УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем их фиксации в устойчивой твердой среде.
Известно, что РАО могут быть кондиционированы, т.е. превращены в твердую форму, применимую для постоянного хранения, в частности, методом цементирования.
Определяющим при проведении процесса цементирования является обеспечение основных показателей качества получаемого после твердения продукта (компаунда), а именно, прочности и гомогенности с равномерным распределением РАО по всему объему емкости.
Существуют различные способы кондиционирования РАО (Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. - М.: Энергоатомиздат. - 1985. - с.133), в частности, цементирование, в т.ч. в емкости (бочке), предназначенной для хранения цементированных отходов, при перемешивании мешалкой, используемой многократно или однократно (мешалку оставляют в бочке). Известное устройство для кондиционирования РАО содержит емкость окончательного хранения, внутри которой размещены вал, присоединяемый к валу привода вращения, и закрепленная на валу мешалка в виде лопастей или элементов перемешивания иной формы. Вал центрирован на основании (днище) емкости.
Недостатком данного устройства является узкая область его применения, т.к. оно обеспечивает требуемые показатели качества получаемого продукта только при технологии кондиционирования, предусматривающей определенный порядок поступления в емкость компонентов для перемешивания, а именно, сначала жидких радиоактивных отходов (ЖРО), затем связующего вещества, в частности, цемента. При этом процесс сопровождается сильным пылением, что приводит к попаданию цементной пыли в систему очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей и газов, где она со временем превращается в цементный камень. Экспериментально установлено, что при таком порядке поступления в емкость компонентов элементы системы очистки воздуха от радиоактивных аэрозолей и газов часто выходят из строя, что приводит к дополнительному облучению персонала при их обслуживании и ремонте.
Эта проблема может быть решена применением другой технологии кондиционирования, предусматривающей порядок поступления в емкость сначала связующего вещества, затем ЖРО. Но в этом случае использование для перемешивания простой одноосевой мешалки не обеспечивает перемешивание жидкой составляющей с сухими вяжущими компонентами (цемент и добавки), при этом в емкости образуются зоны с различной плотностью компаунда (зоны с высоким содержанием воды и зоны с высоким содержанием цемента), т.е. образуются комки, в которых содержание РАО значительно ниже, чем в зоне с жидким компаундом. Перемешивание простой одноосевой мешалкой не позволяет получить гомогенный продукт, из-за отсутствия равномерного перемешивания, особенно вблизи оси мешалки, где образуются неразмешанные зоны.
Этот недостаток особенно проявляется при цементировании концентрированных солевых растворов и шламов.
Кроме того, при получении цементных компаундов с повышенным включением РАО используются рецептуры с пониженным водоцементным соотношением, т.е. цементный раствор должен иметь наибольшую плотность и вязкость, что усугубляет неравномерность перемешивания и образования неразмешанных зон, приводит к невозможности получения качественного компаунда.
Заявляемая полезная модель позволяет устранить указанные недостатки и обеспечить требуемые нормативные показатели качества конечного продукта (прочность, гомогенность с равномерным распределением радиоактивных отходов по всему объему емкости), в т.ч. при получении цементных компаундов с повышенным содержанием РАО, при расширении области использования, повышении экологической безопасности и экономичности.
Указанный технический эффект достигается устройством для кондиционирования радиоактивных отходов, принудительно смешиваемых с матричным материалом, преимущественно на основе цемента. Устройство содержит емкость, внутри которой размещены вал, присоединяемый к валу привода вращения, и мешалка, состоящая из вращающейся части, закрепленной на валу и неподвижной части, зафиксированной на емкости. Вращающаяся часть состоит из, по меньшей мере, одного несущего элемента, который снабжен зафиксированными элементами перемешивания, по меньшей мере, одним, а неподвижная часть мешалки состоит из, по меньшей мере, одного несущего элемента, который снабжен зафиксированными элементами разделения, по меньшей мере, одним. При этом в зонах сближения, по меньшей мере, часть элементов неподвижной части мешалки расположены между элементами вращающейся части, причем минимальное расстояние между близлежащими элементами составляет не менее 5 мм и выбрано в зависимости от геометрических размеров и конфигурации элементов и их поперечных сечений, от физико-механических свойств смешиваемых компонентов и получаемого продукта.
Неподвижная часть мешалки размещена в нижней части емкости, и предпочтительно ее высота составляет не менее 0,3 высоты емкости от днища.
Несущий элемент вращающейся части может быть выполнен в виде рамы, при этом верхняя и нижняя части рамы могут быть установлены с угловым смещением в горизонтальных плоскостях относительно друг друга до 90°, при этом центральная часть рамы образует подъемный угол атаки для смешиваемых компонентов.
Элементы перемешивания и элементы разделения могут быть зафиксированы на соответствующих несущих элементах вертикально и/или с отклонением от вертикали до 90°, при этом расположены в вертикальных плоскостях, проходящих через ось вращения.
Элементы перемешивания и элементы разделения могут быть зафиксированы на соответствующих несущих элементах с отклонением от вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения, при этом отклонение элементов перемешивания от вертикальной плоскости создает подъемный угол атаки для смешиваемых компонентов, а элементы разделения отклонены в противоположную сторону.
Угол отклонения элементов от вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения, может составлять 15÷45° в зависимости от геометрических размеров и конфигурации элементов и их поперечных сечений, от физико-механических свойств смешиваемых компонентов и получаемого продукта.
Элементы перемешивания и/или элементы разделения, по меньшей мере, один, могут быть выполнены в виде пластин.
В зонах максимального сближения элементов неподвижной части мешалки и элементов вращающейся части расстояние между близлежащими элементами предпочтительно составляет 5÷70 мм в зависимости от геометрических размеров и конфигурации элементов и их поперечных сечений, от физико-механических свойств смешиваемых компонентов и получаемого продукта.
На элементах вращающейся части мешалки, по меньшей мере, на одном из близлежащих к внутренним поверхностям емкости, могут быть зафиксированы активаторы, при этом расстояние между активаторами и внутренней поверхностью емкости составляет не менее 5 мм.
Активаторы зафиксированы с шагом L, причем активаторы одного элемента смещены относительно активаторов другого элемента на расстояние L/n, где n - количество элементов, на которых зафиксированы активаторы.
Активаторы могут быть зафиксированы на соответствующих элементах с отклонением от горизонтали, при этом отклонение активаторов от горизонтали создает подъемный угол атаки для смешиваемых компонентов и составляет до 45° в зависимости от геометрических размеров и конфигурации активаторов, от физико-механических свойств смешиваемых компонентов и получаемого продукта.
Активаторы могут быть выполнены в виде пластин.
В днище емкости выполнены элементы центрирования и фиксации неподвижной части мешалки.
Вал дополнительно снабжен узлом присоединения к валу привода вращения.
Геометрия, взаимное расположение элементов подвижной и неподвижной частей мешалки, расстояние между элементами, которые определяются экспериментально, обеспечивают нормативные показатели качества получаемого компаунда (прочность, гомогенность с равномерным распределением радиоактивных отходов по всему объему емкости).
Нормативные показатели качества получаемого компаунда обеспечиваются при снижении скорости вращения мешалки вплоть до 30 об/мин. Это в свою очередь обеспечивает снижение интенсивности пыления и разбрызгивания, а также снижение нагрузки на привод, т.е. повышение экологической безопасности и экономичности устройства.
Кроме того, расширяется область использования устройства. Оно может применяться для получения компаундов с повышенным содержанием РАО, например, при цементировании жидких РАО в условиях низких водоцементных соотношений (0,35÷0,65), т.е. в условиях получения очень густых компаундов, что позволяет увеличивать процент включения радиоактивных солей в конечном продукте свыше 25% по массе при обеспечении требуемой прочности компаунда. Устройство может применяться для получения компаундов с высоким содержанием гетерогенных РАО (сорбенты, шламы, измельченные твердые радиоактивные отходы), а также для легко вспенивающихся РАО.
При этом устройство может применяться как при традиционных технологиях кондиционирования, предусматривающих порядок поступления в емкость сначала ЖРО, затем связующего вещества, так и при технологии кондиционирования, предусматривающей порядок поступления в емкость сначала связующего вещества, затем ЖРО. Основная проблема при такой последовательности поступления смешиваемых компонентов заключается в том, что связующее вещество, в частности, цемент препятствует проникновению жидкости вниз, затрудняя процесс перемешивания.
Экспериментально установлено, что целесообразно размещать неподвижную часть мешалки в нижней части емкости, таким образом, чтобы ее высота составляла не менее 0,3 высоты емкости от днища. При высоте неподвижной части мешалки менее 0,3 высоты емкости от днища образуются большие зоны непромесов, и значительно увеличивается время перемешивания.
Несущий элемент вращающейся части может быть выполнен в виде рамы, при этом верхняя и нижняя части рамы могут быть установлены с угловым смещением в горизонтальных плоскостях относительно друг друга до 90°, что обеспечивает более равномерную нагрузку на привод. Смещение на угол более 90° нецелесообразно. При этом центральная часть рамы образует подъемный угол атаки для смешиваемых компонентов, что способствует лучшему их перемешиванию и сокращению времени перемешивания.
Размещение элементов перемешивания и элементов разделения с отклонением от вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения, усиливает интенсивность перемешивания и снижает максимальную нагрузку на привод в момент сближения элементов на начальной стадии перемешивания. При этом отклонение элементов перемешивания от вертикальной плоскости создает подъемный угол атаки для смешиваемых компонентов, а элементы разделения отклонены в противоположную сторону.
Отклонение на угол менее 15° не обеспечивает указанный эффект в нужной мере, а отклонение на угол более 45° приводит к значительному усложнению и удорожанию конструкции.
При выполнении элементов перемешивания и элементов разделения в виде пластин они могут быть зафиксированы на соответствующих несущих элементах как вертикально и/или горизонтально, так и с отклонением от вертикальной или горизонтальной плоскости. При этом в сторону движения направлены преимущественно грани пластин, составляющих их толщину, что позволяет при сохранении прочностных характеристик мешалки снизить ее сопротивление при перемешивании, а, следовательно, нагрузку на привод.
Расстояние между близлежащими элементами неподвижной части мешалки и элементами вращающейся части в зонах максимального сближения элементов зависит от геометрических размеров и конфигурации элементов и их поперечных сечений, от физико-механических свойств смешиваемых компонентов и получаемого продукта и выбирается экспериментально. Кроме того, расстояние между элементами может быть различным в зависимости от зоны их размещения внутри емкости, при этом оно уменьшается у оси вращения мешалки и вблизи днища емкости. При расстоянии менее 5 мм возможно превышение максимального момента на валу привода вращения выше допустимого или заклинивание элементов мешалки, что может привести к остановке процесса перемешивания и получении некондиционного продукта. При расстоянии более 70 мм возникают зоны непромесов, образуются плотные комки, не обеспечивается гомогенность получаемого компаунда.
Конфигурация и высота элементов перемешивания позволяют регулировать скорость проникновения жидкости в матричный материал, тем самым оптимизировать крутящий момент и нагрузку на привод.
Активаторы, зафиксированные на элементах вращающейся части мешалки, по меньшей мере, на одном из близлежащих к внутренним поверхностям емкости, обеспечивают перемешивание в пространстве между элементами и поверхностью емкости и исключают зоны непромесов на поверхности емкости. Закрепление активаторов одного несущего элемента со смещением относительно активаторов другого несущего элемента обеспечивает наиболее полный охват перемешиваемого пространства при минимальном количестве активаторов. При расстоянии между активаторами и внутренней поверхностью емкости менее 5 мм возможно заклинивание, деформация активаторов и элементов мешалки, что может привести к выходу из строя устройства.
Активаторы могут быть зафиксированы на соответствующих элементах с отклонением от горизонтали и выполнены в виде пластин. При этом отклонение активаторов от горизонтали с созданием подъемного угла атаки для смешиваемых компонентов способствует перемещению вверх пристеночных слоев и улучшает перемешивание. Отклонение активаторов от горизонтали на угол более 45° не обеспечивает указанный эффект в нужной мере.
На чертеже представлена схема устройства для кондиционирования РАО.
Устройство для кондиционирования РАО содержит емкость (1), внутри которой размещены вал (2), присоединяемый к валу привода вращения (3) с помощью узла присоединения (4), и мешалку, используемую однократно (мешалку оставляют в бочке). Мешалка состоит из вращающейся части, закрепленной на валу (2), и неподвижной части, зафиксированной в днище емкости (например, цилиндрической бочки) (1) с помощью элементов центрирования и фиксации (5).
Вращающаяся часть состоит из несущего элемента (6), который снабжен зафиксированными элементами перемешивания (7). Неподвижная часть мешалки состоит из несущего элемента (8) в виде стойки, которая снабжена зафиксированными элементами разделения (9). На схеме изображено положение элементов в зоне максимального сближения, при этом часть элементов неподвижной части мешалки расположены между элементами вращающейся части.
В емкости (бочке) объемом 200 литров с внутренним диаметром 550÷570 мм расстояние между элементами вращающейся части и неподвижной части в зонах максимального сближения составляет 35÷40 мм.
Несущие элементы вращающейся и/или неподвижной части могут быть выполнены из трубы диаметром 30÷50 мм. Элементы перемешивания и/или элементы разделения могут быть выполнены из трубы или стержня диаметром 8÷25 мм. Элементы перемешивания могут быть выполнены также из пластин. Отклонение отдельных элементов перемешивания и элементов разделения от вертикальной плоскости, проходящей через ось вращения, составляет около 30° (на схеме не обозначено).
Элементы вращающейся части мешалки, по меньшей мере, один из близлежащих к внутренней поверхности емкости, снабжены активаторами в виде пластин, зафиксированных на элементах под углом 45° к горизонтальной плоскости (10). Расстояние между активаторами и внутренней поверхностью емкости (бочки) составляет 7 мм.
Емкость может быть выполнена разъемной или снабжена крышкой с последующей герметизацией соединения для осуществления сборки устройства (на схеме не указано).
Устройство работает следующим образом. Цемент и жидкие РАО поочередно или одновременно через загрузочное отверстие (11) поступают в емкость (бочку) (1). Вал (2) присоединяется с помощью узла присоединения (4) к валу привода вращения (3) и осуществляется перемешивание смеси с выбранной оптимальной скоростью вращения мешалки до полного смешивания цемента и РАО. Например, для перемешивания жидких РАО - концентрированного кубового остатка (ККО) концентрацией 800 г/л (25÷29 масс.% содержания РАО) при водовяжущем соотношении 0,57÷0,61 кг/кг минимальная скорость вращения составляет 30 об/мин. Операция смешивания оканчивается через 8 мин, при этом период максимальной нагрузки на привод составляет около 3% времени перемешивания.
После перемешивания привод вращения отсоединяется, отверстие в емкости (бочке) герметизируется. Бочка с цементным компаундом выдерживается до затвердения компаунда.
Проведенные испытания подтвердили соответствие конечного получаемого продукта требуемым нормативным показателям качества (прочность и гомогенность с равномерным распределением радиоактивных отходов по всему объему емкости), в т.ч. при получении цементных компаундов с низким водоцементным соотношением и с повышенным содержанием РАО. При этом процесс перемешивания осуществляется при снижении нагрузки на привод, т.е. при повышении экономичности, и повышении экологической безопасности.