способ переработки демонтированного радиоактивно- загрязненного оборудования и комплекс для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переработки демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования, включающий фрагментацию оборудований и индукционную переплавку в присутствии отшлаковывающих флюсов с последующим отделением образовавшегося радиоактивно загрязненного шлака от расплавленного металла и его отверждением, отличающийся тем, что перед фрагментацией оборудования производят жидкостную дезактивацию его в сборе, а после фрагментации жидкостную дезактивацию фрагментов и до индукционной переплавки осуществляют термическую дезактивацию фрагментов, для этого выжигают горючие материалы, расплавляют легкоплавкие металлы, свинец и алюминий, отделяют расплав этих металлов и направляют его на разливку и отверждение, прокаливают поверхность оборудования и отделяют образовавшуюся окалину, после термической дезактивации фрагменты оборудования сортируют и направляют на индукционную переплавку, а образовавшиеся при термической дезактивации и индукционной переплавке газы отводят на обезвреживание и очистку.

2. Комплекс по переработке демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования, содержащий установку фрагментации оборудования, установку индукционной переплавки с отсасывающим устройством и устройствами для разливки расплавленного металл и его отверждения, транспортный контейнер и обслуживающее комплекс подъемно-транспортное устройство, отличающийся тем, что комплекс дополнительно содержит последовательно расположенные установку жидкостной дезактивации оборудования в сборе и его фрагментов, установку термической дезактивации фрагментов с электропечью косвенного нагрева и соединенное с этой установкой устройство для разливки расплава металла и его отверждения, узел сортировки термически обработанных фрагментов оборудования и подготовки шихты, а также содержит установки для обезвреживания и очистки газов, одна из которых сообщена с отсасывающим устройством установки индукционной переплавки, а другая с полостью электропечи косвенного нагрева установки термической дезактивации фрагментов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относятся к области обработки материалов с радиоактивным загрязнением, а именно твердых радиоактивных отходов, и представляют собой способ и устройство комплекс по переработке снимаемого с эксплуатации выработавшего свой ресурс радиоактивно загрязненного оборудования. Изобретения могут быть использованы при утилизации металлических составных частей оборудования атомных электростанций и радиохимических производств.

Крупной проблемой становится в настоящее время снятие с эксплуатации выработавшего ресурс оборудования производств ядерно-топливного цикла.

Одной из важных задач здесь является дезактивация и утилизация дефицитных конструкционных материалов: стали, меди, алюминия, циркония, никеля, свинца, титана, а также благородных (золота, серебра и др.) и тугоплавких металлов, загрязненных радиоактивными веществами.

Действующая в России и странах СНГ система обращения с твердыми радиоактивными отходами (ТРО) предусматривает в основном захоронение или временное хранение без обработки отходов всех типов (в том числе и металлических) в различного вида наземных и слабозаглубленных хранилищах на территории промплощадок. Это связано с отторжением земельных площадей, с опасностью распространения радионуклидов в окружающую среду, с изъятием из хозяйственного оборота значительных количеств металла и с большими капитальными и эксплуатационными затратами.

В связи с этим в России выработана концепция, заложенная в основу "Государственной программы по обращению с радиоактивными отходами и отработанными ядерными материалами и их утилизации и захоронению на период 1992 1995 г. г. и на перспективу до 2005 г. "предусматривающая этап переработки ТРО, обеспечивающий сокращение объемов отходов и перевод их в форму, пригодную для безопасного долговременного хранения, как обязательное звено общей схемы локализации радиоактивных отходов. В то же время эта концепция ориентирует на максимальный возврат в хозяйственный оборот вторичных металлов, не загрязненных радиоактивными веществами. Отсюда следует, что указанная концепция может быть реализована в новых разработках технологии и устройств по переработке демонтированного радиоактивного загрязненного оборудования атомных электростанций и радиохимических производств, с помощью которых может быть достигнут технический результат очистка металлических частей оборудования от радиоактивного загрязнения до уровня, позволяющего передавать металлы в хозяйственный оборот, и сокращение объема радиоактивных отходов.

Известен способ, реализуемый в установке для восстановления металлических деталей атомных электростанций (см. заявку ФРГ N 3404106, кл. G 21 F 9/30, 1984), включающий размельчение (фрагментацию) металлических деталей и транспортирование размельченных деталей (фрагментов) на индукционную переплавку с расплавлением металла, отверждением и удалением отвержденного расплава.

Достоинством данного способа является то, что твердые радиоактивные отходы перерабатываются перед отправкой на хранение или захоронение. Но в этом способе не реализуется перевод радиоактивных металлов в нерадиоактивные, а значит их возврат в хозяйственный оборот невозможен, либо должна быть предусмотрена их дополнительная переработка, но уже не по анализируемому способу.

Известен способ, реализуемый в установке для утилизации металлических составных частей атомных электростанций (см. заявку ФРГ N 3331383 кл. G 21 F 9/30, 1983), включающий фрагментацию оборудования и индукционную переплавку размельченного материала (фрагментов) в присутствии отшлаковывающих флюсов (без добавки флюсов не может быть осуществлен процесс индукционной переплавки) с последующим отделением образовавшегося радиоактивного загрязненного шлака от расплавленного металла и его отверждением.

Данный способ, как наиболее близкий по технической сущности к заявленному, принят в качестве прототипа.

В этом способе, как и в вышеописанном известном способе, реализуется целесообразность переработки ТРО с целью уменьшения объемов отходов. Однако его использование не предусматривает получение нерадиоактивных металлов, которые можно было бы возвратить в хозяйственный оборот. И в этом случае металлы направляются либо на захоронение, либо на дополнительную переработку, что в рассматриваемом способе не предусмотрено. Однократная дезактивация радиоактивных металлов при индукционной переплавке не обеспечит получение кондиционного продукта.

Таким образом, технический результат получение вторичных металлов, не загрязненных радиоактивными веществами, получение максимального количества их в результате переработки (дезактивации) снимаемого с эксплуатации радиоактивного загрязненного оборудования и возврат их в хозяйственный оборот страны, а также сокращение объема отходов, направляемых на долговременное хранение в известных способах переработки недостижим.

Заявляемым способом такой результат будет достигнут благодаря тому, что в этом способе переработки демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования, включающем фрагментацию оборудования и индукционную переплавку в присутствии отшлаковывающих флюсов с последующим отделением образовавшегося радиоактивно загрязненного шлака от расплавленного металла и его отверждением, перед фрагментацией оборудования производят жидкостную дезактивацию его в сборе, а после фрагментации жидкостную дезактивацию фрагментов, и до индукционной переплавки осуществляют термическую дезактивацию фрагментов путем выжигания горючих материалов, расплавления легкоплавких металлов, свинца и алюминия при отделении радиоактивно загрязненных оксидов и прокалки остальных металлов с последующим удалением радиоактивно загрязненной окалины, при этом расплавленные металлы направляют на разливку и отверждение, прокаленные металлы сортируют по видам и группам, транспортируют на индукционную переплавку, а образовавшиеся при термической дезактивации и индукционной переплавке газы отводят на обезвреживание и очистку.

Следует однако отметить, что получение максимального количества нерадиоактивных металлов и сокращение объема радиоактивных отходов при переработке демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования может быть с уверенностью достигнуто при осуществлении заявляемого способа целым комплексом установок, связанных воедино технологическим процессом переработки. Комплекс также является объектом изобретения по настоящей заявке. Патентуемые способ и комплекс представляет собой группу изобретений, объединенных единым изобретательским замыслом, а именно высокоэффективно и в техническом, и в экономическом, и в экологическом смыслах провести процесс дезактивации радиоактивно загрязненного оборудования.

Стремление достигнуть указанный выше технический результат привело авторов к созданию комплекса для осуществления заявляемого способа, т.е. единый изобретательский замысел заключен в их только совместном использовании.

Аналогом заявляемого комплекса является известная установка для восстановления металлических деталей атомных электростанций (см.заявку ФРГ N 3404106, кл. G 21 F 9/30, 1984), содержащая систему для размельчения металлических деталей (установку фрагментации оборудования), транспортный резервуар для размельченного материала (транспортный контейнер), электроплавильную печь с отсасывающим устройством (установку индукционной переплавки с отсасывающим устройством), устройство для обработки расплава до его отверждения (устройство для разливки расплавленного металла и его отверждения), устройство для удаления отвержденного расплава.

Достоинством данной установки для восстановления металлических деталей атомных электростанций является то, что твердые радиоактивные отходы перерабатываются перед отправкой на хранение или захоронение. Таким образом, осуществляется концепция по переработке металлических деталей атомных электростанций. Переработка твердых радиоактивных отходов в этой установке ведет к уменьшению объема отходов. Но переработка осуществляется в одной индукционной печи, поэтому вызывает сомнение, что переработанные отходы будут нерадиоактивными, а поэтому возврат в хозяйственный оборот вторичных металлов невозможен.

Переработка металлических деталей атомных электростанций в описываемой установке не обеспечивает перевод радиоактивно загрязненных металлов в нерадиоактивные, поэтому отходы подлежат захоронению или дополнительной переработке, но в данной установке это не предусмотрено. Таким образом, достигается технический результат только в отношении сокращения объема радиоактивных отходов.

Известна также установка для утилизации металлических составных частей атомных электростанций (см. Заявку ФРГ N 3331383, кл. G 21 F 9/30, 1983), содержащая систему размельчения металлических составных частей (установку фрагментации оборудования), плавильную печь для размельченного материала (установку индукционной переплавки с отсасывающим устройством), устройство для обработки расплавленного металла и его отверждения), устройство для удаления отвержденного материала, транспортный контейнер, крановую установку (подъемно-транспортное устройство), отрезной станок для разделения изделия на транспортабельные участки. Транспортный контейнер, электроплавильная печь, установка разливки, отрезной станок расположены в экранирующем вакуумном пролете.

Данная установка, как наиболее близкая по технической сущности к заявляемой, принята в качестве прототипа. В этой установке, как и в вышеописанной известной установке, происходит переработка ТРО со значительным уровнем радиоактивности, о чем свидетельствует тот факт, что перерабатывающее ТРО оборудование помещено в экранирующий пролет. Переплавка ТРО в электроплавильной печи приводит к сокращению объема радиоактивных отходов, но не обеспечит получение нерадиоактивных металлов, т.к. уровень радиоактивного загрязнения металлических отходов при однократной дезактивации в печи снижается только в несколько раз. Для использования же в хозяйственном обороте вторичных металлов необходимо, чтобы уровень радиоактивности отходов при их переработке снижался минимум в десятки-тысяч раз. Поэтому отвержденные расплавы металлов придется направлять на захоронение или на дополнительную переработку с целью возврата в хозяйственный оборот. Однако последнее не предусмотрено в рассматриваемой установке.

Таким образом, технический результат очистка металлических частей оборудования от радиоактивности с переводом их в нерадиоактивные металлы и сокращение объема радиоактивных отходов в известных установках не достигается.

Комплекс включает установку фрагментации оборудования, установку индукционной переплавки с отсасывающим устройством и устройствами для разливки расплавленного металла и его отверждения, транспортный контейнер и обслуживающее комплекс подъемно-транспортное устройство, причем комплекс снабжен установками жидкостной дезактивации оборудования в сборе и его фрагментов, установкой термической дезактивации фрагментов с электропечью косвенного нагрева и устройствами разливки расплавленного металла и его отверждения, узлом сортировки по видам и группам металлов и установками для обезвреживания и очистки газов, одна из которых сообщена с отсасывающим устройством установки индукционной переплавки, а другая с полостью электропечи косвенного нагрева установки термической дезактивации фрагментов.

Заявляемые способ и комплекс отвечают всем критериям патентоспособности.

Сравнение совокупностей существенных признаков способа прототипа и заявленного способа выявило, что последний отличается тем, что "перед фрагментацией оборудования производят жидкостную дезактивацию его в сборе, а после фрагментации жидкостную дезактивацию фрагментов, и до индукционной переплавки осуществляют термическую дезактивацию фрагментов путем выжигания горючих материалов, расплавления легкоплавких металлов, свинца и алюминия при отделении радиоактивно загрязненных оксидов и прокалки остальных металлов с последующим удалением радиоактивно загрязненной окалины, при этом расплавленные металлы направляют на разливку и отверждение, прокаленные металлы сортируют по видам и группам и транспортируют на индукционную переплавку, а образовавшиеся при термической дезактивации и индукционной переплавке газы отводят на обезвреживание и очистку".

Отличительными признаками заявляемого комплекса от установки прототипа являются: "комплекс снабжен установкой жидкостной дезактивации оборудования в сборе и его фрагментов, установкой термической дезактивации фрагментов с электропечью косвенного нагрева и устройствами для разливки расплавленного металла и его отверждения, узлом сортировки по видам и группам металлов и установками для обезвреживания и очистки газов, одна из которых сообщена с отсасывающим устройством установки индукционной переплавки, а другая с полостью электропечи косвенного нагрева установки термической дезактивации фрагментов".

Из вышесказанного следует, что заявляемые способ и комплекс являются новыми, т.к. из уровня техники не известны решения с такими же совокупностями существенных признаков, о чем свидетельствует и приведенный анализ способов и устройств по заявкам ФРГ N 3404106 и N 3331383.

Предлагаемые для патентной экспертизы изобретения имеют изобретательский уровень, т. к. для специалиста они не следуют явным образом из известного уровня техники, т.е. из известного уровня техники не выявлено влияние предписываемых этими изобретениями преобразованный, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками на достижение технического результата. Действительно, проведенные заявителем патентные исследования показали, что среди известных в мировой технике и науке решениях, предназначенных для переработки радиоактивно загрязненного оборудования, не существуют такие, которые бы, имея отличительные существенные признаки заявляемых способа и комплекса, уже привели при их использовании к тому техническому результату, на достижение которого направлена группа изобретений по настоящей заявке.

Более того, проблема максимального получения нерадиоактивных металлов при переработке радиоактивно загрязненного оборудования и возврат их в хозяйственный оборот, причем металлов, разделенных при этой переработке по видам и радиоактивных отходов в виде оксидов, окалины, золы и шлаков, имеющих минимизированный объем по сравнению с объемом демонтированного и направленного на переработку оборудования до сих пор не была решена в мире, хотя потребность решить ее давно существует. Предлагаемые способ и устройство позволяет эту проблему решить, удовлетворив существующую потребность в радикальной переработке ТРО.

Заявляемая группа изобретений промышленно применима и способ, и устройство по всем признакам заявляемых совокупностей выполнимы и воспроизводимы; ничто в изобретениях не мешает использованию их в промышленности с достижением ожидаемого технического результата.

На чертеже представлена иллюстрация комплекса в целом.

Комплекс содержит установку 1 фрагментации демонтированного радиоактивно загрязненного оборудования, установку 2 индукционной переплавки с индукционной электропечью 3, с отсасывающим устройством 4, с устройством 5 разливки расплавленного металла в изложницы 6 и с устройством 7 для отверждения расплавленного металла, транспортный контейнер 8 и обслуживающее комплекс подъемно-транспортное устройство 9, например мостовой кран. Комплекс снабжен установкой 10 жидкостной дезактивации оборудования в сборе, установкой 11 жидкостной дезактивации фрагментов оборудования, установкой 12 термической дезактивации фрагментов электропечью 13 косвенного нагрева с устройством 14 для разливки расплавленного металла в изложницы 15 и с устройством 16 для отверждения расплавленного металла. Комплекс также снабжен узлом сортировки 17 по видам и группам металлов и установками 18 и 19 для обезвреживания и очистки газов. Установка 18 сообщена трубопроводом 20 с отсасывающим устройством 4 установки 2, а установка 19 сообщена трубопроводом 21 с полостью электропечи 13 установки 12.

Переработка демонтируемого радиоактивно загрязненного оборудования осуществляется следующим образом.

Демонтированное оборудование 22 в виде отдельных аппаратов и узлов мостовым краном 9 транспортируют на установку 10 для осуществления жидкостной дезактивации в сборе, т.е. без вскрытия загрязненных внутренних полостей, но с локализацией радионуклидов в ограниченном объеме. Затем это оборудование с помощью того же крана 9 направляют на установку 1 фрагментации (размельчения), где оборудование (аппараты и узлы) приводит к массе и размерам, удобным для загрузки в транспортный контейнер 8, после чего краном 9 транспортируют на установку 11 жидкостной дезактивации фрагментов. Частично дезактивированные фрагменты оборудования, загруженные в контейнер 8, мостовым краном 9 транспортируют на установку 12, где в электропечи 13 косвенного нагрева производят термическую дезактивацию путем выжигания из фрагментов горючих материалов (битума, резины, пластмассы, краски, эпоксидного компаунда, бумаги, дерева и т.п.) и расплавления легкоплавких металлов, алюминия и свинца, причем расплавление этих металлов происходит селективно при непрерывном отделении от расплавов указанных металлов, образующихся при нагреве оксидов вместе с радиоактивным загрязнением.

Одновременно в электропечи 13 производится и термическая дезактивация стали, меди и тугоплавких металлов путем прокалки в газовой среде с последующим удалением окалины вместе с радиоактивным загрязнением. Расплавленные легкоплавкие металлы, алюминий и свинец устройством 14 разливают в изложницы 15 и отверждают (охлаждают) в устройстве 16, получая металлы в виде слитков, а прокаленные металлы-сталь, медь и тугоплавкие металлы в контейнере 8 краном 9 транспортируют к узлу сортировки 17 их по видам и группам.

Далее каждый вид или группу металлов направляют на установку 2 индукционной переплавки, где в присутствии отшлаковывающих флюсов металлы переводят в расплав, а образующийся на поверхности расплава шлак с перешедшими в него радиоактивными веществами удаляют. Расплавленные металлы устройством 5 разливают в изложницы 6, после чего охлаждают расплавы в устройстве 7, получая слитки.

Образовавшиеся при термической дезактивации и индукционной переплавке дымовые газы необходимо обезвреживать и очищать, а потому их направляют в соответствующие установки 18 и 19, где путем комбинированной многоступенчатой мокрой и сухой очистки газы доводят до санитарных норм содержания в них сажи, агрессивных химических соединений, водяных паров, до допустимой для выброса в окружающую среду температуры и без радиоактивных веществ.

Использование способа и комплекса в народной хозяйстве обеспечивает получение металлов, очищенных от радиоактивного загрязнения, при этом металлы уже будут разделены по видам и группам. Вышеописанная переработка радиоактивно загрязненного оборудования представляет собой рентабельный процесс комплексной дезактивации и переработки, обеспечивающей полный возврат в народное хозяйство цветных и черных вторичных металлов и сокращение до минимума радиоактивных отходов, подлежащих захоронению.