способ автоматической сортировки грунтов, зараженных радиоактивными нуклидами, и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ автоматической сортировки грунтов, зараженных радионуклидами, заключающийся в том, что грунты после выемки подают в приемное устройство, с которого они в виде потока поступают на ленту сепаратора, над которой расположен узел регистрации гамма-излучений, после чего материал поступает в разделительный механизм, делящий поток грунта на три потока по активности, отличающийся тем, что мелкие классы грунта крупностью менее 20-30 мм подают на ленту в виде сплошного потока шириной 10-20 см и толщиной не более 2-3 средних по размеру зерен материала, который проходит вместе с лентой через два последовательно установленных комбинированных узла измерения, каждый из которых одновременно и раздельно регистрирует гамма- и бета-излучения, сигнал с узла измерения поступает на разделяющий двухступенчатый механизм.

2. Устройство для осуществления способа, состоящее из узла приема грунта, питателя, подающего грунт на ленту сортировочной машины, узла измерения гамма-излучения, оборудованного двумя большими кристаллами NaJ (TI) и разделительного механизма, отличающееся тем, что сортировочная машина, предназначенная для сортировки классов менее 20-30 мм, представляет собой раму с вращающимися барабанами, на которые натянуты по две тонкие и узкие автономные ленты с бортами, вдоль которых расположены по два также автономных комбинированных узла измерения, состоящий каждый из блока детекторов бета-излучения потока грунта, расположенного над лентой сортировочной машины и блока детекторов гамма-излучения, расположенного под лентой, при этом центральные вертикальные оси обоих блоков совпадают, непосредственно у переднего конца ленты расположен двухступенчатый разделительный механизм.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что вдоль бортов ленты расположены направляющие пластины, регулирующие ширину потока.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в блоке детектирования бета-излучения использованы счетчики СБТ-10 или пластмассовые сцинтилляторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области обращения твердых радиоактивных отходов, в частности к автоматической (радиометрической) сортировке грунтов, зараженных радионуклидами в результате естественных причин или в результате производственной деятельности при добыче и извлечении радиоактивных металлов и последующего их использования в исследовательских институтах, в атомных реакторах и хранении отходов производства во временных хранилищах и т.п.

Грунты, ставшие радиоактивными в результате указанных причин, на 90-95% представлены в основном мелким материалом крупностью от 20 мм и мельче. Остальная часть представлена крупными кусками пород и строительных материалов, кореньями деревьев, мелкими кустарниками и т.п. Основные долгоживущие радионуклиды, которые могут находиться в грунте: уран, радий, калий, кобальт - 60, стронций - 90, цезий - 137.

В книге (Чечеткин Ю.В., Грачев Л.М. «Обращение с радиоактивными отходами» Самара, Самарский дом печати, 2000 г., с.248) отмечается, что в мире используются различные виды сортировок с целью сокращения количества радиоактивных отходов.

Наиболее близкими являются способ и устройство для автоматической радиометрической сортировки грунтов, предложенные фирмой «Canberra» (см. «Приборы и оборудование для ядерных измерений. «Краткий каталог», 2002 г.).

Суть способа заключается в том, что грунт подается ковшом в бункер и далее питателем слоем от 5 до 30 см передается на движущуюся ленту конвейера, над которой в стальной защите (масса 10 т) расположен узел регистрации гамма-излучения потока грунта, оснащенной германиевыми детекторами или большими кристаллами NaJ (TI). С этого конвейера другим транспортером материал поступает в разделительный механизм. При этом когда передний край порции, выделенной с помощью компьютера по результатам регистрации ее гамма-излучения, достигает «вход» в разделяющий механизм, компьютер дает команду механизму направить определенную порцию в один из трех потоков: сильно-, средне- и неактивного грунта.

Соответственно способу, устройство состоит из узлов приема грунта (бункера), питателя, измерительной камеры, оборудованной двумя германиевыми детекторами или двумя большими кристаллами NaJ (Tl), двух конвейеров и разделительной системы для разделения грунта на продукты. Ширина конвейера, над которым смонтирована измерительная камера, - 76 см. Толщина слоя грунта на ленте этого конвейера может меняться от 5 см до 30 см. Изменение скорости конвейера обеспечивает производительность в целом установки от 1 до 50 т/час. В конструкции камеры имеются средства защиты детекторов от грязи, а также для осушения воздуха.

Недостатки известных способа и устройства для его реализации заключаются в следующем:

- способ не предусматривает возможность сортировки грунтов, содержащих радионуклиды, испускающие бета-излучение (например, стронций-90);

- большое расстояние между зонами измерения и разделения (несколько метров) предопределяет (из-за неизбежной нестабильности скорости движения конвейера и других причин), частичное перераспределение порций, выделенных компьютером, по сортам их активности.

И, наконец, самое главное, в способе и устройстве сортировка производится большими порциями, массой от нескольких килограммов и до десятков и даже сотен килограммов, что при малых размерах зерен грунта (обычно менее 20 мм) не может обеспечить их высокоэффективное разделение. Из теории и практики известно, что эффективность сортировки тем больше, чем меньше масса разделяемых порций и чем выше их контрастность (степень неравномерности распределения радионуклидов между отдельными порциями).

В целом, известные способ и устройство могут быть использованы только для предварительной крупнопорционной сортировки больших масс грунта, при которой в определенной мере допустимы их вышеперечисленные недостатки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является сортировка грунтов при малых массах выделяемых порций (в зависимости от природной контрастности грунтов по распределению нуклидов) в слабопоточном режиме подачи их в зону измерения и выделения малых порций в потоке с целью их разделения по сортам.

Технический результат предлагаемого способа достигается тем, что грунты предварительно подвергают рассеву. Мелкие классы крупностью менее 20-30 мм подают на ленту в виде сплошного потока шириной 10-20 см и толщиной не более 2-3 средних по размеру зерен материала, который проходит вместе с лентой через два последовательно установленных комбинированных узла измерения, каждый из которых одновременно и раздельно регистрирует гамма- и бета- излучение.

Сигнал с узлов измерения поступает на разделяющий двухступенчатый механизм, делящий поток грунта на три продукта по активности.

Устройство для осуществления способа, состоящее из комплекта сит для рассева исходного материала с целью выделения классов крупности менее 20-30 мм, узла приема грунта, питателя, подающего грунт на ленту сортировочной машины, узла измерения гамма-излучения, оборудованного двумя большими кристаллами NaJ (TI) и разделительного механизма.

Сортировочная машина представляет раму с укрепленными на ней роликами, на которые параллельно натянуты по две тонкие ленты с ограничительными бортиками. Вдоль лент последовательно расположены по два комбинированных узла регистрации излучений проходящего потока грунта, состоящий каждый из блока детекторов бета-излучения потока грунта, расположенного над лентой сортировочной машины и блока детекторов гамма-излучения, расположенного под лентой, при этом центральные вертикальные оси обоих блоков совпадают. Узел измерения гамма-излучения, оборудован двумя большими кристаллами NaJ (TI). Непосредственно у ленты расположен двухступенчатый разделительный механизм, делящий поток грунта на три продукта по активности.

Вдоль бортов ленты расположены направляющие пластины, регулирующие ширину потока.

В блоке детектирования бета-излучения грунта использованы счетчики СБТ-10 или пластмассовые сцинтилляторы.

Схема устройства для реализации предлагаемого способа сортировки мелких классов грунта представлена на фиг.1 и 2. На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, а на фиг.2 - схема узла измерения по сечению А-А (см. фиг.1).

Устройство состоит из рамы (для простоты рисунка на фиг.1 рама не показана), на которой на вращающихся барабанах 1 натянуты две параллельные тонкие прочные ленты 2 (расстояние между продольными осями лент ˜500-600 мм) шириной 250 мм. Длина верхней горизонтальной части ленты ˜2500 мм. Вдоль бортов ленты на расстоянии 200 мм друг от друга расположены направляющие пластины 3, регулирующие ширину потока. Одна из направляющих закреплена в постоянном положении, другая с помощью приспособлений может перемещаться от исходного положения на 100 мм в сторону первой, занимая положение 4, сужая (в случае необходимости) ширину рабочей части ленты, иначе ширину потока грунта, до 100 мм. У начальной части ленты расположено питающее устройство 5, представленное известными типами вибролотков, лотковых питателей или другими приспособлениями, с помощью которого материал грунта сплошным потоком располагается по всей ее рабочей ширине (200 или 100 мм).

Вдоль обоих лент расположены по два автономных, но одинаковой конструкции, комбинированных измерительных электронных узла 6. В нижней части каждого такого узла (непосредственно под лентой) размещены блоки детектирования гамма-квантов 7 в свинцовой защите 8, испускаемых грунтом, находящимся на ленте. В качестве детекторов используются сцинтилляционные кристаллы NaJ (TI) диаметром 63 или 80 мм. В верхней части комбинированного узла смонтированы блоки детектирования бета-частиц 9, испускаемых потоком грунта. В качестве детекторов бета-частиц использованы счетчики СБТ-10 или пластмассовые сцинтилляторы. Сверху детекторы окружены стальной защитой 10, снижающей фон в счетчиках. В зависимости от крупности сортируемого материала расстояние между лентой и чувствительной поверхностью бета-счетчиков регулируется в пределах от 50 до 100 мм.

В головной части устройства (фиг.1) у конца каждой ленты вдоль траектории 11 свободного падения грунта с ленты расположены комбинированные разделяющие механизмы, состоящие из двух шиберных приспособлений, управляемых каждая своим электромагнитом. Любой из них включается в работу только по сигналу, получаемому с узла измерения, после обработки информации от гамма- и бета-излучения грунта. В результате на выходе устройства поток грунта разделяется на три продукта 12 (I, II и III), отличающихся по своей активности. Каждый из получаемых сортов грунта отделяется стенками 13 общей течки.

Способ реализуется следующим образом. Материал грунта, заранее выделенный и подготовленный широко известными способами (грохочение, промывка, классификация, отсадка и т.п.), подается питающим устройством 5 на ленту 2 сепаратора (фиг.1) сплошным потоком толщиной не более 3-4 см. При прохождении потока последовательно через два автономных и одинаковых комбинированных электронных узла 6 в каждом из них осуществляют непрерывную регистрацию в коротких временных интервалах длительностью от 0,1 с до 1,0 с (в зависимости от технологических свойств грунта) блоками 7 и 9 (фиг.2) одновременно гамма- и бета-излучения условных порций грунта.

Различие между электронными узлами 6 состоит только в том, что первый из них настроен на обнаружение в потоке наиболее активных порций грунта, а второй - на обнаружение средне- и малоактивных порций. Соответственно, после обработки зарегистрированной в измерительных узлах 6 информации сигнал на отбор порций в заданный продукт с первого блока подается на верхнее разделяющее устройство 14, а со второго - на нижнее разделяющее устройство 15. Порции, активность которых ниже порога отсечки второго блока 6, свободным падением 11 с лент сепаратора направляют в среднюю течку 13 узла разделения.

В случае необходимости сортировки слабоконтрастного (по активности) грунта, в целях достижения более высокой эффективности разделения, ширину потока грунта сужают с 200 до 100 мм путем перемещения одной из направляющих 3 в положение 4. При этом регистрацию гамма- и бета-излучения осуществляют только блоки детектирования 7 и 9, которые находятся соответственно над и под частью ленты 2, загруженной грунтом.

Способ сортировки грунта, зараженного нуклидами, и устройство для его осуществления разработаны специально для сортировки мелкой части грунта (мельче 20-30 мм), которая в настоящее время практически не подвергается машинной сортировке, исключая вариант, предложенный фирмой «Канберра». Однако используемая технология (сортировка грунта большими порциями, средней массой от нескольких килограммов до нескольких десятков и даже сотен килограммов) практически исключает возможность высокоэффективного разделения порций грунта по активности. Это подтверждается результатами сортировки породы, зараженной ураном в равновесии с радием (таблица).

Материалы таблицы дают представление о возможных результатах переработки грунта малыми порциями. Уже при сортировке класса 25+15 мм порциями с массой 1,1 кг получаются вполне удовлетворительные результаты. При сортировке более мелкого грунта (-15+10 мм) теми же порциями показатели разделения значительно ухудшаются. Уменьшение средней массы порции (в данном случае до 170-200 г) позволяет и на этом классе крупности существенно улучшить показатели разделения.

Таблица Результаты сортировки грунтов (отвалы пород у карьеров), зараженных ураном
Класс крупности, мм (показатель контрастности, отн. ед.)	Средняя масса порций, г	Продукты сортировки	Выход, %	Средняя активность продуктов, Бк/г·породы	Распределение активности, %
-25+15	1100	Сильноактивный	36,6	51	89,8
(М=1,06)		Среднеактивный	7,0	12	3,9
		Слабоактивный	56,4	2	6,3
		Всего	100	20	100
-25+15	1100	Сильноактивный	19,7	39	50,4
(М=0,61)		Среднеактивный	45,5	13	38,4
		Слабоактивный	34,8	5	11,2
		Всего	100	15	100
-15+10	200	Сильноактивный	33,3	79	90,9
(М=1,13)		Среднеактивный	6,7	9	2,1
		Слабоактивный	60,0	3	7,0
		Всего	100	30	100
-15+10	1100	Сильноактивный	21,5	34	48,0
(М=0,53)		Среднеактивный	71,1	11	49,3
		Слабоактивный	7,4	6	2,7
		Всего	100	15	100
-15+10	170	Сильноактивный	21,1	42	57,2
(М=0,71)		Среднеактивный	36,1	11	26,2
		Слабоактивный	41,7	6	16,6
		Всего	100	15	100

При организации переработки грунтов следует учитывать общую принципиальную закономерность: показатели сортировки улучшаются с ростом показателя контрастности М (при заданных средней массе порций и крупности грунта) и зависят от содержания радионуклидов в грунте и степени их перемешивания.