способ обезвреживания жидких радиоактивных и токсичных материалов

Формула изобретения

1. Способ обезвреживания жидких радиоактивных и токсичных материалов, включающий их упаривание, термолиз и порционную заливку жидкой фазы в капсулы-контейнеры, отличающийся тем, что жидкую фазу заливают в капсулы, предварительно заполненные пористой керамикой и снабженные ловушкой возгонов, а упаривание и термолиз сухого остатка осуществляют непосредственно в порах керамики, улавливая при этом возгоны с высокой упругостью пара, причем после окончания термолиза сухого остатка капсулу закупоривают.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс упаривания ведут при температуре 70-90°С, а процесс термолиза - при температуре 700-900°С.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что все операции осуществляются в герметичной камере при давлении 0,01-0,05 МПа.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что продукты термолиза взаимодействуют с пористой керамикой и образуют стойкие химические соединения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к ядерной энергетике, а именно к обращению с радиоактивными отходами (РАО), но может быть эффективно использовано и в др. отраслях, например, в химической промышленности для вывода из биосферы особо опасных токсикантов.

Известен способ захоронения РАО в глубинные слои литосферы, включающий размещение твердых, тепловыделяющих материалов в герметичных, толстостенных сосудах (Соболев И.А., Хомчик Л.М. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. - М.: Энергоиздат, 1983, 128 с.).

Недостаток этого способа-сложность изготовления сосудов и опасность их снаряжения, а также технологические трудности реализации.

Известен также способ обезвреживания РАО, в том числе тепловыделяющих, водохвостовых нитратных растворов, образующихся в процессе регенерации отработанного ядерного топлива, который заключается в упаривании и термолизе жидкой фазы на поверхности расплава стекла, получении остеклованной массы и заливку последней в металлические контейнеры-капсулы, снабженные завариваемой герметизирующей крышкой (Никифиров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. - М.: Энергоиздат, 1985, с. 92-94.)

Этот способ имеет существенные недостатки: концентрация РАО ограничена по соображениям длительной стойкости стекла (матрицы), в связи с чем возрастает объем хранилищ, оборудование, необходимое для реализации известного способа отличается высокой стоимостью, высокой энергоемкостью, малой производительностью, сложностью выполнения ремонтов и образованием собственных отходов в виде футеровки печей и др. деталей, агрессивные водохвостовые растворы, предназначенные для отверждения остеклованием, должны длительное время (3-10 лет) выдерживаться в непрерывно охлаждаемых емкостях с целью понижения их радиационной опасности, что резко увеличивает как стоимость передела, так и опасность аварий с катастрофическими экологическими последствиями, длительное (в течение сотен лет) хранение остеклованных РАО даже в подземных пустотах на глубине 100-1000 м не исключает вероятности экологических катастроф в результате геологических катаклизмов и разрушения как конструкционных материалов, так и стекла под действием облучения.

Цель изобретения - повышение надежности, экологической безопасности и снижение затрат комплекса процедур обезвреживания РАО и др. особо опасных веществ (токсикантов).

Поставленная цель достигается тем, что жидкие радиоактивные и токсичные отходы порционно-последовательно заливают в капсулы, предварительно заполненные пористой керамикой и снабженные ловушкой возгонов, упаривают и проводят термолиз сухого остатка упаривания непосредственно в порах керамики, улавливая при этом возгоны паровой фазы, причем после завершения термолиза сухого остатка капсулы закупоривают.

Упаривание ведут при температуре 70-90^oC, а термолиз при 700-900^oC в герметичной камере при давлении в последней 0,01 - 0,05 МПа.

Стабилизацию продуктов термолиза в виде смеси оксидов осуществляют путем их взаимодействия с материалом керамической матрицы, что приводит к образованию термически стойкого конгломерата непосредственно в порах и микроканалах наполнителя.

Важным звеном в осуществлении способа обезвреживания является капсула, причем внешний диаметр капсулы может колебаться в широких пределах в зависимости от состава материалов хранения, но преимущества способа наиболее полно реализуются при применении шаровых капсул, диаметром от 50 до 250 мм, что составляет 50-80% от диаметра обсадных труб типовых, т.е. наименее капиталоемких скважин, ибо только в этом случае обеспечивается свободное перемещение капсул по стволу к подземной емкости (каверне).

Основной особенностью способа обезвреживания РАО является то, что капсула заполнена пористой керамикой, например, из пористого корунда, легированного оксидом циркония, причем оптимальными свойствами обладают искусственные материалы ("синроки") с пористостью 50-80%.

Высокая пористость наполнителя обеспечивает интенсивное поглощение (впитывание) раствора.

Раствор РАО заливают в капсулу через специальное отверстие, снабженное воронкой и начинают упаривать при температуре 70-90^oC. При температуре менее 70^oC процесс упаривания идет медленно, а при температуре более 90^oC имеет место выбросы раствора.

Заливку раствора и операцию упаривания осуществляют многократно до достижения требуемого уровня заполнения пор сухим остатком (от 1,0 до 1,5 кг/кг), после чего температуру в печи, размещенной в герметичной камере поднимают до 700-900^oC для разложения (термолиза) сухого остатка в виде нитратных солей с образованием смеси оксидов нуклидов непосредственно в порах керамики (при температуре менее 700^oC процесс термолиза замедлен и неполон, а при температуре выше 900^oC возникают технологические осложнения).

В процессе нагрева растворов РАО имеет место испарение таких летучих компонентов как цезий, америций, техниций и др., в связи с чем для улавливания указанных возгонов-внутри блока пористой керамики устанавливают ловушку - конденсатор (на чертеже приведена фотография капсулы с наполнителем и капсула в разрезе). Ловушка экологически опасных возгонов заполнена порошком адсорбента-геттера, а над слоем адсорбента расположен слой припоя с температурой плавления 900-950^oC.

Иммобилизация тепловыделяющих нуклидов в пористой керамической матрице осуществляется выполнением последовательных операций в герметичной камере, стены которой служат радиационной защитой, причем в камере постоянно поддерживается давление 0,01-0,05 МПа, что исключает выход летучих вредностей в атмосферу.

Поддержание давления менее 0,01 МПа связано с удорожанием оборудования, а более 0,05 МПа увеличивает опасность прорыва токсикантов.

После завершения термолиза, который сопровождается газовыделением, и восстановления вакуума в камере-температуру в печи нагрева капсул поднимают до 900-950^oC, что приводит к расплавлению припоя на поверхности ловушек возгонов и ее закупорке.

Закупоренная капсула перемещается из нагревателей печи в сварочный блок, также размещенный в объеме герметичной камеры, где осуществляется соединение двух предварительно изготовленных стальных полусфер, в результате чего образуется второй слой контейнера, дополнительно защищающей керамический наполнитель, причем соединение полусфер выполняется, преимущественно, способом контактной сварки, как наиболее надежным и технологичным.

Последующие операции способа заключаются в перемещении двухслойных капсул через шлюз камеры ко второму сварочному блоку, с помощью которого осуществляют соединение полусфер третьего (внешнего) слоя, т.е. финишное изделие представляет собой трехслойный герметичный шаровой контейнер.

С целью повышения надежности способа внешний слой капсул изготовляют из жаропрочного и жаростойкого сплава, а его поверхность покрывают тонким (0,1-0,3 мм) слоем тугоплавких материалов, используя известные приемы плазменного напыления.

Единичные капсулы, выполненные по предлагаемому способу с тепловыделением порядка 50 Вт-т (45 ккал/ч) накапливают в охлаждаемой емкости и перевозят к полигону захоронения.

Конкретный пример осуществления способа.

Операция 1. B сферическую капсулу, диаметром 130 мм и объемом 1,15 л, выполненную в виде корпуса из мягкой стали, окружающего керамический наполнитель, заливали нитратный раствор РАО с тепловыделением 30-70 Вт/л, причем капсулу предварительно через шлюз вводили в герметичную камеру.

Капсулу помещали в печь сопротивления и нагревали до 80^oC. Заливку раствора и его упаривание проводили порционно-последовательно и многократно до увеличения веса капсулы до 4,0 кг, а по достижении требуемого заполнения пор керамики сухим остатком температуру в печи поднимали до 800^oC с целью разложения (термолиза) сухого остатка нитратов с образованием смеси оксидов нуклидов непосредственно в порах и микроканалах наполнителя.

Вредные возгоны Cs, Am и др. компонентов с высокой упругостью пара адсорбировали в слое геттера в ловушке-конденсаторе, после чего температуру в печи повысили до 950^oC и выдержали в течение 0,5 ч. Это операция привела к расплавлению припоя в ловушке и закупорке капсулы.

Извлеченную из печи капсулу перемещали в пределах герметичной камеры к сварочному блоку, с помощью которого первичную капсулу размещали между двух стальных полусфер и соединяли последние контактной сваркой, прижимая полусферы и пропуская через них эл. ток.

Двуслойные, герметичные капсулы поточно через шлюз извлекали из защитной, герметичной камеры и дополнительно защищали еще одним слоем, размещая капсулу внутри полусфер из хромистого сплава, легированного вольфрамом, соединенных между собой аргонно-дуговой сваркой, причем на финишном этапе поверхность внешнего, сварно-штампованного корпуса капсулы покрывали оксидом гафния, толщиной 0,1 мм.

Поточно изготовленные описанными приемами герметичные, шаровые капсулы накапливали в охлаждаемом хранилище.

Дальнейшее обезвреживание РАО, размещенных (иммобилизованных) в керамических матрицах, герметично окруженных многослойными, жаропрочными, предусматривает их спуск и размещение в искусственных подземных кавернах через стволы типовых скважин, глубиной до 4-5 км и выдержку ансамбля (множества) капсул в течение времени, необходимого для разогрева подстилающих пород до твердо-жидкого состояния (1200-1250^oC), что обеспечивает самопроизвольное, экологически безопасное опускание ансамбля в глубинные слои литосферы.

Предлагаемое решение пригодно не только для безвозвратного захоронения РАО и др. токсикантов в глубинных пластах, что исключает их выход в биосферу, но и для безопасного хранения в приповерхностных шахтах, глубиной до 100-300 м в условиях естественного воздушного охлаждения. Это позволяет сократить расходы на обслуживание хранилищ и выгодно утилизировать в течение длительного времени (30-50 лет) дешевое тепло радиоактивного распада.