Обращение с жидкими радиоактивными отходами посредством цементирования

23 января 2009
2007-4-43-1.jpg Упрощенная схема технологии цементирования РАО компании AREVA NP 2007-4-43-1.jpg
 В результате эксплуатации атомных электростанций образуются различные виды отходов. Кроме отработавшего топлива, внутрикорпусных устройств ядерного реактора и других видов твердых отходов, таких как использованные фильтры, металлический и электронный лом, текстиль, пластик, древесина и т. д., образуются также жидкие радиоактивные отходы.

Жидкие радиоактивные отходы можно разделить на следующие категории:
– кубовый остаток испарителей;
– отработавшие ионообменные смолы;
– шлам из отстойников;
– фильтрационный шлам.

Высушивание кубового остатка из испарителей, шлама и ионообменных смол представляет собой технологию, применяемую в основном западноевропейскими странами, имеющими глубокие геологические хранилища. В других странах Западной Европы, рассматривающих возможность приповерхностного захоронения отходов, жидкие радиоактивные отходы после вышеупомянутой переработки помещаются в герметичный контейнер и заливаются нерадиоактивным цементным раствором, приобретая при этом свойства, сопоставимые со свойствами зацементированных отходов.

В некоторых странах, в частности, в России, обращение с жидкими радиоактивными отходами осуществляется посредством цементирования или битумирования. Так как необходимые для цементирования материалы сравнительно дешевы, цементирование жидких радиоактивных отходов, несмотря на тот факт, что эта технология увеличивает общий объем отходов, является одним из наиболее экономически выгодных решений.
Компания AREVA NP, знакомая с широким спектром технологий обращения с твердыми и жидкими отходами, также обладает богатым опытом в области цементирования жидких радиоактивных отходов. Это относится как к знанию рецептур смесей «цемент-отходы» и получающимся в результате характеристикам цементного компаунда, так и к освоенной технологии, которая, с учетом полной автоматизации работы под контролем системы управления с программируемой логикой, представляет собой последнее слово в технологии.

Системы цементирования компании AREVA NP установлены в Германии и Испании, а также на атомных электростанциях с реакторами российского типа: на АЭС «Богунице» в Словакии (ВВЭР-440) и на Игналинской АЭС в Литве (РБМК). В 2006 году AREVA NP получила контракт на поставку системы цементирования жидких радиоактивных отходов для Кольской АЭС в России (ВВЭР-440). Данный проект финансируется Европейским Союзом в рамках программы TACIS. Кроме вышеназванного контракта, консорциум AREVA NP – ОАО «СвердНИИхиммаш» выиграл контракт в рамках программы TACIS на поставку транспортного оборудования для установки по переработке радиоактивных отходов, в состав которого среди прочего входят краны, захваты для бочек и контейнеров, специальные электроприводные тележки и специальное устройство для перевозки контейнеров. AREVA NP также недавно получила контракт на поставку оборудования, дозирующего жидкие радиоактивные отходы, а также цемент и добавки в смеситель системы цементирования Смоленской АЭС в России. Данный проект также финансируется Европейским Союзом в рамках программы TACIS.

Ниже приводится упрощенная схема применяемой компанией AREVA NP технологии цементирования. Связующее вещество (цемент с добавками) подается дозатором в смеситель непрерывного действия. Жидкие отходы (концентраты из испарителя, отработанные смолы и шлам), содержащие соответствующее количество воды, подаются в смеситель непрерывного действия параллельно.

Смеситель непрерывного действия

Полученный в смесителе цементированный продукт в итоге поступает в контейнер для отходов. Так как AREVA NP в своей технологии цементирования использует внешний смеситель, можно легко адаптировать эту технологию к различным типам контейнеров. На Игналинской АЭС в Литве цементный компаунд закачивается в 200-литровые бочки, а в случае Кольской АЭС – в контейнер объемом 1,5 м3.

Одним из основных преимуществ смесителя непрерывного действия является его компактность, позволяющая снизить объем раствора связующего отходы вещества (примерно 2 л).
Это проектное свойство, наряду с возможностью дистанционного контролируемого сброса нижней части смесителя (находящейся в контакте с радиоактивной средой), обеспечивает повышенную безопасность оперативного персонала даже при таком наихудшем возможном событии, как застывание цемента внутри смесителя в случае отказа системы электропитания.
В этом случае нижняя часть смесителя непрерывного действия может быть дистанционно сброшена, например, в бочку, и затем покрыта цементным компаундом после восстановления работоспособности установки цементирования.
Восстановление смесителя после подобного инцидента выполняется путем установки соответствующих запчастей – эту процедуру можно выполнить за несколько минут.

 

Смеситель непрерывного действия обеспечивает высочайшее качество смешивания, в результате чего, как подтверждено опытом, получается полностью однородная смесь по всему объему бочки. Это свойство, главным образом, основано на использовании защищенных от отказа систем управления с высокой надежностью и программируемой логикой. Они сочетаются со специальными процедурами включения и отключения системы, разработанными компанией AREVA NP во избежание получения избытка  воды в этих режимах эксплуатации. В то же время достигается высокая степень заполнения контейнеров.

Заполненная бочка (фотография с опытной установки, бочки обычно покрыты кожухом заполнения)

Разбрызгивание конечного продукта надежно предотвращается с помощью кожуха заполнения, внутри которого находится смеситель. Кожух заполнения опускается и прижимается к горловине соответствующего контейнера или бочки для отходов. Когда контейнер или бочка заполнены, кожух заполнения поднимается, и под него подается поворотный поддон для сбора остатков материала. Таким образом, надежно исключается какое-либо внешнее загрязнение контейнера или бочки с отходами. Пример заполняющей станции с кожухом заполнения и поддоном показан на рисунке.

Станция заполнения бочек

 

Система управления технологией цементирования AREVA NP основана на системе SIMATIC S7F – контроллере с программируемой логикой в защищенной от отказа конфигурации. Потенциальные ошибки персонала предотвращаются путем высокой степени автоматизации, а потенциальные инциденты в процессе эксплуатации – благодаря соответствующим блокировкам, основанным на многочисленных и разнообразных измерениях. Например, переполнение контейнера или бочки исключается за счет блокировок, связанных с четырьмя физически различными параметрами процесса, а именно:

– уровнем заполнения бочки или контейнера, измеряемым уровнемером, находящимся в кожухе заполнения;
– общим объемом поданного в смеситель связующего вещества, измеренным по шкалам дозатора связующего вещества;
– общим объемом поданных в смеситель жидких отходов, измеренным расходомером, установленным в линию их подачи;
– максимальным временем заполнения бочки, получаемым с учетом объема соответствующего контейнера и пропускной способности смесителя.

 

Весь процесс можно наблюдать на компьютерных экранах системы. Процессы смешивания и заполнения, равно как и приготовление связующей смеси, полностью автоматизированы.
Для подготовки радиоактивных отходов, главным образом, требуется обеспечить количество воды, соответствующее рецептуре. Поэтому буферный бак оборудован сливным устройством (на случай избытка воды) и подсоединен к системе водоснабжения. Подготовка партии отходов в буферном баке производится дистанционно с пульта оператора системы цементирования. Срабатывание соответствующих насосов, арматуры и т. п. обеспечивается щелчком мыши, причем на том же экране отображаются важнейшие технические параметры процесса.
Кроме отображения параметров процесса, система управления также предусматривает архивацию этих параметров и вывод сигналов измерения в виде диаграмм.

 

Кроме самой системы цементирования, AREVA NP также поставляет дополнительное оборудование и материалы для установки цементирования, например бункеры для цемента и добавок, оборудование для транспортировки, компоненты для обращения с бочками или контейнерами – такие, как цепные или роликовые конвейеры для бочек, электроприводные тележки для перевозки контейнеров, краны и захваты для бочек и контейнеров, полностью автоматизированные установки закупоривания бочек – вплоть до измерительных станций для контейнеров, позволяющих определять мощность дозы и производить гамма-спектроскопию.

 

Кроме технического процесса, существенное значение имеет также рецептура смеси цемента с жидкими радиоактивными отходами, так как свойства компаунда отходов устанавливаются соответствующими национальными нормами стран, где расположены атомные электростанции. Например, в России прочность на сжатие, сопротивление к выщелачиванию, сопротивляемость тепловым циклам (морозостойкость) и устойчивость к долговременному погружению в воду должны находиться в пределах, установленных различными национальными нормами.
В прошлом компания AREVA NP проводила обширные НИОКР по определению основных свойств компаундов, состоящих из цемента с различными типами жидких радиоактивных отходов. Однако оптимальный рецепт, обеспечивающий максимальную загрузку по отходам и, следовательно, минимальный объем требующих обращения отходов, должен также учитывать химические свойства различных типов отходов.

 

 Поэтому AREVA NP выполнила НИОКР по изучению свойств и устойчивости цементных компаундов типичных для российских АЭС отходов совместно с МосНПО «Радон» (что являлось основой для подготовки соответствующего предложения для Курской АЭС) и с Игналинской АЭС в рамках внедрения там системы цементирования. В настоящее время AREVA NP рассматривает возможность проведения дополнительных научно-исследовательских работ в сотрудничестве с российскими партнерами с целью расширения имеющейся базы данных по рецептуре оптимальных цементных компаундов для типичных видов отходов АЭС с реакторами ВВЭР.