Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к области переработки и утилизации радиоактивных металлических отходов. Сущность изобретения: способ дезактивации радиоактивных металлических отходов, включающий плавление в тигле загрузки из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава, состоящего из рафинирующих флюсов в порошкообразном состоянии и минерального вещества, без раскисления металла. Плавление загрузки осуществляют в один прием в присутствии воздуха над зеркалом расплава и удаляют шлак с содержащимися в нем радионуклидами. В качестве рафинирующего флюса в порошкообразном состоянии используют смесь окислителя в количестве 60-83 мас.% и восстановителя в количестве 17-40 мас.%. Окислителем является один из оксидов переходных металлов четвертого периода таблицы Менделеева или их смеси, в качестве восстановителя используют алюминий, или силикокальций, или их смесь, в качестве минерального вещества используют циркон, или диоксиды металлов четвертой побочной группы таблицы Менделеева, или их смеси, при следующем соотношении, мас.%: радиоактивные металлические отходы 10-50; порошкообразный рафинирующий флюс 39-85; минеральное вещество 1-15. Нагрев смеси радиоактивных металлических отходов с композитным шлакообразующим составом и ее плавление осуществляют путем инициирования экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в рафинирующем порошкообразном флюсе внешним источником тепла. Преимущества изобретения заключаются в том, что оно позволяет решить техническую задачу по упрощению, ускорению процесса, а также по улучшению качества матричных блоков, получаемых при остывании шлаков.
Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, точнее, к области переработки и утилизации радиоактивных металлических отходов. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован для дезактивации легированных (нержавеющих) сталей в виде фрагментов листовых металлоконструкций (обрези, стружки, опилок и т.п.).
Известен способ очистки переплавкой металла, загрязненного радионуклидами [1], включающий плавление радиоактивного металла в присутствии рафинирующего флюса в плавильной печи. Радиоактивное вещество в результате реакции с флюсом, представляющим собой смесь активного металла (кальций или магний) с галогенидами металлов (преимущественно кальция с фторидами олова, свинца, кобальта или цезия), превращается в кислород и фторсодержащее вещество, имеющее меньшую плотность и за счет этого отделяющееся от очищаемого металла в виде шлака, всплывающего на поверхность расплава металла. После охлаждения (кристаллизации) расплава шлак скалывают (срезают), а очищенный металл используют по назначению.Недостатком известного способа является повышенная сложность его реализации, связанная с применением химически активного металлического кальция, необходимость использования сложного оборудования (плавильной печи), избирательность процесса (способ эффективен преимущественно для очистки сплавов циркония от примесей плутония).Известен также способ переработки стального лома, загрязненного радиоактивностью [2], включающий плавление металла в присутствии веществ, способствующих образованию шлака над расплавленным металлом. Для дополнительного снижения радиоактивности металла в расплав добавляют неактивные изотопы радиоактивных элементов, которые способствуют переходу радиоактивных изотопов в шлаки, удаляемые из ванны.Недостатком известного способа является повышенная сложность его реализации, связанная с необходимостью проведения процесса в плавильной печи, сложностью подбора эффективных добавок и их количества и т.д.Наиболее близким решением по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ дезактивации радиоактивных металлических отходов по патенту РФ [3], при котором в индукционной сталеплавильной печи осуществляют плавление в тигле частичной загрузки нерадиоактивных или радиоактивных металлических отходов без раскисления металла, после полного расплавления частичной загрузки производят дозагрузку тигля, плавление в нем без раскисления радиоактивных металлических отходов и удаление шлака с содержащимися в нем радионуклидами, при этом плавление всех загрузок металлических отходов производят в присутствии кислорода или воздуха над зеркалом расплава с внесением в тигель рафинирующих флюсов, причем рафинирующие флюсы в порошкообразном состоянии перед загрузкой в тигель смешивают с минеральным вяжущим веществом с образованием композитного шлакообразующего состава, который наносят на металлические отходы перед их загрузкой в тигель до образования поверхностной пленки, полностью или частично покрывающей металлические отходы, а внесение рафинирующих флюсов при дозагрузках тигля осуществляют путем погружения в расплавленный металл металлических отходов, покрытых пленкой из композитного шлакообразующего состава, при этом используемое для образования указанного состава минеральное вяжущее вещество имеет температуру плавления, не превышающую температуру плавления металла, и элементный состав, близкий по химическим свойствам к элементному составу рафинирующих флюсов, и не вступает в химическую реакцию с рафинирующими флюсами в процессе образования композитного шлакообразующего состава и при нанесении последнего на металлические отходы; после очередной дозагрузки тигля металлическими отходами, полностью или частично покрытыми пленкой из композитного шлакообразующего состава, в него загружают металлические отходы, не имеющие такого покрытия, каждую последующую дозагрузку тигля производят после полного расплавления металлических отходов предыдущей дозагрузки; при плавлении отходов из углеродистых и нержавеющих сталей используют композитный шлакообразующий состав, включающий оксиды щелочноземельных металлов и оксиды естественных элементов третьей группы таблицы Менделеева и оксид кремния, и минеральное вяжущее вещество на основе, в частности, силиката натрия. В композитный шлакообразующий состав может быть введен дополнительно вспениватель шлака, имеющий температуру плавления выше температуры плавления металла и образующий при термическом разложении газовую фазу, а удаление шлака, содержащего радионуклиды, производят в два этапа: вначале удаляют часть шлака после полного расплавления металла, после чего производят перегрев расплава металла с остатками шлака до температуры разложения вспенивателя шлака, после чего удаляют остатки шлака во вспененном состоянии. В композитный шлакообразующий состав может быть введен дополнительно термоаккумулятор из группы веществ, претерпевающих фазовый переход первого рода при температуре, близкой к температуре плавления металла, имеющий высокую удельную теплоту плавления. Композитный шлакообразующий состав для дезактивации радиоактивных металлических отходов методом плавления содержит рафинирующие флюсы в количестве 30...50% по массе и минеральное вяжущее вещество - остальное.Недостатками известного способа (прототипа) являются:- повышенная сложность его реализации, обусловленная необходимостью осуществления способа в индукционной сталеплавильной печи;- повышенная длительность процесса дезактивации, связанная с медленным выходом на рабочий режим индукционной сталеплавильной печи, а также с длительностью многооперационного процесса приготовления композитного шлакообразующего состава (смешивание порошков рафинирующих флюсов с раствором минерального вяжущего вещества, осуществление контакта полученного влажного продукта с поверхностью радиоактивных металлических отходов, сушка). Кроме того, процесс дезактивации металлического лома производят в несколько этапов: после расплавления в тигле частичной загрузки радиоактивных металлических отходов производят дозагрузку тигля следующей порцией - погружением перерабатываемого материала в полученный расплав и плавлением его без раскисления (названные операции повторяют многократно); удаляют жидкий шлак, содержащий радионуклиды, в два приема (после расплавления радиоактивных металлических отходов и после перегрева оставшейся части расплава до температуры разложения вспенивателя и выдержки при данной температуре), что существенно увеличивает длительность процесса;- пониженное качество матричного блока из шлаков, содержащих радионуклиды, обусловленное удалением жидких шлаков во вспененном состоянии, что исключает возможность получения монолитного продукта при остывании и снижает надежность иммобилизации в нем радионуклидов. Минеральное вяжущее вещество (силикат натрия) даже после высушивания содержит кристаллизационную воду, которая удаляется при контакте с расплавом, что увеличивает объем газовой фазы и пористость шлаков.Предлагаемый способ решает техническую задачу по упрощению и ускорению процесса, а также по улучшению качества матричных блоков, получаемых при остывании шлаков, содержащих радионуклиды, в части обеспечения их монолитности, что повышает надежность иммобилизации в них радионуклидов.Для реализации поставленной технической задачи и достижения указанных преимуществ предлагается способ дезактивации радиоактивных металлических отходов, включающий нагрев и плавление в тигле загрузки из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава, состоящего из рафинирующих флюсов в порошкообразном состоянии и минерального вещества, без раскисления металла, при этом плавление загрузки осуществляют в присутствии воздуха над зеркалом расплава и производят удаление шлака с содержащимися в нем радионуклидами. Согласно изобретению загрузку из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава осуществляют в тигель в один прием, при этом в качестве рафинирующего флюса в порошкообразном состоянии используют смесь окислителя и восстановителя при следующем соотношении, мас.%:Окислитель 60...83Восстановитель 17...40в качестве окислителя используют один из оксидов переходных металлов четвертого периода таблицы Менделеева, или их смеси (оксиды ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля), в качестве восстановителя используют алюминий, или силикокальций, или их смесь, в качестве минерального вещества используют циркон, или диоксид металла четвертой побочной группы таблицы Менделеева, или их смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:Радиоактивные металлические отходы 10...50Порошкообразный рафинирующий флюс 39...85Минеральное вещество 1...15Нагрев смеси радиоактивных металлических отходов с композитным шлакообразующим составом и ее плавление осуществляют путем инициирования экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в рафинирующем порошкообразном флюсе внешним источником тепла (электровоспламенитель, накаливаемая электрическим током нихромовая нить, огнепроводный шнур и т.д. с малогазовым воспламенительным составом [4]). В результате этого экзотермическая реакция распространяется по всему объему загрузки, температура продуктов реакции достигает 1550...1600![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/176.gif)
Формула изобретения
Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов, включающий плавление в тигле загрузки из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава, состоящего из рафинирующих флюсов в порошкообразном состоянии и минерального вещества, без раскисления металла, при этом плавление загрузки осуществляют в присутствии воздуха над зеркалом расплава, и удаление шлака с содержащимися в нем радионуклидами, отличающийся тем, что загрузку из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава осуществляют в один прием, при этом в качестве рафинирующего флюса в порошкообразном состоянии используют смесь окислителя и восстановителя при следующем соотношении, мас.%:Окислитель 60-83Восстановитель 17-40в качестве окислителя используют один из оксидов переходных металлов четвертого периода таблицы Менделеева или их смеси, в качестве восстановителя используют алюминий, или силикокальций, или их смесь, в качестве минерального вещества используют циркон, или диоксиды металлов четвертой побочной группы таблицы Менделеева, или их смеси, при следующем соотношении, мас.%:Радиоактивные металлические отходы 10-50Порошкообразный рафинирующий флюс 39-85Минеральное вещество 1-15нагрев смеси радиоактивных металлических отходов с композитным шлакообразующим составом и ее плавление осуществляют путем инициирования экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в рафинирующем порошкообразном флюсе внешним источником тепла.