Способ переработки щелочного металла, загрязненного радиоактивными примесями, и устройство для его реализации
Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для захоронения щелочных жидкометаллических теплоносителей. Способ включает смешение расплавленного щелочного металла в инертной атмосфере с дисперсным неорганическим агентом-окислителем, взятым в избытке от количества, необходимого на окисление, нагрев смеси и охлаждение конечного продукта. Нагрев смеси осуществляют до температуры не ниже 200oС. В качестве агента-окислителя применяют состав из оксидов железа, кремния, алюминия и кальция при их массовом содержании в составе 40-55, 34-36, 5-6 и 4-16% соответственно. В качестве агента-окислителя может быть использован гранулированный шлак производства тяжелых цветных металлов. Нагрев смеси может быть осуществлен за счет предварительного разогрева расплавленного щелочного металла и/или агента-окислителя. Устройство включает нагревательную камеру, снабженную нагревателем и тиглем, систему подвода щелочного металла, систему подвода отверждающего агента, систему контроля газов. Нагревательная камера состоит из верхней и нижней частей, герметично соединенных друг с другом с возможностью разъединения. Нижняя часть нагревательной камеры, предназначенная для установки тигля, выполнена подвижной, по меньшей мере с двумя степенями свободы. Ее верхняя часть выполнена неподвижной и соединена с системами подвода щелочного металла и отверждающего агента. Также нагревательная камера оснащена дозатором отверждающего агента и шиберным устройством, расположенным под дозатором отверждающего агента. В частном случае система подвода щелочного металла оснащена дозатором щелочного металла с нагревателем. Технический результат: предотвращение образования щелочных радиоактивных растворов и взрывоопасных газообразных продуктов при переработке щелочного металла; сокращение объема конечного продукта переработки; повышение производительности процесса переработки и обеспечение его безотходности. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области атомной энергетики с ядерными реакторами, охлаждаемыми щелочными жидкометаллическими теплоносителями (ЖМТ), в частности АЭС с реакторами на быстрых нейтронах, и может быть использовано для захоронения (длительного хранения) щелочных ЖМТ, например натрия, сплава натрий-калий, цезия, загрязненных радиоактивными примесями (Cs-137, Na-22, Cs-134).
Известен способ переработки радиоактивных отходов (РАО) щелочных металлов (А.с. СССР 1547575, МПК G 21 F 9/16, "Метод переработки радиоактивных отходов щелочного металла". Опубликован 30.01.1991. Бюллетень 36). Способ заключается в перемешивании расплавленного щелочного металла в инертной среде с твердофазным окислителем (зола уноса ТЭС) при 110-130oС, после чего нагревом полученной массы до температуры начала реакции окисления 210-240oС проводится реакция окисления щелочного металла, например натрия. Полученный продукт охлаждают, смешивают с водой (при перемешивании), добавляют вяжущее (цемент) и после перемешивания выдерживают до отвердения. Данный способ обладает следующими недостатками: - конечный продукт обладает недостаточной водостойкостью (скорость выщелачивания в воду составляет 0,070-0,080 г Na/см2 сутки), что не отвечает современным требованиям по водостойкости (менее 10-3 г/см2сутки); - требуется длительная выдержка (около 1 месяца) для получения твердого продукта, пригодного к перевозке в хранилище твердых радиоактивных отходов (ТРЛО); - 100%-ная степень окисления РАО щелочного металла обеспечивается лишь при 5-7-кратном избытке золы, поскольку содержание твердофазных окислителей в зоне-уносе невелико. При меньшем избытке золы, например 3-кратном избытке, в продукте остается свободный щелочной металл (9% от исходного количества щелочного металла), который при затворении водой дает взрывоопасный газ (водород); - значительное увеличение объема конечного продукта по сравнению с исходным объемом щелочного металла, так как для получения твердого конечного продукта требуются дополнительные материалы - вода, цемент (вяжущее); - низкая производительность процесса переработки щелочного металла, связанная с его многостадийностью. Известно устройство для обработки (остекловывания) отходов (патент США 5424042 "Устройство для остекловывания радиоактивных отходов". Опублик. 1995), которое позволяет фиксировать радиоизотопы в стабильном твердом конечном продукте. Это устройство имеет несколько подсистем, включая подающую подсистему для подготовки каждого типа отходов, подготовительную подающую подсистему для смешивания всех типов отходов, плавильную камеру с верхней термальной зоной и нижней плавильной зоной, подсистему обработки стекла для упаковки и хранения конечного продукта и подсистему очистки отходящих газов и контроля. К недостатку известного устройства можно отнести его громоздкость, а также то, что в результате его работы получается значительный объем конечного продукта по сравнению с исходным количеством РАО. Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, а именно - создание способа, позволяющего осуществить одностадийный перевод щелочного металла с радиоактивными примесями в пожаро-взрывобезопасное состояние с иммобилизованными радиоактивными примесями, пригодное к захоронению (длительному, безопасному хранению), - предотвращение образования щелочных радиоактивных растворов и взрывоопасных газообразных продуктов при переработке щелочного металла; - сокращение объема конечного продукта переработки, идущего на хранение в хранилище твердых радиоактивных отходов; - повышение производительности процесса переработки и обеспечение его безотходности. Для решения поставленной задачи в способе переработки щелочного металла, загрязненного радиоактивными примесями, включающем смешение расплавленного щелочного металла в инертной атмосфере с дисперсным неорганическим агентом-окислителем, взятым в избытке от количества, необходимого на окисление, нагрев смеси и охлаждение конечного продукта, предлагается нагрев смеси осуществлять до температуры не ниже 200oС, а в качестве агента-окислителя применять состав из оксидов железа, кремния, алюминия и кальция при их массовом содержании в составе 40-55, 34-36, 5-6 и 4-16% соответственно. В качестве агента-окислителя предлагается использовать гранулированный шлак производства тяжелых цветных металлов, а нагрев смеси расплавленного щелочного металла с агентом-окислителем осуществлять за счет предварительного разогрева расплавленного щелочного металла и/или агента-окислителя. Для решения поставленной задачи в устройстве для переработки щелочного металла, загрязненного радиоактивными примесями, включающем нагревательную камеру, снабженную нагревателем и тиглем, систему подвода щелочного металла, систему подвода отверждающего агента, систему контроля газов, предлагается нагревательную камеру изготовить из верхней и нижней частей, герметично соединенных друг с другом с возможностью разъединения, нижнюю часть нагревательной камеры, предназначенную для установки тигля, выполнить подвижной по меньшей мере с двумя степенями свободы, а верхнюю часть нагревательной камеры выполнить неподвижной и соединить с системой подвода щелочного металла и с системой подвода отверждающего aгента, а также оснастить дозатором отверждающего агента и шиберным устройством, расположенным под дозатором отверждающего агента. В частном случае выполнения устройства предлагается систему подвода щелочного металла оснастить дозатором щелочного металла с нагревателем. Применение в качестве агента-окислителя смеси оксидов железа, кремния, алюминия и кальция при указанном массовом содержании при одновременном нагреве позволяет перевести щелочной металл в твердое (минералоподобное) химически инертное соединение с иммобилизованными радиоактивными примесями. Выполнение предлагаемого устройства с указанными конструктивными особенностями позволяет компактно осуществлять процесс безотходной переработки с определенной периодичностью. Таким образом, достигается указанный технический результат. Для избежания недоокисления щелочного металла, вызванного возможными колебаниями химического состава шлака, последний берут не менее чем в двухкратном избытке по объему относительно перерабатываемого объема щелочного металла. По опытным данным в 1 кг шлака медеплавильного производства содержится 0,40-0,55 кг твердофазного окислителя - оксида железа Fe2О3, необходимого по стехиометрии реакции (1) для окисления 0,43-0,46 кг щелочного металла, например натрия:Fе2О3+6Na-->2Fe+3Na2О+Q1, (1)
здесь Q1 - тепловой эффект реакции. При осуществлении реакции (1) оксида железа с другими щелочными металлами - калием или цезием - механизм реакции окисления остается тем же, но величина теплового эффекта реакции (Q1) будет ниже из-за большего значения величины молярной массы этих щелочных металлов. С другой стороны, скорость реакции (1) будет выше из-за большей химической активности калия и цезия по сравнению с натрием. Поведение радиоактивных изотопов щелочных металлов в данных условиях будет то же, что и их основных элементов, так как они обладают теми же химическими свойствами. На тепловой эффект реакций их наличие в основном щелочном металле практического влияния не оказывает из-за незначительного массового содержания радиоактивных изотопов в щелочных металлах. Техническое значение имеет соотношение объемов исходного щелочного металла и конечного продукта переработки. Насыпная плотность шлака медеплавильного производства зависит от его степени дисперсности. При предварительном помоле шлака до дисперсности 2-4 мкм насыпная плотность его составляет 2,8-3,0 кг/л (при физической плотности, то есть удельном весе 3,2-3,3 г/см3). При исходной дисперсности гранулированного шлака 1-5 мм (причем массовая доля гранулированного шлака с дисперсностью до 3 мм составляет более 90% исходного шлака) насыпная плотность его составляет 1,80-1,85 кг/л. Поэтому в первом случае (помол шлака) расход шлака в 2,1-2,2 раза ниже чем в последнем случае (гранулированный шлак исходной дисперсности). Для полноты прохождения реакции (1) требуется дополнительная операция перемешивания щелочного металла и шлака из-за значительного удельного поверхностного натяжения жидкого щелочного металла. При использовании шлака с исходной дисперсностью до 3 мм расход шлака выше, но перемешивания не требуется, так как благодаря значительной разности удельных весов (3,2-3,3 г/см3 для шлака и 0,9 г/см3 для натрия, 0,8 г/см3 для сплава натрий-калий, 1,6 г/см3 для цезия) шлак тонет в жидком металле. В этом случае удельное поверхностное натяжение жидкого металла несущественно и благодаря быстрому гравитационному осаждению тяжелых гранул шлака в жидком щелочном металле происходит хорошее перемешивание жидкой и твердой фаз. Таким образом, 1 литр объема реакционного контейнера (сосуда) вмещает 1,80-1,85 кг шлака исходной дисперсности, причем из-за значительной порозности засыпки гранулированного шлака около 40-45% этого объема занимает жидкая фаза щелочного металла. В случае переработки натрия вес этой жидкой фазы составляет до 0,40-0,41 кг, тем самым обеспечивается полное расходование натрия даже при исходном объемном соотношении шлака к натрию, равном почти 1:1. Однако в связи со значительным энерговыделением реакции (1), где величина Q1 составляет 4500 кДж/кг натрия, адиабатическая температура продукта реакции повышается до 1150-1200oС. Для улавливания возможных паров щелочных металлов и предотвращения выделения их в защитную атмосферу реакционного сосуда объем шлака берут в 2 раза больше, чем необходимо по реакции, снижая тем самым удельное энерговыделение в реагирующей системе и абсолютный уровень максимальной температуры, обеспечиваемый реакцией (1), до 850-900oС. Выход паров щелочного металла отсутствует за счет того, что высокая температура достигается после полного расходования щелочного металла на реакцию твердофазного окисления (1) в центральной части сосуда. При этом в верхней зоне, содержащей чистый шлак, температура в момент реакции остается неизменной, что обеспечивает улавливание паров щелочного металла. Благодаря наличию в шлаке значительного количества оксида кремния SiO2 (35-38%) образующийся но реакции (1) оксид щелочного металла Ме2О, взаимодействуя при высокой температуре с SiO2, переходит в нейтральное состояние по реакции
Ме2О+SiO2-->Me2О*SiО2+Q2, (2)
здесь Q2 - тепловой эффект реакции. В случае переработки натрия как наиболее распространенного щелочного металла на АЭС с быстрыми реакторами при выбранном исходном объемном соотношении шлака к натрию, равном 2:1, имеющегося в шлаке оксида кремния с двухкратным избытком хватает для полного перевода оксида натрия в твердое минералоподобное соединение с оксидом кремния. По реакции (2) на образовавшееся по реакции (1) 0,545 кг оксида натрия требуется 0,53 кг оксида кремния, в то время как в 2 л шлака содержится 1,3 кг оксида кремния. Реакция (2), также как и реакция (1), является экзотермичной (Q2 = 2600 кДж/кг Na2О), что приводит к дополнительному разогреву продукта еще на 250-300oС. В результате происходит высокотемпературное твердофазное спекание и после остывания конечный продукт переработки щелочного металла получается в виде твердого камнеподобного минерального вещества. Продукт не содержит свободного щелочного металла, армирован выделившимся элементарным железом (см. реакцию (1)), обладает высокой твердостью и прочностью (
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/963.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/947.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/8226.gif)
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3