Автоматизированная высокочастотная система для герметизации радиоактивных отходов
AUTOMATED HIGH-FREQUENCY SYSTEM FOR SEALING RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области технологии герметизации жидких радиоактивных отходов (РАО) с целью их последующего безопасного хранения или утилизации. Герметизация РАО 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 высокочастотный генератор, который используется для равномерного нагрева РАО в контейнере, в котором впоследствии РАО будут храниться. Технологический процесс предполагает полное удаление воды из взвеси РАО 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 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 возможности подстройки частоты высокочастотного генератора, в качестве которого используется магнетрон, и отсутствие элементов подстройки резонансной частоты резонатора с РАО внутри на частоту генерации магнетрона и элементов подстройки коэффициента связи с линией питания. Это приводит к отсутствию согласования на входе резонатора и, как следствие, к возможным высокочастотным пробоям в циркуляторе и потери высокочастотной мощности. Имеющийся в схеме циркулятор позволяет согласовать волноводный тракт на выходе магнетрона и защитить его от возможных отражений, но, как правило, при небольших отражениях КСВН<3. При больших отражениях возможен пробой в циркуляторе и остановка технологического процесса. Если отражение невелико, то вся отраженная от резонатора мощность не пойдет в магнетрон, а направится в волноводную нагрузку и рассеется в охлаждающей воде. 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 на базе магнетрона, волноводный тракт, ЕН-тюнер, 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 возможности подстройки частоты магнетрона, который работает на своей собственной частоте, отсутствие элементов подстройки собственной частоты резонатора, образованного крышкой и сменным контейнером с заполнением РАО различной высоты, отсутствие подстройки коэффициента связи с линией питания. 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. Полученное отражение в конечном итоге может быть скомпенсировано ЕН-тюнером, но при этом существенно увеличивается амплитуда стоячей волны в волноводе между резонатором 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.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в создании автоматизированной высокочастотной системы для герметизации радиоактивных отходов. Тепловая высокочастотная обработка РАО выполняется непосредственно в стальных контейнерах, в которых в последующем РАО будет герметизированы с целью долгосрочного безопасного хранения.
Поставленная задача решается за счет того, что в автоматизированной высокочастотной системе для герметизации радиоактивных отходов, содержащей высокочастотный генератор, крышку с входным волноводом и сменный контейнер, образующие резонатор, волноводный тракт, соединяющий высокочастотный генератор и резонатор, ЕН-тюнер, включенный в волноводный тракт, и блок автоподстройки в качестве высокочастотного генератора использованы твердотельный усилитель и задающий генератор с регулируемыми мощностью и частотой, а к входному волноводу резонатора присоединен отрезок волновода с подвижным плунжером, связанным с блоком автоподстройки.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности перестройки частоты высокочастотного генератора, а также перестройки коэффициента связи резонатора, образованного крышкой и сменным контейнером с РАО внутри, с питающим волноводом, что дает возможность хорошего согласования волноводного тракта и резонатора на рабочей частоте. Согласование волноводного тракта в свою очередь минимизирует вероятность высокочастотных пробоев в волноводном тракте, обеспечивает максимальный КПД системы.
Вторым техническим результатом является возможность быстрой перестройки (уменьшения) мощности высокочастотного генератора с целью его защиты от отраженной мощности.
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 - автоматизированная высокочастотная система для герметизации радиоактивных отходов.
Автоматизированная высокочастотная система содержит высокочастотный генератор 1, крышку с входным волноводом 2, сменный контейнер 3, резонатор 4, образованный крышкой с входным волноводом 2 и сменным контейнером 3, ЕН-тюнер 5, включающий два направленных ответвителя, волноводный тракт 6, соединяющий высокочастотный генератор 1 и резонатор 4, блок автоподстройки 7, твердотельный усилитель 8 и задающий генератор 9, вместе образующие высокочастотный генератор 1, и волноводный плунжер 10.
В качестве высокочастотного генератора 1 используются твердотельный усилитель 8 и задающий генератор 9, обеспечивающие возможность быстрой регулировки частоты генерации и выходной высокочастотной мощности. Волноводный тракт 6 соединяет высокочастотный генератор 1 и резонатор 4, образованный крышкой с входным волноводом 2 и сменным контейнером 3. В качестве волноводного тракта 6 может быть использован, например, прямоугольный волновод. На Фиг. 1 крышка 2 и сменный контейнер 3 имеют цилиндрическую форму с открытым дном, образуя вместе цилиндрический резонатор 4. ЕН-тюнер 5 включен в волноводный тракт 6 между высокочастотным генератором 1 и крышкой 2 резонатора 4. ЕН-тюнер 5 состоит из двойного волноводного моста, двух подвижных волноводных плунжеров и двух направленных ответвителей. Подвижный волноводный плунжер 10 присоединен к входному волноводу крышки 2. Блок автоподстройки 7 связан с двумя подвижными волноводными плунжерами ЕН-тюнера 5, с двумя направленными ответвителями с подвижным волноводным плунжером 10 и с задающим генератором 9.
Предлагаемая автоматизированная высокочастотная система для герметизации радиоактивных отходов работает следующим образом. РАО в виде водной взвеси радиоактивных солей загружается порциями в резонатор 4, образованный крышкой 2 и сменным контейнером 3. Высокочастотный генератор 1 включается и передает высокочастотную мощность на рабочей частоте через волноводный тракт 6 в резонатор 4, образованный крышкой 2 и сменным контейнером 3. Значение коэффициента отражения, измеренное направленным ответвителем, расположенным между ЕН-тюнером 5 и крышкой 2, подается в блок автоподстройки 7. Блок автоподстройки 7 вырабатывает управляющий сигнал и перестраивает частоту генерации задающего генератора 9 и положение подвижного волноводного плунжера 10 до достижения минимального значения коэффициента отражения, измеренного данным направленным ответвителем. Подвижный волноводный плунжер 10 находится в непосредственной близости от окна связи волноводного тракта 6 и резонатора 4. Поэтому перемещение подвижного волноводного плунжера 10 приводит к изменению электромагнитного поля на окне связи волноводного тракта 6 и резонатора 4, соответственно, к изменению коэффициента связи волноводного тракта 6 и резонатора 4. Перестройка частоты задающего генератора 9 позволяет установить рабочую частоту равной резонансной частоте резонатора 4. Все вместе позволяет минимизировать коэффициент отражения от резонатора.
Направленный ответвитель, расположенный между ЕН-тюнером 5 и твердотельным усилителем 8, позволяет измерить коэффициент отражения на входе ЕН-тюнера 5. Это значение коэффициента отражения направляется в блок автоподстройки 7, который вырабатывает управляющий сигнал на перестройку положения двух волноводных плунжеров ЕН-тюнера до полного согласования на входе ЕН-тюнера.
Положительный эффект заявленной автоматизированной высокочастотной системы для герметизации радиоактивных отходов обеспечивается следующим образом.
Совместная работа подвижных волноводных плунжеров ЕН-тюнера 5 и плунжера 10, а также перестройка частоты задающего генератора 9 обеспечивают режим работы, при котором весь волноводный тракт 6 оказывается согласованным во всех его сечениях. КПД всей системы максимален, и перенапряжений в волноводном тракте 6 нет.
Пример конкретной реализации заявленного устройства представляет собой систему, включающую следующие компоненты.
Высокочастотный генератор выполнен на основе твердотельного усилителя на транзисторах и задающего генератора с перестраиваемыми мощностью и частотой. Максимальная выходная мощность твердотельного усилителя 50 кВт. Рабочая частота 915 МГц.
Волноводный тракт выполнен на основе прямоугольного волновода с сечением 220×104 мм.
Элементы системы включены в следующей очередности: задающий генератор, твердотельный усилитель, ЕН-тюнер с двумя направленными ответвителями, подвижный волноводный плунжер, крышка с входным волноводом, к которой прижимается сменный контейнер с РАО, образуя резонатор.
Резонатор выполнен из двух основных частей: крышка, соединенная с волноводным трактом, и сменный контейнер. 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 РАО.
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 высокочастотной обработки (обезвоживание и кальцинация при температуре 850 градусов) 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.
[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.