Устройство для остекловывания радиоактивных отходов

Полезная модель относится к области локализации жидких радиоактивных отходов (РАО), и может быть использована в атомной энергетике и на радиохимических производствах для отверждения жидких радиоактивных растворов (ЖРО), пульп и твердых сыпучих РАО.
Для отверждения жидких радиоактивных отходов в мировой практике используются различные матричные материалы - битум, цемент, стекло, керамики [Дмитриев С.А., Баринов А.С, Батюхнова О.Г. и др. Технологические основы системы управления радиоактивными отходами - М.: ГУП Мое НПО Радон, 2007. 376 с.]. В качестве наиболее эффективной как с точки зрения качественных показателей, так и технологичности получения в РФ и за рубежом признаны стеклоподобные материалы [Соболев И.А., Ожован М.И., Щербатова Т.Д., Батюхнова О.Г. Стекла для радиоактивных отходов - М.: Энергоатомиздат, 1999. 240 с.].
Для проведения остекловывания РАО в промышленном масштабе в мировой практике используются установки трех основных типов: печи прямого электрического нагрева и индукционные плавители со средне- и высокочастотными генераторами (так называемые «горячий» и «холодный» тигли).
Наиболее отработанными в техническом плане являются печи прямого электрического нагрева. Подобные установки характеризуются также высокой производительностью и устойчивостью эксплуатационных показателей при флуктуациях состава отходов, направляемых на остекловывание.
В СССР, а затем и в России для промышленного осуществления процесса отверждения жидких ВАО в алюмофосфатное стекло с 1987 года применяются печи прямого электрического нагрева типа ЭП-500 [Глаголенко Ю.В. Переработка ядерного топлива и обращение с высокоактивными отходами / Охрана природы Южного Урала: областной экологический альманах. - Челябинск, 2008. - С. 36-41.], которые можно рассматривать в качестве аналога заявляемой полезной модели [Патент РФ №1309504, МПК С03В 5/027]. Подобные установки представляют собой прямоугольный бассейн, выложенный из бакоровых блоков. Бассейн разделен на три зоны: варочную, переточную и накопительную. В нижней части перегородки имеется переточный канал, через который проваренное стекло из выработочной зоны поступает в переточную и далее в накопительную. Переточная зона отделена от накопительной порогом, который служит для поддержания постоянного уровня расплава стекла в варочной зоне. В торцевой части накопительной зоны установлены сливные устройства. В торцевой части варочной зоны имеется водоохлаждаемый газоход, предназначенный для отвода образующейся паро-газовой фазы и соединяющий печь с барботером-холодильником. Дозировка в варочную зону исходного раствора, содержащего ЖРО и флюсующие компоненты, осуществляется через водоохлаждаемые питатели, установленные в своде электропечи. Для подвода электроэнергии в поде электропечи размещены массивные водоохлаждаемые токоподводы из коррозионностойкой стали (сплава), на которых рядами установлены молибденовые электроды, выполненные в виде цилиндрических стержней. При прохождении электрического тока по расплаву стекла между рядами электродов выделяется тепловая энергия, необходимая для процесса варки стекла. В последней модификации печи типа ЭП-500 применена двухзонная компоновка (отсутствует переточная зона и порог) [Ремизов М.Б., Козлов П.В., Логунов М.В. и др. Концептуальные и технические решения по созданию на ПО «Маяк» установок остекловывания текущих и накопленных жидких ВАО / Вопросы радиационной безопасности. -2014. -№3. - С. 17-25.].
Схожего типа установки применялись для отверждения ЖРО в боросиликатное стекло в США в Савана-Ривер в составе установки Defence Waste Processing Facility (DWPF) [Plodinec M.J., Kitchen B.C. Establishing the Acceptability of Savannah River Site Waste Glass, Proceeding Spectrum-90, Nuclear and Hazardous Waste Management, Internal. Topic Meeting, sept-oct. 1990, pp. 302] и в Германии (установка Pamela) [Weisenburger S., Roth G. Status and plants for high-level liquid waste vitrification in Federal Republic in Germany / ANS Int. topic meeting on fuel reprocessing and waste management, Avg. 26-29, 1984, Jacks Hole, WY, USA]. Указанные установки имеют отличие, связанное с размещением сливного устройства в донной части варочной зоны. Таким образом, конструкция печи является однозонной, с движением стекломассы не в горизонтальном, а в вертикальном направлении.
Указанные плавители имеют ряд общих недостатков. Во-первых, это большие габариты, не позволяющие осуществить извлечение печи из каньона для последующей установки на освободившееся место нового плавителя. Подобные печи выводятся из эксплуатации вместе с большим объемом сопутствующей инфраструктуры, что существенно увеличивает эксплуатационные затраты на поддержание выведенного из работы объекта и капитальные затраты на создание новой печи.
Во-вторых, указанные аналоги характеризуются применением плоского пода. В этом случае как при реализации бокового слива стекла (с горизонтальным движением расплава), так и при использовании донного слива (с вертикальным движением расплава) наблюдается накопление в донной части тугоплавких осадков, в том числе, электропроводящей фазы (благородных металлов, сульфида никеля и т.д.), что приводит к возникновению короткого замыкания между электродами, переохлаждению основной массы расплава и преждевременному выводу плавителя из эксплуатации.
Для исключения подобного рода проблем в Институте ядерных технологий г. Карлсруэ (KIT), разработана специальная конструкция малогабаритного плавителя (VEK) с оригинальным сливным устройством, позволяющим пропускать осадки соединений благородных металлов без их задержки в донной части плавителя, который можно рассматривать в качестве прототипа заявляемого изобретения [Roth G., Weisenburger S. Vitrification of high-level liquid waste: glass chemistry, process chemistry and process technology. Nuclear Engineering and Design, 202, 2000, 197-207]. Данный плавитель представляет собой вертикальный аппарат, стекловаренный бассейн которого выполнен из хромоксидсодержащей керамики. Электроэнергия подается через одну пару основных электродов, изготовленных из хромоникелевого сплава. В верхнюю часть плавителя дозируют раствор радиоактивных отходов и сухую стеклофриту, слив расплава боросиликатного стекла происходит через донное сливное устройство с индукционным нагревом фильеры из жаростойкого хромоникелевого сплава. Особая его конструкция позволяет сливать вместе со стеклом осадки благородных металлов, избегая их накопления в донной части плавителя.
Недостатком данного изобретения является сложная многоэлементная конструкция огнеупорной кладки (около 150 элементов, образующих многослойную конструкцию, из 12 различных марок огнеупорных и теплоизоляционных материалов), что повышает трудоемкость и стоимость изготовления электропечи, а также невысокая производительность печи по потоку перерабатываемых ЖРО и стеклу (10,0 л/ч и 7,0 кг/ч, соответственно).
Технической задачей изобретения является повышение технологичности изготовления огнеупорной кладки, увеличение производительности электропечи до 20 л/ч по ЖРО и 15 кг/ч по стеклу, удлинение эксплуатационного ресурса печи путем установки дополнительного стерегущего слоя огнеупорной засыпки, который защищает от протечки расплава.
Указанная задача решается тем, что огнеупорная кладка собирается из меньшего количества элементов, выполненных из двух-трех основных типов огнеупоров (не считая электроизоляционных вставок и других небольших элементов).
1. Огнеупорные блоки, непосредственно контактирующие с расплавом, изготовлены из стойкого к расплаву материала (бакор, плавленолитой хромоксидсодержащий огнеупор, спеченный хромоксидсодержащий огнеупор и т.п.). Конструктивно схожие с прототипом, несколько рядов в вертикальном направлении (от 6 до 8), каждый ряд разбит на сектора (от 4 до 12).
2. Слой огнеупорной засыпки.
3. Металлическая обечайка.
Далее у предлагаемой конструкции, как и у прототипа, идет слой теплоизоляции. Далее расположен внешний металлический корпус.
При необходимости увеличения устойчивости кладки к коррозионному действию расплава стекла и, соответственно, срока эксплуатации плавителя, между 1 и 2 слоями огнеупора дополнительно размещается слой огнеупорных блоков с перекрытием швов между блоками слоя 1.
Увеличение производительности достигается увеличением объема ванны печи (высоты и диаметра). При этом для обеспечения необходимой плотности тока по всему объему ванны устанавливаются вдоль вертикальной оси дополнительно одна-две пары основных электродов.
Таким образом, в результате реализации предлагаемого изобретения обеспечивается улучшение заявленных характеристик относительно прототипа: производительность возрастает в 1,5-2,0 раза, количество элементов огнеупорной кладки уменьшается в 1,6 раза, дополнительный стерегущий слой огнеупорной засыпки защищает от протечки расплава и удлиняет срок службы печи. Схема плавителя представлена на фиг.
Малогабаритный удаляемый плавитель представляет собой стекловаренную печь прямого электрического нагрева в вертикальном исполнении цилиндрической формы с огнеупорной кладкой (14), помещенной в металлическую обечайку (13) с засыпкой пространства между обечайкой и кладкой шамотно-кварцевым порошком (12). Огнеупорная кладка состоит из восьми последовательно установленных уровней, каждый из которых собран из 12 секторов - шамотных блоков различной формы (14). Пять уровней включают в себя электроды (15), которые устанавливаются в процессе сборки соответствующего уровня. Между блоками тигля и электродами уложена кремнеземная ткань.
Обечайка закрыта волокнистым огнеупорным термоизолятором (стекловолокном) (8, 10) и наружным металлическим корпусом (9). Процесс плавления стекла происходит в огнеупорном бассейне из плавленолитых или керамических блоков.
Электроды (15) представляют собой металлические изделия сложной формы, выполненные из жаростойкого сплава. Электроды (15) размещены попарно по высоте плавильной ванны. Парные электроды (15) имеют одинаковую конструкцию и располагаются на одной оси друг относительно друга. Все электроды (15) охлаждаются воздухом через внутренние полости.
Перекрытие тигля сформировано из трех шамотных плит (11), собранных на едином подвесе (подвесная плита) (11). Сверху - металлическая крышка (6). В перекрытии и крышке предусмотрены шесть основных проходок - три для засыпки стеклофриты (4), проходка для дозирования раствора (1), установки термопар (3) и размещения газохода (7) и технологические проходки (5). На период запуска в своде тигля имеется шесть дополнительных проходок для размещения стартовых нагревателей (SiC) (2).
Узел донного слива предназначен для порционного или полного слива стекломассы.
Узел донного слива состоит из следующих основных частей:
- донный электрод с фильерой (18);
- индуктор (20);
- система индукционного нагрева.
Между четвертой парой электродов (15) и пятой парой электродов (15) располагается проставка из шамота (16). Также проставка из огнеупорного блока (19) располагается между пятой парой электродов и индуктором (19).
Основание плавителя (17) располагается на металлической опорной раме. Поверх основания уложен слой теплоизоляционного картона (далее - картона) (21), и металлическое дно печи.
Корпус смонтирован в основании электропечи. В центральной части корпуса располагается сливная фильера, вокруг которой располагается медный водоохлаждаемый индуктор, надежно закрепленный в корпусе, подключенный к системе индукционного нагрева и системе водяного охлаждения. В торце корпуса имеется отверстие, позволяющее вести визуальное наблюдение за сливом стекломассы. В нижней части корпуса располагается сливная фильера.
В перекрытии электропечи установить питатель-смеситель для смешивания и подачи исходного раствора с этиленгликолем.
Разогрев расплава и варка стекла происходит путем подачи переменного электрического тока промышленной частоты в расплав через три пары электродов. Далее, после разогрева донной части плавителя, подключается четвертая пара электродов. Для проведения слива включается индуктор. Слив стекломассы осуществляется через фильеру. Закрытие слива обеспечивается «заморозкой» стекла в канале фильеры, открытие - расплавлением стеклянной пробки при включении индуктора с помощью системы индукционного нагрева.