УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ВЫСОКОГО УРОВНЯ АКТИВНОСТИ

Устройство для отверясдения жидких радиоактивиых отходов высокого уровия активиости.
Предлагаемая полезная модель относится к экологически безопасному устройству для дистанционной переработки радиоактивных жидких продуктов высокого уровня активности, получения твердых остеклованных отходов, размещения этих отходов в контейнеры и подготовке контейнеров с остеклованными отходами к эвакуации к месту захоронения.
Известно устройство для остекловывания высокорадиоактивных растворов, включающее тигель и источник электроэнергии для расплавления радиоактивной стекломассы Патент РФ № 2065214 МПК G21F 9/16. Внутрь корпуса печи зафужают исходную стекломассу, производят ее разогрев до состояния расплавления, затем на расплав стекла подают исходный раствор, содержащий радионуклиды. Под действием высокой температуры вода, азотная кислота испаряются. Образующийся плав в дальнейшим претерпевает фазовые изменения, смесь оксидов на конечной стадии преобразуется в стекло. Готовый продукт размещают в бидоны, из которых комплектуют пенал. Пенал передают в хранилище.
Основным недостатком этого устройства является то, что стекло необходимо сливать в отдельно стоящую емкость, габариты плавителя не могут обеспечить процесс остекловыдния с заданной производительностью.
Известен индукционный плавитель с холодным (водоохлаждаемым) тиглем, в котором осуществляется процесс остекловывания высокорадиоактивных растворов. Лифанов Ф.А., и др. Индукционная печь для варки стекла. «Стекло и керамика, 1991, № 7, с. 10-11. Это
устройство предназначено для иммобилизации жидких высокоактивных отходов с достаточно большой производительностью.
Основными недостатками этого устройства являются наличие емкости для слива подготовленного стеклоподобного материала, а так же значительная удельная металлоемкость, т.е. масса металла, отнесенная к производительности, сложность осуществления начального момента процесса (стартовый нагрев) в малом технологическом обьеме и большие габариты.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является установка для отверждения радиоактивных отходов высокого уровня активности Г.Б. Борисов, А.В. Назаров и др. «Исследование процесса остекловывания радиоактивной пульпы с использованием СВЧ нагрева «Вопросы радиационной безопасности № 2, 2002 г с. 29-34. Эта установка содержит горячий тигель, имеющий цилиндрический корпус, днище и крышку. На крыщке размещены патрубки загрузки, сдувки и контрольно-измерительных приборов. Вокруг тигля расположен нагреватель.
Это устройство позволяет уменьщить недостатки, приведенные выще, но не исключает их полностью.
Задачей, на рещение которой направлена полезная модель, является создание устройства для проведения процесса остекловывания высокорадиоактивных растворов при минимальных (до 70,0 мл) объемах тигля, сокращения времени технологических операций по утилизации радиоактивных растворов, уменьшения объемов вторичных отходов, осуществления переработки исходных растворов в твердую фазу и ее эвакуацию без остатка.
Эта задача решается тем, что устройство для отверждения.жидких радиоактивных отходов высокого уровня активности включает горячий тигель и нагреватель. Горячий тигель состоит из цилиндрического корпуса, днища и крышки, на которой размещены патрубки загрузки, и
контрольно-измерительных приборов, причем горячий тигель состоит из верхней и нижней частей, герметично соединенных между собой, при этом площадь сечения верхней части тигля больше площади сечения нижней части тигля в 4 и более раза, а объем верхней части тигля больше объема нижней части тигля в 5 и более раз, при этом сопряжение верхней и нижней частей тигля выполнено по. принципу «шар-конус, причем верхняя и нижняя части тигля в месте их сопряжения имеют коническую и шаровую поверхности соответственно, при этом внешняя поверхность верхней части тигля в месте сопряжения снабжена коллектором водяного охлаждения.
В частном варианте нагреватель выполнен в виде печи электрического сопротивления.
В другом частном варианте на цилиндрической поверхности обечайки верхней части тигля размещен патрубок сдувки.
В другом, частном варианте коллектор водяного охлаждения размещен на внещней поверхности тигля на расстоянии 10-20 мм от нижнего торца конической поверхности.
В другом частном варианте днище нижней части тигля расположено выше нижнего торца нижней части тигля на 3-5 мм.
В другом частном варианте обечайка нижней части тигля с внутренней стороны и ниже ее днища выполнена конической.
В другом частном варианте нижняя часть тигля закреплена на платформе с помощью байонетного соединения.
Нижняя часть устройства, наиболее подвергаемая температурным и коррозионным воздействиям, испо.г1ьзуется минимально короткое время: только на период времени переработки одной загрузки. За это время под действием температурь и окислительного воздействия реагентов происходят коррозионные-процессы. По данным, Специальные стали и сплавы. Т. 3. с.64-82, величина коррозии материала 12Х18Н10Т в течении 120 мин (времени одной операции) составляет не более 0,1 мм. При
ИСХОДНОЙ толщине стенки контейнера (2 мм) величина коррозии принципиально не оказывает существенного влияния на его механическую прочность.
Верхняя часть тигля находится в несколько других условиях, главным из которых является значительно меньщие температурные поля, при этом величина коррозии нержавеющей стали значительно меньше Специальные стали и сплавы. Т. 3. с.64-82.
Таким образом, горячий тигель, состоит из двух составных частей. Одна часть используется постоянно в течение всей компании переработки радиоактивных растворов и предназначена для размещения газожидкостной фазы технологического процесса. Другая часть является разовым элементом использования, позволяет осуществить переработку высокорадиоактивных .растворов в условиях дистанционного обслуживания без дополнительных операций по передаче плава стекла из одной технологической единицы оборудования в другую для размещения ее в транспортном пенале.
Коррозии в наибольщей степени подвергается материал тигля на границе раздела фаз расплав стекла - парогазовая фаза. При осуществлении непрерывного процесса граница раздела фаз является почти постоянной. Стенка тигля подвергается коррозионному воздействию на одном уровне его высоте. В предлагаемом устройстве граница раздела фаз во время утилизации растворов перемещается по высоте в течение всего времени осуществления процесса, поэтому при одной и той же величине коррозии эксплутационные возможности в предлагаемом устройстве более предпочтительны.
Устройство обеспечивает надежное размещение остеклованного продукта в капсуле из нержавеющей стали, сокращение числа технологических операций с высоко радиоактивным продуктом. Размеры капсулы обеспечивают экологически безопасную транспортировку до
места хранения и прохождение ее через коммуникации в помещение хранилища.
Ыа фиг.1 представлена общая компоновка устройства для отверждения жидких радиоактивных отходов.
На фиг.2 представлено место сочленения и нижняя часть тигля.
Устройство включает горячий тигель, состоящий из двух основных элементов: неподвижная верхняя часть (1) и подвижная нижняя часть (2). Верхняя часть тигля с объемом до 300 мл снабжена крыщкой (3), на которой размещены патрубки для подачи исходного раствора и твердой фазы, а также температурных датчиков. Ввиду ограниченных размеров крыщки, патрубок сдувки (4) размещен на цилиндрической поверхности обечайки верхней части тигля. Нижний торец верхней части тигля выполнен коническим и является элементом стыковочного узла (5). С внешней стороны цилиндрической поверхности обечайки верхней части тигля в области расположения стыковочного узла размещен коллектор водяного охлаждения (6). Нижняя часть тигля выполнена в виде стакана, имеющего днище, а также верхний и нижний торцы. Верхний торец имеет шаровую поверхность. Днище приподнято на 2-3 мм относительно нижнего торца стакана. Кроме того, внутренняя боковая поверхность нижней части стакана от торца до днища выполнена конической формой. Вокруг нижней части тигля размещена печь электрического сопротивления (7). Эта печь может быть выполнена из двух частей, которые снабжены вертикальной петлей и диаметрально расположенным относительно ее замком для соединения этих половин печи. Нижняя часть тигля установлена на платформе узла перемещения (8). Закрепление нижней части тигля на платформе осуществлено при помощи байонетного соединения (9). Платформа снабжена механизмом (10), который позволяет производить вертикальные перемещения нижней части тигля, например, узел винт-гайка, а сама платформа допускает горизонтальные
перемещения относительно вертикальной оси рамы (11), на которой, закреплены все узлы устройства.
Пример конкретного выполнения полезной модели.
В нижнюю часть тигля (капсулу) (2) диаметром 30 мм и высотой 65 мм, выполненную из стали 12Х18Н10Т, помещают навеску дробленого стекла (стеклофритту) в количестве 20 - 25 г. Фракция дробленого стекла составляет класс -3,0 + 0,1 мм. Капсулу манипулятором устанавливают на платформу узла перемещения (8) капсулы и фиксируют ее, используя байонетное соединение (9). Осуществляют перемещение платформы с установленной на ней капсулой в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси рамы (И) так, чтобы вертикальные оси капсулы и верхней части тигля (1) с крыщкой (3) и патрубком сдувки (4) были совмещены (платформа перемещается до соприкосновения с упором). Приводят в действие механизм вертикального перемещения (10) платформы, вверх. Шаровая поверхность капсулы входит в соприкосновение с конической поверхностью верхней части тигля, образуя стыковочный узел (5) и происходит герметизация частей тигля. Усилие при стыковке частей тигля обеспечивается предельным моментом предохранительной (фрикционной) муфты узла вертикального перемещения. При этом нижняя часть тигля находится внутри печи электрического сопротивления (7). Включают подачу холодной воды с расходом 0,2-0,6  в коллектор водяного охлаждения (6) узла стыковки капсулы с верхней половиной тигля и охлаждения патрубка подачи раствора. Включают электропитание печи. Поддерживают напряжение 220 В и номинальный, ток до 40 А. После образования плава стеклофритты, (определяется по показаниям термо датчиков), осуществляют подачу раствора в тигель с расходом 25,0-35,0 мл/час. Выделяется оксид азота, пары воды, которые образуют парогазовую фазу значительного объема (до 20,0 литров в час). Эта парогазовая фаза захватывает часть расплава стекла. Происходит образование пенного слоя.
который размещается в верхней части тигля и благодаря уменьшению скорости газового потока (скорость газового потока уменьшается за счет различных площадей сечения капсулы и верхней части тигля). Высота пенного слоя, находящегося в верхней части тигля, уменьшается. Происходит разделение газовой и жидкой фаз под действием сил гравитации, поверхностного натяжения, скоростей потока газа. Газовую фазу направляют на узел газоочистки, а жидкая фаза возвращаются в нижнюю часть тигля. Процесс остекловывания осуществляют при температуре 950-1000 °С. Температура отходящих газов составляет 230280 С. После истечения 60-70 мин процесс завершается. Стекло занимает примерно половину объема тигля. После этого осуществляют повторную операцию по утилизации высокорадиоактивных растворов, после чего тигель заполнен массой стекла на 95-98 % своего объема. Производят отключение электропитания печи. Приводят в движение вертикальное перемещение платформы. Капсулу, которая установлена на платформе, опускают вниз и при этом она выходит из соприкосновения с верхней неподвижной частью тигля. Стекло находится в нижней части тигля, в твердом состоянии, радионуклиды надежно зафиксированы в матрице. Далее осуществляют горизонтальное перемещение платформы вокруг вертикальной оси рамы и капсула выдвигают из - под печи. Капсулу захватывают манипулятором и снимают с платформы. Затем эту капсулу размещают в транспортном контейнере. В каждый контейнер загружают по три капсулы, после чего контейнер герметизируют крышкой. Цикл переработки высокорадиоактивного раствора закончен, получено около 60 мл остеклованных радиоактивных отходов. Кампания переработки таких растворов предполагает 100-120. циклов....
Использование предлагаемой полезной модели позволит осуществить переработку высокорадиоактивных .растворов при минимальных габаритах оборудования с высокой надежностью при минимальном времени технологических операций в условиях «горячей
камеры. Полученный материал, который находится в капсулах из нержавеющей стали, при выбранных габаритах, которые позволяют размес гить их в хранилище радиоактивных отходов.