способ цементирования жидких радиоактивных отходов и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, включающий дозирование порций компонентов цементного компаунда в контейнер, установленный на тележке, перемешивание цементного компаунда с помощью установленной в контейнере мешалки, которая приводится во вращательное движение электроприводом при стыковке контейнера с загрузочным узлом, с последующей расстыковкой контейнера с загрузочным узлом, закрытие контейнера с цементным компаундом и мешалкой крышкой и транспортирование его в хранилище, отличающийся тем, что в контейнер после его стыковки с загрузочным узлом устанавливают датчики нижнего и верхнего уровней, длины которых соответствуют в зависимости от солесодержания жидких радиоактивных отходов объему жидких радиоактивных отходов и объему цементного компаунда; с помощью датчика нижнего уровня регистрируют достижение заданного значения объема жидких радиоактивных отходов в контейнере, после чего прекращают подачу в контейнер жидких радиоактивных отходов и начинают подачу цемента и перемешивание цементного компаунда; с помощью датчика верхнего уровня регистрируют достижение заданного значения объема цементного компаунда, после чего прекращают подачу в контейнер цемента; время работы мешалки задают и автоматически контролируют с помощью таймера; по окончании перемешивания цементного компаунда датчики верхнего и нижнего уровней погружают в контейнер.

2. Устройство цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащее контейнер, установленный на тележке, с установленной в нем мешалкой, устройства подачи жидких радиоактивных отходов и цемента, электропривод мешалки, устройства управления средствами подачи жидких радиоактивных отходов и цемента, узел загрузки, отличающееся тем, что в него введены таймер, электромагнитный клапан, устройство управления электромагнитным клапаном, сигнализатор уровня с датчиками нижнего и верхнего уровней, работающий на изменении электропроводности сред воздух - жидкие радиоактивные отходы и воздух - цементный компаунд; конструкция датчиков уровня представляет собой отрезки двухпроводного кабеля, длины которых соответствуют объемам жидких радиоактивных отходов и цементного компаунда в зависимости от солесодержания жидких радиоактивных отходов; входы сигнализатора уровня соединены с выходами датчиков верхнего и нижнего уровней; выход сигнализатора уровня, соответствующий датчику нижнего уровня, обеспечивающий подачу управляющего сигнала через нормально замкнутый контакт сигнализатора уровня, соединен с входом устройства управления электромагнитным клапаном и с входом устройства управления устройством подачи жидких радиоактивных отходов; выход сигнализатора уровня, соответствующий датчику нижнего уровня, обеспечивающий подачу управляющего сигнала через нормально разомкнутый контакт сигнализатора уровня, соединен с входом устройства управления электроприводом мешалки, с входом устройства управления устройством подачи цемента и с входом запуска таймера; выход сигнализатора уровня, соответствующий датчику верхнего уровня, обеспечивающий подачу управляющего сигнала через нормально замкнутый контакт сигнализатора уровня, соединен с входом устройства управления устройством подачи цемента; выход канала управления таймера соединен с входом устройства управления электроприводом мешалки.

Описание изобретения к патенту

Изобретения относятся к области отверждения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) методом цементирования, в частности непосредственно в контейнерах, предназначенных для захоронения.

Известны способ и устройство цементирования ЖРО [I], заключающиеся в том, что цементный компаунд приготовляют в смесителе, в который подают ЖРО и цемент с добавками из мерников, причем цемент с добавками подают в мерник с помощью шнекового питателя, из смесителя цементный компаунд подают в контейнер (200 литровую бочку), установленный на транспортной тележке, контейнер закрывают крышкой и транспортируют к механизму перемешивания, где путем вращения контейнера осуществляется окончательная гомогенизация смеси.

Недостатками этих способа и устройства являются необходимость периодической очистки смесителя, отсутствие автоматического задания и контроля времени приготовления цементного компаунда, а также ограниченность применения. Периодическая очистка смесителя от затвердевшей смеси ЖРО и цемента необходима, так как в противном случае смеситель заполнится затвердевшей смесью и перестанет выполнять свои функции. Отсутствие автоматического задания и контроля времени приготовления цементного компаунда может привести к ошибке оператора и, следовательно, к получению цементного компаунда плохого качества (его низкой механической прочности и высокой выщелачиваемости). Ограниченность применения заключается в том, что массовое соотношение между ЖРО и цементом, обеспечивающее необходимые механическую прочность цементного камня и вязкость смеси цементного раствора и ЖРО, существенно зависит от солесодержания ЖРО [2] . В указанных способе и устройстве для задания смешиваемых объемов ЖРО и цемента используются мерники, не дающие возможность изменять их массовое соотношение.

Известны способ и устройство цементирования ЖРО [З], заключающиеся в том, что в емкость с мешалкой подают цемент с добавками из расходных бункеров через дозаторы струйными насосами, одновременно подают в емкость ЖРО, цементный компаунд приготавливают перемешиванием цемента с добавками и ЖРО в смесительном узле, включающем емкость с мешалкой, вихревой аппарат, циркуляционную магистраль с насосом и вентилем. Разгружают смесительный узел через сливное устройство в контейнеры для захоронения. Достоинством указанного технического решения является повышенная производительность.

Недостатками являются необходимость периодической очистки смесительного узла от радиоактивного цементного компаунда, отсутствие автоматического задания и контроля времени приготовления цементного компаунда не исключает возможность ошибки оператора, при которой недостаточное время перемешивания цементного компаунда приводит к ухудшению свойств цементного компаунда, и ограниченность применения для ЖРО с разным солесодержанием.

Наиболее близкими способом, в котором исключено загрязнение оборудования смесью ЖРО и цемента и, следовательно, исключена необходимость периодической очистки смесителя от затвердевшей смеси ЖРО и цемента, является способ цементирования ЖРО [4]. Этот способ заключается в том, что цементный компаунд приготовляют в установленном на тележке контейнере с помощью установленной в контейнере мешалки. Мешалка приводится во вращательное движение электроприводом при стыковке контейнера с загрузочным узлом. В контейнер из мерников подают порции компонентов цементного компаунда (причем ЖРО предварительно концентрируют до заданного солесодержания в роторно-пленочных испарителях), включают мешалку, а после перемешивания цементного компаунда контейнер отводят от загрузочного узла. Затем контейнер с мешалкой и приготовленным цементным компаундом закрывают крышкой и транспортируют в хранилище.

Наиболее близким устройством является устройство, реализующее способ, представленное в том же источнике [4]. Это устройство содержит установленный на тележке контейнер, установленную в контейнере мешалку, которая приводится во вращательное движение электроприводом при стыковке с загрузочным узлом, мерники дозаторы сыпучих компонентов цементного компаунда, средства подачи ЖРО и сыпучих компонентов цементного компаунда, ленточно-пленочный испаритель ЖРО.

Недостатками способа и устройства является: невозможность их применения для ЖРО с разным солесодержанием из-за необходимости изменения объемов мерников компонентов цементного компаунда для каждого значения солесодержания исходных ЖРО, не исключена возможность ухудшения свойств цементного компаунда из-за ошибки оператора при определении времени работы мешалки. Кроме того, наличие дозаторов ЖРО и сыпучих компонентов цементного компаунда существенно усложняет указанное устройство и также способ, так как необходимо сначала наполнить дозаторы ЖРО и компонентами цементного компаунда, а затем наполнить содержимым дозаторов контейнер.

Задача, решаемая данными изобретениями, заключается в создании способа и устройства цементирования ЖРО различного солесодержания и автоматизации процесса перемешивания цементного компаунда для исключения ухудшения качества цементного компаунда из-за ошибки оператора с одновременным упрощением способа и конструкции устройства.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемых изобретений заключается в следующем.

Данные способ и устройство, по сравнению с известными, позволяют устанавливать оптимальное соотношение компонентов цементного компаунда в каждом контейнере, обеспечивая вне зависимости от солесодержания ЖРО гарантированное получение прочных водостойких цементных блоков. Упрощение технологии приготовления цементного компаунда и конструкции устройства снижает габариты и металлоемкость устройства цементирования. Это особенно существенно для мобильных, транспортируемых на разные объекты, установок по переработке ЖРО с разным солесодержанием.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе, включающем дозирование порций компонентов цементного компаунда в контейнер, установленный на тележке, перемешивание цементного компаунда с помощью установленной в контейнере мешалки, которая приводится во вращательное движение электроприводом при стыковке контейнера с загрузочным узлом, последующую расстыковку контейнера с загрузочным узлом, закрытие контейнера с цементным компаундом и мешалкой крышкой и транспортирование его в хранилище, согласно изобретению в контейнер после его стыковки с загрузочным узлом устанавливают датчики нижнего и верхнего уровня, длины которых соответствуют, в зависимости от солесодержания ЖРО, объему ЖРО и объему цементного компаунда. С помощью датчика нижнего уровня регистрируют достижение заданного значения объема ЖРО в контейнере, после чего прекращают подачу в контейнер ЖРО и начинают подачу цемента и перемешивание цементного компаунда. С помощью датчика верхнего уровня регистрируют достижение заданного значения объема цементного компаунда, после чего прекращают подачу в контейнер цемента. Время работы мешалки задают и автоматически контролируют с помощью таймера. По окончании перемешивания цементного компаунда датчики верхнего и нижнего уровня погружают в контейнер.

Установка в контейнер датчиков нижнего и верхнего уровня, длины которых в зависимости от солесодержания соответствуют объемам ЖРО и цементного компаунда, прекращение подачи ЖРО и цемента при достижении заданных значений объемов ЖРО и цемента в контейнере, обеспечивают возможность приготовления цементного компаунда из ЖРО различного солесодержания. Подача ЖРО и цемента непосредственно в контейнер упрощает способ приготовления цементного компаунда, так как при этом исключаются операции подачи ЖРО и цемента в дозаторы и опорожнение дозаторов в контейнер. Задание и контроль времени работы мешалки с помощью таймера автоматизируют процесс перемешивания цементного компаунда и обеспечивают гарантированное получение качественного цементного компаунда.

Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее установленный на тележке контейнер с установленной в нем мешалкой, устройства подачи ЖРО и цемента, электропривод мешалки с устройством управления, устройства управления средствами подачи ЖРО и цемента, узел загрузки. Дополнительно введены сигнализатор уровня с датчиками нижнего и верхнего уровня, электромагнитный клапан, таймер, устройство управления электромагнитным клапаном. Принцип действия сигнализатора уровня основан на изменении электропроводности сред: воздух - ЖРО и воздух - цементный компаунд. Конструкция датчиков уровня представляет собой отрезки двухпроводного кабеля, длины которых соответствуют объемам ЖРО и цементного компаунда в зависимости от солесодержания ЖРО. Входы сигнализатора уровня соединены с выходами датчиков верхнего и нижнего уровня. Выход сигнализатора уровня, соответствующий датчику нижнего уровня, обеспечивающий подачу управляющего сигнала через нормально замкнутый контакт сигнализатора уровня, соединен с входом устройства управления электромагнитным клапаном (с цепями управления закрытием), с входом устройства управления устройством подачи ЖРО (с цепями управления остановкой). Выход сигнализатора уровня, соответствующий датчику нижнего уровня, обеспечивающий подачу управляющего сигнала через нормально разомкнутый контакт сигнализатора уровня, соединен с входом устройства управления электроприводом мешалки, с входом устройства управления устройством подачи цемента (с цепями управления пуском) и с входом запуска таймера. Выход сигнализатора уровня, соответствующий датчику верхнего уровня, обеспечивающий подачу управляющего сигнала через нормально замкнутый контакт сигнализатора уровня, соединен с входом устройства управления устройством подачи цемента (с цепями управления остановкой). Выход таймера соединен с входом устройства управления электроприводом мешалки (с цепями управления остановкой).

Наличие в устройстве сигнализатора уровня с датчиками нижнего и верхнего уровня простейшей конструкции из отрезков двухпроводного кабеля, выходными сигналами которых осуществляется управление электромагнитным клапаном и устройствами подачи ЖРО и цемента с помощью устройства управления электромагнитным клапаном и устройств управления устройствами подачи ЖРО и цемента, упрощает конструкцию устройства, так как обеспечивает приготовление цементного компаунда без использования дозаторов. Так как длины датчиков нижнего и верхнего уровня зависят от солесодержания ЖРО и соответствуют объемам ЖРО и цементного компаунда, то устройство обеспечивает возможность приготовления цементного компаунда для ЖРО с разным солесодержанием изменением длин датчиков уровня. Наличие таймера, выходным сигналом которого управляется мешалка через устройство управления электроприводом и электропривод, обеспечивает исключение ошибки оператора и тем самым гарантирует получение качественного цементного компаунда.

Кроме того, возможность изменения степени наполнения контейнера цементным компаундом позволяет замоноличивать в нем и малогабаритные твердые радиоактивные отходы путем погрузки их в контейнер, не полностью заполненный приготовленным цементным компаундом, т.е. устройство отличается высокой универсальностью при переработке радиоактивных отходов.

Все это особенно существенно для мобильных, транспортируемых на разные объекты установок по переработке ЖРО.

Предлагаемые изобретения иллюстрируются чертежом, на котором изображена структурная схема установки цементирования ЖРО.

Способ осуществляется следующим образом.

Контейнер 1, установленный на тележке 2 с подъемником 3, и с установленной в него мешалкой 4, устанавливают с помощью тележки 2 и подъемника 3 в узел загрузки 9, в котором с помощью узла сцепления 5 обеспечивается механическое соединение мешалки 4 с электроприводом мешалки 6, а также соединение контейнера 1 со средствами подачи ЖРО и цемента. Устанавливают в контейнер 1 датчики нижнего 7 и верхнего уровня 8, длины которых соответствуют, в зависимости от солесодержания ЖРО, объему ЖРО и объему цементного компаунда, выходы датчиков 7 и 8 соединяют с помощью электрического соединителя 10 с входами сигнализатора уровня 11. После чего начинают подачу в контейнер ЖРО, для чего открывают электромагнитный клапан 12 с помощью устройства управления электромагнитным клапаном 13 нажатием кнопки "Откр" и включают в работу насос 14 с помощью устройства управления насосом 15 нажатием кнопки "Пуск".

С помощью датчика нижнего уровня 7 сигнализатор уровня 11 регистрирует достижение заданного объема ЖРО в контейнере 1, после чего прекращают подачу в контейнер ЖРО и начинают вращение мешалки 4 и подачу цемента. Это обеспечивается тем, что в этот момент на выходе сигнализатора уровня 11 с нормально замкнутым контактом, соответствующим датчику нижнего уровня 7, формируется управляющий сигнал, который поступает на устройства управления 13, 15 насосом 14 и электромагнитным клапаном 12, обеспечивающий закрытие клапана 12 и остановку насоса 14, а на выходе сигнализатора уровня 11 с нормально разомкнутым контактом, соответствующим датчику нижнего уровня 7, формируется управляющий сигнал, который поступает на таймер 19, на устройство управления 16 электроприводом 6 мешалки 4 и на устройство управления 17 питателем 18, обеспечивающий запуск таймера и включение в работу мешалки 4 и питателя 18.

С помощью датчика верхнего уровня 8 сигнализатор уровня 11 регистрирует достижение заданного значения объема цементного компаунда в контейнере 1, после чего прекращают подачу цемента в контейнер 1, для этого на выходе сигнализатора 11 с нормально замкнутым контактом, соответствующем датчику верхнего уровня 8, формируется управляющий сигнал, который поступает на устройство управления 17 питателем 18 и обеспечивает остановку питателя. Время работы мешалки 4, достаточное для обеспечения полной гомогенизации цементного компаунда, задают и контролируют с помощью таймера 19, который формирует по окончании заданного времени управляющий сигнал остановки электропривода 6, поступающий на устройство управления 16. По окончании перемешивания датчики нижнего 7 и верхнего уровня 8 погружают в контейнер 1 с приготовленным цементным компаундом. Затем контейнер 1 с компаундом, мешалкой 4 и датчиками нижнего 7 и верхнего 8 уровня перемещают от загрузочного узла 9, закрывают крышкой и транспортируют в хранилище.

Предлагаемое устройство включает контейнер 1 (бочку), установленный на тележке 2, снабженной подъемником 3, мешалку 4, узел сцепления 5, электропривод мешалки 6, датчики нижнего уровня 7 и верхнего уровня 8 сигнализатора уровня 11, узел загрузки 9 с электрическим соединителем 10 и с отверстиями для подачи в контейнер ЖРО и цемента, электромагнитный клапан 12 с устройством управления электромагнитным клапаном 13, насос 14 с устройством управления насосом 15, устройство управления электроприводом мешалки 16, устройство управления питателем 17, питатель 18 и таймер 19. Входы сигнализатора уровня 11 через электрический соединитель 10 соединены с выходами датчиков нижнего уровня 7 и верхнего уровня 8. Выход сигнализатора уровня с нормально замкнутым контактом, соответствующий датчику 7, соединен с управляющими входами устройств управления, электромагнитного клапана 13 и насоса 15, а выход с нормально разомкнутым контактом, соответствующий датчику 7, соединен с управляющими входами устройств управления 16 и 17, а также с входом запуска таймера 19. Входные силовые цепи устройств управления 13, 15, 16 и 17 соединены с цепями питающей сети, а выходные цепи соответственно с силовыми цепями электромагнитного клапана 12, насоса 14, электропривода 6 и питателя 18. Сигнализатор уровня 11 работает на изменении электропроводности сред: воздух - ЖРО и воздух - цементный компаунд. Устройства управления 13, 15, 16, 17 могут быть реализованы, например, с помощью магнитных пускателей.

Работа устройства состоит из четырех этапов.

Первый этап - подготовительный начинается с установки в бочку 1 мешалки 4 и последующей его установки в узел загрузки 9 с помощью тележки 2 и подъемника 3 до плотной стыковки бочки 1 с узлом загрузки 9, обеспечивая при этом механическое соединение мешалки 4 с электроприводом 6 с помощью узла сцепления 5. Затем в гнезда электрического соединителя 10, соединенного электрическим кабелем с входами сигнализатора уровня 11, закрепляют проводники двух отрезков двухпроводного кабеля, выполняющие функции датчиков нижнего 7 и верхнего 8 уровня, с длинами, соответствующими объемам ЖРО и цементного компаунда, и помещают эти отрезки кабеля через отверстие, предназначенное для крепления соединителя 10 в узле загрузки 9 внутрь бочки 1. Первый этап заканчивается фиксацией соединителя 10 в узле загрузки 9.

Второй этап - прием ЖРО в бочку 1 начинается с открытия электромагнитного клапана нажатием кнопки "Откр" в устройстве 13 и включения в работу насоса нажатием кнопки "Пуск" в устройстве 15. Заканчивается второй этап регистрацией замыкания через ЖРО проводников датчика нижнего уровня 7, при котором на выходе сигнализатора 11 с нормально замкнутым контактом формируется управляющий сигнал, поступающий на устройства управления 13 и 15 и обеспечивающий закрытие электромагнитного клапана 12 и остановку насоса 14.

Третий этап - цементирование ЖРО начинается одновременно с окончанием второго этапа включением в работу электропривода 6 мешалки 4 и питателя 18 путем формирования в момент замыкания через ЖРО проводников датчика нижнего уровня 7 на выходе сигнализатора уровня 11 с нормально разомкнутым контактом, соответствующим датчику нижнего уровня 7 управляющего сигнала, поступающего на управляющие входы устройств управления 16 и 17 и на вход запуска таймера 19. При этом включаются в работу мешалка 4 и питатель 18, обеспечивая подачу и перемешивание цемента в бочке 1. Остановка питателя 18 производится в момент регистрации замыкания через цементный компаунд проводников датчика уровня 8 путем формирования на выходе сигнализатора 11, соответствующий датчику верхнего уровня 8 управляющего сигнала, поступающего через нормально замкнутый контакт на вход устройства управления 17. Заканчивается третий этап работы устройства остановкой электропривода мешалки 6 по выходному сигналу таймера 19, формируемого при окончании заданного времени перемешивания цементного компаунда и поступающего на управляющий вход устройства управления 16 электроприводом 6.

Четвертый этап - заключительный начинается с отсоединения датчиков нижнего 7 и верхнего 8 уровня от соединителя 10 и погружения их в бочку 1 с приготовленным цементным компаундом. После чего бочку 1 отстыковывают и перемещают от загрузочного узла 9. Заканчивается четвертый этап тем, что бочку 1 закрывают крышкой и транспортируют в хранилище.

Испытания опытного образца установки цементирования ЖРО показали, что длиной датчиков нижнего и верхнего уровня в бочке можно задать соотношение цемента и ЖРО в цементном компаунде, что это позволяет приготавливать цементный компаунд из ЖРО разного солесодержания от 2 до 200 г/л.

Автоматизация процесса перемешивания цементного компаунда, с заданием времени работы мешалки таймером, обеспечивает гарантированное качество получаемого цементного компаунда с высокой прочностью более 50 кг/см² и низкой выщелачиваемостью менее 10^-4 г/см² в сутки.

Отсутствие в установке дозаторов и средств наполнения и опорожнения дозаторов существенно упростило технологию приготовления цементного компаунда и конструкцию устройства, что позволило выполнить ее в мобильном транспортируемом варианте.

Источники информации

1. Давыдов В. И. др. Установки отверждения жидких отходов низкого и среднего уровня активности. -Атомная энергия, 1995, т. 79, вып. 6, с. 431, рис. 4.

2. И. А. Соболев, Л.М. Хомчик. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах, М.: Энергоатомиздат, 1983, с 40-42.

3. RU патент 2132095. Бюллетень 17, 1999 г.

4. Давыдов В. И. др. Установки отверждения жидких отходов низкого и среднего уровня активности. -Атомная энергия, 1995, т. 79, вып. 6, с. 432-433, рис. 6.