Результат интеллектуальной деятельности: Способ отверждения жидких радиоактивных отходов

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в частности, к отверждению ЖРО методом цементирования с предварительным упариванием при температуре ниже температуры кипения. Техническое решение может быть использовано при переработке жидких радиоактивных отходов АЭС, а также при переработке ЖРО, образующихся в процессе эксплуатации транспортных ядерных энергетических установок.

Основным способом переработки ЖРО низкого и среднего уровней активности с концентрацией от 1 до 10 г/л является упаривание при температуре кипения до солесодержания 100-400 г/л с последующим отверждением (высушиванием, кристаллизацией солей, битумированием или цементированием). [Никифоров А.С, Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. - М, Энергоатомиздат, 1985, с. 53-56]. Данная технология оправдывает себя при переработке крупнотоннажных отходов АЭС, на которых есть избыток дешевого пара. Однако для переработки малотоннажных ЖРО непосредственно на месте их образования, особенно в мобильных установках, данный способ не может быть применим. Обусловлено это, прежде всего тем, что для поддержания температуры кипения требуется высокий расход пара (1 т греющего пара для выпаривания 1 м³ ЖРО). Помимо этого, для очистки конденсата от вспенивания, капельного и аэрозольного уноса кипящей жидкости используется довольно сложное технологическое оборудование (сепараторы, жалюзийные отбойники, барботажные устройства в виде насадочных или тарельчатых колонн и т.д.). Кроме того, по мере роста солесодержания снижаются коэффициенты очистки, вследствие чего необходимо проводить двухстадийное выпаривание, а при наличии в ЖРО большого количества хлоридов (примеси морской воды) при температуре кипения происходит интенсивная коррозия выпарного оборудования.

Известен способ отверждения ЖРО [Сивош К., Ловашш Д, Литпак Л. и др. Упаривание жидких радиоактивных отходов при температуре ниже температуры кипения. - В кн.: Исследования в области обезвреживания жидких, твердых и газообразных радиоактивных отходов и дезактивации загрязненных поверхностей. - Материалы IV научно-технической конференции СЭВ. - М., Атомиздат, 1978, вып. 1, с. 34-40], реализованный на установке, схема которой приведена в этом же источнике. Способ заключается в том, что жидкие отходы упаривают горячим воздухом при температуре ниже температуры кипения до кристаллизации солей непосредственно в емкости-концентраторе (бак-концентратор, выпарной бак), предназначенном для дальнейшего захоронения. Перерабатываемые отходы дозируются в бак-концентратор, где нагретый электрическим воздухонагревателем до 130°-180°С воздух подводится вихревым потоком к поверхности жидкости и, подогревая воду, захватывает с собой пар. Из бака-концентратора воздух поступает в водоохлаждаемый конденсатор, где отделяется вода, а затем вентилятором направляется в воздухоподогреватель и снова в бак-концентратор. Вместо испарившейся воды в бак-концентратор дозируются новые отходы, уровень которых поддерживается постоянным. В процессе концентрирования отходы сначала насыщаются по солям, а затем начинается медленное выделение солей на дне бака-концентратора, пока слой отложений солей не занимает весь объем бака. После заполнения бак-концентратор закрывается и направляется на захоронение. Испарение с поверхности отходов при температуре ниже температуры кипения обеспечивает, даже при высоком солесодержании, в конце концентрирования коэффициенты очистки паров не ниже 10⁵. Для повышения производительности и сокращения энергозатрат в мобильным варианте установки используются баки-концентраторы с двойными стенками, в пространство между которыми отводится насыщенный паром горячий воздух из концентратора для дополнительного подогрева раствора.

Недостатком способа является наличие несвязанной влаги, остаточное содержание которой достигает 30-45%, и в случае нарушения герметичности бака возможность в процессе хранения выхода солей в окружающую среду. Все это не обеспечивает полной экологической безопасности при захоронении отвержденных отходов. Кроме того, даже в случае использования бака-концентратора с двойными стенками (что, помимо всего, усложняет его конструкцию), температура первоначального нагрева воздуха в электронагревателе должна составлять 130°-180°С. В то же время температура ЖРО в баке-концентраторе не превышает 50-60°С [Сивош К., Ловашш Д, Литпак Л. и др. Упаривание жидких радиоактивных отходов при температуре ниже температуры кипения. - В кн.: Исследования в области обезвреживания жидких, твердых и газообразных радиоактивных отходов и дезактивации загрязненных поверхностей. - Материалы IV научно-технической конференции СЭВ. - М., Атомиздат, 1978, вып. 1, с. 34-40]. Это приводит, с одной стороны, к тепловым потерям на установке еще до бака-концентратора, так как металлоконструкции, даже при хорошей теплоизоляции, нагреваются горячим (более 100°С) воздухом при подаче насыщенного паром горячего воздуха из концентратора в пространство между двойными стенками концентратора.

Наиболее близким способом, в котором обеспечивается отверждение ЖРО с упариванием при температуре ниже температуры кипения и переводом в нерастворимое состояние является способ одновременного выпаривания и цементирования ЖРО [Павлик О., Фридрик В. Метод одновременного выпаривания и цементирования радиоактивных отходов - В кн.: Исследования в области обезвреживания жидких, твердых и газообразных радиоактивных отходов и дезактивации загрязненных поверхностей. - Материалы IV научно-технической конференции СЭВ. - М., Атомиздат, 1978, вып. 2, с. 21-24]. В этом способе при выпаривании ЖРО в момент пересыщения и начала кристаллизации солей в выпарной бак начинает подаваться цемент. Под действием поступающего горячего воздуха вода приводится в медленное вращательное движение, которое обеспечивает перемешивание при осаждении цемента на дно. Из смеси цемента и выкристаллизовавшихся солей образуется цементный компаунд, который схватывается в монолит, причем время схватывания зависит от температуры дна бака (30-50°С). Горячий воздух, нагретый электрическим воздухонагревателем до температуры 140°С, поступает в выпарной бак, нагревает ЖРО и отводит пар в конденсатор, где пар охлаждается, а полученная вода собирается в приемник. Воздух рециркулируют вентилятором через электрический воздухонагреватель и выпарной бак. Нагрев воздуха регулируется контактным термометром. Для пополнения испаряющейся воды из питательного бака в выпарной бак все время добавляются ЖРО. Когда начинается дозировка цемента, ЖРО сначала подают в смеситель, где они смешиваются с цементом, поступающим из цементного бака. Жидкий цементный раствор нагнетается насосом в выпарной бак. Для более равномерного распределения цемента на дне бака его подача осуществляется через две входные трубки, подающие раствор под поверхность воды, для чего их вертикальное положение меняется. Цементный компаунд при этом включает до 18,5% солей, 30-31,5% воды и 41,5-50% цемента и до 10% глины. По окончании подачи ЖРО выпаривание продолжают до момента снижения интенсивности выделения паров до 20% от первоначальной, затем в выпарной бак подают неактивный жидкий цементный раствор до верха бака, а радиоактивный осадок фиксируется в баке. После затвердевания покрывающего сверху зацементированные отходы слоя неактивного цемента выпарной бак направляется на захоронение. Данный способ по своей сущности и достигаемому техническому результату наиболее близок к заявляемому и выбран авторами в качестве прототипа.

Недостатком способа является:

- низкая эффективность перемешивания смеси в емкости-концентраторе и только под действием тока воздуха и сложность дозировки цемента с изменением скорости выпадения в осадок солей различного состава, что приводит к неравномерной слоистой структуре цементного компаунда с различным содержанием цемента и солей в отдельных слоях. Вследствие этого, несмотря на сорбционную добавку глины в количестве 10% от массы цемента, отвержденные продукты имеют низкую прочность (3,0-3,5 МПа) и высокую скорость выщелачивания из них радиоцезия (даже через 150 суток более 6⋅10^-3г/см²⋅сут). При этом согласно отечественным требованиям к радиоактивным цементным компаундам РД 95 10497-93 [Качество компаундов, образующихся при цементировании жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности. - Технические требования. - РД 95 10497-93. М.: Минатом РФ, 1993], для безопасной транспортировки и захоронения цементные блоки должны обладать прочностью не менее 5 МПа и выщелачиваемостью не более 1⋅10^-3г/см²⋅сут.;

- невозможность, даже при наличии сверху радиоактивного блока нерадиоактивного цементного слоя, предотвратить вымывание радионуклидов из нижних цементных слоев при повреждении емкости-концентратора, так как радиоактивная цементная масса отверждается слоями и не образует монолитного компаунда или растрескивания и отделения этого слоя от основной массы радиоактивного цемента при транспортировке. Кроме того, слой нерадиоактивного цемента (обычно не менее 10-15 см) занимает собой часть рабочего объема захораниваемой емкости-концентратора, уменьшая степень заполнения ее радиоактивными отходами. Так, для 200-литровой бочки чистый цемент занимает не менее 15% рабочего объема и реальное содержание солей в пересчете на весь блок составляет не 18,5%, а не более 15,5%;

- повышенные временные и трудозатраты при реализации способа, обусловленные эксплуатационной нетехнологичностью выпарной установки: система сложна в управлении, практически не поддается автоматизации и при проведении работ по отверждению ЖРО требует периодической очистки смесителя для приготовления жидкого радиоактивного цементного раствора и насоса для его подачи в емкость-концентратор.

Проблема, решаемая созданием заявляемого технического решения, заключается в повышении качества цементных компаундов с повышением их прочности, снижением скорости выщелачивания радиоактивных элементов и в получении отвержденных продуктов, удовлетворяющих требованиям безопасного транспортирования и захоронения.

Указанный технический результат достигается в способе отверждения жидких радиоактивных отходов, включающем упаривание отходов в емкости-концентраторе нагнетаемым горячим воздухом при температуре ниже температуры кипения с последующей конденсацией из воздуха паров, приготовление цементного компаунда путем смешения полученного при упаривании концентрата ЖРО с цементным связующим и отверждение цементного компаунда непосредственно в емкости-концентраторе, направляемой на захоронение. Согласно заявляемому решению, упаривание отходов и приготовление цементного компаунда дополнительно осуществляют индукционным нагревом с одновременным поддержанием в емкости-концентраторе температуры, не превышающей 80°С. На этапе упаривания контролируют уровень испаряемых отходов и, при достижении в емкости-концентраторе требуемой кратности упаривания, осуществляют порционную подачу свежих отходов. При этом уровень испаряемых отходов поддерживают в диапазоне от объема отходов, подлежащих отверждению, до объема, занимаемого отвержденными отходами, а кратность упаривания отходов в емкости-концентраторе в зависимости от исходного солесодержания контролируют мерником конденсата, объем которого равен одному объему упаренных отходов, предназначенных для отверждения. Кроме того, упаривание отходов и приготовление цементного компаунда ведут при постоянном перемешивании.

Целесообразно, чтобы при упаривании отходов температуру нагнетаемого воздуха поддерживали не выше 200°С, во избежание капельного уноса с поверхности раствора.

Целесообразно, чтобы в качестве цементного связующего использовали цемент и бентонит.

Кроме того, целесообразно, чтобы при упаривании отходов перемешивание нагретого концентрата и свежей порции отходов, и приготовление цементного компаунда выполняли механической мешалкой, встроенной в емкость-концентратор.

Проведение процессов упаривания отходов и приготовления цементного компаунда при индукционном нагреве с поддержанием в емкости-концентраторе температуры, не превышающей 80°С, позволяет осуществлять оптимальный режим взаимодействия индукционного поля с упариваемыми отходами и с цементным компаундом с минимальными затратами электроэнергии и значительным снижением теплопотерь. Использование индукционного нагрева вместе с постоянным перемешиванием с помощью механической мешалки обеспечивает равномерность распределения тепла в ЖРО и способствует получению однородного цементного компаунда. А поддержание в емкости-концентраторе температуры, не превышающей 80°С, обусловлено тем, что нагрев затворяемой портландцементом воды свыше 80°С не рекомендуется из-за снижения прочностных характеристик цементных компаундов [Комар А.Г. Строительные материалы и изделия. - М, «Высшая школа», 1971, с. 208-209].

Порционная подача свежих отходов при поддержании уровня испаряемой жидкости от объема отходов, подлежащих отверждению, до объема, занимаемого отвержденными отходами, позволяет поддерживать оптимальный для упаривания объем раствора.

Использование мерника конденсата по объему, равному одному объему упаренных отходов, предназначенному для отверждения, позволяет с учетом исходного солесодержания легко контролировать кратность упаривания и, следовательно, конечное солесодержание концентрата (предпочтительно до 400 г/л) вне зависимости от солевого состава и растворимости его составляющих. Проведение всех этапов процесса отверждения: упаривание отходов, смешение их с цементным связующим и отверждение цементного компаунда непосредственно в одной емкости-концентраторе, предназначенной для захоронения, - упрощает управление процессом цементирования, снижает металлоемкость оборудования (все этапы происходят в стандартной 200-литровой бочке). Данный способ гарантирует высокое качество отвержденных продуктов по механической и химической стойкости, так как в способе-прототипе при тех же соотношениях компонентов цементного компаунда такое качество не достигалось и при последующем механическом перемешивании (прочность менее 5 МПа, выщелачиваемость радиоцезия более 1⋅10^-3г/см²⋅сут.)

Предлагаемый способ поясняется чертежом, на котором изображена схема отверждения жидких радиоактивных отходов. Технологическая схема, представленная на чертеже, включает:

1 - емкость-концентратор (200-литровая бочка) с мешалкой,

2 - индукционный нагреватель ЖРО,

3 - нагреватель воздуха,

4 - конденсатор пара,

5 - мерник-сборник конденсата,

6 - вентилятор.

Способ осуществляется следующим образом.

Емкость-концентратор (200-литровая бочка) 1, предназначенную для захоронения, заполняют порциями исходных отходов до уровня, соответствующего объему, предназначенному для отвержденных отходов в бочке (0,9 объема бочки). Упаривание проводят нагревателем 2 индукционным нагревом ЖРО с поддержанием температуры в бочке 1, не превышающей 80°С, горячим, нагретым в нагревателе 3 до температуры не более 200°С воздухом, который подают с завихрением над поверхностью раствора и после насыщения парами отводят из емкости 1. Далее воздух охлаждается в конденсаторе 4 до температуры охлаждающей воды, отдавая влагу, и нагнетается с помощью вентилятора 6 в спецвентиляцию. При снижении в бочке 1 уровня испаряемых отходов до объема, соответствующего объему отходов, предназначенных для отверждения (0,6 объема бочки), происходит подача новой порции отходов из мерника-дозатора ЖРО (не показан). При этом производится перемешивание нагретого концентрата и свежей порции отходов встроенной в бочку 1 механической мешалкой (не показана) с дальнейшим индукционным нагревом в указанной бочке. После накопления в мернике 5 объема конденсата, равного объему отходов, предназначенных для отверждения в бочке (0,6 объема бочки), достигается двукратное упаривание отходов. При достижении в бочке 1 требуемой (в зависимости от исходного солесодержания отходов) кратности упаривания (до солесодержания 200-600 г/л или вплоть до насыщения по солям), контролируемой по количеству заполненных объемов мерника 5 конденсата и мерника-дозатора исходных ЖРО, конденсат, по заполнении мерника 5, сбрасывается в канализацию или на дальнейшую доочистку. Затем, при постоянно работающей мешалке, в горячий концентрат подается порция цементного связующего (цемента и глины) и перемешивается до образования однородной массы. При этом, даже при отключенном воздухоподогреве, может поддерживаться повышенная температура ЖРО за счет индукционного нагрева бочки, хотя, как было сказано выше, нагрев затворяемой портландцементом воды свыше 80°С не рекомендуется из-за снижения прочностных характеристик цементных компаундов. После отверждения и набора прочности бочка 1 с оставленной в ней мешалкой закрывается крышкой и направляется на хранение. Отвержденный цементный компаунд имеет прочность более 5 МПа и выщелачиваемость радиоцезия через 150 сут. - не более 1⋅10^-3г/см²⋅сут. Коэффициент очистки от радионуклидов при упаривании ЖРО составляет не менее 1⋅10⁵, что позволяет, при удельной активности отходов менее 1⋅10^-9 Ки/л, сбрасывать конденсат без дополнительной доочистки.

Примеры конкретного исполнения.

Пример 1. Переработке подвергали ЖРО солесодержанием 50 г/л (70% Na₂CO₃, 16% CaCl₂, 1,5% Fe₂(SO₄)₃, 12,5% MgSO₄) и удельной β-активностью 1⋅10^-4 Ки/л. Упаривание проводили в емкости-концентраторе - 200-литровой бочке из нержавеющей стали, заполненной порциями отходов до объема 180 л с площадью испарения около 0,28 м², подавая воздух, нагретый до температуры 200°С, с расходом около 30 кг/м²⋅ч. При этом за счет индукционного нагрева поддерживали температуру ЖРО 80°С, а насыщенный парами воздух направляли в водоохлаждаемый конденсатор. После отделения конденсата в мернике конденсата воздух с температурой ниже температуры окружающей среды вентилятором подавали в спецвентиляцию. При снижении уровня испаряемых отходов в концентраторе менее объема 120 литров в него, при перемешивании встроенной механической мешалкой, подавались новые порции исходных ЖРО до достижения объема 180 литров. При достижении в бочке двукратного повышения солесодержания отходов происходило заполнение всего объема (120 литров) мерника конденсата конденсатом с удельной активностью менее 1⋅10^-9 Ки/л, который сливали в сборник конденсата. Упаривание проводили до солесодержания 200 г/л (сбор 3-х объемов мерника конденсата), после чего в горячий концентрат объемом 120 литров при постоянном перемешивании механической мешалкой вводили 200 кг портландцемента марки М-500 и 20 кг кембрийской глины, выдерживая раствороцементное отношение (Р/Ц) около 0,6, а глиноцементное отношение (Г/Ц) около 0,1. После перемешивания до получения однородной смеси бочку выдерживали в течение 28 суток для набора прочности, закрывали закатывающейся крышкой и отправляли на захоронение. Мощность дозы фотонного излучения по всей высоте блоков примерно одинакова, что подтверждает равномерное распределение компонентов в цементных компаундах. Прочность цементных компаундов составляла около 12 МПа, степень наполнения по солям составляла около 7,8%, а выщелачиваемость радиоцезия через 150 суток - менее 1⋅10^-4г/см - сут.

Пример 2. Отличается от примера 1 тем, что упаривание ЖРО проводят до солесодержания 400 г/л. Прочность цементных компаундов составила около 14 МПа, степень наполнения по солям около 15,5%, а выщелачиваемость радиоцезия через 150 суток - менее 1⋅10^-4г/см² сут.

Пример 3. Отличается от примера 1 тем, что упаривание ЖРО проводят до солесодержания 600 г/л. Прочность цементных компаундов составила около 18 МПа, степень наполнения по солям около 23,3%, а выщелачиваемость радиоцезия через 150 суток - менее 1⋅10^-4г/см² сут.

Следует отметить, что достигаемые характеристики цементных компаундов по данным МАГАТЭ [Bonnevie-Svendsen М., Tallberg K., Aittola P., еа. Studies on the incorporation of spent ion-exchange resins from nuclear power plants into bitum and cement. - In: Symposium on the ion-site management of power reactor wastes, Zurich, 26-30 March, 1979, Paris, 1979, p. 155-174] гарантируют безопасность их транспортировки даже в аварийных ситуациях (падение с высоты до 9 м, попадание в воду и т.д.). Таким образом, такие цементные блоки могут захораниваться даже в простейшие грунтовые могильники [Баженов Ю.М., Волкова О.И., Духович Ф.С.и др. Условия безопасности при хранении радиоактивных цементов. - Изотопы в СССР, 1970, т. 17, с. 17-22.].

Таким образом, данный способ, по сравнению с известными, позволяет:

- повысить качество цементных компаундов с получением отвержденных отходов однородной структуры, обладающих более высокой степенью прочности и низкой скоростью выщелачивания радиоактивных элементов для обеспечения экологически безопасного хранения радиоактивных веществ в течение длительного времени,

- снизить тепловые потери за счет применения индукционного нагрева ЖРО и упариванием их горячим воздухом,

- использовать способ для переработки малотоннажных ЖРО непосредственно на месте их образования, за счет использования компактной технологической установки, реализующей способ.

Получаемые отвержденные продукты отвечают отечественным и международным требованиям и обеспечивают снижение экологической опасности их захоронения.