КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ДЕЗАКТИВАЦИИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2024 года по МПК G21F9/30 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при дезактивации радиоактивных отходов. Наиболее эффективно заявляемое устройство может быть использован для дезактивации металлических изделий (МРАО), в частности отходов среднего (САО) и низкого (НАО) уровней активности, а также очень низкого уровня активности (ОНАО).

Особую проблему и приоритет составляет разработка технологий дезактивации ТРО, образующихся и накопленных за годы эксплуатации атомных объектов. При выводе из эксплуатации реактора ВВЭР-440 активность ТРО составляет ~90 ПБк. Масса реакторных конструкций и внутрикорпусных устройств составляет ~300 т. Активность конструкций выводимого из эксплуатации реактора РБМК-1000 составляет ~100 ПБк. Количество образующихся отходов, подлежащих захоронению, составляет около 100 тыс. т бетона и 10 тыс. т стали.

Оценивая российские и мировые тренды развития атомной отрасли, следует отметить, что актуальность задачи дезактивации РАО возрастает в связи с необходимостью вывода из эксплуатации значительного количества атомных реакторов и оборудования АЭС с истекшим сроком эксплуатации, неизбежностью залпового увеличения РАО и проблем их утилизации.

Оборудование, применяемое на предприятиях атомной промышленности, как правило, не позволяет эффективно дезактивировать ТРО с уровнем активности выше ОНАО и НАО, особенно металлических изделий сложной конфигурации. В оборудовании, предназначенном для дезактивации металлических поверхностей, в основном, используется механическое, химическое и/или физико-химическое воздействие. Оборудование, использующее такие способы, хорошо очищает слабофиксированные загрязнения, но не обеспечивает удаление прочнофиксированных (в том числе глубинных) загрязнений.

Применение таких установок для дезактивации ТРО связано с высокой трудоемкостью, требует больших материальных затрат на реагенты и временных затрат, достаточно низкой эффективностью очистки (особенно отходов категории САО) и приводят к образованию значительных количества вторичных жидких радиоактивных отходов (ЖРО), которые, в свою очередь, требуют проведение комплекса затратных мероприятий по их переработке и обеспечению экологической и радиационной безопасности.

В настоящее время разработаны ряд установок для дезактивации ТРО, права на которые защищены в виде патентов на изобретения и полезные модели.

Известные устройства дезактивации ТРО имеют ряд существенных недостатков:

- низкая эффективность дезактивации (величина коэффициента дезактивации Кд не более 150);

- низкие эксплуатационные показатели;

- низкая производительность процесса;

- значительные сроки проведения процесса дезактивации;

- образование большого количества ЖРО, в результате переработки и кондиционирования которых объем вторичных РАО становится равным или даже превышает объемы подвергаемых дезактивации ТРО.

Одним из наиболее эффективных методов дезактивации является электрохимический способ.

Известна установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей [1]. Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей. Техническим результатом является повышение безопасности процесса дезактивации для обслуживающего персонала и окружающей среды и повышение эффективности дезактивации. Установка используется для электрохимической дезактивации поверхностей ТРО. Все элементы установки смонтированы на подвижной платформе. Установка обладает мобильностью и довольно высокой эффективностью, но среди недостатков можно выделить невысокую производительность, недостаточную эффективность при обработке изделий со сложной внутренней геометрией, отсутствие в составе установки оборудования для ополаскивания и сушки ТРО, переработки и кондиционирования ЖРО.

Известна установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей [2]. Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей. Изобретение позволяет дезактивировать изогнутые поверхности. Установка обладает довольно высокой эффективностью, недостатком является то, что она может применяться лишь для отдельного вида ТРО, а также в составе установки отсутствует оборудование для ополаскивания и сушки ТРО, оборудование для переработки и кондиционирования ЖРО.

Известна установка для мойки и дезактивации [3]. Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для дезактивации различного оборудования сложной формы с внутренними полостями, преимущественно обечаек и труб. В установке используется система подачи сжатого воздуха с пневмораспределителем, связанную с камерой для моющего агента. Камера мойки выполнена по размерам отмываемого изделия с минимальными зазорами и снабжена распределителем потока, установленным в нижней ее части. Недостатки установки в том, что она не обладает высокой эффективностью, может применяться лишь для отдельного вида ТРО, а также в составе установки отсутствует оборудование для ополаскивания и сушки ТРО, оборудование для переработки и кондиционирования ЖРО.

Известна ультразвуковая установка для дезактивации металлических деталей [4]. Изобретение относится к области дезактивации металлических поверхностей, имеющих радиоактивные отложения, например, элементов атомных реакторов. Ультразвуковая установка для дезактивации металлических деталей совмещает электрохимическую очистку. Недостатком изобретения является отсутствие в составе установки оборудования для ополаскивания и сушки ТРО, оборудования для переработки и кондиционирования ЖРО.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является ультразвуковая установка для дезактивации металлических деталей [5]. Установка представляет собой комплексное оборудование, в том числе ванну для совмещенной ультразвуковой и электрохимической дезактивации, в которую помещается дезактивирующий раствор, ванну для ультразвукового и механического (сжатым воздухом) перемешивания, камеру сушки, грузоподъемный механизм и систему переработки и кондиционирования жидких радиоактивных отходов, которая включает в себя баки приема растворов, установку очистки промывной воды, установку переработки отработавших растворов, установку цементирования шлама.

Недостатком изобретения является в большинстве случаев невозможность дезактивации изделий сложной конфигурации (например, внутренней поверхности труб, особенно труб малого диаметра) и значительное образование вторичных РАО после выполнения операций по переработке и кондиционированию ЖРО.

Целью изобретения является комплексная установка, которая дает возможность проводить дезактивацию различных по сложности и категории загрязнения изделий, в том числе среднеактивных отходов; повышать эффективность отмывки и глубокой дезактивации изделий, имеющих загрязнения с прочным сцеплением; сочетать высокоэффективные методы очистки - ультразвуковой, химический и электрохимический; проводить комплексную дезактивацию ТРО, переработку и кондиционирование ЖРО с полной автоматизацией рабочего процесса; а также существенно снижать объемы вторичных отходов.

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для дезактивации различного оборудования и металлических ТРО сложной формы с внутренними полостями с категорией загрязнения НАО и САО.

Комплексная установка, технология дезактивации и кондиционирования РАО должна обеспечивать максимально быструю и возможную степень очистки изделий от радиоактивного загрязнения и минимизировать образование кондиционированных вторичных отходов, направляемых на хранение/захоронение. Таким требованиям отвечает комплексная установка, позволяющая совместить или использовать раздельно ультразвуковую и электрохимическую дезактивацию с применением дезактивирующего раствора, а также нагрев электролита (дезактивирующего раствора) и барботирование (подачу сжатого воздуха). Это позволяет сократить время очистки изделий, оптимизировать температуру и концентрации действующих веществ в дезактивирующих растворах за счет интенсификации протекающих физических и физико-химических процессов. Комплексная установка включает также оборудование для переработки и кондиционирования ЖРО - узлы нейтрализации и коагуляции. Что позволяет после выделения из отработавших дезактивирующих растворов радионуклидов и доукрепления их новыми порциями химических реагентов до рабочей концентрации многократно использовать дезактивирующие растворы (за счет их возвращения в технологический процесс очистки) и значительно снизить объемы утилизируемых ЖРО. В качестве дезактивирующих реагентов используются растворы кислот (серной, азотной и др.), при этом состав дезактивирующего раствора подбирается в зависимости от уровня загрязнения, радионуклидного состава и характера загрязнения. Для минимизации объема вторичных отходов предлагается выполнить нейтрализацию отработавшего дезактивирующего раствора в интервале рН 8-12 с образованием труднорастворимые соединения (например, с кальцием или гидроксид ионом) и соосаждением радионуклидов с образующимся осадком. Отделение образующегося осадка от жидкой фазы за счет отстаивания, химического или физико-механического декантирования. При необходимости более глубокой очистки растворов после нейтрализации в них может быть добавлен коагулянт. После чего жидкая фаза направляется на доукрепление и возвращается в процесс дезактивации изделий. Выделенный осадок для снижения вторичных РАО может быть подвергнут дополнительному доосушению (например, на фильтр-прессе). Радиоактивные осадки после выполнения всех технологических операций направляют на узел кондиционирования, где происходит включение их в цементную или полимерную матрицу.

Технологическая схема предлагаемой комплексной установки дезактивации твердых радиоактивных отходов представлена на фигуре 1. Вид корзины с электродами показан на фигурах 2 и 3.

Установка представляет собой комплексное оборудование, в том числе основные технологические узлы: ванна дезактивации 1, которая снабжена съемной корзиной для размещения в ней дезактивируемых ТРО, к очищаемым изделиям подводится электрод - «анод» и в качестве катода в ванне установлены дополнительные электроды; ванна отмывки очищенных изделий 2 с ультразвуковым и механическим (сжатым воздухом) перемешивания отмывающего раствора; камера сушки 3 очищенных изделий, узел нейтрализации отработавших дезактивационных растворов 4, узел приготовления дезактивирующих растворов 5; узел хранения химических реагентов 6 и система кондиционирования жидких радиоактивных отходов 8, которая включает в себя баки приема растворов, установку приготовления матричных растворов и установку цементирования шлама или его включения в полимерную матрицу. При необходимости доочистки жидкой фазы после нейтрализации отработавших дезактивирующих растворов их дополнительно направляют в узел коагуляции 9. Для дополнительного сокращения объема вторичных РАО - радиоактивного осадка, его подвергают доосушению в узле осушения 7 (например, на пресс-фильтре).

Комплексная установка используется следующим образом - фрагментированные под размер ванны дезактивации 1 твердые радиоактивные отходы размещаются в съемной корзине 10, затем съемная корзина 10 с ТРО вставляется в ванну дезактивации 1. В узле приготовления растворов 5 выполняют приготовление дезактивирующего раствора на основе растворов кислот (серной, азотной и др.) в зависимости от химического и вещественного состава загрязнения, которые поступают из узла хранения химических реагентов 6. Затем ванна 1 заполняется дезактивирующим раствором на основе растворов кислот. Дезактивирующий раствор нагревается. После этого радиоактивные изделия подвергаются одновременному или периодическому электрохимическому и ультразвуковому воздействию. Процесс очистки ТРО предусматривает поочередное погружение изделий в ванны дезактивации 1 и отмывки 2, камеру сушки 3 при помощи корзины. Очищенные изделия после прохождения камеры сушки отправляются для дальнейшей переработки в качестве «чистого» материала. Размещенный в ванне дезактивации 1 дезактивирующий раствор можно использовать для очистки ТРО многократно до момента потери им реагентоспособности (не дезактивирует изделия). После этого отработавший дезактивирующий раствор направляют в узел нейтрализации 4 и добавляют к нему раствор-нейтрализатор (например, с кальцием или гидроксид ионом), который поступает из узла хранения химических реагентов 6. При этом происходит образование труднорастворимых соединений и соосаждение радионуклидов с образующимся осадком. Отделение образующегося осадка от жидкой фазы за счет отстаивания (в интервале времени от 8 до 24 ч), химического или физико-механического декантирования происходит в узле нейтрализации 4. После разделения фаз: радиоактивный осадок направляется сразу на включение в цементную или полимерную матрицу в узел кондиционирования 8 или с целью дополнительного снижения объема вторичных РАО в узел доосушивания 7 (например, пресс-фильтр) и только затем в узел кондиционирования 8, а жидкая фаза - поступает в узел приготовления дезактивирующих растворов для доукрепления или для дополнительной очистки в узел коагуляции 9, где к ним добавляют коагулянт, который поступает из узла хранения химических реагентов 6. Жидкая фаза после узла нейтрализации 4, узла доосушивания 7 и узла коагуляции 9 направляется в узел приготовления дезактивирующих растворов 5 и возвращают обратно в процесс очистки ТРО в ванну дезактивации 1.

Для минимизации объема вторичных отходов нейтрализация отработавшего дезактивирующего раствора выполняется до достижения рН среды в интервале значений рН=8-12.

Для доочистки жидкой фазы после процессов нейтрализации и декантирования ее направляют в узел коагуляции 9 для дополнительной очистки растворов от химических веществ после проведения нейтрализации.

С целью дополнительного осушения, получаемого при нейтрализации и коагуляции растворов радиоактивного осадка его, подвергают дополнительному осушению в узле доосушивания 7.

Для повышения эффективности очистки сложных по конфигурации изделий (труб и других имеющих труднодоступные полости) корзину оборудуют дополнительными стержневыми электродами, которые при ведении процесса дезактивации являются катодами. При этом в качестве анода выступают очищаемые изделия.

Система управления всеми процессами помещена в электрический шкаф. Комплексная установка оборудована пультом управления с основными функциями.

Изобретение относится к устройству для очистки изделий с радиоактивным заражением, позволяющему удалять прочнофиксированные радиоактивные загрязнения с металлических поверхностей, и может найти применение в целях дезактивации металлических радиоактивных отходов, образующихся при выводе из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов (ЯРОО), например, атомных электростанций или радиохимических производств. После переработки ТРО очищенные изделия могут быть выведены из-под регулирующего контроля и направлены на дальнейшее использование без ограничений или подвергнуты дополнительной переработке. Полученные при выполнении дезактивации вторичные РАО подвергаются многостадийной переработке и кондиционированию для снижения объема отходов, направляемых на долговременное хранение/захоронение. Используемые в технологическом процессе жидкие технологические среды подвергаются очистки от радиохимических и химических элементов, доукреплению дезактивирующими реагентами и многократно возвращаются в процесс дезактивации. Жидкие среды выводятся из технологического процесса при значительном накоплении химических веществ, концентрация которых препятствует проведению эффективной дезактивации ТРО.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности дезактивации особенно при очистки сложных по геометрии изделий, ускорении процесса дезактивации, а также снижении объема отходов, направляемых на долговременное хранение/захоронение.

Главным отличительным инновационным признаком предлагаемой установки является возможность сочетания различных физико-химических методов обработки поверхности радиоактивно загрязненного металла и выполнение комплексной переработки ТРО, включавшей дезактивацию изделий и кондиционирование вторичных отходов, а также очитку используемых в технологическом процессе жидких сред. Это позволит по сравнению с существующими технологиями значительно (в десятки и даже сотни раз) повысить коэффициент очистки отходов, существенно поднять производительность дезактивации, даст возможность проводить дезактивацию как мелкоразмерного фрагментированного оборудования, так и сложных по геометрии изделий, позволит практически избежать образование жидких радиоактивных отходов (за счет многократного возврата жидких фаз в технологический процесс) и снизить количество образующихся при дезактивации вторичных твердых радиоактивных отходов.

Инновационным признаком предлагаемой установки являются:

- использование в процессе дезактивации механического воздействия (формирование кавитационных процессов при воздействии ультразвука, барботаж);

- использование в процессе дезактивации химического влияния на изделие (химическое растворение, комплексообразование с участием ионов металла, окисление-восстановление и т.д.);

- использование в процессе дезактивации электрохимического воздействия (обработка металла в анодном режиме, электрохимическое окисление - восстановление металла);

- использование нагрева дезактивирующего раствора (что позволяет активизировать процессы химической и электрохимической дезактивации);

- выполнение нейтрализации отработавшего дезактивирующего раствора с последующим разделением фаз на жидкую среду и радиоактивный осадок (позволяет многократно снизить объем образования вторичных РАО;

- доосушение и последующее кондиционирование радиоактивного осадка (позволяет дополнительно снизить объем образования вторичных РАО;

- добавление коагулянта в жидкую фазу, полученной после нейтрализации отработавшего дезактивирующего раствора (позволяет многократно возвращать жидкие среды в технологический процесс дезактивации или использовать в других технологических процессах без ограничения, снизить образование ЖРО.

Еще одним инновационным признаком является выполнение процесса нейтрализации с доведением рН отработавшего дезактивирующего раствора до значений в интервале от 8 до 12. Это позволяет провести процесс соосаждения радионуклидов с образующимися при нейтрализации осадками (например, железа, тяжелых металлов и т.д.).

Предлагаемая комплексная установка позволяет эффективно дезактивировать радиоактивно загрязненные изделия даже сложной геометрической формы. Значительно снижать объемы образования вторичных РАО и кондиционировать образующиеся отходы технологичными методами.

Реализация отмеченных инновационных признаков в предлагаемом комплексе позволит очистить ТРО до уровней остаточного загрязнения, которые позволят вывести очищенные изделия из-под радиационного контроля и направить их без каких-либо ограничений на повторное использование или переработку.

Техническим результатом является максимальное повышение эффективности дезактивации.

Рабочие процессы в установке полностью автоматизированы, в результате чего повышается безопасность процесса дезактивации для обслуживающего персонала и окружающей среды.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности дезактивации при реализации одностадийного процесса, ускорении процесса дезактивации, а также снижении объема отходов, направляемых на окончательную изоляцию.

Сущность изобретения состоит в том, что ультразвуковую установку с электрохимическим воздействием предложено дополнительно интенсифицировать системой подачи сжатого воздуха, дезактивацию изделий выполняют при совмещенном или периодическом воздействии ультразвука и электрохимии, установка оснащена узлом нейтрализации жидких радиоактивно загрязненных растворов, в котором происходит нейтрализация и разделение на «чистую» жидкую фазу и радиоактивный осадок, жидкую фазу доукрепляют раствора кислот и возвращают в цикл дезактивации, радиоактивный осадок направляют на кондиционирование. Кроме того, предложено выполнять нейтрализацию отработавших дезактивирующих растворов в интервале значений рН от 8 до 12. Кроме того, предложено дооснастить установку оборудованием для выполнения коагуляции. Кроме того, предложено дополнить установку оборудованием дополнительного осушения радиоактивного осадка для снижения объема вторичных РАО. Кроме того, предложено оснастить корзину ванны дезактивации дополнительными стержневыми электродами для дезактивации внутренней поверхности труб.

Как следует из сущности изобретения, поставленная задача решается тем, что в ультразвуковой установке для дезактивации изделий, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, процесс электрохимической дезактивации интенсифицируют с помощью ультразвукового воздействия на раствор и поверхность очищаемой детали. Ультразвуковое поле в дезактивирующем растворе формирует кавитационные явления - зарождению и схлопыванию парогазовых полостей, которые на поверхности изделия и в дезактивирующем растворе производят эффекты, подобные «микровзрывам». Кавитационное воздействие разрушает и удаляет поверхностные загрязнения.

Дезактивация изделия происходит за счет кавитационной очистки (механический отрыв коррозионного слоя загрязнения) и электрохимического растворения слоя загрязнения (анодное растворение).

При этом интенсифицируются электрохимические процессы: ускоряется анодное растворение металла, увеличивается выход по току при высоких плотностях тока, поверхность металла очищается от посторонних примесей и пленок (в том числе, и образующихся в ходе электрохимической обработки), снижается потенциал выделения водорода на катоде. В итоге процесс дезактивации значительно ускоряется даже при обработке металла с прочнофиксированными загрязнениями - глубинными (с диффузией радиоактивных веществ вглубь металла) и непористыми. Применение системы подачи сжатого воздуха с пневмораспределителем при ультразвуковом ополаскивании дезактивированных изделий позволяет ускорить процесс удаления остатков дезактивирующих растворов. Применение камеры сушки после ополаскивания изделий позволяет получать готовый к перевозке и дальнейшей переработке очищенный металл. Дезактивирующие растворы будут использованы многократно благодаря системе переработки растворов. После дезактивации ТРО, образующиеся ЖРО будут направлены на нейтрализацию. В процессе нейтрализации происходит разделение на «чистую» жидкую фазу и радиоактивные осадки, к которым применено кондиционирование: они будут уменьшены в объеме, отверждены путем их помещения в цемент или полимер.

Предлагаемая установка позволяет проводить полный процесс дезактивации металлических ТРО по сравнению с прототипами.

Преимуществами заявляемого способа дезактивации радиоактивных отходов являются:

- повышенная эффективность процесса очистки радиоактивных отходов, достигаемая за счет больших значений коэффициента дезактивации;

- повышенная эксплуатационная и экономическая эффективность дезактивации за счет снижения образования объемов вторичных радиоактивных отходов;

- техническая и технологическая простата применения способа дезактивации, обеспечиваемые применением стандартизованного оборудования;

- расширенная область применения, распространяющаяся на дезактивацию не только ОНАО, но и НАО и САО, обусловленная высокой эффективностью и избирательностью дезактивирующего раствора;

- максимальное снижение образования вторичных РАО и их кондиционирование.

Литература

1. Патент РФ №2448380 «Установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей», опубликовано 20.04.2012.

2. Патент РФ №2453939 «Установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей», опубликовано 20.06.2012.

3. Патент РФ №2367041 «Установка для мойки и дезактивации», опубликовано 10.09.2009.

4. Патент РФ №2384906 «Установка для дезактивации металлических деталей», опубликовано 20.03.2010.

5. Патент РФ №2695811 «Комплексная установка дезактивации твердых радиоактивных отходов и кондиционирования образующихся жидких радиоактивных отходов», опубликовано 29.07.2019.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при дезактивации радиоактивных отходов. Комплексная установка дезактивации твердых радиоактивных отходов включает совмещенную ультразвуковую и электрохимическую дезактивацию металла в дезактивирующих растворах. Содержит ванну дезактивации с нагревом и электродами, ванну отмывки очищенных изделий с ультразвуковым и механическим перемешиванием отмывающего раствора, камеру сушки. Для перемещения дезактивируемых твердых радиоактивных отходов между ваннами используется корзина. Отработавший дезактивирующий раствор направляют в узел нейтрализации, где добавляют к нему раствор-нейтрализатор, который поступает из узла хранения химических реагентов. Образовавшийся в узле нейтрализации радиоактивный осадок направляют на включение в матрицу в узел кондиционирования или с целью дополнительного снижения объема вторичных РАО в узел осушения. Жидкая фаза из узла нейтрализации поступает в узел приготовления дезактивирующих растворов или для дополнительной очистки в узел коагуляции, где добавляют коагулянт, который поступает из узла хранения химических реагентов. Очищенную жидкую фазу возвращают обратно в ванну дезактивации. Изобретение позволяет снижать объемы вторичных отходов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Комплексная установка дезактивации твердых радиоактивных отходов, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, относящиеся к категории низко- и среднеактивных отходов, включающая совмещенную ультразвуковую и электрохимическую дезактивацию металла в дезактивирующих растворах, отличающаяся тем, что содержит ванну дезактивации с нагревом и электродами, ванну отмывки очищенных изделий с ультразвуковым и механическим перемешиванием отмывающего раствора, камеру сушки, при этом для перемещения дезактивируемых твердых радиоактивных отходов между ваннами используется корзина, отработавший дезактивирующий раствор направляют в узел нейтрализации, где добавляют к нему раствор-нейтрализатор, который поступает из узла хранения химических реагентов, образовавшийся в узле нейтрализации радиоактивный осадок направляют на включение в матрицу в узел кондиционирования или с целью дополнительного снижения объема вторичных РАО в узел осушения, а жидкая фаза из узла нейтрализации поступает в узел приготовления дезактивирующих растворов или для дополнительной очистки в узел коагуляции, где добавляют коагулянт, который поступает из узла хранения химических реагентов, очищенную жидкую фазу возвращают обратно в ванну дезактивации.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что нейтрализацию выполняют с доведением рН отработанного дезактивирующего раствора в интервале значений 8-12.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит в своем составе корзину, оборудованную дополнительными стержневыми электродами для дезактивации внутренней поверхности радиоактивно загрязненных труб.