ПЛАВИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНСОЛИДАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННОГО ЛОМА
MELTING DEVICE FOR CONSOLIDATING CONTAMINATED SCRAP

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к плавильному устройству для консолидации загрязненного лома и способу консолидации, который может осуществляться с использованием такого плавильного устройства.
Во время демонтажа ядерных установок, таких как ядерные энергетические установки, исследовательские центры, установки по обогащению урана и установки регенерации, скапливается загрязненный лом, который, например, входит в категорию «отходы с низким уровнем радиоактивности». Этот лом может очищаться от загрязнения посредством процесса переплавки с последующим возвратом для использования в нормальном материальном цикле. Также может скапливаться лом со средним уровнем загрязнения и лом с высоким уровнем загрязнения. Этот лом в дальнейшем не подлежит возврату для использования в нормальном материальном цикле и должен направляться в хранилище радиоактивных отходов. Для поддержания расходов на такое хранилище на минимально возможном уровне необходимо уплотнить объем скопившегося лома в массивный блок посредством плавления. В настоящем изобретении описывается плавильное устройство и соответствующий способ, специально предназначенный для решения этой задачи.
Во время демонтажа технологического оборудования ядерных установок, таких как корпуса, трубопроводы, соединительные элементы, счетчики, стеллажи для хранения, футеровка и даже металлические конструкционные элементы, такие как платформы, подмости, лестницы и т.д., расположенные на загрязненных участках или контактирующие с радиоактивной средой, должны направляться в хранилище радиоактивных отходов. Во время демонтажа эти компоненты подвергаются резке с помощью соответствующих средств и накапливаются в виде смеси кускового лома и опилок. Материал не в каждом случае подвергается сортировке и является смесью материалов с различными свойствами, таких как углеродистая сталь, нержавеющая сталь, медь, латунь, алюминий, магний, кадмий и т.д. При хранении неуплотненных материалов могут оставаться многочисленные полости, которые значительно увеличивают объем хранилища и, тем самым, расходы. Кроме того, такой лом занимает очень большую площадь, откуда могут удаляться или высвобождаться радионуклиды
В настоящее время для плавления лома от ядерных установок известны плавильные устройства, спроектированные как индукционные печи открытого типа, в которых жидкий расплав заливается в формы. Разработчики плавильного устройства по настоящему изобретению, помимо прочего, определили следующие ограничения применительно к техническим решениям по существующему уровню техники:
Отходящие газы из установок высвобождаются в помещение и должны удаляться с помощью сложной системы очистки выбросов;
тигли таких установок изготавливаются из огнеупорной керамики, подвержены износу из-за температурных и механических напряжений и должны демонтироваться после операции плавления. Во время этого процесса керамические тигли разрушаются и размельчаются в определенных местах. Таким образом, дополнительно образуются большие количества загрязненных отходов и пыли в качестве вторичных отходов;
площадь ядерного контроля в таких установках является относительно большой;
известные установки являются стационарными установками, к которым необходимо транспортировать лом с радиоактивными загрязнениями;
лом, содержащий химически активный металл, такой как магний, не подлежит плавлению;
компоненты лома, которые образуют вредные пары, такие как кадмий, подлежат плавлению только ограниченным образом;
отсутствует возможность удерживания летучих радиоактивных изотопов; демонтаж таких установок является очень сложным.
Ранее известные предприятия, занимающиеся плавлением, имеют связи с центрами по захоронению радиоактивных отходов, где имеются большие контролируемые территории. Это означает, что загрязненный материал должен транспортироваться от места разрушения до центра по захоронению радиоактивных отходов, что увеличивает расходы на большой объем транспортирования ядерного материала.
В документе DE 3404106 A1 описывается процесс восстановления металлических компонентов ядерных энергетических установок. Описывается тигель, который помещается в плавильную печь. Плавильная печь включает в себя топочную камеру с днищем топочной камеры. Однако эта печь не является герметичной. Вместо этого часть образующегося отходящего газа выводится с помощью вытяжного колпака. Следовательно, эта плавильная печь может эксплуатироваться только на большом безопасном участке для предотвращения загрязнения окружающей среды. Таким образом, описанное оборудование нельзя использовать в качестве подвижной установки.
В документе DE 3331383 A1 описывается оборудование для восстановления металлических компонентов ядерных энергетических установок. Это оборудование должно работать в вакуумном помещении. Таким образом, это оборудование не является ни герметичным, ни транспортабельным.
По существующему уровню техники известны многочисленные плавильные устройства. Общим для всех таких устройств является то, что плавильные устройства не являются транспортабельными или являются транспортабельными только при очень больших затратах. Следовательно, лом, подлежащий обработке, всегда должен транспортироваться к плавильному устройству. Однако перевозки радиоактивных материалов связаны с риском и постоянно вызывают протест населения.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить плавильное устройство для уменьшения объема материала с радиоактивными загрязнениями, что позволяет значительно уменьшить объем перевозок радиоактивных материалов.
Эта задача решается с помощью предмета рассмотрения формулы изобретения. Настоящее изобретение предлагает усовершенствованный способ, для чего предусматривается новое передвижное плавильное устройство и способ, как определено в формуле изобретения. Изобретение предлагает оборудование и способ, которые позволяют уменьшить объем такого материала с радиоактивным загрязнением, который получают после демонтажа ядерного оборудования (далее «материала, подлежащего плавлению»). Оборудование может эксплуатироваться экономичным образом и не создает риска здоровью людей и окружающей среде в процессе эксплуатации.
Плавильное устройство по изобретению представляет собой передвижное плавильное устройство, содержащее основание тигля и камеру тигля, которая пригодна для размещения тигля. Основание тигля включает в себя днище камеры, и камера тигля содержит кожух. Плавильное устройство содержит транспортирующее средство, которое может перемещать основание тигля вместе с тиглем из первого положения снаружи камеры тигля во второе положение внутри камеры тигля (также: положение плавления). Днище камеры и кожух выполнены таким образом, что совместно они образуют газонепроницаемую оболочку печи во втором положении.
Тигель может перемещаться с места, расположенного снаружи камеры тигля, на место, расположенное внутри камеры тигля, и наоборот. Во время эксплуатации транспортирующее средство предпочтительно расположено ниже камеры тигля, так чтобы тигель мог подниматься вверх в камеру тигля с помощью транспортирующего средства. Транспортирующее средство может быть столом с рычажным подъемником. Как вариант, может использоваться подъемный стол, который оснащен валами подачи или гидравлическими цилиндрами и направляющей.
Тигель предпочтительно расположен на основании тигля. Тигель предпочтительно выполнен из теплостойкого материала, в частности, из керамики, графита, шамотного графита или их смесей. Тигель предпочтительно имеет цилиндрическую форму, при этом боковая поверхность цилиндра ограничивается стенкой тигля, и площадь основания ограничивается днищем тигля. Тигель может перемещаться из второго положения в первое положение за счет использования транспортного средства. Таким образом, тигель и основание тигля, с одной стороны, становятся доступными для технического обслуживания и, с другой стороны, облегчается удаление тигля с его содержимым. Тигель может быть удален из камеры тигля, и в камеру тигля может быть помещен другой тигель. Таким образом, обеспечивается высокий коэффициент использования оборудования без необходимости ожидания охлаждения в течение длительных периодов времени. Тигель предпочтительно является сменным тиглем. Благодаря относительно тонким стенкам тигля и относительно тонкому днищу тигля, которые во время эксплуатации предпочтительно усиливаются стабилизирующими элементами, или плитой основания, соответственно, тигель может относительно легко поддаваться манипулированию. В случае неисправного тигля он может быть удален, пока не образовалось большое количество дополнительных отходов.
Компонентом основания тигля предпочтительно является нижняя плита, на которой может быть расположен тигель. Нижняя плита усиливает тигель. Таким образом, днище тигля поддерживается без увеличения веса тигля. Нижняя плита предпочтительно толще днища основания для обеспечения достаточной устойчивости. В предпочтительных вариантах выполнения нижняя плита более чем в два раза толще днища тигля. Нижняя плита предпочтительно выполнена из теплостойкого материала, в частности, из керамики.
Основание тигля предпочтительно содержит поддон. Поддон служит для сбора вытекающего расплава в случае повреждения тигля. Если расплав вытекает из-за повреждения тигля, расплав поступает в поддон внутри транспортабельного основания тигля и удаляется с помощью транспортирующего средства. Таким образом, плавильное устройство может непрерывно эксплуатироваться без технического обслуживания. Обработке подлежит только основание тигля. Поддон предпочтительно выполнен из огнеупорного материала.
Кожух предпочтительно образует наружный кожух камеры тигля. Кожух способствует получению газонепроницаемой оболочки печи. С этой целью кожух является замкнутым кожухом. Однако он содержит, по меньшей мере, одно отверстие для подачи материала в тигель и предпочтительно, по меньшей мере, одно отверстие в камере для повторной загрузки материала, подлежащего плавлению. Кроме того, он может содержать одно или несколько отверстий для прокладки проводов нагревателя. Кроме того, он может содержать отверстие, которое обеспечивает присоединение всасывающего устройства. Кожух предпочтительно выполнен из металла, в частности, из стали.
Днище камеры выполнено таким образом, что совместно с кожухом оно образует газонепроницаемую оболочку печи. Оно предпочтительно выполнено из такого же материала, что и кожух. Днище камеры предпочтительно герметизирует основание тигля снизу. Другие компоненты основания тигля, в частности, плита днища и поддон расположены внутри днища камеры, т.е. на стороне, обращенной к камере тигля в положении плавления. В том месте, где днище камеры и кожух примыкают друг к другу, предпочтительно расположен, по меньшей мере, один уплотнительный элемент. Уплотнительный элемент уплотняет оболочку печи. Предпочтительно, кромочное уплотнение выполнено из упругого резинового материала.
Камера тигля образована таким образом, чтобы в ней мог размещаться тигель. Тигель предпочтительно стабилизируется с помощью стабилизирующих элементов, расположенных внутри камеры тигля во время процесса плавления. Стабилизирующие элементы выполнены таким образом, что они разгружают стенку тигля по отношению к гидростатическому давлению расплава, когда тигель помещен внутри камеры тигля. Таким образом, в положении плавления стабилизирующие элементы расположены между тиглем и кожухом. Стабилизирующие элементы предпочтительно образуют общую площадь контакта с нижней плитой. Стабилизирующие элементы являются особо прочными элементами и выдерживают высокие нагрузки, возникающие во время процесса плавления. Стабилизирующие элементы предпочтительно выполнены таким образом, что их можно было извлечь, если необходимо удалить тигель из положения плавления. Таким образом, форма стабилизирующих элементов адаптирована к форме стенке тигля.
Плавильное устройство также содержит нагреватель, предназначенный для нагрева материала, помещенного в тигель. Нагреватель, в частности, является частью камеры тигля. Нагреватель предпочтительно является индукционным нагревателем и/или резистивным нагревателем. Нагреватель предпочтительно является частью камеры тигля. Нагреватель предпочтительно расположен на минимальном расстоянии от тигля, так что даже в случае вытекания расплава нет никакого риска контакта между нагревателем и расплавом. В варианте выполнения нагреватель является индукционным нагревателем. Это создает преимущество, состоящее в том, что материал, который должен быть уплотнен, может нагреваться очень быстро, поскольку тепло генерируется непосредственно в тигле. В другом варианте выполнения нагреватель является резистивным нагревателем. Это создает преимущество, состоящее в том, что вблизи расплава не требуется использовать охлаждающую воду. Это сводит к минимуму риск парового взрыва. Нагреватель предпочтительно расположен, по существу, в кожухе за исключением проводов, ведущих к нагревателю.
Кроме того, плавильное устройство по изобретению предпочтительно содержит загрузочное устройство, которое пригодно для загрузки лома, подлежащего уплотнению, в тигель. Во время эксплуатации загрузочное устройство предпочтительно расположено над камерой тигля, так чтобы материал, подлежащий плавлению, можно было загружать сверху в камеру тигля и, тем самым, в тигель. Этот процесс может выполняться посредством дистанционного управления для исключения рисков загрязнения. Для обеспечения загрузки тигля в положение плавления кожух камеры тигля предпочтительно содержит отверстие камеры. Отверстие камеры предпочтительно расположено в верхней части кожуха. Отверстие камеры может быть закрыто закрывающим элементом, например, крышкой. Предпочтительно, на отверстии камеры расположен шлюз, который также является частью камеры тигля.
Шлюз предпочтительно является герметичным. Таким образом, материал, подлежащий уплотнению, может загружаться в тигель без попадания пыли и паров в помещение. Шлюз является частью камеры тигля. Загрузка тигля осуществляется через шлюз, когда тигель находится в положении плавления, т.е. когда кожух и днище камеры образуют газонепроницаемую оболочку печи. Таким образом, и с помощью герметичного шлюза материал, подлежащий плавлению, может загружаться в тигель без загрязнения окружающей среды. Шлюз помещен между газонепроницаемой оболочкой печи и загрузочным устройством.
Загрузочное устройство может, например, содержать кран, который может поворачивать загрузочную корзину в зону над отверстием камеры. Загрузочная корзина может опускаться, так чтобы материал, подлежащий плавлению, проходил через отверстие камеры в тигель. Также предусматриваются другие загрузочные устройства. В частности, может быть предусмотрена подвижная загрузочная тележка, которая может перемещаться предпочтительно по рельсам из положения над отверстием камеры в положение приема. Загрузочная тележка может быть оборудована системой с тяговым тросом, так чтобы загрузочная тележка могла вытягиваться вверх в положение приема, например, из положения на уровне пола рядом с транспортирующим устройством, и процесс загрузки тигля может выполняться в положении над отверстием камеры. Загрузочная тележка, рельсы и система с тяговым тросом являются частью загрузочного устройства.
Загрузочная тележка предпочтительно снабжена кожухом, в который может направляться загрузочная корзина. Загрузочная тележка также может быть герметичной. Кожух загрузочной тележки может быть герметичным. Кожух загрузочной тележки может быть выполнен таким образом, чтобы он располагался заподлицо с верхним концом шлюза, так чтобы во время загрузки материала, подлежащего плавлению в шлюзе, исключить утечку пыли или паров.
Плавильное устройство по изобретению предпочтительно содержит систему очистки отходящих газов. Система может быть соединена с камерой тигля с помощью соединительного элемента, например, трубы. Система очистки отходящих газов может быть частью модуля камеры или загрузочного модуля. Она также может быть расположена отдельно.
Предпочтительно, плавильное устройство содержит вакуумный насос, который предназначен для создания вакуума в газонепроницаемой оболочке печи. Вакуумный насос может быть соединен с камерой тигля с помощью соединительного элемента, например, трубы. В варианте выполнения система очистки отходящих газов расположена после вакуумного насоса. Из системы очистки отходящих газов отходящий газ может поступать в систему удаления отходящих газов, которая уже предусмотрена в ядерных установках.
Предпочтительное плавильное устройство по изобретению является стационарной печной системой, в которую основание тигля может подаваться снизу с последующей блокировкой. Кроме того, предпочтительно предусмотрено загрузочное устройство, которое взаимодействует с герметичным шлюзом. Таким образом, обеспечивается полное дистанционное управление плавильным устройством совместно с видеонаблюдением плавильного пространства.
Плавильное устройство по изобретению выполнено как передвижная система, которая может временно устанавливаться в уже существующем здании с зоной ядерного контроля в том месте, где демонтируется ядерная установка. Вспомогательные системы для эксплуатации плавильного устройства могут быть расположены в контейнерах, которые могут быть расположены снаружи зоны контроля. Такие вспомогательные системы включают в себя, к примеру, систему подачи энергии для выполнения плавления, систему распределения охлаждающей воды, систему подачи технологического газа и электрораспределительное устройство с панелью управления.
После завершения работ, это плавильное устройство по изобретению может быть снова разобрано и оттранспортировано в другое место использования, поскольку это плавильное устройство является модульной конструкцией.
Выражение «модульная конструкция» в этом контексте означает, что плавильное устройство может быть легко разобрано на части или узлы, которые можно надлежащим образом транспортировать по отдельности. Конструкция плавильного устройства также удовлетворяет требованиям к передвижной системе в том отношении, что она может быть приведена в состояние, в котором те части плавильного устройства, которые могут приходить в контакт с радиоактивным материалом, будут герметизированы. Здесь необходимые вспомогательные системы уже установлены в соответствующие транспортировочные контейнеры, и модули плавильного устройства могут быть легко помещены в транспортировочный контейнер. Таким образом, во время транспортирования надежно предотвращается воздействие на людей и окружающую среду. Плавильные устройства по существующему уровню техники не могут демонтироваться с приемлемыми расходами. Кроме того, их демонтаж повлек бы за собой высокий риск загрязнения для рабочих, выполняющих демонтаж.
Таким образом, плавильное устройство по изобретению предпочтительно содержит некоторое количество модулей. К ним относятся предпочтительно, по меньшей мере, модуль камеры, загрузочный модуль и транспортирующий модуль. В этих модулях некоторые компоненты скомбинированы соответствующим образом, так чтобы каждый модуль можно было легко транспортировать.
Плавильное устройство предпочтительно содержит, по меньшей мере, один модуль камеры. Модуль камеры является наиболее важным модулем, поскольку в нем осуществляется фактический процесс плавления. Модуль камеры включает в себя, по меньшей мере, загрузочное устройство. Транспортирующий модуль содержит, по меньшей мере, транспортирующее средство.
Основание тигля не является частью вышеуказанных модулей и транспортируется отдельно. Плавильное устройство по изобретению может эксплуатироваться с несколькими различными основаниями тиглей. Таким образом, в зависимости от процесса плавления основание тигля с установленным на нем тиглем может удаляться из камеры тигля, и сразу же после этого другое основание тигля с другим установленным на нем тиглем может помещаться в камеру тигля. Это обеспечивает весьма экономичную процедуру.
Для оптимизации технологического потока транспортирующий модуль также может быть выполнен таким образом, чтобы транспортирующее устройство могло перемещаться по направляющей системе. Такой вариант выполнения предпочтительно выполняется таким образом, чтобы основание тигля с тиглем, которое можно загружать с тиглем в положение загрузки, затем перемещалось в первое положение ниже камеры тигля, затем поднималось в положении плавления, снова опускалось в первое положение после процесса плавления и. наконец, приводилось в разгруженное положение. Это создает преимущество, состоящее в том, что уже во время процесса плавления, осуществляемого в первом тигле, второй тигель может быть загружен в положение загрузки. После того как содержимое первого тигля было расплавлено, и основание первого тигля с первым тиглем было перемещено в разгруженное положение, основание второго тигля со вторым тиглем может быть приведено в положение плавления. Таким образом, два основания тиглей могут использоваться одновременно.
После транспортирования плавильного устройства модули могут быть легко снова соединены друг с другом для образования плавильного устройства. Транспортирующий модуль предпочтительно расположен ниже модуля камеры. Загрузочный модуль предпочтительно расположен выше модуля камеры. Для того чтобы модули можно было легко транспортировать, они предпочтительно снабжены опорными элементами. Опорные элементы усиливают модули и защищают отдельные компоненты внутри модуля от повреждения во время транспортирования. Опорные элементы могут быть, например, стальными балками.
Размер отдельных модулей предпочтительно выбирается таким образом, чтобы их можно было легко транспортировать. Перед транспортированием, к примеру, модуль камеры отделяют от транспортирующего модуля и, по усмотрению, от загрузочного модуля, и транспортируют отдельно. Предпочтительно, модули образованы таким образом, чтобы их можно было легко погрузить в грузовые машины или вагоны. Преимущественные варианты выполнения относятся к модулям, которые имеют такие размеры, чтобы их можно было загрузить в 20-футовые стандартные контейнеры или 40-футовые стандартные контейнеры. Это означает, что каждый из модулей должен иметь длину не более 5,71 м, ширину не более 2,352 м и высоту не более 2,385 м. Масса каждого модуля предпочтительно не должна превышать 20000 кг, предпочтительно 10000 кг и более предпочтительно 5000 кг.
Способ по изобретению содержит следующие этапы:
a. загрузка тигля материалом, подлежащим плавлению;
b. нагрев в тигле материала, подлежащего плавлению;
c. по усмотрению, дозагрузка в тигель дополнительной порции материала, подлежащего плавлению;
d. затвердевание расплавленного материала в тигле для образования блока.
Загрузка тигля может выполняться с помощью загрузочного устройства, которое предпочтительно расположено над камерой тигля. Как вариант, тигель также может загружаться, по меньшей мере, частично, снаружи камеры тигля. Затем тигель перемещается в камеру тигля вместе с материалом, подлежащим плавлению. После плавления первой партии, могут быть загружены одна или несколько следующих партий посредством использования загрузочного устройства. Таким образом, можно оптимально использовать объем тигля. Если необходимо, плавильное устройство собирается перед загрузкой тигля. Начальная загрузка может выполняться снаружи положения плавления (т.е. снаружи камеры тигля), например, в положении загрузки в хранилище лома. В этом случае возможна загрузка тигля с помощью бочки из металлического листа, в которой содержится металл, подлежащий плавлению. Таким образом, исключается повреждение тигля. И, наконец, бочка из металлического листа плавится вместе с материалом, подлежащим плавлению.
Во время загрузки посредством использования загрузочного устройства материал, подлежащий плавлению, загружается в тигель, расположенный в газонепроницаемой оболочке печи, через отверстие камеры, например, с помощью загрузочной корзины. С этой целью загрузочная корзина может опускаться, и затем ее содержимое может помещаться в тигель. В это время тигель уже может содержать расплавленный материал. Отверстие камеры может быть выполнено в виде шлюза.
В зависимости от управления процессом тигель уже может включать в себя лом, подлежащий уплотнению, когда он помещается камеру тигля. С помощью загрузочного устройства может быть дозагружен дополнительный материал, подвергаемый плавлению, для получения более высокой степени наполнения тигля. Способ по изобретению предпочтительно включает в себя этап повторной загрузки материала, подлежащего плавлению, после плавления в тигле первой партии материала, подлежащего плавлению. С помощью процесса плавления объем материала уменьшается, поэтому тигель обеспечивает пространство для другой партии материала, подлежащего уплотнению.
Материал, подлежащий плавлению, предпочтительно нагревают до температур, по меньшей мере, 1000°C, более предпочтительно, по меньшей мере, 1350°C и особо предпочтительно, по меньшей мере, 1500°C. Разумеется, выбранная температура зависит от материала, подлежащего плавлению. После нагрева материала, подлежащего плавлению, его температура сохраняется высокой в течение определенного времени, так чтобы материал плавился как можно в более полном объеме. Процесс плавления, который начинается с нагрева и заканчивается непосредственно перед затвердеванием, предпочтительно продолжается, по меньшей мере, 4 часа и более предпочтительно, по меньшей мере, 6 часов. Если будет выбран слишком короткий период времени, плавление может быть неполным. Кроме того, следует исключить слишком быстрый нагрев, поскольку в тигле или на тигле может иметь место локальный перегрев, ведущий к воздействию на тигель очень больших механических напряжений. Кроме того, это может вызвать очень сильную конвекцию, которая увеличивает эрозию тигля. В результате уменьшается срок службы тигля.
Было установлено, что не должно превышаться время плавления 16 часов, в частности, 10 часов, поскольку в этом случае плавление является полным, и более короткий период плавления является преимуществом из-за более низких расходов. Даже если в материале, подлежащем плавлению, присутствуют тугоплавкие компоненты, которые еще не расплавились при указанных температурах, пустоты в материале будут заполняться низкоплавким материалом.
Плавление материала, подлежащего плавлению, осуществляется в тигле, когда он находится в положении плавления, т.е. в газонепроницаемой оболочке печи. В этом положении плавильное устройство выполнено таким образом, что камера тигля и основание тигля образуют газонепроницаемую оболочку печи с помощью кожуха и днища камеры. Таким образом, процесс плавления может выполняться под вакуумом или в среде инертного газа, в результате чего исключается окисление материала, подлежащего плавлению. Тем самым, может уплотняться лом каждого реактивного металла, который, например, содержит магний или кадмий. Кроме того, образуется меньшее количество летучих продуктов.
Перед удалением тигля предпочтительно инертный газ и возможно побочные продукты расплава, содержащиеся в нем, удаляются посредством всасывания и предпочтительно подвергаются очистке отходящих газов. Очистка отходящих газов может выполняться с помощью системы очистки отходящих газов, которая может быть конденсатным горшком. Также могут использоваться другие способы очистки, например, фильтрование, в частности, посредством использования НЕРА-фильтров.
Загрязнения материала, подлежащего плавлению, могут удаляться посредством вакуумно-тепловой предварительной обработки в тигле. К таким загрязнениям относятся влага, растворители, лаки, масла, жиры и/или пластики.
Процесс предпочтительно выполняется под вакуумом или в атмосфере инертного газа в зависимости от конкретных требований к материалу. Это обеспечивает, что реактивные элементы материала, подлежащего плавлению, не образуют никаких воспламеняющихся веществ или летучих окислов, которые не могут быть исключены при эксплуатации в воздушной атмосфере.
Во время процесса плавления отверстие камеры предпочтительно закрывается крышечным элементом. Крышечный элемент может быть частью шлюза, который позволяет загружать материал, подлежащий плавлению, в тигель без загрязнения окружающей среды содержимым тигля. Эта мера способствует тому, что охраняемая зона вокруг плавильного устройства может быть очень небольшой. Кроме того, материал, подлежащий плавлению, может повторно загружаться во время эксплуатации, если благодаря консолидации первой партии лома имеет место уменьшение объема. Таким образом, даже во время повторной загрузки в оболочке печи поддерживается атмосфера вакуума или инертного газа.
Затвердевание расплавленного материала предпочтительно выполняется в то время, когда тигель находится внутри оболочки печи. Здесь материал охлаждается, по меньшей мере, частично и образует блок. В этом положении блок необязательно должен охлаждаться до температуры охлаждающей среды. Достаточным является его охлаждение до такой степени, чтобы блок можно было удалить безопасным образом. Охлаждение до комнатной температуры предпочтительно выполняется в другом месте, например, в вышеуказанном разгруженном положении. Тем временем, уже другой тигель, по усмотрению, на другом основании тигля, может быть помещен в камеру тигля.
Блок может быть удален из тигля или может быть удален вместе с тиглем. Перед удалением блока из тигля тигель перемещается с помощью транспортирующего средства из второго положения в первое положение снаружи камеры тигля. Предпочтительно, чтобы тигель опускался из второго положения в первое положение. Это означает, что тигель удаляется из камеры тигля посредством перемещения вниз. Затем тигель может быть удален из зоны ниже камеры тигля. Это может осуществляться с помощью вышеупомянутого транспортирующего средства или посредством использования другого отдельного транспортирующего средства. В конкретном варианте выполнения транспортирующее средство с основанием тигля и расположенным на нем тиглем является подвижным, в частности, перемещается по рельсам. Поскольку тигель удаляется из зоны ниже камеры тигля, другой тигель моет быть помещен в камеру тигля. Это позволяет использовать остаточное тепло в камере тигля и надлежащим образом использовать плавильное устройство. Во время охлаждения в разгруженном положении, удаления блока и повторной загрузки в положении загрузки уже может выполняться новый процесс плавления с использованием другого тигля.
Кроме того, плавильное устройство имеет преимущество в том, что в случае неисправности тигля расплав может выгружаться в поддон, предусмотренный в основании тигля. Расплав может затвердевать в поддоне. Основание тигля с неисправным тиглем может быть удалено из камеры тигля, и процесс консолидации может быть продолжен с другим тиглем на другом основании тигля.
Во время процесса плавления внутри камеры тигля преобладает, по существу, бескислородная атмосфера. Это означает, что парциальное давление кислорода составляет менее 10 кПа, более предпочтительно менее 1 кПа. Это может быть достигнуто с помощью вакуума или атмосферы инертного газа внутри тигля. Предпочтительным инертным газом является азот, поскольку он эффективно подавляет образование летучих окислов и имеет невысокую стоимость.
Взаимозаменяемые тигли обеспечивают высокий коэффициент использования, поэтому плавильное устройство может иметь меньшие размеры по сравнению с другими системами при такой же производительности. Это, в свою очередь, облегчает транспортирование. Кроме того, тигель и, таким образом, все плавильное устройство могут иметь более легкую конструкцию, поскольку после каждого процесса плавления может выполняться осмотр тигля. В обычных плавильных устройствах тигли имеют очень прочную конструкцию, поскольку они частично используются для непрерывной эксплуатации, что не позволяет выполнять осмотр в ходе производственного процесса.
После завершения процесса плавления расплавленный материал может затвердевать в тигле для образования блока, который не имеет пустот и, таким образом, имеет значительно более высокую плотность по сравнению с исходным материалом.
После охлаждения блока, предпочтительно в тигле, блок может быть удален из тигля и перемещен, например, в стандартную тару для отходов (например, бочка из листового металла). Тигель предпочтительно выполнен таким образом, что готовый блок может быть помещен в стандартную тару для отходов. Блок предпочтительно является цилиндрическим телом диаметром 400-600 мм и высотой примерно 800-1000 мм.
Тигли, которые достигли конца срока эксплуатации, могут быть помещены вместе с затвердевшим блоком в аналогичную тару для отходов большего размера с целью окончательного удаления без разрушения тигля.
Герметичность оболочки печи и загрузочного устройства может подтверждаться и, таким образом, гарантироваться в начале нового плавления для консолидации лома, т.е. предпочтительно перед нагревом посредством кратковременного испытания на повышение давления. Оболочка печи предпочтительно является герметичной. Это означает, что повышение давления в течение 1 часа составляет менее 20 мбар при вакууме 20 мбар. То же самое также относится к шлюзу и, в частности, к загрузочному устройству.
Способ по изобретению также отличается тем, что этапы загрузки, нагрева, плавления и, по усмотрению, повторной загрузки и затвердевания блока для партии материала, подлежащего плавлению, осуществляются в одном взаимозаменяемом тигле предпочтительно под вакуумом и/или в контролируемой атмосфере. Предпочтительно металлический блок позднее после дополнительной модификации может быть окончательно удален или отправлен на хранение. Признаком изобретения применительно к этому способу является то, что расплав не выливается из тигля.
Плавильное устройство по изобретению предлагает ряд преимуществ по сравнению с обычными плавильными устройствами:
- необработанные ядерные отходы не должны транспортироваться по общедоступным маршрутам движения, поскольку передвижное плавильное устройство может транспортироваться к месту нахождения материала, подлежащего уплотнению;
- затвердевший блок уплотненного материала может быть помещен непосредственно в контейнер для захоронения отходов, при этом не требуются никакие дополнительные формы;
- плавление, повторная загрузка и затвердевание блок выполняются в герметичной оболочке печи, где, по существу, отсутствует кислород, что исключает высвобождение паров и пыли в контролируемую зону;
- пары и пыль могут удерживаться в системе очистки отходящих газов;
- плавильное устройство предпочтительно выполнено таким образом, чтобы в случае неисправности тигля вытекающий расплав безопасным образом выгружался в предпочтительно неохлаждаемый поддон без риска парового взрыва или загрязнения окружающей среды;
- огнеупорный материал тигля не подлежит разрушению, поэтому не образуются вторичные отходы, и, соответственно уменьшается контролируемая зона;
- в системе используется уже существующая зона контроля на месте, поэтому исключаются дополнительные расходы на демонтаж.
Осуществление изобретения
Приведенное ниже описание чертежей относится к предпочтительному варианту выполнения плавильного устройства и его компонентов.
На Фиг. 1 показан вид в разрезе камеры 3 тигля и тигля 2, включая сюда основание 9 тигля в первом положении, т.е. тигель 2 расположен внутри камеры 3 тигля. Основание 9 тигля расположено ниже тигля 2 и содержит поддон 6, который предназначен для приема расплавленного материала, если тигель 2 дает утечку. В показанном положении тигель 2, камера 3 тигля и основание 9 тигля могут подвергаться техническому обслуживанию.
Тигель 2 содержит стенку 11 тигля и днище 12 тигля, которые состоят из огнеупорного материала, в частности, графита, шамотного графита или керамики. Стенка 11 тигля и днище 12 тигля являются относительно тонкими. Это имеет преимущество в том, что масса тигля 2 меньше массы обычных тиглей. Это облегчает манипулирование тиглем 2. Тигель приобретает необходимую устойчивость, чтобы выдерживать высокие нагрузки, возникающие во время эксплуатации, в частности, с помощью нижней плиты 13, которая расположена ниже днища 12 тигля, и с помощью стабилизирующих элементов 14, которые образуют часть камеры 3 тигля. Стабилизирующие элементы 14 могут извлекаться после процесса плавления для опускания тигля 2.
Камера 3 тигля также содержит кожух 15, который предпочтительно образует наружную границу камеры 3 тигля.
Основание 9 тигля содержит днище 16 камеры, которое выполнено таким образом, что оно образует герметичное пространство вместе с кожухом 15 камеры 3 тигля, когда основание 9 тигля находится во втором положении.
Для обеспечении необходимой герметичности у нижнего края кожуха 15 и верхнего края днища 16 камеры предусмотрены уплотнительные элементы 17, которые служат для образования газонепроницаемой оболочки печи, когда днище 16 камеры закрывает камеру 3 тигля.
В верхней части камеры 3 тигля предусмотрено отверстие 18, которое предназначено для загрузки материала, подлежащего плавлению, в тигель 2. Отверстие 18 камеры может закрываться крышечным элементом 19, который может быть частью шлюза.
На Фиг. 2 представлен схожий вид в разрезе, который показывает, как днище 16 камеры вместе с кожухом 15 образуют газонепроницаемую оболочку 10 печи, когда тигель 2 посредством использования транспортирующего средства (не показано) был перемещен во второе положение (положение плавления). Уплотнительные элементы 7 образуют герметичное уплотнение газонепроницаемой оболочки 10. Крышечный элемент 19 также предпочтительно является газонепроницаемым.
Можно видеть, что нижняя плита 13 со стабилизирующими элементами 14 образуют общие контактные зоны 20. Таким образом, тигель 2 стабилизируется во время процесса консолидации. Однако если тигель 2 все же будет поврежден, что приведет к утечке расплава, этот расплав будет собираться в поддон 6. В таком случае расплав будет безопасным образом находиться в газонепроницаемой оболочке 10, поскольку это не может оказывать отрицательное воздействие ни на кожух 15, ни на днище 16 камеры. В таком случае следует дождаться затвердевания вытекшего материала в поддоне 6 и безопасным образом его удалить. В то время как вытекший металл продолжает охлаждаться в поддоне 6, другое основание тигля уже может помещено в камеру 3 тигля, и может продолжаться процесс консолидации.
На Фиг. 3 показан вид в разрезе передвижного плавильного устройства 1 настоящего изобретения. Можно видеть, что плавильное устройство имеет модульную конструкцию. Модуль 21 камеры расположен над транспортирующим модулем 22. Над модулем 21 камеры показан загрузочный модуль 23. Модули выполнены таким образом, что они могут быть легко отделены друг о друга при демонтаже установки и могут транспортироваться по отдельности.
Можно видеть, что модуль 21 камеры содержит, помимо прочего, камеру 3 тигля с ее компонентами. На этой фигуре также показан соединительный элемент 24, который соединяет камеру 3 тигля и шлюз 25 с системой очистки отходящих газов и/или вакуумным насосом (не показаны).
Модуль 22 основания содержит транспортирующее средство 7, которое в настоящем случае представляет собой стол с рычажным подъемником.
Легко заметить, что отдельные модули стабилизируются с помощью опорных элементов 26, которые выполнены в виде стальных балок. Как результат, модули приобретают форму и устойчивость, которые упрощают транспортирование и также уменьшают сложность сборки плавильного устройства.
Кроме того, показан загрузочный модуль 23, который соединен через шлюз 25 с камерой 3 тигля. Загрузочный модуль 23 включает в себя загрузочное устройство, которое содержит загрузочную тележку, включающую в себя кожух, который может перемещаться по направляющим.
Фиг. 4 - передвижное плавильное устройство в состоянии готовности к отгрузке.
Фиг. 5 - два вида собранного передвижного плавильного устройства со вспомогательными системами.