СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2004 года по МПК G21F9/16 G21F9/08 G21F9/12 

Изобретение относится к области ядерной энергетики и может быть использовано при утилизации жидких радиоактивных отходов (ЖРО) разной степени активности и концентрации, образующихся на ядерных и атомных блоках и объектах, а также для процесса фиксации и отверждения радиоактивных отходов. Жидкие отходы и упаренный кубовый остаток представляют собой водные растворы продуктов деления, радионуклидов коррозионного происхождения и различных веществ, используемых для дезактивации оборудования и поддержки водно-химического режима.

Известен способ отверждения жидких радиоактивных отходов, заключающийся в изменении агрегатного состояния ЖРО путем включения их в твердую матрицу с целью получения компаунда с низким уровнем выщелачиваемости по радионуклидам и необходимой прочности (Л.А. Кульский, Э.Б. Страхов, А.М. Волошинова. Технология водоочистки на атомных энергетических установках. Киев: Наукова Думка, 1986, с.253).

Основной недостаток такого способа заключается в невозможности получения гомогенной структуры блоков, особенно при отверждении концентратов упаривания, имеющих высокое содержание растворимых солей. Кроме того, при определенном содержании солей (боратов, сульфатов, нитратов) центральная часть блоков (сердцевина) остается неотвержденной.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ отверждения ЖРО, заключающийся в подводе тепла к раствору жидких радиоактивных отходов и капиллярно-пористой матрице, размещенной в емкости с раствором жидких радиоактивных отходов, и концентрировании твердой фазы ЖРО (С1 № 2132094, RU G 21 F 9/16, F 26 В 15/26. - 1999. - № 17).

Основной недостаток способа заключается в том, что невозможно получить ЖРО с высокой концентрацией примесей. Выпаривающиеся примеси осаждаются на теплоподводящих поверхностях, ухудшается теплосъем и соответственно увеличивается расход подводимого тепла.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении степени упаривания за счет того, что дополнительно подводят тепло к капиллярно-пористой матрице и уменьшают давление до появления кипения во внутреннем объеме капиллярно-пористой матрицы.

Технический результат достигается за счет увеличения поверхности испарения и интенсификации процесса.

Технический результат достигается также за счет того, что размер пор выбирается из условия:

где δ_п - размер пор КПМ;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, в которой растворены отходы (как правило, это вода);

g - ускорение свободного падения;

р’, р’’ - плотность жидкой и паровой фаз растворителя на линии насыщения.

Технический результат достигается также за счет того, что выпаренная из раствора твердая фаза радиоактивных отходов фиксируется внутри капиллярно-пористой матрицы.

На чертеже показан один из вариантов конструкции, позволяющей осуществить предлагаемый способ.

Конструкция включает в себя следующие элементы:

1 - емкость с раствором ЖРО; объем емкости определяется технологическим процессом;

2 - капиллярно-пористая матрица (КПМ). КПМ предварительно размещается в объеме ЖРО. При заполнении КПМ выпаренными из раствора ЖРО радиоактивными элементами КПМ удаляется из раствора, и новая КПМ помещается в раствор ЖРО;

3 - источник питания. Служит для подвода электрической мощности к КПМ, используется в случае необходимости пропускания тока через конструктивные элементы КПМ и выделения тепла в элементах КПМ и соответственно дополнительного подогрева ЖРО, находящихся в капиллярно-пористой структуре;

4 - система трубопроводов предназначена для отвода пара, образующегося в КПМ и для снижения в случае необходимости давления в объеме КПМ. Снижение давления достигается с помощью вакуумного насоса. При достаточном подогреве ЖРО и соответствующем снижении температуры сконденсированного пара снижение давления в объеме КПМ будет происходить автоматически. На чертеже конденсатор и вакуумный насос не показаны.

Способ отверждения ЖРО осуществляют следующим образом. На первом этапе к ЖРО, размещенном в некотором объеме, подводят тепло. Количество тепла, подводимого к ЖРО, выбирают, исходя из массы ЖРО в объеме емкости и требуемой из условий технологического процесса температуры ЖРО. Далее размещают КПМ в объеме ЖРО. КПМ может быть размещена до заполнения объема емкости ЖРО. После размещения КПМ в объеме ЖРО к КПМ (ее конструктивным элементам) подводят тепло посредством пропускания тока через конструктивные элементы КПМ. Дополнительный подвод тепла выбирается из условия нагрева жидкости, находящейся в объеме КПМ до температуры, при которой создаются условия для кипения растворителя в объеме КПМ.

Достижение температуры в объеме КПМ, при которой начинается кипение растворителя, возможно с помощью снижения давления в объеме КПМ. Снижение давления и дополнительный подвод тепла можно проводить одновременно.

После возникновения кипения растворителя в объеме КПМ начинается процесс разделения жидкой и твердой фазы в ЖРО, находящейся в объеме КПМ. Жидкая фаза, испаряясь, удаляется из объема КПМ, а твердая фаза оседает в КПМ. Процесс продолжается до заполнения пустого внутреннего пространства КПМ твердой фазой - примесью.

Для эффективной работы по предлагаемому способу необходимо соблюсти следующие условия. Размер пор в КПМ должен быть выбран, исходя из условия (1). В этом случае размер пор соизмерим с отрывным диаметром пузырей, образующихся в КПМ. При этом создаются оптимальные условия для удаления пара из КПМ.

В качестве примера реализации предлагаемого способа отверждения ЖРО рассмотрим процесс перевода высококонцентрированного раствора - кубового остатка в твердое состояние с применением капиллярно-пористой матрицы.

Рассмотрим способ отверждения кубового остатка в емкостях объемом 200 литров.

Концентрация примеси в кубовом остатке составляет С_пр=0,3-0,5 кг/кг. Примем концентрацию С_пр=0,4 кг/кг. В емкости содержится 175 литров растворителя - воды и 80 кг твердых примесей. Плотность сухой твердой примеси принимается ρ_пр=3200 кг/м³. Объем примеси V_пp=0,025 м³. Пористость матрицы ε_КПМ=0,4. Объем матрицы V_КПМ=0,0625 м³. Если в качестве материала матрицы используется низкоуглеродистая сталь с плотностью ρ_КПМ=7900 кг/м³, то масса матрицы равна М_КПМ=7900·(0,0625-0,025)=300 кг. Для удобства реализации предлагаемого способа отверждения ЖРО возможно разделить матрицу на три части, каждая массой m_КПМ=100 кг. Размер матриц составит 0,4×0,4×0,125 м с объемом каждой части 0,02 м³. При пористости матрицы ε_КПМ=0,4 внутреннее пространство будет равно v_пор=0,008 м³, а общий объем трех матриц составит v_пор=0,024 м³. Таким образом, при соблюдении выбранных условий отверждения ЖРО весь объем твердой фазы после выпаривания осядет внутри капиллярно-пористых матриц.

Работа выполняется при следующих условиях.

Имеется емкость с раствором ЖРО объемом V_ЕМ=200 литров, давление в емкости Р=0,1 МПа, температура ЖРО Т_ЖРО=90°С.

В емкость помещены три КПМ общим объемом V_КПМ =0,06 м³ с суммарным объемом пустот V_пуст=0,024 м³.

Радиоактивные примеси растворены в воде. Капиллярно-пористая матрица изготовлена с эквивалентным диаметром пор не более 2 мм, материал - низкоуглеродистая сталь. Размер пор выбран, исходя из условия (1), расчет по которому дает размер d_пор=2,5 мм, т.е. условие (1) удовлетворено.

Для возникновения кипения в КПМ необходимо довести температуру воды в ее объеме до температуры насыщения, т.е. до 100°С (известно, что для возникновения кипения в объеме капиллярно-пористой структуры практически не нужен перегрев жидкой фазы относительно температуры насыщения).

Количество тепла, необходимое для догрева и испарения воды, нагрева примеси и капиллярно-пористой матрицы

где QΣ - суммарное количество тепла;

m_в - масса воды, испарившейся в объеме КПМ;

i_s - энтальпия воды на линии насыщения;

i_КПМ - энтальпия воды при температуре матрицы;

r - скрытая теплота парообразования;

х - паросодержание в объеме КПМ, х=1;

m_пр - масса примеси;

с_{р пр} - средняя удельная теплоемкость примеси;

ΔТ - перепад температур, до которой догревается раствор ЖРО в КПМ,

ΔТ=T_s-Т_КПМ;

T_s - температура насыщения воды;

М_КПМ - масса капиллярно-пористой матрицы;

с_{р КПМ} - удельная теплоемкость материала матрицы.

Таким образом:

m_в=175 кг; i_s=417,51 кДж/кг; i_КПМ=377 кДж/кг;

r=2258,2 кДж/кг; х=1; m_пр=80 кг; ΔТ=10°С;

М_КПМ=ε_м·ρ_м·v_м=0,6·7900·0,064=303,36 кг;

С_{р КПМ}=0,55 кДж/кгК.

Поскольку нет данных по теплоемкости твердой фазы радиоактивных отходов, примем, что количество тепла, необходимое для их нагрева, пропорционально массе матрицы.

QΣ=175(417,51-377)+175·2258,2+300·0,55·10+440=404365 кДж.

Для отвода пара при приемлемом расходе воды в конденсаторе необходимо время τ≈60 минут. В этом случае на каждый цикл отверждения раствора из емкости и фиксации твердой фазы в капиллярно-пористой матрице потребуется мощность порядка N=112 кВт. За счет использования тепловой энергии, полученной при конденсации испарившейся воды, энергетические затраты возможно уменьшить.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить степень упаривания за счет увеличения поверхности испарения, интенсифицировать процесс и зафиксировать твердую фазу ЖРО внутри капиллярно-пористой матрицы.

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ отверждения радиоактивных отходов заключается в подводе тепла к раствору жидких радиоактивных отходов и капиллярно-пористой матрице, размещенной в емкости с раствором жидких радиоактивных отходов, и концентрировании твердой фазы. При этом дополнительно подводят тепло к капиллярно-пористой матрице и уменьшают давление до появления кипения во внутреннем объеме капиллярно-пористой матрицы. Преимущество изобретения заключается в повышении степени упаривания отходов. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ отверждения жидких радиоактивных отходов, заключающийся в подводе тепла к раствору жидких радиоактивных отходов и капиллярно-пористой матрице, размещенной в емкости с раствором жидких радиоактивных отходов, концентрировании твердой фазы, отличающийся тем, что дополнительно подводят тепло к капиллярно-пористой матрице и уменьшают давление до появления кипения во внутреннем объеме капиллярно-пористой матрицы.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер пор в капиллярно-пористой матрице выбирается из условия:

δ_п ≤[σ/g(ρ' - ρ'')]^0,5,

где δ_п - размер пор капиллярно-пористой матрицы;

σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости, в которой растворены отходы, как правило, воды;

g - ускорение свободного падения;

ρ', ρ'' - плотность жидкой и паровой фаз растворителя на линии насыщения.