Способ переработки радиоактивных отходов Российский патент 2024 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при обращении с радиоактивными отходами для переработки их термическими методами. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован при переработке сыпучих твердых радиоактивных отходов (ТРО), а также небольших объемов жидких радиоактивных активности (ЖРО).

Известен способ переработки углеродсодержащих твердых веществ методом быстрого пиролиза (варианты) (патент RU 2451880, МПК В09В 3/00, опубликовано 27.05.2012, Бюл. №15), включающий предварительное высушивание отходов при t=160-175°C, с последующим быстрым пиролизом в течение 5 с следующих видов отходов: термическое разложение древесины при t=520-830°C, термическое разложение углей при t=620-95°C и термическое разложение твердых бытовых и промышленных отходов при t=570-950°C.

Недостатком известного способа является то, что при пиролизе в течение 5 с может не происходить полная деструкция органических материалов или объем однократно перерабатываемых отходов (производительность установки) крайне мал, что снижает эффективность и повышает затраты на переработку.

Известен способ переработки твердых смешанных радиоактивных отходов (патент RU 2452050, МПК G21F 9/00, опубликовано 27.05.2012 Бюл. №15), включающий термическое разложение радиоактивных отходов в четыре стадии в диапазоне температур 20-350°С в среде разжиженных высококипящих органических кислот при свободном доступе воздуха.

Недостатком известного способа является применение при термическом разложении РАО высококипящих кислот и свободный доступ воздуха в процесс деструкции отходов, что требует применение специального дорогостоящего оборудования, стойкого к агрессивному воздействию окислителей (паров кислот и газообразных продуктов) и снижает эффективность процесса переработки.

Известен способ обеззараживания радиоактивных отходов органического происхождения (патент RU 2686056, МПК G21F 9/00, опубликовано 24.04.2019 Бюл. №12), включающий на первой стадии сушку органических радиоактивных, на втором этапе термическую деструкцию осушенных органических радиоактивных отходов в диапазоне температур 300-800°С в химически активной среде.

Недостатками известного способа являются высокие энергетические затраты на переработку РАО и высокая степень уноса радионуклидов с отходящими газами, образующимися при термической деструкции в интервале температур 300-800°С, что приводит к образованию значительного количества вторичных РАО и снижает эффективность переработки радиоактивных отходов и усложняет последующий процесс утилизации отходящих газов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу переработки радиоактивных отходов является способ переработки радиоактивных ионообменных смол (ИОС) (патент RU 2412495, МПК G21F 9/08, опубликовано 20.02.2011, Бюл. №5), включающий термическое разложение ИОС в сернокислотной среде при концентрации серной кислоты от 400 до 1700 г/л при температуре среды от 100 до 340°С при доступе воздуха и периодическом перемешивании отходов.

Недостатками известного способа являются:

- высокая стоимость применяемого оборудования из-за необходимости использовать материалы, которые обладают долговременной стойкостью к разрушающему воздействию горячих паров и газов, содержащих компоненты серной кислоты с высокими концентрациями;

- высокая степень износа и малый срок эксплуатации оборудования (из-за агрессивного воздействия окислителей - паров серной кислоты и газообразных продуктов);

- высокая техническая сложность установки и технологическая сложность проведения процесса переработки из-за широкого диапазона технологических параметров;

- доступ воздуха (свободного кислорода) при высоких температурах процесса пиролиза ведет к значительному уносу радионуклидов с отходящими газами и увеличению образования вторичных радиоактивных отходов.

Задачей изобретения является разработка способа переработки радиоактивных отходов термическим методов (пиролиз), позволяющего максимально снизить объем РАО и унос радионуклидов с отходящими газами.

Поставленная задача решается за счет того, что радиоактивные отходы, так же, как и в прототипе, подвергают переработке (пиролиз). Предварительно радиоактивные отходы - сыпучие или жидкие подвергают соответственно осушению или нагреву при t не более 120°С в реакторе сушки. После чего осушенные сыпучие ТРО или нагретые ЖРО направляют в реактор пиролиза. Термическое разложение РАО выполняют при t в интервале от 120°С до 450°С в среде инертного газа (например, азота). Отходящие пиролизные газы за счет потока инертного газа поступают в систему газоочистки. Получаемый в процессе термического разложения РАО коксовый остаток в виде тонкодисперсной золы поступает в накопительный бункер. После чего направляется на кондиционирование (например, включение в цементную матрицу). При этом процесс термического разложения активируется за счет постоянного механического воздействия.

Выполнение процесса термического разложения РАО в интервале температур от 120°С до 450°С в среде инертного газа при постоянной механической активации процесса позволяет максимально полно разрушить материалы РАО и максимально снизить объемы образующихся после переработки вторичных РАО, а также за счет ведения процесса пиролиза в среде инертного газа и при достаточно низких температурах предотвратить или максимально снизить унос радионуклидов из объема РАО с отходящими пиролизными газами. Тем самым повысить эффективность и безопасность процесса переработки, а также упростить технологическую схему и снизить затраты на оборудование.

При термическом разложении РАО для снижения энергозатрат и повышения эффективности процесса переработки, инертный газ, подаваемый реактор пиролиза предварительно может быть нагрет до t не ниже 120°С.

Для дополнительного повышения эффективности процесса переработки РАО и полного удаления пиролизных газов из пиролизного реактора в последнем создается дополнительное разряжение среды (вакуум).

Преимуществами заявляемого способа дезактивации радиоактивных отходов являются:

- низкие энергетические затраты на процесс термического разложения РАО, достигаемые за счет выполнения пиролиза при низких температурах;

- повышенная эксплуатационная и экономическая эффективность пиролиза за счет снижения затрат на используемое оборудование и увеличение срока его эксплуатации;

- низкие затраты, а также техническая и технологическая простата применения способа, обеспечиваемые применением стандартизованного оборудования или оборудования выполненного из материалов, широко выпускаемых и применяемых в промышленности;

- низкие объемы вторичных РАО, образующихся при пиролизе, за счет полного разложения отходов и предотвращения масштабного уноса радионуклидов с отходящими газами.

Указанные преимущества обеспечиваются тем, что процесс термического разложения (пиролиз) включает:

- комплексное воздействие на перерабатываемые отходы температурного фактора в интервале от 120°С до 450°С и постоянной механической активации процесса переработки, что позволяет выполнить полное разложение материалов отходов и максимально снизить объемы образующихся РАО;

- выполнение процесса пиролиза в среде инертного газа и низкотемпературного разложения отходов, что позволяет значительно снизить унос радионуклидов с потоком отходящих пиролизных газов.

Пример осуществления изобретения приведен ниже.

В качестве объекта переработки выбраны обработавшие ионообменные органические смолы (ОИОС) - КУ-2-8 - высокомолекулярный полимер с размером зерен от 0,3 до 1,5 мм. Основной радионуклид сорбированный на смоле - Сз¹³⁷.Удельная активность смолы составлял 5,4⋅10⁴ Бк/г. Выполнялась термическое разложение 500 кг ОИОС. Суммарная активность ОИОС составляла - 27 ГБк.

Переработку ОИОС выполняли на установках предварительной сушки и пиролизного разложения с производительностью 25 кг/ч каждого аппарата. ОИОС порциями поступала последовательно в аппарат сушки и реактор пиролиза. Предварительную сушку ОИОС выполняли при температуре в интервале от 50 до 70°С во избежание разрушения зерен смолы и «залипания» в объеме аппарата сушки. Время сушки составляла 0,5 ч. Смола высушивалась до влагонасыщения не выше 3%.

После чего осушенная смола направлялась за счет пневмотранспорта (транспортный агент - применялся азот) в реактор пиролиза. Пиролиз ОИОС выполнялся при температуре не выше 350-400°С при постоянной механической активации процесса термического разложения за счет винтового шнека и размещенных в объеме реактора керамических шаров. Время процесса термического разложения каждой порции смолы составляло от 45 до 60 мин. Общее время переработки 500 кг ОИОС составило 20 часов. В объем реактора пиролиза постоянно подавался инертный газ - азот, который препятствовал поступлению воздуха в объем реактора. Процесс термического разложения ОИОС постоянно выполнялся в среде инертного газа - азота. Отходящие пиролизные газы за счет нагнетания азота и дополнительно создания вакуума в объеме реактора пиролиза и совмещенного с ним бункера накопления продуктов термического разложения смолы (коксового остатка) поступали в систему газоочистки на переработку и утилизацию.

Продукты термического разложения смолы (коксовый остаток) накапливался в объеме бункера накопления, из которого направлялись на цементирование.

Результаты выполненных работ представлены в таблице.

По результатам выполненных работ коэффициент сокращения объема РАО составил 12,5. Унос радионуклидов с отходящими пиролизными газами не превышает 0.012%.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при обращении с радиоактивными отходами для переработки их термическими методами. Способ переработки радиоактивных отходов включает термическое разложение радиоактивных отходов, дожигание газообразных продуктов пиролиза и очистку отходящих газов. Радиоактивные отходы подвергаются предварительному нагреву при t 50-70°С в реакторе сушки. Затем направляются в пиролизный реактор, в котором радиоактивные отходы термически разлагают при t в интервале от 350°С до 400°С в среде инертного газа с постоянной активацией процесса переработки отходов механическим способом. Изобретение позволяет максимально снизить объем РАО и унос радионуклидов с отходящими газами. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ переработки радиоактивных отходов, включающий термическое разложение радиоактивных отходов, дожигание газообразных продуктов пиролиза и очистку отходящих газов, отличающийся тем, что радиоактивные отходы подвергаются предварительному нагреву при t 50-70°С в реакторе сушки, затем направляются в пиролизный реактор, в котором радиоактивные отходы термически разлагают при t в интервале от 350°С до 400°С в среде инертного газа с постоянной активацией процесса переработки отходов механическим способом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что инертный газ, подаваемый в пиролизный реактор, предварительно подогревают до t не ниже 120°С.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для полного удаления пиролизных газов в пиролизном реакторе создается вакуум.