ПЕЧЬ ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ ВЫСОКОАКТИВНЫХ И СРЕДНЕАКТИВНЫХ ОТХОДОВ (ВАРИАНТЫ)

Предлагаемая полезная модель относится к оборудованию для обработки и иммобилизации радиоактивных отходов и может быть применена в лабораторных и производственных условиях, когда требуется провести отверждение высокоактивных (ВАО) и среднеактивных (САО) отходов.
Решение проблемы утилизации радиоактивных отходов (РАО), связанной с их отверждением, компактированием и переводом в устойчивые матрицы, существенно зависит как от свойств выбранной матрицы, так и от оборудования для совместного спекания РАО и компонентов матрицы. Важнейшим узлом такого оборудования, помимо систем газоулавливания и газоочистки, является печь для отверждения, керамизации и остекловывания РАО.
В настоящее время для отверждения и остекловывания РАО используют электрические печи с различным способом подвода тепла:
1. печи омического нагрева с внешними нагревателями;
2. печи с токоподводами, расположенными в тиглях или ванных-плавителях;
3. устройства для проведения реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС);
4. печи для плавления материалов в индукционном плавителе с холодным тиглем (ИПХТ).
В печах с омическим нагревом при длительном их использовании, как правило, рабочие температуры не превышают 1000-1100°C. При выходе из строя такой печи требуется демонтаж и утилизация очень громоздкого оборудования. Относительно невысокие предельные температуры ограничивают возможности получения наиболее устойчивых твердых матриц.
Печи с токоподводами или электродами, расположенными внутри плавителя, предназначены для бесперебойной работы в течение нескольких лет. Они не могут работать дискретно. Все усовершенствования таких печей направлены на удлинение срока использования и увеличение ресурса безопасности (Патент SU 947095, 30.07.1982 // Патент SU 1309504, 27.12.1982 // Патент RU 2244358 2005 // Д.Е. Белоконь, С.Н. Филиппов, Б.М. Прохоров, А.С. Кудряшов, Г.Ю. Зырянов, Е.А. Козина, А.Ю. Сорокин; Развитие и совершенствование электропечей остекловывания типа ЭП-500; Сб. «Труды Свердловского научно-исследовательского института химического машиностроения», выпуск 19 (83), 2012. // Патент RU 2269833, 2006//). Такие печи рассчитаны на безостановочную переработку больших количеств РАО. Использование их целесообразно при масштабной промышленной переработке РАО примерно одного и того же состава.
Применение реакций самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) для отверждения РАО связано с риском неуправляемого роста температуры (2000°C и выше) в реакционном объеме и с сильным разбрызгиванием. Этот метод требует тщательного подбора количественного соотношения компонентов и анализа полученных продуктов (Патент RU 2009556, 15.03.1994).
Плавление материалов в индукционном плавителе с холодным тиглем (ИГГХТ) позволяет получать более прочные закристаллизованные или остеклованные фазы, так как становится возможным достижение температур >1300°C. Но технологию ИПХТ целесообразно использовать при кристаллизации больших объемов РАО, так как требуется подбор электропроводящих тиглей, систем управления индукторами, охладителями, механизмами извлечения закристаллизованных материалов. Все это оборудование имеет весьма габаритные размеры и не сочетается с задачей конструирования мобильной компактной печи. Дистанционное управление такими установками возможно (А.В. Демин, канд. дисс. «Режимы работы индукционного плавителя с холодным тиглем для остеклолвывания РАО», Москва, 2012), но экономически оправдано при долговременной работе, так как стоимость материалов тигля и энергопотребление являются весьма затратными.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является американская печь DELTECH (www.labanalyt.com), которая принята за прототип. В печи «DELTECH» используются нагреватели U-образной формы из дисилицида молибдена. Применение нагревателей такого состава позволяет достигать рабочей температуры внутри печи порядка 1700°C. Потребляемая мощность печи-прототипа - 3-6 кВт. Водяное охлаждение отсутствует, так как теплоизоляция осуществляется за счет использования теплоизолятора на основе пористого оксида алюминия. Печь «DELTECH» рассчитана на стационарную установку. Корпус с вмонтированными сверху дисилицидмолибденовыми нагревателями закреплен неподвижно на вертикальной раме, а платформа-подставка с установленными на ней образцами пневматически (за счет сжатого воздуха из баллона) вдвигается в печь. Из печи подставка выдвигается вниз под действием силы тяжести. Блок программирования и управления, сопоставимый по габаритам с самой печью, располагается вблизи печи.
Такая печь, при наличии определенных достоинств, не приспособлена для использования в горячих камерах. Прежде всего, она довольно громоздка; вертикальное перемещение платформы препятствует ее размещению внутри горячей камеры из-за увеличения высотного параметра при открывании печи. Платформа с тиглем при открытой печи оказывается под расположенным над ней корпусом, что мешает доступу манипуляторов к тиглю.
В задачу создания полезной модели входило изготовление компактной высокотемпературной печи, которую без дополнительного оборудования (без водяного охлаждения, без блока управления и без газового баллона) можно было бы установить в горячей камере и осуществлять загрузку и выемку тигля с отходами дистанционно. Она также должна быть пригодна для мобильного перемещения как внутри зданий, так и на большие расстояния. При необходимости утилизировать такую печь она должна разбираться на отдельные компактные блоки.
Предлагаемая мобильная компактная разборная печь «Куб-1» предназначена для перевода в твердую устойчивую форму жидких, пульпообразных, упаренных до полужидкого или сухого состояния ВАО и САО различного состава. Компактирование и отверждение таких отходов на местах целесообразно с экологической и экономической точки зрения.
В качестве нагревательных элементов предлагаемой печи выбраны U-образные дисилицидмолибденовые нагреватели с таким же способом монтажа внутри печного пространства, как и в прототипе. Конструктивным отличием предлагаемой печи «Куб-1» является наличие дверцы, выполненной по принципу «книжки», которая открывается и закрывается при одновременном перемещении платформы с тиглем из печи или внутрь печи. Это перемещение осуществляется в горизонтальной плоскости; печь в открытом состоянии занимает минимальное пространство.
На рисунке (фиг. 1) изображен общий вид заявленной печи, где:
1 - корпус печи;
2 - дверца;
3 - концы U-образных нагревателей, выведенные наружу;
4 - верхнее отверстие печи,
5 - шатунный механизм;
6 - крепежный болт;
7 - направляющие полозья;
8 -платформа;
9 - поворотное колесо на дверце
На рисунке 2 (фиг. 2) изображен вариант печи в закрытом состоянии; в этом варианте при закрытой дверце тигель 10 с помощью манипуляторов устанавливается в отверстие печи 4 сверху.
Работа печи осуществляется следующим образом. Дверца 2 соединена петлями с корпусом печи 1; корпус и дверца заполнены теплоизоляционными кирпичами, которые окружены термостойким «одеялом» из корундовой ваты. Колесо 9 облегчает перемещение дверцы при закрывании и открывании. На схеме не показаны расположенные на боковых сторонах дверцы и корпуса стержень-ручка и планка-крючок, с помощью которых обеспечивается плотное соединение обеих половин печи. Форма этих деталей должна быть удобной для захвата манипулятором, с тем, чтобы открывание и закрывание печи происходило дистанционно. Шатунный механизм 5 с помощью крепежного болта 6 соединяет дверцу с платформой 8. При закрывании дверцы платформе придается импульс поступательного движения, и она по направляющим полозьям 7 вдвигается внутрь печной зоны вместе с тиглем, содержащим подлежащие отверждению отходы. При открывании дверцы тигель с уже отвержденными отходами на платформе выдвигается из печи. К двум U-образным дисилицидмолибденовым нагревателям 3 подсоединены токоподводы. 4 - верхнее отверстие печи; оно может быть плотно закрыто массивной крышкой, и в этом случае возможен набор температуры до 1500°C.
При открытом верхнем отверстии можно сверху вставлять в печь высокий тигель 10 и осуществлять его загрузку сверху, но при такой сборке, несмотря на закрытый крышкой тигель, предел достигаемой температуры понижается до значений 1000-1050°C. К этому же отверстию 4 подводится система газоотвода.
Рабочий режим печи задается программируемым терморегулятором-измерителем «Варта», который устанавливается отдельно от печи за пределами горячей камеры. С помощью такого рода терморегулятора можно задавать изменение температуры в режиме плавного или ступенчатого нагрева и охлаждения, а также с одной или несколькими длительными температурными выдержками.
С «Вартой» связана расположенная внутри печи платино-платинородиевая термопара. Токоподводы от дисилицидмолибденовых нагревателей через компактный трансформатор (220 В/40 А) подсоединены к сети. Трансформатор может быть установлен как внутри камеры в зачехленном виде, так и за ее пределами.
Габариты предлагаемой печи лимитированы только размерами горячей камеры и параметрами манипуляторов..
Пример 1.
В тигель из корунда загружалось 500 г упаренной на 30% пульпы, состоящей из аморфизированного фосфата циркония и 20% имитатора реакторных ВАО. Тигель устанавливался на платформу печи; с помощью ручки на дверце тигель вдвигался внутрь печи и, одновременно, печь плотно закрывалась. Верхнее отверстие печи закрывалось крышкой. Над верхом печи устанавливалась система газоотвода. Так как пульпа содержала жидкость в виде азотнокислого раствора, с учетом этого факта был выбран режим отверждения. Нагрев осуществлялся ступенчато: от 20 до 100°C со скоростью 2°/мин., от 100 до 400°C со скоростью 37 мин., от 400 до 1100°C со скоростью 8°/мин. При 1100°C была запрограммирована часовая выдержка, после которой печь отключалась и остывала вместе с тиглем. В результате такой обработки отходы приобретали вид спеченной керамики, в которой под микроскопом обнаруживались фазы в начальной стадии кристаллизации.
В примере 2 полужидкий имитатор отходов был заранее нейтрализован, и в задачу отверждения входила иммобилизация в устойчивую керамику щелочноземельных, редкоземельных и циркониевых компонентов РАО, а также небольших количеств оставшихся после предварительной сепарации актинидов.
Пример 2
2
2
3
4
4
В тигель помещалась упаренная на 1/3 пульпа нейтрализованных имитаторов отходов, к ней добавлялась соответствующая матричная композиция: [ZrO, ZrO+Zr(PO) или LHT (layered hydrazinium titanate)] в прорпорции ~1:3, тигель вдвигался внутрь печи, одновременно закрывалась дверца печи. Для осуществления некоторых реакций в твердой фазе в этом примере необходимо было повысить температуру спекания по сравнению с примером 1.Был выбран режим с максимальной температурой спекания 1300°C, причем нагревание до 200°С проходило за два часа, а от 200 до 1300° за 4 часа. Выдержка при 1300° составляла 3 часа. Продукты отвержденных отходов состояли из монофазных многокомпонентных фосфатов или титанатов и очень небольшого количества отдельных оксидов.
Пример 3
Высокий тигель с отходами, подлежащими отверждению, и компонентами керамической матрицы загружался в печь через верхнее отверстие. Тигель закрывался крышкой, и, с помощью «Варты», задавался режим отверждения (с максимальной температурой не выше 1050°C). После остывания в тигель, находящийся в печи, засыпалась стеклянная фритта. Печь снова включалась и нагревалась до температуры полного расплавления стекла. Режим подбирался таким, чтобы получился монолит в виде керамического спека, оплавленного стеклом, не содержащим заметных трещин. Выемка такого тигля может быть осуществлена манипулятором захватом сверху. Высокий тигель позволил за одну операцию отвердить в три раза большее количество отходов, чем это было осуществлено в примерах 1 и 2. Но в этом случае спекание можно проводить при температурах не выше 1050°C. При иммобилизации РАО остекловывание керамических или стеклокерамических форм отходов создает дополнительный защитный барьер.
Положительный эффект предлагаемой модели заключается в удобстве управления печью: установленный на платформе тигель с отходами загружается в печь и выгружается из нее за счет поворота ручки на корпусе. Это действие легко может быть осуществлено с помощью манипуляторов. В этой же печи возможно проводить спекание и остекловывание отвержденных отходов в высоком тигле при загрузке его в печь через верхнее отверстие. Кроме того, при сильном загрязнении печь может быть разделена на дверцу и корпус и отправлена на утилизацию в виде отдельных блоков.