ЭЛЕКТРОСТЕКЛОВАРЕННАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области обращения с радиоактивными отходами и касается подготовки отходов к хранению в промежуточных хранилищах и захоронению в геологических могильниках путем остекловывания жидких высоко- и среднеактивных отходов в специальных электростекловаренных печах.
Известна конструкция электрической стекловаренной печи [Патент РФ №1309504, МПК С03В 5/027], содержащая варочный бассейн, соединенный заглубленным протоком с выработачным бассейном, с порогом и отверстием для слива готового продукта. Поток стекломассы, полученный в зоне варки стекла, перетекает в накопительную зону и выливается в контейнер через узел бокового слива, выполненный в виде водоохлаждаемого металлического плунжера, работающего по принципу открытия-закрытия сливного отверстия. Электродный узел варочной зоны печи включает две электродные группы молибденовых стержней, навинчиваемых на «длинномерные» сварные водоохлаждаемые токоподводы из нержавеющей стали. Токоподводы находятся в контакте с агрессивной печной средой при температуре кладки печи.
Недостатком указанной конструкции является ее сложность и большие габариты, так как печь содержит три зоны с перегородкой и порогом, которые под влиянием потоков стекломассы подвержены интенсивной коррозии и эрозии, вызывающих преждевременный выход печи из строя. Так перегородка и порог после двух лет эксплуатации выходят из строя, что приводит к колебанию уровня стекломассы сливаемой в контейнер, нестабильности электрических параметров работы печи, частым остановкам в работе и отсюда снижению производительности процесса. Электродный узел печи является ненадежным в работе, так как имеет сварные швы, которые подвержены термомеханическим нагрузкам и воздействию конденсатов в процессе остекловывания высокоактивных отходов (ВАО), что после 2-3 лет эксплуатации приводит к коррозии токоподводов и, как следствие, протечкам воды в пространство печи, резко снижая ее производительность. Также недостатком данной печи является невозможность ее вывода из эксплуатации после выработки ресурса, так как в бассейне печи остается большое количество неудаляемого высокоактивного стекла с активностью более одного миллиона Кu а также накапливается радионуклиды благородных металлов, осаждаемых на дне в специальных приямках.
Известна электростекловаренная печь для остекловывания жидких высокоактивных отходов, именуемая в дальнейшем керамическим плавителем, входящим в состав установки по переработке отходов Defence Waste Processing Facility (DWPF) в Савана-Ривер (США) [M.J.Plodinec, B.C.Kitchen. Establishing the Acceptability of Savannah River Site Waste Glass Proceeding Spectrum-90, Nuclear and Hazardous Waste Management, Internal. Topic Meeting, sept-oct. 1990, pp 302]. Керамический плавитель DWPF представляет собой цилиндрическую печь. Бассейн выполнен однозонным. В зоне бассейна осуществляют все процессы по получению стекла: варка, осветление, гомогенизация стекломассы и ее розлив. Стекломассу из зоны варки через сливной узел выпускают в контейнер для хранения остеклованных отходов. Электроды выполнены в виде пластин из жаростойкого никельхромового сплава (инконель - 690), размещенных по высоте бассейна керамического плавителя. Узел розлива стекломассы выполнен в виде поднимающегося к верху канала со сливным носиком. Сливной носик узла снабжен нагревательным устройством, предназначенными для нагрева сливаемой струи стекломассы. Для опорожнения бассейна печи от остатков стекла и тугоплавких донных осадков печь снабжена узлом донного слива стекломассы с нагревательным устройством и холодильником.
Недостатком керамического плавителя является наличие элементов с ограниченным сроком службы (менее 0,5 года) в узлах нагрева сливного носика и донного слива и сложность конструкции донного узла слива стекломассы. Донный узел предназначен для удаления тугоплавкого донного осадка из керамического плавителя. По мнению специалистов США, образование донного осадка в керамическом плавителе является основным фактором, ограничивающим срок службы плавителя, так как тугоплавкий донный осадок имеет более высокую температуру плавления, чем материал электрода (1150°С). Для расплавления донного осадка приходится поднимать температуру в плавителе выше 1150°С, что вызывает интенсивную коррозию электродов.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является упрощение конструкции электростекловаренной печи и повышение срока ее службы.
Для решения поставленной задачи электростекловаренная печь для остекловывания радиоактивных отходов состоит из корпуса и свода печи, снабженного питателем, в верхней части корпуса расположен газоход, а в боковых стенках размещены электроды, изготовленные из хроммолибденового сплава, корпус выполнен из огнеупорных блоков, формирующих бассейн для варки стекла и накопления стекломассы, и снабжен боковым и придонным узлами плунжерного типа для розлива стекломассы и слива осадка соответственно.
В частном варианте электроды изготовлены из хроммолибденового сплава с содержанием 40-45 мас.% молибдена.
В другом частном варианте дно печи выполнено с уклоном 3-5 градусов в сторону придонного узла для слива осадка.
По экспериментальным данным хроммолибденовые сплавы с содержанием 40-45 мас.% молибдена имеют высокую химическую стойкость в расплавах фосфатных и боросиликатных стекол при температурах варки. Например, в расплавах фосфатных стекол с высоким содержанием коррозионноагрессивных оксидов железа и серы хроммолибденовые сплавы имеют высокую коррозионную стойкость, которая составляет 2,6 мм/год, что почти в 30 раз выше стойкости чистого молибдена в аналогичных условиях.
На фигуре представлена электростекловаренная печь для остекловывания радиоактивных отходов, состоящая из корпуса печи 1, выполненного из огнеупорных блоков, формирующих бассейн для варки стекла и накопления стекломассы; свода печи с облицовкой из жаропрочного сплава марки ХН70Ю (ГОСТ 5632-72) 2, газохода 3, питателя 4, электродов из хроммолибденового сплава 5; бокового узла плунжерного типа для розлива стекломассы 6 и придонного узла плунжерного типа для слива осадка 7, плунжеров 8 и сливных желобов 9, электроды снабжены водоохлаждаемыми рубашками 10.
Электростекловаренная печь работает следующим образом.
Высокоактивные отходы в смеси со стеклообразователем подают в бассейн корпуса печи 1 через питатель 4, расположенный в своде печи 2 на зеркало расплава. Наработку стекломассы проводят на поверхности зеркала расплава с помощью электродов 5 из хроммолибденового сплава. Образующиеся в процессе остекловывания газы удаляют через газоход 3. Слив наработанной стекломассы проводят после температурной выдержки, которая обеспечивает полное проплавление отходов на зеркале расплава через боковой узел розлива стекломассы 6. Периодическое удаление донных тугоплавких осадков и опорожнение печи перед выводом из эксплуатации осуществляют с помощью нагрева донного осадка электродами 5 и сливом стекломассы через придонный узел слива 7. С помощью водоохлаждаемой рубашки 10 охлаждают токоподвод электродов. Боковой узел розлива стекломассы и придонный узел слива осадка снабжены плунжерами 8. Розлив стекломассы и слив донного осадка проводят по сливным желобам 9.
Благодаря использованию электродов из жаростойкого хроммолибденового сплава и придонного узла слива в процессе эксплуатации обеспечивают периодическое удаление тугоплавких донных осадков, а также опорожнение печи перед выводом из эксплуатации. При этом применение придонного узла слива повышает срок службы печи до 6 лет.
Использование жаростойкого хроммолибденового сплава, содержащего 40-45 мас.% молибдена, характеризующегося высокой коррозионной стойкостью в расплавах агрессивных стекол, позволяет проводить остекловывание высокоактивных отходов в виде фосфатных и боросиликатных стекол.