Промышленные процессы остекловывания растворов

Г лавные темы
Промышленные процессы
остекловывания растворов
высокоактивных жидких отходов
Технический обзор процессов, активно
применяемых
для обработки и отверждения жидких отходов в стекле
В. Баэр
Осуществляемые в странах, ориентирующихся
на переработку топлива, программы по обращению
с высокоактивными отходами (ВАО) основываются
на иммобилизации растворов ВАО в монолитных
формах. Исследования и разработки по отверждению концентрированных растворов продуктов деления начались в некоторых странах более 30 лет
тому назад. Первоначально они были направлены
главным образом на определение соответствующего матричного материала и лишь позднее - на
разработку методов отверждения в промышленных масштабах.
Материалы-кандидаты для капсулирования продуктов деления составляют значительный перечень
от простой денитрифицированной извести до стекол, кристаллической керамики и более сложных
форм (окатыши, покрытые долговечными материалами; стекло или керамические слои, включаемые в
инертные матрицы). За последние годы возросло
согласие относительно того, что стекло представляет собой к о м п р о м и с с по своим свойствам,
удобству изготовления и имеющемуся опыту работы с ним. Изучались несколько видов стекла, но
были отобраны лишь составы силикатного и боросиликатного стекла.
Во всем мире разработано и продемонстрировано много процессов отверждения, по разным причинам не применяющихся в настоящее время. Однако опыт работы на соответствующих установках
позволил получить много данных, необходимых для
конструирования современных установок. Действующие в настоящее время в мире промышленные
у с т а н о в к и по отверждению используют только процесс остекловывания.
Основными стадиями процесса остекловывания
являются концентрирование раствора высокоактивных жидких отходов (ВАЖО) путем выпаривания воды и азотной кислоты; с у ш к а и кальцинация, приводящая к разложению нитратов на окислы; реак-
Г-н Баэр - старший сотрудник Отдела ядерного топливного
цикла и обращения с отходами МАГАТЭ.
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТАЭ, 4/1989
На установке в Маркуле, Франция, контейнеры с остеклованными высокоактивными отходами транспортируются в
охлаждаемые воздухом колодцы для временного хранения.
(Предоставлено: ANDRA)
47
Гпзвный
,ия о к и с л о в с о с т е к л о о о р а з у ю щ и м и д о б а в к а м и и
ш а в л е н и е для о б р а з о в а н и я о с т е к л о в а н н ы х
ВАО.
В з а в и с и м о с т и от п р о ц е с с о в эти с т а д и и м о г у т
юуществляться о т д е л ь н о или в м е с т е (одностадий(ые или м н о г о с т а д и й н ы е п р о ц е с с ы ) . Операции по
;уиже и к а л ь ц и н а ц и и с о в м е щ а ю т с я в одной у с т а ю в к е ( к а л ь ц и н а ц и я во в р а щ а ю щ е й с я о б ж и г о в о й
шчи) и с о с т а в л я ю т х о р о ш о о т р а б о т а н н ы й п р о ц е с с .
Процесс расплавления стекла может осуществ-
;обой печь с и н д у к ц и о н н ы м н а г р е в о м
металлича-
1укту. О с н о в н ы е
преимущества
металлических
»асплавмтеяей з а к л ю ч а ю т с я в н и з к о й с т о и м о с т и и
удобстве у п р а в л е н и я . Н е д о с т а т к о м является ограниченная п р о п у с к н а я с п о с о б н о с т ь ( 3 0 - 4 0 литров в
ас). К е р а м и ч е с к и е
расплавители
нагреваются
>бычно н е п о с р е д с т в е н н о п о г р у ж а е м ы м и в них ситовыми э л е к т р о д а м и и обладают п р о п у с к н о й способностью с в ы ш е 100 л и т р о в ВАЖО в час. Однако
1роцесс с к е р а м и ч е с к и м и р а с п л а в и т е л я м и отли1ается до с и х пор в ы с о к о й с т о и м о с т ь ю и с р а в н и тельно с л о ж н ы м у п р а в л е н и е м .
катное стекло разработаны два основных процесса
c o u l e — Цех о с т е к л о в ы в а н и я в М а р к у л е ) . Это постоянный метод двухстадийного остекловывания,
п р о м ы ш л е н н о е и с п о л ь з о в а н и е к о т о р о г о в отношении в ы с о к о а к т и в н ы х о т х о д о в началось в 1978 г.
Д р у г и м п р о ц е с с о м является п о с т о я н н ы й одностад и й н ы й м е т о д с к е р а м и ч е с к и м р а с п л а в и т е л е м . Он
f.-.i с ;
к >,<
1'ч;') ' I у
j.M.i'''s
мости на п р и н а д л е ж а щ е м Ф е д е р а т и в н о й Республик е Г е р м а н и и заводе „ П а м е л а , р а с п о л о ж е н н о м в
Моле, Бельгия.
(ем>.1
Процес с AVM
Проц SOC А \/М С О 1•föTIE1ет в р а щ а ю щ у ю с я об ж и г о в у ю
печь и метал личес кий т и г е л ь с индукцио»-1ным наг р е в о м , позвешяющ им р а с п л а в л я т ь с т е к л о ( с м . риК
. ! 1 М ' х • I M ' Ду1к т о в десунок). В расггвор
В Н О С Я ! *ся
к алыцинирующие д о б а в к и через
в е р х н и й к р а й к а я ь Ц И Н а т о р а - с л е г к а н а к гю н е н н о й
трубчап"ой пе• Ч и, врай дающейся с о с к о р о стыо 30
оборот»зв в мь>(нуту.
а ж д о г о к о н ц а печь пс)ддерживается катко! з ы м и огк spawn*. На к о н ц а х н;аходятся
газоне? 1рониц аемы<
уплотнения,
д о п у екающие
продол:ьное р асши( J 6 H I i e и с о х р а н я ю щ и е п.потность
з а т я ж ю t Име(•ощммхЗЯ в
зссчитан
н з r t p e j"отвра! цение : во;з м о ж н о г о с п е к а н и я . 'Т п м й я ИЙгревае" ГСЯ C H !з р у ж и 1 электропечью, разделе(иной на
четыре зоны. Перв ые две зоны, предназнюченные
для вы паривг 1 Н И Я , им<эют т е п л о в у ю мощьгость по
Я, вt д р у г и е по t 0 к;иловатт.
20 кило ватт к
Т е м п е р ^атура к о л е б лет ся от 225 °С в питаю щей точке до ш! а к с и м ально # 6 00 "С. С к о р о с т ь поте>ка раствора с О Т Х О Д ! 1 М И - Об!ычно о к о л о 40 литре)в в час.
В ы п у с к ное от в е р с т ие ,в р а щ а ю щ е г о с я к а л ы( и н а т о р а
связанс
расп. n a s i ителем.
Кальцинир ованные
продук-ГЫ поп адаю!
1мотеком в р а с п л а в итель, в
л прои с х о д и IT И!н д у к ц и о н н ы й н а г р е в примерно до 1 150 "С .Одно вре !менно расплавителк» з а п р а в ляется стекле 1 В Ы М 1l i n g к о м (через 8 - ч а с о в ь ie интервалы). В НИЖ!ней 413 C T I л р а с п л а в и т е л я и м е ется вырстие , по зволяющее в ы л и т ь о1 е г о соnyCKHOi
д е р ж и * ю м у п осле рас оплавления обычной т в е р д о и
Л .р о п у с к н а я с п о с о б н о Л Т к
С Т в К Я Я » ' (ной п р о б к и
х* г» П А П »
плавителя - п р и м е р н о 1Ъ к и л о г р а м м о в в час.
Образующиеся в р а с п л а в и т е л е и к а л ь ц и н а т о р е
отходящие г а з ы в ы п у с к а ю т с я через к а л ь ц и н а т о р и
1
одт г г
<ч
*>f<'. ' ' v <у f <-, ,<(
у л а в л и в а е т н а х о д я щ и е с я в г а з а х частицы и р а с т в о ряет их в п о с т о я н н о м п о т о к е к и п я щ е й азотной
кислоты. Образующийся раствор постоянно посту-
Б Ю Л П Е Т Ш Ь МАГ A I А Э, 4 '1У89
Главные темы
пает в кальцинатор. Отходящие г а з ы обрабатываются затем в р е к о м б и н а ц и о н н о м с о с у д е , нитрованной п а р о в о й фракции, д в у х а б с о р б ц и о н н ы х колоннах и фильтрах. З а т е м г а з ы в ы п у с к а ю т с я в вентиляционную с и с т е м у . Р е к о м б и н и р о в а н н а я в результате
обработки отходящих газов кислота рециклируется.
Стекло в ы л и в а е т с я в к а н и с т р у из т у г о п л а в к о й
н е р ж а в е ю щ е й стали, к о т о р а я по ее з а п о л н е н и и зак р ы в а е т с я к р ы ш к о й и з а в а р и в а е т с я автоматичес к о й п л а з м е н н о - д у г о в о й с в а р к о й . После п р о м ы в к и
с т р у е й воды под д а в л е н и е м 250 бар к а н и с т р а пом е щ а е т с я в в е н т и л и р у е м ы й с б о р н и к для п р о м е ж у т о ч н о г о хранения.
На конец октября 1988 г. с помощью п р о ц е с с а
AVM было о с т е к л о в а н о о к о л о 1225 к у б . м е т р о в
р а с т в о р а п р о д у к т о в деления с о б щ и м с о д е р ж а н и е м
а к т и в н о с т и 250 м е г а к ю р и * . Эта м а с с а заняла 1547
к а н и с т р , с о д е р ж а щ и х о к о л о 540 тонн б о р о с и л и к а т ного стекла.
Д а н н ы й п р о ц е с с будет п р и м е н я т ь с я т а к ж е на
д в у х у с т а н о в к а х по о с т е к л о в ы в а н и ю , разработанных и п о с т р о е н н ы х фирмой SGN на м ы с е А г на
площадке заводов по п е р е р а б о т к е топлива. Эти
у с т а н о в к и п р а к т и ч е с к и идентичны: обе включают в
себя три линии о с т е к л о в ы в а н и я , к а ж д а я со с п о с о б ностью в ы п а р и в а н и я 60 литров в час и с к о р о с т ь ю
п р о и з в о д с т в а с т е к л а 25 к и л о г р а м м о в в час.
Процесс AVM принят т а к ж е на у с т а н о в к е в Селлафилде У и н д с к е й л с к о г о завода по о с т е к л о в ы в а -
нию (WVP) в В е л и к о б р и т а н и и , на к о т о р о й б у д у т работать две линии.
Процесс Памела
На у с т а н о в к е по о с т е к л о в ы в а н и ю в Памела о с у ществляется о д н о с т а д и й н ы й п р о ц е с с . Он о с н о в ы в а ется на к е р а м и ч е с к о м р а с п л а в и т е л е , из к о т о р о г о
р а с т в о р в ы с о к о а к т и в н ы х п р о д у к т о в деления подается н е п о с р е д с т в е н н о ( в м е с т е со с т е к л о м или отдельно) в р а с п л а в и т е л ь с т е к л а , г д е стадии выпаривания, к а л ь ц и н а ц и и и р а с п л а в л е н и я с о в е р ш а ю т с я
о д н о в р е м е н н о . В к е р а м и ч е с к о м р а с п л а в и т е л е применяется нагрев джоулевым теплом, поскольку
с т е к л о с т а н о в и т с я при в ы с о к и х т е м п е р а т у р а х хорошим
проводником
электричества.
Проходящий
м е ж д у п о г р у ж е н н ы м и в с т е к л о э л е к т р о д а м и перем е н н ы й ток о б р а з у е т тепло в р е з у л ь т а т е эффекта
Д ж о у л я . Р а с с е и в а е м о е р е з и с т и в н о е т е п л о поддерживает в расплавленном состоянии стекло и
расплавляет п о с т у п а ю щ и й м а т е р и а л . Т а к и е расплавители и з л а в л и в а ю т с я из о г н е у п о р н ы х и с т о й к и х
к к о р р о з и и м а т е р и а л о в . Подводимая
мощность
о б е с п е ч и в а е т с я четырьмя п а р а м и
пластинчатых
электродов lnconel-690, помещаемых в расплавителе на д в у х у р о в н я х с т е м п е р а т у р о й 1 1 5 0 - 1 2 0 0 °С
(см.
рисунок).
В ы г р у з к а с т е к л а о с у щ е с т в л я е т с я через в ы п у с к ное о т в е р с т и е на дне р а с п л а в и т е л я или с п о м о щ ь ю
воздушного барботажа, поддерживающего
слив.
*1 кюри = 37 гига-беккерелей.
Керамический расплавитель стекла с отходами (процесс Памела)
Высокоактивные отходы
.
k
.
Фритта стеклянная
Ф
Пусковые нагреватели
(нагнетательные)
Воздушный барботаж
расплавленного стекла
Транспортные болты
Пусковые нагреватели
(секция перелива)
Ящик из нержавеющей
стали
Электроды
(прямой нагрев
огнеупоров)
Силовые электроды
(резервуар для стекла)
Перелив стекла
Теплоизоляция
Сток со дна в канистру
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТАЭ, 4/1989
Источник: KfK
49
Г лавные темы
Установка по остекловыванию Памела
Выводная груба
Система дозирования
стеклянной дроби
Охладитель"
оболочки г
Абсорбер
Конденсатор
Сосуд дозирования
Струйный
Абсорбер
скруббер
N02
N02
Влажный
скруббер
Электроды
Канистра со стеклом
Конденсатный
резервуар
Вагонетка для канистр
Фильтр
Фильтр
Фильтр
со стеклянным для йода
волокном
.,
Керамическии расплавитель
HEPA
Фильтр Ii
HEPA
Воздуходувка
Обработка отходящих газов
«
Последовательность дистанционного обращения с канистрами, наполненными высокоактивными отходами
I
А
w
j
, IUI _ I III
Закрытие
канистры
крышкой
ш
Ь
fir
I" I
Регулируемое
охлаждение
ГШШЩ
Проверка
на утечку
заваренной
крышки
Очистка,
другие виды
проверки
На рисунке показаны процедуры обращения с канистрами для стекла, выполняемые на установках по остекловыванию на основе
процессов AVM и Памела. После заполнения канистры стеклом она становится объектом ряда операций, имеющих целью подготовить ее для временного хранения или окончательного захоронения. Основными операциями являются регулируемое охлаждение
заполненной канистры, заваривание крышки, проверка на утечку и очистка.
50
БЮЛЛЕТЕНЬ МАГАТАЭ, 4/1989 50
Главные темы
;чения движения лото-
чение ряда лет французский процесс AVM
j p u u a в илружаыщую иреду огхидмщие газы кераического расплавителя очищаются в многостаийной очистной с и с т е м е для таких газов. Системы
1истки отходящих г а з о в в различных процессах
дтроится в иелласрилде, оеликооритания, и она
т а к ж е будет введена в эксплуатацию в 1990 г.
Разработанный в 70-х годах процесс с к е р з м и ческим расплавите л ем принят н е с к о л ь к и м и страка-
упроцесса
Памела),
Чтобы избежать трещин в стекле и ухудшения каю т в а получаемого продукта, требуется контроль
i охлаждением. Проверка на утечку и очистка
гедотвращают
загрязнение от у с т а н о в к и
по
зтекловыванию.
С момента п у с к а у с т а н о в к и Памела в эксплуатаню в октябре 1385 г, и по май 1988 г, остекловано
шло 265 куб. метров растворов высокоактивных
тивная Республика Германия успешно э к с п л у а т и рует процесс Памела на заводе по переработке
„ Е в р о к е м и к " в Бельгии. В период 1 9 8 6 - 1 9 8 8 г г .
СССР пользовался у с т а н о в к о й по остекловыванию,
тоже работавшей по технологии с к е р а м и ч е с к и м
расплавителем. В настоящее время такие установки строятся в Саванна Риаер и Вест Веяли в Соедиценных Штатах А м е р и к и и в Токай Сайт в Японии. В
с
мгтг
фунныи
ш
прок
индустриг
и последующие годы процесс с к е р а м и ч е с к и м и
распл.авителями станет т а к и м ж е безопасным и эфi.M'f
За истекшее десятилетие в разработке методов
остекловывания высокоактивных ж и д к и х отходов
зультате обоих п р о ц е с с о в высокоактивное стекло
должно отвечать т е м требованиям к их захоронен и » , которые у с т а н о в и л и компетентные о р г а н ы для
ч
Л.
>
#
. I ''с,
1
*?•«(• Л)
•
i*
"•
,,
•
v г
•'