УСТАНОВКА ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
PLANT FOR HARDENING OF RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области отверждения радиоактивных отходов (РО), преимущественно жидких (ЖРО), методом цементирования, в частности, непосредственно в контейнерах, предназначенных для хранения, транспортирования и захоронения ЖРО.
Анализ существующего технического уровня в указанной области техники показал, что известно устройство для отверждения радиоактивных отходов, содержащее контейнер с крышкой, установленный на транспортную тележку, и перемешивающее устройство, расположенное на вертикальной оси с возможностью его взаимодействия с валом электропривода, технологическую систему с узлами подачи в контейнер герметизирующей среды и радиоактивных отходов, затвором, систему управления (Патент US №5143654, МПК: G21F 9/16, НПК: 252-629, РЖ ИСМ 99-04-94 г., публ. 13.09.1990 г., стр.28-29).
Невозможность достижения указанным аналогом технического результата, получаемого заявленным техническим решением, обуславливается тем, что в конструкции аналога, как и во многих других технических решениях, предусмотрено приготовление отверждающей среды вне полости контейнера в отдельно стоящем аппарате-смесителе с последующим сливом его в контейнер. Причем ЖРО предварительно высушивают и гранулируют в шарики, которые помещают в контейнер, который затем перемещают в позицию залива отверждающей смесью. Таким образом, цементирование ЖРО указанным устройством является дорогостоящим и длительным процессом, кроме того, в устройстве контейнера не предусмотрены страховочные элементы, ограждающие персонал от радиоактивного излучения.
Известна установка цементирования жидких радиоактивных отходов непосредственно в контейнерах направляемых на долгосрочное хранение, содержащая контейнер, установленный на транспортную тележку, перемешивающее устройство, расположенное с возможностью взаимодействия с вертикальным валом электропривода, устройство подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды с патрубком, устройство подачи в контейнер жидких радиоактивных отходов, связанными с соответствующими узлами технологической системы, систему управления (Патент РФ №2324242 С2, МПК: G21F 9/16, публ. 10.05. 2008 г. Бюл. №13).
Невозможность достижения указанным аналогом технического результата, получаемого заявленным техническим решением, обуславливается тем, что в конструкции аналога предусмотрено возвратно-поступательное перемещение перемешивающего устройства, извлекаемого из контейнера, что потребовало для избежания радиоактивного заражения персонала наличие массивных строительных помещений для избежания уноса частиц ЖРО при пылении цемента, и состоящих из двух зон раздельно для ЖРО и «чистой» для цементирования. Кроме того, наличие извлекаемой мешалки приводит к необходимости ее периодической промывки, что приводит к образованию вторичных ЖРО. Использование чистой воды для приготовления цементного компаунда приводит к неоправданному увеличению объема отвержденных отходов. Такая конструкция требует значительных капитальных вложений в устройство и повышает его стоимость.
Из известных технических решений наиболее близким к заявляемому является установка для цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащая контейнер с крышкой, выполненной с отверстием по ее центру, установленный на транспортную тележку и снабженный размещенным внутри него перемешивающим устройством, расположенным на вертикальной оси с возможностью ее взаимодействия с вертикальным валом электропривода, горизонтальное затворное кольцо, узел съемной технологической крышки-приставки с отверстием для прохода вертикального вала электропривода, расположенным соответственно отверстию крышки контейнера, и снабженной, по меньшей мере, одним устройством подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды с патрубком, устройством подачи в контейнер жидких радиоактивных отходов, устройством отвода из контейнера технологических газов, связанными с соответствующими узлами технологической системы, систему управления (Патент РФ на изобретение №2374706, МПК: G21F 9/16, публ. 27.11.2009 г. Бюл. №33).
Невозможность достижения указанной установкой технического результата, достигаемого заявляемым техническим решением, обуславливается тем, что отверждение ЖРО в контейнере происходит без его крышки, которая устанавливается на него лишь на заключительной стадии. Герметизация же контейнера при перемешивании ЖРО и цемента с добавками осуществляется лишь за счет его прижатия к технологической крышке, которая при этом загрязняется радиоактивным излучением компаунда (проходящим через металлическое кольцо) и после опускания контейнера является источником радиоактивного загрязнения как помещения, так и вентиляционного воздуха. Кроме того, контейнер перемещают в дальнейшем для установки его основной крышки, при этом в процессе перемещения он закрыт металлическим кольцом, что создает радиоактивную опасность для обслуживающего персонала на время его перемещения, а также удлиняет время обслуживания из-за необходимости установки крышки контейнера. Установка патрубков для подачи как ЖРО, так и цементирующих компонентов, расположенных на технологической крышке в отдаленном расстоянии от ее центра, приводит к неравномерному перемешиванию компаунда внутри контейнера, что приводит к необходимости удлинения времени перемешивания. Наличие множества механических и автоматических конструктивных элементов, предусматривающих подъем и опускание самого контейнера, а также усложняющих технологию цементирования, требует дополнительных материальных затрат и усложняет технологию отверждения.
При разработке заявленной установки отверждения была поставлена задача повышения безопасности обслуживания установки с одновременным снижением стоимости конструкции, упрощением и ускорением технологии цементирования РО.
При решении поставленной задачи был достигнут технический результат, заключающийся в установке крышки контейнера в начальной стадии отверждения РО, расположения патрубка подачи отверждающих материалов в ее центре и внутри вала привода, что привело к установке переходного кольца лишь в отверстии крышки и необходимости обеспечения при этом возможности вращения мешалки, а также потребовало иной конструктивной проработки возможности зацепления мешалки и вала электропривода.
Указанный технический результат получен установкой для отверждения РО, содержащей контейнер с крышкой, выполненной с отверстием по ее центру, установленный на транспортную тележку и снабженный размещенным внутри него перемешивающим устройством, расположенным на вертикальной оси с возможностью ее взаимодействия с вертикальным валом электропривода, горизонтальное затворное кольцо, узел съемной технологической крышки-приставки с отверстием для прохода вертикального вала электропривода, расположенным соответственно отверстию крышки контейнера, и снабженной, по меньшей мере, одним устройством подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды с патрубком, устройством подачи в контейнер жидких радиоактивных отходов, устройством отвода из контейнера технологических газов, связанными с соответствующими узлами технологической системы, систему управления.
Новым в установке является то, что в ней горизонтальное затворное кольцо расположено в отверстии крышки контейнера с возможностью его вращения вокруг вертикальной оси и снабжено, по меньшей мере, двумя прорезями для прохождения сквозь них нижних шлицев, жестко закрепленных на переходном цилиндре, соединенным с вертикальной осью перемешивающего устройства, шарнирно подвижно закрепленной внутри контейнера, возможность взаимодействия которой с валом электропривода, выполненного полым, осуществляется посредством взаимозацепления нижних шлицев с, по меньшей мере, двумя верхними шлицами, жестко закрепленными на нижнем конце вала электропривода, причем патрубок устройства подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды установлен внутри полости вала электропривода.
Кроме того, вертикальная ось перемешивающего устройства может быть выполнена с двумя парами вертикальных рамных мешалок соответственно с пропеллерными лопастями и с лопастями элерона.
Технологическая система может содержать узел подачи жидких радиоактивных отходов, узел подачи компонентов и добавок, составляющих герметизирующую среду, пост герметизации крышки контейнера, узел аспирации, при этом узел подачи жидких радиоактивных отходов и узел подачи компонентов и добавок, составляющих герметизирующую среду, могут содержать каждый соответствующую емкость, снабженную дозатором, мерником и подающим устройством.
Вертикальный патрубок устройства подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды может быть выполнен с затвором и снабжен сверху кюбелем.
Электропривод может быть смонтирован на опорной платформе.
Горизонтальное затворное кольцо может быть установлено с зазором относительно переходного цилиндра.
Отверстие крышки контейнера может быть выполнено с выступом, расположенным по его внутреннему периметру, а горизонтальное затворное кольцо может быть выполнено в виде днища стакана, снабженного периферийным отворотом, взаимодействующим с выступом отверстия крышки контейнера, и снабжено отверстиями для отвода технологических газов и поступления ЖРО.
Съемная технологическая крышка-приставка может быть снабжена подвижными вертикальными направляющими, взаимодействующими с наружными стенками контейнера.
Оси отверстий технологической крышки-приставки и крышки-контейнера могут быть выполнены совмещенными.
Установка для отверждения радиоактивных отходов представлена на чертежах, где изображены на:
Фиг.1 - общий вид установки спереди;
Фиг.2 - общий вид установки в поперечном разрезе А-А на Фиг.1;
Фиг.3 - сечение В-В на Фиг.1;
Фиг.4 - разрез С-С на Фиг.1;
Фиг.5 - сечение D-D на Фиг.1 в увеличенном масштабе;
Фиг.6 - вид Е на Фиг.4 в увеличенном масштабе;
Фиг.7 - схема компоновки технологической системы использования установки для отверждения.
Установка для отверждения РО содержит контейнер 1 с крышкой 2, установленный на транспортную тележку 3. Внутри контейнера стационарно установлено перемешивающее устройство, расположенное на вертикальной оси 4 (Фиг.2), снабженной по, меньшей мере, одной, предпочтительно двумя парами рамных вертикальных мешалок 5 и 6, с соответственно вертикально установленными пропеллерными лопастями 7 и горизонтально установленными лопастями 8, например, элерона. Нижний конец вертикальной оси 4 шарнирно подвижно закреплен внутри контейнера, например, на его днище. Верхний конец оси жестко соединен с переходным цилиндром 9, снабженным жестко закрепленными на нем, по меньшей мере, двумя, предпочтительно четырьмя нижними шлицами 10, выступающими над его верхним краем, например, равномерно и оппозитно расположенными на нем.
Крышка 2 контейнера выполнена с отверстием 11 в ее центре, которое по его внутреннему периметру снабжено выступом 12, предпочтительно наклонного к центру направления, на который опирается по его периметру периферийный наклонный отворот 13 стакана 14, выполненного из нестираемого материала, например, металла, днище которого выполнено в виде горизонтального затворного кольца 15, расположенного в отверстии крышки. Стакан 14, а, следовательно, и затворное кольцо, выполнен с возможностью его вращения вокруг вертикальной оси путем либо его шарнирной установки относительно стенок отверстия, либо укладки слоя смазки между ними либо без нее. В любом случае истирание стенок отверстия происходит в течение около получаса, после чего контейнер подлежит захоронению. Конструкция затворного кольца 15 может быть и иной, например, само горизонтальное кольцо шарнирно устанавливается в отверстии 11 крышки контейнера. На горизонтальной части затворного кольца 15 выполнено, по меньшей мере, две, предпочтительно четыре прорези 16 для прохождения сквозь них нижних шлицев 10 переходного цилиндра 9. Размер диаметра переходного цилиндра 9 рассчитан исходя из возможности его прохода через отверстие затворного кольца 15. Однако, возможно и иное конструктивное выполнение переходного цилиндра с иной верхней установкой нижних шлицев на нем.
Сверху на крышке 2 контейнера установлен узел съемной технологической крышки-приставки 17 с отверстием 18 в ее опорной сварной раме, расположенным соответственно отверстию 11 крышки контейнера, над ним и по ее центру. Крышка-приставка 17 снабжена, по меньшей мере, одним устройством 19 подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды, а также устройством 20 подачи в контейнер жидких радиоактивных отходов, выполненным в виде трубопровода, и устройством 21 отвода из контейнера технологических газов, выполненным, например, в виде трубопровода, связанного другим концом с узлом аспирации 22 технологической системы. Устройство 19 подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды, а также устройство 20 подачи в контейнер жидких радиоактивных отходов подсоединены к технологической системе их подачи (Фиг.7). Устройство 19 подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды, например, цемента и добавок выполнено в виде вертикально установленного патрубка 23, например, телескопического, со смонтированным на нем затвором 24 (Фиг.1), и снабженного сверху, например, кюбелем 25, и установлено на опорах 26 (Фиг.2), закрепленных на технологической крышке-приставке 17. Патрубок 23 (Фиг.5) расположен в полости вертикально установленного полого вала 27 электропривода 28, соединенных посредством шкива 29. Электропривод 28 также смонтирован на крышке-приставке 17. Предпочтительно, чтобы наружные диаметры полого вала 27 электропривода и переходного цилиндра 9 совпадали. Вал 27 электропривода выполнен проходящим через отверстие 18 крышки-приставки 17 в отверстие 11 крышки контейнера.
Технологическая крышка-приставка 17 снабжена подвижными вертикальными направляющими 30 (Фиг.2, 3), установленными на ее опорной раме и взаимодействующими с наружными стенками 31 контейнера, для ее ориентирования в пространстве, а также для монтажа-демонтажа съемной крышки-приставки 17 с установленным на ней оборудованием посредством, например, крана. Вертикальные оси отверстия 18 крышки-приставки и отверстия 11 крышки контейнера выполнены совпадающими.
Нижний конец вала 27 выполнен с выступающими за его края вниз верхними шлицами 32, жестко закрепленными на валу. Размер длины верхнего шлица 32 выбирают с учетом того, чтобы между его нижним краем и верхней плоскостью затворного кольца 15 существовал зазор.
Возможность взаимодействия полого вала 27 электропривода с вертикальной осью 4 перемешивающего устройства осуществляется посредством взаимозацепления друг с другом, по меньшей мере, двух верхних 32 и, по меньшей мере, двух нижних 10 шлицев, предпочтительно четырех. При этом соответствующие смежные концы вала 27 электропривода и переходного цилиндра 9 могут взаимодействовать друг с другом, но могут располагаться друг относительно друга и с зазором.
Между вертикальным патрубком 23 и валом 27 электродвигателя выполнен небольшой зазор для обеспечения свободного вращения вала 27 при сцеплении его с переходным цилиндром 9 посредством шлицев. Горизонтальное затворное кольцо 15 также установлено с зазором относительно переходного цилиндра 9.
В качестве компонентов герметизирующей смеси, которая подается в кюбель 25, могут использоваться, например, цемент, песок, различные добавки в различных процентных соотношениях в зависимости от состава отверждаемых ЖРО.
Схема компоновки технологической системы, в которой используется заявляемая установка, содержит узел 33 подачи жидких радиоактивных отходов, узел 34 подачи соответствующих компонентов и добавок, составляющих герметизирующую среду, узел аспирации 22 с отводом технологических газов в атмосферу, систему управления 35, пост герметизации крышки контейнера 36 посредством установки пробки в ее отверстие.
3
Узел 33 подачи ЖРО может содержать, например, емкость (и) 37 с ЖРО, выполненную с дозатором 38, подключенным к мернику 39 предпочтительно вместимостью 1 м, подача из которого ЖРО осуществляется посредством подающего устройства, выполненного в виде трубопровода 40, нижний конец 41 которого выполнен с возможностью подсоединения к устройству 20 подачи в контейнер ЖРО, закрепленному на технологической крышке-приставке 17.
Узел 34 подачи компонентов и добавок содержит емкость (и) 42 с отвердителем, например цементом, и с различными добавками. Возможно их раздельное расположение в двух или нескольких емкостях с последующим смешением. Емкость 42 выполнена с дозатором-мерником 43, соединенным с подающим устройством в виде винтового питателя 44, сухая смесь из которого поступает в кюбель 25. Дозированная подача из мерников компонентов сухой смеси и ЖРО исключает переполнение контейнера 1. Возможна и иная схема компоновки технологической системы.
Все составляющие технологическую систему конструктивные элементы работают по сигналам от системы управления 35.
Все технологические операции по отверждению ЖРО в контейнере 1 осуществляются в помещении транспортно-технологического модуля 45, в котором предусмотрена приточно-вытяжная вентиляция с очисткой воздуха, а также расположен пост с упорным устройством (на чертеже не показано) для остановки тележки 3 в расчетном положении под крышкой-приставкой.
Для выхода технологических газов из внутренней полости контейнера, а также поступления ЖРО в контейнер, в затворном кольце 15 предусмотрены отверстия 46.
Монтаж предложенной установки осуществляется следующим образом.
Контейнер 1 устанавливается в транспортно-технологическом модуле 45 на транспортную тележку 3 и по рельсовым путям перемещается до упора в положение загрузки-выгрузки, контролируемое датчиком контроля положения тележки (на чертеже не показан).
Во внутреннюю полость контейнера устанавливается вертикальная ось 4, на которой монтируются мешалки соответственно с пропеллерными лопастями 5 и лопастями элерона 6. Разнонаправленность лопастей позволяет достичь более равномерного перемешивания компаунда по всему объему контейнера. Нижняя часть оси 4 шарнирно закрепляется на днище контейнера, а на верхней части закрепляется переходной цилиндр 9 с расположенными на нем нижними шлицами 10. На контейнер устанавливается крышка 2, на выступы 12 в отверстие крышки укладывается периферийный отворот 13 стакана 14 с горизонтальным затворным кольцом 15, прорези 16 которого надеваются на нижние шлицы 10, и одновременно герметизирующим влияние ЖРО на обслуживающий персонал. Через отверстие 11 крышки пропускается вертикально полый вал 27 электропривода таким образом, чтобы верхние шлицы 32 установились на расчетное расстояние, например, 30 мм от верхней плоскости кольца 15. При этом верхние шлицы выступают за край нижнего конца вала 27 электропривода на расчетное расстояние, достаточное для зацепления за нижние шлицы, пропущенные при монтаже ранее через проемы прорезей 16. В случае если верхние 32 и нижние шлицы 10 при монтаже немного не соприкасаются в горизонтальном направлении, то при включении электропривода зазор между ними выбирается.
В условиях заводского цеха монтируется технологическая крышка-приставка 17, на которую посредством сварки устанавливают четыре опоры 26, на которых монтируют кюбель 25, располагая вертикально патрубок 23, на котором смонтирован затвор 24, закрепляют на раме крышки-приставки 17 электропривод 28. Краном устанавливают собранную технологическую крышку над контейнером таким образом, чтобы патрубок 23 вошел во внутрь полости полого вала 27 электропривода 28, который соединяют с валом 27 посредством шкива 29, при этом направляющие 30 опираются на наружные стенки 31 контейнера, запирая технологическую крышку-приставку 17 в данном положении. Направляющих может быть две и более. На технологической крышке закрепляют устройство 20 подачи ЖРО и устройство 21 отвода технологических газов, пропуская их через отверстия 18 крышки-приставки и 11 крышки контейнера, размеры которых рассчитаны исходя из того, чтобы через них проходил диаметр вала электропривода, и могли разместиться трубопроводы устройства 20 подачи ЖРО и устройства 21 отвода технологических газов. При этом нижние концы этих трубопроводов должны располагаться во внутреннем пространстве контейнера проходящими через отверстиями 46, а вертикальные оси отверстий 11 и 18 крышек должны совпадать. Подсоединяют устройство 19 подачи в контейнер компонентов герметизирующей среды к винтовому питателю 44 узла 34 подачи компонентов и добавок, составляющих герметизирующую среду, устройство 20 подачи ЖРО к трубопроводу 40 узла 33 подачи ЖРО, устройство 21 отвода технологических газов к узлу 22 аспирации и запускают систему 35 управления, связанную с ними. Устройство работает следующим образом.
По сигналу из системы управления 35 ЖРО, загруженные в емкость 37, дозируются дозатором 38, отмеряются в мернике 39 в соответствии с заданным объемом и подаются по трубопроводу 40 и связанному с ним устройству подачи ЖРО в контейнер 20, нижний конец которого проходит через любое из отверстий 46 затворного кольца 15, который позднее затем отводится от отверстия. Далее в кюбель 25 загружается отмеренная аналогичным образом в узле 34 сухая смесь с цементом и добавками в количестве предпочтительно 1,5 т для одноразовой подачи в контейнер 1.
По сигналу из системы управления открывается затвор 24, и порция герметизирующей смеси поступает через телескопический патрубок 23 в полость контейнера 1 до заданного уровня, определяемого поступающей дозой цементирующей смеси.
Включается от системы управления электропривод 28, вращение шкива 29 которого передает движение на его вал 27. За счет сцепления его верхних шлицев 32 с нижними шлицами 10 вращение передается как на затворное кольцо 15, так и на переходной цилиндр 9, а от него за счет их жесткой связи на вертикальную ось 4 перемешивающего устройства с мешалками 5 и 6. Из-за разнонаправленности лопастей масса герметизирующей смеси вместе с ЖРО получает движение как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях и равномерно перемешивается до однородного состояния. Так как нижние шлицы проходят через прорези 16 затворного кольца 15 стакана 14, то он также вращается вокруг своей вертикальной оси посредством скольжения периферийного отворота 13 стакана 14 по выступу 12 отверстия 11 крышки контейнера.
Через заданный системой управления промежуток времени процесс перемешивания заканчивается. После окончания перемешивания электропривод отключается, перемешивающее устройство перестает вращаться, краном производят съем технологической крышки-приставки 17, в том числе с патрубком 23, с контейнера, при этом направляющие 30 соскакивают со стенок 31 контейнера. Вал 27 электропривода с закрепленными на нем верхними шлицами 32 поднимают вверх.
После некоторой выдержки тележка с контейнером передвигается к посту герметизации крышки 36, где производится установка пробки и герметизация контейнера. Эти операции могут осуществляться как оператором, так и дистанционно. Стакан с затворным кольцом 15, мешалка и переходный цилиндр 9 остаются при этом в конструкции контейнера.
После герметизации отверстия крышки контейнера он транспортируется на место дальнейшего использования или захоронения.
Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается использованием в нем известных элементов, а также материалов, обладающих оптимальными эксплуатационными характеристиками, используемых в области атомной промышленности, в том числе, используемых на уровне функционального обобщения, с достижением технического результата, заключающегося в повышении безопасности обслуживания установки с одновременным снижением стоимости конструкции, упрощении и ускорении технологии цементирования РО.