Система СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов непосредственно в стальных контейнерах с их последующей герметизацией с целью долгосрочного безопасного хранения
SYSTEM FOR MICROWAVE TREATMENT OF LIQUID RADIOACTIVE WASTES DIRECTLY IN STEEL CONTAINERS WITH THEIR FURTHER SEALING FOR THE PURPOSE OF LONG-TERM SAFE STORAGE

Изобретение относится к области компактификации жидких радиоактивных отходов (ЖРО) с целью их последующего безопасного хранения или утилизации. Компактификация ЖРО предполагает их полное обезвоживание, спекание и кальцинацию при высокой температуре непосредственно в контейнере из нержавеющей стали с его последующим герметичным завариванием. Для выполнения указанных требований предлагается установка, включающая СВЧ генератор, который используется для равномерного нагрева ЖРО в контейнере, в котором в последствие РАО (радиоактивные отходы) будут храниться. Технологический процесс предполагает полное удаление воды из взвеси ЖРО для исключения возможности радиационного разложения воды на водород и кислород и взрыва смеси этих газов, спекание и кальцинацию РАО для исключения пыления РАО и для существенного сокращения объема (повышения плотности) РАО в контейнере.
Из предшествующего уровня техники известен СВЧ плавитель РАО, работающий на частоте 915 МГц с генератором непрерывной мощности до 50 кВт, созданный в ОАО «НИКИМТ» и ОАО «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара» [1]. СВЧ плавитель включает СВЧ генератор, волноводный тракт, циркулятор для согласования магнетрона с волноводным трактом, крышку резонатора и сменный контейнер. К недостаткам данной конструкции относится отсутствие элементов подстройки резонансной частоты резонатора с РАО внутри на рабочую частоту и согласования на входе резонатора. Имеющийся в схеме циркулятор позволяет согласовать волноводный тракт на выходе СВЧ генератора и защитить его от возможных отражений. Действительно, вся отраженная от резонатора мощность не пойдет в СВЧ генератор, но направится в волноводную нагрузку и потеряется в ней. Это приведет к значительной потере КПД установки в целом.
Также известна система СВЧ уплотнения РАО, предложенная в компании Linn High Therm GmbH [2]. Однако она обладает теми же недостатками.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемой системе является СВЧ плавитель для микроволновой обработки РАО с рабочей частотой 2450 МГц и непрерывной мощностью СВЧ генератора 10 кВт, предложенный в компании TOKAI, [3], принятый за прототип. Эта установка включает СВЧ генератор, волноводный тракт, ЕН-тюнер, дополнительный волноводный тюнер (подвижный плунжер), крышку резонатора и сменный контейнер (тигель). Измельченные РАО нагреваются в контейнере до 800°С для удаления оксидов серы. Затем продукт плавится в контейнере при температуре 1450°С и при остывании образует керамоподобный продукт.
Недостатком данного технического решения является отсутствие элементов подстройки резонатора, образованного крышкой и сменным контейнеров с заполнением РАО различной высоты. Это приводит к тому, что в процессе наполнения и нагревания собственная частота резонатора изменяется и становится отличной от рабочей частоты СВЧ генератора. Это в свою очередь приводит к отражению СВЧ мощности от резонатора. Частично это отражение может быть компенсировано дополнительным волноводным тюнером, однако далеко не полностью. Полученное отражение в конечном итоге может быть скомпенсировано ЕН-тюнером, но при этом существенно увеличивается амплитуда стоячей волны в волноводе между дополнительным волноводным тюнером и ЕН-тюнером. В результате повышается вероятность СВЧ пробоев в волноводе, особенно при большой мощности СВЧ генератора и, соответственно, при большой производительности установки, а также увеличиваются потери в волноводе и уменьшается КПД установки в целом. Кроме этого в процессе работы установки изменение объема РАО в контейнере при наполнении может происходить достаточно быстро, характеристики РАО при нагреве тоже могут изменяться быстро. Если ЕН-тюнер при этом не успеет скомпенсировать отражение в волноводном тракте, или случится сбой в управлении ЕН-тюнера, то отраженная волна пройдет к СВЧ генератору и может вывести его из строя. Третьим недостатком указанного технического решения является то, что при соединении крышки резонатора с контейнером возможны искрения, пробои и подгорания из-за недостаточно хорошего контакта между ними.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании системы СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов непосредственно в стальных контейнерах с их последующей герметизацией с целью долгосрочного безопасного хранения.
Поставленная задача решается за счет того, что в системе СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов непосредственно в стальных контейнерах с их последующей герметизацией с целью долгосрочного безопасного хранения, содержащей СВЧ генератор, крышку с входным патрубком и сменный контейнер, образующие резонатор, волноводный тракт, соединяющий СВЧ генератор и резонатор, ЕН-тюнер, включенный в волноводный тракт, блок автоподстройки, к крышке резонатора присоединен ряд подвижных волноводных плунжеров, в волноводный тракт включены два направленных ответвителя с обеих сторон от ЕН-тюнера, в волноводный тракт включен циркулятор с волноводной нагрузкой между ЕН-тюнером и СВЧ генератором, крышка резонатора снабжена дросселем для присоединения к контейнеру.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности частотной подстройки резонатора, образованного крышкой и сменным контейнером с РАО внутри, на рабочую частоту и, соответственно, возможности хорошего согласования волноводного тракта и резонатора на рабочей частоте.
Вторым техническим результатом является обеспечение сохранности СВЧ генератора за счет его защиты от отраженной мощности с помощью циркулятора.
Третьим техническим результатом является надежное соединение крышки резонатора и контейнера и работа без искрений в этом соединении путем использования дроссельного типа соединения.
Четвертым техническим результатом является возможность обработки ЖРО непосредственно в стандартном стальном нержавеющем контейнере, в котором в дальнейшем после его герметизации будет храниться сухой остаток РАО. Полностью исключается этап перегрузки обработанных РАО в тигле в контейнеры долговременного хранения, который сопровождается значительным пылением сухого остатка РАО.
Изобретение поясняется чертежом, который не охватывает и, тем более, не ограничивает весь объем притязаний данного технического решения, а является лишь иллюстрирующим материалом частного случая выполнения.
На Фиг. 1 представлена система СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов непосредственно в стальных контейнерах с их последующей герметизацией с целью долгосрочного безопасного хранения с тремя подвижными волноводными плунжерами, присоединенными к крышке резонатора.
Система СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов содержит СВЧ генератор 1, крышку 2 с входным патрубком 3, сменный контейнер 4, волноводный тракт 5, ЕН-тюнер 6, блок автоподстройки 7, подвижные волноводные плунжеры 8, два направленнных ответвителя 9 и 10, циркулятор 11 с волноводной нагрузкой 12 и дроссель 13.
В качестве СВЧ генератора 1 может быть использован, например, магнетрон с блоком питания. Волноводный тракт 5 соединяет СВЧ генератор 1 и резонатор, образованный крышкой 2 с входным патрубком 3 для загрузки ЖРО и сменным контейнером 4. В качестве волноводного тракта 5 может быть использован, например, прямоугольный волновод. На Фиг. 1 крышка 2 и сменный контейнер 4 имеют цилиндрическую форму с открытым дном, образуя вместе цилиндрический резонатор. ЕН-тюнер 6 включен в волноводный тракт 5 между СВЧ генератором 1 и крышкой резонатора 2. ЕН-тюнер 6 состоит из двойного волноводного моста и двух подвижных волноводных плунжеров. Подвижный волноводный плунжер 8 присоединен к крышке 2 так, что его объем соединяется с объемом резонатора, образованного крышкой 2 и сменным контейнером 4. Число подвижных волноводных плунжеров 8, соединенных с крышкой 2, может быть любым. На Фиг. 1 число подвижных волноводных плунжеров 8 равно трем. Два направленных ответвителя 9 и 10 включены в волноводный тракт 5 с обеих сторон от ЕН-тюнера 6. Блок автоподстройки 7 связан с двумя подвижными волноводными плунжерами ЕН-тюнера 6, с подвижными волноводными плунжерами 8 и с двумя направленными ответвителями 9 и 10. Циркулятор 11 с волноводной нагрузкой 12 включен в волноводный тракт 5 между СВЧ генератором 1 и направленным ответвителем 9. Крышка 2 снабжена дросселем 13 в месте присоединения сменного контейнера 4.
Предлагаемая система СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов непосредственно в стальных контейнерах с их последующей герметизацией с целью долгосрочного безопасного хранения работает следующим образом. ЖРО в виде водной взвеси радиоактивных солей загружается порциями в резонатор, образованный крышкой 2 и сменным контейнером 4, через входной патрубок 3. СВЧ генератор 1 включается и передает СВЧ мощность на рабочей частоте через волноводный тракт 5 в резонатор, образованный крышкой 2 и сменным контейнером 4. Значение коэффициента отражения, измеренное направленным ответвителем 10, расположенным между ЕН-тюнером 6 и крышкой 2, подается в блок автоподстройки 7. Блок автоподстройки 7 вырабатывает управляющий сигнал и перестраивает положение подвижных волноводных плунжеров 8 до достижения минимального значения коэффициента отражения, измеренного направленным ответвителем 10. Подвижные волноводные плунжеры 8 образуют общий объем с резонатором, образованным крышкой 2 и сменным контейнером 4. Поэтому перемещение подвижных волноводных плунжеров 8 приводит к перестройке резонансной частоты этого резонатора. После этого значение коэффициента отражения, измеренное направленным ответвителем 9, расположенным между циркулятором 11 и ЕН-тюнером 6, подается в блок автоподстройки 7. Блок автоподстройки 7 вырабатывает управляющий сигнал и перестраивает положение подвижных волноводных плунжеров ЕН-тюнера 6 до достижения минимального значения коэффициента отражения, измеренного направленным ответвителем 9. Таким образом, весь волноводный тракт 5 оказывается согласованным во всех его сечениях. СВЧ мощность, которая направляется в волноводную нагрузку 12, практически равна нулю, и КПД всей системы максимален. Крышка 2 резонатора снабжена дросселем 13. Дроссель 13 рассчитан таким образом, что в месте физического контакта крышки 2 и сменного контейнера 4 поверхностные токи минимальны. Это обеспечивает надежный электрический высокочастотный контакт между крышкой 2 и сменным контейнером 4 и их совместную работу без искрений и подгораний в месте их физического контакта. Данная порция ЖРО в контейнере 4 нагревается до температуры 100°С, и вся вода из них выпаривается. После этого процесс нагрева продолжается до температуры около 850°С, и РАО спекается и кальцинируется. Электрофизические свойства РАО изменяются в процессе выпаривания и нагрева. Это приводит к изменению резонансной частоты резонатора и его связи с волноводным трактом 5. В процессе нагрева блок автоподстройки 7 подстраивает положение подвижных волноводных плунжеров 8 и подвижных волноводных плунжеров ЕН-тюнера 6. После спекания и кальцинации первой порции РАО в резонатор через входной патрубок 3 подается следующая порция ЖРО и описанный процесс повторяется. Так происходит до полного заполнения сменного контейнера 4. После этого сменный контейнер 4 отправляется на герметичную заварку стальной крышкой и далее на место безопасного хранения.
Положительный эффект заявленной системы СВЧ обработки жидких радиоактивных отходов непосредственно в стальных контейнерах с их последующей герметизацией с целью долгосрочного безопасного хранения обеспечивается следующим образом.
Совместная работа подвижных волноводных плунжеров 8, связанных с крышкой 2, двух подвижных волноводных плунжеров ЕН-тюнера 6, двух направленных ответвителей 9 и 10 и блока автоподстройки 7, обеспечивает режим работы, при котором весь волноводный тракт 5 оказывается согласованным во всех его сечениях. СВЧ мощность, которая направляется в волноводную нагрузку 12, практически равна нулю, КПД всей системы максимален, и перенапряжений в волноводном тракте 5 нет. Наличие циркулятора 11 с волноводной нагрузкой 12 на выходе СВЧ генератора 1 гарантирует отсутствие отраженной волны, направляемой к СВЧ генератору 1 в случае какого-либо сбоя в работе блока автоподстройки 7 и тем самым сохранность СВЧ генератора 1. Наличие дросселя 13 в месте соединения крышки 2 и сменного контейнера 4 обеспечивает минимальный поверхностный ток в месте их физического контакта и тем самым их уверенную работу без искрений и подгораний.
Пример конкретной реализации заявленного устройства представляет собой систему, включающую следующие компоненты.
СВЧ генератор выполнен на основе магнетрона непрерывного действия с рабочей частотой 915 МГц и выходной мощностью 50 кВт и блока питания этого магнетрона.
Волноводный тракт выполнен на основе прямоугольного волновода с сечением 220×104 мм. Элементы системы включены в следующей очередности: магнетрон, Y-циркулятор с волноводной нагрузкой, направленный ответвитель, ЕН-тюнер, направленный ответвитель, резонатор. ЕН-тюнер состоит из двойного волноводного моста и двух подвижных волноводных плунжеров.
Резонатор выполнен из двух основных частей: крышка, соединенная с волноводным трактом и подвижными волноводными плунжерами и контейнер. В данном примере конкретной реализации число подвижных волноводных плунжеров равно трем. Весь резонатор может быть окружен теплоизоляцией для уменьшения мощности излучения в окружающее пространство и для увеличения КПД всей системы. Крышка резонатора снабжена входным патрубком для подачи ЖРО.
Подвижные волноводные плунжеры снабжены приводами с шаговыми двигателями.
Для работы системы используется стандартный цилиндрический контейнер из нержавеющей стали с объемом 200 литров. После наполнения и СВЧ обработки контейнер герметично заваривается крышкой из нержавеющей стали.
Блок автоподстройки представляет собой контроллер с входными высокочастотными сигналами и с выходными управляющими сигналами для шаговых двигателей подвижных волноводных плунжеров.
Дроссель представляет собой цилиндрическую вставку с рассчитанной геометрией, приваренную к крышке резонатора с внутренней стороны.
Литература
[1] Комаров В.И., Молохов М.Н., Сорокин А.А. и др. Остекловывание радиоактивных отходов с использованием СВЧ энергии / Ж. Атомная энергия. - 2005. - Т. 98, вып. 4. - С. 288-293.
[2] Giessmann С.Microwave In-Drum Drying / Radwaste Solutions. - Jan./Feb. 2007. - p. 21-24.
[3] Komatsu F. at al. Development of a New Solidification Method for Wastes Contaminated by Plutonium Oxides (Utilization of Microwave Power) / Management of Alpha-Contaminated Wastes: Proc. of Symp. - Vienna, 1991.