СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОКТИВНЫХ ОТХОДОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ В ПРОЦЕССЕ РАЗРУШЕНИЯ ОБЛУЧЕННЫХ ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИХ СБОРОК РЕАКТОРОВ НА БЫСТРЫХ НЕЙТРОНАХ, МЕТОДОМ ИНДУКЦИОННОГО ШЛАКОВОГО ПЕРЕПЛАВА В ХОЛОДНОМ ТИГЛЕ
METHOD FOR RECYCLING RADIOACTIVE WASTE GENERATED DURING DESTRUCTION OF IRRADIATED FUEL ASSEMBLIES OF FAST NEUTRON REACTORS BY INDUCTION SLAG REMELTING IN COLD CRUCIBLE

Настоящее изобретение относится к области техники, связанной с разработкой методов и аппаратов для переработки радиоактивных отходов (РАО), образующихся в процессе разрушения облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов на быстрых нейтронах (РБН). Изобретение заключается в разработке установки индукционно-шлакового переплава в холодном тигле (ИШП-ХТ) с получением металлического слитка заданной длины, подборе составов флюса и используется для извлечения и возврата в ядерный топливный цикл делящихся материалов (ДМ) из конструкционных материалов (КМ) ОТВС до содержания не выше 0,001 мас.%.
На сегодняшний день одними из ключевых задач, подлежащих решению перед запуском любого радиохимического производства является разработка безопасного и эффективного способа обращения с РАО и обеспечение нераспространения ядерных материалов. Частный случай такого производства - создаваемый модуль переработки облученного смешанного нитридного уран-плутониевого ядерного топлива РБН БРЕСТ-ОД-300, один из целевых параметров которого содержание ДМ в деструктурированных конструкционных КМ ОТВС. Так, при содержании ДМ в КМ свыше 0,001 мас.% требуется введение дополнительной операции доизвлечения актиноидов. Способ переработки металлических РАО, образующихся в результате эксплуатации РБН, основан на процессе шлаковой переплавки КМ ОТВС в индукционном плавителе с холодным тиглем. В результате переплава образующаяся шлаковая фаза предполагает дальнейшее азотнокислое выщелачивание с целью возврата ДМ в ядерно-топливный цикл (ЯТЦ).
Имеющиеся на сегодняшний день технические решения направлены, в основном, на получение продуктов, подлежащих окончательному захоронению и не предполагают возврата ДМ в ЯТЦ.
WO 2015/018905 A1 (US 2016/0189815 А1) «Способ и устройство для сжигания, расплавления и остекловывания органических и металлических отходов», AREVA NC. Предназначен для переработки одновременно органических, минеральных и металлических типов отходов. Корзину со смешанными отходами вводят в шахту печи, где при помощи плазмотронов, сжигают горючие компоненты. Далее отходы опускают на дно установки в ванну индукционной плавильной печи, которые в результате заполняют тигель-контейнер в виде расплавленного металла и стекла. Отходящие газы поступают в систему фильтрации, по окончании процесса плавильная часть установки отсоединяется для извлечения и замены тигля-контейнера.
RU 124374 U1 «Индукционная печь с холодным тиглем для очистки отработанного ядерного топлива», ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)». Установка по данному документу предназначена для переплавления ОЯТ, с целью отгонки летучих примесей. Конструкция представляет собой холодный тигель, состоящий из двух-трех разъемных секций и перемещаемого индуктора. Слиток в печи формируется путем наплавления за счет перемещения индуктора вдоль тигля. По окончании процесса тигель размыкается на части и готовый слиток извлекается из печи. К недостаткам способа можно отнести длительный цикл сборки-разборки тигля, и сложность аппаратурного оформления.
RU 2301949 С2 «Индукционная печь», Коммиссариат А Л. Энержи Атомик и JP 2001133162 А «Холодный тигель для расплавленных солей и метод плавления», Sumitomo Metal IND LTD. Разработчики предлагают использовать ИПХТ для плавки минеральных веществ. Ключевым элементом конструкции является применение напыления на металлические секции холодного тигля. Покрытие состоит из оксидов циркония, алюминия, титана, кремния или их смесей.
RU 2377675 С2 «Способ регенерации металлов и сплавов, отработавших в контакте с радиоактивными материалами», ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - У ПИ». Изобретение относится к способу дезактивации и переработки лома металлов и сплавов, постоянно накапливающегося в ядерной энергетике и промышленности. Сущность изобретения: лом сталей либо цветных металлов (сплавов) выдерживают при температуре 700°С под слоем шлака, расплавленная смесь хлоридов, мол.%: Na - 35, Mg 31 - 33, K - 35 и рафинируемого металла 2-4 в течение 30-40 минут. Далее шлак с окисленными загрязнениями сливают, а лом переплавляют при температуре 1600-1700°С под смесью фторидов, мол.%: Са - 50 и Mg - 50 в течение 20-30 минут. Техническим результатом изобретения является получение из загрязненного лома конструкционных металлов (сплавов) более чистых металлов и сплавов. Ограничением предложенного способа является использование фторидного флюса, не предназначенного для дальнейшего извлечения ДМ из флюса.
RU 2231843 С1 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов», ГУП МосНПО «Радон». Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к области переработки и утилизации радиоактивных металлических отходов. Сущность изобретения: способ дезактивации радиоактивных металлических отходов, включающий плавление в тигле загрузки из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава, состоящего из рафинирующих флюсов в порошкообразном состоянии и минерального вещества, без раскисления металла. Плавление осуществляют в один прием в присутствии воздуха над зеркалом расплава и удаляют шлак с содержащимися в нем радионуклидами. В качестве рафинирующего флюса в порошкообразном состоянии используют смесь окислителя в количестве 60-83 мас.% и восстановителя в количестве 17-40 мас.%. Окислителем является один из оксидов переходных металлов четвертого периода таблицы Менделеева или их смеси, в качестве восстановителя используют алюминий, или силикокальций, или их смесь; в качестве минерального вещества используют циркон, или диоксиды металлов четвертой побочной группы таблицы Менделеева, или их смеси, при следующем соотношении, мас.%: радиоактивные металлические отходы 10-50; порошкообразный рафинирующий флюс 39-85; минеральное вещество 1-15. Нагрев смеси радиоактивных металлических отходов с композитным шлакообразующим составом и ее плавление осуществляют путем инициирования экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в рафинирующем порошкообразном флюсе внешним источником тепла. К недостаткам способа можно отнести сложность контроля протекания экзотермической термитной реакции и применимость его только к низкоактивным отходам.
RU 2249270 С2 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом», Горно-химический комбинат. Изобретение относится к области дезактивации металлических отходов методом переплавки. Сущность изобретения: способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом включает подачу дезактивируемого металла в водоохлаждаемый кристаллизатор и очистку расплава с использованием рафинирующего шлака. В кристаллизатор, подключенный к сети электрического тока, сначала загружают рафинирующий шлак в виде расплава. Затем подают предварительно расплавленные радиоактивные металлические отходы со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня расплавленного шлака в границах токопроводящей секции кристаллизатора и позволяющей вытягивать слиток, очищенный от радионуклидов в ходе плавки.
RU 2234154 С2 «Способ переработки металлических отходов и печь для его осуществления», Горно-химический комбинат. Способ переработки металлических, в том числе радиоактивных отходов включает плавку отходов под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока, перегретого в газлифтном потоке шлака. Далее отделяют шлак от расплавленного металла, обезвреживают и осуществляют отвод газов. Плавку металлических отходов ведут в специально выгороженной зоне на перфорированной перегородке в присутствии шлака, рафинирующего за счет подаваемой в дутьевые устройства воздушно-газовой смеси, содержащей окислительно-восстановительные добавки. Печь для переработки металлических отходов включает рабочую камеру, бункер для загрузки металлических отходов, устройство для отвода газов, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом. При этом рабочая камера печи содержит специально выгороженные зоны: зону нагрева шлака, зону транспортировки шлака и зону плавления металлических отходов, которая снабжена перфорированной перегородкой.
2
RU 2486616 C1 (WO 2013/095197 А1, ЕР 2797082 А4) «Способ переработки твердых радиоактивных отходов», ООО ПК «Технология металлов». Изобретение относится к области охраны окружающей среды и к области переработки твердых отходов, загрязненных радионуклидами. Способ переработки твердых радиоактивных отходов включает предварительный подогрев перерабатываемых отходов теплом отходящих из плавильной камеры газов с температурой 1600-1750°С. Загрузку РАО проводят с использованием герметичного устройства через отверстие в боковой стенке камеры со скоростью 0,8 -1,1 тонн в час на 1 м поверхности жидкого расплава, процесс плавления ведут непрерывно в топливокислородной гарнисажной плавильной камере, отходящие газы из которой направляют в подогреватель, в процессе переработки отходов поддерживают постоянный уровень жидкого металла в футерованной металлической ванне, слив «грязного» радиоактивного шлака осуществляют на плавильном участке после накопления на поверхности металлического расплава слоя шлака высотой 250-400 мм. Разливку полученного в плавильной камере металла производят на участке, отделенном от плавильного узла глухой перегородкой. Указанная технология используется при переработке НАО, использование в качестве источника тепла топливокислородной горелки предполагает образование больших объемов отходящих газов, что требует создания локальной высокопроизводительной системы пылегазоочистки.
RU 2521035 С2 «Способ регенерации вторичной платины с радиоактивным заражением плутонием», ФГУП «ПО «Маяк». Заявленное изобретение относится к способам обработки радиоактивных отходов, а именно к очистке платины в виде лома технологического оборудования, и может быть использовано для очистки вторичной платины от радиоактивного заражения плутонием. Заявленный способ включает нагрев лома вторичной платины с радиоактивными загрязнениями плутония во всем объеме и нерадиоактивными загрязнениями в виде металлических примесей в его поверхностном слое, которые содержатся в большем количестве, чем плутоний. Перед нагревом лома примеси удаляют средствами гидрометаллургии, не разрушающими поверхность платины. Нагрев лома ведут до его расплавления с образованием радиоактивного конденсированного оксида плутония и совмещают его с индукционной плавкой платины для отделения ее от оксида плутония. Плавку ведут в присутствии флюсующих добавок с образованием расплава платины и шлака, содержащего оксид плутония, при отношении площади зеркала расплава к объему расплава 0,20-0,50 с частотой индукционного электромагнитного поля 20-66 кГц и воздушным дутьем на поверхность расплава при температуре 1769-1800 К в течение 1,0-1,3 ч. Затем шлак отделяют от платины.
RU 2177132 C1 «Плавильная печь», AO «ВНИИХТ». Изобретение относится к металлургии, а именно к плавильным печам для производства металлов и сплавов, переработке металлических и твердых смешанных радиоактивных отходов, а также облученных тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок, содержащих отработавшее ядерное топливо. Плавильная печь состоит из металлического плавильного охлаждаемого тигля, прозрачного для электромагнитного поля, и поддона со сливным устройством. Поддон выполнен металлический охлаждаемой конструкции. В поддоне и/или в боковой стенке плавильного тигля размещены одно или несколько сливных устройств, выполненных в виде индукционных плавильных узлов, прозрачных для электромагнитного поля, с индукторами, расположенными вокруг них. Сливные устройства первого типа выполнены в виде металлических секционированных охлаждаемых тиглей, а второго типа, в виде наклонных металлических секционированных охлаждаемых желобов. Плавильная печь обеспечивает поддержание температуры сливаемого расплава на заданном уровне; сохраняет гомогенность сливаемого расплава в результате его электромагнитного перемешивания при сливе, исключает загрязнение получаемого металла или сплава материалом, из которого изготовлено сливное устройство в результате отсутствия каких-либо нестойких к коррозии в расплавах металлов и шлаков, исключает поглощение сливным устройством компонентов расплава и тем самым не образует нового типа отходов в виде отработанных конструкционных материалов, обеспечивает проведение процесса в непрерывном режиме, без кристаллизации и охлаждения продуктов плавки внутри тигля, при полной автоматизации и дистанционном управлении и долговечность сливных устройств, т.к. они могут работать несколько лет и не требовать промежуточных зачисток и ремонтов с участием обслуживающего персонала.
RU 120278 U1 «Плавильный агрегат для переработки твердых радиоактивных отходов», ООО ПК «Технология металлов». Плавильный агрегат для переработки твердых радиоактивных отходов, содержащий плавильную камеру, шахтный подогреватель перерабатываемых отходов, систему охлаждения корпуса плавильной камеры, систему загрузки твердых радиоактивных отходов и флюсов, устройства для раздельного выпуска металла и шлака, отличающийся тем, что система загрузки отходов и плавильная камера герметизированы, для нагрева и расплавления отходов использованы топливокислородные горелки, суммарная тепловая мощность которых составляет 1,0-1,4 МВт на 1 т/ч отходов. Горелки установлены на 300-500 мм выше максимального уровня шлакового расплава в боковых стенах плавильной камеры под углом 30-50° к продольной оси камеры и наклонены к поверхности расплава под углом 30-35°. Летка для выпуска металла расположена в торцевой стене плавильной камеры на высоте 10 -40 мм от уровня огнеупорного пода. Сливной желоб для выпуска металла представляет собой две разъемные части, при этом одна из которых, примыкающая к летке, расположена стационарно горизонтально, а вторая -плотно установлена встык с первой, что обеспечивает возможность перемещения по горизонтали. Для слива шлака плавильная камера оснащена двумя шлаковыми летками со сливными желобами, расположенными в боковой стенке корпуса, на максимально возможном удалении от летки для выпуска металла: одна на высоте 30-50 мм, вторая на высоте 150-200 мм от верхнего уровня металлической ванны. Глубина металлической ванны составляет 20-25% общей высоты рабочего пространства плавильной камеры, отношение высоты рабочего пространства к длине рабочего пространства плавильной камеры составляет 0,6-0,9.
RU 2066496 О «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов и композитный шлакообразующий состав для дезактивации радиоактивных металлических отходов методом плавки», АО ИК «Панорама». Для дезактивации металлического лома проводят плавление в тигле порции шихты нерадиоактивных или радиоактивных металлических отходов без раскисления металла. После полного расплавления порции шихты производят дозагрузку в тигель и плавление так же без раскисления МРАО, и удаление шлака, содержащего радионуклиды. Плавление полного количества компонентов производят в присутствии кислорода или воздуха над зеркалом расплава и с внесением в тигель рафинирующих флюсов. Флюсы в порошкообразном состоянии перед загрузкой в тигель смешивают с минеральным вяжущим веществом с образованием композитного шлакообразующего состава, который наносят на металлические отходы перед их загрузкой в тигель до образования поверхностной пленки, полностью или частично покрывающей металлические отходы. Внесение рафинирующих флюсов при дозагрузках осуществляют путем погружения в расплав металлических отходов, покрытых, как указано выше, композитным шлакообразующим составом. Используемые для образования указанного состава минеральные вяжущие вещества характеризуются температурой плавления, не превышающей температуру плавления металла, элементный состав их близок по химическим свойствам к элементному составу рафинирующих флюсов. Вяжущие вещества не вступают в химическую реакцию с рафинирующими флюсами в процессе образования композитного шлакообразующего состава и при нанесении последнего на металлические отходы. Композитный шлакообразующий состав содержит, мас.%: рафинирующие флюсы 30-50, остальное минеральное вяжущее вещество. Использование изобретения позволяет получать слитки очищенного металла, пригодного для повторного использования, и предотвращает выход в газовую фазу радионуклидов.
US 2013/0294473 Al «Melting apparatus for melt decontamination of radioactive metal waste», Kepco Nuclear Fuel CO., LTD. Устройство для дезактивации путем плавления металлических радиоактивных отходов состоит из плавильной печи, генератора высокой частоты, черпака, тележки, блока охлаждения и пылесборник. Плавильная печь включает в себя тигель, в который загружают РАО, и индукционную катушку, намотанную вокруг тигля. В полом отверстии индукционной катушки постоянно циркулирует охлаждающая жидкость. Индуктор запитан от генератора тока высокой частоты. Изложница подается на тележке под ковш, который предназначен для слива расплавленного металла. Шлак предварительно удаляется из тигля перед розливом металла. Установка направлена на переработку значительных объемов отходов, разовая загрузка ковша до 250 кг. Шлак используется кремнистый с раскислителем из оксида алюминия.
US 2005/0028324 A1 (JP 2004239693 A) «Method of melting treatment of radioactive metals», Mitsubishi Material Corporation Japan Nuclear Cycle Development Institute. Способ переработки плавлением металлических отходов на основе углеродистой или нержавеющей стали, содержащих топливные материалы, такие как уран или плутоний, для дезактивации стали с одновременным уменьшением объема отходов. Стальные оболочки твэл загрязненные остатками топлива сплавляют при температуре 1600°С и выше в воздушной атмосфере, при этом не используются какие-либо флюсы, а уран и плутоний образуют отдельную шлаковую фазу в виде оксидов. Показано, что при плавлении нержавеющей стали содержащей 1 мас.% оксида урана, остаточное содержание урана составляет 0,5-1 ppm.
JP 2004099959 A «Method and device for cleaning material containing impurity», Sumitomo Metal IND LTD. Способ очистки металла путем перевода основной массы примеси в шлак, с использованием плавки в холодном тигле. Устройство состоит из холодного тигля без днища, где через верхнюю часть осуществляется загрузка очищаемого металла и флюса. При проплавлении шихты примеси концентрируются в верхней шлаковой фазе, жидкий металл находится в нижней части установки. После охлаждения застывший слиток протягивается системой роликов через нижнюю часть тигля и занимает положение ниже индуктора. Далее в установку загружается следующая порция металлических отходов с флюсом и проплавляется. Таким образом, на слиток постоянно наплавляется новая порция очищенного металла. По достижении определенной длины от слитка периодически отрезаются куски стандартного размера. Для достижения оптимальной очистки от примесей шлак в установке может быть заменен в любой момент. При быстром отключении тока на индукторе происходит резкое охлаждение загруженного материала в холодном тигле, при этом застывший шлак испытывает внутреннее напряжение и растрескивается до сыпучего состояния. В таком виде шлак извлекается из тигля при помощи пневмотранспорта. Используемый флюс состоит, главным образом, из оксидов алюминия, кальция и кремния. Нержавеющая сталь, содержащая 100 ppm плутония, была очищена до концентрации в 10 ppb.
JP 11044795 A «Decontamination of polluted metal», Ishikawajima Harima Heavy IND CO LTD. Загрязненные радиоактивным материалом сплавы на основе железа помещают в графитовый тигель, добавляют углерод и флюс на основе оксидов кальция, кремния и железа. Плавку осуществляют в индукционной печи в атмосфере инертного газа. Уран и трансурновые элементы селективно окисляются и переходят в шлаковую фазу.
US 5750822 A ((Processing of solid mixed waste containing radioactive and hazardous materials)), Institute of Chemical Technology (PlasTech) - GOVT РАС Contractual Origin Of The Invention PAR The United States Government has rights in this invention pursuant to a contract with the United States Department of Energy. Устройство для непрерывного нагрева и плавления твердых смешанных радиоактивных отходов и опасных материалов, с формированием отдельных металлической, шлаковой и газообразной фаз, и получения компактных форм отходов для облегчения утилизации, включает водоохлаждаемый медный секционный тигель. Материал отходов нагревается с помощью комбинации плазменной горелки, направленной в открытую верхнюю часть холодного тигля, и электромагнитного потока, создаваемого индукционными катушками, расположенными вокруг тигля, являющегося прозрачным для электромагнитных полей. Металлическая фаза материала отходов концентрируется в нижней части тигля и удаляется в виде компактного слитка, пригодного для переработки и дальнейшей обработки. Стекловидная неметаллическая шлаковая фаза, содержащая радиоактивные элементы, также формируется в тигле и вытекает из открытой верхней части тигля в изложницу для последующей утилизации. Продукты разложения органических и токсичных материалов, сжигаются в плавильной печи и превращаются в экологически безопасные газы.
2
2
3
2
2
3
2
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
2
3
2
2
3
US 5724669 A «Metal decontamination process and systems for accomplishing same», Snyder; Thomas S. Данное изобретение предоставляет способы оперативного контроля расплавленной фазы для определения степени извлечения радиоактивных веществ из металлических отходов, загрязненных радиоактивными частицами. Отходы смешивают с неорганическим флюсом в печи, при этом материал флюса извлекает радиоактивные вещества из металла в процессе плавления. Периодически, часть композиции отбирают из печи и разделяют фазы расплавленного флюса и расплавленного металла. Каждую из этих фаз, затем анализируют в расплавленном состоянии, чтобы определить степень извлечения. Как правило, для процесса плавления используется индукционная печь. В качестве флюса для нержавеющей стали предлагается применять различные комбинации оксидов: SiO/AlO, SiO/CaO/AlO/CaF, CaO/SiO, и CaO/SiO/AlO/CaF, а плавку проводить в тигле из графита, оксида циркония или магния. С другой стороны, для углеродистой стали рекомендуются флюсы, состоящие из: CaO/FeO, СаО/AlO, CaO/SiO/FeOили SiO/AlO в тиглях из кварца, оксида алюминия или циркония.
2
2
2
2
3
2
2
3
2
3
2
5
2
2
5
CN 103811091 A «High-level uranium pollution carbon steel or stainless steel smelting decontamination process», China Institute for Radiation Protection. Изобретение относится к области очистки от высокого уровня загрязнения ураном углеродистой или нержавеющей стали при плавке. Процесс включает следующие этапы: фрагментация загрязненной стали, смешение с флюсом, подача смеси в печь, нагрев и плавка смеси, выдержка расплава при определенной температуре в течение заданного промежутка времени, удаление шлака, выгрузка стали, корректировка состава жидкой стали и розлив. После того, как слитки отлиты, анализируют остаточное количество урана в стали с помощью метода лазерной флюоресценции. Используемый состав флюса состоит, мас.%: NaO/KO 0,5-20; CaF/CaC/CaCO/CaO/MgO 20-70; MnO/FeSO/FeO/CrO/VO 1-15; SiO/PO 20-70. Флюс составляет от 1 до 7 мас.% загрузки, температура процесса 1350-1850°С, продолжительность 0,5-2 ч.
2
2
2
2
3
2
3
В RU 2145126 С1 «Слиток из радиоактивных металлических отходов и способ его получения» описывающий технологию очистительной переплавки циркониеывых сплавов и нержавеющих сплавов на основе индукционно-шлакового переплава в коническом холодном тигле, предложен оригинальный способ формирования металлического слитка - при кристаллиции металлической фазы в верхнюю ее часть вмораживают головку ТВС, совместимую со стандартным байонетным захватом. Равномерный прогрев вытянутого слитка обеспечивается за счет индуктора, имеющего возможность перемещения по вертикальной оси. Для очистки используется флюс на основе системы CaF-MgF-CaO-SiO-AlO-BO, что делает образующийся в процессе шлак непригодным для дальнейшей гидрометаллургической переработки и возврата ДМ в топливной цикл. Использование подвижного индуктора требует применения гибких токоподводов, снижающих надежность и безопасность эксплуатации установки.
В отобранных охранных документах, касающихся переплавки металлических отходов, очистка основана на переводе примесей из металлической фазы в другую, шлаковую или газовую. Встречаются установки, предназначенные для переработки только металлических отходов, а также установки, ориентированные на переработку комплексных отходов. Установки второго типа загромождены дополнительными узлами и явно непригодны для решения узкой задачи выделения ДМ из конструкционных материалов твэлов.
Основной тенденцией является применение охлаждаемых установок для проведения процесса плавки, например, холодных тиглей. За счет гарнисажного слоя, образующегося на поверхности тигля, данное оборудование наиболее устойчиво к агрессивному воздействию расплавленных сред, что увеличивает срок службы установки. Сам по себе холодный тигель является компактным и легко демонтируемым узлом по сравнению с керамическими плавильными печами.
Нагрев садки может осуществляться плазменным методом, газовыми горелками или погружением электродов, однако наиболее распространенным является бесконтактный индукционный нагрев. Он конструктивно совместим с холодными тиглями, при этом отсутствуют расходные элементы и образование вторичных отходов.
Важным элементом, отличающим различные конструкции ИПХТ, является способ выгрузки материала из установки. Металл и шлак может извлекаться в застывшем виде через верхнюю или нижнюю часть тигля. Другим вариантом является слив расплава через специальные устройства, в боковой или донной части тигля либо слив путем опрокидывания непосредственно тигля.
Состав флюсов заявлен во многих патентах, однако в большинстве не регламентирован. Применяется в основном кремнистый флюс с добавками оксидов различных металлов, для понижения вязкости используется фторид кальция, в качестве окислителя оксид железа или марганца, возможно дутье воздуха или кислорода на зеркало расплава. Образующиеся шлаки не предполагается перерабатывать, а планируется направлять на захоронение, как твердые отходы. В разрабатываемой технологии шлак должен быть приемлем для гидрометаллургической радиохимической переработки, поэтому предлагаемые флюсы могут оказаться полностью не пригодными для создания новой технологии. Применительно к процессу переработки КМ ОТВС РБН, образующийся в результате переплавке шлак предполагается выщелачивать крепкими растворами азотной кислоты с целью извлечения из него ДМ и возврата их в топливный цикл. В случае если в состав шлака будут входить силикаты, образующаяся в процессе разложения кремниевая кислота существенно затруднит операции разделения фаз. А в случае присутствия в шлаке фторидов, образующуюся фтористоводородная кислота потребует нетривиального и затратного подхода к аппаратурному оформлению обращения с жидкими средами гидропередела.
Наиболее близкое отношение к разрабатываемой технологии имеют патенты RU 2521035 С2, RU 2177132 С1, JP 2004099959 А и RU 2145126 С1.
В качестве прототипа выбрана установка ИПХТ разработанная в АО «ВНИИНМ» RU 2145126 С1 «Слиток из радиоактивных металлических отходов и способ его получения».
Перед авторами изобретения стояла задача разработать способ обеспечивающий очистку КМ до содержания ДМ не превышающем 0,001 мас.%, полученные металлические слитки при этом должны обладать определенными геометрическими размерами, а химический и фазовый составы образующегося шлака обеспечивать хорошую вскрываемость азотной кислотой без образования гелей и фтороводородной кислоты, а также минимальный унос газовой фазы.
2
3
2
3
Техническое решение изобретения основано на методе индукционно-шлакового переплава в холодном тигле с использованием специально подобранного флюса на основе не содержащей летучих компонентов системы AlO-MgO-FeO-CaO, обеспечивающего очистку КМ ОТВС и образование шлака не содержащего ни силикатов, ни фторидов. Сочетание небольшого индуктора и водоохлаждаемое медное дно с силовым приводом вертикального перемещения позволяет получать слитки различной длины, существенной превышающей длину зоны нагрева, обусловленную необходимостью разогрева до высокой температуры и небольшой мощностью источника высокочастотного питания.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются высокий коэффициент очистки КМ от ДМ, достигающий 1000, обеспечивающий целевой показатель остаточного содержания ДМ в КМ не выше 0,001 мас.%; возможность возврата ДМ в топливный цикл, возможность получения очищенного металлического слитка любой длины при небольшом размере индуктора и, соответственно, относительно небольшой мощности источника высокочатотного тока.
Основой конструкции является холодный тигель, состоящий из вертикальных параллельных медных водоохлаждаемых секций, расположенных по окружности, вода в которые подается индивидуально и медного водоохлаждаемого индуктора. Дно холодного тигля также медное, водоохлаждаемое имеет паз типа «ласточкин хвост» и оснащено силовым электроприприводом для вертикального перемещения. Над холодным тиглем расположено устройство дозирования, состоящее из 2 бункеров и 2 вибропитателей, предназначенных для подачи флюса и КМ соответственно, и весового дозатора.
Функционирует устройство следующим образом: в бункеры загрузочного устройства помещаются КМ и стеклоподобный, предварительно сплавленный и затем раздробленный до класса крупности -10 мм флюс. Затем, в автоматическом режиме с помощью вибропитателей и устройства дозирования в холодный тигель последовательно, в заданном массовом соотношении загружаются флюс и КМ. На индуктор подается ток высокой частоты, происходит расплавление материала. После расплавления и выхода шлака на поверхность металла дно холодного тигля медленно перемещается вниз, расплав в придонной области за счет выхода из зоны действия высокочастотного электромагнитного поля и интенсивной теплоотдачи кристаллизуется, образуя металлический слиток, входящий в зацепление с дном. При этом продолжается поочередная подача в холодный тигель КМ и флюса, в результате чего происходит непрерывное образование металлического слитка заданной длины и увеличивается жидкий слой образующегося шлака. По достижении слоя расплавленного шлака верхнего среза холодного тигля, ток высокой частоты отключают, металл и шлак и кристаллизуются, полученный двухфазный слиток полностью вытягивается вниз и механически отделяется от дна. После чего фазы разделяют механически, металлическую направляют на окончательное захоронение, шлаковую - на гидрометаллургическую переработку.
2
3
2
3
Пример 1. При проведении модельного эксперимента в холодный тигель с высотой рабочей зоны 250 мм и диаметром 95 мм загрузили последовательно шлак на основе системы AlO-MgO-FeO-CaO в количестве 300 г, поверх него - смесь стружек стали ЭП-823 в количестве 2 кг и обедненного урана массой 20 г, имитирующей КМ ОТВС БРЕСТ-300-ОД. На индуктор подавали ток частотой 3,2 КГц и мощностью 240 кВт. После перехода в жидкое состояние реакционной массы и достижения ей температуры 1600°С двухфазный расплав выдерживали в течение 60 минут, затем ток высокой частоты отключали, дожидались полной кристаллизации и охлаждения слитка и вытягивали его при помощи подвижного дна с пазом типа «Ласточкин Хвост». За счет различающихся коэффициентов термического расширения металлическая часть слитка легко отделилась от дна, а от нее, в свою очередь, шлаковая. По результатам анализа методом оптико-эмисионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой было установлено, что содержание урана в металлической фазе составляет менее 0,001 мас.%, при том что в исходной смеси стружек я содержание составляло 1 мас.%, таким образом в процессе переплавки был достигнут целевой показатель по содержанию ДМ, а коэффициент очистки превысил 1000. Насущенный ураном шлак в эксперименте выщелачивания азотной кислотой растворился полностью.