RU2765028C1

RU2765028C1 - Method for recycling radioactive waste generated during destruction of irradiated fuel assemblies of fast neutron reactors by induction slag remelting in cold crucible

Info

Publication number: RU2765028C1
Application number: RU2018132686A
Authority: RU
Inventors: Майя Юрьевна Каленова; Андрей Станиславович Щепин; Олег Николаевич Будин; Анна Вячеславовна Дмитриева; Владимир Васильевич Белозеров
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"; Акционерное общество "Ведущий научно-исследовательский институт химической технологии"
Priority date: 2018-09-13
Filing date: 2018-09-13
Publication date: 2022-01-24

Abstract

FIELD: nuclear power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of recycling radioactive waste (RW) generated during the destruction of irradiated fuel assemblies (hereinafter – IFA) of fast neutron reactors (FNR) by induction slag remelting in a cold crucible. A plant for induction slag remelting in a cold crucible is developed, in which a metal ingot of a given length is obtained, a specially selected flux is used, based on Al₂O₃-MgO-Fe₂O₃-CaO system that does not contain volatile components, which ensures the purification of structural materials of IFA and the formation of slag that does not contain either silicates or fluorides. The ingot is completely pulled out of the crucible and used to extract and return to a nuclear fuel cycle fissionable materials (FM) of structural materials (SM) of IFA to a content not exceeding 0.001 wt.%.

EFFECT: invention allows, using a small inductor and a water-cooled copper bottom of the crucible with a vertical displacement power drive, to obtain ingots of various lengths significantly exceeding the length of the heating zone, due to the need to heat up to high temperature and a small power source of high-frequency power.

1 cl, 1 ex

Description

Настоящее изобретение относится к области техники, связанной с разработкой методов и аппаратов для переработки радиоактивных отходов (РАО), образующихся в процессе разрушения облученных тепловыделяющих сборок (ОТВС) реакторов на быстрых нейтронах (РБН). Изобретение заключается в разработке установки индукционно-шлакового переплава в холодном тигле (ИШП-ХТ) с получением металлического слитка заданной длины, подборе составов флюса и используется для извлечения и возврата в ядерный топливный цикл делящихся материалов (ДМ) из конструкционных материалов (КМ) ОТВС до содержания не выше 0,001 мас.%.The present invention relates to the field of technology related to the development of methods and apparatus for processing radioactive waste (RW) generated in the process of destruction of irradiated fuel assemblies (SFA) of fast neutron reactors (FRN). The invention consists in the development of an induction-slag remelting facility in a cold crucible (IShP-KhT) with the production of a metal ingot of a given length, the selection of flux compositions and is used to extract and return fissile materials (DM) to the nuclear fuel cycle from structural materials (CM) of SFAs up to content not higher than 0.001 wt.%.

На сегодняшний день одними из ключевых задач, подлежащих решению перед запуском любого радиохимического производства является разработка безопасного и эффективного способа обращения с РАО и обеспечение нераспространения ядерных материалов. Частный случай такого производства - создаваемый модуль переработки облученного смешанного нитридного уран-плутониевого ядерного топлива РБН БРЕСТ-ОД-300, один из целевых параметров которого содержание ДМ в деструктурированных конструкционных КМ ОТВС. Так, при содержании ДМ в КМ свыше 0,001 мас.% требуется введение дополнительной операции доизвлечения актиноидов. Способ переработки металлических РАО, образующихся в результате эксплуатации РБН, основан на процессе шлаковой переплавки КМ ОТВС в индукционном плавителе с холодным тиглем. В результате переплава образующаяся шлаковая фаза предполагает дальнейшее азотнокислое выщелачивание с целью возврата ДМ в ядерно-топливный цикл (ЯТЦ).Today, one of the key tasks to be solved before the launch of any radiochemical production is the development of a safe and efficient way to handle radioactive waste and ensure the nonproliferation of nuclear materials. A particular case of such production is the BREST-OD-300 irradiated mixed nitride uranium-plutonium nuclear fuel reprocessing module being created, one of the target parameters of which is the content of DM in destructured structural SFA CMs. So, when the content of DM in the CM is more than 0.001 wt.%, an additional operation is required to extract the actinides. The method for processing metallic radioactive waste generated as a result of the operation of the RREE is based on the process of slag remelting of CM SFAs in an induction melter with a cold crucible. As a result of remelting, the resulting slag phase involves further nitric acid leaching in order to return DM to the nuclear fuel cycle (NFC).

Имеющиеся на сегодняшний день технические решения направлены, в основном, на получение продуктов, подлежащих окончательному захоронению и не предполагают возврата ДМ в ЯТЦ.The currently available technical solutions are mainly aimed at obtaining products subject to final disposal and do not imply the return of DM to the NFC.

WO 2015/018905 A1 (US 2016/0189815 А1) «Способ и устройство для сжигания, расплавления и остекловывания органических и металлических отходов», AREVA NC. Предназначен для переработки одновременно органических, минеральных и металлических типов отходов. Корзину со смешанными отходами вводят в шахту печи, где при помощи плазмотронов, сжигают горючие компоненты. Далее отходы опускают на дно установки в ванну индукционной плавильной печи, которые в результате заполняют тигель-контейнер в виде расплавленного металла и стекла. Отходящие газы поступают в систему фильтрации, по окончании процесса плавильная часть установки отсоединяется для извлечения и замены тигля-контейнера.WO 2015/018905 A1 (US 2016/0189815 A1) "Method and apparatus for incinerating, melting and vitrifying organic and metallic waste", AREVA NC. It is intended for processing at the same time organic, mineral and metal types of waste. A basket with mixed waste is introduced into the furnace shaft, where combustible components are burned with the help of plasma torches. Next, the waste is lowered to the bottom of the installation into the bath of an induction melting furnace, which, as a result, fills the crucible-container in the form of molten metal and glass. Exhaust gases enter the filtration system; at the end of the process, the melting part of the installation is disconnected to remove and replace the crucible container.

RU 124374 U1 «Индукционная печь с холодным тиглем для очистки отработанного ядерного топлива», ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)». Установка по данному документу предназначена для переплавления ОЯТ, с целью отгонки летучих примесей. Конструкция представляет собой холодный тигель, состоящий из двух-трех разъемных секций и перемещаемого индуктора. Слиток в печи формируется путем наплавления за счет перемещения индуктора вдоль тигля. По окончании процесса тигель размыкается на части и готовый слиток извлекается из печи. К недостаткам способа можно отнести длительный цикл сборки-разборки тигля, и сложность аппаратурного оформления.RU 124374 U1 "Induction furnace with a cold crucible for spent nuclear fuel purification", St. Petersburg State Electrotechnical University "LETI" named after V.I. IN AND. Ulyanov (Lenin). The installation according to this document is intended for the remelting of spent nuclear fuel in order to drive off volatile impurities. The design is a cold crucible, consisting of two or three detachable sections and a movable inductor. The ingot in the furnace is formed by welding by moving the inductor along the crucible. At the end of the process, the crucible is broken into pieces and the finished ingot is removed from the furnace. The disadvantages of the method include a long cycle of assembly and disassembly of the crucible, and the complexity of hardware design.

RU 2301949 С2 «Индукционная печь», Коммиссариат А Л. Энержи Атомик и JP 2001133162 А «Холодный тигель для расплавленных солей и метод плавления», Sumitomo Metal IND LTD. Разработчики предлагают использовать ИПХТ для плавки минеральных веществ. Ключевым элементом конструкции является применение напыления на металлические секции холодного тигля. Покрытие состоит из оксидов циркония, алюминия, титана, кремния или их смесей.RU 2301949 C2 "Induction furnace", Commissariat A L. Energy Atomic and JP 2001133162 A "Cold crucible for molten salts and melting method", Sumitomo Metal IND LTD. The developers propose to use IPCT for melting mineral substances. A key element of the design is the use of spraying on the metal sections of the cold crucible. The coating consists of oxides of zirconium, aluminum, titanium, silicon or mixtures thereof.

RU 2377675 С2 «Способ регенерации металлов и сплавов, отработавших в контакте с радиоактивными материалами», ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - У ПИ». Изобретение относится к способу дезактивации и переработки лома металлов и сплавов, постоянно накапливающегося в ядерной энергетике и промышленности. Сущность изобретения: лом сталей либо цветных металлов (сплавов) выдерживают при температуре 700°С под слоем шлака, расплавленная смесь хлоридов, мол.%: Na - 35, Mg 31 - 33, K - 35 и рафинируемого металла 2-4 в течение 30-40 минут. Далее шлак с окисленными загрязнениями сливают, а лом переплавляют при температуре 1600-1700°С под смесью фторидов, мол.%: Са - 50 и Mg - 50 в течение 20-30 минут. Техническим результатом изобретения является получение из загрязненного лома конструкционных металлов (сплавов) более чистых металлов и сплавов. Ограничением предложенного способа является использование фторидного флюса, не предназначенного для дальнейшего извлечения ДМ из флюса.RU 2377675 C2 "Method of regeneration of metals and alloys spent in contact with radioactive materials", GOU VPO "Ural State Technical University - UPI". The invention relates to a method for the decontamination and processing of scrap metals and alloys, constantly accumulating in nuclear power and industry. The essence of the invention: scrap steel or non-ferrous metals (alloys) is kept at a temperature of 700°C under a layer of slag, a molten mixture of chlorides, mol.%: Na - 35, Mg 31 - 33, K - 35 and refined metal 2-4 for 30 -40 minutes. Next, the slag with oxidized impurities is drained, and the scrap is remelted at a temperature of 1600-1700°C under a mixture of fluorides, mol.%: Ca - 50 and Mg - 50 for 20-30 minutes. The technical result of the invention is to obtain purer metals and alloys from contaminated scrap of structural metals (alloys). The limitation of the proposed method is the use of fluoride flux, which is not intended for further extraction of DM from the flux.

RU 2231843 С1 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов», ГУП МосНПО «Радон». Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к области переработки и утилизации радиоактивных металлических отходов. Сущность изобретения: способ дезактивации радиоактивных металлических отходов, включающий плавление в тигле загрузки из радиоактивных металлических отходов и композитного шлакообразующего состава, состоящего из рафинирующих флюсов в порошкообразном состоянии и минерального вещества, без раскисления металла. Плавление осуществляют в один прием в присутствии воздуха над зеркалом расплава и удаляют шлак с содержащимися в нем радионуклидами. В качестве рафинирующего флюса в порошкообразном состоянии используют смесь окислителя в количестве 60-83 мас.% и восстановителя в количестве 17-40 мас.%. Окислителем является один из оксидов переходных металлов четвертого периода таблицы Менделеева или их смеси, в качестве восстановителя используют алюминий, или силикокальций, или их смесь; в качестве минерального вещества используют циркон, или диоксиды металлов четвертой побочной группы таблицы Менделеева, или их смеси, при следующем соотношении, мас.%: радиоактивные металлические отходы 10-50; порошкообразный рафинирующий флюс 39-85; минеральное вещество 1-15. Нагрев смеси радиоактивных металлических отходов с композитным шлакообразующим составом и ее плавление осуществляют путем инициирования экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в рафинирующем порошкообразном флюсе внешним источником тепла. К недостаткам способа можно отнести сложность контроля протекания экзотермической термитной реакции и применимость его только к низкоактивным отходам.RU 2231843 C1 "Method of decontamination of radioactive metal waste", State Unitary Enterprise MosNPO "Radon". The invention relates to the field of environmental protection, in particular to the field of processing and disposal of radioactive metal waste. The essence of the invention: a method for the decontamination of radioactive metal waste, including melting in the crucible of a load of radioactive metal waste and a composite slag-forming composition consisting of refining fluxes in a powdered state and a mineral substance, without metal deoxidation. Melting is carried out in one step in the presence of air above the melt mirror and the slag with the radionuclides contained in it is removed. As a refining flux in a powdered state, a mixture of an oxidizing agent in an amount of 60-83 wt.% and a reducing agent in an amount of 17-40 wt.% is used. The oxidizing agent is one of the transition metal oxides of the fourth period of the periodic table or a mixture thereof; aluminum, or silicocalcium, or a mixture thereof is used as a reducing agent; as a mineral substance, zircon is used, or metal dioxides of the fourth side group of the periodic table, or mixtures thereof, in the following ratio, wt.%: radioactive metal waste 10-50; powdered refining flux 39-85; mineral substance 1-15. Heating of a mixture of radioactive metal waste with a composite slag-forming composition and its melting is carried out by initiating an exothermic reaction between an oxidizing agent and a reducing agent in a refining powdered flux by an external heat source. The disadvantages of the method include the difficulty of controlling the course of an exothermic thermite reaction and its applicability only to low-level waste.

RU 2249270 С2 «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом», Горно-химический комбинат. Изобретение относится к области дезактивации металлических отходов методом переплавки. Сущность изобретения: способ дезактивации радиоактивных металлических отходов электрошлаковым переплавом включает подачу дезактивируемого металла в водоохлаждаемый кристаллизатор и очистку расплава с использованием рафинирующего шлака. В кристаллизатор, подключенный к сети электрического тока, сначала загружают рафинирующий шлак в виде расплава. Затем подают предварительно расплавленные радиоактивные металлические отходы со скоростью, обеспечивающей поддержание постоянного уровня расплавленного шлака в границах токопроводящей секции кристаллизатора и позволяющей вытягивать слиток, очищенный от радионуклидов в ходе плавки.RU 2249270 C2 "Method of decontamination of radioactive metal waste by electroslag remelting", Mining and Chemical Combine. The invention relates to the field of decontamination of metal waste by remelting. The essence of the invention: the method of decontamination of radioactive metal waste by electroslag remelting includes the supply of decontaminated metal in a water-cooled mold and purification of the melt using refining slag. In the crystallizer connected to the electric current network, the refining slag is first loaded in the form of a melt. Then, pre-melted radioactive metal waste is fed at a rate that maintains a constant level of molten slag within the boundaries of the conductive section of the mold and allows drawing out the ingot, purified from radionuclides during melting.

RU 2234154 С2 «Способ переработки металлических отходов и печь для его осуществления», Горно-химический комбинат. Способ переработки металлических, в том числе радиоактивных отходов включает плавку отходов под слоем интенсивно рециркулирующего над ним потока, перегретого в газлифтном потоке шлака. Далее отделяют шлак от расплавленного металла, обезвреживают и осуществляют отвод газов. Плавку металлических отходов ведут в специально выгороженной зоне на перфорированной перегородке в присутствии шлака, рафинирующего за счет подаваемой в дутьевые устройства воздушно-газовой смеси, содержащей окислительно-восстановительные добавки. Печь для переработки металлических отходов включает рабочую камеру, бункер для загрузки металлических отходов, устройство для отвода газов, газлифтную камеру с дутьевыми устройствами и газоотделительную камеру с газоотводом. При этом рабочая камера печи содержит специально выгороженные зоны: зону нагрева шлака, зону транспортировки шлака и зону плавления металлических отходов, которая снабжена перфорированной перегородкой.RU 2234154 C2 "Method of processing metal waste and a furnace for its implementation", Mining and chemical plant. The method for processing metallic, including radioactive, wastes includes melting the wastes under a layer of an intensively recirculating flow over it, overheated in a gas-lift flow of slag. Next, the slag is separated from the molten metal, neutralized and the gases are removed. Smelting of metal waste is carried out in a specially fenced-off zone on a perforated partition in the presence of slag, refining due to the air-gas mixture supplied to the blast devices, containing redox additives. The metal waste processing furnace includes a working chamber, a hopper for loading metal waste, a gas exhaust device, a gas lift chamber with blowing devices, and a gas separation chamber with a gas outlet. At the same time, the working chamber of the furnace contains specially enclosed zones: a slag heating zone, a slag transportation zone and a metal waste melting zone, which is equipped with a perforated partition.

RU 2486616 C1 (WO 2013/095197 А1, ЕР 2797082 А4) «Способ переработки твердых радиоактивных отходов», ООО ПК «Технология металлов». Изобретение относится к области охраны окружающей среды и к области переработки твердых отходов, загрязненных радионуклидами. Способ переработки твердых радиоактивных отходов включает предварительный подогрев перерабатываемых отходов теплом отходящих из плавильной камеры газов с температурой 1600-1750°С. Загрузку РАО проводят с использованием герметичного устройства через отверстие в боковой стенке камеры со скоростью 0,8 -1,1 тонн в час на 1 м² поверхности жидкого расплава, процесс плавления ведут непрерывно в топливокислородной гарнисажной плавильной камере, отходящие газы из которой направляют в подогреватель, в процессе переработки отходов поддерживают постоянный уровень жидкого металла в футерованной металлической ванне, слив «грязного» радиоактивного шлака осуществляют на плавильном участке после накопления на поверхности металлического расплава слоя шлака высотой 250-400 мм. Разливку полученного в плавильной камере металла производят на участке, отделенном от плавильного узла глухой перегородкой. Указанная технология используется при переработке НАО, использование в качестве источника тепла топливокислородной горелки предполагает образование больших объемов отходящих газов, что требует создания локальной высокопроизводительной системы пылегазоочистки.RU 2486616 C1 (WO 2013/095197 A1, EP 2797082 A4) "Method of processing solid radioactive waste", PK "Technology of metals" LLC. The invention relates to the field of environmental protection and to the field of processing of solid waste contaminated with radionuclides. SUBSTANCE: method for processing solid radioactive waste includes preliminary heating of processed waste with heat of gases leaving the melting chamber at a temperature of 1600-1750°C. RW is loaded using a sealed device through a hole in the side wall of the chamber at a rate of 0.8 -1.1 tons per hour per 1 m ^{2 of the} surface of the liquid melt, the melting process is carried out continuously in the fuel-oxygen skull melting chamber, the exhaust gases from which are sent to the heater , in the process of waste processing, a constant level of liquid metal is maintained in a lined metal bath, the "dirty" radioactive slag is drained at the melting site after accumulation of a slag layer 250-400 mm high on the surface of the metal melt. The pouring of the metal obtained in the melting chamber is carried out in a section separated from the melting unit by a blank partition. This technology is used in the processing of LLW, the use of an oxy-fuel burner as a heat source implies the formation of large volumes of exhaust gases, which requires the creation of a local high-performance dust and gas cleaning system.

RU 2521035 С2 «Способ регенерации вторичной платины с радиоактивным заражением плутонием», ФГУП «ПО «Маяк». Заявленное изобретение относится к способам обработки радиоактивных отходов, а именно к очистке платины в виде лома технологического оборудования, и может быть использовано для очистки вторичной платины от радиоактивного заражения плутонием. Заявленный способ включает нагрев лома вторичной платины с радиоактивными загрязнениями плутония во всем объеме и нерадиоактивными загрязнениями в виде металлических примесей в его поверхностном слое, которые содержатся в большем количестве, чем плутоний. Перед нагревом лома примеси удаляют средствами гидрометаллургии, не разрушающими поверхность платины. Нагрев лома ведут до его расплавления с образованием радиоактивного конденсированного оксида плутония и совмещают его с индукционной плавкой платины для отделения ее от оксида плутония. Плавку ведут в присутствии флюсующих добавок с образованием расплава платины и шлака, содержащего оксид плутония, при отношении площади зеркала расплава к объему расплава 0,20-0,50 с частотой индукционного электромагнитного поля 20-66 кГц и воздушным дутьем на поверхность расплава при температуре 1769-1800 К в течение 1,0-1,3 ч. Затем шлак отделяют от платины.RU 2521035 C2 "Method of regeneration of secondary platinum with radioactive contamination of plutonium", Federal State Unitary Enterprise "PA "Mayak". The claimed invention relates to methods for processing radioactive waste, namely to the purification of platinum in the form of scrap of technological equipment, and can be used to purify secondary platinum from radioactive contamination by plutonium. The claimed method includes heating scrap of secondary platinum with radioactive contamination of plutonium in its entirety and non-radioactive contamination in the form of metallic impurities in its surface layer, which are contained in a larger amount than plutonium. Before heating the scrap, impurities are removed by means of hydrometallurgy that do not destroy the platinum surface. The scrap is heated until it melts with the formation of radioactive condensed plutonium oxide and it is combined with induction melting of platinum to separate it from plutonium oxide. Melting is carried out in the presence of fluxing additives with the formation of a platinum melt and a slag containing plutonium oxide, with a ratio of the area of the melt mirror to the melt volume of 0.20-0.50 with an induction electromagnetic field frequency of 20-66 kHz and air blowing onto the melt surface at a temperature of 1769 -1800 K for 1.0-1.3 hours Then the slag is separated from platinum.

RU 2177132 C1 «Плавильная печь», AO «ВНИИХТ». Изобретение относится к металлургии, а именно к плавильным печам для производства металлов и сплавов, переработке металлических и твердых смешанных радиоактивных отходов, а также облученных тепловыделяющих элементов и тепловыделяющих сборок, содержащих отработавшее ядерное топливо. Плавильная печь состоит из металлического плавильного охлаждаемого тигля, прозрачного для электромагнитного поля, и поддона со сливным устройством. Поддон выполнен металлический охлаждаемой конструкции. В поддоне и/или в боковой стенке плавильного тигля размещены одно или несколько сливных устройств, выполненных в виде индукционных плавильных узлов, прозрачных для электромагнитного поля, с индукторами, расположенными вокруг них. Сливные устройства первого типа выполнены в виде металлических секционированных охлаждаемых тиглей, а второго типа, в виде наклонных металлических секционированных охлаждаемых желобов. Плавильная печь обеспечивает поддержание температуры сливаемого расплава на заданном уровне; сохраняет гомогенность сливаемого расплава в результате его электромагнитного перемешивания при сливе, исключает загрязнение получаемого металла или сплава материалом, из которого изготовлено сливное устройство в результате отсутствия каких-либо нестойких к коррозии в расплавах металлов и шлаков, исключает поглощение сливным устройством компонентов расплава и тем самым не образует нового типа отходов в виде отработанных конструкционных материалов, обеспечивает проведение процесса в непрерывном режиме, без кристаллизации и охлаждения продуктов плавки внутри тигля, при полной автоматизации и дистанционном управлении и долговечность сливных устройств, т.к. они могут работать несколько лет и не требовать промежуточных зачисток и ремонтов с участием обслуживающего персонала.RU 2177132 C1 "Melting Furnace", JSC "VNIIKhT". The invention relates to metallurgy, namely to melting furnaces for the production of metals and alloys, processing of metal and solid mixed radioactive waste, as well as irradiated fuel elements and fuel assemblies containing spent nuclear fuel. The melting furnace consists of a metal melting cooled crucible, transparent to the electromagnetic field, and a tray with a drain device. The pallet is made of metal cooled design. In the tray and/or in the side wall of the melting crucible, one or more drain devices are placed, made in the form of induction melting units transparent to the electromagnetic field, with inductors located around them. Drain devices of the first type are made in the form of metal sectioned cooled crucibles, and of the second type, in the form of inclined metal sectioned cooled chutes. The melting furnace maintains the temperature of the drained melt at a given level; preserves the homogeneity of the drained melt as a result of its electromagnetic mixing during draining, excludes contamination of the resulting metal or alloy by the material from which the drain device is made as a result of the absence of any metals and slags that are not resistant to corrosion in melts, excludes the absorption of melt components by the drain device and thereby does not forms a new type of waste in the form of spent structural materials, ensures the process is carried out in a continuous mode, without crystallization and cooling of the melting products inside the crucible, with full automation and remote control, and the durability of drain devices, because they can work for several years and do not require intermediate cleaning and repairs with the participation of maintenance personnel.

RU 120278 U1 «Плавильный агрегат для переработки твердых радиоактивных отходов», ООО ПК «Технология металлов». Плавильный агрегат для переработки твердых радиоактивных отходов, содержащий плавильную камеру, шахтный подогреватель перерабатываемых отходов, систему охлаждения корпуса плавильной камеры, систему загрузки твердых радиоактивных отходов и флюсов, устройства для раздельного выпуска металла и шлака, отличающийся тем, что система загрузки отходов и плавильная камера герметизированы, для нагрева и расплавления отходов использованы топливокислородные горелки, суммарная тепловая мощность которых составляет 1,0-1,4 МВт на 1 т/ч отходов. Горелки установлены на 300-500 мм выше максимального уровня шлакового расплава в боковых стенах плавильной камеры под углом 30-50° к продольной оси камеры и наклонены к поверхности расплава под углом 30-35°. Летка для выпуска металла расположена в торцевой стене плавильной камеры на высоте 10 -40 мм от уровня огнеупорного пода. Сливной желоб для выпуска металла представляет собой две разъемные части, при этом одна из которых, примыкающая к летке, расположена стационарно горизонтально, а вторая -плотно установлена встык с первой, что обеспечивает возможность перемещения по горизонтали. Для слива шлака плавильная камера оснащена двумя шлаковыми летками со сливными желобами, расположенными в боковой стенке корпуса, на максимально возможном удалении от летки для выпуска металла: одна на высоте 30-50 мм, вторая на высоте 150-200 мм от верхнего уровня металлической ванны. Глубина металлической ванны составляет 20-25% общей высоты рабочего пространства плавильной камеры, отношение высоты рабочего пространства к длине рабочего пространства плавильной камеры составляет 0,6-0,9.RU 120278 U1 "Melting unit for the processing of solid radioactive waste", LLC PK "Technology of metals". A melting unit for processing solid radioactive waste, containing a melting chamber, a shaft heater for processed waste, a cooling system for the body of the melting chamber, a system for loading solid radioactive waste and fluxes, devices for separate release of metal and slag, characterized in that the waste loading system and the melting chamber are sealed , fuel-oxygen burners were used for heating and melting waste, the total thermal power of which is 1.0-1.4 MW per 1 t / h of waste. The burners are installed 300-500 mm above the maximum level of the slag melt in the side walls of the melting chamber at an angle of 30-50° to the longitudinal axis of the chamber and are inclined to the melt surface at an angle of 30-35°. The tap hole for metal release is located in the end wall of the melting chamber at a height of 10-40 mm from the level of the refractory hearth. The drain chute for the release of metal consists of two detachable parts, while one of which, adjacent to the tap-hole, is stationary horizontally, and the second is tightly installed end-to-end with the first, which makes it possible to move horizontally. To drain the slag, the melting chamber is equipped with two slag tapholes with drain troughs located in the side wall of the body, at the maximum possible distance from the taphole for metal tapping: one at a height of 30-50 mm, the second at a height of 150-200 mm from the upper level of the metal pool. The depth of the metal bath is 20-25% of the total height of the working space of the melting chamber, the ratio of the height of the working space to the length of the working space of the melting chamber is 0.6-0.9.

RU 2066496 О «Способ дезактивации радиоактивных металлических отходов и композитный шлакообразующий состав для дезактивации радиоактивных металлических отходов методом плавки», АО ИК «Панорама». Для дезактивации металлического лома проводят плавление в тигле порции шихты нерадиоактивных или радиоактивных металлических отходов без раскисления металла. После полного расплавления порции шихты производят дозагрузку в тигель и плавление так же без раскисления МРАО, и удаление шлака, содержащего радионуклиды. Плавление полного количества компонентов производят в присутствии кислорода или воздуха над зеркалом расплава и с внесением в тигель рафинирующих флюсов. Флюсы в порошкообразном состоянии перед загрузкой в тигель смешивают с минеральным вяжущим веществом с образованием композитного шлакообразующего состава, который наносят на металлические отходы перед их загрузкой в тигель до образования поверхностной пленки, полностью или частично покрывающей металлические отходы. Внесение рафинирующих флюсов при дозагрузках осуществляют путем погружения в расплав металлических отходов, покрытых, как указано выше, композитным шлакообразующим составом. Используемые для образования указанного состава минеральные вяжущие вещества характеризуются температурой плавления, не превышающей температуру плавления металла, элементный состав их близок по химическим свойствам к элементному составу рафинирующих флюсов. Вяжущие вещества не вступают в химическую реакцию с рафинирующими флюсами в процессе образования композитного шлакообразующего состава и при нанесении последнего на металлические отходы. Композитный шлакообразующий состав содержит, мас.%: рафинирующие флюсы 30-50, остальное минеральное вяжущее вещество. Использование изобретения позволяет получать слитки очищенного металла, пригодного для повторного использования, и предотвращает выход в газовую фазу радионуклидов.RU 2066496 About "Method of decontamination of radioactive metal waste and composite slag-forming composition for decontamination of radioactive metal waste by smelting", JSC IC "Panorama". To decontaminate scrap metal, a portion of the charge of non-radioactive or radioactive metal waste is melted in a crucible without metal deoxidation. After complete melting of the portion of the charge, additional loading is carried out into the crucible and melting is also carried out without deoxidation of MRAO, and the removal of slag containing radionuclides. The melting of the full amount of components is carried out in the presence of oxygen or air above the melt surface and with the introduction of refining fluxes into the crucible. Fluxes in a powdered state are mixed with a mineral binder before being loaded into the crucible to form a composite slag-forming composition, which is applied to metal waste before they are loaded into the crucible until a surface film is formed that completely or partially covers the metal waste. The introduction of refining fluxes at additional loads is carried out by immersion in the melt of metal waste, covered, as indicated above, with a composite slag-forming composition. The mineral binders used for the formation of the specified composition are characterized by a melting point not exceeding the melting point of the metal, their elemental composition is close in chemical properties to the elemental composition of refining fluxes. Astringents do not enter into a chemical reaction with refining fluxes during the formation of a composite slag-forming composition and when the latter is applied to metal waste. Composite slag-forming composition contains, wt.%: refining fluxes 30-50, the rest is a mineral binder. The use of the invention makes it possible to obtain ingots of purified metal suitable for reuse and prevents the release of radionuclides into the gas phase.

US 2013/0294473 Al «Melting apparatus for melt decontamination of radioactive metal waste», Kepco Nuclear Fuel CO., LTD. Устройство для дезактивации путем плавления металлических радиоактивных отходов состоит из плавильной печи, генератора высокой частоты, черпака, тележки, блока охлаждения и пылесборник. Плавильная печь включает в себя тигель, в который загружают РАО, и индукционную катушку, намотанную вокруг тигля. В полом отверстии индукционной катушки постоянно циркулирует охлаждающая жидкость. Индуктор запитан от генератора тока высокой частоты. Изложница подается на тележке под ковш, который предназначен для слива расплавленного металла. Шлак предварительно удаляется из тигля перед розливом металла. Установка направлена на переработку значительных объемов отходов, разовая загрузка ковша до 250 кг. Шлак используется кремнистый с раскислителем из оксида алюминия.US 2013/0294473 Al "Melting apparatus for melt decontamination of radioactive metal waste", Kepco Nuclear Fuel CO., LTD. The device for decontamination by melting metal radioactive waste consists of a melting furnace, a high-frequency generator, a scoop, a trolley, a cooling unit and a dust collector. The melting furnace includes a crucible into which radioactive waste is loaded, and an induction coil wound around the crucible. Coolant is constantly circulating in the hollow hole of the induction coil. The inductor is powered by a high frequency current generator. The mold is fed on a trolley under the ladle, which is designed to drain the molten metal. The slag is preliminarily removed from the crucible before pouring the metal. The unit is aimed at processing significant volumes of waste, a single bucket load of up to 250 kg. The slag used is siliceous with an aluminum oxide deoxidizer.

US 2005/0028324 A1 (JP 2004239693 A) «Method of melting treatment of radioactive metals», Mitsubishi Material Corporation Japan Nuclear Cycle Development Institute. Способ переработки плавлением металлических отходов на основе углеродистой или нержавеющей стали, содержащих топливные материалы, такие как уран или плутоний, для дезактивации стали с одновременным уменьшением объема отходов. Стальные оболочки твэл загрязненные остатками топлива сплавляют при температуре 1600°С и выше в воздушной атмосфере, при этом не используются какие-либо флюсы, а уран и плутоний образуют отдельную шлаковую фазу в виде оксидов. Показано, что при плавлении нержавеющей стали содержащей 1 мас.% оксида урана, остаточное содержание урана составляет 0,5-1 ppm.US 2005/0028324 A1 (JP 2004239693 A) "Method of melting treatment of radioactive metals", Mitsubishi Material Corporation Japan Nuclear Cycle Development Institute. A method of smelting metal waste based on carbon or stainless steel containing fuel materials such as uranium or plutonium to decontaminate the steel while reducing the amount of waste. Steel claddings of fuel rods contaminated with fuel residues are fused at a temperature of 1600°C and higher in an air atmosphere, no fluxes are used, and uranium and plutonium form a separate slag phase in the form of oxides. It is shown that when melting stainless steel containing 1 wt.% uranium oxide, the residual content of uranium is 0.5-1 ppm.

JP 2004099959 A «Method and device for cleaning material containing impurity», Sumitomo Metal IND LTD. Способ очистки металла путем перевода основной массы примеси в шлак, с использованием плавки в холодном тигле. Устройство состоит из холодного тигля без днища, где через верхнюю часть осуществляется загрузка очищаемого металла и флюса. При проплавлении шихты примеси концентрируются в верхней шлаковой фазе, жидкий металл находится в нижней части установки. После охлаждения застывший слиток протягивается системой роликов через нижнюю часть тигля и занимает положение ниже индуктора. Далее в установку загружается следующая порция металлических отходов с флюсом и проплавляется. Таким образом, на слиток постоянно наплавляется новая порция очищенного металла. По достижении определенной длины от слитка периодически отрезаются куски стандартного размера. Для достижения оптимальной очистки от примесей шлак в установке может быть заменен в любой момент. При быстром отключении тока на индукторе происходит резкое охлаждение загруженного материала в холодном тигле, при этом застывший шлак испытывает внутреннее напряжение и растрескивается до сыпучего состояния. В таком виде шлак извлекается из тигля при помощи пневмотранспорта. Используемый флюс состоит, главным образом, из оксидов алюминия, кальция и кремния. Нержавеющая сталь, содержащая 100 ppm плутония, была очищена до концентрации в 10 ppb.JP 2004099959 A "Method and device for cleaning material containing impurity", Sumitomo Metal IND LTD. A method for cleaning metal by transferring the bulk of the impurity into slag, using melting in a cold crucible. The device consists of a cold crucible without a bottom, where the metal to be cleaned and the flux are loaded through the upper part. When the charge is melted, the impurities are concentrated in the upper slag phase, the liquid metal is in the lower part of the installation. After cooling, the solidified ingot is pulled by a system of rollers through the lower part of the crucible and occupies a position below the inductor. Next, the next portion of metal waste with flux is loaded into the installation and melted. Thus, a new portion of the purified metal is constantly deposited on the ingot. Upon reaching a certain length, pieces of a standard size are periodically cut off from the ingot. The slag in the plant can be replaced at any time to achieve optimum decontamination. When the current on the inductor is quickly turned off, the loaded material in the cold crucible cools sharply, while the solidified slag experiences internal stress and cracks to a friable state. In this form, the slag is removed from the crucible using pneumatic transport. The flux used consists mainly of oxides of aluminium, calcium and silicon. Stainless steel containing 100 ppm plutonium was purified to a concentration of 10 ppb.

JP 11044795 A «Decontamination of polluted metal», Ishikawajima Harima Heavy IND CO LTD. Загрязненные радиоактивным материалом сплавы на основе железа помещают в графитовый тигель, добавляют углерод и флюс на основе оксидов кальция, кремния и железа. Плавку осуществляют в индукционной печи в атмосфере инертного газа. Уран и трансурновые элементы селективно окисляются и переходят в шлаковую фазу.JP 11044795 A "Decontamination of polluted metal", Ishikawajima Harima Heavy IND CO LTD. Iron-based alloys contaminated with radioactive material are placed in a graphite crucible, carbon and flux based on oxides of calcium, silicon and iron are added. Melting is carried out in an induction furnace in an inert gas atmosphere. Uranium and transurn elements selectively oxidize and pass into the slag phase.

US 5750822 A ((Processing of solid mixed waste containing radioactive and hazardous materials)), Institute of Chemical Technology (PlasTech) - GOVT РАС Contractual Origin Of The Invention PAR The United States Government has rights in this invention pursuant to a contract with the United States Department of Energy. Устройство для непрерывного нагрева и плавления твердых смешанных радиоактивных отходов и опасных материалов, с формированием отдельных металлической, шлаковой и газообразной фаз, и получения компактных форм отходов для облегчения утилизации, включает водоохлаждаемый медный секционный тигель. Материал отходов нагревается с помощью комбинации плазменной горелки, направленной в открытую верхнюю часть холодного тигля, и электромагнитного потока, создаваемого индукционными катушками, расположенными вокруг тигля, являющегося прозрачным для электромагнитных полей. Металлическая фаза материала отходов концентрируется в нижней части тигля и удаляется в виде компактного слитка, пригодного для переработки и дальнейшей обработки. Стекловидная неметаллическая шлаковая фаза, содержащая радиоактивные элементы, также формируется в тигле и вытекает из открытой верхней части тигля в изложницу для последующей утилизации. Продукты разложения органических и токсичных материалов, сжигаются в плавильной печи и превращаются в экологически безопасные газы.US 5750822 A ((Processing of solid mixed waste containing radioactive and hazardous materials)), Institute of Chemical Technology (PlasTech) - GOVT PAC Contractual Origin Of The Invention PAR The United States Government has rights in this invention pursuant to a contract with the United States Department of Energy. A device for continuous heating and melting of solid mixed radioactive waste and hazardous materials, with the formation of separate metal, slag and gaseous phases, and obtaining compact waste forms for ease of disposal, includes a water-cooled copper sectional crucible. The waste material is heated by a combination of a plasma torch directed into the open top of a cold crucible and electromagnetic flux generated by induction coils located around the crucible, which is transparent to electromagnetic fields. The metal phase of the waste material is concentrated in the lower part of the crucible and removed as a compact ingot suitable for recycling and further processing. A vitreous non-metallic slag phase containing radioactive elements is also formed in the crucible and flows from the open top of the crucible into the mold for subsequent disposal. The decomposition products of organic and toxic materials are burned in a smelter and converted into environmentally friendly gases.

US 5724669 A «Metal decontamination process and systems for accomplishing same», Snyder; Thomas S. Данное изобретение предоставляет способы оперативного контроля расплавленной фазы для определения степени извлечения радиоактивных веществ из металлических отходов, загрязненных радиоактивными частицами. Отходы смешивают с неорганическим флюсом в печи, при этом материал флюса извлекает радиоактивные вещества из металла в процессе плавления. Периодически, часть композиции отбирают из печи и разделяют фазы расплавленного флюса и расплавленного металла. Каждую из этих фаз, затем анализируют в расплавленном состоянии, чтобы определить степень извлечения. Как правило, для процесса плавления используется индукционная печь. В качестве флюса для нержавеющей стали предлагается применять различные комбинации оксидов: SiO₂/Al₂O₃, SiO₂/CaO/Al₂O₃/CaF₂, CaO/SiO₂, и CaO/SiO₂/Al₂O₃/CaF₂, а плавку проводить в тигле из графита, оксида циркония или магния. С другой стороны, для углеродистой стали рекомендуются флюсы, состоящие из: CaO/Fe₂O₃, СаО/Al₂O₃, CaO/SiO₂/Fe₂O₃или SiO₂/Al₂O₃ в тиглях из кварца, оксида алюминия или циркония.US 5724669 A "Metal decontamination process and systems for accomplishing the same", Snyder; Thomas S. This invention provides methods for online monitoring of the molten phase to determine the degree of recovery of radioactive substances from metal waste contaminated with radioactive particles. The waste is mixed with an inorganic flux in a furnace, whereby the flux material extracts radioactive substances from the metal during the smelting process. Periodically, a portion of the composition is withdrawn from the furnace and the molten flux and molten metal phases are separated. Each of these phases is then analyzed in the molten state to determine recovery. Typically, an induction furnace is used for the melting process. It is proposed to use various combinations of oxides as a flux for stainless steel: SiO ₂ /Al ₂ O ₃ , SiO ₂ /CaO/Al ₂ O ₃ /CaF ₂ , CaO/SiO ₂ , and CaO/SiO ₂ /Al ₂ O ₃ /CaF ₂ , and melting is carried out in a crucible made of graphite, zirconium oxide or magnesium. On the other hand, for carbon steel, fluxes are recommended consisting of: CaO/Fe ₂ O ₃ , CaO/Al ₂ O ₃ , CaO/SiO ₂ /Fe ₂ O ₃ or SiO ₂ /Al ₂ O ₃ in quartz, oxide crucibles aluminum or zirconium.

CN 103811091 A «High-level uranium pollution carbon steel or stainless steel smelting decontamination process», China Institute for Radiation Protection. Изобретение относится к области очистки от высокого уровня загрязнения ураном углеродистой или нержавеющей стали при плавке. Процесс включает следующие этапы: фрагментация загрязненной стали, смешение с флюсом, подача смеси в печь, нагрев и плавка смеси, выдержка расплава при определенной температуре в течение заданного промежутка времени, удаление шлака, выгрузка стали, корректировка состава жидкой стали и розлив. После того, как слитки отлиты, анализируют остаточное количество урана в стали с помощью метода лазерной флюоресценции. Используемый состав флюса состоит, мас.%: Na₂O/K₂O 0,5-20; CaF₂/CaC₂/CaCO₃/CaO/MgO 20-70; MnO₂/FeSO/Fe₂O₃/Cr₂O₃/V₂O₅ 1-15; SiO₂/P₂O₅ 20-70. Флюс составляет от 1 до 7 мас.% загрузки, температура процесса 1350-1850°С, продолжительность 0,5-2 ч.CN 103811091 A "High-level uranium pollution carbon steel or stainless steel smelting decontamination process", China Institute for Radiation Protection. The invention relates to the field of purification from high levels of uranium contamination of carbon or stainless steel during smelting. The process includes the following steps: fragmentation of contaminated steel, mixing with flux, feeding the mixture into the furnace, heating and melting the mixture, keeping the melt at a certain temperature for a given period of time, removing slag, unloading steel, adjusting the composition of liquid steel and pouring. After the ingots are cast, the residual amount of uranium in the steel is analyzed using the laser fluorescence method. Used composition of the flux consists, wt.%: Na ₂ O/K ₂ O 0.5-20; CaF ₂ /CaC ₂ /CaCO ₃ /CaO/MgO 20-70; MnO ₂ /FeSO/Fe ₂ O ₃ /Cr ₂ O ₃ /V ₂ O ₅ 1-15; SiO ₂ /P ₂ O ₅ 20-70. The flux is from 1 to 7 wt.% of the load, the process temperature is 1350-1850°C, the duration is 0.5-2 hours.

В RU 2145126 С1 «Слиток из радиоактивных металлических отходов и способ его получения» описывающий технологию очистительной переплавки циркониеывых сплавов и нержавеющих сплавов на основе индукционно-шлакового переплава в коническом холодном тигле, предложен оригинальный способ формирования металлического слитка - при кристаллиции металлической фазы в верхнюю ее часть вмораживают головку ТВС, совместимую со стандартным байонетным захватом. Равномерный прогрев вытянутого слитка обеспечивается за счет индуктора, имеющего возможность перемещения по вертикальной оси. Для очистки используется флюс на основе системы CaF₂-MgF₂-CaO-SiO₂-Al₂O₃-B₂O₃, что делает образующийся в процессе шлак непригодным для дальнейшей гидрометаллургической переработки и возврата ДМ в топливной цикл. Использование подвижного индуктора требует применения гибких токоподводов, снижающих надежность и безопасность эксплуатации установки.In RU 2145126 C1 "Ingot from radioactive metal waste and a method for its production", which describes the technology of purification remelting of zirconium alloys and stainless alloys based on induction-slag remelting in a conical cold crucible, an original method for forming a metal ingot is proposed - during the crystallization of the metal phase in its upper part freeze the TVS head, compatible with a standard bayonet grip. Uniform heating of the drawn ingot is provided by an inductor that can move along the vertical axis. Flux based on the CaF ₂ -MgF ₂ -CaO-SiO ₂ -Al ₂ O ₃ -B ₂ O ₃ system is used for cleaning, which makes the slag formed in the process unsuitable for further hydrometallurgical processing and return of DM to the fuel cycle. The use of a movable inductor requires the use of flexible current leads, which reduce the reliability and safety of the installation.

В отобранных охранных документах, касающихся переплавки металлических отходов, очистка основана на переводе примесей из металлической фазы в другую, шлаковую или газовую. Встречаются установки, предназначенные для переработки только металлических отходов, а также установки, ориентированные на переработку комплексных отходов. Установки второго типа загромождены дополнительными узлами и явно непригодны для решения узкой задачи выделения ДМ из конструкционных материалов твэлов.In the selected titles of title relating to the remelting of metal waste, purification is based on the transfer of impurities from the metal phase to another, slag or gas phase. There are installations designed for the processing of only metal waste, as well as installations focused on the processing of complex waste. Installations of the second type are cluttered with additional units and are clearly unsuitable for solving the narrow problem of extracting DM from the structural materials of fuel elements.

Основной тенденцией является применение охлаждаемых установок для проведения процесса плавки, например, холодных тиглей. За счет гарнисажного слоя, образующегося на поверхности тигля, данное оборудование наиболее устойчиво к агрессивному воздействию расплавленных сред, что увеличивает срок службы установки. Сам по себе холодный тигель является компактным и легко демонтируемым узлом по сравнению с керамическими плавильными печами.The main trend is the use of cooled installations for the melting process, such as cold crucibles. Due to the skull layer formed on the surface of the crucible, this equipment is most resistant to the aggressive effects of molten media, which increases the service life of the installation. The cold crucible itself is a compact and easily dismantled unit compared to ceramic melting furnaces.

Нагрев садки может осуществляться плазменным методом, газовыми горелками или погружением электродов, однако наиболее распространенным является бесконтактный индукционный нагрев. Он конструктивно совместим с холодными тиглями, при этом отсутствуют расходные элементы и образование вторичных отходов.The charge can be heated by the plasma method, gas burners or electrode immersion, but the most common is non-contact induction heating. It is structurally compatible with cold crucibles, while there are no consumables and the formation of secondary waste.

Важным элементом, отличающим различные конструкции ИПХТ, является способ выгрузки материала из установки. Металл и шлак может извлекаться в застывшем виде через верхнюю или нижнюю часть тигля. Другим вариантом является слив расплава через специальные устройства, в боковой или донной части тигля либо слив путем опрокидывания непосредственно тигля.An important element that distinguishes various IPCT designs is the way the material is unloaded from the installation. Metal and slag can be removed in solidified form through the top or bottom of the crucible. Another option is to drain the melt through special devices, in the side or bottom part of the crucible, or drain by overturning the crucible itself.

Состав флюсов заявлен во многих патентах, однако в большинстве не регламентирован. Применяется в основном кремнистый флюс с добавками оксидов различных металлов, для понижения вязкости используется фторид кальция, в качестве окислителя оксид железа или марганца, возможно дутье воздуха или кислорода на зеркало расплава. Образующиеся шлаки не предполагается перерабатывать, а планируется направлять на захоронение, как твердые отходы. В разрабатываемой технологии шлак должен быть приемлем для гидрометаллургической радиохимической переработки, поэтому предлагаемые флюсы могут оказаться полностью не пригодными для создания новой технологии. Применительно к процессу переработки КМ ОТВС РБН, образующийся в результате переплавке шлак предполагается выщелачивать крепкими растворами азотной кислоты с целью извлечения из него ДМ и возврата их в топливный цикл. В случае если в состав шлака будут входить силикаты, образующаяся в процессе разложения кремниевая кислота существенно затруднит операции разделения фаз. А в случае присутствия в шлаке фторидов, образующуюся фтористоводородная кислота потребует нетривиального и затратного подхода к аппаратурному оформлению обращения с жидкими средами гидропередела.The composition of fluxes is claimed in many patents, but most are not regulated. Silicon flux with additives of oxides of various metals is mainly used, calcium fluoride is used to reduce viscosity, iron or manganese oxide is used as an oxidizing agent, it is possible to blow air or oxygen onto the melt mirror. The resulting slag is not supposed to be processed, but is planned to be sent for disposal as solid waste. In the technology being developed, the slag must be acceptable for hydrometallurgical radiochemical processing, so the proposed fluxes may not be completely suitable for creating a new technology. With regard to the process of reprocessing CM SFA RBN, the slag formed as a result of remelting is supposed to be leached with strong solutions of nitric acid in order to extract DM from it and return them to the fuel cycle. If silicates are included in the composition of the slag, silicic acid formed during the decomposition process will significantly complicate the phase separation operations. And in the case of the presence of fluorides in the slag, the resulting hydrofluoric acid will require a non-trivial and costly approach to the instrumental design of the treatment of liquid media in the hydroprocessing plant.

Наиболее близкое отношение к разрабатываемой технологии имеют патенты RU 2521035 С2, RU 2177132 С1, JP 2004099959 А и RU 2145126 С1.Patents RU 2521035 C2, RU 2177132 C1, JP 2004099959 A and RU 2145126 C1 are most closely related to the developed technology.

В качестве прототипа выбрана установка ИПХТ разработанная в АО «ВНИИНМ» RU 2145126 С1 «Слиток из радиоактивных металлических отходов и способ его получения».As a prototype, the IPCT installation developed at JSC "VNIINM" RU 2145126 C1 "Ingot from radioactive metal waste and method for its production" was chosen.

Перед авторами изобретения стояла задача разработать способ обеспечивающий очистку КМ до содержания ДМ не превышающем 0,001 мас.%, полученные металлические слитки при этом должны обладать определенными геометрическими размерами, а химический и фазовый составы образующегося шлака обеспечивать хорошую вскрываемость азотной кислотой без образования гелей и фтороводородной кислоты, а также минимальный унос газовой фазы.The authors of the invention were faced with the task of developing a method that ensures the purification of CM to a DM content not exceeding 0.001 wt.%, while the resulting metal ingots must have certain geometric dimensions, and the chemical and phase compositions of the resulting slag ensure good opening with nitric acid without the formation of gels and hydrofluoric acid, as well as the minimum entrainment of the gas phase.

Техническое решение изобретения основано на методе индукционно-шлакового переплава в холодном тигле с использованием специально подобранного флюса на основе не содержащей летучих компонентов системы Al₂O₃-MgO-Fe₂O₃-CaO, обеспечивающего очистку КМ ОТВС и образование шлака не содержащего ни силикатов, ни фторидов. Сочетание небольшого индуктора и водоохлаждаемое медное дно с силовым приводом вертикального перемещения позволяет получать слитки различной длины, существенной превышающей длину зоны нагрева, обусловленную необходимостью разогрева до высокой температуры и небольшой мощностью источника высокочастотного питания.The technical solution of the invention is based on the method of induction-slag remelting in a cold crucible using a specially selected flux based on the Al ₂ O ₃ -MgO-Fe ₂ O ₃ -CaO system that does not contain volatile components, which ensures the purification of CM SFA and the formation of slag that does not contain any silicates , no fluorides. The combination of a small inductor and a water-cooled copper bottom with a power drive of vertical movement makes it possible to obtain ingots of various lengths, significantly exceeding the length of the heating zone, due to the need to heat up to a high temperature and the low power of the high-frequency power source.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются высокий коэффициент очистки КМ от ДМ, достигающий 1000, обеспечивающий целевой показатель остаточного содержания ДМ в КМ не выше 0,001 мас.%; возможность возврата ДМ в топливный цикл, возможность получения очищенного металлического слитка любой длины при небольшом размере индуктора и, соответственно, относительно небольшой мощности источника высокочатотного тока.The technical result provided by the given combination of features is a high coefficient of purification of CM from DM, reaching 1000, providing the target residual content of DM in CM is not higher than 0.001 wt.%; the possibility of returning DM to the fuel cycle, the possibility of obtaining a purified metal ingot of any length with a small size of the inductor and, accordingly, a relatively low power of the high-frequency current source.

Основой конструкции является холодный тигель, состоящий из вертикальных параллельных медных водоохлаждаемых секций, расположенных по окружности, вода в которые подается индивидуально и медного водоохлаждаемого индуктора. Дно холодного тигля также медное, водоохлаждаемое имеет паз типа «ласточкин хвост» и оснащено силовым электроприприводом для вертикального перемещения. Над холодным тиглем расположено устройство дозирования, состоящее из 2 бункеров и 2 вибропитателей, предназначенных для подачи флюса и КМ соответственно, и весового дозатора.The basis of the design is a cold crucible, consisting of vertical parallel copper water-cooled sections arranged in a circle, into which water is supplied individually and a copper water-cooled inductor. The bottom of the cold crucible is also copper, water-cooled, has a dovetail groove and is equipped with a power drive for vertical movement. Above the cold crucible, a dosing device is located, consisting of 2 hoppers and 2 vibrating feeders designed to supply flux and CM, respectively, and a weight batcher.

Функционирует устройство следующим образом: в бункеры загрузочного устройства помещаются КМ и стеклоподобный, предварительно сплавленный и затем раздробленный до класса крупности -10 мм флюс. Затем, в автоматическом режиме с помощью вибропитателей и устройства дозирования в холодный тигель последовательно, в заданном массовом соотношении загружаются флюс и КМ. На индуктор подается ток высокой частоты, происходит расплавление материала. После расплавления и выхода шлака на поверхность металла дно холодного тигля медленно перемещается вниз, расплав в придонной области за счет выхода из зоны действия высокочастотного электромагнитного поля и интенсивной теплоотдачи кристаллизуется, образуя металлический слиток, входящий в зацепление с дном. При этом продолжается поочередная подача в холодный тигель КМ и флюса, в результате чего происходит непрерывное образование металлического слитка заданной длины и увеличивается жидкий слой образующегося шлака. По достижении слоя расплавленного шлака верхнего среза холодного тигля, ток высокой частоты отключают, металл и шлак и кристаллизуются, полученный двухфазный слиток полностью вытягивается вниз и механически отделяется от дна. После чего фазы разделяют механически, металлическую направляют на окончательное захоронение, шлаковую - на гидрометаллургическую переработку.The device operates as follows: KM and glassy, pre-alloyed and then crushed to a size class of -10 mm flux are placed in the hoppers of the loading device. Then, in automatic mode, with the help of vibration feeders and a dosing device, flux and CM are sequentially loaded into a cold crucible in a given mass ratio. A high frequency current is applied to the inductor, the material is melted. After the slag melts and reaches the metal surface, the bottom of the cold crucible slowly moves down, the melt in the near-bottom region crystallizes due to leaving the high-frequency electromagnetic field and intense heat transfer, forming a metal ingot that engages with the bottom. At the same time, alternate supply of KM and flux into the cold crucible continues, as a result of which a metal ingot of a given length is continuously formed and the liquid layer of the resulting slag increases. Upon reaching the layer of molten slag of the upper cut of the cold crucible, the high-frequency current is turned off, the metal and slag crystallize, the resulting two-phase ingot is completely pulled down and mechanically separated from the bottom. After that, the phases are separated mechanically, the metal is sent for final disposal, the slag - for hydrometallurgical processing.

Пример 1. При проведении модельного эксперимента в холодный тигель с высотой рабочей зоны 250 мм и диаметром 95 мм загрузили последовательно шлак на основе системы Al₂O₃-MgO-Fe₂O₃-CaO в количестве 300 г, поверх него - смесь стружек стали ЭП-823 в количестве 2 кг и обедненного урана массой 20 г, имитирующей КМ ОТВС БРЕСТ-300-ОД. На индуктор подавали ток частотой 3,2 КГц и мощностью 240 кВт. После перехода в жидкое состояние реакционной массы и достижения ей температуры 1600°С двухфазный расплав выдерживали в течение 60 минут, затем ток высокой частоты отключали, дожидались полной кристаллизации и охлаждения слитка и вытягивали его при помощи подвижного дна с пазом типа «Ласточкин Хвост». За счет различающихся коэффициентов термического расширения металлическая часть слитка легко отделилась от дна, а от нее, в свою очередь, шлаковая. По результатам анализа методом оптико-эмисионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой было установлено, что содержание урана в металлической фазе составляет менее 0,001 мас.%, при том что в исходной смеси стружек я содержание составляло 1 мас.%, таким образом в процессе переплавки был достигнут целевой показатель по содержанию ДМ, а коэффициент очистки превысил 1000. Насущенный ураном шлак в эксперименте выщелачивания азотной кислотой растворился полностью. _{Example 1. When conducting a model experiment, slag based on the Al 2} O ₃ -MgO-Fe ₂ O ₃ -CaO system was sequentially loaded into a cold crucible with a working zone height of 250 mm and a diameter of 95 mm in an amount of 300 g, on top of it - a mixture of steel chips EP-823 in the amount of 2 kg and depleted uranium weighing 20 g, simulating the CM of BREST-300-OD SFA. A current with a frequency of 3.2 kHz and a power of 240 kW was applied to the inductor. After the reaction mass passed into a liquid state and reached a temperature of 1600°C, the two-phase melt was held for 60 minutes, then the high-frequency current was turned off, the ingot was completely crystallized and cooled, and it was pulled out using a movable bottom with a Dovetail-type groove. Due to the different coefficients of thermal expansion, the metal part of the ingot easily separated from the bottom, and from it, in turn, the slag part. According to the results of analysis by optical emission spectrometry with inductively coupled plasma, it was found that the uranium content in the metal phase is less than 0.001 wt.%, while the content in the initial mixture of chips was 1 wt.%, thus, in the remelting process, the target value for DM content, and the purification factor exceeded 1000. The uranium-saturated slag in the nitric acid leaching experiment was completely dissolved.

Claims

A method for processing radioactive waste (RW) generated during the destruction of irradiated fuel assemblies (SFA) of fast neutron reactors (FRN), by the method of induction slag remelting in a cold crucible, characterized in that a flux of the Al ₂ O ₃ -MgO-Fe _{2 system is used} O ₃ -CaO, while the copper water-cooled bottom of the cold crucible has a dovetail groove and is equipped with a power drive for vertical movement of the ingot down during the melting process, while the dosing device located above the cold crucible with the help of vibrating feeders sequentially, in a given mass ratio, loads mentioned flux and structural materials (CM) in such a way that a solid phase gradually grows in the bottom part of the cold crucible, containing less than 0.001 wt.% of fissile material (DM) and forming the lower metal part of the ingot, and a liquid phase is formed on the mirror of the metal melt in the form slag obtained after crystallization of a two-phase ingot completely in pulled out of the cold crucible and separated from the bottom.