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 отходов (ЖРО).

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.

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

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу переработки радиоактивных отходов является способ переработки радиоактивных отходов (патент RU 2815731, МПК G21F 9/28, опубликовано 21.03.2024, Бюл. №9), включающий предварительный нагрев радиоактивных отходов при t 50-70°С в реакторе сушки, после чего они направляются в пиролизный реактор, в котором они термически разлагаются при t в интервале от 350°С до 400°С в среде инертного газа с постоянной активацией процесса переработки отходов механическим способом.

Недостатками известного способа являются:

- не полное сокращение объемов перерабатываемых отходов из-за ведения процесса термического разложения при неоптимальном температурном режиме;

- повышение затрат на кондиционирование получаемых вторичных твердых радиоактивных отходов;

- повышение стоимости захоронения конечных

кондиционированных продуктов переработки.

Задачей изобретения является разработка способа переработки радиоактивных отходов термическим методов (пиролиз), позволяющего максимально снизить объем РАО при сохранении минимальной величины уноса радионуклидов с отходящими пиролизными 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 в интервале 80-120°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 400°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 400°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 до 5-8% от исходного объема перерабатываемых отходов, 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.

При термическом разложении РАО для снижения энергозатрат и повышения эффективности процесса переработки, инертный газ, подаваемый реактор пиролиза предварительно может быть нагрет до температуры ведения процесса пиролиза. 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;

- максимальное снижение объемы конечных РАО, образующихся при пиролизе, за счет полного разложения отходов и предотвращения масштабного уноса радионуклидов с отходящими газами;

- получение конечного продукта, который является инертным материалом, отвечающим критериям приемлемости для захоронения РАО;

- снижение затрат на последующее захоронение РАО.

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

- комплексное воздействие на перерабатываемые отходы температурного фактора в интервале от 400°С до 450°С и постоянной механической активации процесса переработки, что позволяет выполнить полное разложение материалов отходов и максимально снизить объемы образующихся РАО;

- предварительную сушку ОИОС в реакторе сушки при t в интервале от 80 до 120°С;

- 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 4⋅10⁴ Бк/г. Выполнялась термическое разложение 400 кг ОИОС. Суммарная активность ОИОС составляла - 16 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 80 до 120°С во избежание разрушения зерен смолы и «залипания» в объеме аппарата сушки. Время сушки составляла 40 мин. Смола высушивалась до влагонасыщения не более 3%.

После чего осушенная смола направлялась за счет шнекового питателя в реактор пиролиза. Пиролиз ОИОС выполнялся в двух пиролизных реакторах при разной температуре ведения процесса. В одном при температуре не выше 350-400°С, во втором в интервале t от 400 до 450°С. В обоих реакторах процесс термического разложения ОИОС активировался механическим воздействием за счет винтового шнека и размещенных в объеме реактора керамических шаров. Смола подавалась в реакторы порциями по 5 кг. Время термического разложения порции смолы в пиролизном реакторе составляло ≈10 мин. Общее время переработки 400 кг ОИОС в двух пиролизных реакторах составило 8 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.

Результаты выполненных работ показали, что выполнение термического разложения ОИОС в интервале t от 400 до 450°С позволяет сократить объем РАО в 16,7 раза, при этом проведение пиролиза смол при температурах t=350-400°С позволяет сократить количество отходов в 5 раз.

Выполнение пиролиза при t от 400 до 450°С позволяет дополнительно сократить объемы ОИОС в 3,34 раза.

Унос радионуклидов с отходящими пиролизными газами в обоих температурных интервалах 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 80-120°С в реакторе сушки. Затем направляются в пиролизный реактор, в котором радиоактивные отходы термически разлагают при t в интервале от 400 до 450°С в среде инертного газа с постоянной активацией процесса переработки отходов механическим способом. Изобретение позволяет максимально снизить объем РАО при сохранении минимальной величины уноса радионуклидов с отходящими пиролизными газами. 1 табл.

Способ переработки радиоактивных отходов, включающий предварительную их сушку, термическое разложение отходов в среде инертного газа с постоянной активацией процесса переработки отходов механическим способом, дожигание газообразных продуктов пиролиза и очистку отходящих газов, отличающийся тем, что радиоактивные отходы (сыпучие или жидкие) подвергаются предварительному осушению или нагреву при t в интервале от 80 до 120°С в реакторе сушки, а затем направляются в пиролизный реактор, процесс термического разложения в пиролизном реакторе выполняют при t в интервале от 400 до 450°С.