Результат интеллектуальной деятельности: Способ обеззараживания радиоактивных отходов органического происхождения

Изобретение относится к области термической переработки углеродсодержащих материалов и предназначено для использования при переработке (обезвреживании) радиоактивных отходов органического происхождения (далее, РАО), утилизации коммунальных и промышленных отходов.

На АЭС в результате производственной деятельности неизбежно образуется и накапливается большое количество твердых радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности, которые обычно подразделяют на горючие (сжигаемые) и негорючие (не сжигаемые) отходы [В.П. Шведов, В.М. Седов и др. Ядерная технология. Москва, Атомиздат, 1979, с. 248-249].

К твердым не сжигаемым радиоактивным отходам относятся металлические фрагменты и узлы технологического оборудования, строительный мусор, фильтры вентиляционных систем, шламы и солевые осадки емкостей-хранилищ ЖРО, плавы установок глубокого упаривания (УГУ) кубовых остатков и др. Сжигаемыми отходами являются отходы органического происхождения, которые условно подразделяют на две крупные группы - целлюлозные (бумага, картон, ветошь, древесина, вата и др.) и полимерные (полиэтилен, пластикат, отработавшие свой регламентный срок ионообменные смолы и др.) материалы. Объем сжигаемых радиоактивных отходов составляет 40-60% от общей массы образующихся на АЭС радиоактивных отходов [Ю.В. Чечеткин, А.Ф. Грачев. Обращение с радиоактивными отходами. Самара, Самарский дом печати, 2000, с. 137].

Насущной проблемой обращения с РАО органического происхождения на АЭС, требующей принятия действенных решений, является проблема, связанная с высокой степенью заполнения станционных хранилищ радиоактивными отходами и отсутствием на большинстве АЭС действующих установок (участков, цехов) по обезвреживанию РАО непосредственно на территории АЭС. Это существенно обостряет экологическую опасность в регионах расположения АЭС, обусловленную возможностью выхода радионуклидов в окружающую среду [Ю.П. Корчагин. Снижение поступлений радиоактивных отходов и технологии их переработки. Тезисы доклада 4-й международной научно-технической конференции. Обращение с радиоактивными отходами. М., 26-28 июня, 2001, с. 13]. Перевозка же РАО органического происхождения на специализированные предприятия по их обезвреживанию сопряжена с экологическим риском, связанным с возможностью радиационного загрязнения окружающей среды в случае дорожно-транспортных аварий и диверсий.

В настоящее время ни одна из стран не обладает эффективными технологиями, позволяющими полностью решить проблему обращения с радиоактивными отходами, образующимися на АЭС.

В большинстве стран РАО просто сортируются и складируются на территории АЭС в ожидании решения этой проблемы, поэтому и сейчас обращение с радиоактивными отходами является одним из приоритетнейших направлений исследований в странах с развитой ядерной энергетикой [Ю.В. Чечеткин, А.Ф. Грачев. Обращение с радиоактивными отходами. Самара, Самарский дом печати, 2000, с. 3].

Известно, что для обеспечения условий экологической безопасности при длительном хранении и захоронении РАО органического происхождения необходимо проведение комплекса мероприятий (технологий) по их обезвреживанию. При этом основными условиями организации эффективных технологий обезвреживания РАО являются не только обеспечение требований максимального уменьшения их объема и качественного отверждения (омоноличивание, замоноличивание, иммобилизация) конечного продукта в твердой матрице, отвечающей требованию надежной изоляции ТРО от внешней среды, но и простота используемых в технологии способов и аппаратурного оформления технологического процесса переработки РАО.

Немаловажным также является минимизация энергозатрат, стоимость и доступность реагентов и материалов, используемых в технологии обезвреживания радиоактивных отходов.

В настоящее время в практике обезвреживания смешанных твердых сжигаемых органических отходов (целлюлозных и полимерных) широкое распространение получили термические способы. К термическим способам в первую очередь относятся методы их огневого и плазменного сжигания в специальных печах при температурах 800-4000°С. Эти способы позволяют перевести органические радиоактивные отходы в биологически- и пожаробезопасное состояние, при этом объем отходов может быть уменьшен в 10-50 раз [Ю.В. Чечеткин, А.Ф. Грачев. Обращение с радиоактивными отходами. Самара, Самарский дом печати, 2000, с. 164-170, 204-206 и В.П. Шведов, В.М. Седов и др. Ядерная технология. Москва, Атомиздат, 1979, с. 252-256].

Основными недостатками способов огневого и плазменного сжигания органических РАО являются высокие температуры проведения процесса, значительная металлоемкость оборудования, сложное аппаратурно-технологическое оформление процесса и др., что ведет к существенному увеличению энергетических и капитальных затрат. Кроме того, для извлечения диоксинов из дымо-газов, при сжигании органических РАО, требуется установка дополнительных фильтров.

Одним из таких способов является низкотемпературный пиролиз радиоактивных отходов органического происхождения методом термической деструкции, в диапазоне температур, в химически активной среде, в которую помещают радиоактивные отходы органического происхождения, а полученный сухой продукт радиоактивных отходов выводят из химически активной среды (1).

Однако, при известном способе, для полного вывода диоксинов из дымо-газов при переработке органических РАО необходимо пропустить их через несколько стадий фильтрования. При этом, в процессе эксплуатации фильтры могут выйти из строя, а не своевременная их замена, как расходного материала, может привести к загрязнению окружающей среды.

Техническим результатом, получаемым при использовании предлагаемого изобретения, является повышение эффективности обезвреживания органических РАО.

Сущность заявляемого способа заключается в том, что обеззараживание радиоактивных отходов органического происхождения осуществляют в диапазоне температур 300÷800°С в две стадии:

- первая стадия - в процессе сушки радиоактивных отходов органического происхождения, в химически активной среде, из радиоактивных отходов органического происхождения выводят диоксины, в жидком состоянии;

- вторая стадия - обезвреживание радиоактивных отходов органического происхождения осуществляют, после вывода диоксинов в жидком состоянии из радиоактивных отходов органического происхождения, методом термической деструкции, в химически активной среде, путем вывода газов из радиоактивных отходов и отделения сухого остатка;

В качестве химически активной среды используют высокотемпературный диоксид углерода (CO2), получаемый при сжигании топлива в среде кислорода воздуха.

Сухой продукт переработки выводят из химически активной среды и прессуют в брикеты.

Обе стадии обеззараживания радиоактивных отходов органического происхождения осуществляют непрерывно.

Чтобы вывести диоксины (2, 3, 7, 8 тетра-хлордибензодиоксин) из состава РАО необходима температура в реакторе не менее 1300°С. Тетра-хлордибензодиоксин представляет собой твердое бесцветное кристаллическое вещество, плавится и переходит в жидкое состояние при температуре >300°С и кипения (разложения) >800°С; В этой связи, достаточно нагреть отходы в диапазоне температур 300-800°С и жидкую фракцию диоксинов вывести из реактора в виде жижки.

Основным компонентом перерабатываемых органических отходов, относящихся к классу целлюлозных материалов, является клетчатка. Из нее построены ткани растений. Вата, фильтровальная бумага - наиболее чистые формы клетчатки (до 96%). Главные составные части древесины - клетчатка (преобладает) и лигнин. Полимерные материалы, входящие в состав перерабатываемых РАО, являются органическими химическими соединениями с высокой молекулярной массой, макромолекулы которых построены (состоят) из большого числа повторяющихся углеводородных группировок (звеньев) одного или разных мономеров, соединенных между собой химическими связями [А.И. Артеменко. Органическая химия. Изд. «Просвещение», Москва, 2001, с. 333-334, 353]. По основным физико-химическим свойствам (термическая и химическая стойкость) полимерные материалы весьма близки.

Нагрев РАО органического происхождения в температурном диапазоне от 300 до 800°С приводит к полной деструкции (разрушению) РАО с образованием жидких диоксинов, газообразных продуктов и зольного сухого остатка. При этом состав и количество зольного остатка зависит от состава минеральных добавок (стабилизаторов) используемых при производстве полимерных материалов.

На первой стадии, в диапазоне температур 300°С÷800°С, при перемешивании измельченной массы в химически активной среде высокотемпературного диоксида углерода (CO2), полученного пи сжигании топлива в среде кислорода воздуха, происходит интенсивная сушка органических РАО, переход диоксинов в жидкое состояние и осуществляется вывод диоксинов из химически активной среды высокотемпературного диоксида углерода (СО₂), в виде жижки. Процесс проходит с поглощением теплоты.

На второй стадии, в диапазоне температур 300°С÷800°С, при перемешивании измельченной массы органических РАО в химически активной среде высокотемпературного диоксида углерода (CO2), происходит вспенивание продукта, с выделением теплоты, диоксид углерода (CO2) при соединении с углеродом (С) топлива восстанавливается до монооксида углерода (СО) - синтез-газа. Из измельченной массы органических РАО выделяются газы. РАО теряют в массе и в объеме. На завершающей стадии полученный сухой продукт радиоактивных отходов выводится из химически активной среды высокотемпературного диоксида углерода (CO2) и прессуется в брикеты, а газы направляются в ректификационную колонну для конденсации. Часть горючих газов в ректификационной колонне конденсируются и разделяются на фракции, в зависимости от удельного веса (диз. топливо, бензин, керосин и пр.) При реализации предлагаемого способа положительным является и то, что основные реакции, протекающие в реакционной зоне аппарата, экзотермичные, а «аморфный» углерод, образующийся на завершающем этапе обезвреживания сжигаемых ТРО, сам является топливом, что позволяет существенно снизить внешнее энергопотребление на проведение процесса.

Источники информации:

1. Патент на изобретение RU 2452050 С1 от 21.02.2011 г. «Способ переработки твердых смешанных радиоактивных отходов».