СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G21F9/04 

Изобретение относится к переработке отходов, в частности жидких радиоактивных отходов (РАО), получающихся при регенерации ядерного топлива энергетических реакторов, например ВВЭР-400, БН-600, ВВВЭР-1000 и РБМК, транспортных и исследовательских реакторов в фосфатное или боросиликатное стекло, так называемое, остекловывание.

Известен AVM-process (Atelier de Vitrification Marcoule), разработанный для регенераци-онного завода в Маркуле (Франция) / W.Baehr. Industrial Vitrification Process for High-Level Liquid Waste Solutions. IAEA Bulletin, 4/1989, p /43-47/ и реализованный также на другом регенерационном заводе - в Селлафилде (Англия) / Nuclear Fuel Reproeesing Technology. Information Services British Nuclear Fuels pie. Risley, Warrington WAS 6AS, 1992/. Основная часть процесса включает две отдельные стандартные стадии:

- кальцинацию - разложение раствора РАО при высокой температуре на кальцинат - оксиды химических элементов - продуктов деления и газовую фазу, содержащую водяной пар, оксиды азота и другие летучие продукты;

- остекловывание - плавление кальцината в смеси со стеклообразующими добавками в частотном индукционном нагревателе, изготовленном из металла.

Кальцинацию производят во вращающейся электрической печи: нитратный раствор РАО подают в печь из накопительного объема. Вращающаяся печь разделена на зоны, в которых повышают температуру последовательно от входа к выходу от 225°С до 600°С, в ней происходит испарение растворителя, нагрев и разложение солевого остатка. Газовую фазу чистят от пыли, последнюю растворяют в азотной кислоте и возвращают в накопительный объем. Кальцинат направляют в металлический индукционный плавитель, плавят его при температуре 1150°С в смеси со стеклообразующими добавками и разливают расплав в канистры, которые после соответствующей обработки направляют на долговременное хранение.

Второй известный процесс переработки РАО - одностадийный Pamela-process: в этом процессе раствор РАО со стеклообразующими добавками подают в расплав, находящийся в керамическом плавителе; в расплав вводят несколько пар электродов (четыре пары); расплав между электродами нагревают переменным током. Электроды выполнены из тугоплавкого сплава Inconel - 690 и находятся на двух уровнях. Температура в плавителе достигает 1150-1200°С, причем нагрев регулируют так, что температура возрастает по мере приближения к сливному отверстию. Расплав разливают в канистры, которые после соответствующей обработки герметизируют и направляют на долговременное хранение. Отходящие газы чистят от пыли посредством водной обработки, раствор или суспензию последней возвращают в накопительный объем.

Известен керамический плавитель ЭП-500/1Р для переработки жидких РАО, аналогичный по принципу действия плавителю в Pamela-process / А.С.Поляков, Г.Б.Борисов, Н.И.Моисеенко, В.И.Основин, Е.Г.Дзекун и др. Опыт эксплуатации керамического плавителя ЭП-500/1Р по переработке жидких ВАО. Атомная энергия, т.76, вып.3, март 1994, с.183-188/. Основой плавителя является прямоугольный бассейн, выложенный брусьями из плавленого бакора-33 в металлическом водоохлаждаемом корпусе. Бассейн разделен на три зоны: варочную, переточную, накопительную. В поде каждой из зон вмонтированы стержневые молибденовые электроды на водоохлаждаемых токоподводах. В сводовом перекрытии варочной зоны установлены три водоохлаждаемых питателя, через которые на поверхность стекломассы подают раствор РАО в смеси с жидким флюсом-стеклообразователем (ортофосфорной кислотой) и подавителем летучести рутения-106 (этиленгликолем). По мере наработки расплава стекломасса поступает из варочной зоны через переточную зону в накопительную, откуда ее разливают в канистры. Узел разлива стекломассы включает в себя запорно-сливное устройство, которое состоит из водоохлаждаемого плунжера, работающего по принципу открытия-закрытия сливного отверстия в печи, водоохлаждаемой сливной трубы, по которой стекломасса стекает в канистру.

Оба варианта технологии остекловывания РАО имеют свои недостатки. Так, стадия кальцинации в AVM-process основана на контактном нагреве раствора в реторте вращающейся печи со сравнительно низким тепло- и массообменом в интервале рабочих температур. По мере износа реторта печи становится также радиоактивным отходом, подлежащим переработке.

Нагрев и плавление кальцината производят в металлическом индукционном плавителе, который также имеет ограниченный ресурс работы, поскольку теплообмен с источником нагрева идет при температуре 1150°С через стенку плавителя, которая при таких условиях сравнительно быстро изнашивается. По мере износа корпус плавителя становится также радиоактивным отходом, подлежащим переработке.

Оборудование одностадийного Pamela-process, также как и оборудование аналогичного процесса в керамическом плавителе ЭП-500/1Р, также имеет ограниченный ресурс работы из-за контактного нагрева коррозионно-активной среды при сравнительно высокой температуре - 1200°С.

Также известно устройство для высокотемпературной переработки радиоактивных и токсичных отходов (патент РФ №2160475, оп. 10.12.2000), включающее выполненный из огнеупорного материала корпус с расширяющимся сверху вниз каналом и имеющий верхнюю и нижнюю торцевые части, подсоединенный своей нижней торцевой частью к герметичной камере с узлом выгрузки и расположенной в ней емкостью для сбора конечного продукта, а также узел загрузки отходов, плазменный генератор с узлом подачи газообразного окислителя и газоотводной патрубок, выполненный из огнеупорного материала корпус с расширяющимся сверху вниз каналом состоит из верхней секции корпуса длиной L₁ с выполненным в ней каналом поперечным сечением S₁, подсоединенной своей нижней торцевой частью к верхней торцевой части нижней секции корпуса длиной L₂ с выполненным в ней каналом поперечным сечением S₂ и расположенным на ее боковой части патрубком для подачи в канал нижней секции корпуса газообразного окислителя, причем верхняя торцевая часть корпуса одновременно является верхней торцевой частью верхней секции, а нижняя торцевая часть корпуса одновременно является нижней торцевой частью нижней секции корпуса, узел загрузки отходов состоит из снабженной патрубком для подачи сжатого воздуха и выходным патрубком камеры смешения, к которой подсоединены дозатор отходов и дозатор флюсующих добавок, плазменный генератор с узлом подачи в него газообразного окислителя расположен на плоской крышке плазменной камеры, снабженной входным патрубком, расположенным на ее боковой части, причем плазменная камера своим днищем соединена с верхней торцевой частью корпуса, своим выходным отверстием, расположенным в ее днище, - с каналом верхней секции корпуса, а своим входным патрубком - с выходным патрубком камеры смешения, герметичная камера снабжена охлаждающей рубашкой, а внутри герметичной камеры между нижней торцевой частью корпуса и приемной емкостью расположен охлаждающий узел, выполненный в форме трубчатого, пластинчатого теплообменника или водяной форсунки, газоотводный патрубок расположен на боковой части герметичной камеры, ниже уровня расположения охлаждающего узла, плазменный генератор, плазменная камера, верхняя и нижняя секции корпуса соединены между собой соосно, величина L₂ составляет не менее 1,7 L₁, но не более 2,3 L₁, a S₂ - не менее 3S₁, но не более 4S₁. Плазменная камера имеет цилиндрическую форму, а ее входной патрубок расположен тангенциально.

Наиболее близким к заявляемому является способ и устройство для переработки жидких радиоактивных отходов (С.В.Стефановский, И.А.Князев, С.А.Дмитриев. Остекловывание радиоактивных ВАО в плазменном реакторе. Физика и химия обработки материалов, 1991, №4, с.72-80).

Способ переработки заключается в следующем: в верхнюю часть плазменной камеры - зону смешения подают жидкие радиоактивные отходы, предварительно смешанные со стеклообразующими добавками, ввод указанных компонент производят тангенциально. В эту же зону смешения вертикально осуществляют подачу плазмообразующего газообразного окислителя - воздуха. Плазменный разряд осуществляют за счет трех симметрично установленных электродуговых плазмотронов. В результате нагрева указанных компонент происходит их плавление и разложение на оксиды химических элементов - продуктов деления и газовую фазу, содержащую водяной пар, оксиды азота и другие летучие продукты, расплав собирается в ванне расплава, а газообразные продукты отводятся в систему очистки.

В верхней части прямоточной цилиндрической водоохлаждаемой плазменной камеры расположена зона смешения шихты и плазмообразующего газа - воздуха, с тангенциальным вводом плазменного потока. Источником плазмы являются три электродуговых плазмотрона. Плазменная камера выполнена из меди и футерована изнутри электрокорундом. Расплав собирался в ванне расплава, соединенного с нижней частью плазменной камеры. Газовая составляющая продуктов разложения отводилась из плазменной камеры в систему газоочистки.

Кальцинацию раствора РАО и плавление кальцината проводили в воздушной плазме с расходом 4.1·10^-3 кг/с, потребляемая электрическая мощность плазменного реактора 120 кВт, удельные энергозатраты составляли в среднем 4-8 кВт·ч/кг стекла, массовые скорости загрузки РАО и выгрузки расплава 10-70 и 7-45 кг/ч. Перерабатывали РАО среднего уровня активности ~1 ГБк/м³). В качестве стеклообразующих добавок использовали датолит, кварцевый песок и суглинок в массовом отношении соли: датолит: кремнезем: суглинок = 40:30:15:15. В результате получалось стекло с приемлемой химической устойчивостью (скорость выщелачивания составляла 10^-5 г/см²·сут).

Потери компонентов при остекловывании РАО сильно зависят от способа подготовки исходных РАО, массовой скорости загрузки и вида радионуклидов. При малых скоростях загрузки (до 40 кг/ч) исходных РАО велики потери цезия и натрия (до 20%) и других радионуклидов и бора, что связано с наличием пылеуноса. При более высоких скоростях загрузки и использовании предварительно подготовленной шихты потери уменьшаются до 3-4% по натрию и цезию и менее 1% по остальным β- и γ-радионуклидам. Наиболее низкие потери отмечены для суммы α-излучателей (U, Pu, Th и пр.). Химическая устойчивость полученных стеклоподобных материалов находится на уровне -10^-5-10^-6 г/см²·сут. Недостатками этого решения являются:

1. Выполнение зоны смешения, расположение узлов подачи шихты, расположение электродуговых плазматронов не гарантирует от попадания расплава на стенки смесительной камеры и самого плазменного реактора, что сопровождается образованием гарнисажа на его стенке и даже забивкой.

2. Плазменный реактор и ванна расплава футерованы тугоплавкими материалами, которые не выдерживают длительного режима работы; их износ и разрушение сопровождается образованием вторичных РАО.

3. Несовершенство системы вывода и очистки газообразных продуктов разложения отходов.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение эффективности процесса за счет

- оптимизации химического состава и физических свойств потока технологической плазмы;

- совмещении раздельно проводимых стадий кальцинации и плавления отходов в одном аппарате;

- электромагнитного перемешивания расплавленных отходов, усреднения их состава и повышения качественных показателей процесса остекловывания РАО;

- очистки газового выхлопа при барботировании двухфазного потока через расплав;

- миниатюризация оборудования, что создает предпосылки для снижения количество вторичных радиоактивных отходов, для глубокой очистки газообразных продуктов от радиоактивной пыли.

Для этого предложен способ переработки жидких радиоактивных отходов (РАО), заключающийся в подаче отходов, предварительно смешанных со стеклообразующими добавками, и плазмообразующего газа в зону смешения плазменной камеры, генерировании потока плазмы в вертикально расположенной охлаждаемой плазменной камере, разложении отходов на составляющие в плазменной камере, выгрузки конечного продукта в виде расплава из зоны плавления, отводе газообразных продуктов распада, при этом формируют в зоне смешения плазменной камеры вертикальный и направленный вдоль оси плазменной камеры поток плазмообразующего газа, генерирование плазмы в плазменной камере осуществляют с помощью микроволновых генераторов плазмы, формирование расплава проводят за счет прямого индукционного нагрева, при этом нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав, а отвод газообразных продуктов разложения осуществляют после барботирования их через расплав.

Кроме того,

- в качестве плазмообразующего газа используют водяной пар с начальной температурой 500-600°С;

- выгружают конечный продукт в виде расплава из зоны плавления в обогреваемый коллектор накопитель;

- электропроводность расплава поддерживают в интервале 1-100 См/м;

- поддерживают температуру в верхней части плазменной камеры 4000-6000°С;

- поддерживают температуру в объеме плазменной камеры 1200-2000°С;

- поддерживают температуру в зоне плавления компонентов РАО 1700-2000°С.

Также предложено устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, состоящее из расположенных в верхней части цилиндрической охлаждаемой плазменной камеры, узлов ввода отходов и плазмообразующего газа, генератора плазмы, систем водо- и энергообеспечения, при этом в нижней части плазменная камера соединена с емкостью для расплава и остеклования отходов, соединенной с устройством для выгрузки отходов, трубопроводом для отвода газообразных продуктов, при этом что верхняя часть плазменной камеры выполнена в виде усеченного конуса, а узел ввода плазмообразующего газа выполнен в виде симметрично установленных сопел, введенных через горизонтальную и коническую поверхность плазменной камеры, генераторы плазмы выполнены в виде микроволновых генераторов, соединенных через четырехугольные волноводы с плазменной камерой в ее цилиндрической части, емкость для расплава остеклованных отходов установлена внутри индуктора частотного плавителя.

При этом

- диаметр частотного плавителя больше диаметра нижней части плазменной камеры;

- нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав;

- плазменная камера снабжена двойной охлаждающей рубашкой: внутренняя - для охлаждения потоком сжатого воздуха, внешняя - для охлаждения потоком воды;

- угол между осью плазменной камеры и образующей к поверхности конуса составляет 30°;

- установлены, по крайней мере, по одной паре сопел на каждой поверхности;

- трубопровод для отвода газообразных продуктов соединен с верхней частью частотного плавителя.

В качестве подаваемых на переработку РАО подразумевают: нитратный раствор продуктов деления, отделенных предварительно от урана и плутония с помощью экстракции.

Предложенное решение для переработки РАО основано на том, что стадии кальцинации и остекловывания пространственно разделены, но их осуществляют в одном аппарате. Процесс основан на использовании плазменного нагрева раствора РАО и последующего прямого индукционного нагрева конденсированного остатка РАО в одном аппарате. Процесс построен так, что сформированный поток плазмы, в котором протекает стадия кальцинации РАО, повышает электропроводность расплава кальцината, стимулируя тем самым улучшение связи частотного генератора с расплавом и, как следствие, повышение эффективности остекловывания. Процесс заключается в комбинированной обработке раствора РАО, которая предусматривает получение потока плазмы, химически совместимой с РАО, распыление раствора РАО и смешение его с потоком плазмы, кальцинацию РАО и транспорт дисперсного кальцината в объем расплава, нагреваемого прямым индукционным нагревом с индуктора частотного генератора. В качестве плазмообразующего газа используют перегретый водяной пар, что позволяет в дальнейшем резко уменьшает газовый сброс, отходы в газовой фазе барботируют через расплав, что позволяет очистить газовый выхлоп от пыли.

Таким образом, процесс переработки РАО включает следующие операции:

- генерирование потоков водопаровой плазмы в микроволновой плазменной камере;

- подачу раствора РАО через форсунку в поток водопаровой плазмы в микроволновую плазменную камеру;

- подготовку ванны расплава прямым индукционным нагревом исходной оксидной композиции - суррогата РАО;

- обработку распыленного раствора РАО потоками водопаровой плазмы; в процессе обработки из капель распыленного раствора испаряют растворитель (воду), отгоняют из капель раствора оксиды азота и прочие летучие оксиды, оставляя в капле оксиды металлов и неметаллов, содержащихся в РАО;

- направление потока отработанной технологической плазмы на поверхность оксидного расплава в частотный плавитель прямого индукционного нагрева, расположенный по вертикали ниже плазменного реактора; указанный поток барботируют через слой расплава, чтобы стимулировать аккомодацию дисперсной фазы из потока отработанной плазмы и очистку названного потока от технологической пыли и аэрозолей;

- плавление и гомогенизацию расплава в частотном плавителе за счет электромагнитного перемешивания;

- разгрузку расплава - продукта электротермической переработки РАО в плазменной камере и в частотном плавителе прямого индукционного нагрева через сливной обогреваемый трубопровод, расположенный выше индуктора; расплав непрерывно сливают в накопитель, снабженный внешним нагревом и тепловым клапаном;

- периодический слив расплава через тепловой клапан в канистры;

- отвод газовой фазы, синтезированной в объеме плазменной камеры и частотного плавителя, имеющего температуру 1700-2000°С, состоящей преимущественно из водяного пара и оксидов азота, в систему охлаждения и конденсации, где происходит охлаждение газового потока в конденсаторе до 70-90°С, частичное улавливание оксидов азота в виде раствора азотной кислоты; очистка газовой фазы от летучих оксидов РАО (в частности, оксиды рутения); дальнейшая абсорбция оксидов азота в растворе азотной кислоты, полученной при конденсации газовой фазы в конденсаторе, в абсорбере; очистка газовой фазы от технологической пыли пропусканием ее через металлокерамический фильтр из анизотропной керамики, снабженный импульсной эжекционной регенерацией рабочей поверхности фильтра; улавливание пыли и тонкая очистка газового выхлопа от аэрозолей; возврат технологической пыли в коллектор РАО.

Схема устройства для переработки РАО показана на фигуре 1. На фигуре 2 показана схема работы волноводов микроволнового генератора. Позициями на фигурах обозначены:

1 - плазменная камера

2 - двойная охлаждающая рубашка плазменной камеры из нержавеющей стали(корпус)

3 - форсунка для распыления потока РАО

4 - подача РАО

5 - сопла для подачи плазмообразующего газа - водяного пара

6 - волноводы

7 - микроволновые генераторы

8 - диэлектрическая вставка

9 - фланец

10 - частотный плавитель типа «холодный тигель»

11 - индуктор частотного плавителя

12 - частотный генератор

13 - поток воды

14 - насос

15 - патрубок подачи воды

16 - патрубок отводы воды

17 - трубопровод выводы расплава

18 - коллектор-накопитель

19 - нагреватель тепловой клапан

20 - тепловой клапан

21 - трубопровод для вывода потока газовых продуктов разложения РАО

22 - система охлаждения и очистки газовых продуктов разложения РАО

23 - подача воды

24 - подача воздуха.

Вертикальная цилиндрическая плазменная камера 1, выполненная из нержавеющей стали, имеет в верхней части зону смешения в форме усеченного конуса. Камера снабжена по всей длине двойной охлаждающей рубашкой 2 с водо-воздушным охлаждением: внутренняя охлаждается протоком воздуха 24, внешняя - потоком воды 23; поэтому внешняя поверхность камеры 1 имеет температуру, близкую к комнатной, на внутренней поверхности поддерживается температура ~400-600°С. Угол между осью плазменноой камеры и образующей к поверхности конического расширения составляет 30°.

На горизонтальной поверхности усеченного конуса по центру расположена форсунка 3 для ввода и распыления потока 4 раствора РАО. Через коническую поверхность камеры тангенциально введена, по крайней мере, одна пара сопл 5 для подачи потока плазмообразующего газа - водяного пара внутрь камеры 1, расположенных симметрично по отношению друг к другу; другая пара сопл 5 для подачи потока водяного пара внутрь камеры введена вертикально через горизонтальную поверхность усеченного конуса. Назначение вертикально установленных сопл - подавить восходящие потоки по центру плазменной камеры. Количество последних сопл также может быть более двух, в любом случае они должны располагаться симметрично.

Зона плазменной обработки РАО ниже зоны смешения имеет форму протяженного цилиндра, в которую введены под углом 90° несколько (не менее двух) симметрично расположенных четырехугольных волновододов 6 от микроволновых генераторов 7, в которых источником микроволнового излучения служит магнетрон, таким образом, чтобы между магнетроном и технологическим объемом в плазменной камере была герметично установлена диэлектрическая вставка 8 (см. фиг.2), пропускающая микроволновое излучение и препятствующая контакту магнетрона с технологической средой в плазменной камере. При таком вводе четырехугольных волноводов 6 в цилиндрическую камеру 1 последняя служит импровизированным круглым волноводом и является одновременно конвертором электромагнитной моды - трансформатором электромагнитной волны H₀₁ в волну H₁₁, когда поток электромагнитной энергии (W) поступает от магнетрона по четырехугольному волноводу в круглый волновод; безэлектродный разряд горит в отрезке круглого волновода при наличии диэлектрических вставок 8 между зоной разряда и магнетронами; плазмотрон практически совмещен с плазменной камерой. На фиг.2 показано распределение напряженности электрического поля в прямоугольном и круглом волноводах. Микроволновая радиация (W) направляется по прямоугольному волноводу 6 в круглый волновод. Электромагнитная волна H₀₁ превращается в конверторе моды в волну H₁₁. В этом случае и микроволновая радиация, и поток газа Q₁ движутся вдоль оси волновода в одном направлении. Микроволновый разряд стабилизируют тангенциальным потоком водяного пара через сопла 5, расположение вводов газа не связано с местом ввода микроволновой энергии. Интегральная мощность плазменного реактора определяется мощностью микроволновых генераторов 7 и количеством прямоугольных волноводов 6, присоединенных к цилиндрической камере 1. Вводы могут находиться и на разных уровнях, как это показано на Фиг.2.

Микроволновые цельнометаллические плазмотроны имеют, по крайней мере, два принципиальных преимущества перед электродуговыми плазмотронами:

- отсутствие электродов и, соответственно, проблем, обусловленных их эрозией;

- возможность варьировать расход плазменно-водопарового теплоносителя в широких пределах без опасений разрушения электродов, т.е. "развязать" процесс генерирования потока плазмы и собственно технологический процесс в плазменной камере, которая по совместительству является круглым волноводом микроволнового плазмотрона.

В нижней части плазменной камеры 1 (Фиг.1) через фланец 9 герметично присоединен водоохлаждаемый частотный плавитель 10 прямого индукционного нагрева типа "холодный тигель", находящийся в индукторе 11 частотного генератора 12. Частотный плавитель 10 предназначен для прямого индукционного нагрева оксидных ингредиентов РАО, погруженных в расплав. Диаметр частотного плавителя 10 больше диаметра плазменной камеры 1. Частотный плавитель 10 установлен коаксиально в индукторе 11 частотного генератора 12. Элементы частотного плавителя 10 принудительно охлаждаются водой: поток воды 13 подают насосом 14 через патрубок подачи воды 15 в нижнюю часть частотного плавителя 10 и выводят через патрубок 16 в верхней части. Плазменная камера 1 и частотный плавитель 10 образуют зону электротермической обработки РАО. Для слива расплава из частотного плавителя 10 в коллектор-накопитель 18 предусмотрен трубопровод 17. Коллектор-накопитель 18 снабжен внешним нагревателем 19. В дне коллектора 18 находится тепловой клапан 20 для слива расплава для розлива его в канистры. Тепловой клапан 20 оснащен автономным источником электропитания (не показан). Нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав в частотном плавителе 10 так, чтобы обеспечить барботаж дисперсных и газовых продуктов плазменной кальцинации РАО через расплав; при этом максимально возможное количество дисперсной фазы остается в расплаве, а газовые продукты максимально очищаются от технологической пыли. Во фланце 9 частотного плавителя 10 установлен трубопровод 21 для вывода потока газовых продуктов разложения РАО, направляемого в систему 22 на охлаждение и очистку. Эта система в общем случае содержит:

- теплообменник-конденсатор для охлаждения газовых продуктов и конденсации водяного пара и поглощения оксидов азота и летучих оксидов металлов (например, оксидов рутения);

- абсорбер для окончательного поглощения оксидов азота;

- металлокерамический фильтр для очистки газового выхлопа от технологической пыли, выполненный из анизотропной керамики и снабженный импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности. Технологическая пыль может быть возвращена в раствор РАО, предназначенный для переработки.

В результате плазменной обработки раствора РАО испаряют воду, разрушают солевой остаток и удаляют оксиды азота, остаются лишь частицы оксидов элементов, образующих массу кальцината, которую необходимо окончательно расплавить, усреднить по составу с помощью электромагнитного перемешивания расплава и затем разлить расплав в емкости, предназначенные для длительного хранения. Температура частиц оксидов РАО находится в диапазоне 1200-2000°С, поэтому внедрение потока отработанной плазмы с распределенной в ней оксидной фазой в расплав стимулирует электрическую проводимость расплава, находящегося в "холодном тигле". Удельная электропроводность расплава в частотном плавителе должна быть не ниже 1 Сим/м, предпочтительно в интервале 1-100 Сим/м, чтобы сохранялась устойчивая индуктивная связь генератора с нагрузкой. Условия для этого создают подбором мощности микроволновых генераторов плазмы и частотного генератора, от которого подают мощность на индуктор. В данном решении используют частотный плавитель типа "холодный тигель". Стенка частотного плавителя представляет собой набор медных водоохлаждаемых секций, разделенных узкими (1-2 мм) зазорами, герметично заполненными высокотемпературными диэлектрическими вставками. Секции частотного плавителя снабжены изолирующим покрытием из оксида алюминия для повышения эффективности прямого индукционного нагрева. Частотное электромагнитное поле с индуктора 11 свободно проникает внутрь частотного плавителя и нагревает проводящую среду, находящуюся внутри. Частотный плавитель находится в водоохлаждаемом индукторе 11. Частотный плавитель установлен коаксиально в индукторе частотного источника электропитания таким образом, чтобы расстояния от нижнего и верхнего витков индуктора до концов разрезов между секциями частотного плавителя с каждой стороны соответственно были не менее высоты индуктора. Это необходимо, чтобы избежать потерь мощности в замкнутых верхней и нижней частях частотного плавителя.

Устройство работает следующим образом.

Внутренний объем частотного плавителя 10 герметичный по отношению к окружающей среде заполняют оксидным суррогатом РАО для получения расплава. Устройство и все коммуникации заполняют аргоном, чтобы вытеснить из них воздух. Подают воду для охлаждения частотного плавителя 10, включают микроволновый генератор 7, направляют поток электромагнитной энергии по четырехугольным волноводам 6 в круглый волновод - плазменную камеру 1 и туда же направляют потоки водяного пара через сопла 5. При этом в круглом волноводе - камере 1 возникает безэлектродный микроволновый разряд, в котором потоки водяного пара превращаются в поток водопаровой плазмы. Одновременно подают напряжение на индуктор частотного плавителя 11, включают частотный плавитель 10, получают расплав в объеме плавителя и начинают подачу потока РАО 4 через форсунку 3.

На поверхность расплава, подготовленного заранее прямым индукционным нагревом в объеме частотного плавителя 10, подают поток водопаровой плазмы, в который распыляют раствор РАО.

Капли раствора в потоке плазменного теплоносителя подвергаются разложению на оксиды металлов и неметаллов - компонентов РАО, водяной пар и оксиды азота.

Температура в зоне водопаровой плазменной переработки РАО устанавливается в интервале 1200-2000°С. При этой температуре устанавливается термодинамически благоприятная среда для разложения раствора РАО в оксиды элементов, содержащихся в РАО, и газовую фазу, содержащую преимущественно оксиды азота и водяной пар. Пылегазовый поток, возникший при плазменной кальцинации, барботирует через расплав, очищается от конденсированной фазы; газовая фаза, состоящая, по преимуществу из водяного пара и оксидов азота, уходит из объема "холодного тигля" через трубопровод 21.

При этом происходит интенсивное электромагнитное перемешивание расплава с продуктами разложения РАО.

Поскольку все продукты плазменной обработки раствора РАО проходят через расплав, вынос технологической пыли меньше, чем при плазменной конверсии РАО в прототипе - более чем на порядок.

Частотный генератор 12, в зависимости от конкретного состава РАО, на который профилируют устройство, работает в диапазоне от 2 кГц до 13.56 МГц в зависимости от содержания неметаллических и металлических ингредиентов в отходах. Начальная температура потока плазмы 4000-6000°С зависит от мощности, состава расплава, расхода водопаровой плазмы и прочих параметров, температура в объеме плазменного реактора 1200-2000 С, температура в объеме ванны расплава составляет 1700-2000°С. Расплав накапливается в частотном плавителе и, достигая уровня переливного патрубка 17, сливается по нему в коллектор 18. Периодически удаляют расплав из коллектора 18 через тепловой клапан 20 в канистру.

Газ, температура которого составляет 1500-1600°С, выводят из частотного плавителя 10 через трубопровод 21 в систему охлаждения и очистки, в которой газ охлаждают до температуры 70-80°С. Одновременно происходит конденсация водяного пара, поглощение оксидов азота и оксидов рутения и очистка газового выхлопа.

Примеры

Пример 1

Перерабатываются суррогат высокоактивных РАО, содержащий (в г/л) Al - 15.3; Na - 31; Fe - 1.1; Ni - 0.8; Cr - 0.3; Ca - 1.8; La - 2.1; Се - 0.08; Nd - 0.09; Sm - 0.07; Ru - 0.04; Rh - 0.01; Pd - 0.1; U - 2.4; SO₄ - 0.4; HNO₃ - 113.

Параметры устройства, представленного схематически на Фиг.1, приведены ниже:

- Общая мощность плазменной камеры с двумя микроволновьми генераторами - 10 кВт;

- Объемный расход водяного пара - 1.2 нм³/ч;

- Весовой расход водяного пара - 0.96 кг/ч;

- Установленная мощность частотного генератора - 110 кВт;

- Колебательная мощность - 60 кВт;

- Частота - 440 кГц;

- Внутренний диаметр плазменной камеры - 0.1 м;

- Высота - 0.5 м;

- Внутренний диаметр частотного плавителя - 0.25 м;

- Высота частотного плавителя от нижнего уровня трубопровода для отвода расплава до дна - 0.6 м;

- Активный объем частотного плавителя - 0.1 м³;

- Давление во время работы в стационарных условиях - 1.1 атм;

- Средняя температура в зоне обработки РАО ~2100°С;

- Температура в объеме частотного плавителя в стационарных условиях - 2010°С;

- Расход раствора РАО в стационарных условиях - 1.7 кг/ч;

- Масса суррогата РАО, поступающая в частотный плавитель - 0.25 кг/ч;

- Поток расплава стекла, вытекающего из частотного плавителя - 0.24 кг/ч;

- Поток газа, поступающего из частотного плавителя - 2.42 кг/ч;

- Количество конденсата, собранного после охлаждения газовых продуктов разложения РАО и очистки газового выхлопа - 217 кг/ч;

- Состав конденсата после электротермической обработки РАО (г/л): HNO₃ - 47; Ru - 0.028; остальное вода;

- Количество технологической пыли в МКФ - ---;

- Газовый выхлоп на санитарную очистку - 0.08 кг/ч;

- Состав газового выхлопа, направляемого на санитарную обработку (% об): O₂ - 70.9;

N₂ - 28.4; H₂O - 0.65.

Пример 2

Перерабатываются суррогат высокоактивных РАО, содержащий (в г/л): Al - 42.3; Na - 46; Fe - 2.1; Ni - 2.4; Cr - 0.4; Ca - 2.8; La - 2.4; Се - 0.09; Nd - 0.09; Sm - 0.3; Ru - 0.06; Rh -0.03; Pd - 0.1; U - 2.5; SО₄-0.4; HNO₃ - 101.

Параметры устройства те же, что и в примере 1.

- Расход раствора РАО в аппарате в стационарных

условиях - 2.1 кг/ч;

- Масса суррогата РАО, поступающая в частотный

плавитель - 0.85 кг/ч;

Поток расплава стекла, вытекающего из частотного

плавителя - 0.82 кг/ч;

Поток газа, из частотного плавителя - 1.88 кг/ч;

- Количество конденсата, собранного после охлаждения газовых продуктов разложения РАО и очистки газового выхлопа - 1.79 кг/ч;

- Состав конденсата после переработки РАО (г/л): NHO₃ - 47; Ru - 0.028; остальное вода;

- Количество технологической пыли в МКФ - -;.

- Газовый выхлоп на санитарную очистку - 0.09 кг/ч;

Состав газового выхлопа, направляемого на санитарную обработку (% об): О₂ - 70.9;

N₂ - 28.4; H₂O - 0.65.

Пример 3

Перерабатываются суррогат высокоактивных РАО, содержащий (в г/л): Al - 50.2; Na - 48.3; Fe - 2.9; Ni - 2.4; Cr - 0.5; Ca - 2.9; La - 2.4; Се - 0.3; Nd - 0.09; Sm - 0.3; Ru - 0.08; Rh - 0.03; Pd - 0.1; U - 2.5; SО₄ - 0.5; HNO₃ - 128; содержание твердой фазы - 134. Параметры устройства те же, что и в примере 1.

- Расход раствора РАО в аппарате в стационарных

условиях - 2.0 кг/ч;

- Масса суррогата РАО, поступающая в частотный

плавитель - 0.81 кг/ч;

- Поток расплава стекла, вытекающего из частотного

плавителя - 0.80 кг/ч;

- Поток газа, поступающего из частотного плавителя - 1.71 кг/ч;

- Количество конденсата, собранного после охлаждения газовых продуктов разложения РАО и очистки газового выхлопа - 1.6 кг/ч;

- Состав конденсата после электротермической обработки РАО (г/л): HNO₃ - 47; Ru - 0.028; остальное вода;

- Количество технологической пыли в МКФ - ---;

- Газовый выхлоп на санитарную очистку - 0.11 кг/ч;

- Состав газового выхлопа, направляемого на санитарную обработку (% об): O₂ - 70.9; N₂ - 28.4; H₂O - 0.65.

Таким образом, данное предложение позволяет перерабатывать РАО в едином технологическом комплексе, при этом вследствие использования водопарового плазменного потока для кальцинации РАО повышается теплопроводность и энтальпия в зоне смешения РАО и плазмы, появилась возможность уменьшить газовый сброс за счет конденсации водяного пара.

Барботирование двухфазного потока, выходящего из плазменного реактора через расплав, находящийся в частотном плавителе, позволяет очистить поток от технологической пыли.

Электромагнитное перемешивание в зоне частотного плавителя позволяет усреднить состав расплава, повысить качества получаемого стекла

Изобретение относится к технологии переработки жидких отходов, в том числе и радиоактивных отходов (РАО). Производится кальцинация раствора РАО в микроволновом плазменном реакторе, затем получение гомогенного расплава стекла в частотном плавителе прямого индукционного нагрева. Способ включает подачу раствора РАО в зону электротермической обработки, которая состоит из зоны плазменной микроволновой обработки раствора РАО в водопаровой плазме и зоны обработки в ванне расплава, полученного прямым индукционным нагревом неорганических ингредиентов РАО, плавление и электромагнитное перемешивание неорганических ингредиентов РАО, непрерывное удаление расплава, охлаждение газового потока, очистка газового потока от летучих продуктов разложения РАО и от технологической пыли. Устройство для осуществления способа содержит плазменную камеру, верхняя часть которой выполнена виде усеченного конуса, оснащенную цельнометаллическим микроволновым плазмотроном, генерирующим поток водопаровой плазмы, узел подачи раствора РАО, частотный плавитель прямого индукционного нагрева для плавления и гомогенизации неорганических ингредиентов РАО, оснащенный трубопроводом для слива расплава, коллектор-накопитель расплава стекла, трубопровод для транспорта газового потока на очистку. Изобретение направлено на решение проблемы комплексной, экологически и технически безопасной переработки РАО. 2 н. и 12 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ переработки жидких радиоактивных отходов (РАО), заключающийся в подаче отходов, предварительно смешанных со стеклообразующими добавками, и плазмообразующего газа в зону смешения плазменной камеры, генерировании потока плазмы в вертикально расположенной охлаждаемой плазменной камере, разложении отходов на составляющие в плазменной камере, выгрузки конечного продукта в виде расплава из зоны плавления, отводе газообразных продуктов распада, отличающийся тем, что формируют в зоне смешения плазменной камеры вертикальный и направленный вдоль оси плазменной камеры поток плазмообразующего газа, генерирование плазмы в плазменной камере осуществляют с помощью микроволновых генераторов плазмы, формирование расплава проводят за счет прямого индукционного нагрева, при этом нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав, а отвод газообразных продуктов разложения осуществляют после барботирования их через расплав.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего газа используют водяной пар с начальной температурой 500-600°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что выгружают конечный продукт в виде расплава из зоны плавления в обогреваемый коллектор накопитель.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что электропроводность расплава поддерживают в интервале 1-100 См/м.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают температуру в верхней части плазменной камеры 4000-6000°С.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают температуру в объеме плазменной камеры 1200-2000°С.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддерживают температуру в зоне плавления компонентов РАО 1700-2000°С.

8. Устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, состоящее из расположенных в верхней части цилиндрической охлаждаемой плазменной камеры узлов ввода отходов и плазмообразующего газа, генератора плазмы, систем водо- и энергообеспечения, при этом в нижней части плазменная камера соединена с емкостью для расплава и остеклования отходов соединенной с устройством для выгрузки отходов, трубопроводом для отвода газообразных продуктов, отличающееся тем, что верхняя часть плазменной камеры выполнена в виде усеченного конуса, а узел ввода плазмообразующего газа выполнен в виде симметрично установленных сопел, введенных через горизонтальную и коническую поверхность плазменной камеры, генераторы плазмы выполнены в виде микроволновых генераторов, соединенных через четырехугольные волноводы с плазменной камерой в ее цилиндрической части, емкость для расплава остеклованных отходов установлена внутри индуктора частотного плавителя.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что диаметр частотного плавителя больше диаметра нижней части плазменной камеры.

10. Устройство по п.8, отличающееся тем, что нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав.

11. Устройство по п.8, отличающееся тем, что плазменная камера снабжена двойной охлаждающей рубашкой: внутренняя - для охлаждения потоком сжатого воздуха, внешняя - для охлаждения потоком воды.

12. Устройство по п.8, отличающееся тем, что угол между осью плазменной камеры и образующей к поверхности конуса составляет 30°.

13. Устройство по п.8, отличающееся тем, что установлены, по крайней мере, по одной паре сопел на каждой поверхности.

14. Устройство по п.8, отличающееся тем, что трубопровод для отвода газообразных продуктов соединен с верхней частью частотного плавителя.