способ цементирования жидких радиоактивных отходов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, характеризующийся тем, что подают жидкие радиоактивные отходы в емкость, измеряют их уровень, перемешивают жидкие радиоактивные отходы в емкости, подают в емкость рассчитанный объем газа от внешнего источника, выгружают жидкие радиоактивные отходы в мерник через трубку для выгрузки, измеряют их уровень в мернике, перемешивают содержимое мерника, выгружают жидкие радиоактивные отходы из мерника, повышая в нем давление от внешнего источника газа, в контейнер через трубку для выгрузки, подают в контейнер цемент с добавками, перемешивают каждую порцию компаунда в контейнере.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при необходимости перед выгрузкой отстаивают жидкие радиоактивные отходы в мернике.

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при необходимости удаляют избыток жидкости из мерника через сливной патрубок с фильтром.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при необходимости удаляют избыток жидкости повышением давления в мернике.

5. Способ по п.1, характеризующийся тем, что при перемешивании дополнительно жидкие радиоактивные отходы барботируют газом.

6. Способ по п.5, характеризующийся тем, что при необходимости дополнительно перемешивают жидкие радиоактивные отходы барботажем газа, одновременно повышая этим газом давление для перегрузки порции жидких радиоактивных отходов.

7. Способ по п.1 или 5, характеризующийся тем, что в качестве газа используют воздух.

8. Устройство для осуществления способа цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащее емкость, мерник, снабженные мешалками и уровнемерами, контейнер с установленной в нем мешалкой, узел подачи цемента с добавками, внешний источник давления газа, соединенный с емкостью и мерником, трубки для выгрузки, причем одна трубка для выгрузки соединяет емкость с мерником, вторая установлена с возможностью соединения мерника с контейнером, причем трубки для выгрузки снабжены расширителями, а емкость снабжена патрубком для подачи жидких радиоактивных отходов.

9. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что трубки для выгрузки не имеют горизонтальных участков.

10. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что входы трубок для выгрузки находятся у дна емкости и мерника.

11. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что мерник снабжен сливным патрубком для удаления избытка жидкости.

12. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что трубка для выгрузки, соединяющая емкость с мерником, имеет сужение на выходе.

13. Устройство по п.8, характеризующееся тем, что емкость и мерник снабжены патрубками для подачи барботажного газа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем их фиксации в устойчивой твердой среде.

Известны способ и устройство цементирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО) [RU патент 2132095. БИ №17, 1999 г.], заключающиеся в том, что подают цемент с добавками в емкость с мешалкой из расходных бункеров через дозаторы струйными насосами, одновременно подают в емкость ЖРО до заполнения рабочего объема смесительного узла, цементный компаунд приготавливают перемешиванием цемента с добавками и жидкими радиоактивными отходами. Разгружают смесительный узел через сливное устройство в контейнеры для длительного хранения.

Устройство для цементирования жидких радиоактивных отходов содержит смесительный узел, состоящий из емкости с мешалкой, сливного устройства, вихревого аппарата, вход которого соединен с выходом емкости с мешалкой, а выход - со сливным устройством, трубопровод для подачи ЖРО, бункер для цемента, бункеры для твердых добавок, питатели-дозаторы цемента и твердых добавок, каждый из которых состоит из последовательно соединенных струйного насоса, подсоединенного к бункерам цемента и твердых отходов, трубопровода, расходного бункера и дозаторов, соединенных с входом емкости с мешалкой, циркуляционную магистраль, снабженную насосом и соединенную с входом емкости с мешалкой.

Недостатками являются:

невозможность одновременного использования ЖРО с различной солевой концентрацией и вязкостью;

- забивание сливного устройства радиоактивным компаундом, что приводит к необходимости его периодической замены;

- необходимость периодической очистки смесительного узла от радиоактивного цементного компаунда;

- сложна перестройка устройства при переходе с одних жидких радиоактивных отходов на другие.

Известен способ цементирования жидких радиоактивных отходов [RU патент 2218618 БИ №34, 2003 г.] заключающийся в том, 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, подают жидкие радиоактивные отходы в контейнер, 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 цемента в контейнер; время работы мешалки задают и автоматически контролируют с помощью таймера. По окончании перемешивания цементного компаунда отстыковывают контейнер, погружают датчики верхнего и нижнего уровней в контейнер, закрывают его и транспортируют в хранилище.

Устройство, в котором реализуют способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержит 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, 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. 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.

Наличие сигнализатора уровня с датчиками нижнего и верхнего уровня, работающего на изменении электропроводности сред воздух-жидкие радиоактивные отходы и воздух-цементный компаунд, устройства управления средствами подачи жидких радиоактивных отходов и цемента, таймера, электромагнитного клапана, устройства управления электромагнитным клапаном усложняет устройство. Кроме того, наличие электромагнитных клапанов и автоматических средств управления ими делает устройство ненадежным. Возможны ложные срабатывания, что может привести к проливу ЖРО или ухудшению свойств цементного компаунда.

Наиболее близкими к заявляемому являются способ и устройство цементирования жидких радиоактивных отходов [Давыдов В.И. и др. "Установки отверждения жидких отходов низкого и среднего уровня активности". Атомная энергия, 1995, т.79, в.6, с.431]. Способ заключается в том, что подают жидкие радиоактивные отходы и цемент с добавками в мерники, подают содержимое мерников в смеситель, а затем выгружают компаунд из смесителя в контейнер. Контейнер закрывают крышкой и транспортируют к механизму смешивания, где компаунд окончательно гомогенизируется путем вращения контейнера.

Устройство, в котором реализуют способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержит мерники для жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками, смеситель, соединенный с мерниками, трубки для выгрузки компаунда в контейнер.

Устройство работает следующим образом: цемент и добавки подают в мерник. Подают жидкие радиоактивные отходы в мерник. Подают содержимое мерников в смеситель. Подают под загрузку контейнер. Загружают контейнер из смесителя, через трубку для выгрузки смесью жидких радиоактивных отходов и цемента с добавками. После чего транспортируют его к механизму перемешивания для окончательной гомогенизации.

Недостатками способа и устройства являются:

- необходимость периодической очистки смесителя от затвердевшей смеси ЖРО и цемента, так как в противном случае смеситель заполнится затвердевшей смесью и перестанет выполнять свои функции, что снижает надежность устройства;

- отсутствие контроля за приготовлением цементного компаунда может привести к получению цементного компаунда плохого качества (его низкой механической прочности и высокой выщелачиваемости);

- невозможность одновременного использования ЖРО с различной солевой концентрацией и вязкостью.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемых изобретений, заключается в том, что позволяет использовать ЖРО с разным солесодержанием и вязкостью, т.е. является универсальным, позволяет устанавливать оптимальное соотношение компонентов цементного компаунда в каждом контейнере, гарантированное получение прочных водостойких цементных блоков, что достигается порционной подачей ЖРО в контейнер при повышении надежности и упрощении конструкции устройства для цементирования.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе цементирования жидких радиоактивных отходов подают жидкие радиоактивные отходы в емкость, измеряют уровень жидких радиоактивных отходов в ней, перемешивают жидкие радиоактивные отходы в емкости, подают в емкость рассчитанный объем газа от внешнего источника газа, выгружают жидкие радиоактивные отходы в мерник через трубку для выгрузки, измеряют уровень жидких радиоактивных отходов в мернике и при необходимости удаляют избыток отстоянной жидкости повышением давления в мернике, перемешивают содержимое мерника, выгружают жидкие радиоактивные отходы из мерника, повышая в нем давление от внешнего источника газа, в контейнер через трубку для выгрузки непосредственно или через загрузочное устройство, подают в контейнер цемент с добавками, перемешивают каждую порцию компаунда в контейнере.

Выгружают из емкости и мерника жидкие радиоактивные отходы порциями.

Перемешивание в емкости позволяет использовать жидкие радиоактивные отходы с различным солесодержанием и усреднять их активность.

Преимуществом заявляемых решений являются:

Отсутствие арматуры и движущихся частей (типа шнеков и т.д.), где возможны механические поломки, а значит, и потребность работы в тяжелых радиационных условиях для устранения неисправности;

пассивность работы системы после приведения ее в действие, минимизирующая ошибки персонала;

простота алгоритма задания требуемой порции ЖРО, исключающая возможность отказа как в исполнительных механизмах, так и в цепях управления процессом порционной подачи, что ведет к резкому снижению возможных аварийных ситуаций;

применимость данного способа дозированной транспортировки к широкому спектру ЖРО (пульпы, сорбенты, ККО и т.д.);

удобство применения данного способа к двухступенчатой схеме подачи: емкость-мерник-контейнер для цементирования.

Выгрузка жидких радиоактивных отходов из емкости и мерника повышением давления, с возможностью прерывания потока жидких радиоактивных отходов из-за выравнивания давления, позволяет формировать порции заданных объемов и минимизирует поверхности, где может происходить выпадение осадков и заиливание.

При необходимости избыток жидкости из мерника удаляют через сливной патрубок с фильтром повышением давления в мернике после отстаивания жидких радиоактивных отходов в мернике.

Подача жидких радиоактивных отходов порциями из мерника в контейнер с перемешиванием каждой порции гарантирует контролируемое заполнение контейнера и обеспечивает равномерность смеси, что улучшает качество блоков.

Отстаивание жидких радиоактивных отходов повышением давления и последующее удаление избытка воды позволяют получить необходимое соотношение компонентов в контейнере.

При необходимости дополнительно перемешивают жидкие радиоактивные отходы барботажем газа одновременно повышая этим газом давление для перегрузки порции ЖРО.

Устройство для реализации способа содержит емкость, мерник, снабженные мешалками и уровнемерами, контейнер с установленной в нем мешалкой, узел подачи цемента с добавками, внешние источники давления газа, соединенные с емкостью и мерником, трубки для выгрузки, одна из которых соединяет емкость с мерником, вторая установлена с возможностью соединения мерника с контейнером для хранения или захоронения, причем трубки для выгрузки не имеют горизонтальных участков, а в верхних их частях содержат расширитель, вход трубок для выгрузки находится у дна емкости и мерника, трубка для выгрузки, соединяющая емкость с мерником, имеет сужение на выходе, а емкость снабжена патрубком для приема жидких радиоактивных отходов.

Мерник снабжен также сливным патрубком для удаления избытка жидкости.

Трубка для выгрузки соединяет мерник с контейнером непосредственно или через загрузочное устройство.

Использование трубок для выгрузки упрощает устройство. Отсутствие запорной арматуры и движущихся частей (типа шнеков), где возможны механические поломки, исключает их.

Жидкие радиоактивные отходы собирают в емкости, где их поддерживают во взвешенном состоянии при помощи мешалки, измеряют их уровень. Присоединяют контейнер к узлу подачи цемента с добавками и трубке для выгрузки от мерника либо к выходному отверстию загрузочного устройства. Рассчитывают необходимый объем газа, подают его в емкость и выгружают порцию ЖРО в мерник, выдавливая через трубку для выгрузки. При выравнивании давления в емкости и расширителе трубки для выгрузки происходит разрыв струи. Так как трубка для выгрузки не имеет горизонтальных участков, то остатки отходов не задерживаются в трубке для выгрузки, а под действием силы тяжести сползают в емкость и мерник.

На основе уравнения Менделеева-Клайперона и условия прекращения выгрузки ЖРО можно записать выражение для нахождения mi для заданного объема выдавливаемых ЖРО:

где p₁, р _атм, p_ост - соответственно начальное давление в емкости внешнего источника газа, атмосферное давление и остаточное давление в газовых полостях на момент прекращения выгрузки ЖРО, Па;

V₁, V ₂, V_выд - соответственно, объемы газовой полости емкости внешнего источника газа, емкости с ЖРО, объем выгружаемой порции ЖРО, м³;

h₀ - высота подъема трубки для выгрузки относительно уровня ЖРО в емкости до начала перелива, м;

S - площадь горизонтального сечения емкости (площадь зеркала ЖРО), м²;

_ж - плотность переливаемых ЖРО, кг/м ³;

m₁, m₂ - соответственно начальная масса газа в емкости внешнего источника, емкости с ЖРО, кг;

R - универсальная (молярная) газовая постоянная, R=8,31 Дж/(моль К);

М - молярная масса рабочего газа, кг/моль;

Т, Т₍₂₎ - соответственно средняя начальная температура в газовых полостях до и после выгрузки ЖРО, К.

Полагая, что температура газа в емкости после выгрузки изменилась слабо (Т₍₂₎ Т), после нахождения m₁, находим давление в емкости внешнего источника газа p₁ , до которого его поднимают для обеспечения выгрузки порции ЖРО

Аналогично рассчитывают объем газа, которым выгружают порции жидких радиоактивных отходов из мерника.

Задавая различное начальное давление p₁ в емкости внешнего источника газа объемом V₁, можно регулировать объем выгружаемых ЖРО.

Повышают давление в мернике, отстаивают ЖРО, удаляют излишки жидкости, измеряют уровень, перемешивают механически, а затем выгружают, повышая давление от внешнего источника газа, через трубку для выгрузки, в контейнер, в который подают цемент с добавками. Загрузка в контейнер может производиться через загрузочное устройство. При заполнении контейнера его закрывают и отправляют на хранение.

При необходимости, дополнительно перемешивают жидкие радиоактивные отходы в емкости и мернике барботажем газа.

Барботажный газ рассчитанного объема может быть использован для создания давления и перегрузки ЖРО.

Устройство для реализации способа представлено на чертеже, где: 1 - емкость с мешалкой;

2 - уровнемер;

3 - трубопровод подачи ЖРО в емкость;

4 - внешний источник газа;

5 - мерник с мешалкой;

6 - уровнемер;

7 - трубка для выгрузки ЖРО в мерник;

8 - расширитель;

9 - внешний источник газа;

10 - сливной патрубок для удаления избытка жидкости;

11 - трубка для выгрузки ЖРО в контейнер;

12 - расширитель;

13 - узел подачи цемента и добавок в контейнер;

14 - контейнер;

15, 16 - патрубки для подачи барботажного газа в емкость и мерник соответственно.

Устройство работает следующим образом: ЖРО по трубопроводу 3 подают в емкость 1, где их перемешивают с помощью мешалки. Измеряют уровень уровнемером 2. Подают рассчитанный объем воздуха из внешнего источника газа 4 в емкость, жидкие радиоактивные отходы выдавливаются через трубку для выгрузки 7 в мерник 5. При выравнивании давления в емкости и расширителе 8 происходит разрыв струи. Измеряют уровень отходов в мернике уровнемером 6 и при необходимости удаляют избыток воды через сливной патрубок 10. Повышают давление в мернике от внешнего источника газа 9 и жидкие радиоактивные отходы через трубку для выгрузки 11 подают в контейнер 14. При выравнивании давления в мернике и расширителе 12 происходит разрыв струи. Подают в контейнер цемент с добавками из узла подачи цемента и добавок 13 в контейнер, перемешивая каждую порцию. При необходимости подают барботажный газ в емкость через патрубок 15 и мерник через патрубок 16. ЖРО могут подаваться в контейнер через загрузочное устройство (не изображено). При наполнении контейнера его закрывают и отправляют на хранение.

Определим необходимое количество газа для выдавливания V _выд=0,15 м³ ЖРО из емкости (высотой 1,1 м и диаметром 1,6 м, площадь горизонтального сечения емкости (площадь зеркала жидкости) S=2,010624 м² ), объем газа в емкости V₂=1,616339 м ³, высота подъема трубки для выгрузки относительно уровня жидкости в емкости до начала перелива h₀ =0,6 м, объем газовой полости емкости внешнего источника газа V₁=0,099984 м³ при атмосферном давлении р_атм,=10000 Па, плотности переливаемой жидкости _ж=1000 кг/м³ ; ускорении свободного падения g=9,8 м/с² .

Подставляя вышеприведенные значения в формулы 1 и 2, получаем, что для выдавливания V_выд=0,15 м³ необходимо поднять давление в емкости внешнего источника газа p₁ до величины p₁=373427 Па.