Технологии переработки и кондиционирования РАО

Основная цель переработки и кондиционирования радиоактивных отходов – повышение их безопасности за счет минимизации объема, перевода в стабильные формы и упаковки в долговечные контейнеры.

В Научно-производственный комплекс (НПК) ГУП МосНПО «Радон» поступают радиоактивные отходы из более 2500 организаций Московского региона. Классификатор предприятия включает 15 групп первичных форм РАО, которые существенно отличаются по своим характеристикам, важным для их безопасной изоляции (активности, периоду полураспада и т.д.):

• источники излучения, удаляемые из защитных контейнеров;
• источники, размещаемые на хранение вместе с защитными контейнерами;
• радиоизотопные приборы (дымоизвещатели, активные элементы уровнемеров, плотномеров и т.д.);
• препараты в ампулах (концентрированный тритий и т.д.);
• РАО, образующиеся при эксплуатации исследовательских реакторов;
• горючие биологические (тушки подопытных животных);
• горючие небиологические (фильтровальные материалы из лабораторий, ветошь, текстиль и т.д.);
• прессуемые (лабораторная посуда, приборы КИП и т.д.);
• кондиционируемые (грунт, обломки стройматериалов, оборудование и т.д.);
• фильтры вентиляционных систем;
• свинцовые изделия;
• жидкие неорганические (производственные сточные воды);
• жидкие органические (масло из вакуумных агрегатов и т.д.);
• жидкие прочие (сцинтилляционные жидкости, растворители, реактивы);
• несортированные.

Отходы каждой группы обрабатываются в отдельной технологической линии. Предварительно в специальной рабочей камере производятся переупаковка и сортировка РАО, а также фрагментация предметов крупного размера и сложной конфигурации.

Компактирование

Отходы группы «Прессуемые» (сегрегированные в процессе сортировки и вторичные производственные РАО) подвергаются компактированию.

Предварительно отходы подпрессовываются на небольшом прессе с усилием 20 т внутри 100-литровой металлической бочки. Заполненные бочки с РАО компактируют на гидравлическом прессе с усилием 1500 т, а образующиеся небольшие по высоте цилиндры помещают в 200-литровые бочки. Процесс автоматизирован: все грузовые и складские механизмы (рольганг с цепным транспортером и тензометрическими весами, штабелер-манипулятор, толкатели, захваты, вращающийся стол и т.д.) управляются программатором, а персонал контролирует работы с пульта управления в отдельном помещении.

Сжигание

Процесс сжигания используется для преобразования материалов, подверженных гниению и химическому старению, в более компактную и стабильную форму – минеральный зольный остаток.

Установки для сжигания РАО обладают ограниченным ресурсом эффективного использования, поэтому на ГУП МосНПО «Радон» практикуется поддержание в рабочем состоянии одновременно двух моделей: одной с заканчивающимся сроком эксплуатации, другой – новой, усовершенствованной на основе предыдущего опыта.

Установка «Факел» действует уже более 20 лет. Основное устройство – керамическая печь, источник тепла – форсунка на жидком топливе.

Печь выложена двумя слоями разных огнеупорных материалов и закрыта стальным кожухом. Ее полость разделена на камеры сжигания, дожига и осаждения. Первая камера оборудована колосниковой решеткой, где РАО сжигаются в неподвижном слое, с дутьевыми отверстиями, в которые подается воздух, подогретый теплом отходящих газов. Под ней находится камера дожига с поворотной колосниковой решеткой для выгрузки золы. В камере осаждения дымовые газы резко меняют направление, обходя керамическую перегородку. При этом продолжается дожиг летучих продуктов, а наиболее крупные частицы летучей золы и сажи отделяются от потока в отдельный накопитель. После сжигания партии отходов производится охлаждение и выгрузка золы.

Для предотвращения распыления зола смачивается водой и выгружается в 100-литровые металлические бочки, которые без крышек помещаются в 200-литровые бочки. Затем полости 200-литровых бочек заполняются матричным материалом и, таким образом, образуются блоки частично омоноличенной золы.

Производительность установки – до 150 кг РАО в час. Наряду с твердыми отходами на установке могут сжигаться жидкие органические отходы, чаще всего, техническое масло.

Новая установка сжигания – «Плутон» – имеет следующие принципиальные отличия от предыдущей:

• использование шахтной печи с высотой в восемь раз больше поперечника;
• основной процесс – пиролиз (термическое разложение органических материалов), что обеспечивает менее интенсивный унос аэрозолей;
• источником нагрева являются электродуговые плазмотроны; температура в горячей зоне превышает 1600^oС, что превращает зольный остаток в жидкотекучий шлак;
• наряду с горючими веществами в ограниченном количестве могут перерабатываться отходы, содержащие металл и минеральные материалы; тем самым ослабляются требования к предварительной сортировке принимаемых РАО.

Печь установки ПЛУТОН. На снимке – нижняя часть шахты, плавильная камера. Справа внизу – демонстрационные блоки отверждённого шлака в металлических контейнерах

Нижняя часть печи представляет собой плавильную камеру, в своде над которой установлены два плазмотрона. Горячие газы поднимаются сквозь массу отходов, заполняющих шахту. В верхней части печи происходит сушка загружаемого материала, ниже – пиролиз, еще ниже – окислительный пиролиз (частично сгорание, частично крекинг), в плавильной камере – полное сгорание органики. Образовавшийся пирогаз дожигается в отдельной камере, обогреваемой плазмотроном.

Негорючий остаток (жидкотекучий шлак) сливают в стальные контейнеры объемом 25 л и охлаждают. В результате получают отвержденный шлак – стеклоподобным материалом с высокой водоустойчивостью, в десятки раз большей, чем у цементированных отходов.

Переработка ЖРО

Оборудование, которым располагает НПК ГУП МосНПО «Радон», позволяет очистить поступающие ЖРО до степени, которая допускает их сброс в открытую гидрографическую сеть.

Механическая очистка (фильтрация) производится в отстойнике-осветлителе, а также на сипроновом, керамзитовом и песчаном фильтрах, более тонкая очистка – с использованием угольных и ионообменных фильтров. В зависимости от характера загрязнений аппараты системы могут эксплуатироваться в разных сочетаниях.

Производительность водоочистной установки – до 5 м³/час. Показатели эффективности очистки – концентрация α-, β- и γ-радионуклидов, солесодержание, мутность, содержание  сульфатов, хлоридов, нитратов, нефтепродуктов и т.д.

Используется также мобильная модель «Аква-экспресс», которая работает с применением сорбентов и ионообменных материалов. В необходимых случаях используются также ультрафильтрационный или микрофильтрационный аппараты. Оборудование скомпановано в малогабаритные модули и может быть оперативно смонтировано на различных площадках вблизи источников ЖРО.

Установка «Аква-экспресс»

Эффективность фильтрационной очистки напрямую зависит от содержания солей в воде, кроме того, этот метод «чувствителен» к свойствам загрязняющих компонентов. Это не характерно для альтернативного метода – дистилляции воды, то есть ее упаривания с последующей конденсацией паров. Загрязнения остаются в кубовом остатке выпарного аппарата – концентрате. Однако метод дистилляции достаточно энергоемок и считается, что его целесообразно применять при концентрации солей более 100 г/л.

Основной аппарат в подобной установке ГУП МосНПО «Радон» – роторный пленочный испаритель, который представляет собой вертикальный цилиндр высотой 8 м и диаметром 0,6 м. Внутри аппарата вокруг вертикальной оси вращается ротор с лопатками, которые распределяют подаваемую жидкость в тонкую пленку, опускающуюся по внутренней стенке испарителя. По мере опускания жидкости вода интенсивно испаряется и концентрация солей, соответственно, возрастает. Солесодержание ЖРО повышается с нескольких граммов до 400-600 г/л, объем снижается в десятки раз.

Образующийся конденсат удовлетворяет требованиям по сбросу в открытую гидрографическую сеть. А концентрат передается на отверждение: с повышенной кислотностью и содержанием сульфатов и хлоридов в количествах менее 1% мас. – на остекловывание, остальной – непосредственно на цементирование.

Остекловывание

Оборудование установки остекловывания состоит из двух подсистем – концентрирования малосолевых растворов и  отверждения концентратов. Подсистема концентрирования действует на основе роторных пленочных аппаратов и аналогична описанной выше установке.

Процесс приготовления стекла начинается с глубокого упаривания концентрата, до величины содержания солей 1000 г/л. Этот продукт смешивается с сырьевыми компонентами  шихты для боросиликатного стекла – датолитом, бентонитовой глиной, кварцевым песком. В состав узла приготовления шихты входят:

• печь для сушки сырьевых компонентов;
• бункер;
• смесители;
• подъемник;
• шнековый питатель;
• пылеулавливающий агрегат;
• перистальтические насосы.

Шихта имеет пастообразную консистенцию, что препятствует образованию радиоактивной пыли.

Варка стекла производится в индукционном плавителе типа «холодный тигель» с использованием высокочастотных генераторов тока. Затем стекломасса через сливной затвор порционно удаляется в металлические контейнеры объемом 22 л.

Следующая операция – отжиг стекла – осуществляется в туннельной печи. За минуту стекло охлаждается на 1^oС. Стеклоблоки в металлических контейнерах характеризуются высокой стабильностью и водоустойчивостью.  Общая производительность установки – 75 кг стекла в час.

Все установки, где реализуются «горячие» технологические процессы (сжигание и остекловывание) оборудованы сложной системой очистки удаляемых газов от радиоактивных и токсичных компонентов.

Кондиционирование

Каждая технологическая линия завершается процессом кондиционирования РАО, то есть изготовлением упаковки, пригодной для долгосрочной изоляции.

Основное содержание процесса состоит в приготовлении цементного матричного материала и иммобилизации в него содержимого промежуточных форм РАО, а также заполнении цементом или бентонитом пространства между упаковками РАО.

На кондиционирование отправляются:

• полученные в результате технологической обработки промежуточные формы РАО;
• продукты прессования (в 200-литровых бочках), фрагментирования, сжигания (зола в 200-литровых бочках, шлакоблоки и блоки остеклованных РАО в малых контейнерах), концентрирования ЖРО;
• часть РАО группы «Фильтры»;
• продукты сортировки и переупаковки РАО гру­пп «Конди­­ционируемые», «Несортированные», «Источни­ки в контейнерах», «Радиоизотопные приборы»; «Ампу­лированные препараты», «Жидкие прочие»;
• РАО групп «Жидкие неорганические» и дренажные воды.

В составе установки для цементирования ЖРО и приготовления матричного материала – цементный силос, винтовой конвейер, дозатор цемента с весоизмерительным устройством, дозатор затворителя, дозатор сыпучих технологических добавок, смеситель с узлом выгрузки цементного раствора емкостью 0,5 м3. Отдельный узел используется для цементирования водных растворов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости.

Чтобы в цементированных формах не образовывались пустоты (воздушные  пузыри), в матричную смесь вводят пластифицирующие добавки. Время приготовления порции цементного материала – не более 5 мин.

Производительность установки – 8 м³/ч. Матричный материал поступает в упаковки с помощью перистальтического насоса и шланга. 

Кондиционирование РАО. Закачка цементной матрицы в контейнер КМЗ, заполненный первичными упаковками РАО

Типичные упаковочные средства промежуточных форм – 200-литровые бочки, пластиковые малые и большие мешки. При кондиционировании их размещают в долговечные контейнеры – металлические КМЗ и железобетонные НЗК-Радон (для наиболее опасных отходов). 

Характеристики долговечных контейнеров

Контейнер НЗК-Радон изготовлен из высокопрочного бетона. Зазор между крышкой и корпусом уплотняется с применением специальной бетонной смеси, которая не подвергается усадке в процессе твердения. Продолжительность сохранения эксплуатационных качеств контейнера в режиме хранения составляет 50 лет, в режиме окончательной изоляции – 300 лет.

***
После технологической обработки и кондиционирования 15 разновидностей первичных форм РАО превращаются в три категории – низкой и средней активности, а также содержащие долгоживущие радионуклиды – и направляются на долгосрочную изоляцию.

Авторы