JP2020507741A - 放射性廃棄物リサイクル施設 - Google Patents

Abstract

【課題】機能性を拡張し、耐摩耗性および効率を高めたリサイクル施設を提供する。【解決手段】廃棄物供給ユニット1と、スラグ回収槽5に接続されたスラグ廃棄ユニット4を有するプラズマシャフト炉2と、プラズマシャフト炉2並びに熱分解ガス燃焼室7に送風する空気供給ユニット6と、排気ガスを急冷する蒸発熱交換器8と、ガス浄化ユニット9と、熱交換器11および洗浄集塵器12とを備えた放射性廃棄物リサイクル施設において、スラグ廃棄制御モジュール16、内部環境制御モジュール17、装置状態制御モジュール18、およびガス分析モジュール19に制御モジュール15を接続し、制御モジュール15は、廃棄物供給ユニット1、プラズマシャフト炉2、溶融スラグの回収槽5、および空気供給ユニット6に接続されており、スラグ廃棄制御モジュール16はスラグ廃棄ユニット4に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、原子力発電技術に関し、低レベル放射性廃棄物、特に、VVERおよりRBMK原子炉および他の核施設からの核廃棄物のリサイクルに使用することができる。

従来、セルロース、高分子化合物、樹脂、PVC並びにガラスおよび金属のような不燃性混合物を含む放射性および有毒廃棄物の処理システムでは、発生した燃焼残渣が更に溶融され固体の塊に変換される（特許文献1）。

この装置の欠点は、供給システムの容量が小さく、排気ガスの量が多く、エアロゾル不純物および放射性核種からの排気ガスの浄化が不十分であり、放射性廃棄物をリサイクルするために自動化されておらず、または自動モードが無いことである。

本発明に最も近い先行技術は、特許文献2に記載された核廃棄物リサイクル施設である。この施設は、（ａ）供給システム、（ｂ）炉床に溶融装置を備えたプラズマシャフト炉および溶融スラグの回収槽に接続されたスラグ廃棄ユニット、（ｃ）炉及び熱分解ガス燃焼室への空気供給ユニット、（ｄ）排気ガスを急冷する蒸発熱交換器、（ｅ）バッグフィルターを用いたガス浄化ユニット、（ｆ）熱交換器および洗浄集塵器、（ｇ）化学物質とリサイクル産物のためのポンプとタンク、および（ｈ）管継手を備えている。

ロシア特許第2107347号明細書 ロシア特許第2320038号明細書

この技術的解決策の欠点は、廃棄物の種類に応じた核廃棄物リサイクルプロセスの改造や再設定ができないこと、廃棄物のリサイクル効率が低いこと、および非常に高い運用パラメーターに起因して耐摩耗性が低いことである。

本発明は、リサイクル施設の機能性を拡張し、耐摩耗性および効率を高めることを目的とする。本発明の技術的効果は、異なる放射線レベルの放射性廃棄物が、自動的にまたは自動モードでリサイクル処理される柔軟な運転モードを設計し、施設の構成要素の耐摩耗性を確実に増加させることにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る放射性廃棄物リサイクル施設は、以下の構成を備える：（ａ）廃棄物供給ユニット、（ｂ）炉床に溶融装置を備えたプラズマシャフト炉、（ｃ）炉と熱分解ガス燃焼室へ空気を供給する空気供給ユニット、（ｄ）排気ガスを急冷する蒸発熱交換器、（ｅ）バッグフィルターを備えたガス浄化ユニット、（ｆ）熱交換器と洗浄集塵器、（ｇ）化学物質とリサイクル産物のためのポンプとタンク、および（ｈ）管継手。本発明に係るリサイクル施設は更に以下を備える：（ａ）スラグ廃棄制御モジュール、内部環境制御モジュールおよび装置状態制御モジュールに電気的に接続された少なくとも一つの制御モジュール、および（ｂ）少なくとも一つのガス分析モジュール。制御モジュールは、廃棄物供給ユニット、プラズマシャフト炉、溶融スラグおよび空気供給ユニットの回収槽の電気的ハードウェアに電気的に接続され、当該空気供給ユニットは、炉へ空気を供給する。また、スラグ廃棄制御モジュールは、スラグ排出ユニットの電気的ハードウェアに電気的に接続される。

スラグ排出ユニットの制御モジュールは、デジタルビデオレコーダー、廃棄スラグの温度センサー、溶融スラグの回収槽内に配設された光学監視センサー、および照明および非常用ボタンを有する光警報システムを備えてもよい。

内部環境制御モジュールは、少なくとも一つの温度、圧力、流量および希釈化センサーを備えてもよい。

装置状態制御モジュールは、少なくとも一つの管継手位置送信器とポンプ制御用センサーとを備えるのが望ましい。

ガス分析モジュールは酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸化窒素、二酸化窒素、全窒素酸化物、二酸化硫黄および全炭化水素のガス濃度を測定するためのセンサーを備えてもよい。ガス分析モジュールは、含むことができ、ガス分析器モジュールは、 プラズマシャフト炉と燃焼室との間のガス煙道における熱分解ガスの組成の監視位置、燃焼室と蒸発熱交換器との間の煙道内の排気ガスの監視位置、およびリサイクル施設の出口のうちのいずれか一つ以上に設置してもよい。

制御モジュールは、情報記憶手段および情報表示手段を備えてもよく、制御モジュールはコントローラーおよび/またはコンピュータであってもよい。制御モジュールの入力はスラグ廃棄監視モジュール、内部環境制御モジュール、装置状態制御モジュールおよび少なくとも一つのガス分析モジュールの出力に電気的に接続される。制御モジュールの出力は、廃棄物供給ユニット、プラズマシャフト炉と、溶融スラグ回収槽、および炉と燃焼室とへ空気を供給する空気供給ユニットの各電気的ハードウェアの入力に電気的に接続される。

廃棄物供給ユニットは、供給ホッパーおよびそれに接続されたコンベアーが設けられてもよい。供給ホッパーは、少なくとも一つの近接センサー、少なくとも二つの気密スライドシャッター、断熱シールドおよび供給ノズルを備えてもよい。

プラズマシャフト炉には、遠心ジェットノズルを設けてもよく、遠心ジェットノズルは非常用噴霧システムを構成し、炉の上部に設置される。

熱分解ガス燃焼室は、前室と当該前室の上蓋部に配置されたプラズマ発生装置を備え、さらに空気供給ユニットを追加してもよい。

ガス浄化ユニットは、更に、分離フィルターおよび少なくとも一つの微細フィルターを備えてもよい。

プラズマシャフト炉及び燃焼室には、更に、非常用排気弁を有する排気ダクトおよび非常用吸収浄化システムを備えてもよく、スラグ廃棄ユニットは、中心孔及び栓を有する廃棄ブロックを備えてもよい。

プラズマシャフト炉は取り外し可能にすることができ、プラズマ発生装置（80〜170kWt）を少なくとも一つ備え、更に、炉溶融装置は必要に応じて移動可能に設計してもよく、スラグ廃棄ユニットと溶融スラグの回収槽との接続部も 取り外し可能にしてもよい。

廃棄物供給ユニットは、液体可燃性放射性廃棄物をプラズマシャフト炉内に供給するためのホッパーを備えてもよい。

少なくとも一つの制御モジュールを組み込むことによって、放射性廃棄物のリサイクル処理を自動化することができる。

ガス分析モジュールを組み込めば、リサイクル施設の最適な運転パラメーターを選択することができる。

本発明を用いれば、放射性廃棄物を処理し、プラントの耐摩耗性および効率を向上させるプラントの適応動作モードを提供することができる。

廃棄物リサイクル施設全体の見取り図である。

下図は、廃棄物リサイクル施設全体の見取り図である。

放射性廃棄物処理プラントは、廃棄物供給ユニット1、炉床に溶融装置3を有するプラズマシャフト炉2、スラグ回収槽5に接続されたスラグ廃棄ユニット4、炉2と熱分解ガス燃焼室7とに空気を供給する空気供給ユニット6、排気ガスを急冷するための蒸発熱交換器8、ガス浄化ユニット9、および管継手（図示せず）を備えている。ガス浄化ユニット9は、バッグフィルター10、熱交換器11及び洗浄集塵器12、ポンプ13、および化学物質並びにリサイクル産物用のタンク14を備えている。放射性廃棄物リサイクル施設はまた制御モジュール15および制御モジュール15に電気的に接続された以下に列挙するモジュールを備えている：スラグ廃棄ユニット4の制御モジュール16、内部環境制御モジュール17、装置状態制御モジュール18、およびガス分析モジュール19。制御モジュール15は、以下のユニット電気的ハードウェアに電気的に接続されている：廃棄物供給ユニット1、プラズマシャフト炉2、溶融スラグの回収槽5、炉2と燃焼室7とに空気を供給する空気供給ユニット6。スラグ廃棄ユニット4用の制御モジュール16は、スラグ廃棄ユニット4の電気的ハードウェアに電気的に接続されており、デジタルビデオレコーダー、溶融スラグの温度センサー、溶融スラグの回収槽内に配設された光学監視センサー（いずれも図示省略）、照明および非常用ボタンを有する光警報システムを備えてもよい。

内部環境制御モジュール17は、温度、圧力、流量および希釈化センサー（いずれも図示省略）をそれぞれ少なくとも一つ備えてもよい。

装置状態制御モジュール18は、管継手位置送信器とポンプ制御用センサー（いずれも図示省略）とを少なくとも一つ備えてもよい。

ガス分析モジュール19は、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、酸化窒素、二酸化窒素、全窒素酸化物、二酸化硫黄および全炭化水素を検出する濃度測定センサー（図示しない）を備えてもよい。ガス分析器モジュール19は、 プラズマシャフト炉2と燃焼室7との間のガス煙道における熱分解ガスの組成を監視するための位置、燃焼室7と蒸発熱交換器8との間の煙道内の排気ガスを監視するための位置、およびリサイクル施設の出口のいずれか一以上に実装してもよい。

制御モジュール15は、データ記憶装置およびディスプレイの形態のデータ出力モジュールを備えてもよく、PC（Personal Computer）および/またはコントローラーを制御モジュール15として用いてもよい。制御モジュール15の入力はスラグ廃棄監視モジュール16、内部環境制御モジュール17、装置状態制御モジュール18および少なくとも一つのガス分析モジュール19の出力に電気的に接続される。制御モジュール15の出力は、廃棄物供給ユニット1、プラズマシャフト炉2、回収槽5、および炉2と熱分解ガス燃焼室7とへ空気を供給する空気供給ユニット6の各電気的ハードウェアの入力に電気的に接続される。

廃棄物供給ユニット1は、供給ホッパー20と供給ベルトコンベアー21とを備えている。供給ホッパー20は、少なくとも一つの近接センサー22と、少なくとも二つの気密スライドシャッター23と、断熱シールド24と、供給ノズル25とを備える。プラズマシャフト炉2には、遠心ジェットノズル26を設けてもよく、遠心ジェットノズル26は非常用噴霧システムを構成し、炉の上部に設置される。

熱分解ガス燃焼室7には前室27を設けてもよく、前室27の上蓋部にはプラズマ発生装置（プラズモトロン）28を備えてもよい。

熱分解ガスをより効果的に燃焼させるために、燃焼室7は空気供給ユニット6を更に備えてもよい。この点で、空気供給ユニット6からの空気取り入れ口は、前室27のガス取り入れ口と同じレベルにしてもよく、空気供給ユニット6からの空気取り入れ口を燃焼室7の基礎体積の上部に別途、設けてもよい。

ガス浄化ユニット9は、更に分離フィルター29、少なくとも一つの微細フィルター、ガス混合器31および排気ファンを備えてもよい。

プラズマシャフト炉2及び熱分解燃焼室7には、非常用排気弁34を備えた排気ダクト33と非常用吸収浄化システムが設けられている。

スラグ排出ユニット4は、中央孔および栓を有する排出ブロック35を備えてもよい。

プラズマシャフト炉2は着脱自在に構成され、80〜170kWtのプラズマ発生装置36を少なくとも一つ備え、更に、炉溶融装置3は必要に応じて移動可能になっており、例えば、持ち運び可能な台車上に載置してもよい。 また、スラグ廃棄ユニット4と溶融スラグの回収槽5との接続部も着脱可能になっている。

廃棄物供給ユニット1は、液体可燃性の放射性廃棄物をプラズマシャフト炉2に供給するためのホッパーを備えてもよい。

炉2及び熱分解室7に空気を供給する空気供給ユニット6は、送風ファンを有する。

リサイクル設備の運転は次のように行われる。クラフトバッグに包装された固体放射性廃棄物が廃棄物供給ユニット1に送られ、バッグは引き続く段階の作業員によってコンベアー21上に載置され、更に供給ホッパー20に配送される。制御モジュール15は、コマンドを送って、供給ユニット1に包装された放射性廃棄物を炉2へ次々と投入させる。プラズマシャフト炉2では、放射性廃棄物の乾燥、熱分解、コークス残渣の酸化、およびスラグ溶融の全段階が実行される。リサイクル処理の結果、溶融スラグと熱分解ガスが齎される。

廃棄物転化のすべての段階で、制御モジュールが温度制御を行う。炉2及び熱分解室7に空気を供給する空気供給機6の送風口からの空気の噴射方向は、フラップを用いて調整してもよい。溶融スラグは溶融装置3内に堆積する。溶融装置3の熱源は、80kWtから170kWtの出力を有する少なくとも一台のプラズマ発生装置36である。溶融装置3からスラグ廃棄ユニット4へ溶融スラグが送られ、溶融スラグの気密回収槽5へ供給される。スラグ廃棄ユニット4の動作はスラグ廃棄制御モジュール16の制御を受けた後、制御モジュール15に制御される。溶融スラグは金属コンテナに回収された後、保持され、冷却される。溶融スラグのコンテナは、回収槽5から搬出され、マニピュレーターを用いてスラグ溶融物を受け取るためのボックス5から抜き出され、マニュキュレータによって使い捨ての保護コンテナに移載される。スラグ廃棄ユニット4のすべての構成要素は、制御モジュール15によって制御される。

シャフト炉2内で発生した熱分解ガスは燃焼室7に供給される。熱分解室7内の熱源はプラズマ発生装置28である。始動時には、2つの燃料噴射器（図示せず）がプラズマ発生装置28と共に使用され、熱分解ガス燃焼室の加熱を加速し、少なくとも一台のプラズマ発生装置28の運転の結果として窒素酸化物が発生するのを抑制する。燃料噴射器は、ディーゼル燃料供給システムおよび圧縮空気供給システムによって作動する。

前室27には、燃焼室7の上部及び下部にそれぞれ配置された送風口を通って、空気供給ユニット6から空気が噴射される。燃焼室7で+1200℃から1,350℃まで加熱された排気ガスは、蒸発熱交換器8に導入され、+200℃から250℃まで急冷される。蒸発熱交換器8の上部には空気圧ノズルが設けられており、当該空気圧ノズルが噴霧した水が完全に蒸発することによって冷却が確保される。蒸発熱交換器8を通過した後、排気ガスはバッグフィルター10に導入され、そこで固体エアロゾル（塵）粒子の大部分が捕捉される。バッグフィルター10で浄化された排気ガスは、洗浄集塵器12に導入され、そこでは4%アルカリ溶液を含む下流ガス流が集中的に吹き付けられ、脱硫が行われる。

洗浄集塵器12では、排気ガスが50±5℃まで冷却されるとともに、酸性ガスおよびエアロゾルが除去される。線上12を通過した後、排気ガスは熱交換器11の管内で25℃から35℃まで冷却される。冷却された排気ガスは、分離フィルター29よって、結露から分離される。ガス混合器31では、排気ガスが加熱され、高温の空気と混合、希釈される。その後、微細フィルターを経由し、排気ファンによって排気管へ送り出される。

ガス分析モジュール19は、装置内の環境を制御するためのものであり、特に、廃棄物リサイクル処理の結果、発生するガスの濃度と識別とを評価することができる。ガス分析モジュール19は、定常連続運転するプラントであって、酸素（О₂）、一酸化炭素（CO）、二酸化炭素（СО₂）、酸化窒素（NO）、二酸化窒素（NO₂）、窒素酸化物（NO_X）、二酸化硫黄（SO₂）、炭化水素（CH）の各ガスの濃度の測定に用いられる。一酸化炭素、二酸化炭素、メタンおよび二酸化硫黄の濃度測定には赤外吸収法が用いられ、炭化水素の濃度測定には水素炎イオン化法が用いられる。 サンプリング法は、吸引装置を用いた強制サンプリングであってもよい。サンプリング・システムは、機械的な不純物サンプルをろ過し、一酸化炭素、二酸化炭素、二酸化硫黄、メタンおよび酸素を計測する場合に水蒸気を除去し、水蒸気を凝縮させることなく測定チャネルへサンプルを供給し、温度190±10℃でメタン測定チャネルにサンプルを供給する。

制御モジュール15は内部環境制御モジュール17に接続され、内部環境制御モジュール17は更に内部環境センサー（図示省略）に接続されており、制御モジュール15がプラント運用を監視制御する。内部環境制御モジュール17の画面は、内部環境の状態に関する情報を表示する。

装置状態制御モジュール18は、内部環境制御モジュール17が制御モジュール15に送信する情報に応じて動作する。制御モジュール15が、搭載されたアルゴリズムに従って、制御電気信号を生成し、装置状態制御モジュール18に送信すると、装置状態制御モジュール18は、この信号に対応する制御信号を、搭載されたアルゴリズムに従って生成し、各装置を運用する。内部環境のパラメーターが目標値に達すると、内部環境センサーはこの情報を取得して、内部環境制御モジュール17へ送信する。内部環境制御モジュール17は、内部環境のパラメーターが目標値に達したとの事実に関する情報を登録すると、これに対応する信号を制御モジュール15に送信する。この信号を受信すると、制御モジュール15は、装置状態制御モジュール18へコマンドを送信して、環境の監視制御を停止させる。

本発明に係る放射性廃棄物リサイクル施設は、低レベル放射性廃棄物、特に、VVERおよりRBMK原子炉および他の核施設からの核廃棄物のリサイクル施設として有用である。

1…廃棄物供給ユニット
2…プラズマシャフト炉
3…溶融装置
4…スラグ廃棄ユニット
5…スラグ回収槽
6…空気供給ユニット
7…熱分解ガス燃焼室
8…蒸発熱交換器
9…ガス浄化ユニット
10…バッグフィルター
11…熱交換器
12…洗浄集塵器
13…ポンプ
14…化学物質並びにリサイクル産物用のタンク

Claims (15)

1. 廃棄物供給ユニットと、
   路床に配設された溶融装置と、溶融スラグの回収槽に接続されたスラグ廃棄ユニットと、を有するプラズマシャフト炉と、
   前記プラズマシャフト炉並びに熱分解ガス燃焼室に送風する空気供給ユニットと、
   排気ガスを急冷する蒸発熱交換器と、
   バッグフィルターを有するガス浄化ユニットと、
   熱交換器および洗浄集塵器と、
   化学物質およびリサイクル産物用のポンプおよびタンクと、
   管継手と、を備え、
   更に、スラグ廃棄制御モジュール、内部環境制御モジュール、装置状態制御モジュール、および少なくとも一つのガス分析モジュールに電気的に接続された少なくとも一つの制御モジュールを備え、
   前記制御モジュールは、前記廃棄物供給ユニット、前記プラズマシャフト炉、前記溶融スラグの回収槽の電気的ハードウェア、および前記プラズマシャフト炉並びに前記燃焼室に送風する前記空気供給ユニットに電気的に接続されており、
   前記スラグ廃棄制御モジュールは、前記スラグ廃棄ユニットの電気的ハードウェアに電気的に接続されている
   ことを特徴とする放射性廃棄物リサイクル施設。
2. 前記スラグ廃棄ユニットの制御モジュールは、デジタルビデオレコーダー、廃棄スラグの温度センサー、前記溶融スラグの回収槽内に配設された光学監視センサー、および照明並びに非常用ボタンを有する光警報システムを備える
   ことを特徴とする請求項1に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
3. 前記内部環境制御モジュールは、温度、圧力、流量および希釈化センサーをそれぞれ少なくとも一つ有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
4. 前記装置状態制御モジュールは、管継手位置送信器とポンプ制御センサーとを少なくとも一つずつ有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
5. 前記ガス分析モジュールは、酸素、二酸化炭素、酸化窒素、二酸化窒素、全窒素酸化物、二酸化硫黄および全炭化水素のガス濃度を検出する計測センサーを有し、
   前記燃焼室と前記蒸発熱交換器との間のガス煙道内の熱分解ガスの組成監視位置、前記燃焼室と前記蒸発熱交換器との間のガス煙道内の熱分解ガスの監視位置、および当該リサイクル施設の出口の少なくとも一か所に配設される
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
6. 前記制御モジュールは、データ記憶装置並びにディスプレイの形態でのデータ出力モジュールを有し、
   PCとコントローラーとの少なくとも一方を前記制御モジュールとして使用する
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
7. 前記制御モジュールの入力が、前記スラグ廃棄制御モジュール、前記内部環境制御モジュール、前記装置状態制御モジュールおよび少なくとも一つのガス分析モジュールの出力に電気的に接続されており、
   前記制御モジュールの出力が、廃棄物供給ユニット、プラズマシャフト炉、溶融スラグの回収槽、および前記炉並びに前記燃焼室に送風する空気供給ユニットの入力に電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
8. 前記廃棄物供給ユニットが、供給ホッパーと、当該供給ホッパーに接続されたコンベアーとを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
9. 前記コンベアーは供給ベルトコンベアーであって、前記供給ホッパーは、少なくとも一つの近接センサー、少なくとも二つの気密スライドシャッター、断熱シールドおよび供給ノズルを有する
   ことを特徴とする請求項8に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
10. 前記プラズマシャフト炉が遠心ジェットノズルを有し、
    当該遠心ジェットノズルは非常用噴霧システムを構成し、前記炉の上部に配設される
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
11. 前記熱分解ガス燃焼室が前室、プラズマ発生装置および空気供給ユニットを有し、
    前記プラズマ発生装置は前記前室の上蓋部に配置されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
12. 前記ガス浄化ユニットが、更に分離フィルターと、少なくとも一つの微細フィルターとを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
13. 前記プラズマシャフト炉並びに熱分解ガス燃焼室が、非常用排気弁を有する排気ダクトおよび非常用吸収浄化システムを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
14. 前記スラグ廃棄ユニットが、中心孔及び栓を有する廃棄ブロックを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。
15. 前記プラズマシャフト炉は、着脱自在に構成され、80〜170kWtのプラズマ発生装置を少なくとも一つ備え、
    前記溶融装置は必要に応じて移動可能になっており、
    前記スラグ廃棄ユニットと前記溶融スラグの回収槽との接続部が着脱可能になっている
    ことを特徴とする請求項１に記載の放射性廃棄物リサイクル施設。

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