Глава 1. Технология переработки радиоактивных иос в расплаве свинца и его оксидах с отверждением золы методом геоцементирования.
Авторами данной технологиями являются специалисты АО «ГНЦ РФ – ФЭИ».
Область применения:
Атомная энергетика, включая радиохимические производства
Ядерная медицина;
Радиационные технологии в химической промышленности.
Процесс переработки ИОС состоит из трёх этапов. Первый этап является подготовительным и необходим для генерации расплава оксида свинца на поверхности расплава свинца. При барботаже (процесс пропускания газа или пара через слой жидкости) через слой расплавленного свинца кислород, содержащийся в воздухе, взаимодействует со свинцом и образует оксид свинца. Азот и другие газы, содержащиеся в воздухе, инертны по отношению к свинцу и при выходе из расплава удаляются в атмосферу. На втором этапе после накопления достаточного количества оксида свинца подаются ИОС. В контакте с расплавом оксида свинца ионообменные смолы окисляются с образованием пара, углекислого газа и аэрозолей, происходит восстановление оксида свинца в металлический свинец. Аэрозоли и радионуклиды вместе со сконденсированным паром концентрируются в отдельной емкости для дальнейшей иммобилизации.
Радиоактивный раствор с аэрозолями в виде несгораемого минерального остатка (золы) отверждается с помощью шлако-щелочного вяжущего и накапливается для дальнейшей транспортировки и хранения. [4]
Рис. 1. Основные этапы переработки ОИОС.
Преимущества технологии:
Условия переработки ионообменных смол в расплаве тяжелых металлов и их оксидов ускоряют химические процессы деструкции (разрушения) полимеров за счет плотного контакта реагентов и устойчивого теплообмена в реакционной массе, что позволяет значительно повысить эффективность технологии;
Химическая инертность воды к свинцу при высоких температурах, содержащейся в больших количествах в ионообменных смолах, позволяет максимально эффективно отделять воду и в виде пара удалять в систему кондиционирования;
Беспламенное сгорание ИОС с применением оксидов тяжелых металлов в качестве окислителя и в отсутствии контакта с воздухом и его компонентами обеспечивает пониженный объем газовых выбросов, содержащих токсичные и радиоактивные вещества и газы;
Технологическое решение, позволяющее подавать «чистый» окислитель в зону переработки ионообменных смол, без дополнительного введения окислителя извне, обеспечивает значительное уменьшение объема вторичных отходов.
В рамках научно-исследовательских работ по разработке технологии обращения с отработанными ионообменными смолами исследованы процессы пиролиза ионообменной смолы и дожигания отходящих газов были получены следующие результаты. [3]
Рис. 2. Результаты исследования метода.
Глава 2. Технология переработки радиоактивных иос пиролиза nukem и ngk
Пиролизная технология изначально была создана для переработки жидких органических отходов, образующихся в процессе переработки ОЯТ для повторного использования.
Пиролиз – разложение соединений органического и искусственного происхождения на составляющие менее тяжёлые молекулы или химические элементы под действием повышенной температуры.
Утилизация органических веществ данным способом заключается в превращении тяжелых отходов в более легкие при отсутствующем доступе к кислороду и возникновении анаэробной реакции. Процесс пиролиза соответствует росту температуры до 200 – 500 °С и при атмосферном давлении.
Пиролиз состоит из 3 этапов:
Сушка. Перед погружение ОИОС в пиролизный реактор отходы подготавливают и наиболее затратным по энергии процессом является удаление воды из материала.
Пиролиз. Процесс получения пиролизного газа, который может включать в себя двуокись углерода, аммиак, угарный газ а также различные органические кислоты. При последующей газификации сырья получают до 90 % пиролизного газа и до 10 % углеподобного отсатка.
Конденсация части пиролизного газа для дальнейшего отжига. В среднем до 40 % пиролизного газа может быть сконденсирована. [9]
Типичный случай применения данной технологии – утилизация отработавших растворителей – трибутилфосфата в смеси с керосином, добавляемый на этапе подготовки сырья. Данная технология предусматривает пиролиз трибутилфосфата вместе с гидроксидом кальция в перемешиваемом реакторе с шариковой засыпкой при температуре около 500°C. Гидроксид кальция вступает в прямую реакцию с фосфатными группами с образованием пирофосфата кальция, который содержит всю радиоактивность и подлежит утилизации как среднеактивные отходы. Органические компоненты переходят в пиролизный газ, который затем сжигается. Отходящие газы проходят дополнительную очистку.
Установки пиролиза трибутилфосфата сооружены во Франции (Ля Аг), Бельгии (Мол) и Японии (Роккашо Мура). Японская установка введена в эксплуатацию в 2023 году, а бельгийская в 2019 году прекратила работу, поскольку все запасы трибутилфосфата, образовавшиеся при эксплуатации объектов Eurochemic, успешно переработаны.
На этих, а также собственных опытно-промышленных установках NUKEM и NGK были проведены многочисленные эксперименты с целью расширения диапазона перерабатываемых отходов.
Предварительные испытания показали, что разложение ионообменных смол при помощи пиролиза дает очень хорошие результаты: обеспечивает получение инертного и химически нейтрального конечного продукта без применения добавок.
Основным компонентом конечного продукта («пиролизата» или золы) является углерод. Подача в процесс водяного пара – при этом пиролиз становится пирогидролизом – обеспечивает почти полное удаление углерода, при этом в составе золы остаются только неорганические компоненты. Результаты показали, что при пиролизе/пирогидролизе ионообменных смол в пиролизат полностью переходят все радиоактивные элементы.
Это достигается благодаря сравнительно низкой температуре технологического процесса (средняя температура процесса 500°C, экспериментальным путем была вычислена для большинства радиоизотопов температура сублимации составляет 800-870°C), что предотвращает переход летучих элементов (таких как радиоизотопы цезия) в газообразную фазу. Оснащение пиролизной установки металлокерамическими фильтрами обеспечивает очистку, при которой даже связанная с частицами пыли радиоактивность останется в пиролизате.
Пиролизат представляет собой сыпучий твердый материал, а не расплав – соответственно, он прост в обращении и может быть спрессован или зацементирован, в зависимости от требований, предъявляемых к промежуточному хранению и захоронению.
Любые другие, помимо смол, составляющие отходов, например, неорганические фильтрующие материалы или даже иные органические материалы, не представляют помеху для технологического процесса: в зависимости от химического состава они высушиваются, кальцинируются или также подвергаются пиролизу или пирогидролизу.
Пиролиз/пирогидролиз непосредственно происходит в пиролизном реакторе, который содержит слой насыпного материала. Корпус реактора оснащен наружным обогревом, шариковая засыпка в процессе работы постоянно перемешивается для поддержания равномерного распределения температуры внутри реактора. Корпус реактора выполнен из жаростойкой стали, устойчивой к химическим и механическим воздействиям (Рисунок 3).
Модуль фильтрации горячего газа (конусовидный контейнер с металлокерамическими свечевыми фильтрами) присоединен непосредственно к реактору. Твердые частицы удаляются через низ контейнера, отходящие газы отводятся сверху – от металлокерамических свечевых фильтров, обеспечивающих максимально высокую степень фильтрации, – в камеру дожигания.
Перегретый пар может подаваться в реактор в нескольких точках. [2]
Рис. 3. Пиролизный реактор