Утилизация радиоактивных отходов

     В качестве источника тепла на установках остекловывания используют печи сопротивления, индукционный средне- и высокочастотный и микроволновый нагрев, пропускание переменного тока через расплав и т.д. Использование печей сопротивления ограничено, поскольку сравнительно низкая теплопроводность расплавленной стекломассы (~3 Вт/(м·град)) препятствует равномерному распределению температуры в большом объеме расплава.

     В установках остекловывания отходов  используются керамические и металлические горячие и холодные (с охлаждением стенок) плавители. Наиболее распространенным является керамический плавитель (остекловывание РАО с их использованием проводится в США, ФРГ, Японии, России). Плавление стекломассы в нем осуществляется за счет тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока, подводимого к электродам непосредственно через расплав. Длительная практика использования такого типа плавителей в производстве обычного стекла показала, что они позволяют проводить плавление очень сложных по составу стекол и получать конечный продукт высокого качества. Основные преимущества использования керамических плавителей следующие:

     • большая технологическая гибкость, позволяющая получать стекла в широком диапазоне составов;

     • высокая производительность при  минимальных объемах рабочей  камеры аппаратов;

     • надежность и возможность относительно длительной (2-5 лет) эксплуатации плавителя;

     • гомогенность (т.е. высокое качество) получаемого стекла благодаря равномерному нагреву объема стеклоплава.

     Рисунок 3 показывает схематично керамический плавитель, используемый при одностадийном процессе остекловывания радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности. Он имеет установленную мощность электрообогрева 150 кВт при температуре расплава 1150−1250°C. При этом удельная производительность по стеклу составляет от 40 до 50 кг/м2час при удельном расходе энергии 3,2–3,4 кВт час/кг. Производительность плавителя составляет 50 кг стекла при остекловывании жидких отходов с концентрацией солей 200 г/л.

     Существенные  ограничения на применение керамического  плавителя накладывают сложность его конструкции, большие габариты и масса, необходимость непрерывного режима работы и сложность ремонта и замены в случае выхода из строя. Тоже выведение такой установки из эксплуатации представляет собой важную проблему (демонтаж большой установки с высокими уровнями загразнения).

     При использовании индукционного нагрева плавитель помещается внутри медного индуктора, вместе с конденсаторами образующего колебательный контур, соединенный с генератором. 

     Рис.3. Керамический плавитель для остекловывания радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности. 1-кожух, 2-выход отходящих газов, 3-ввод отходов, 4-слив расплава, 5-керамическая облицовка, 6-термоизоляция, 7-расплав стекла, 8-перегородка, 9-молибденовые электроды. 

     При подаче жидких отходов непосредственно  в зону высоких температур расплава осуществляются процессы обезвоживания, кальцинации и плавления в одном аппарате. Водяной пар при контакте с расплавом может образовывать азеотропные смеси отдельных компонентов и летучие соединения. Кроме того, происходит механический унос частиц смеси. Одним из вариантов технологического оформления является постепенная подача раствора в тигель, при переработке расплавленный материал покрыт слоем кальцинированного твердого остатка, который в свою очередь покрыт слоем кипящего раствора. Находящийся на поверхности расплава твердый продукт является сорбентом для летучих соединений, слой жидкости частично задерживает аэрозоли.

     Использование керамического плавителя в одностадийном  процессе приводит к необходимости увеличивать поверхность варочной зоны, т.к. необходимая для обезвоживания перерабатываемых отходов энергия подводится через поверхность расплава.

     Недостатком существующих вариантов технологических  схем и установок остекловывания РАО является отсутствие надежных малогабаритных дистанционно управляемых плавителей, способных работать длительное время при высоких температурах, что связано в первую очередь с низкой коррозионной устойчивостью керамических огнеупоров. В последнее время были разработаны индукционные плавители с холодным тиглем (ИПХТ), которые являются перспективными как в производстве стекол различного назначения, так и при остекловывании РАО (рис. 4).

     Основные  преимущества таких плавителей обусловлены  бесконтактным вводом энергии и отсутствием необходимости использования керамических огнеупоров (футеровкой служит сама шихта). Отсутствие проблем, связанных с коррозией огнеупоров, позволяет легко достигать температур 2000 – 3000ºС. Использование более высоких температур и наличие в плавителе активного гидродинамического режима (перемешивание расплава вихревыми токами) обеспечивает высокую однородность получаемого расплава и отвержденного материала. Кроме того, использование высоких температур создает возможность включения РАО не только в боросиликатные и фосфатные, но и безборатные стекла на алюмосиликатной или титаносиликатной основе и минералоподобные материалы.

     Рис. 4. Индукционный плавитель “холодный тигель” (1 – индуктор; 2 –

     металлический водоохлаждаемый тигель; 3 – сливное  устройство; 4 – расплав; 5 – крышка; 6 – технологический люк; 7 – посадочное место для измерительной аппаратуры; 8 – смотровой люк; 9 – патрубок для загрузки отходов; 10 – патрубок для отвода отходящих газов). 

     Плавитель − холодный тигель, изготовленный из водоохлаждаемых медных трубок круглого или прямоугольного сечения, алюминия или нержавеющей стали, помещается внутри перемещаемого по высоте медного индуктора с зазором 12−20 мм. Параметры индуктора − диаметр, количество витков − рассчитываются с учетом емкости конденсаторной батареи. Плавитель снабжен водоохлаждаемой крышкой, в которой размещены технологический люк, патрубки и штуцера для установки контрольно-измерительных приборов, с помощью которых осуществляется контроль процесса.

     Для тигля с полунепрерывным действием  слив расплава производится через выпускное устройство. Слив может производиться с поверхности расплава (через боковую стенку или вертикально расположенное отверстие) или со дна (дистанционным открытием затвора, вертикальное и вращательное движение которого осуществляется электромеханическим приводом). Тигель непрерывного действия отличается наличием охлаждаемой водой перегородки, делящей его на зоны варки и выработки, как в КПДН. При необходимости тигель дополняется откидным (съемным) водоохлаждаемым дном.

     Некоторые параметры процесса остекловывания радиоактивных отходов в аппарате ИПХТ показаны в Таблице 1. 

     Таблица 1. Состав и свойства стекол для иммобилизации эксплуатационных радиоактивных отходов АЭС с реакторами РБМК и ВВЭР в индукционном плавителе с холодным тигелем.

     радиоактивный изотоп отходы утилизация

     Таблица 2 показывает некоторые свойства остеклованных  форм радиоактивных отходов, указывающие на исключительно высокую надежность удержания радионуклидов стеклом.

     Важным  элементом установки остекловывания среднеактивных ЖРО является система газоочистки, предназначенная для улавливания радионуклидов и макрокомпонентов отходов и шихты, продуктов их термического разложения, основную долю которых составляют оксиды азота. При выборе метода улавливания аэрозольного уноса из плавителя учитывается, что использование “мокрых” методов очистки приводит к образованию значительных объемов вторичных жидких отходов. Среди “сухих” методов улавливания наиболее предпочтительным является фильтрование газов, т.к. только оно способно обеспечить высокую эффективность очистки тонкодисперсных аэрозолей (около 1 мкм).

     Возможны  два варианта проведения очистки  от оксидов азота: с регенерацией азотной кислоты и без нее. В первом случае отходящие газы сначала очищают от радионуклидов и макрокомпонентов ЖРО и шихты (аэрозольного уноса), затем улавливают оксиды азота с получением азотной кислоты; по второму варианту частичную денитрацию (около 90%) производят непосредственно в плавителе путем добавления в шихту органических соединений, затем очищают газы от аэрозольного уноса. Последней стадией обоих вариантов является дополнительная доочистка от оксидов азота до санитарных норм. 

     Таблица 2. Параметры остеклованных форм радиоактивных отходов.

     В последние годы прорабатывается  метод остекловывания зольного остатка  от сжигания твердых радиоактивных отходов. Зольный остаток является пылящим продуктом и ввиду сокращения объема при сжигании концентрирует в себя радионуклиды из сжигаемых отходов. Обычно зольный остаток цементируют, однако наполнение им цементной матрицы невелико (порядка 20-30%) и, кроме того, устойчивость цементных блоков к выщелачиванию небольшая (скорость выщелачивания составляет порядка 10-3 –10-4 г/см2 сут). Преимущество остекловывания для иммобилизации зольных остатков состоит в том, что стекломатрицы значительно более устойчивы к выщелачиванию (скорость выщелачивания <10-5 –10-7 г/см2 сут).

     Кроме того, при остекловывании объем иммобилизованных отходов значительно ниже, чем при цементировании.

     Остекловывание  зольного остатка с получения  стеклокомозиционных материалов, состоящих как из стеклофазы, так и кристаллических включений, производят в плавителях различной конструкции, а также с применением порошкообразных металлизированных топлив.

     Применение  порошкообразных металлизированных  топлив позволяет получать стеклокомпозит безаппаратно, т. е. непосредственно в контейнерах, поскольку процесс остекловывания идет автономно – за счет экзотеримических реакций окисления топлива. Для этого зольный остаток перемешивают с топливом в соотношении (мас.%) 60 : 40, смесь помещают в контейнер с двойными стенками и поджигают сверху, после чего процесс плавления и происходит в самоподдерживающемся режиме (рис. 5).

     Рис. 5. Автономное остекловывание зольного остатка с помощью порошкообразного металлизированного топлива. 

     Унос  радионуклидов при остекловывании зольного остатка невелик (<1−2%). Автономное остекловывание с помощью порошкообразного металлизированного топлива применяется также и для иммобилизации неорганических ионообменников (таких как отработавший клиноптилолит) и загрязненного глинистого грунта.

      3. Заключение 

     В настоящее время одним из основных способов утилизации радиоактивных  отходов остаётся их захоронение. Вопрос в каком виде их захоронить? Если это будут отходы, которые в  необработанном виде сбрасываться в  моря и океаны в бочках или цистернах, закачиваться в земную кору на большой глубине, бетонируются в могильниках в каких-либо формах, которые рано или поздно придут в негодность – конечно, это абсолютно недопустимо. Так как технологии не совершенны и пока еще не позволяют полностью избавиться от них, то на мой взгляд необходимо отходы преобразовывать в такой вид, который был бы стабилен и не опасен, и воздействие атмосферы не влияло бы на хранение отходов. Такой метод является – остекловывание.

     Чем скорее ученые умы изобретут новые  экологичные методы утилизации, тем  лучше будет для людей и  для планеты.

      Список литературы: 

1. Батюхнова О.Г. Российская федерация, Бергман  К. Швеция и др. Технологические и  организационные аспекты обращения  с радиоактивными отходами // Международное  агентство по атомной энергии, Вена, 2005, с. 135 – 143.
2. http://slovari.yandex.ru/dict/bse/article/00064/53100.htm
3. http://ru.wikipedia.org/
4. www.ecologylife.ru/ecologists/metod-resh-prob-util-okr-sredy.html

     Размещено на Allbest.ru