Материал: Особенности обращения с радиоактивными отходами

1 - лифт, 2 - узел загрузки ТГРО, 3 - печь, 4, 11,12 - теплообменник, 5 - испарительный теплообменник, 6 - фильтр грубой очистки, 7 - скруббер, 8 - емкость раскислителя, 9 - емкость оборотная, 10, 18 - насос, 13 - фильтр тонкой очистки, 14,21,22,23- вентилятор, 15 - вентиляционная труба, 16 - узел золоудаления, 17 - система зажигания факела, 19 - топливная емкость, 20 - емкость ЖГРО. 21,22 - вентилятор. 24 - узел остекловывания зольного остатка, 25 - узел цементирования зольного остатка

Рисунок 3.5 - Двухкамерная печь по сжиганию ТРО "Факел"

Аналогичная установка сжигания ТРО с комбинированной газоочисткой пущена в эксплуатацию на Запорожской АЭС в 1987 г.

Печь шахтного типа (Рис.2) состоит из узла загрузки упаковок с отходами РАО (1), шахты (2) с расположенным в верхней части патрубком выхода пирогаза (7), плавителя (3), бокса приема шлака (4).

В верхней, сводовой части плавителя установлены плазмотроны (5), являющиеся генераторами воздушной низкотемпературной плазмы. В торцевой части плавителя имеется сливное устройство, состоящее из сливного блока с горизонтальным сливным каналом и стопора (6), запирающего сливной канал в процессе разогрева плавителя и по окончании слива.

1 - узел загрузки, 2 - шахта, 3 - плавитель, 4 - бокс приема шлака, 5 - плазмотрон, 6 - стопор, 7 - выход пирогаза.

Рисунок 3.6 - Шахтная печь

Узел загрузки отходов (1) установлен над шахтой (2) и представляет собой герметичный двухшиберный бокс, обеспечивающий возможность сохранения разрежения в шахтной печи при загрузке упаковок с отходами. В нижней части печи, под сливным устройством, установлен бокс приема шлакового расплава (4), в котором размещаются одноразовые металлические приемные контейнеры.

В состав плазменной установки сжигания РАО должны входить:

–       участок приемки и входного контроля РАО в составе: автоматизированного приемо-накопительного склада, обеспечивающего регламентированный запас радиоактивных отходов, приемку упакованных и паспортизованных РАО и подачу партий отходов на плазменную переработку.

–       узел загрузки отходов в шахтную печь.

–       шахтная печь с плазменным оборудованием и узлом удаления шлакового расплава.

–       узел дожигания горючих компонентов пиролизных газов, образующихся при деструкции органических РАО.

–       система очистки технологических газов: блок высокотемпературных рукавных фильтров, скрубберный блок, узлы охлаждения и тонкой фильтрации газов, емкостное и насосное оборудование.

–       система технологической вентиляции, удаления и очистки сдувок и компенсации аварийного выброса.

–       системы энергетического и инженерного обеспечения, вспомогательное оборудование.

–       системы радиационного и экологического контроля.

–       система технологического контроля процесса, пульт управления, средства автоматизации контроля и управления процессом.

.2.5 Плавление

Плавление (переплавка) - используется для уменьшения объема загрязненной теплоизоляции (до 100 раз), либо для очистки металлических РАО, загрязненных незначительными количествами радиоактивных веществ.

Известны способы переработки и пирометаллургической дезактивации МРО, предусматривающие расплавление МРО и перевод большей части радионуклидов в шлак. Такие способы дают возможность уменьшить уровень загрязнения металла до пределов, обеспечивающих возможность возвращения в хозяйственный оборот.

В МРО возможны два вида радиоактивного загрязнения: поверхностное загрязнение вследствие контакта с содержащим радионуклиды, обычно жидким, веществом и сорбции радионуклидов на поверхности металла и загрязнение вследствие нейтронного облучения, вызывающего образование радиоактивных изотопов компонентов металла непосредственно в объеме металла.

Известны способы переработки и дезактивации, предусматривающие плавление МРО в небольших электропечах под слоем основного раскисленного шлака с низким (менее 1% содержанием оксидов железа) . Такой шлак после использования в качестве среды для фиксации радионуклидов, перешедших в него из МРО в процессе плавления, очень неудобен для последующего захоронения, так как имеет низкую прочность и через некоторое время рассыпается на мелкие частицы. Из таких частиц при воздействии влаги могут вымываться радионуклиды.

Для получения металла, пригодного к использованию без ограничений, необходимо обеспечить полное отделение частиц радиоактивного шлака от дезактивированного металла во время слива металла из плавильного агрегата и последующей разливки на слитки. Легче и надежней всего это можно обеспечить при раздельном сливе чистого металла и "грязного" радиоактивного шлака из плавильного агрегата.

Однако большинство известных способов пирометаллургической дезактивации МРО и агрегатов, применяемых для их осуществления, не обеспечивают такой возможности.

Приходится перед проплавлением МРО производить их предварительную поверхностную дезактивацию низкотемпературными способами (гидравлическими, механическими, химическими), что усложняет и удорожает процесс получения чистого дезактивированного металла. Из-за невозможности осуществления раздельного выпуска чистого металла и "грязного" радиоактивного шлака для дезактивации МРО используют небольшие электрические печи (дуговые, индукционные, электрошлакового переплава) и разделывают МРО на куски небольших размеров и массы. Такие плавильные агрегаты имеют низкую производительность, что еще больше усложняет и удорожает процесс дезактивации МРО. Обычно применяется комплексная технология переработки, включающая несколько методов. На крупных предприятиях существуют большие стационарные комплексы для переработки образующихся ТРО. Из предприятий, не относящихся к ядерному топливному циклу, и эксплуатирующих крупные комплексы для переработки ТРО в России, можно выделить ГУП "МосНПО "Радон", Ленинградское отделение ФГУП "РосРАО" и филиал СЗЦ "СевРАО". Переработку значительных количеств металлических РАО осуществляет ЗАО "Экомет-С".

Целесообразность переработки и утилизации с использованием переплавки

Наиболее очевидным и целесообразным подходом при решении проблемы обращения с МОЗРВ является их переработка с целью уменьшения объема ТРО, подлежащих захоронению, и утилизации металла. Мировая практика показывает, что оптимальным решением проблемы утилизации, обеспечивающим возврат металла в промышленность для повторного использования, является использование на заключительной стадии переработки МОЗРВ метода переплавки с получением в качестве конечной продукции слитков металла.

В зависимости от остаточной загрязненности металл после переработки может направляться на использование в промышленности без ограничения, использование в ограниченных целях (напр., в атомной промышленности) или на выдержку до естественного распада находящихся в нем радионуклидов. Слитки металла, направляемые на неограниченное использование в промышленности, являются экологически безопасными при их любой последующей переработке. Использование при производстве стали в качестве металлолома полученных в результате переработки МОЗРВ шихтовых слитков металла позволяет исключить из производственного цикла одно из самых энерго- и капиталоемких звеньев - доменное производство чугуна. Это, по расчетам экологов, обеспечивает снижение вредных выбросов в атмосферу более чем в шесть раз, загрязнение воды - в четыре раза, количество твердых отходов - в 16 раз, а затраты на нейтрализацию ущерба, наносимого окружающей среде при использовании чугуна, в тридцать раз больше, чем при использовании металлолома. Учитывая очевидные по сравнению с другими методами переработки преимущества, за последние десять лет переплавка загрязненного металла сформировалась в мировой практике как новая индустрия. В настоящее время в промышленном масштабе переплавкой МОЗРВ занимаются несколько специализированных предприятий, среди которых можно отметить:

- Siempelcamp Nukleartechnik GmbH, Германия, (с 1989 г.);

Studsvik RadWaste AB, Швеция (с 1987 г.);

- BNFL, Великобритания (с 1994 г.);

Duratek Inc, США (с 1991 г.);

ЗАО "ЭКОМЕТС", г. Сосновый Бор, Ленинградская обл., Россия (с 1994 г.).

Анализ мирового опыта обращения с МОЗРВ показывает, что большинство специализированных западных предприятий используют переплавку МОЗРВ в качестве основной технологической стадии без предварительной глубокой дезактивации, обеспечивающей получение металла, пригодного для свободного неограниченного использования. По этой причине после переплавки МОЗРВ получается металл, главным образом, пригодный лишь для ограниченного использования, из которого изготавливают оборудование для применения в атомной промышленности.

Для решения проблемы обращения с МОЗРВ еще в 80х годах прошлого века была разработана концепция обращения, технология переработки и принципы нормирования остаточной загрязненности металлов, обеспечивающие возврат очищенного металла в промышленность. Данные разработки были реализованы ЗАО "ЭКОМЕТС", которое в настоящее время является единственным в РФ специализированным предприятием по обращению с МОЗРВ. Используемая на этом предприятии технология переработки и утилизации позволяет вернуть большую часть загрязненного металла после его очистки в промышленность для неограниченного повторного использования, а образующиеся вторичные радиоактивные отходы, количество которых не превышает 5-10% от исходного количества МОЗРВ, перевести в экологически безопасную форму, удобную и безопасную для транспортировки и захоронения.

Целесообразность и перспективность развития этого направления подтверждается тем, что переплавка МОЗРВ в качестве основной технологической стадии при обращении с МОЗРВ используется практически всеми специализированными предприятиями стран с развитой ядерной энергетикой.

Анализ экономических аспектов переработки и утилизации МОЗРВ в РФ показывает, что стоимость услуг переработки с переплавкой на заключительной стадии в настоящее время существенно ниже стоимости услуг по кондиционированию и захоронению (долговременному хранению) на специализированных комбинатах "Радон", а также затрат на переработку МОЗРВ по существующим на некоторых объектах технологиям. При этом необходимо учитывать, что помимо прямой экономической выгоды переработка МОЗРВ по существующей технологии с переплавкой на заключительной стадии обеспечивает:

уменьшение объема ТРО, направляемых на захоронение, в 20-80 раз;

снижение потребности в объемах хранилищ для ТРО;

возврат металла в повторное использование;

исключение попадания МОЗРВ в металлургическое производство в виде металлолома.

В целом, применение существующей технологии с переплавкой обеспечивает повышение уровня радиоэкологической безопасности на всех стадиях обращения с МОЗРВ, вторичными ТРО и металлом, направляемым на повторное использование, и позволяет практически исключить необходимость захоронения (долговременного хранения) МОЗРВ, накопленных и образующихся в результате использования атомной энергии и производственной деятельности ряда предприятий неядерного сектора.

3. Технология "ЭКОМЕТ-С"

Технология основана на применении на заключительном этапе переработки обязательной стадии переплавки прошедших дезактивацию МОЗРВ с получением конечного продукта в виде шихтовых слитков металла, которые в качестве вторичного сырья направляются на металлургические предприятия для производства изделий, используемых в промышленности.  Технология переработки и утилизации МОЗРВ включает в себя в качестве основных стадий радиационный контроль, сортировку, фрагментацию, дезактивацию и переплавку.

Входной радиационный контроль осуществляется при поступлении контейнеров или упаковок с МОЗРВ на предприятие для определения степени и характера загрязненности радионуклидами конкретной партии МОЗРВ.

Сортировка отходов производится по степени загрязненности радиоактивными веществами, весогабаритным и качественным характеристикам материала с целью формирования партий металла, направляемых на дальнейшую переработку.

Фрагментация отходов производится до размеров, позволяющих произвести загрузку фрагментов в плавильную печь. Применяются механическая, газовая и плазменная способы резки с использованием стационарно установленного и переносного оборудования.

Рисунок 4.1 - Установка дробеструйной дезактивации

Дезактивация МОЗРВ, в зависимости от состава и уровня радиоактивного загрязнения, проводится с использованием установки механической (дробеструйной) (рисунок 4.1) т или термической дезактивации.

Переплавка проводится в индукционной плавильной печи под слоем рафинирующих флюсов. После полного расплавления и небольшого перегрева металла производится удаление образовавшегося шлака. Расплавленный металл разливается в изложницы (рис. 2), после остывания слитки извлекаются из изложниц и направляются на радиационный контроль. Загрязненные радиоактивными веществами шлак и использованные футеровочные материалы направляются на кондиционирование и захоронение. Отделение дезактивации включает в себя участок термической дезактивации, участок абразивной дезактивации, участок дезактивации контейнеров.

Участок термической дезактивации предназначен для очистки меди и ее сплавов, а также для удаления лакокрасочных покрытий и органических загрязнений с поверхности МРО. Участок состоит из прокалочной электронагревательной печи (максимальная температура - 1150˚С), стола для охлаждения и виброударной установки. Прокалочная печь оборудована системой местного отсоса воздуха. Виброударная установка и стол для охлаждения контейнера оборудованы поворотным зонтом. Расход отсасываемого воздуха составляет 5000 м³/час.

Участок абразивной дезактивации предназначен для глубокой дезактивации МРО из нержавеющих и углеродистых сталей, а также доочистки МРО из цветных металлов и сплавов до уровней, обеспечивающих после переплавки возврат металла в хозяйственном оборот для повторного использования. Участок оснащен дробеструйной установкой производительностью до 3 т/час (масса единовременной загрузки МРО - 1 т, время обработки - 10-30 мин). Установка дробеструйной дезактивации укомплектована ковшовым погрузчиком и системой газоочистки производительностью 10000 м³/час, включающей патронный фильтр-пылесборник и фильтр тонкой очистки. Общая эффективность очистки воздуха - не менее 99,9%.

В процессе дробеструйной обработки с поверхности МРО удаляются радиоактивные отложения и коррозионные пленки, а также слой металла толщиной до 100 мкм. Дробь регенерируется и используется повторно. Металлическая пыль и радиоактивные оксиды отделяются от дроби и собираются в специальные сборники. Отдезактивированный металл выгружается в технологические контейнеры и направляется в бокс на установку технологического контроля. Все работы на участке абразивной дезактивации полностью механизированы. Предусмотрена возможность автоматической работы дробеструйной установки по заданной программе.

Участок плавления предназначен для плавления металла с использованием индукционной печи ИСТ-2,5/1,6-М4. Участок оборудован рабочей площадкой, пультом управления системами печи, подъемно - поворотным зонтом для отсоса от тигля печи газовоздушной смеси (производительность 5000 м³/час), оборотной шлаковней для приема шлака, аварийной емкостью для слива металла.