На территории Российской Федерации накоплено около 600 млн т жидких радиоактивных отходов (ЖРО) общей активностью около 3,6×1019 Бк.
Как правило, ЖРО концентрируют с помощью мембранных или дистилляционных (термических) методов, затем радионуклиды иммобилизуют в твердую матрицу. Одним из перспективных способов концентрирования может стать сушка.
Выпаривание или сушка?
Сушка при температуре ниже точки кипения —термический метод, пока не нашедший практического применения. Между тем, таким способом целесообразно обрабатывать ЖРО, не содержащие летучих радиоактивных примесей. Важно отметить, что из-за отсутствия фазы кипения капельный и аэрозольный унос радионуклидов будет незначительным. Рабочее давление, близкое к атмосферному, позволит снизить металлоемкость установки, а низкая температура процесса —применять в конструкции аппаратуры полимеры. Использование недорогих материалов не потребует ограничений по содержанию в перерабатываемом растворе взвесей и поверхностноактивных веществ.
По предварительным оценкам, затраты тепловой энергии на 1 л испаренной воды составляют около 1 кВт. Применение для сушки теплового насоса и замкнутого воздушного контура будет еще более эффективным: расход электроэнергии по сравнению с прямым испарением сократится в 2 раза. Кроме того, использование замкнутого контура не требует системы газоочистки.
Таким образом, сушка имеет ряд преимуществ перед другими технологиями концентрирования и может стать полезным дополнением к ним. Например, этим способом можно обрабатывать концентрат, образовавшийся в результате работы установки обратного осмоса (УОО). На УОО производительностью 1 м3/ч при переработке ЖРО с солесодержанием 2-10 г/л образуется 40-60 л/ч раствора (концентрация солей —50-80 г/л). Для уменьшения его объема в 5-6 раз выпариванием потребуется около 35 кВт электроэнергии, а методом сушки с применением замкнутого воздушного контура —всего 15 кВт.
К возможным ограничениям технологии можно отнести относительно невысокую степень концентрирования отходов (200-300 г/л) вследствие низкой температуры процесса и невысокое значение коэффициента влагоотдачи (около 1 л/ч/м2). Но при использовании данного способа в мобильной установке небольшой производительности эти ограничения будут несущественными.
Стендовая установка Мо сковского «Радона»
Для изучения технологии концентрирования растворов с использованием процесса сушки на ГУП МосНПО Радон создана стендовая мобильная установка производительностью до 10 л/ч. Основным элементом ее конструкции является тепловой насос (электрическая мощность —2250 Вт, тепловая —5000 Вт). Он создан на основе бытового оконного моноблочного кондиционера, в котором изменено направление воздушного потока. Расход воздуха в рабочем контуре установки —800-1000 м3/ч, его циркуляция обеспечивается за счет использования вентилятора.
Воздух, проходя через горячий радиатор (конденсатор) насоса, нагревается и поступает в сушильную камеру, где насыщается влагой. Пары конденсируются в холодном радиаторе (испарителе) теплового насоса.
В сушильной камере, на поддоне с дренажем, расположена оборудованная коллектором для распределения раствора кассета из четырех испарительных блоков, заключенных в рамку из оргстекла и металла. Каждый блок представляет собой сборку профилированных пористых пластин УВП-51, изготовленных из полимерного материала (полиэтилена). Блок накапливает соли и взвешенные частицы до концентрации более 150 кг/м3, а затем его либо удаляют на переработку методами прессования, цементирования или сжигания, либо регенерируют (промывают). Рассол концентрации 150-300 г/л можно цементировать.
Общий объем блоков —12 дм3, удельная площадь поверхности испарения пластин —до 1000 м2/м3 .
Эксперименты на имитаторах и радиоактивных растворах
Установка ГУП МосНПО Радон первоначально была испытана на модельных растворах. При сушке дистиллированной воды достигнута производительность 8,5 л/ч, расход воздуха составил 770 кг/ч, а его средняя относительная влажность —92% (абсолютная —28,5 г/кг сухого воздуха). В процессе испарения раствора хлорида натрия показатели снизились, так как накопление соли в каналах блока вело к уменьшению проходного сечения между пластинами УВП-51. Постепенно увеличивалась температура воздуха после прохождения сушильной камеры, уменьшались его расход и влажность. Когда концентрация солей в испарительном блоке достигала 165 г/л, процесс прекращался.
Содержание солей в полученном концентрате составило 280 г/л, а в конденсате —не более 5 мг/л, что экспериментально подтверждает отсутствие аэрозольного уноса.
Затем переработали 400 литров ЖРО сложного химического состава. При этом производительность установки составила 8,2 л/ч. За время испытаний (47 часов) характеристики процесса сушки существенно не изменились. На фронтальной поверхности пластин испарительного блока образовалось незначительное количество солевого осадка. Суммарное количество соли, накопленной на пластинах УВП-51, достигло 120 г/л.
Общая концентрация минеральных солей в исходном растворе составляла 17 г/л, удельная активность —около 2200 Бк/л (по 137Cs). Соответствующие характеристики полученного концентрата —319 г/л и 3,7×104 Бк/л. Солесодержание конденсата не превысило 10 мг/л. Аэрозольный унос составил менее 0,0008% по γ-излучению 137Cs. Перспективность технологии подтвердили и высокие значения коэффициентов концентрирования раствора и разделения радионуклидов: 19 и более 120000 соответственно.
Данные, полученные в ходе экспериментов, были положены в основу проектирования опытно-промышленного модуля сушки ЖРО производительностью 50 л/ч. Для его работы потребуются тепловой насос (электрическая мощность —12 кВт, тепловая —25 кВт), теплообменник водяного охлаждения мощностью 10-15 кВт, испарительные блоки суммарным объемом 150 дм3 и общей площадью испарения 1,5 м3. Расход воздуха составит 5000 кг/ч, его температура перед прохождением испарительного блока —50-60 0С, конденсации —15-20 0С, относительная влажность после сушильной камеры —90-100 %.
Опытно-промышленная установка сушки должна быть создана уже в 2008 году. Ее планируется использовать в мобильном комплексе с установкой обратно-го осмоса производительностью 1м3/ч.
Один из вариантов решения проблем обращения с ЖРО на небольших предприятиях — создание относительно недорогих мобильных установок для концентрирования отходов. Такие установки характеризуются небольшой производительностью и малым потреблением электроэнергии. Одним из их явных преимуществ является универсальность: возможность перерабатывать отходы различного (часто сложного) химического состава с минимальной предварительной подготовкой. Поэтому желательно, чтобы мобильная установка не включала вспомогательных систем, например, газоочистки, пароснабжения или охлаждения водой.
