и шлака;
- топливно-кислородные горелки 18;
- струйные плазмотроны 19.

Приемная камера 1 предусмотрена для предварительного нагрева корпуса АПЛ 13 с целью сжигания и удаления примесей органического происхождения и затем подогрева его до 700^oC.

Нагрев корпуса осуществляется путем сжигания природного или печного газа, а также путем использования отходящих горячих газов из плавильной камеры аналогично способам, применяемым для подогрева шихты в корзине (бадье) электродуговой сталеплавильной печи.

Дополнительный нагрев корпуса должен осуществляться за счет топливно-кислородных горелок 18, расположенных на внутренней поверхности приемной камеры 1 в кольцевых углублениях и направленных тангенциально к оси тоннеля. Внутренняя поверхность приемной камеры 1 облицована огнеупорным материалом 12. В верхней части камеры 1, в шахте, находится устройство для обезвреживания и очистки газов 4. В плавильной камере по боковым поверхностям, в верхней и торцевой ее частях располагаются струйные плазмотроны 19, мощность и направление струи плазмы управляются специальной телеметрической системой. Для работы плазмотронов используется инертный газ или конверсия природного газа.

Для подачи специальной шихты (присадок) в верхней части камеры 2 располагают необходимые устройства подачи 9.

Накопительная камера 3 находится в нижней части тоннеля, за плавильной камерой и служит для накопления, порционного или непрерывного слива расплавленного металла через электромагнитный желоб слива 14 непосредственно в изложницы 17, расположенные в транспортном тоннеле 16. Накопительная камера имеет футеровку 11 из углеродных блоков, что способствует снижению температуры плавления расплава.

Пример конкретного осуществления предлагаемых способа и комплекса выглядит следующим образом.

На первой стадии утилизации АПЛ производят выгрузку и транспортирование активной зоны реактора, фильтров I и II контура, радиоактивных вод, вооружения, дезактивацию, демонтаж судового оборудования, механизмов и устройств согласно принятой технологии. После осуществления всех демонтажных работ корпус АПЛ поднимают по слипу или транспортируют на площадку, где проводят демонтаж валопроводов, рулей, рубки и стабилизаторов. Одновременно с корпуса удаляется эластичное покрытие. В верхней части каждого отсека вскрываются небольшие съемные листы или открывают штатные люки.

Корпус АПЛ устанавливают на стапельных тележках с постепенным образованием уклона его на 8-15^o вглубь тоннеля.

С помощью специального устройства-задержника корпус АПЛ 13 под действием силы тяжести равномерно с заданной скоростью подают в приемную камеру 1, где после закрытия шлюзовых герметизирующих створок 5 и 6 нагревают до температуры 500^oC путем сжигания природного или печного газа, а также за счет утилизации тепла отходящих газов плавильной камеры 2. В этот период осуществляется сжигание и удаление неметаллических материалов. Затем включают дополнительные топливно-кислородные горелки, которые нагревают корпус до 700^oC.

После подготовки корпуса АПЛ 13 к основному процессу (плавке) он подается с малой скоростью в плавильную камеру 2. При этом к моменту поступления корпуса в камеру включаются плазмотроны 19, с помощью которых осуществляется оплавление подаваемой кормовой или носовой части.

Скорость перемещения корпуса АПЛ 13 строго синхронизируется с работой плазмотронов, которые с помощью автоматики отслеживают профиль и внутренние конструкции АПЛ для оптимального нагрева и расплавления.

Расплавленный металл попадает на основание плавильной камеры 2 и стекает в накопительную камеру 3, где дополнительно науглероживается подачей порошкообразного углерода с помощью инжекторов 10 для снижения температуры-ликвидус расплава. По электромагнитному желобу слива 14 металл сливается в изложницы 17, расположенные в транспортном тоннеле 16 и автоматически подаваемые под сливной желоб.

В процессе расплавления радиоактивной части РО в расплав через устройство подачи 9 вводят необходимые присадки, очищающие металл от радионуклидов за счет перевода их в шлак. Радиоактивный шлак через желоб слива 15 сливается в изложницы (специальные контейнеры), которые доставляются к месту хранения.

Практическое осуществление предложенного технического решения позволит:
- резко сократить трудоемкость и продолжительность утилизации АПЛ (при существующей технологии неполная утилизация АПЛ составляет 1 год, в то время как с использованием новой технологии - 10-20 дней);
- локализовать вредные и радиационно-опасные выбросы путем создания надежных защитных инженерных сооружений, практически исключающих загрязнения окружающей среды;
- исключить долговременное хранение энергоотсеков и вместе с тем специальные дорогостоящие сооружения;
- использовать металл в народном хозяйстве не через 100 лет, а непосредственно после подачи из транспортного тоннеля;
- производить утилизацию различных вооружений: танков, кораблей в виде крупных секций и т.д.

Изобретение относится к утилизации атомных подводных лодок (АПЛ), а также судов, танков, ториц и других крупногабаритных объектов. Изобретение сокращает трудоемкость и продолжительность процесса утилизации, исключает долговременное хранение энергоотсеков, обеспечивает экологическую безопасность. Перед дезактивацией оборудования производят выгрузку активной зоны реактора, фильтров и контура, радиоактивных вод и вооружения, а после дезактивации демонтаж оборудования. Затем корпус АПЛ подают в подземный тоннель, в приемную камеру, в которой производят удаление неметаллических материалов, нагревая корпус до 500^oC. После чего корпус нагревают до 700°С и перемещают по мере плавления в плавильную камеру, расположенную в подземном тоннеле за приемной камерой, до полного расплавления. Поверхность расплавленного металла в накопительной камере, расположенной в нижней части тоннеля, инжектируют порошкообразным углеродом. Комплекс для утилизации АПЛ выполнен в виде двух подземных наклонных тоннелей. В первом тоннеле размещены приемная, плавильная и накопительная камеры, причем накопительная камера расположена в нижней части первого тоннеля, устройство подогрева размещено в приемной камере, а устройство плавления - в плавильной камере, устройство для разливки металла выполнено в виде сливного желоба. Во втором транспортном тоннеле размещены изложницы для приема металла. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ утилизации атомных подводных лодок, по которому осуществляют дезактивацию оборудования, удаление неметаллических материалов путем их газификации, переплавку металла в присутствии отшлаковывающих присадок с последующим отделением образовавшегося радиоактивно-загрязненного шлака от расплавленного металла, разливку металла и шлака, отличающийся тем, что перед дезактивацией оборудования производят выгрузку активной зоны реактора, фильтров I и II контуров, радиоактивных вод, вооружения, а после дезактивации - демонтаж оборудования, механизмов и устройств, затем корпус атомной подводной лодки подают в подземный тоннель в приемную камеру, в которой производят удаление неметаллических материалов, нагревая корпус до 500^oC, после чего корпус нагревают до 700^oC и перемещают по мере его плавления в плавильную камеру, расположенную в подземном тоннеле за приемной камерой, до полного расплавления, при этом поверхность расплавленного металла в накопительной камере, расположенной в нижней части тоннеля, инжектируют порошкообразным углеродом. 2. Комплекс для утилизации атомных подводных лодок, содержащий устройство плавления, устройство для разливки расплавленного металла, а также устройство обезвреживания и очистки газов, отличающийся тем, что он выполнен в виде двух подземных наклонных тоннелей: первого, плавильного, тоннеля и второго, транспортного, тоннеля, в первом тоннеле последовательно размещены приемная, плавильная и накопительная камеры, причем накопительная камера расположена в нижней части первого тоннеля, устройство подогрева размещено в приемной камере, а устройство плавления - в плавильной камере, устройство для разливки металла выполнено в виде сливного желоба, который соединен с накопительной камерой, в транспортном тоннеле размещены изложницы для приема металла, в нижней части плавильной камеры расположены инжекторы для подачи порошкообразного углерода на поверхность расплавленного металла, а для приема шлака предусмотрены контейнеры. 3. Комплекс по п. 2, отличающийся тем, что в качестве нагревательных элементов устройства подогрева использованы топливно-кислородные горелки, размещенные на внутренней поверхности приемной камеры, а в качестве нагревательных элементов устройства плавления - струйные плазмотроны, размещенные на внутренней поверхности плавильной камеры. 4. Комплекс по п.2, отличающийся тем, что в качестве рабочего слоя футеровки накопительной камеры применены углеродные блоки.