RU2486615C1 - Method to recycle liquid radioactive wastes and device for its realisation - Google Patents
Method to recycle liquid radioactive wastes and device for its realisation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2486615C1 RU2486615C1 RU2011152338/07A RU2011152338A RU2486615C1 RU 2486615 C1 RU2486615 C1 RU 2486615C1 RU 2011152338/07 A RU2011152338/07 A RU 2011152338/07A RU 2011152338 A RU2011152338 A RU 2011152338A RU 2486615 C1 RU2486615 C1 RU 2486615C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- melt
- plasma chamber
- melter
- frequency
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gasification And Melting Of Waste (AREA)
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к переработке отходов, в частности жидких радиоактивных отходов (РАО), получающихся при регенерации ядерного топлива энергетических реакторов, например ВВЭР-400, БН-600, ВВВЭР-1000 и РБМК, транспортных и исследовательских реакторов в фосфатное или боросиликатное стекло, так называемое, остекловывание.The invention relates to the processing of waste, in particular liquid radioactive waste (RW), resulting from the regeneration of nuclear fuel of power reactors, for example VVER-400, BN-600, VVER-1000 and RBMK, transport and research reactors into phosphate or borosilicate glass, the so-called vitrification.
Известен AVM-process (Atelier de Vitrification Marcoule), разработанный для регенераци-онного завода в Маркуле (Франция) / W.Baehr. Industrial Vitrification Process for High-Level Liquid Waste Solutions. IAEA Bulletin, 4/1989, p /43-47/ и реализованный также на другом регенерационном заводе - в Селлафилде (Англия) / Nuclear Fuel Reproeesing Technology. Information Services British Nuclear Fuels pie. Risley, Warrington WAS 6AS, 1992/. Основная часть процесса включает две отдельные стандартные стадии:Famous AVM-process (Atelier de Vitrification Marcoule), designed for the regeneration plant in Marcoule (France) / W.Baehr. Industrial Vitrification Process for High-Level Liquid Waste Solutions. IAEA Bulletin, 4/1989, p / 43-47 / and also sold at another regeneration plant in Sellafield, England / Nuclear Fuel Reproeesing Technology. Information Services British Nuclear Fuels pie. Risley, Warrington WAS 6AS, 1992 /. The main part of the process includes two separate standard stages:
- кальцинацию - разложение раствора РАО при высокой температуре на кальцинат - оксиды химических элементов - продуктов деления и газовую фазу, содержащую водяной пар, оксиды азота и другие летучие продукты;- calcination - decomposition of the RAW solution at high temperature into calcinate - oxides of chemical elements - fission products and the gas phase containing water vapor, nitrogen oxides and other volatile products;
- остекловывание - плавление кальцината в смеси со стеклообразующими добавками в частотном индукционном нагревателе, изготовленном из металла.- vitrification - melting of calcine in a mixture with glass-forming additives in a frequency induction heater made of metal.
Кальцинацию производят во вращающейся электрической печи: нитратный раствор РАО подают в печь из накопительного объема. Вращающаяся печь разделена на зоны, в которых повышают температуру последовательно от входа к выходу от 225°С до 600°С, в ней происходит испарение растворителя, нагрев и разложение солевого остатка. Газовую фазу чистят от пыли, последнюю растворяют в азотной кислоте и возвращают в накопительный объем. Кальцинат направляют в металлический индукционный плавитель, плавят его при температуре 1150°С в смеси со стеклообразующими добавками и разливают расплав в канистры, которые после соответствующей обработки направляют на долговременное хранение.Calcination is carried out in a rotary electric furnace: the RAO nitrate solution is fed into the furnace from the storage volume. The rotary kiln is divided into zones in which the temperature is increased sequentially from inlet to outlet from 225 ° C to 600 ° C, in which evaporation of the solvent occurs, heating and decomposition of the salt residue. The gas phase is cleaned of dust, the latter is dissolved in nitric acid and returned to the storage volume. Calcine is sent to a metal induction melter, melted at a temperature of 1150 ° C in a mixture with glass-forming additives and the melt is poured into cans, which, after appropriate treatment, are sent for long-term storage.
Второй известный процесс переработки РАО - одностадийный Pamela-process: в этом процессе раствор РАО со стеклообразующими добавками подают в расплав, находящийся в керамическом плавителе; в расплав вводят несколько пар электродов (четыре пары); расплав между электродами нагревают переменным током. Электроды выполнены из тугоплавкого сплава Inconel - 690 и находятся на двух уровнях. Температура в плавителе достигает 1150-1200°С, причем нагрев регулируют так, что температура возрастает по мере приближения к сливному отверстию. Расплав разливают в канистры, которые после соответствующей обработки герметизируют и направляют на долговременное хранение. Отходящие газы чистят от пыли посредством водной обработки, раствор или суспензию последней возвращают в накопительный объем.The second well-known RW reprocessing process is the one-stage Pamela-process: in this process, the RW solution with glass-forming additives is fed into the melt located in the ceramic melter; several pairs of electrodes (four pairs) are introduced into the melt; the melt between the electrodes is heated with alternating current. The electrodes are made of refractory alloy Inconel - 690 and are on two levels. The temperature in the melter reaches 1150-1200 ° C, and the heating is regulated so that the temperature increases as it approaches the drain hole. The melt is poured into cans, which, after appropriate treatment, are sealed and sent for long-term storage. Exhaust gases are cleaned of dust by means of water treatment, the solution or suspension of the latter is returned to the storage volume.
Известен керамический плавитель ЭП-500/1Р для переработки жидких РАО, аналогичный по принципу действия плавителю в Pamela-process / А.С.Поляков, Г.Б.Борисов, Н.И.Моисеенко, В.И.Основин, Е.Г.Дзекун и др. Опыт эксплуатации керамического плавителя ЭП-500/1Р по переработке жидких ВАО. Атомная энергия, т.76, вып.3, март 1994, с.183-188/. Основой плавителя является прямоугольный бассейн, выложенный брусьями из плавленого бакора-33 в металлическом водоохлаждаемом корпусе. Бассейн разделен на три зоны: варочную, переточную, накопительную. В поде каждой из зон вмонтированы стержневые молибденовые электроды на водоохлаждаемых токоподводах. В сводовом перекрытии варочной зоны установлены три водоохлаждаемых питателя, через которые на поверхность стекломассы подают раствор РАО в смеси с жидким флюсом-стеклообразователем (ортофосфорной кислотой) и подавителем летучести рутения-106 (этиленгликолем). По мере наработки расплава стекломасса поступает из варочной зоны через переточную зону в накопительную, откуда ее разливают в канистры. Узел разлива стекломассы включает в себя запорно-сливное устройство, которое состоит из водоохлаждаемого плунжера, работающего по принципу открытия-закрытия сливного отверстия в печи, водоохлаждаемой сливной трубы, по которой стекломасса стекает в канистру.Known ceramic melter EP-500 / 1P for processing liquid radioactive waste, similar to the principle of the melter in the Pamela-process / A.S. Polyakov, G. B. Borisov, N. I. Moiseenko, V. I. Osnovin, E. G. .Dziekun et al. Operating experience of the ceramic melter EP-500 / 1R for the processing of liquid HLW. Atomic energy, vol. 76, issue 3, March 1994, p. 183-188 /. The basis of the melter is a rectangular pool, lined with bars of fused bacor-33 in a metal water-cooled case. The pool is divided into three zones: cooking, transfer, storage. In the hearth of each zone, rod molybdenum electrodes are mounted on water-cooled current leads. Three water-cooled feeders are installed in the arched ceiling of the cooking zone, through which RAW solution is mixed with liquid flux-glass former (phosphoric acid) and a ruthenium-106 volatility inhibitor (ethylene glycol) to the glass melt surface. As the melt accumulates, the molten glass enters from the cooking zone through the transfer zone to the storage zone, from where it is poured into canisters. The molten glass spill assembly includes a shut-off and drain device, which consists of a water-cooled plunger operating on the principle of opening and closing the drain hole in the furnace, a water-cooled drain pipe, through which the glass flows into the canister.
Оба варианта технологии остекловывания РАО имеют свои недостатки. Так, стадия кальцинации в AVM-process основана на контактном нагреве раствора в реторте вращающейся печи со сравнительно низким тепло- и массообменом в интервале рабочих температур. По мере износа реторта печи становится также радиоактивным отходом, подлежащим переработке.Both variants of the RW vitrification technology have their drawbacks. Thus, the calcination stage in the AVM-process is based on contact heating of the solution in the retort of a rotary kiln with a relatively low heat and mass transfer in the operating temperature range. As the retort of the furnace wears out, it also becomes a radioactive waste to be reprocessed.
Нагрев и плавление кальцината производят в металлическом индукционном плавителе, который также имеет ограниченный ресурс работы, поскольку теплообмен с источником нагрева идет при температуре 1150°С через стенку плавителя, которая при таких условиях сравнительно быстро изнашивается. По мере износа корпус плавителя становится также радиоактивным отходом, подлежащим переработке.Calcine is heated and melted in a metal induction melter, which also has a limited service life, since heat exchange with the heating source occurs at a temperature of 1150 ° C through the melter wall, which under these conditions wears out relatively quickly. As the melter body wears, it also becomes a radioactive waste to be reprocessed.
Оборудование одностадийного Pamela-process, также как и оборудование аналогичного процесса в керамическом плавителе ЭП-500/1Р, также имеет ограниченный ресурс работы из-за контактного нагрева коррозионно-активной среды при сравнительно высокой температуре - 1200°С.The single-stage Pamela-process equipment, as well as the equipment of a similar process in the EP-500 / 1P ceramic melter, also has a limited service life due to contact heating of a corrosive medium at a relatively high temperature - 1200 ° С.
Также известно устройство для высокотемпературной переработки радиоактивных и токсичных отходов (патент РФ №2160475, оп. 10.12.2000), включающее выполненный из огнеупорного материала корпус с расширяющимся сверху вниз каналом и имеющий верхнюю и нижнюю торцевые части, подсоединенный своей нижней торцевой частью к герметичной камере с узлом выгрузки и расположенной в ней емкостью для сбора конечного продукта, а также узел загрузки отходов, плазменный генератор с узлом подачи газообразного окислителя и газоотводной патрубок, выполненный из огнеупорного материала корпус с расширяющимся сверху вниз каналом состоит из верхней секции корпуса длиной L1 с выполненным в ней каналом поперечным сечением S1, подсоединенной своей нижней торцевой частью к верхней торцевой части нижней секции корпуса длиной L2 с выполненным в ней каналом поперечным сечением S2 и расположенным на ее боковой части патрубком для подачи в канал нижней секции корпуса газообразного окислителя, причем верхняя торцевая часть корпуса одновременно является верхней торцевой частью верхней секции, а нижняя торцевая часть корпуса одновременно является нижней торцевой частью нижней секции корпуса, узел загрузки отходов состоит из снабженной патрубком для подачи сжатого воздуха и выходным патрубком камеры смешения, к которой подсоединены дозатор отходов и дозатор флюсующих добавок, плазменный генератор с узлом подачи в него газообразного окислителя расположен на плоской крышке плазменной камеры, снабженной входным патрубком, расположенным на ее боковой части, причем плазменная камера своим днищем соединена с верхней торцевой частью корпуса, своим выходным отверстием, расположенным в ее днище, - с каналом верхней секции корпуса, а своим входным патрубком - с выходным патрубком камеры смешения, герметичная камера снабжена охлаждающей рубашкой, а внутри герметичной камеры между нижней торцевой частью корпуса и приемной емкостью расположен охлаждающий узел, выполненный в форме трубчатого, пластинчатого теплообменника или водяной форсунки, газоотводный патрубок расположен на боковой части герметичной камеры, ниже уровня расположения охлаждающего узла, плазменный генератор, плазменная камера, верхняя и нижняя секции корпуса соединены между собой соосно, величина L2 составляет не менее 1,7 L1, но не более 2,3 L1, a S2 - не менее 3S1, но не более 4S1. Плазменная камера имеет цилиндрическую форму, а ее входной патрубок расположен тангенциально.Also known is a device for high-temperature processing of radioactive and toxic wastes (RF patent No. 2160475, op. 10.12.2000), comprising a body made of refractory material with a channel expanding from top to bottom and having an upper and lower end part connected to its sealed chamber by its lower end part with an unloading unit and a container for collecting the final product located in it, as well as a waste loading unit, a plasma generator with a gaseous oxidizer supply unit and a gas outlet made of fire resistant material housing with an expanding downward channel consists of an upper section of the hull length L 1 formed therein a channel cross section S 1, connected its lower end portion to the upper end of the lower section of the hull length L 2 with a channel cross section S 2 formed therein and a pipe located on its lateral part for supplying a gaseous oxidizer to the channel of the lower section of the housing, the upper end part of the housing being simultaneously the upper end part of the upper section and the lower end the casing part is simultaneously the lower end part of the lower casing section, the waste loading unit consists of a mixing chamber equipped with a nozzle for supplying compressed air and an outlet pipe, to which a waste dispenser and a fluxing additives dispenser are connected, a plasma generator with a gaseous oxidizer supply unit is located on a flat the lid of the plasma chamber, equipped with an inlet pipe located on its lateral part, and the plasma chamber is connected with its bottom to the upper end part of the housing, the outlet located in its bottom with the channel of the upper section of the housing, and its inlet pipe with the outlet pipe of the mixing chamber, the sealed chamber is equipped with a cooling jacket, and inside the sealed chamber between the lower end part of the housing and the receiving tank there is a cooling unit made in in the form of a tubular, plate heat exchanger or water nozzle, the gas outlet is located on the side of the sealed chamber, below the level of the cooling unit, plasma generator, plasma Naya chamber, the upper and lower housing sections are interconnected coaxially, the value L 2 is at least 1.7 L 1 but not more than 2.3 L 1, a S 2 - 3S least 1 but not more than 1 4S. The plasma chamber has a cylindrical shape, and its inlet pipe is located tangentially.
Наиболее близким к заявляемому является способ и устройство для переработки жидких радиоактивных отходов (С.В.Стефановский, И.А.Князев, С.А.Дмитриев. Остекловывание радиоактивных ВАО в плазменном реакторе. Физика и химия обработки материалов, 1991, №4, с.72-80).Closest to the claimed is a method and device for processing liquid radioactive waste (S.V. Stefanovsky, I.A. Knyazev, S.A.Dmitriev. Vitrification of radioactive HLW in a plasma reactor. Physics and Chemistry of Materials Processing, 1991, No. 4, p. 72-80).
Способ переработки заключается в следующем: в верхнюю часть плазменной камеры - зону смешения подают жидкие радиоактивные отходы, предварительно смешанные со стеклообразующими добавками, ввод указанных компонент производят тангенциально. В эту же зону смешения вертикально осуществляют подачу плазмообразующего газообразного окислителя - воздуха. Плазменный разряд осуществляют за счет трех симметрично установленных электродуговых плазмотронов. В результате нагрева указанных компонент происходит их плавление и разложение на оксиды химических элементов - продуктов деления и газовую фазу, содержащую водяной пар, оксиды азота и другие летучие продукты, расплав собирается в ванне расплава, а газообразные продукты отводятся в систему очистки.The processing method is as follows: liquid radioactive waste, pre-mixed with glass-forming additives, is fed into the upper part of the plasma chamber — the mixing zone; these components are introduced tangentially. A plasma-forming gaseous oxidizing agent, air, is vertically supplied to the same mixing zone. Plasma discharge is carried out due to three symmetrically installed electric arc plasmatrons. As a result of heating these components, they melt and decompose into oxides of chemical elements - fission products and a gas phase containing water vapor, nitrogen oxides and other volatile products, the melt is collected in the melt bath, and gaseous products are diverted to the treatment system.
В верхней части прямоточной цилиндрической водоохлаждаемой плазменной камеры расположена зона смешения шихты и плазмообразующего газа - воздуха, с тангенциальным вводом плазменного потока. Источником плазмы являются три электродуговых плазмотрона. Плазменная камера выполнена из меди и футерована изнутри электрокорундом. Расплав собирался в ванне расплава, соединенного с нижней частью плазменной камеры. Газовая составляющая продуктов разложения отводилась из плазменной камеры в систему газоочистки.In the upper part of the direct-flow cylindrical water-cooled plasma chamber there is a mixing zone of the charge and the plasma-forming gas - air, with a tangential input of the plasma flow. The plasma source is three electric arc plasmatrons. The plasma chamber is made of copper and lined with electrocorundum inside. The melt was collected in a melt bath connected to the bottom of the plasma chamber. The gas component of the decomposition products was diverted from the plasma chamber to the gas purification system.
Кальцинацию раствора РАО и плавление кальцината проводили в воздушной плазме с расходом 4.1·10-3 кг/с, потребляемая электрическая мощность плазменного реактора 120 кВт, удельные энергозатраты составляли в среднем 4-8 кВт·ч/кг стекла, массовые скорости загрузки РАО и выгрузки расплава 10-70 и 7-45 кг/ч. Перерабатывали РАО среднего уровня активности ~1 ГБк/м3). В качестве стеклообразующих добавок использовали датолит, кварцевый песок и суглинок в массовом отношении соли: датолит: кремнезем: суглинок = 40:30:15:15. В результате получалось стекло с приемлемой химической устойчивостью (скорость выщелачивания составляла 10-5 г/см2·сут).The RAO solution was calcined and the calcine was melted in air plasma with a flow rate of 4.1 · 10 -3 kg / s, the consumed electric power of the plasma reactor was 120 kW, the specific energy consumption averaged 4-8 kW · h / kg of glass, the mass RAO loading and unloading rates melt 10-70 and 7-45 kg / h. RAO was processed with an average activity level of ~ 1 GBq / m 3 ). As glass-forming additives used datolite, quartz sand and loam in a mass ratio of salt: datolite: silica: loam = 40: 30: 15: 15. The result was glass with acceptable chemical resistance (leaching rate was 10 -5 g / cm 2 · day).
Потери компонентов при остекловывании РАО сильно зависят от способа подготовки исходных РАО, массовой скорости загрузки и вида радионуклидов. При малых скоростях загрузки (до 40 кг/ч) исходных РАО велики потери цезия и натрия (до 20%) и других радионуклидов и бора, что связано с наличием пылеуноса. При более высоких скоростях загрузки и использовании предварительно подготовленной шихты потери уменьшаются до 3-4% по натрию и цезию и менее 1% по остальным β- и γ-радионуклидам. Наиболее низкие потери отмечены для суммы α-излучателей (U, Pu, Th и пр.). Химическая устойчивость полученных стеклоподобных материалов находится на уровне -10-5-10-6 г/см2·сут. Недостатками этого решения являются:Loss of components during vitrification of radioactive waste strongly depends on the method of preparation of the initial radioactive waste, mass loading speed and type of radionuclides. At low loading speeds (up to 40 kg / h) of the initial RW, the losses of cesium and sodium (up to 20%) and other radionuclides and boron are high, which is associated with the presence of pyleunos. At higher loading speeds and the use of a pre-prepared charge, losses are reduced to 3-4% for sodium and cesium and less than 1% for other β- and γ-radionuclides. The lowest losses were noted for the sum of α-emitters (U, Pu, Th, etc.). The chemical stability of the obtained glass-like materials is at the level of -10 -5 -10 -6 g / cm 2 · day. The disadvantages of this solution are:
1. Выполнение зоны смешения, расположение узлов подачи шихты, расположение электродуговых плазматронов не гарантирует от попадания расплава на стенки смесительной камеры и самого плазменного реактора, что сопровождается образованием гарнисажа на его стенке и даже забивкой.1. The implementation of the mixing zone, the location of the charge supply nodes, the location of the electric arc plasmatrons does not guarantee that the melt does not get on the walls of the mixing chamber and the plasma reactor itself, which is accompanied by the formation of a skull on its wall and even clogging.
2. Плазменный реактор и ванна расплава футерованы тугоплавкими материалами, которые не выдерживают длительного режима работы; их износ и разрушение сопровождается образованием вторичных РАО.2. The plasma reactor and the molten bath are lined with refractory materials that do not withstand long-term operation; their wear and destruction is accompanied by the formation of secondary radioactive waste.
3. Несовершенство системы вывода и очистки газообразных продуктов разложения отходов.3. Imperfection of the system of removal and purification of gaseous products of decomposition of waste.
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение эффективности процесса за счетThe technical result, which the invention is directed to, is to increase the efficiency of the process due to
- оптимизации химического состава и физических свойств потока технологической плазмы;- optimization of the chemical composition and physical properties of the process plasma stream;
- совмещении раздельно проводимых стадий кальцинации и плавления отходов в одном аппарате;- combining separately carried out stages of calcination and melting of waste in one apparatus;
- электромагнитного перемешивания расплавленных отходов, усреднения их состава и повышения качественных показателей процесса остекловывания РАО;- electromagnetic mixing of molten waste, averaging their composition and improving the quality indicators of the RW vitrification process;
- очистки газового выхлопа при барботировании двухфазного потока через расплав;- purification of gas exhaust while bubbling a two-phase flow through the melt;
- миниатюризация оборудования, что создает предпосылки для снижения количество вторичных радиоактивных отходов, для глубокой очистки газообразных продуктов от радиоактивной пыли.- miniaturization of equipment, which creates the prerequisites for reducing the amount of secondary radioactive waste, for the deep cleaning of gaseous products from radioactive dust.
Для этого предложен способ переработки жидких радиоактивных отходов (РАО), заключающийся в подаче отходов, предварительно смешанных со стеклообразующими добавками, и плазмообразующего газа в зону смешения плазменной камеры, генерировании потока плазмы в вертикально расположенной охлаждаемой плазменной камере, разложении отходов на составляющие в плазменной камере, выгрузки конечного продукта в виде расплава из зоны плавления, отводе газообразных продуктов распада, при этом формируют в зоне смешения плазменной камеры вертикальный и направленный вдоль оси плазменной камеры поток плазмообразующего газа, генерирование плазмы в плазменной камере осуществляют с помощью микроволновых генераторов плазмы, формирование расплава проводят за счет прямого индукционного нагрева, при этом нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав, а отвод газообразных продуктов разложения осуществляют после барботирования их через расплав.To this end, a method for processing liquid radioactive waste (RAW) is proposed, which consists in feeding waste pre-mixed with glass-forming additives and a plasma-forming gas into the mixing zone of the plasma chamber, generating a plasma stream in a vertically located cooled plasma chamber, decomposing the waste into components in the plasma chamber, unloading the final product in the form of a melt from the melting zone, the removal of gaseous decomposition products, while forming in the mixing zone of the plasma chamber a vertical and The plasma-forming gas flow directed along the axis of the plasma chamber, plasma generation in the plasma chamber is carried out using microwave plasma generators, the formation of the melt is carried out by direct induction heating, while the lower part of the plasma chamber is immersed in the melt, and the removal of gaseous decomposition products is carried out after bubbling them through melt.
Кроме того,Besides,
- в качестве плазмообразующего газа используют водяной пар с начальной температурой 500-600°С;- as a plasma-forming gas, water vapor is used with an initial temperature of 500-600 ° C;
- выгружают конечный продукт в виде расплава из зоны плавления в обогреваемый коллектор накопитель;- unload the final product in the form of a melt from the melting zone in a heated collector drive;
- электропроводность расплава поддерживают в интервале 1-100 См/м;- the conductivity of the melt is maintained in the range of 1-100 S / m;
- поддерживают температуру в верхней части плазменной камеры 4000-6000°С;- maintain the temperature in the upper part of the plasma chamber 4000-6000 ° C;
- поддерживают температуру в объеме плазменной камеры 1200-2000°С;- maintain the temperature in the volume of the plasma chamber 1200-2000 ° C;
- поддерживают температуру в зоне плавления компонентов РАО 1700-2000°С.- maintain the temperature in the melting zone of the components of the radioactive waste 1700-2000 ° C.
Также предложено устройство для переработки жидких радиоактивных отходов, состоящее из расположенных в верхней части цилиндрической охлаждаемой плазменной камеры, узлов ввода отходов и плазмообразующего газа, генератора плазмы, систем водо- и энергообеспечения, при этом в нижней части плазменная камера соединена с емкостью для расплава и остеклования отходов, соединенной с устройством для выгрузки отходов, трубопроводом для отвода газообразных продуктов, при этом что верхняя часть плазменной камеры выполнена в виде усеченного конуса, а узел ввода плазмообразующего газа выполнен в виде симметрично установленных сопел, введенных через горизонтальную и коническую поверхность плазменной камеры, генераторы плазмы выполнены в виде микроволновых генераторов, соединенных через четырехугольные волноводы с плазменной камерой в ее цилиндрической части, емкость для расплава остеклованных отходов установлена внутри индуктора частотного плавителя.Also proposed is a device for processing liquid radioactive waste, consisting of located in the upper part of the cylindrical cooled plasma chamber, the input units of waste and plasma gas, a plasma generator, water and energy supply systems, while in the lower part the plasma chamber is connected to a vessel for melt and vitrification waste connected to a device for unloading waste, a pipeline for the removal of gaseous products, while the upper part of the plasma chamber is made in the form of a truncated cone and the plasma gas injection unit is made in the form of symmetrically mounted nozzles introduced through the horizontal and conical surface of the plasma chamber, plasma generators are made in the form of microwave generators connected through quadrangular waveguides to the plasma chamber in its cylindrical part, a container for the vitrified waste melt is installed inside the inductor frequency melter.
При этомWherein
- диаметр частотного плавителя больше диаметра нижней части плазменной камеры;- the diameter of the frequency melter is larger than the diameter of the lower part of the plasma chamber;
- нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав;- the lower part of the plasma chamber is immersed in the melt;
- плазменная камера снабжена двойной охлаждающей рубашкой: внутренняя - для охлаждения потоком сжатого воздуха, внешняя - для охлаждения потоком воды;- the plasma chamber is equipped with a double cooling jacket: internal - for cooling with a stream of compressed air, external - for cooling with a stream of water;
- угол между осью плазменной камеры и образующей к поверхности конуса составляет 30°;- the angle between the axis of the plasma chamber and the generatrix to the surface of the cone is 30 °;
- установлены, по крайней мере, по одной паре сопел на каждой поверхности;- installed at least one pair of nozzles on each surface;
- трубопровод для отвода газообразных продуктов соединен с верхней частью частотного плавителя.- a pipeline for the removal of gaseous products is connected to the upper part of the frequency melter.
В качестве подаваемых на переработку РАО подразумевают: нитратный раствор продуктов деления, отделенных предварительно от урана и плутония с помощью экстракции.The following is meant as RW supplied for reprocessing: a nitrate solution of fission products, previously separated from uranium and plutonium by extraction.
Предложенное решение для переработки РАО основано на том, что стадии кальцинации и остекловывания пространственно разделены, но их осуществляют в одном аппарате. Процесс основан на использовании плазменного нагрева раствора РАО и последующего прямого индукционного нагрева конденсированного остатка РАО в одном аппарате. Процесс построен так, что сформированный поток плазмы, в котором протекает стадия кальцинации РАО, повышает электропроводность расплава кальцината, стимулируя тем самым улучшение связи частотного генератора с расплавом и, как следствие, повышение эффективности остекловывания. Процесс заключается в комбинированной обработке раствора РАО, которая предусматривает получение потока плазмы, химически совместимой с РАО, распыление раствора РАО и смешение его с потоком плазмы, кальцинацию РАО и транспорт дисперсного кальцината в объем расплава, нагреваемого прямым индукционным нагревом с индуктора частотного генератора. В качестве плазмообразующего газа используют перегретый водяной пар, что позволяет в дальнейшем резко уменьшает газовый сброс, отходы в газовой фазе барботируют через расплав, что позволяет очистить газовый выхлоп от пыли.The proposed solution for the processing of radioactive waste is based on the fact that the calcination and vitrification stages are spatially separated, but they are carried out in one apparatus. The process is based on the use of plasma heating of the RAW solution and subsequent direct induction heating of the condensed RAW residue in one apparatus. The process is constructed in such a way that the generated plasma stream in which the RW calcination stage proceeds increases the electrical conductivity of the calcine melt, thereby stimulating an improvement in the coupling of the frequency generator with the melt and, as a result, an increase in the vitrification efficiency. The process consists in a combined treatment of a radioactive waste solution, which involves obtaining a plasma stream chemically compatible with radioactive waste, spraying the radioactive waste solution and mixing it with a plasma stream, calcining the radioactive waste and transporting dispersed calcine into the melt volume heated by direct induction heating from the inductor of the frequency generator. As a plasma-forming gas, superheated water vapor is used, which subsequently sharply reduces gas discharge, waste in the gas phase sparges through the melt, which allows the gas exhaust to be cleaned of dust.
Таким образом, процесс переработки РАО включает следующие операции:Thus, the RW reprocessing process includes the following operations:
- генерирование потоков водопаровой плазмы в микроволновой плазменной камере;- generating streams of water-vapor plasma in a microwave plasma chamber;
- подачу раствора РАО через форсунку в поток водопаровой плазмы в микроволновую плазменную камеру;- supply of the RAW solution through the nozzle into the stream of the steam-vapor plasma into the microwave plasma chamber;
- подготовку ванны расплава прямым индукционным нагревом исходной оксидной композиции - суррогата РАО;- preparation of the molten bath by direct induction heating of the initial oxide composition - a surrogate of radioactive waste;
- обработку распыленного раствора РАО потоками водопаровой плазмы; в процессе обработки из капель распыленного раствора испаряют растворитель (воду), отгоняют из капель раствора оксиды азота и прочие летучие оксиды, оставляя в капле оксиды металлов и неметаллов, содержащихся в РАО;- treatment of the sprayed solution of radioactive waste by streams of water-vapor plasma; during processing, the solvent (water) is evaporated from the droplets of the sprayed solution, nitrogen oxides and other volatile oxides are distilled from the droplets of the solution, leaving the oxides of metals and non-metals contained in the RAW in the droplet;
- направление потока отработанной технологической плазмы на поверхность оксидного расплава в частотный плавитель прямого индукционного нагрева, расположенный по вертикали ниже плазменного реактора; указанный поток барботируют через слой расплава, чтобы стимулировать аккомодацию дисперсной фазы из потока отработанной плазмы и очистку названного потока от технологической пыли и аэрозолей;- the direction of the flow of spent technological plasma to the surface of the oxide melt in the frequency melter direct induction heating, located vertically below the plasma reactor; said stream is bubbled through the melt layer in order to stimulate accommodation of the dispersed phase from the spent plasma stream and to purify said stream from process dust and aerosols;
- плавление и гомогенизацию расплава в частотном плавителе за счет электромагнитного перемешивания;- melting and homogenization of the melt in the frequency melter due to electromagnetic stirring;
- разгрузку расплава - продукта электротермической переработки РАО в плазменной камере и в частотном плавителе прямого индукционного нагрева через сливной обогреваемый трубопровод, расположенный выше индуктора; расплав непрерывно сливают в накопитель, снабженный внешним нагревом и тепловым клапаном;- unloading of the melt - the product of the electrothermal processing of radioactive waste in the plasma chamber and in the frequency melter of direct induction heating through a heated drain pipe located above the inductor; the melt is continuously poured into a reservoir equipped with external heating and a heat valve;
- периодический слив расплава через тепловой клапан в канистры;- Periodic drainage of the melt through the heat valve into canisters;
- отвод газовой фазы, синтезированной в объеме плазменной камеры и частотного плавителя, имеющего температуру 1700-2000°С, состоящей преимущественно из водяного пара и оксидов азота, в систему охлаждения и конденсации, где происходит охлаждение газового потока в конденсаторе до 70-90°С, частичное улавливание оксидов азота в виде раствора азотной кислоты; очистка газовой фазы от летучих оксидов РАО (в частности, оксиды рутения); дальнейшая абсорбция оксидов азота в растворе азотной кислоты, полученной при конденсации газовой фазы в конденсаторе, в абсорбере; очистка газовой фазы от технологической пыли пропусканием ее через металлокерамический фильтр из анизотропной керамики, снабженный импульсной эжекционной регенерацией рабочей поверхности фильтра; улавливание пыли и тонкая очистка газового выхлопа от аэрозолей; возврат технологической пыли в коллектор РАО.- the removal of the gas phase synthesized in the volume of the plasma chamber and the frequency melter having a temperature of 1700-2000 ° C, consisting mainly of water vapor and nitrogen oxides, into the cooling and condensation system, where the gas stream in the condenser is cooled to 70-90 ° C , partial capture of nitrogen oxides in the form of a solution of nitric acid; purification of the gas phase from volatile oxides of radioactive waste (in particular, ruthenium oxides); further absorption of nitrogen oxides in the nitric acid solution obtained by condensation of the gas phase in the condenser in the absorber; purification of the gas phase from process dust by passing it through a sintered filter made of anisotropic ceramics, equipped with pulse ejection regeneration of the filter working surface; dust collection and fine cleaning of gas exhaust from aerosols; return of process dust to the RW collector.
Схема устройства для переработки РАО показана на фигуре 1. На фигуре 2 показана схема работы волноводов микроволнового генератора. Позициями на фигурах обозначены:A diagram of a device for RW treatment is shown in Figure 1. Figure 2 shows a diagram of the operation of the waveguides of a microwave generator. The positions in the figures indicated:
1 - плазменная камера1 - plasma camera
2 - двойная охлаждающая рубашка плазменной камеры из нержавеющей стали(корпус)2 - double cooling jacket for stainless steel plasma chamber (housing)
3 - форсунка для распыления потока РАО3 - nozzle for spraying the waste stream
4 - подача РАО4 - supply of radioactive waste
5 - сопла для подачи плазмообразующего газа - водяного пара5 - nozzles for supplying a plasma-forming gas - water vapor
6 - волноводы6 - waveguides
7 - микроволновые генераторы7 - microwave generators
8 - диэлектрическая вставка8 - dielectric insert
9 - фланец9 - flange
10 - частотный плавитель типа «холодный тигель»10 - frequency melter type "cold crucible"
11 - индуктор частотного плавителя11 - frequency melter inductor
12 - частотный генератор12 - frequency generator
13 - поток воды13 - water flow
14 - насос14 - pump
15 - патрубок подачи воды15 - water supply pipe
16 - патрубок отводы воды16 - pipe water outlets
17 - трубопровод выводы расплава17 - the pipeline conclusions of the melt
18 - коллектор-накопитель18 - collector drive
19 - нагреватель тепловой клапан19 - heater thermal valve
20 - тепловой клапан20 - thermal valve
21 - трубопровод для вывода потока газовых продуктов разложения РАО21 - pipeline for the output stream of gas products of decomposition of radioactive waste
22 - система охлаждения и очистки газовых продуктов разложения РАО22 - cooling system and purification of gas products of decomposition of radioactive waste
23 - подача воды23 - water supply
24 - подача воздуха.24 - air supply.
Вертикальная цилиндрическая плазменная камера 1, выполненная из нержавеющей стали, имеет в верхней части зону смешения в форме усеченного конуса. Камера снабжена по всей длине двойной охлаждающей рубашкой 2 с водо-воздушным охлаждением: внутренняя охлаждается протоком воздуха 24, внешняя - потоком воды 23; поэтому внешняя поверхность камеры 1 имеет температуру, близкую к комнатной, на внутренней поверхности поддерживается температура ~400-600°С. Угол между осью плазменноой камеры и образующей к поверхности конического расширения составляет 30°.The vertical cylindrical plasma chamber 1, made of stainless steel, has in the upper part a mixing zone in the form of a truncated cone. The chamber is equipped with a double cooling jacket 2 with water-air cooling along the entire length: the inside is cooled by the air flow 24, the outside by the water flow 23; therefore, the outer surface of chamber 1 has a temperature close to room temperature; a temperature of ~ 400-600 ° C is maintained on the inner surface. The angle between the axis of the plasma chamber and the generatrix to the surface of the conical expansion is 30 °.
На горизонтальной поверхности усеченного конуса по центру расположена форсунка 3 для ввода и распыления потока 4 раствора РАО. Через коническую поверхность камеры тангенциально введена, по крайней мере, одна пара сопл 5 для подачи потока плазмообразующего газа - водяного пара внутрь камеры 1, расположенных симметрично по отношению друг к другу; другая пара сопл 5 для подачи потока водяного пара внутрь камеры введена вертикально через горизонтальную поверхность усеченного конуса. Назначение вертикально установленных сопл - подавить восходящие потоки по центру плазменной камеры. Количество последних сопл также может быть более двух, в любом случае они должны располагаться симметрично.On the horizontal surface of the truncated cone in the center is a nozzle 3 for introducing and spraying the stream 4 of the RAW solution. At least one pair of nozzles 5 is tangentially introduced through the conical surface of the chamber to supply a plasma-forming gas-water vapor stream into the chamber 1, which are located symmetrically with respect to each other; another pair of nozzles 5 for supplying a stream of water vapor into the chamber is introduced vertically through the horizontal surface of the truncated cone. The purpose of vertically mounted nozzles is to suppress upward flows in the center of the plasma chamber. The number of the last nozzles can also be more than two, in any case they should be located symmetrically.
Зона плазменной обработки РАО ниже зоны смешения имеет форму протяженного цилиндра, в которую введены под углом 90° несколько (не менее двух) симметрично расположенных четырехугольных волновододов 6 от микроволновых генераторов 7, в которых источником микроволнового излучения служит магнетрон, таким образом, чтобы между магнетроном и технологическим объемом в плазменной камере была герметично установлена диэлектрическая вставка 8 (см. фиг.2), пропускающая микроволновое излучение и препятствующая контакту магнетрона с технологической средой в плазменной камере. При таком вводе четырехугольных волноводов 6 в цилиндрическую камеру 1 последняя служит импровизированным круглым волноводом и является одновременно конвертором электромагнитной моды - трансформатором электромагнитной волны H01 в волну H11, когда поток электромагнитной энергии (W) поступает от магнетрона по четырехугольному волноводу в круглый волновод; безэлектродный разряд горит в отрезке круглого волновода при наличии диэлектрических вставок 8 между зоной разряда и магнетронами; плазмотрон практически совмещен с плазменной камерой. На фиг.2 показано распределение напряженности электрического поля в прямоугольном и круглом волноводах. Микроволновая радиация (W) направляется по прямоугольному волноводу 6 в круглый волновод. Электромагнитная волна H01 превращается в конверторе моды в волну H11. В этом случае и микроволновая радиация, и поток газа Q1 движутся вдоль оси волновода в одном направлении. Микроволновый разряд стабилизируют тангенциальным потоком водяного пара через сопла 5, расположение вводов газа не связано с местом ввода микроволновой энергии. Интегральная мощность плазменного реактора определяется мощностью микроволновых генераторов 7 и количеством прямоугольных волноводов 6, присоединенных к цилиндрической камере 1. Вводы могут находиться и на разных уровнях, как это показано на Фиг.2.The RW plasma treatment zone below the mixing zone has the shape of an extended cylinder into which several (at least two) symmetrically located quadrangular waveguides 6 from microwave generators 7 are introduced, at which the magnetron serves as a source of microwave radiation, so that between the magnetron and the process volume in the plasma chamber was hermetically installed dielectric insert 8 (see figure 2), which transmits microwave radiation and prevents the magnetron from contacting the process food in the plasma chamber. With this input of the quadrangular waveguides 6 into the cylindrical chamber 1, the latter serves as an improvised round waveguide and is simultaneously an electromagnetic mode converter - a transformer of the electromagnetic wave H 01 into wave H 11 when the flow of electromagnetic energy (W) comes from a magnetron through a quadrangular waveguide into a circular waveguide; an electrodeless discharge burns in a segment of a circular waveguide in the presence of dielectric inserts 8 between the discharge zone and magnetrons; the plasmatron is practically combined with the plasma chamber. Figure 2 shows the distribution of the electric field in a rectangular and circular waveguides. Microwave radiation (W) is directed along a rectangular waveguide 6 into a circular waveguide. The electromagnetic wave H 01 is converted into a H 11 wave in a mode converter. In this case, both microwave radiation and gas flow Q 1 move along the axis of the waveguide in one direction. The microwave discharge is stabilized by the tangential flow of water vapor through the nozzle 5, the location of the gas inlets is not connected with the place of input of microwave energy. The integrated power of the plasma reactor is determined by the power of the microwave generators 7 and the number of rectangular waveguides 6 connected to the cylindrical chamber 1. The inputs can be at different levels, as shown in Fig.2.
Микроволновые цельнометаллические плазмотроны имеют, по крайней мере, два принципиальных преимущества перед электродуговыми плазмотронами:All-metal microwave plasmatrons have at least two fundamental advantages over electric arc plasmatrons:
- отсутствие электродов и, соответственно, проблем, обусловленных их эрозией;- lack of electrodes and, accordingly, problems caused by their erosion;
- возможность варьировать расход плазменно-водопарового теплоносителя в широких пределах без опасений разрушения электродов, т.е. "развязать" процесс генерирования потока плазмы и собственно технологический процесс в плазменной камере, которая по совместительству является круглым волноводом микроволнового плазмотрона.- the ability to vary the flow rate of the plasma-water-vapor coolant over a wide range without fear of destruction of the electrodes, i.e. "untie" the process of generating a plasma flow and the actual process in the plasma chamber, which in combination is a round waveguide of a microwave plasma torch.
В нижней части плазменной камеры 1 (Фиг.1) через фланец 9 герметично присоединен водоохлаждаемый частотный плавитель 10 прямого индукционного нагрева типа "холодный тигель", находящийся в индукторе 11 частотного генератора 12. Частотный плавитель 10 предназначен для прямого индукционного нагрева оксидных ингредиентов РАО, погруженных в расплав. Диаметр частотного плавителя 10 больше диаметра плазменной камеры 1. Частотный плавитель 10 установлен коаксиально в индукторе 11 частотного генератора 12. Элементы частотного плавителя 10 принудительно охлаждаются водой: поток воды 13 подают насосом 14 через патрубок подачи воды 15 в нижнюю часть частотного плавителя 10 и выводят через патрубок 16 в верхней части. Плазменная камера 1 и частотный плавитель 10 образуют зону электротермической обработки РАО. Для слива расплава из частотного плавителя 10 в коллектор-накопитель 18 предусмотрен трубопровод 17. Коллектор-накопитель 18 снабжен внешним нагревателем 19. В дне коллектора 18 находится тепловой клапан 20 для слива расплава для розлива его в канистры. Тепловой клапан 20 оснащен автономным источником электропитания (не показан). Нижняя часть плазменной камеры погружена в расплав в частотном плавителе 10 так, чтобы обеспечить барботаж дисперсных и газовых продуктов плазменной кальцинации РАО через расплав; при этом максимально возможное количество дисперсной фазы остается в расплаве, а газовые продукты максимально очищаются от технологической пыли. Во фланце 9 частотного плавителя 10 установлен трубопровод 21 для вывода потока газовых продуктов разложения РАО, направляемого в систему 22 на охлаждение и очистку. Эта система в общем случае содержит:In the lower part of the plasma chamber 1 (FIG. 1), a water-cooled frequency inductor of direct induction heating of the “cold crucible” type, located in the inductor 11 of the frequency generator 12, is hermetically connected through the flange 9. The frequency melter 10 is designed for direct induction heating of the RAW oxide ingredients immersed into the melt. The diameter of the frequency melter 10 is larger than the diameter of the plasma chamber 1. The frequency melter 10 is mounted coaxially in the inductor 11 of the frequency generator 12. Elements of the frequency melter 10 are forcedly cooled by water: the water stream 13 is pumped through a water supply pipe 15 to the lower part of the frequency melter 10 and brought out through pipe 16 in the upper part. Plasma chamber 1 and frequency melter 10 form a zone of electrothermal treatment of radioactive waste. To drain the melt from the frequency melter 10 into the collector-drive 18, a pipe 17 is provided. The collector-drive 18 is equipped with an external heater 19. At the bottom of the collector 18 there is a heat valve 20 for draining the melt for pouring it into canisters. The heat valve 20 is equipped with an autonomous power supply (not shown). The lower part of the plasma chamber is immersed in the melt in the frequency melter 10 so as to ensure bubbling of the dispersed and gas products of plasma calcination of radioactive waste through the melt; while the maximum possible amount of the dispersed phase remains in the melt, and gas products are maximally cleaned of process dust. A pipe 21 is installed in the flange 9 of the frequency melter 10 for outputting a stream of gas products of the decomposition of radioactive waste sent to the system 22 for cooling and cleaning. This system generally contains:
- теплообменник-конденсатор для охлаждения газовых продуктов и конденсации водяного пара и поглощения оксидов азота и летучих оксидов металлов (например, оксидов рутения);- a heat exchanger-condenser for cooling gas products and condensation of water vapor and absorption of nitrogen oxides and volatile metal oxides (for example, ruthenium oxides);
- абсорбер для окончательного поглощения оксидов азота;- absorber for the final absorption of nitrogen oxides;
- металлокерамический фильтр для очистки газового выхлопа от технологической пыли, выполненный из анизотропной керамики и снабженный импульсной эжекционной регенерацией фильтрующей поверхности. Технологическая пыль может быть возвращена в раствор РАО, предназначенный для переработки.- cermet filter for cleaning gas exhaust from process dust, made of anisotropic ceramics and equipped with pulse ejection regeneration of the filter surface. Process dust can be returned to the RAW solution intended for reprocessing.
В результате плазменной обработки раствора РАО испаряют воду, разрушают солевой остаток и удаляют оксиды азота, остаются лишь частицы оксидов элементов, образующих массу кальцината, которую необходимо окончательно расплавить, усреднить по составу с помощью электромагнитного перемешивания расплава и затем разлить расплав в емкости, предназначенные для длительного хранения. Температура частиц оксидов РАО находится в диапазоне 1200-2000°С, поэтому внедрение потока отработанной плазмы с распределенной в ней оксидной фазой в расплав стимулирует электрическую проводимость расплава, находящегося в "холодном тигле". Удельная электропроводность расплава в частотном плавителе должна быть не ниже 1 Сим/м, предпочтительно в интервале 1-100 Сим/м, чтобы сохранялась устойчивая индуктивная связь генератора с нагрузкой. Условия для этого создают подбором мощности микроволновых генераторов плазмы и частотного генератора, от которого подают мощность на индуктор. В данном решении используют частотный плавитель типа "холодный тигель". Стенка частотного плавителя представляет собой набор медных водоохлаждаемых секций, разделенных узкими (1-2 мм) зазорами, герметично заполненными высокотемпературными диэлектрическими вставками. Секции частотного плавителя снабжены изолирующим покрытием из оксида алюминия для повышения эффективности прямого индукционного нагрева. Частотное электромагнитное поле с индуктора 11 свободно проникает внутрь частотного плавителя и нагревает проводящую среду, находящуюся внутри. Частотный плавитель находится в водоохлаждаемом индукторе 11. Частотный плавитель установлен коаксиально в индукторе частотного источника электропитания таким образом, чтобы расстояния от нижнего и верхнего витков индуктора до концов разрезов между секциями частотного плавителя с каждой стороны соответственно были не менее высоты индуктора. Это необходимо, чтобы избежать потерь мощности в замкнутых верхней и нижней частях частотного плавителя.As a result of the plasma treatment of the RAW solution, water is evaporated, the salt residue is destroyed and nitrogen oxides are removed, only particles of the oxides of the elements forming the mass of calcine remain, which must be finally melted, averaged over the composition by electromagnetic mixing of the melt, and then pour the melt into containers intended for long-term storage. The temperature of the particles of the RAW oxides is in the range of 1200–2000 ° С; therefore, the introduction of the spent plasma stream with the oxide phase distributed in it into the melt stimulates the electrical conductivity of the melt in the “cold crucible”. The conductivity of the melt in the frequency melter should be at least 1 Sim / m, preferably in the range of 1-100 Sim / m, in order to maintain a stable inductive coupling of the generator with the load. The conditions for this are created by selecting the power of microwave plasma generators and a frequency generator, from which power is supplied to the inductor. In this solution, a cold crucible type melter is used. The wall of the frequency melter is a set of copper water-cooled sections, separated by narrow (1-2 mm) gaps, hermetically filled with high-temperature dielectric inserts. The frequency melter sections are equipped with an insulating alumina coating to increase direct induction heating efficiency. The frequency electromagnetic field from the inductor 11 penetrates freely into the frequency melter and heats the conductive medium inside. The frequency melter is located in the water-cooled inductor 11. The frequency melter is installed coaxially in the inductor of the frequency power supply so that the distances from the lower and upper turns of the inductor to the ends of the cuts between the frequency melter sections on each side are respectively not less than the height of the inductor. This is necessary to avoid power losses in the closed upper and lower parts of the frequency melter.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
Внутренний объем частотного плавителя 10 герметичный по отношению к окружающей среде заполняют оксидным суррогатом РАО для получения расплава. Устройство и все коммуникации заполняют аргоном, чтобы вытеснить из них воздух. Подают воду для охлаждения частотного плавителя 10, включают микроволновый генератор 7, направляют поток электромагнитной энергии по четырехугольным волноводам 6 в круглый волновод - плазменную камеру 1 и туда же направляют потоки водяного пара через сопла 5. При этом в круглом волноводе - камере 1 возникает безэлектродный микроволновый разряд, в котором потоки водяного пара превращаются в поток водопаровой плазмы. Одновременно подают напряжение на индуктор частотного плавителя 11, включают частотный плавитель 10, получают расплав в объеме плавителя и начинают подачу потока РАО 4 через форсунку 3.The internal volume of the frequency melter 10 is sealed with respect to the environment and is filled with an oxide surrogate of radioactive waste to produce a melt. The device and all communications are filled with argon to displace air from them. Water is supplied for cooling the frequency melter 10, the microwave generator 7 is turned on, the electromagnetic energy flow is directed along the quadrangular waveguides 6 into the circular waveguide — the plasma chamber 1, and water vapor flows through the nozzles 5 therein. An electrodeless microwave arises in the circular waveguide — chamber 1 a discharge in which streams of water vapor turn into a stream of water-vapor plasma. At the same time, voltage is applied to the inductor of the frequency melter 11, the frequency melter 10 is turned on, a melt is obtained in the volume of the melter, and the flow of RAO 4 through the nozzle 3 begins.
На поверхность расплава, подготовленного заранее прямым индукционным нагревом в объеме частотного плавителя 10, подают поток водопаровой плазмы, в который распыляют раствор РАО.On the surface of the melt, prepared in advance by direct induction heating in the volume of the frequency melter 10, a stream of steam-vapor plasma is fed into which the RAW solution is sprayed.
Капли раствора в потоке плазменного теплоносителя подвергаются разложению на оксиды металлов и неметаллов - компонентов РАО, водяной пар и оксиды азота.Drops of a solution in a plasma coolant stream are decomposed into metal and non-metal oxides - components of radioactive waste, water vapor and nitrogen oxides.
Температура в зоне водопаровой плазменной переработки РАО устанавливается в интервале 1200-2000°С. При этой температуре устанавливается термодинамически благоприятная среда для разложения раствора РАО в оксиды элементов, содержащихся в РАО, и газовую фазу, содержащую преимущественно оксиды азота и водяной пар. Пылегазовый поток, возникший при плазменной кальцинации, барботирует через расплав, очищается от конденсированной фазы; газовая фаза, состоящая, по преимуществу из водяного пара и оксидов азота, уходит из объема "холодного тигля" через трубопровод 21.The temperature in the zone of water-vapor plasma processing of radioactive waste is set in the range of 1200-2000 ° C. At this temperature, a thermodynamically favorable environment is established for the decomposition of the RAW solution into the oxides of the elements contained in the RAW, and the gas phase containing mainly nitrogen oxides and water vapor. The dust and gas stream that arose during plasma calcination sparges through the melt, and is purified from the condensed phase; the gas phase, consisting predominantly of water vapor and nitrogen oxides, leaves the volume of the cold crucible through line 21.
При этом происходит интенсивное электромагнитное перемешивание расплава с продуктами разложения РАО.In this case, intense electromagnetic mixing of the melt with the decomposition products of radioactive waste occurs.
Поскольку все продукты плазменной обработки раствора РАО проходят через расплав, вынос технологической пыли меньше, чем при плазменной конверсии РАО в прототипе - более чем на порядок.Since all products of the plasma treatment of the RAW solution pass through the melt, the removal of process dust is less than by the plasma conversion of RAW in the prototype — more than an order of magnitude.
Частотный генератор 12, в зависимости от конкретного состава РАО, на который профилируют устройство, работает в диапазоне от 2 кГц до 13.56 МГц в зависимости от содержания неметаллических и металлических ингредиентов в отходах. Начальная температура потока плазмы 4000-6000°С зависит от мощности, состава расплава, расхода водопаровой плазмы и прочих параметров, температура в объеме плазменного реактора 1200-2000 С, температура в объеме ванны расплава составляет 1700-2000°С. Расплав накапливается в частотном плавителе и, достигая уровня переливного патрубка 17, сливается по нему в коллектор 18. Периодически удаляют расплав из коллектора 18 через тепловой клапан 20 в канистру.The frequency generator 12, depending on the specific composition of the radioactive waste to which the device is profiled, operates in the range from 2 kHz to 13.56 MHz, depending on the content of non-metallic and metal ingredients in the waste. The initial temperature of the plasma flow 4000-6000 ° C depends on the power, composition of the melt, the flow rate of water vapor plasma and other parameters, the temperature in the volume of the plasma reactor is 1200-2000 C, the temperature in the volume of the bath of the melt is 1700-2000 ° C. The melt accumulates in the frequency melter and, reaching the level of the overflow pipe 17, merges along it into the collector 18. The melt is periodically removed from the collector 18 through the heat valve 20 into the canister.
Газ, температура которого составляет 1500-1600°С, выводят из частотного плавителя 10 через трубопровод 21 в систему охлаждения и очистки, в которой газ охлаждают до температуры 70-80°С. Одновременно происходит конденсация водяного пара, поглощение оксидов азота и оксидов рутения и очистка газового выхлопа.A gas whose temperature is 1500-1600 ° C is removed from the frequency melter 10 through a pipe 21 to a cooling and purification system in which the gas is cooled to a temperature of 70-80 ° C. At the same time, condensation of water vapor occurs, absorption of nitrogen oxides and ruthenium oxides and purification of the gas exhaust.
ПримерыExamples
Пример 1Example 1
Перерабатываются суррогат высокоактивных РАО, содержащий (в г/л) Al - 15.3; Na - 31; Fe - 1.1; Ni - 0.8; Cr - 0.3; Ca - 1.8; La - 2.1; Се - 0.08; Nd - 0.09; Sm - 0.07; Ru - 0.04; Rh - 0.01; Pd - 0.1; U - 2.4; SO4 - 0.4; HNO3 - 113.A surrogate of highly active RW containing (in g / l) Al - 15.3 is processed; Na - 31; Fe is 1.1; Ni - 0.8; Cr - 0.3; Ca - 1.8; La - 2.1; Ce - 0.08; Nd - 0.09; Sm - 0.07; Ru - 0.04; Rh - 0.01; Pd - 0.1; U is 2.4; SO 4 - 0.4; HNO 3 - 113.
Параметры устройства, представленного схематически на Фиг.1, приведены ниже:The parameters of the device shown schematically in FIG. 1 are given below:
- Общая мощность плазменной камеры с двумя микроволновьми генераторами - 10 кВт;- The total power of the plasma chamber with two microwave generators is 10 kW;
- Объемный расход водяного пара - 1.2 нм3/ч;- Volumetric flow rate of water vapor - 1.2 nm 3 / h;
- Весовой расход водяного пара - 0.96 кг/ч;- Weighted consumption of water vapor - 0.96 kg / h;
- Установленная мощность частотного генератора - 110 кВт;- Installed power of the frequency generator - 110 kW;
- Колебательная мощность - 60 кВт;- Vibrational power - 60 kW;
- Частота - 440 кГц;- Frequency - 440 kHz;
- Внутренний диаметр плазменной камеры - 0.1 м;- The inner diameter of the plasma chamber is 0.1 m;
- Высота - 0.5 м;- Height - 0.5 m;
- Внутренний диаметр частотного плавителя - 0.25 м;- The internal diameter of the frequency melter is 0.25 m;
- Высота частотного плавителя от нижнего уровня трубопровода для отвода расплава до дна - 0.6 м;- The height of the frequency melter from the lower level of the pipeline for removal of the melt to the bottom is 0.6 m;
- Активный объем частотного плавителя - 0.1 м3;- The active volume of the frequency melter is 0.1 m 3 ;
- Давление во время работы в стационарных условиях - 1.1 атм;- Pressure during operation in stationary conditions - 1.1 atm;
- Средняя температура в зоне обработки РАО ~2100°С;- The average temperature in the RW treatment zone is ~ 2100 ° C;
- Температура в объеме частотного плавителя в стационарных условиях - 2010°С;- The temperature in the volume of the frequency melter in stationary conditions - 2010 ° C;
- Расход раствора РАО в стационарных условиях - 1.7 кг/ч;- Consumption of RW solution in stationary conditions - 1.7 kg / h;
- Масса суррогата РАО, поступающая в частотный плавитель - 0.25 кг/ч;- The mass of the RW surrogate entering the frequency melter is 0.25 kg / h;
- Поток расплава стекла, вытекающего из частотного плавителя - 0.24 кг/ч;- The flow of molten glass flowing from a frequency melter is 0.24 kg / h;
- Поток газа, поступающего из частотного плавителя - 2.42 кг/ч;- The flow of gas from the frequency melter is 2.42 kg / h;
- Количество конденсата, собранного после охлаждения газовых продуктов разложения РАО и очистки газового выхлопа - 217 кг/ч;- The amount of condensate collected after cooling the gas products of the decomposition of radioactive waste and purification of the gas exhaust - 217 kg / h;
- Состав конденсата после электротермической обработки РАО (г/л): HNO3 - 47; Ru - 0.028; остальное вода;- The composition of the condensate after the electrothermal treatment of radioactive waste (g / l): HNO 3 - 47; Ru - 0.028; the rest is water;
- Количество технологической пыли в МКФ - ---;- The amount of technological dust in the ICF - ---;
- Газовый выхлоп на санитарную очистку - 0.08 кг/ч;- Gas exhaust for sanitary cleaning - 0.08 kg / h;
- Состав газового выхлопа, направляемого на санитарную обработку (% об): O2 - 70.9;- The composition of the gas exhaust sent for sanitation (% vol): O 2 - 70.9;
N2 - 28.4; H2O - 0.65.N 2 - 28.4; H 2 O - 0.65.
Пример 2Example 2
Перерабатываются суррогат высокоактивных РАО, содержащий (в г/л): Al - 42.3; Na - 46; Fe - 2.1; Ni - 2.4; Cr - 0.4; Ca - 2.8; La - 2.4; Се - 0.09; Nd - 0.09; Sm - 0.3; Ru - 0.06; Rh -0.03; Pd - 0.1; U - 2.5; SО4-0.4; HNO3 - 101.A surrogate of highly active radioactive waste is processed, containing (in g / l): Al - 42.3; Na - 46; Fe - 2.1; Ni - 2.4; Cr - 0.4; Ca - 2.8; La - 2.4; Ce - 0.09; Nd - 0.09; Sm - 0.3; Ru - 0.06; Rh -0.03; Pd - 0.1; U is 2.5; SO 4 -0.4; HNO 3 - 101.
Параметры устройства те же, что и в примере 1.The device parameters are the same as in example 1.
- Расход раствора РАО в аппарате в стационарных- Consumption of RW solution in the apparatus in stationary
условиях - 2.1 кг/ч;conditions - 2.1 kg / h;
- Масса суррогата РАО, поступающая в частотный- The mass of the surrogate of radioactive waste entering the frequency
плавитель - 0.85 кг/ч;melter - 0.85 kg / h;
Поток расплава стекла, вытекающего из частотногоThe flow of molten glass flowing from the frequency
плавителя - 0.82 кг/ч;melter - 0.82 kg / h;
Поток газа, из частотного плавителя - 1.88 кг/ч;Gas flow from a frequency melter - 1.88 kg / h;
- Количество конденсата, собранного после охлаждения газовых продуктов разложения РАО и очистки газового выхлопа - 1.79 кг/ч;- The amount of condensate collected after cooling the gas products of the decomposition of radioactive waste and purification of the gas exhaust - 1.79 kg / h;
- Состав конденсата после переработки РАО (г/л): NHO3 - 47; Ru - 0.028; остальное вода;- Composition of condensate after RW treatment (g / l): NHO 3 - 47; Ru - 0.028; the rest is water;
- Количество технологической пыли в МКФ - -;.- The amount of technological dust in the IFF - - ;.
- Газовый выхлоп на санитарную очистку - 0.09 кг/ч;- Gas exhaust for sanitary cleaning - 0.09 kg / h;
Состав газового выхлопа, направляемого на санитарную обработку (% об): О2 - 70.9;The composition of the gas exhaust sent for sanitation (% vol): O 2 - 70.9;
N2 - 28.4; H2O - 0.65.N 2 - 28.4; H 2 O - 0.65.
Пример 3Example 3
Перерабатываются суррогат высокоактивных РАО, содержащий (в г/л): Al - 50.2; Na - 48.3; Fe - 2.9; Ni - 2.4; Cr - 0.5; Ca - 2.9; La - 2.4; Се - 0.3; Nd - 0.09; Sm - 0.3; Ru - 0.08; Rh - 0.03; Pd - 0.1; U - 2.5; SО4 - 0.5; HNO3 - 128; содержание твердой фазы - 134. Параметры устройства те же, что и в примере 1.A surrogate of highly active radioactive waste is processed, containing (in g / l): Al - 50.2; Na - 48.3; Fe - 2.9; Ni - 2.4; Cr - 0.5; Ca - 2.9; La - 2.4; Ce - 0.3; Nd - 0.09; Sm - 0.3; Ru - 0.08; Rh - 0.03; Pd - 0.1; U is 2.5; SO 4 - 0.5; HNO 3 - 128; the solids content is 134. The device parameters are the same as in example 1.
- Расход раствора РАО в аппарате в стационарных- Consumption of RW solution in the apparatus in stationary
условиях - 2.0 кг/ч;conditions - 2.0 kg / h;
- Масса суррогата РАО, поступающая в частотный- The mass of the surrogate of radioactive waste entering the frequency
плавитель - 0.81 кг/ч;melter - 0.81 kg / h;
- Поток расплава стекла, вытекающего из частотного- The flow of molten glass arising from the frequency
плавителя - 0.80 кг/ч;melter - 0.80 kg / h;
- Поток газа, поступающего из частотного плавителя - 1.71 кг/ч;- The flow of gas from the frequency melter is 1.71 kg / h;
- Количество конденсата, собранного после охлаждения газовых продуктов разложения РАО и очистки газового выхлопа - 1.6 кг/ч;- The amount of condensate collected after cooling the gas products of RW decomposition and purification of the gas exhaust - 1.6 kg / h;
- Состав конденсата после электротермической обработки РАО (г/л): HNO3 - 47; Ru - 0.028; остальное вода;- The composition of the condensate after the electrothermal treatment of radioactive waste (g / l): HNO 3 - 47; Ru - 0.028; the rest is water;
- Количество технологической пыли в МКФ - ---;- The amount of technological dust in the ICF - ---;
- Газовый выхлоп на санитарную очистку - 0.11 кг/ч;- Gas exhaust for sanitary cleaning - 0.11 kg / h;
- Состав газового выхлопа, направляемого на санитарную обработку (% об): O2 - 70.9; N2 - 28.4; H2O - 0.65.- The composition of the gas exhaust sent for sanitation (% vol): O 2 - 70.9; N 2 - 28.4; H 2 O - 0.65.
Таким образом, данное предложение позволяет перерабатывать РАО в едином технологическом комплексе, при этом вследствие использования водопарового плазменного потока для кальцинации РАО повышается теплопроводность и энтальпия в зоне смешения РАО и плазмы, появилась возможность уменьшить газовый сброс за счет конденсации водяного пара.Thus, this proposal makes it possible to process radioactive waste in a single technological complex, and due to the use of a water-vapor plasma stream for calcining radioactive waste, the thermal conductivity and enthalpy in the mixing zone of radioactive waste and plasma increase, and it is possible to reduce gas discharge due to condensation of water vapor.
Барботирование двухфазного потока, выходящего из плазменного реактора через расплав, находящийся в частотном плавителе, позволяет очистить поток от технологической пыли.Sparging a two-phase stream leaving a plasma reactor through a melt located in a frequency melter allows the stream to be cleaned of process dust.
Электромагнитное перемешивание в зоне частотного плавителя позволяет усреднить состав расплава, повысить качества получаемого стеклаElectromagnetic stirring in the area of the frequency melter allows one to average the composition of the melt and improve the quality of the resulting glass
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152338/07A RU2486615C1 (en) | 2011-12-22 | 2011-12-22 | Method to recycle liquid radioactive wastes and device for its realisation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152338/07A RU2486615C1 (en) | 2011-12-22 | 2011-12-22 | Method to recycle liquid radioactive wastes and device for its realisation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2486615C1 true RU2486615C1 (en) | 2013-06-27 |
Family
ID=48702417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011152338/07A RU2486615C1 (en) | 2011-12-22 | 2011-12-22 | Method to recycle liquid radioactive wastes and device for its realisation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2486615C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2639724C1 (en) * | 2016-12-19 | 2017-12-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of processing liquid radioactive wastes |
| CN113241208A (en) * | 2021-06-22 | 2021-08-10 | 中国原子能科学研究院 | Accommodating device for plutonium tail end processing, evaporation and calcination system and method |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0086453B1 (en) * | 1982-02-09 | 1988-09-28 | LUITPOLD-WERK Chemisch-pharmazeutische Fabrik GmbH & Co. | Thiazaspiro derivatives, process for their preparation and pharmaceutical composition |
| SU1722214A3 (en) * | 1985-08-26 | 1992-03-23 | Фрэнк Манчак - младший (US) | Method for detoxication of noxious toxic wastes, and device for carrying said method into effect |
| RU96114826A (en) * | 1996-07-23 | 1998-10-10 | Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды | DEVICE FOR RADIOACTIVE AND TOXIC WASTE PROCESSING |
| RU2150759C1 (en) * | 1997-03-12 | 2000-06-10 | Нукем Нуклеар ГмбХ | Method and device for evaporating salt-containing solutions |
| RU2160475C1 (en) * | 1999-09-09 | 2000-12-10 | Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (Мос НПО "Радон") | Device for high-temperature recovery of radioactive and toxic wastes |
| KR20070046579A (en) * | 2005-10-31 | 2007-05-03 | 한국전력공사 | A plasma reactor and a spraying device for treating steam generator chemical cleaning solutions in nuclear power plants |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2107347C1 (en) * | 1996-07-23 | 1998-03-20 | Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды | Radioactive and toxic waste recovery unit |
-
2011
- 2011-12-22 RU RU2011152338/07A patent/RU2486615C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0086453B1 (en) * | 1982-02-09 | 1988-09-28 | LUITPOLD-WERK Chemisch-pharmazeutische Fabrik GmbH & Co. | Thiazaspiro derivatives, process for their preparation and pharmaceutical composition |
| SU1722214A3 (en) * | 1985-08-26 | 1992-03-23 | Фрэнк Манчак - младший (US) | Method for detoxication of noxious toxic wastes, and device for carrying said method into effect |
| RU96114826A (en) * | 1996-07-23 | 1998-10-10 | Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды | DEVICE FOR RADIOACTIVE AND TOXIC WASTE PROCESSING |
| RU2150759C1 (en) * | 1997-03-12 | 2000-06-10 | Нукем Нуклеар ГмбХ | Method and device for evaporating salt-containing solutions |
| RU2160475C1 (en) * | 1999-09-09 | 2000-12-10 | Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (Мос НПО "Радон") | Device for high-temperature recovery of radioactive and toxic wastes |
| KR20070046579A (en) * | 2005-10-31 | 2007-05-03 | 한국전력공사 | A plasma reactor and a spraying device for treating steam generator chemical cleaning solutions in nuclear power plants |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2639724C1 (en) * | 2016-12-19 | 2017-12-22 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method of processing liquid radioactive wastes |
| CN113241208A (en) * | 2021-06-22 | 2021-08-10 | 中国原子能科学研究院 | Accommodating device for plutonium tail end processing, evaporation and calcination system and method |
| CN113241208B (en) * | 2021-06-22 | 2024-05-14 | 中国原子能科学研究院 | Containment device for plutonium tail end treatment, evaporation and calcination system and method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2006145543A (en) | Vitrification system and method of waste resin containing transition metal | |
| US6613291B1 (en) | Installation for vitrification of liquid radioactive wastes, cooled discharge unit and cooled induction melter for the installation | |
| RU2486615C1 (en) | Method to recycle liquid radioactive wastes and device for its realisation | |
| EP2194350A1 (en) | Modified induction furnace and method for removing zinc-containing metallurgical waste, with recovery of the metals therefrom | |
| CN113336196A (en) | Gasification cracking device based on microwave heating and method for rapidly preparing sulfur gas | |
| CN101733405B (en) | Preparation method of radio frequency glow discharge inductively coupled plasmas of nano powder material | |
| CN101560033A (en) | Reactor for treating supercritical water of waste organism | |
| CN109469911A (en) | A kind of low heat value water-containing sludge plasma melting method for innocent treatment and the system for implementing this method | |
| RU2486616C1 (en) | Method for processing of solid radioactive wastes | |
| SE429800B (en) | PROCEDURE FOR TREATMENT OF RADIOACTIVE WASTE | |
| US5254818A (en) | Microwave melting furnace for the vitrification and/or densification of materials | |
| Demine et al. | High level liquid waste solidification using a “cold” crucible induction melter | |
| Chapman et al. | Electric melting of nuclear waste glasses state of the art | |
| RU2203512C2 (en) | Method and device for immobilizing liquid radioactive wastes | |
| Sakai et al. | Comparison of advanced melting process for HLW vitrification, Joule-heated ceramic-lined melter (JHCM) and cold-crucible induction melter (CCIM) | |
| JPH02504595A (en) | Harmful substance separation method and equipment | |
| CN114724738A (en) | High-level radioactive waste liquid glass curing method based on high-power laser | |
| CN212005699U (en) | Multi-electrode plasma melting furnace | |
| RU2711292C1 (en) | Nuclear reactor design decontamination method | |
| KR100299100B1 (en) | Hot melting system and method for combustible and non-combustible radioactive wastes | |
| CN113477198A (en) | Gasification cracking device based on electric induction heating and method for preparing sulfur gas | |
| RU2120489C1 (en) | Method and installation for processing uranium hexafluoride into uranium metal and hydrogen fluoride | |
| CN116130136A (en) | Device and method for treating radioactive waste liquid | |
| RU2164716C1 (en) | Method and device for solidifying liquid radioactive wastes | |
| RU2599670C1 (en) | Method of uranyl nitrate solution processing to uranium oxide and nitric acid solution and device for its implementation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201223 |