ПОТОЧНАЯ ЛИНИЯ СЕПАРАЦИИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область техники
Полезная модель относится к составу и структуре поточных линий для радиометрической сепарации твердых радиоактивных материалов.
Здесь и далее обозначены:
(а) термином «твердые радиоактивные материалы» -
горная масса, которая получена путем шахтной или открытой отработки рудного тела и содержит радиоактивные включения в соответствии с действующими кондициями;
горная масса из забалансовых запасов, обычно добытая попутно с кондиционной горной массой при проходке вспомогательных горных выработок и подготовке очистных забоев, а
преимущественно - хвосты предшествующей сепарации кондиционной горной массы;
(б) термином «радиоактивный минерал» - минерал, содержащий, как правило, природный уран и присутствующий в составе твердых радиоактивных материалов;
(в) термином «концентрат» - отобранные для последующей переработки такие куски радиоактивного материала, в которых содержание радиоактивного минерала не меньше установленного значения.
Известный уровень техники
Общеизвестно, что даже в кондиционной горной массе как целевом продукте шахтной и открытой добычи урановых руд присутствуют материалы с незначительной радиоактивностью. Соответственно, добытую горную массу подвергают сепарации.
Для этого практически на всех существующих в мире горно-обогатительных предприятиях извлеченную горную массу «повагонеточно» проверяют радиометрами и содержимое вагонеток с забалансовым уровнем радиоактивности (и, соответственно, низким содержанием радиоактивного минерала) направляют непосредственно в отвал. Остальные твердые радиоактивные материалы дробят. Затем обычно выделяют две фракции, в частности, со средним размером кусков 90-300 мм и 40-90 мм. Каждую фракцию однократно пропускают через радиометрический сепаратор, настроенный на определенное значение содержания урана или иного природного радиоактивного элемента, и полученный концентрат передают на заводы для его извлечения, а хвосты - в отвал.
Использование описанного процесса в течение нескольких десятилетий привело (и продолжает приводить) к формированию техногенных поверхностных месторождений низкоконцентрированных урановых и им подобных руд. Эти месторождения:
во-первых, экологически опасны из-за ветровой и водной эрозии отходов, что приводит к загрязнению воздушных потоков радиоактивной пылью и газообразными радиоактивными веществами, к «расползанию» радиоактивных загрязнений и их проникновению в почву, поверхностные
и грунтовые воды, и,
во-вторых, выводят их сельскохозяйственной эксплуатации и рекреационного использования такие земельные участки, которые по площади во много раз превышают территории, непосредственно занятые отвалами горных и горно-обогатительных предприятий (см., например: Авдеев O.K., Кретинин А.А., Леденев А.И. и др. Радиоактивные отходы Украины: состояние, проблемы, решения. - Киев: Издательский центр «ДрУк», 2003).
По мере роста спроса на уран как энергоноситель и закупочных цен на концентрат природного урана положение начало выправляться, ибо хвосты сепарации и забалансовые запасы урановых руд начали рассматривать как практически полезные ресурсы.
Соответственно, технические решения были ориентированы именно на переработку указанных некондиционных твердых радиоактивных материалов.
Например, из патента Украины №12101 на полезную модель известен «Процесс переработки и утилизации твердых низкорадиоактивных отходов горного производства», включающий:
сортировку указанных отходов просеиванием,
дробление и промывку просеянных отходов,
радиометрическую сепарацию дробленых и промытых отходов мелкими порциями в две стадии, на первой из которых выделяют концентрат с высоким содержанием урана, а на второй разделяют остаток отходов на концентрат с низким содержанием урана и практически чистые хвосты, которые передают на использование в строительстве,
полученные концентраты измельчают и подвергают гидрометаллургическому переделу или кучной кислотной экстракции, мелкодисперсные отходы которой используют для гидрозакладки подземных горных выработок.
Из этого краткого перечня операций и его пояснений в подробном описании известного процесса специалистам понятно, что в состав такой поточной линии сепарации твердых радиоактивных материалов, которая наиболее близка к предлагаемой далее линии по технической сущности, входят:
средство разделения потока радиоактивного материала (в частности, хвостов предшествующей сепарации) на отдельные куски,
радиометрический сепаратор, имеющий две последовательно установленные секции, и
промежуточные приемники-сборники двух концентратов с разными уровнями содержания радиоактивного минерала.
Однако этих сведений явно недостаточно для построения эффективной поточной линии сепарации без дополнительного изобретательства.
Сущность полезной модели
В основу полезной модели положена задача усовершенствованием аппаратурной схемы и, особенно, радиометрического сепаратора и системы автоматического управления создать такую поточную линию, которая существенно увеличивала бы выход концентрата из твердых радиоактивных материалов, взятых из произвольных первичных и/или вторичных источников.
Поставленная задача решена тем, что поточная линия сепарации твердых радиоактивных
материалов имеет:
(1) по меньшей мере один питатель для подачи массы кусковых твердых радиоактивных материалов на сепарацию;
(2) по меньшей мере один формирователь потока пространственно отделенных один от другого кусков;
(3) по меньшей мере две последовательно расположенные, экранированные одна от другой и настроенные на разные уровни содержания радиоактивного минерала секции радиометрического сепаратора, каждая из которых содержит:
по меньшей мере один датчик потока гамма-квантов,
по меньшей мере один датчик размера кусков,
по меньшей мере одно средство отбора из потока таких кусков, содержание радиоактивного минерала в которых соответствует заданному для данной секции уровню, и
по меньшей мере один сборник отобранных в данной секции кусков;
(4) по меньшей мере один сборник-накопитель хвостов сепарации и
(5) систему автоматического управления, которая имеет:
по меньшей мере два информационно независимых аппаратных или программных задатчика содержания радиоактивного минерала в кусках,
по меньшей мере два информационно независимых аппаратных или программных блока определения фактического содержания радиоактивного минерала в кусках, причем на информационные входы каждого такого блока подключены указанные датчики потока гамма-квантов и размера кусков соответствующей секции радиометрического сепаратора,
по меньшей мере два информационно независимых аппаратных или программных компаратора-формирователя команд на отбор кусков, фактическое содержание радиоактивного минерала в которых не меньше величины, заданной для соответствующей секции радиометрического сепаратора, причем информационные входы каждого такого компаратора-формирователя подключены на информационные выходы указанных задатчиков и блоков определения, а к управляющим выходам таких компараторов-формирователей подключены указанные средства отбора кусков из потока.
Такая линия даже на базе двухсекционного радиометрического сепаратора способна существенно увеличить суммарный выход концентрата из твердых радиоактивных материалов и, соответственно, сократить массу отходов. Этот эффект особенно заметен при перечистке поднятых из отвалов хвостов предшествующей однократной радиометрической сепарации.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что поточная линия имеет три последовательно расположенные, экранированные одна от другой и настроенные на разные уровни содержания радиоактивного минерала секции радиометрического сепаратора. Это позволяет увеличить количество радиоактивного минерала, извлекаемого преимущественно из первичной
горной массы, получить три концентрата с разным содержанием этого минерала и, тем самым, оптимизировать гидрометаллургический передел или кучную кислотную экстракцию полученных концентратов и практически исключить не утилизируемые отходы.
Второе дополнительное отличие состоит в том, что каждый датчик потока гамма-квантов оснащен таким сцинтилляционным преобразователем гамма-излучения во вспышки видимого света, который по размерам соответствует максимальному размеру кусков сепарируемого радиоактивного материала, и фотоэлектронным умножителем, который непосредственно подключен на информационный вход соответствующего блока определения фактического содержания радиоактивного минерала в кусках. Это позволяет с высокой точностью отбирать из потока куски с заданным содержанием радиоактивного минерала.
Третье дополнительное отличие состоит в том, что питатель для подачи массы кусковых твердых радиоактивных материалов на сепарацию выполнен в виде наклонного ленточного транспортера, как конструктивно наиболее простого и экономичного средства подготовки произвольной горной массы к формированию потока пространственно разделенных кусков.
Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что поточная линия оснащена механическим носителем потока пространственно отделенных один от другого кусков в виде практически горизонтального ленточного транспортера, проходящего сквозь все секции радиометрического сепаратора. Это позволяет использовать в составе линии стандартные узлы.
Пятое дополнительное отличие состоит в том, что в поточной линии все секции радиометрического сепаратора расположены практически вертикально одна под другой по ходу трубчатого канала, который с одной стороны по всей длине имеет продольную прорезь для выброса и отвода отобранных кусков в соответствующие сборники. Это позволяет существенно уменьшить потребность в производственных площадях.
Шестое и седьмое дополнительные отличие состоят, соответственно, в том, что средство отбора кусков из потока выполнено на основе по меньшей мере одного пневматического или гидравлического сопла, выбор одного из которых зависит от насыщения горной массы радиоактивной пылью.
Естественно, что при выборе конкретных вариантов практического осуществления полезной модели возможны произвольные комбинации указанных дополнительных отличий с основным изобретательским замыслом, что этот замысел в пределах, заданных формулой полезной модели, может быть дополнен и/или уточнен с использованием обычных знаний специалистов и что описанные далее предпочтительные примеры воплощения изобретательского замысла никоим образом не ограничивают объем прав на основе полезной модели.
Краткое описание чертежей
Далее сущность полезной модели поясняется подробным описанием конструкции и работы предложенной поточной линии со ссылками на чертежи, где изображены на:
фиг.1 - базовая аппаратурная схема поточной линии;
фиг.2 - структурная схема системы управления многосекционным радиометрическим сепаратором.
Предложенная поточная линия сепарации твердых радиоактивных материалов, как минимум, имеет следующие части (см. фиг.1):
В начале линии установлен по меньшей мере один питатель 1 для подачи массы кусковых твердых радиоактивных материалов на сепарацию. В случаях, когда на сепарацию подают предварительно подготовленное сырье в виде определенной гранулометрической фракции (например, 90-300 мм, 40-90 мм или менее 40 мм), этот питатель 1 может иметь вид наклонного ленточного транспортера, как это показано на чертеже. Естественно, что угол наклона такого транспортера к горизонтали должен быть меньше угла естественного откоса для наиболее крупных кусков подаваемой на сепарацию первичной или вторичной горной массы.
Следует заметить, что поточная линия может быть выполнена в двух основных вариантах, а именно:
практически горизонтальной (с принудительным перемещением кусков сепарируемой горной массы), как это показано на фиг.1, или
практически вертикальной (с обеспечением последовательного свободного падения кусков горной массы в ограниченном подходящими средствами канале).
Второй вариант на чертежах особо не показан. Однако специалистам понятно, что такой канал обычно ограничен не обязательно круглой и не обязательно металлической трубой, которая с одной стороны по всей длине имеет продольную прорезь для выброса отобранных кусков из потока и их отвода в соответствующие сборники концентрата.
Вторым узлом линии служит по меньшей мере один формирователь 2 потока пространственно отделенных один от другого кусков. Он также может быть выполнен на основе не показанных особо горизонтального ленточного транспортера (или по меньшей мере начального участка такого транспортера) и механических или иных манипуляторов, обеспечивающих раскладку кусков с линейными промежутками, достаточными для их последовательного многократного радиометрического контроля. Если же поточная линия имеет вертикальный канал, то формирователь 2 должен обеспечивать сброс отдельных кусков в такой канал с интервалами времени, достаточными для их независимого радиометрического контроля и сепарации.
Для отбора кусков с заданными значениями содержания радиоактивного материала поточная линия имеет по меньшей мере две (а предпочтительно три) горизонтально или вертикально последовательно расположенные, экранированные одна от другой и настроенные на разные уровни содержания радиоактивного минерала секции 3 радиометрического сепаратора. Каждая такая секция 3 содержит:
по меньшей мере один датчик потока гамма-квантов, который, как правило, имеет сцинтилляционный преобразователь 4 гамма-излучения во вспышки видимого света и фотоэлектронный умножитель 5,
по меньшей мере один датчик 6 размера кусков,
по меньшей мере одно средство 7 отбора из потока таких кусков, содержание радиоактивного минерала в которых соответствует заданному для данной секции 3 уровню, и
по меньшей мере один сборник (контейнер) 8 отобранных в данной секции 3 кусков
Специалисту понятно, что длина и ширина каждой секции 3 должны быть достаточными, во-первых, для свободного прохода (или пролета) сепарируемых кусков горной массы с максимальными для обрабатываемой фракции размерами и, во-вторых, для практически полного исключения взаимной засветки фотоэлектронных умножителей 5 в смежных секциях 3 радиометрического сепаратора.
Выход из последней секции 3 радиометрического сепаратора подключен произвольным подходящим средством по меньшей мере к одному сборнику-накопителю 9 хвостов сепарации. Он может иметь вид огражденной открытой площадки с предпочтительно твердым покрытием.
И, наконец, специалисту понятно, что поточная линия имеет отдельную «ветвь» для каждой гранулометрической фракции кусков твердого радиоактивного материала, как это показано на фиг.1, и что эти «ветви» объединены общими опорными конструкциями.
Поскольку радиоактивные материалы опасны для здоровья людей, постольку поточная линия обязательно оснащена системой 10 автоматического управления (САУ 10), которая более подробно показана на фиг.2. САУ 10 имеет информационно независимые каналы контроля и управления, количество которых равно количеству секций 3 радиометрического сепаратора в каждой «ветви» поточной линии и каждый из которых, как минимум, содержит такие аппаратные или программные средства, как:
задатчик 11 норматива содержания радиоактивного минерала в кусках горной массы (отдельно для каждой секции 3 радиометрического сепаратора),
аппаратный или программный блок 12 определения фактического содержания радиоактивного минерала в кусках, причем на информационные входы каждого такого блока 12 подключены указанные датчики потока гамма-квантов (а именно - фотоэлектронные умножители 5) и датчики 6 размера кусков соответствующей секции 3 радиометрического сепаратора,
аппаратный или программный компаратор-формирователь 13 команд на отбор кусков, фактическое содержание радиоактивного минерала в которых не меньше величины, заданной для соответствующей секции 3 радиометрического сепаратора. Информационные входы каждого такого компаратора-формирователя 13 подключены на информационные выходы соответствующих задатчиков 11 и блоков 12 определения, а к управляющим выходам таких компараторов-формирователей 13 подключены указанные средства 7 отбора кусков из потока.
Описанная линия работает следующим образом.
Перед запуском линии заготавливают переходящий запас сырья в виде кусков определенной гранулометрической фракции. На радиометрическую сепарацию обычно подают:
крупную фракцию с размером кусков в интервале от 90 до 300 мм,
среднюю фракцию с размером кусков в интервале от 40 до 90 мм и
мелкую фракцию, в которой средний размер частиц обычно менее 40 мм.
Если радиоактивным материалом служит первичная горная масса, то ее дробят, указанные фракции выделяют на увлажняемых грохотах, а куски с размером более 300 мм направляют на повторное дробление и грохочение.
Если радиоактивным материалом служат хвосты предшествующей однократной радиометрической
сепарации, то ее просто фракционируют по гранулометрическому составу с выделением указанных фракций.
Далее каждую выделенную фракцию подают в «собственную» ветвь поточной линии, где питатель 1 обеспечивает предварительное выравнивание слоя кусков радиоактивного материала, а формирователь 2 организует поток пространственно отделенных один от другого кусков, которые последовательно, один за другим проходят (или пролетают) через секции 3 радиометрического сепаратора.
Автоматическая радиометрическая сепарация кусков по заданным значениям концентрации радиоактивных веществ (как правило, урана) основана:
на определении в блоках 12 САУ 10 фактического содержания радиоактивного минерала в каждом куске по сигналам датчиков 4, 5 потока гамма-квантов и датчиков 6 размера кусков,
сравнении этих величин в компараторах-формирователях 13 САУ 10 с сигналами от задатчиков 11 нормативов содержания радиоактивного минерала в кусках,
выработке такими компараторами-формирователями 13 команд на отбор кусков из потока горной массы (или запрет такого отбора) и
исполнение команд средствами 7 отбора.
Промышленная применимость
Предложенная поточная линия может быть использована как для оснащения урановых рудников, так и горно-обогатительных предприятий.
Линия позволяет за один проход через многосекционный радиометрический сепаратор выделять из первичной горной массы или поднимаемых из отвалов хвостов несколько продуктов, а именно:
кондиционный концентрат с высоким содержанием радиоактивных минералов как качественное сырье для гидрометаллургического передела,
промпродукт, пригодный для кучной кислотной экстракции урана на полигонах,
щебень для дорожно-строительных работ и
слаборадиоактивную дисперсную массу со средним размером частиц менее 10 мм, пригодную для гидрозакладки отработанных горных выработок.
Тем самым можно исключить накопление свежих отвалов и практически полностью переработать существующие отвалы, возникшие вследствие предшествующей одностадийной сепарации радиоактивных материалов.