СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОТХОДОВ РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК G21F9/32 

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к технологии переработки высокоактивных отходов облученного графита, образующихся при выводе из эксплуатации водографитовых реакторов. Такие отходы содержат ряд радионуклидов, в том числе долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, образовавшихся под воздействием на графит и содержащиеся в нем примеси нейтронного потока. В настоящее время в ряде стран (Россия, США, Франция, Великобритания, ФРГ, Италия и др.) подлежат выводу из эксплуатации выработавшие ресурс уран-графитовые реакторы.

За годы эксплуатации в результате различного рода технологических операций и аномальных ситуаций в графитовых блоках этих реакторов образовался целый ряд дефектов (задиры, сколы, раковины, поры и т.п.), для устранения которых графитовые блоки подвергались зачисткам, бурению, разделкам, заделкам графитовой пастой, при этом происходило осыпание образующейся графитовой крошки. Поверхность графитовых блоков со временем окисляется с образованием рыхлого налета, который также осыпается. При разгерметизации ТВЭЛов происходило осыпание частиц ядерного топлива. Все это вместе привело к образованию так называемых "просыпей", в которых в результате длительного пребывания в активной зоне реактора образовались трансурановые - плутоний, америций, кюрий - и другие радионуклиды - рутений-106, цезий-137, церий-144, кобальт-60, цинк-65, марганец-54, железо-55, стронций-90, углерод-14 и др.

К отходам графита из уран-графитовых реакторов относятся и периодически заменяемые графитовые втулки, в которых в результате нейтронного облучения образовались радионуклиды, в том числе углерод-14.

Изотоп углерода ¹⁴С является долгоживущим (с периодом полураспада 5730 лет) и, окисляясь до ¹⁴СО₂, включается в естественный круговорот углерода, вследствие чего представляет серьезную опасность для человека благодаря способности усваиваться организмом.

В связи с этим при выводе из эксплуатации уран-графитовых реакторов стоит задача переработки "просыпей" графита и графитовых втулок с надежной изоляцией долгоживущего изотопа углерода ¹⁴С от окружающей среды.

Известен способ переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов [1], включающий их предварительное измельчение и последующее окисление и доокисление кислородсодержащим газом при 890-950 К в режиме беспламенного горения с целью выделения из отходов графита путем перевода его в углекислый газ, последовательную десублимацию и сублимацию отходящих аэрозольсодержащих газов с целью разделения углекислого газа и высокоактивного аэрозоля, абсорбирование очищенного углекислого газа раствором гидроксида и возврат на стадию окисления отделенного аэрозоля с одновременной подпиткой кислородом. Способ отличается сложностью и многостадийностью технологического процесса, сложным аппаратурным оформлением, дополнительно приводит к образованию газообразных (диоксид углерода) и жидких (раствор гидроксида кальция) радиоактивных отходов.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов [2], включающий измельчение отходов, дополнительное введение в эти отходы титана и/или алюминия в качестве энергоносителя и оксида карбидообразующего элемента, при этом компоненты смеси берут в количестве, достаточном для полного связывания графита, приготовленную смесь уплотняют и размещают в стальную пресс-форму или газостат, термическую обработку смеси проводят в герметичном реакторе в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем инициирования реакции горения компонентов смеси подачей кратковременного импульса тока через вольфрамовую спираль, находящуюся в контакте со смесью, с последующим компактированием продукта синтеза в процессе или после горения смеси с образованием высокоплотного продукта для экологически безопасного захоронения.

Недостатками известного способа являются наличие операции уплотнения приготовленной смеси, а также сложной в технологическом оформлении, требующей применения мощного прессового оборудования и опасной стадии компактирования конечного продукта в герметичном реакторе в процессе СВС или после его завершения при температуре, достигающей 3300 К, высокая энергоемкость, связанная с применением прессового оборудования, недостаточно надежное воспламенение при подаче кратковременного импульса тока через вольфрамовую спираль, находящуюся в контакте со смесью.

Известно устройство для переработки радиоактивных отходов [3] в виде металлической емкости, расположенной внутри внешней металлической емкости, причем между внешней поверхностью емкости с помещенной в ней смесью отходов и порошков металлов с окислителем и добавками и внутренней поверхностью внешней металлической емкости расположен слой порошкообразного огнеупорного материала.

Недостатками известного устройства являются возможность воздействия окружающей среды (воздуха) на ход процесса в емкости и повышенная опасность работы, связанная с загрязнением окружающей среды вследствие выхода из металлической емкости радиоактивных газообразных и аэрозольных продуктов, образующихся в ходе реакции в смеси.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для отверждения высокоактивных отходов методом СВС [4], включающее бункеры исходных компонентов смеси, дозаторы компонентов, мельницу-смеситель, дозатор приготовленной смеси, контейнер для переработки радиоактивных отходов методом СВС, гидравлический пресс для компактирования продукта синтеза пуансоном пресса в контейнере.

Недостатками известного устройства являются
- повышенная опасность и сложность из-за применения гидравлического пресса для компактирования конечного продукта в высокотемпературном (свыше 2000^oС) состоянии;
- ограничения по массе единовременно перерабатываемых отходов, обусловленные техническими возможностями гидравлического прессового оборудования;
- повышенная энергоемкость вследствие использования оборудования с высоким потреблением энергии.

Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью предлагаемого устройства, так как они решают единую техническую задачу повышения безопасности процесса переработки отходов реакторного графита, снижения энергоемкости, упрощения процесса, повышения надежности инициирования реакции и увеличения массы единовременно перерабатываемых отходов реакторного графита.

Технической задачей заявляемого способа являются упрощение процесса, снижение опасности процесса, уменьшение энергоемкости, повышение надежности инициирования реакции горения экзотермической смеси.

Технической задачей заявляемого устройства являются повышение надежности и безопасности, увеличение массы единовременно перерабатываемых отходов, снижение энергоемкости при переработке отходов.

Для реализации поставленной технической задачи предлагается способ переработки отходов реакторного графита, включающий измельчение отходов графита, введение в измельченные отходы графита порошкообразного алюминия в качестве энергоносителя и в качестве оксида карбидообразующего элемента диоксида титана или триоксида дихрома, размещение приготовленной смеси в контейнере, проведение термической обработки смеси в контейнере, помещаемом в реактор с инертной атмосферой, в режиме СВС путем инициирования реакции горения компонентов смеси.

Согласно изобретению в смесь измельченных отходов реакторного графита с порошкообразным алюминием в качестве энергоносителя и диоксидом титана или триоксидом дихрома в качестве оксида карбидообразующего элемента дополнительно вводят модификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Отходы графита - 5-12
Порошкообразный алюминий - 25-40
Диоксид титана или триоксид дихрома - 50-66
Модификатор - 2-15
при этом в качестве модификатора выбирают вещества, которые при температуре реакции горения компонентов смеси разлагаются и/или плавятся и не вступают в реакцию с карбидокорундовой матрицей образующегося в процессе СВС конечного продукта, предназначенного для захоронения, приготовленную смесь помещают в контейнер, поверх смеси, находящейся в контейнере, располагают слой воспламенительного состава, покрывающий не менее половины ее открытой поверхности, причем воспламенительный состав имеет температуру горения не ниже 2500 К и не выделяет при горении газообразных продуктов, термическую обработку проводят в негерметичном реакторе без доступа воздуха при избыточном давлении инертного газа 200-250 Па.

Содержание измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия и диоксида титана или триоксида дихрома в смеси в указанных выше пределах установлено, исходя из баланса масс в уравнениях реакций, которые в случае применения диоксида титана или триоксида дихрома соответственно имеют вид:
3С(графит)+4Аl+3ТiO₂=3TiC+2Аl₂О₃+Q₁, (1)
5С(графит)+10Аl+5Сr₂О₃=Сr₃С₂+Сr₇С₃+5Аl₂О₃+Q₂ (2)
а также на основе компьютерного термодинамического моделирования химических равновесий в системе С-Аl-TiO₂.

При содержании в смеси отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия и диоксида титана или триоксида дихрома вне указанных выше пределов процесс переработки отходов реакторного графита не может быть реализован, так как при содержании порошкообразного алюминия менее 25 мас.% и диоксида титана или триоксида дихрома более 66 мас.% или при содержании порошкообразного алюминия более 40 мас.% и диоксида титана или триоксида дихрома менее 50 мас.% не обеспечивается необходимое энерговыделение, не инициируется реакция горения в смеси и процесс СВС. При содержании в смеси отходов реакторного графита более 12 мас.% не весь графит химически связывается в конечном продукте в виде карбида титана или карбидов хрома, часть графита остается в свободном виде, что недопустимо. При содержании в смеси отходов реакторного графита менее 5 мас.% не весь металл, восстановленный алюминием из оксида карбидообразующего элемента, т.е. не весь титан или хром, может быть связан в виде карбидов титана или хрома, и тепловыделение в смеси оказывается недостаточным для поддержания процесса СВС.

При содержании в смеси из перерабатываемых отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия и диоксида титана или триоксида дихрома модификатора менее 2 мас.% будет получаться конечный продукт с недостаточным заполнением порового пространства и соответственно с неудовлетворительными физико-механическими характеристиками и вмещающими свойствами по отношению к радионуклидам. При содержании в смеси модификатора свыше 15 мас.% будет получаться конечный продукт с неудовлетворительными физико-механическими и структурными характеристиками.

Процесс переработки отходов реакторного графита осуществляется за счет тепла, выделяющегося в ходе экзотермической реакции (1) или (2), благодаря чему достигается существенное снижение внешнего энергопотребления процесса.

Образующийся в результате реакции (1) конечный продукт представляет собой твердую пористую матрицу из карбида титана и корунда. В случае реакции (2) конечный продукт образует пористую матрицу из карбидов хрома и корунда. При этом весь содержащийся в отходах графита углерод, в том числе долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, химически связывается в термически и химически стойкий, не растворимый в воде карбид титана или карбиды хрома.

Входящий в состав смеси отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома модификатор за счет тепла химической реакции (1) или (2) разлагается и/или плавится и заполняет поры в карбидооксидной матрице конечного продукта, придавая ему дополнительную прочность и вмещая радионуклиды.

В качестве модификатора в смесь отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия и диоксида титана или триоксида дихрома вводят циркон ZrSiO₄, или оксид меди СuО, или алюминий.

В случае использования в качестве модификатора циркона ZrSiO₄ последний за счет тепла химической реакции (1) или (2) разлагается на диоксид циркония ZrO₂ и диоксид кремния SiO₂:
3С(графит)+4Аl+3TiO₂+ZrSiO₄=3TiC+2Аl₂О₃+ZrO₂+SiO₂+Q₃ (3)
5С(графит)+10Al+5Сr₂O₃+ZrSiO₄=Сr₃С₂+Сr₇С₃+5Аl₂О₃+ZrO₂+SiO₂+Q₄ (4)
Диоксид кремния при температуре реакции (3) или (4) переходит в жидкое состояние, заполняет поры в карбидооксидной матрице конечного продукта, улучшая структурные характеристики конечного продукта и придавая ему дополнительную прочность. Диоксид циркония, включенный в карбидооксидную матрицу конечного продукта, способен изоморфно вмещать в свою структуру и прочно удерживать радионуклиды, содержащиеся в облученном графите и примесях, в том числе радионуклиды трансурановых элементов.

В случае использования в качестве модификатора оксида меди СuО последний за счет тепла химической реакции (1) или (2) плавится и разлагается на кислород и медь, при этом выделяющаяся жидкая медь заполняет поры в карбидооксидной матрице конечного продукта, улучшая его структурные характеристики и придавая ему дополнительную прочность, а выделяющийся кислород идет на окисление алюминия согласно реакциям:
3С(графит)+2[2+(n/3)]Аl+3ТiO₂+n•CuO = 3TiC+[2+(n/3)]Аl₂О₃+n•Cu (5)
5С(графит)+2[5+(n/3)] Al+5Сr₂O₃+n•CuO = Сr₃С₂+Сr₇С₃+[5+(n/3)]Аl₂O₃+n•Cu (6)
В случае использования в качестве модификатора оксида никеля NiO последний разлагается за счет тепла химической реакции (1) или (2) на кислород и никель, при этом выделяющийся жидкий никель переходит в жидкое состояние и заполняет поры в карбидооксидной матрице конечного продукта, улучшая его структурные характеристики и придавая ему дополнительную прочность, а выделяющийся кислород идет на окисление алюминия согласно реакции:
3С(графит)+2[2+(n/3)]Аl+3ТiO₂+n•NiO = 3TiC+[2+(n/3)]Al₂O₃+n•Ni (7)
В случае использования в качестве модификатора алюминия последний вводится в исходную смесь в количестве, превышающем необходимое для полного связывания графита согласно реакциям (1) или (2). Избыточный алюминий, не участвующий в реакциях (1) или (2), в расплавленном виде заполняет поры в карбидооксидной матрице, придавая ей после затвердевания дополнительную прочность. Таким образом, вместо экзотермической реакции (1) осуществляется реакция следующего вида:
3С(графит)+(4+n)Аl+3TiO₂=3TiC+2Аl₂О₃+n•Al (8)
а вместо реакции (2) реакция:
5С(графит)+(10+n)Аl+5Сr₂О₃=Сr₃С₂+Сr₇С₃+5Аl₂О₃+n•Аl (9)
Приготовленную реакционную смесь из отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора загружают в контейнер. Поверх реакционной смеси, загруженной в контейнер, располагают слой воспламенительного состава, служащего для инициирования процесса СВС в реакционной смеси. Для надежного инициирования процесса СВС в смеси из отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора необходимо, чтобы за счет теплового импульса от воспламенительного состава диоксид титана или триоксид дихрома в слое реакционной смеси, непосредственно соприкасающемся со слоем воспламенительного состава, расплавился, что резко интенсифицирует окислительно-восстановительную реакцию между алюминием и оксидом и переводит ее в режим горения. Так как диоксид титана и триоксид дихрома плавятся при температурах около 2200 и 2300 К соответственно, температура горения воспламенительного состава и его продуктов сгорания должна быть, с учетом теплопотерь и возможной неполноты реакции, не ниже 2500 К. Также для надежного инициирования процесса СВС в реакционной смеси слой воспламенительного состава должен покрывать не менее половины ее поверхности в верхней открытой части контейнера, что обеспечивает надежную передачу теплового импульса от воспламенительного состава к реакционной смеси.

Для максимально эффективной передачи теплового импульса к реакционной смеси воспламенительный состав не должен выделять газообразных продуктов, которые способствуют отводу выделившегося при его сгорании тепла из зоны контакта с поверхностью реакционной смеси, следовательно, образующиеся при сгорании воспламенительного состава продукты должны быть конденсированными.

Наиболее полно перечисленным требованиям в качестве воспламенительного состава для инициирования процесса СВС в смеси отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора отвечают термитные составы [5], имеющие температуру горения свыше 2700 К при почти полном отсутствии газообразных продуктов сгорания и хорошо воспламеняющиеся от раскаленной нихромовой или вольфрамовой проволоки.

В качестве воспламенительного состава для инициирования процесса СВС в смеси отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора может быть использован, например, состав на основе железоалюминиевого термита [5].

Термическую обработку загруженной в контейнер смеси из отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора с расположенным на ее поверхности слоем воспламенительного состава проводят в инертной атмосфере в негерметичном реакторе без доступа воздуха.

Воспламенительный состав поджигают с помощью введенной в его слой раскаленной нихромовой или вольфрамовой спирали. При сгорании воспламенительного состава образуются конденсированные продукты с температурой свыше 2700 К, под действием которой непосредственно на поверхности реакционной смеси из отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора образуется расплав алюминия и диоксида титана или триоксида дихрома, в котором начинается химическое взаимодействие, инициирующее процесс СВС во всем объеме реакционной смеси, загруженной в контейнер.

Вследствие того, что термическую обработку загруженной в контейнер реакционной смеси измельченных отходов графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора проводят в реакторе с инертной атмосферой и без доступа воздуха, процесс СВС идет с образованием конечного продукта, основу которого составляет карбидокорундовая матрица из карбида титана или карбидов хрома и триоксида диалюминия (корунда), при этом весь входящий в состав отходов реакторного графита углерод, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, химически связывается в термически и химически стабильном и не растворимом в воде карбиде титана или карбидах хрома.

Благодаря тому, что термическую обработку загруженной в контейнер смеси измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора проводят в негерметичном реакторе с небольшим, порядка 200-250 Па, избыточным давлением инертного газа, образующиеся в ходе процесса СВС продукты уноса в виде газов и аэрозоля, содержащие радионуклиды, могут быть легко направлены на очистку для исключения возможности выброса радионуклидов в окружающую среду.

Для реализации способа переработки отходов реакторного графита предлагается устройство, включающее бункер для измельченных отходов реакторного графита, бункеры для порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, дозаторы для каждого из упомянутых компонентов, смеситель, дозатор реакционной смеси, контейнер, реактор и воспламенительное устройство для инициирования процесса СВС в смеси, находящейся в контейнере, помещенном в реактор. Согласно изобретению в устройство для переработки отходов реакторного графита дополнительно вводятся бункер и дозатор для воспламенительного состава, механизм загрузки-выгрузки для перемещения контейнера с реакционной смесью в реактор и извлечения контейнера из реактора, при этом реактор снабжен шлюзовой камерой с наружным и внутренним люками, фильтр для улавливания продуктов уноса, соединенный с реактором, устройство подачи инертного газа в реактор и шлюзовую камеру, пульт управления работой устройства, соединенный линиями связи с исполнительными органами бункеров и дозаторов измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, смесителя, дозатора приготовленной реакционной смеси, бункера и дозатора воспламенительного состава, механизма загрузки-выгрузки, внешнего и внутреннего люков шлюзовой камеры, воспламенительного устройства, фильтра, устройства подачи инертного газа в реактор и шлюзовую камеру.

Бункер и дозатор воспламенительного состава введены в устройство для переработки отходов реакторного графита для подсыпки на поверхность реакционной смеси в контейнере воспламенительного состава, обеспечивающего надежное инициирование процесса СВС в объеме смеси измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, находящейся в контейнере.

Механизм загрузки-выгрузки предназначен для последовательного перемещения контейнера с исходной позиции к дозатору реакционной смеси, к дозатору воспламенительного состава, в шлюзовую камеру, в реактор и обратно из реактора в шлюзовую камеру и на исходную позицию. Шлюзовая камера с наружным и внутренним люками обеспечивает сохранение инертной атмосферы в реакторе при подаче в него контейнера с реакционной смесью и извлечении из него контейнера с конечным продуктом переработки отходов реакторного графита.

Фильтр, соединенный с реактором, введен в устройство для переработки отходов реакторного графита для улавливания продуктов уноса в виде аэрозоля, образующихся в ходе реакции СВС в смеси измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, находящейся в контейнере, помещенном в реактор.

Устройство подачи инертного газа введено в устройство для переработки отходов реакторного графита для первоначальной продувки реактора инертным газом и создания в реакторе инертной атмосферы, поддержания в реакторе небольшого, порядка 200-250 Па, избыточного давления, препятствующего проникновению в реактор воздуха и способствующего удалению продуктов уноса из реактора в фильтр, а также для периодической продувки инертным газом шлюзовой камеры при перемещении контейнера со смесью измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора в реактор и с конечным продуктом переработки отходов реакторного графита из реактора.

Пульт управления работой устройства для переработки отходов реакторного графита предназначен для управления работой исполнительных органов бункеров и дозаторов измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, смесителя, дозатора приготовленной реакционной смеси, бункера и дозатора воспламенительного состава, механизма загрузки-выгрузки, внешнего и внутреннего люков шлюзовой камеры, воспламенительного устройства, фильтра, устройства подачи инертного газа в реактор и шлюзовую камеру, для чего пульт управления соединен с исполнительными органами перечисленных устройств и механизмов линиями связи.

Заявляемое устройство для переработки отходов реакторного графита иллюстрируется чертежом, на котором представлена общая схема устройства.

Устройство для переработки отходов реакторного графита состоит из бункера 1 для измельченных отходов реакторного графита, бункеров 2 для порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, дозаторов 3 для каждого из упомянутых выше компонентов, смесителя 4, дозатора 5 для приготовленной реакционной смеси, контейнера 6 для размещения приготовленной реакционной смеси, механизма загрузки-выгрузки 7, бункера 8 и дозатора 9 для воспламенительного состава, шлюзовой камеры 10, снабженной наружным 11 и внутренним 12 люками, реактора 13, воспламенительного устройства 14, фильтра 15, устройства подачи инертного газа 16, пульта управления 17.

Предлагаемый способ переработки отходов реакторного графита реализуется следующим образом.

Пример 1. Готовят порцию реакционной смеси массой 10 кг из измельченных отходов реакторного графита 8 мас.%, порошкообразного алюминия 26 мас.%, порошка диоксида титана 57 мас.%, порошка циркона 9 мас.%, помещают в контейнер, поверх реакционной смеси, помещенной в контейнере, размещают слой воспламенительного состава, покрывающий не менее половины открытой поверхности реакционной смеси, контейнер загружают в реактор с инертной атмосферой, после чего поджигают воспламенительный состав, с помощью которого инициируют в реакционной смеси процесс СВС. По окончании процесса СВС контейнер с конечным продуктом, который представляет собой прочную карбидокорундовую матрицу с химически связанным в виде карбида титана углеродом, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, с пористым пространством, заполненным диоксидом кремния и диоксидом циркония, изоморфно вмещающим примеси радионуклидов, охлаждают за счет естественного понижения температуры, извлекают из реактора, герметично закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Пример 2. Готовят порцию реакционной смеси массой 8 кг из измельченных отходов реакторного графита 5 мас.%, порошкообразного алюминия 23 мас.%, порошка триоксида дихрома 63 мас.%, порошка циркона 9 мас.%, помещают в контейнер, поверх реакционной смеси, помещенной в контейнере, размещают слой воспламенительного состава, покрывающий не менее половины открытой поверхности реакционной смеси, контейнер загружают в реактор с инертной атмосферой, после чего поджигают воспламенительный состав, с помощью которого инициируют в реакционной смеси процесс СВС. По окончании процесса СВС контейнер с конечным продуктом, который представляет собой прочную карбидокорундовую матрицу с химически связанным в виде карбидов хрома углеродом, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, с пористым пространством, заполненным диоксидом кремния и диоксидом циркония, изоморфно вмещающим примеси радионуклидов, охлаждают за счет естественного понижения температуры, извлекают из реактора, герметично закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Пример 3. Готовят порцию реакционной смеси массой 5 кг из измельченных отходов реакторного графита 12 мас.%, порошкообразного алюминия 26 мас.%, порошка диоксида титана 54 мас.%, порошка оксида меди 8 мас.%, помещают в контейнер. Далее все, как в примерах 1 и 2. По окончании процесса СВС контейнер с конечным продуктом, который представляет собой прочную карбидокорундовую матрицу с химически связанным в виде карбида титана углеродом, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, и с включенными в матрицу примесями радионуклидов, с пористым пространством, заполненным медью, охлаждают за счет естественного понижения температуры, извлекают из реактора, герметично закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Пример 4. Готовят порцию реакционной смеси массой 6 кг из измельченных отходов реакторного графита 6 мас.%, порошкообразного алюминия 26 мас.%, порошка триоксида дихрома 66 мас.%, порошка оксида меди 2 мас.%, помещают в контейнер. Далее все, как в примерах 1, 2 и 3. По окончании процесса СВС контейнер с конечным продуктом, который представляет собой прочную карбидокорундовую матрицу с химически связанным в виде карбидов хрома углеродом, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, и с включенными в матрицу примесями радионуклидов, с пористым пространством, заполненным медью, охлаждают за счет естественного понижения температуры, извлекают из реактора, герметично закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Пример 5. Готовят порцию реакционной смеси массой 6 кг из измельченных отходов реакторного графита 12 мас.%, порошкообразного алюминия 26 мас.%, порошка диоксида титана 54 мас.%, порошка оксида никеля 8 мас.%, помещают в контейнер. Далее все, как в примерах 1, 2 и 3. По окончании процесса СВС контейнер с конечным продуктом, который представляет собой прочную карбидокорундовую матрицу с химически связанным в виде карбида титана углеродом, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, и с включенными в матрицу примесями радионуклидов, с пористым пространством, заполненным никелем, охлаждают за счет естественного понижения температуры, извлекают из реактора, герметично закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Пример 6. Готовят порцию реакционной смеси массой 12 кг из измельченных отходов реакторного графита 10 мас. %, порошкообразного алюминия в количестве, превышающем необходимое для обеспечения полного химического связывания углерода, 40 мас.%, порошка диоксида титана 50 мас.%, помещают в контейнер. Далее все, как в примерах 1, 2, 3 и 4. По окончании процесса СВС контейнер с конечным продуктом, который представляет собой прочную карбидокорундовую матрицу с химически связанным в виде карбида титана углеродом, включая долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, и с включенными в матрицу примесями радионуклидов, с пористым пространством, заполненным избыточным и не вступившим в реакцию алюминием, охлаждают за счет естественного понижения температуры, извлекают из реактора, герметично закрывают крышкой и направляют на захоронение.

Как следует из приведенных примеров, из предлагаемого способа переработки отходов реакторного графита полностью исключены операции уплотнения приготовленной реакционной смеси и компактирования конечного продукта, имеющего температуру свыше 2300 К, на гидравлическом прессе в герметичном реакторе. Кроме того, благодаря применению воспламенительного состава, располагаемого на поверхности реакционной смеси, повышается надежность инициирования процесса СВС.

Таким образом, с помощью предлагаемого способа решается техническая задача упрощения, снижения опасности и уменьшения энергоемкости процесса переработки отходов реакторного графита за счет исключения операций уплотнения приготовленной реакционной смеси и компактирования конечного продукта на гидравлическом прессе в герметичном реакторе в процессе СВС или после его завершения при температуре, превышающей 2300 К. Кроме того, с помощью предлагаемого способа решается техническая задача повышения надежности инициирования процесса СВС в реакционной смеси за счет размещения на ее открытой поверхности в контейнере слоя воспламенительного состава, при сгорании которого образуются высокотемпературные конденсированные продукты. Благодаря непосредственному контакту с реакционной смесью эти продукты надежно передают тепловой импульс и инициируют процесс СВС в реакционной смеси.

Предлагаемое устройство для переработки отходов реакторного графита работает следующим образом.

Подвергаемые переработке измельченные отходы реакторного графита загружают в бункер 1. В бункеры 2 загружают компоненты реакционной смеси: порошкообразный алюминий, диоксид титана или триоксид дихрома и модификатор. В бункер 8 загружают воспламенительный состав. Реактор 13 продувают инертным газом с помощью устройства подачи газа 16, после чего в течение всех последующих операций в реакторе с помощью устройства подачи газа 16 поддерживается небольшое (примерно 200-250 Па) избыточное давление инертного газа, способствующее удалению в ходе переработки графита продуктов уноса в фильтр 15. С помощью дозаторов 3 отходы реакторного графита, порошкообразный алюминий, порошок диоксида титана или триоксида дихрома и порошок модификатора из бункеров 1 и 2 в заданных количествах подают в смеситель 4, в котором осуществляется приготовление реакционной смеси. Производят подачу подготовленного контейнера 6 на исходную позицию механизма загрузки-выгрузки 7. Далее механизм загрузки-выгрузки 7 подает контейнер 6 на позицию загрузки реакционной смеси к дозатору 5. Дозатор 5 загружает контейнер 6 порцией приготовленной реакционной смеси, после чего механизм загрузки-выгрузки 7 перемещает контейнер 6 на позицию загрузки к дозатору 9. С помощью дозатора 9 порцию воспламенительного состава из бункера 8 высыпают на поверхность реакционной смеси, находящейся в контейнере 6. Открывают наружный люк 11 шлюзовой камеры 10. Механизм загрузки-выгрузки 7 перемещает контейнер 6 с реакционной смесью и воспламенительным составом внутрь шлюзовой камеры 10. Наружный люк 11 шлюзовой камеры закрывают и шлюзовую камеру 10 с помощью устройства подачи газа 16 продувают аргоном. Открывают внутренний люк 12 шлюзовой камеры 10, механизм загрузки-выгрузки 7 перемещает контейнер 6 с реакционной смесью и воспламенительным составом внутрь реактора 13 на рабочую позицию. Внутренний люк 12 шлюзовой камеры 10 закрывают. Благодаря наличию шлюзовой камеры с наружным и внутренним люками воздух из окружающей среды не попадает внутрь реактора при подаче в него контейнера с реакционной смесью и воспламенительным составом, и в нем сохраняется инертная атмосфера. К воспламенительному составу на поверхности реакционной смеси в контейнере 6, находящемся на рабочей позиции внутри реактора 13, подводят воспламенительное устройство 14, с помощью которого поджигают воспламенительный состав, после чего воспламенительное устройство 14 возвращают в исходное положение. Продукты сгорания воспламенительного состава инициируют в реакционной смеси процесс СВС. Выделяющиеся в ходе процесса СВС продукты уноса улавливают фильтром 15, соединенным с реактором 13. По окончании процесса СВС и после охлаждения контейнера 6 внутри реактора 13 за счет естественного понижения температуры открывают внутренний люк 12 шлюзовой камеры 10, с помощью механизма загрузки-выгрузки 7 контейнер 6 с образовавшимся в нем конечным продуктом перемещают внутрь шлюзовой камеры 10, внутренний люк 12 закрывают, открывают наружный люк 11 шлюзовой камеры 10, контейнер 6 с находящимся в нем конечным продуктом с помощью механизма загрузки-выгрузки 7 перемещают из шлюзовой камеры 10 на исходную позицию, наружный люк 11 шлюзовой камеры 10 закрывают, контейнер 6 закрывают герметично крышкой и затем направляют на захоронение. Управление работой устройства осуществляется с пульта управления 17, соединенного с исполнительными органами бункеров 1, 2, и 8, дозаторов 3 и 9, смесителя 4, механизма загрузки-выгрузки 7, наружного 11 и внутреннего 12 люков шлюзовой камеры 10, воспламенительного устройства 14, фильтра 15 и устройства подачи газа 16 линиями связи.

Как следует из приведенного описания, в предлагаемом устройстве для переработки отходов реакторного графита по сравнению с прототипом отсутствует гидравлический пресс, благодаря чему решается поставленная техническая задача повышения надежности, безопасности и снижения энергоемкости устройства, увеличения массы единовременно перерабатываемых отходов реакторного графита.

Заявляемые способ и устройство могут быть использованы для переработки отходов реакторного графита, содержащего долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С и другие радионуклиды.

Для реализации способа переработки отходов реакторного графита могут быть использованы компоненты, широко применяемые в промышленности: алюминий - в металлургии, электротехнике, авиастроении, химическом машиностроении, пиротехнике, диоксид титана - в металлургии, химической промышленности, производстве красок, триоксид дихрома - в металлургии, производстве огнеупоров, абразивов, красок, циркон - в металлургии, силикатной промышленности, оксид меди - в электротехнике, химической промышленности.

Для изготовления устройства в качестве бункеров измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, порошков диоксида титана или триоксида дихрома, модификатора и воспламенительного состава дозаторов для каждого из упомянутых веществ, смесителя, фильтра, устройства подачи газа могут быть использованы стандартные, выпускаемые отечественной промышленностью оборудование, механизмы и устройства. В качестве исполнительных органов бункеров, дозаторов, смесителя, механизма загрузки-выгрузки, внешнего и внутреннего люков шлюзовой камеры, воспламенительного устройства, фильтра, устройства подачи газа, а также приборов и аппаратуры автоматики для пульта управления могут быть использованы стандартные механизмы и приборы управления и автоматики, выпускаемые отечественной промышленностью. Нестандартные узлы и механизмы устройства для переработки отходов реакторного графита, включая механизм загрузки-выгрузки, шлюзовую камеру с наружным и внутренним люками, реактор и воспламенительное устройство, могут быть изготовлены на стандартном отечественном оборудовании.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1718277 А1, МКИ⁵ G 21 F 9/32, опубл. 07.03.1992, БИ 9.

2. Патент Российской Федерации 2065220 С1, МКИ⁵ 6 G 21 F 9/32, опубл. 10.08.1996, БИ 22.

3. Патент Российской Федерации 2152652 C1, MKИ⁵ 7 G 21 F 9/16, 9/28, 9/30, опубл. 10.07.2000, БИ 19.

4. Глаговский Э.М., Куприн А.В., Пелевин Л.П. и др. // Атомная энергия, 1999, т.87, вып.1, с.57-61.

5. Шидловский А. А. Основы пиротехники. - М.: Машиностроение, 1973, с. 219, 221.

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к технологии переработки высокоактивных отходов облученного графита, образующихся при выводе из эксплуатации водографитовых реакторов. Способ переработки отходов реакторного графита включает измельчение отходов реакторного графита, введение в измельченные отходы реакторного графита порошкообразного алюминия в качестве энергоносителя и в качестве оксида карбидообразующего элемента диоксида титана или триоксида дихрома. Размещение приготовленной смеси в контейнере с инертной атмосферой в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем инициирования реакции горения компонентов смеси. Смесь дополнительно содержит модификатор. В качестве модификатора выбирают вещества, которые при температуре реакции горения компонентов смеси разлагаются и/или плавятся и не вступают в реакцию с образующимся в процессе СВС конечным продуктом. Смесь помещают в контейнер. Поверх смеси, находящейся в контейнере, располагают слой воспламенительного состава, покрывающий не менее половины ее открытой поверхности. Причем воспламенительный состав имеет температуру горения не ниже 2500 К и не выделяет при горении газообразных продуктов, термическую обработку проводят в негерметичном реакторе без доступа воздуха при избыточном давлении инертного газа 200-250 Па. Устройство для переработки отходов реакторного графита содержит бункер для измельченных отходов реакторного графита, бункеры для порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, дозаторы для каждого из упомянутых компонентов. Устройство также содержит смеситель, дозатор реакционной смеси, контейнер, реактор и воспламенительное устройство, бункер и дозатор для воспламенительного состава, механизм загрузки-выгрузки для перемещения контейнера с реакционной смесью в реактор и извлечения контейнера из реактора. При этом реактор снабжен шлюзовой камерой, имеющей наружный и внутренний люки, фильтр для улавливания продуктов уноса, образующихся в ходе процесса СВС, соединенный с реактором, устройство подачи инертного газа в реактор и шлюзовую камеру, пульт управления работой устройства. Технический результат: использование заявленного способа позволяет упростить процесс и снизить его опасность, уменьшить энергоемкость, повысить надежность инициирования реакции горения экзотермической смеси, использование заявленного устройства позволяет повысить надежность и безопасность, увеличить массу единовременно перерабатываемых отходов, снизить энергоемкость при переработке отходов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ переработки отходов реакторного графита, включающий измельчение отходов реакторного графита, введение в измельченные отходы реакторного графита порошкообразного алюминия в качестве энергоносителя и в качестве оксида карбидообразующего элемента диоксида титана или триоксида дихрома, размещение приготовленной смеси в контейнере, проведение термической обработки смеси в контейнере, помещаемом в реактор с инертной атмосферой, в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем инициирования реакции горения компонентов смеси, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит модификатор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Отходы графита - 5-12
Порошкообразный алюминий - 25-40
Диоксид титана или триоксид дихрома - 50-66
Модификатор - 2-15,
при этом в качестве модификатора выбирают вещества, которые при температуре реакции горения компонентов смеси разлагаются и/или плавятся и не вступают в реакцию с образующимся в процессе СВС конечным продуктом, предназначенным для захоронения, приготовленную смесь помещают в контейнер, поверх смеси, находящейся в контейнере, располагают слой воспламенительного состава, покрывающий не менее половины ее открытой поверхности, причем воспламенительный состав имеет температуру горения не ниже 2500 К и не выделяет при горении газообразных продуктов, термическую обработку проводят в негерметичном реакторе без доступа воздуха при избыточном давлении инертного газа 200-250 Па. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют циркон. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют оксид меди. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют оксид никеля. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модификатора используют алюминий. 6. Устройство для переработки отходов реакторного графита, содержащее бункер для измельченных отходов реакторного графита, бункеры для порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, дозаторы для каждого из упомянутых компонентов, смеситель, дозатор реакционной смеси, контейнер, реактор и воспламенительное устройство для инициирования реакции горения компонентов смеси, находящейся в контейнере, помещенном в реактор, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено бункером и дозатором для воспламенительного состава, механизмом загрузки-выгрузки для перемещения контейнера с реакционной смесью в реактор и извлечения контейнера из реактора, при этом реактор снабжен шлюзовой камерой, имеющей наружный и внутренний люки, фильтром для улавливания продуктов уноса, образующихся в ходе процесса СВС, соединенным с реактором, устройством подачи инертного газа в реактор и шлюзовую камеру, пультом управления работой устройства, соединенным линиями связи с исполнительными органами бункеров и дозаторов измельченных отходов реакторного графита, порошкообразного алюминия, диоксида титана или триоксида дихрома и модификатора, смесителя, дозатора приготовленной реакционной смеси, бункера и дозатора воспламенительного состава, механизма загрузки-выгрузки, внешнего и внутреннего люков шлюзовой камеры, фильтра, воспламенительного устройства, устройства подачи инертного газа.