Технологии 5 мая 2012
Atomic-Energy.ru

Установки для переработки РАО на российских предприятиях

 

 

Важнейшим элементом стратегии развития ядерной энергетики России является обращение с РАО, поэтому проектом федерального закона "Об обращении с радиоактивными отходами" предусмотрена разработка единой государственной системы обращения с РАО (ЕГС РАО).

В 2009г. технологическое сопровождение этой задачи поручено Радиевому институту. Этот выбор нельзя назвать случайным, так как проблема обращения с РАО стояла перед институтом еще в 20е годы прошлого века при создании и эксплуатации первого радиевого завода. В последующие десятилетия и по настоящее время одним из главных направлений деятельности института была радиохимия, что позволило создать научную школу и накопить богатый опыт в разработке и внедрении радиохимических технологий. Сегодня этот опыт оказался чрезвычайно востребованным в решении проблемы обращения с РАО и, в частности, при  создании ЕГС РАО.

Одной из определяющих составных частей ЕГС РАО следует считать технологии и установки для переработки РАО, поэтому возникла необходимость в анализе состояния этого вопроса в России на сегодняшний день.

Конечной целью переработки РАО является их кондиционирование, т.е. перевод их в стабильную физико-химическую форму, максимально ограничивающую выход радионуклидов за пределы матричного материала и инженерных барьеров в пунктах захоронения радиоактивных отходов (ПЗРО). Как известно, РАО делятся на категории по агрегатному состоянию (жидкие – ЖРО и твердые – ТРО) и по уровню активности (низкоактивные – НАО, среднеактивные – САО и высокоактивные – ВАО).

Категория и физико-химические характеристики отходов определяют выбор технологий и установок для их переработки. Перечень типов промышленных установок и их количества по состоянию на 2004 и 2009 годы представлены на
рис. 1. Общее количество установок в 2009г. составило 73. При этом значительно увеличилось число установок прессования твердых отходов и глубокого упаривания жидких РАО, а сократилось число установок битумирования, цементирования и ионного обмена.

Информация о владельцах установок и количествах РАО, переработанных в 2008 г., приведена в таблице 1. Следует заметить, что в представленных данных имеется небольшая погрешность, связанная с тем, что часть установок находятся  в стадии монтажа, пуско-наладки или консервации.

 

 

Рисунок 1.Промышленные установки по переработке РАО: типы

 

 

 

Таблица 1. Промышленные установки по переработке РАО: владельцы установок и количества переработанных РАО в 2008г.

Владельцы

Количество установок

Переработано РАО в 2008г., тыс.т.

АЭС

31

21,6

РосРАО

5

2,3

МосНПО Радон,
СевРАО,
ДальРАО

15

9,9

Маяк,
СХК,
ГХК

6

3950,0

Остальные

16

15,2

 
 

Комплексы по переработке РАО

В настоящее время ни одно предприятие ЯТЦ России не оснащено комплектом установок, обеспечивающим кондиционирование образующихся РАО всех категорий. Однако представляется важным рассмотреть наиболее типичные технологии и установки для переработки РАО, реализованные, в частности, на АЭС РФ (Таблица 2).

На Балаковской АЭС действуют установки глубокого упаривания кубового остатка ЖРО (типа УГУ-500) и установка битумирования. Кондиционирование ТРО осуществляется на установках сжигания и прессования.

На Калининской АЭС для переработки ЖРО действует установка битумирования. В 2006г. введен в эксплуатацию комплекс по переработке ТРО (установки сжигания и прессования).

На Кольской АЭС ЖРО перерабатываются на установке ионоселективной очистки, кондиционирование ТРО производится на установках прессования и сжигания.

На Курской АЭС ЖРО перерабатываются на установке концентрирования типа УГУ. Кондиционирование ТРО производится на установках сжигания и прессования, теплоизоляция и алюминиевые металлоотходы обрабатываются на установках плавления.

На Ленинградской АЭС с 2010г. планируется ввод в эксплуатацию установок цементирования и ионселективной очистки ЖРО, а также установок сортировки, прессования и сжигания ТРО.

На Нововоронежской АЭС ЖРО перерабатываются на установках концентрирования типа УГУ и прессах типа «Брикет».

Особо следует отметить комплекс по переработке РАО МосНПО "Радон". Для термической обработки твердых РАО используются двухкамерная керамическая печь типа "Факел" и плазмо-химическая печь "Плутон", жидких РАО – установка упаривания на основе роторного пленочного испарителя и установка остекловывания на базе индукционного плавителя типа "холодный тигель". Прессование ТРО происходит с помощью брикетировочного пресса, пресса для компактирования РАО в 100-литровых бочках, а также пресса с усилием 1500 т. Кроме того, на предприятии действуют установки цементирования различных видов РАО, иммобилизации ИИИ в твердую конденсированную матрицу, дезактивации жидких РАО с использованием мембранно-сорбционных технологий, переработки иловых отходов, приготовления кондиционированных форм РАО, бокс сортировки и фрагментирования отходов.

В целом, ситуация с переработкой ЖРО складывается вполне благополучно, и острой необходимости в создании стационарных установок переработки ЖРО не существует, так как загрузка этих установок в 2008г. составляла 80%. Однако высокая степень заполнения хранилищ ТРО и рост затрат на их переработку и хранение выдвигает на первый план задачу по минимизации РАО на стадиях их образования и кондиционирования. Кроме того, на предприятиях ряда регионов, где имеются сравнительно небольшие объемы ЖРО, целесообразно применять мобильные установки. Ситуация с переработкой ТРО будет рассмотрена ниже.

 

 

Таблица 2. Оснащение АЭС установками кондиционирования РАО

Атомные станции

Установки

Битуми-рования

Сжигания

Плавления метало-отходов и тепло-изоляция

Прессования

Цементи-рования

Глубокого упаривания УГУ-500-1

Ионоселек-тивной очистки

Сортировки и фрагментации

Балаковская

 

×

 

×

×

×

 

×

Белоярская

 

×

 

×

 

 

 

 

Калининская

2010

×

 

×

×

 

 

×

Кольская

 

×

 

×

2010

×

×

 

Курская

 

×

×

×

2011

×

2012

×

Волгодонская

 

2011

 

2011

 

 

 

2011

Нововоронежская

 

2011

 

 

 

×

2012

 

Смоленская

 

×

 

×

2011

 

2011

×

Ленинградская

 

2010

 

2010

2010

 

2010

2010

Х - действующие установки
2010–2012 – строящиеся и проектируемые установки
 

Мобильные установки переработки ЖРО

На предприятии МосНПО «Радон» создана передвижная модульная установка очистки ЖРО «ЭКО-3», основу технологии которой составляет комбинация сорбции и электродиализа. Производительность установки 0,5 м3/ч при потребляемой мощности 48 кВт. На этой установке переработано более 400 м3 ЖРО ФГУП МП «Звездочка» с солесодержанием 3,5 г/л и объемной активностью 4×104 Бк/л. При этом коэффициент очистки ЖРО составил 104 при количестве вторичных отходов 2,3 м3. Усовершенствованная модификация «ЭКО-3М», содержит 3 модуля – ультрафильтрационный, обратноосмотический и электродиализный. Эта модернизация позволила успешно провести переработку 3000 м3 ЖРО с теми же показателями по очистке, что и на установке «ЭКО-3».

В Институте физической химии Дальневосточного отделения РАН создана передвижная установка сорбционной очистки ЖРО типа «Барьер». Установка может переработать 250 м3/год ЖРО с коэффициентом очистки 5×103, однако в процессе фильтрации очистка снижается из-за отравления сорбентов примесями различного происхождения, прежде всего нефтепродуктами и илами. Поэтому целесообразно было бы совмещать сорбционные процессы с микро- и ультрафильтрационными.

Наиболее испытанной на сегодняшний день передвижной установкой для очистки ЖРО следует, вероятно, считать установку типа «ММСУ» производства ФГУП НИТИ им. А.П. Александрова производительностью 0,5 м3/ч. Установка содержит четыре основных модуля: микрофильтрации, ультрафильтрации, обратноосмотического и ионообменного. Разные варианты подключения модулей позволяют очищать ЖРО различного состава, включая и токсичные вещества, до санитарных норм, а концентраты доводить до норм, позволяющих направлять их на цементирование. За время эксплуатации установок «ММСУ» было переработано свыше 15 000 м3 НАО и свыше 500 м3 САО.

Установки подземной закачки ЖРО

Единственным действующим способом обращения с ЖРО в РФ, обеспечивающим окончательную изоляцию радиоактивных отходов, является их подземная закачка. Этим способом осуществляется захоронение жидких РАО на полигонах Сибирского химического комбината (СХК), Красноярского горно-химического комбината (ГХК) и Научно-исследовательского института атомных реакторов (г. Димитровград).

На СХК производится закачка низко- и среднеактивных жидких РАО в подземные горизонты на глубине от 270 до 390 м производительностью более 1 млн. м3/год. Расчеты показывают, что возможное смещение отходов в результате естественного  движения подземных вод оценивается в 5 км на 1 тыс. лет, что находится в пределах территории комбината.

На ГХК захоронение САО и НАО осуществляется с производительностью более 100 тыс. м3/год на полигоне «Северный», где используются пласты-коллекторы в интервале глубин 370-465 м и 180-280 м. Оценки показывают, что в течение 1 тыс. лет отходы будут локализованы в пределах границ санитарно-защитной зоны.

На Опытно-промышленном полигоне захоронения жидких РАО ОАО НИИАР удаление отходов производится в пласты-коллекторы на глубинах 1100-1500 м с производительностью более 150 000 м3/год. Прогнозируется, что вследствие процессов радиоактивного распада активность ЖРО через 300 лет снизится практически до следовых значений.

Переработка жидких ВАО

Накопленные и эксплуатационные ВАО комбината «Маяк» переводятся в твердую матрицу остекловывания. В 1987 году была пущена в эксплуатацию первая печь ЭП-500Р/1 производительностью 500 л/ч. В основу технологии отверждения ВАО положена термическая обработка при температуре около 1000 оС с получением алюмо-фосфатного стеклоподобного материала. В настоящее время работает четвертая печь остекловывания (ЭП-500Р/4), а первые три печи выведены из эксплуатации после выработки рабочего ресурса.

Полученная стекломасса разливается в стальные бидоны, которые затем затариваются в пеналы с последующей установкой их в хранилище, оборудованное системами охлаждения и газоочистки. В будущем, когда в нашей стране будут созданы могильники для подземного захоронения отвержденных ВАО, стеклоблоки из временного хранилища предполагается перевести в эти могильники.

С целью оптимизации технологии переработки жидких ВАО Радиевым институтом совместно с ПО «Маяк» был разработан и внедрен в 1996г. экстракционный метод фракционирования ВАО, предшествующего остекловыванию. Он предусматривает выделение радионуклидов из общей массы ВАО и концентрирование их в малые объемы для последующего остекловывания, что позволяет вдвое повысить удельную активность стеклоблоков и, соответственно, сократить вдвое объемы стекла для последующего хранения.

Анализируя опыт эксплуатации печей остекловывания ЭП-500, необходимо отметить их высокую производительность и ресурс работы, позволившие к настоящему времени переработать 23 тыс. м3 ВАО с суммарной активностью 495 млн. Ки. Однако при этом нельзя не отметить и существенный недостаток печей ЭП-500, которые ввиду громоздкости конструкции и невозможности разборки после выработки ресурса из-за высокой остаточной радиоактивности приходится консервировать и захоранивать на месте.

В настоящее время в Радиевом институте создана опытная малогабаритная установка ЭП-5, предусматривающая получение боросиликатного стекла. Эта установка рассматривается как прототип будущей промышленной установки, лишенной недостатков установок ЭП-500. Это достигается, в первую очередь, использованием в конструкции плавителя электродов из жаропрочной стали ХН70Ю (аналог зарубежного сплава инконель), а не из молибдена (как в печи ЭП-500), что позволяет реализовать полное опорожнение ванны расплава путем придонного слива.

Установки переработки ТРО

С технической и экономической точек зрения до момента создания пунктов захоронения РАО целесообразно создавать установки по переработке ТРО, обеспечивающие максимальное сокращение объемов РАО. Такими установками являются установки сжигания, прессования и переплавки металлов.

Типичная установка сжигания типа «Плутон» функционирует в МосНПО «Радон». Установка имеет производительность до 60 кг/ч и предназначена для переработки ТРО и ЖРО – как совместно, так и раздельно. Технологическая схема установки включает узлы газоочистки, а также узлы остекловывания и цементирования зольных остатков.

На Калининской АЭС ТРО загружаются в бункер и подаются в узел сортировки, где производится разделение ТРО по видам переработки. Отобранные для прессования ТРО компактируются в металлические блоки-контейнеры с помощью гидравлического пресса с усилием 950 кН.  Коэффициент уменьшения объема 5-6.

В качестве примера установки плавления металлоотходов можно привести установку предприятия "Экомет-С", созданную на основе индукционной печи ИСТ-2500. Технология переработки включает дезактивацию отходов и собственно плавление. Производительность 5000 т/год, коэффициент сокращения объема 0,08.

Заключение

Анализ имеющейся в Радиевом институте базы данных по установка переработки РАО на предприятиях РФ позволяет сформулировать некоторые предварительные выводы. В настоящее время ни одно предприятие не обладает полным комплектом установок для кондиционирования РАО всех категорий. В то же время, если рассматривать ситуацию с переработкой ЖРО в целом по России, то можно констатировать, что она складывается достаточно благополучно. Очевидно, что острой необходимости в создании новых стационарных установок переработки ЖРО нет, тем более, что загрузка имеющихся составляет около 80%. Что касается мобильных (передвижных) установок, то для ряда объектов (в частности, в Архангельской области, в Дальневосточном Федеральном округе и на Северном флоте) такие установки востребованы.

Жидкие ВАО комбината ПО «Маяк» (накопленные и эксплуатационные) успешно кондиционируются путем остекловывания, однако применяемые технологии и конструкция печи типа ЭП-500 не может считаться оптимальной, поэтому в ближайшем будущем  стоит задача создания малогабаритной установки и перехода от алюмофосфатного к боросиликатному стеклу.

Ситуация с установками по переработке ТРО такова: существующие установки сжигания и прессования загружены всего на 10% проектной производительности, и решение о создании новых установок следует принимать с учетом этого положения. Иная ситуация наблюдается с переплавкой металла. По предварительным оценкам в хранилищах РАО размещено более 200 тыс.т металлических отходов, переработка которых требует новых мощностей по переплавке, в частности в Центральном федеральном округе.

Актуальными задачами сегодняшнего дня в переработке РАО являются:

  • разработка и внедрение технологий, обеспечивающих сокращение объемов эксплуатационных РАО на предприятиях ЯТЦ;
  • повышение эффективности и экономичности технологий и установок по переработке РАО;

  • разработка и внедрение матриц для иммобилизации ВАО, обеспечивающих их прочную фиксацию в пунктах захоронения РАО.

Радиевый институт, обладающий современной радиохимической базой на двух площадках (в Гатчине и в Сосновом Бору) может рассматриваться как полигон для создания опытно-демонстрационного центра для разработки и испытаний инновационных технологий обращения с РАО.

Авторы

Масленников Игорь Александрович
к.т.н.

Романовский Валерий Николаевич
д.т.н.

Смирнов Игорь Валентинович 
д.х.н.