Высокочастотные и СВЧ-методы переработки жидких радиоактивных отходов

На объектах ядерного топливного цикла к настоящему времени накоплено большое количество жидких и твердых радиоактивных отходов (РАО) общей активностью приблизительной 2−4 миллиарда кюри, которые размещены на 416 объектовых пунктах хранения РАО. Кроме того, имеется 24 объектовых пункта хранения обработанного ядерного топлива [1]. Указанные объекты представляют большую потенциальную опасность, а обращение с РАО на этих объектах связано со значительными проблемами обеспечения безопасности регионального и глобального масштабов.

Среди наиболее важных примеров экологических проблем обращения с РАО следует отметить: открытые поверхностные водоемы-хранилища жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в том числе озеро Карачай и Теченский каскад водоемов (ПО «Маяк») — подземные хранилища ЖРО (Горно-химический комбинат, Сибирский химический комбинат, НИИАР), а также радиоактивная «линза» под озером Карачайповерхностные железобетонные емкости-хранилища ЖРОприповерхностные хранилища твердых РАО, сооруженные без соблюдения современных нормативных требований безопасностиотсутствие технологии переработки некоторых видов РАО, в том числе взрывои пожароопасных органических материалов.

Наибольшее количество РАО сосредоточено на предприятиях Минатома России, где в 105 пунктах хранения находится более 500 млн. м3 жидких радиоактивных отходов (ЖРО), суммарная альфа-активность которых оценивается в 1,9×1016 Бк, а суммарная бета-активность — 7,3×1019 Бк.

Требование изоляции РАО от окружающей среды в течение длительного времени и стремление сократить срок обслуживания мест хранения привели к необходимости перевода радионуклидов и других, опасных для окружающей среды соединений в твердые матрицы, с минимизированием выхода радионуклидов. Однако и из твердых форм вредные вещества могут при хранении попадать в окружающую среду. Такие процессы могут происходить при растворении твердого тела или выщелачивании из него отдельных соединений путем пыления в случае недостаточной механической прочности, заражения газовой фазы вследствие повышенного давления пара, сублимации и других факторов. Это определяет следующие требования к отвержденным РАО: высокая химическая стабильность, возможно более низкая скорость выщелачивания радионуклидов водойтермическая и радиационная стойкость, которая должна гарантировать отсутствие выделения газообразных продуктов и перехода радионуклидов в газовую фазуобеспечение достаточной стабильности механической и химической стойкости отвержденных отходов в процессе хранения [2]. Теплофизические параметры материала (теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность) должны способствовать облегчению отвода тепла в процессе хранения. Конечный продукт должен содержать как можно больше компонентов отходов, для обеспечения максимально возможного концентрирования РАО. В процессе отверждения необходимо предусмотреть возможность получения отвержденных отходов по аппаратурно-технологической схеме, обеспечивающей безопасное и дистанционное управление процессом, перевод всех радионуклидов в твердую форму, очистку образующихся газообразных выбросов до допустимых для сброса концентраций.

Из требований следует, что необходимо создавать твердый конечный продукт с достаточно высокими физико-химическими характеристиками, обеспечивающими радиационную и термическую устойчивость отходов к внешней среде. Первое и основное условие для создания таких материаловудаление свободной и кристаллизационной воды. Второе условие — это необходимость разложения подверженных радиолизу солей, например, нитратов (кальцинация). Для получения непылящих материалов с удовлетворительными химическими и теплофизическими свойствами, прежде всего с удовлетворительным значением теплопроводности, кальцинированные продукты подвергают спеканию, сплавлению со стеклообразующими добавками, горячему прессованию.

Технология обращения с РАО, в частности с высокоактивными ЖРО, содержащими долгоживущие ядерные материалы, окончательно еще не разработана. Общая концепция подхода к ним заключается в их фракционировании, иммобилизации в минералоподобных матрицах и герметизации в специальных контейнерах.

Высокие требования к процессам отверждения высокоактивных отходов и обусловленные этим трудности аппаратурного оформления привели к большому разнообразию разрабатываемых аппаратурно-технологических схем.

Переработка ЖРО направлена на решение двух главных задач: очистки основной массы отходов от радионуклидов и концентрирования последних в минимальном объеме. Для этого при переработке ЖРО низкого уровня активности используют три группы методов: термические, сорбционные и мембранные. Для высокого уровня активности отходов возможно применение только термических методов, а именно упаривание с целью последующей обработки кальцинированием и остекловыванием. Основная цель упаривания заключается в сведении к минимуму объема концентратов отходов и осуществлении предварительной очистки конденсата вторичных паров от активности.

Отверждение может быть реализовано в одноили двухстадийном процессе [3, 4]. При одностадийном процессе ЖРО совместно со стеклообразующими добавками подаются в плавитель, где последовательно происходит их обезвоживание, кальцинация и плавление с образованием стеклоподобных материалов.

Предварительное глубокое обезвоживание отходов позволяет значительно увеличить производительность (или уменьшить габаритные размеры) плавителя. Так, при использовании роторного концентратора для увеличения концентраций солей в жидких отходах с 450 до 900 г/л производительность плавителя удается повысить в 2.5 раза.

В настоящее время в России кальцинацию проводят в одностадийном процессе, когда концентрированный раствор радиоактивных солей в смеси со стеклообразующими добавками подают непосредственно в аппарат остекловывания в зону высоких температур, где находится стеклоподобный расплав. Недостатками такого способа являются:

— низкая производительность процесса в ограниченном реакционном объеме из-за низкой теплопроводности продукта кальцинации;

— вспенивание продукта кальцинации с выбросом его из рабочего объема с потоком отходящих газов.

Реализация двухстадийного процесса, когда кальцинация и остекловывание производится в различных аппаратах, позволит в значительной степени избежать вышеописанных недостатков, уменьшить габариты основного оборудования, делает возможным его дистанционную замену и ремонт, а также позволит повысить радиоэкологическую безопасность процесса.

В настоящее время технология предварительной кальцинации ЖРО перед остекловыванием успешно используется во Франции и Англии, где процесс осуществляется в аппаратах роторного типа с нагревом рабочей камеры с помощью печей сопротивления, а именно, радиационный нагрев вращающейся трубы омическим нагревателем через воздушный зазор.

В потоке иностранной информации по обращению с РАО отсутствуют в последние 10 лет какие-либо новые, свежие идеи по созданию технологий и оборудования для переработки высокоактивных ЖРО. Из большого списка зарубежных стран, которые когда-то начинали решение проблемы переработки высокоактивных ЖРО, только Франция не остановилась и продолжает совершенствование своей двухстадийной технологии [5].

В России разработка технологии выпаривания и кальцинации с помощью различных методов проводилась во ВНИИНМ им. А. А. Бочвара, ПО «Маяк», Радиевом институте им. В. Г. Хлопина, МосНПО «Радон» и др. Следует отметить, что в отличие от французской технологии, результаты проведенных исследований не нашли широкого применения в технологических циклах переработки высокоактивных ЖРО.

В двухстадийном процессе для получения стеклоподобных материалов из радиоактивных отходов необходимо вводить флюсующие добавки либо в процессе обезвоживания и кальцинации, либо в готовые кальцинированные продукты. Дальнейшим нагреванием кальцинированные продукты переводят в расплав, дающий после застывания стеклоподобную массу. Температуру процесса получения стеклообразных материалов при переработке РАО определяют для каждого конкретного состава реакционной массы. При этом учитывают такие факторы, как полнота разложения термически неустойчивых соединений, степень гомогенизации, достижение нужной для выбранного аппаратурного оформления вязкости расплава, а также степень аэрозолеобразования и перехода радионуклидов в газовую фазу.

Остекловывание отходов всех уровней активности имеет множество технологических решений, широко использующихся во всем мире. Из них одним из наиболее современных и совершенных способов переработки кальцинированных ЖРО является индукционное плавление в холодном тигле (ИПХТ). В настоящее время эта технология достигла высокого уровня совершенства и применяется не только в иммобилизации РАО, но и во многих других технологических целях. Проводятся работы по дальнейшему улучшению технико-экономических показателей ИПХТ.

Настоящая работа посвящена комплексному рассмотрению двухстадийного технологического цикла переработки жидких РАО от кальцинации до остекловывания с целью улучшения технико-экономических показателей процесса путем применения индукционных и СВЧ-методов. Применение индукционного нагрева возможно не только для плавления стекломассы в ИПХТ, но и для кальцинации отходов, что позволит преодолеть многие существенные недостатки процесса и установки кальцинации. Применение СВЧ-методов для нагрева и плавления загруженной в холодный тигель шихты даст возможность существенно уменьшить время запуска установки ИПХТ и повысить ее надежность и экологическую безопасность.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 102 источника. Общий объем диссертации 143 страницы, включая 51 рисунок и 10 таблиц.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Изучены основные методы кальцинации и остекловывания ЖРО. Рассмотрены преимущества и недостатки использующихся процессов кальцинации, технологические схемы процесса остекловывания РАО и изучен практический опыт переработки ЖРО высоких уровней активности. Предложены улучшения технологии переработки РАО за счет применения индукционного и СВЧ-нагрева. Рассмотрена возможность решения вопросов, связанных с реализацией процессов индукционной кальцинации в аппарате роторного типа и стартового СВЧ-разогрева и получения «затравочного» электропроводного расплава для установок ИПХТ, который будет являться полезной нагрузкой для ВЧ-генератора, с использованием локального микроволнового нагрева стартовой шихты на основе азотнокислого натрия.

2. Разработана конструкция горизонтального индукционного роторного кальцинатора. В качестве прототипа принят разработанный во Франции горизонтальный кальцинатор, производительностью 50 л/ч, представляющий собой вращающую трубу из нержавеющей стали. Проведен оценочный теплофизический расчет установки. Расчет тепловых потерь дал следующие результаты. Мощность, необходимая для поддержания теплового баланса в установке составляет 6.0 кВт. При этом на участке, где температура равна 100 °C, затрачивается 0.5 кВт, на участке от 100 °C до 300 °C затрачивается 1.5 кВт и на участке от 300 °C до 500 °C затрачивается 4.0 кВт. Исходя из производительности установки и массовой доли солей в растворе, мощность, расходуемая на испарение воды, составляет 19 кВт. При этом оценочный расчет показывает, что мощность, расходуемая на нагрев до 500 °C сухого солевого остатка составляет «1 кВт, а суммарная мощность нагрева — 25 кВт. При КПД установки 85%, общая потребляемая мощность равна 29.5 кВт. При проектировании опытно-промышленного кальцинатора проведено точное моделирование тепловых процессов в рабочей камере с использованием программного пакета ANSYS 8.0. Расчет показал правильность выбора геометрических параметров рабочей камеры и теплоизоляционного покрытия, размещения индукторов и мощности силового питания кальцинатора.

3. Исходя из результатов расчетов, выбрана схема силового питания установки, состоящая из двух одинаковых индукторов, один из которых расположен в низкотемпературной зоне, а второй — в высокотемпературной зоне. Нагрев промежуточной области между индукторами происходит за счет теплопроводности. Общая мощность питания установки — 30 кВт. Питание индукторов осуществляется с помощью двух идентичных генераторов мощностью 15 кВт каждый, что согласно проведенным оценкам позволит достичь производительности кальцинатора до 30 л/ч. Проведено моделирование параметров индуктора в диапазоне значений частоты генератора и напряжения на индукторе. Расчет показал, что 'при используемых начальных условиях при создании установки следует использовать рабочую частоту, равную 2.4 кГц с напряжением на индукторе до 400 В.

4. Разработан и создан полупромышленный макет роторного индукционного кальцинатора, состоящий из кальцинатора, узла газоочистки, двух индукторов, и двух генераторов, включающий в себя оригинальное устройство очистки внутренней поверхности рабочей камеры представляющее собой 2 активатора, лежащих на внутренней поверхности трубы. При вращении трубы активаторы, вращаясь, обдирают ее внутреннюю поверхность. Активаторы вращаются неравномерно и разнонаправлено в месте соприкосновения, поэтому из-за различной навивки стальным прутком очищают не только рабочую камеру, но и друг друга.

5. Проведено экспериментальное исследование работы опытно-промышленного роторного индукционного кальцинатора. Измерен температурный профиль вдоль внутренней поверхности рабочей камеры в холостом режиме. Максимальная достигнутая температура составила 771 °C, что составляет 98% от значения, рассчитанного по программному пакету ANSYS 8.0. Проведен успешный эксперимент по продвижению сыпучего вещества (песка) вдоль рабочей камеры. Проведены предварительные эксперименты по вы-париванию воды и солевого раствора. В целом, проведенные эксперименты подтвердили правильность проведенных расчетов и выработанных технических решений, показали надежность работы разработанной установки и возможность ее использования для выпаривания и кальцинации ЖРО.

6. Проведен аналитический расчет элементов конструкции СВЧ-установки для проведения экспериментальных исследований по СВЧ-разогреву и плавлению стартовой шихты на основе азотнокислого натрия, помещаемой на поверхностный слой стекломассы, с целью обеспечения ее последующего плавления методом ИПХТ. С помощью численного моделирования проверена достоверность аналитических оценок параметров волноводно-коаксиального переходника и оригинального СВЧ-излучателя. Полученные данные свидетельствуют о том, что в плане СВЧ-излучения с внешней стороны рабочей камеры СВЧ-нагреватель является установкой, которая не представляет собой существенной опасности.

7. Разработана СВЧ-установка мощностью 5 кВт с рабочей частотой 2450 МГц, включающая в себя волноводно-коаксиальный переходник с подвижным закорачивающим поршнем и оригинальный коаксиальный рупорный СВЧ-излучатель. В этом устройстве электромагнитное поле сосредоточено в пространстве между внешней и внутренней коническими поверхностями излучателя, что позволяет повысить плотность потока излучаемой СВЧ-энергии. СВЧ-излучатель выполнен из нержавеющей стали и смонтирован в виде выходного устройства непосредственно на волноводно-коаксиальном переходнике.

8. На созданной СВЧ-установке проведена серия экспериментов. Они подтвердили правильность выбранной схемы СВЧ-системы и надежность работы ее отдельных элементов. Показано, что при времени экспозиции 40 с при СВЧ-мощности на уровне (4.5 5) кВт образуется расплав стартовой шихты с наибольшим размером 110 мм и толщиной 15−20 мм. Размеры расплава являются достаточными, чтобы осуществить запуск холодного тигля на рабочей частоте. В целом, СВЧ-нагреватель продемонстрировал надежную работу, а эксперименты показали принципиальную возможность быстрого СВЧ-плавления стартовой шихты.

9. Выполнен комплекс работ по определению минимального уровня СВЧ-мощности, при котором за приемлемое время происходит плавление стартовой шихты. В измененной конфигурации СВЧ-нагревателя за счет использования 3-дб. моста удалось провести комплекс исследований по плавлению стартовой шихты при уровне мощности (1.4 2.5) кВт. Показано, что уровень предельной СВЧ-мощности может быть снижен до ~ 3 кВт, что важно с практической точки зрения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.