CC BY
74'Промышленная экология
УДК 621.039.73
СОЗДАНИЕ НА ФГУП «ПО «МАЯК» НОВОГО ПЛАВИТЕЛЯ С ДОННЫМ СЛИВОМ ДЛЯ ОТВЕРЖДЕНИЯ ВАО В БОРОСИЛИКАТНОЕ СТЕКЛО В РАМКАХ НОВОГО КОМПЛЕКСА ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ
CREATION AT FSUE «MAYAK PRODUCTION ASSOCIATION» A NEW MELT WITH BOTTOM DRAIN FOR IMMOBILIZATION HLW IN BOROSILICATE GLASS WITHIN THE FRAME OF A NEW VITRIFICATION FACILITY
DOI: 10.24411/9999-046A-2020-11034
Шайдуллин С. М.1'2, лаборант химико-технологических исследований, аспирант
Shaidullin S. M.1'2, laboratory assistant for chemical and technological research, graduate student
Козлов П. В.2'3, начальник лаборатории, к.т.н., доцент
Kozlov P. V.2'3, head of the laboratory, Ph.D., associate professor
Ремизов М. Б.2, ведущий инженер, к.т.н. Remizov M. B.2, leading engineer, Ph.D. Мелентьев А. Б.2, инженер-технолог, к.т.н. Melentyev A. B.2, engineer-technologist, Ph.D. Бендасов Д. И.2, ведущий инженер-конструктор Bendasov D. I.2, leading design engineer Вербицкий К. В.2, инженер-технолог Verbitsky K. V.2, engineer-technologist Чермных А. А.2, руководитель группы Chermnykh A. A.2, team leader Ребрин М. А.2, руководитель группы Rebrin M. A.2, team leader 1 Северский технологический институт НИЯУ МИФИ, 636036, г. Северск, Томской обл., пр-т Коммунистический, 65
1 Seversk Technological Institute, NRNU MEPhI, 636036, Seversk, Tomsk Region, Kommunistichesky Ave, 65
2 ФГУП «Производственное объединение «Маяк», 456784, г. Озерск, Челябинской обл., пр-т Ленина, 3, e-mail: cpl@po-mayak.ru
2 Federal State Unitary Enterprise Production Association Mayak, 456784, Ozersk, Chelyabinsk Region, 3, Lenin Ave
3 Озерский технологический институт НИЯУ МИФИ, 456783, г. Озерск, Челябинская обл., пр-т Победы, 48
3 Ozersk Technological Institute, NRNU MEPhI, 456783, Ozersk, Chelyabinsk region, 48, Peremohy ave
Описана текущая состояние технологии остекло-вывания ВАО на радиохимическом производстве ФГУП «ПО «Маяк». Рассмотрены концептуальные и технические решения по развитию технологии остекловывания различных видов жидких ВАО на предприятии. Описаны основные технические отличия перспективного малогабаритного плавителя от установок, эксплуатировавшихся на предприятии ранее. Представлены основные результаты проведенных в 2018—2019 годы испытаний первого опытного образца плавителя и перспективы продолжения работ в данном направлении.
The current state of the HLW vitrification technology at the radiochemical production of FSUE «Mayak PA» is described. The conceptual and technical solutions for the development of vitrification technology of various types of liquid HLW at the enterprise are considered. The main technical differences of a promising small-sized melter from installations previously operated at the enterprise are described. The main results of the years 2018—2019 are presented tests of the first prototype of the melter and the prospects for continuing work in this direction.
Ключевые слова: высокоактивные отходы, алю-мофосфатное стекло, боросиликатное стекло, эвакуируемый плавитель
Keywords: high-level waste, aluminophosphate glass, borosilicate glass, evacuated melter
В настоящее время основной технологией отверждения высокоактивных отходов, получившей признание в мире, является остекловывание. На ФГУП «ПО «Маяк» данный способ применяется в промышленном масштабе с 1987 году. Иммобилизация жидких ВАО радиохимического производства в устойчивый матричный материал происходит на неэва-куируемых плавителях прямого электрического нагрева типа ЭП-500. За прошедший период времени на предприятии отработали расчетный срок и были выведены из эксплуатации четыре подобные печи. В 2010 году была остановлена печь ЭП-500/4. В результате работы данных печей за 15,3 года (эффективное время эксплуатации оборудования) было отверж-дено 28 600 м3 ЖРО с получением 6200 т высокоактивного алюмофосфатного стекла, содержащего радионуклиды, суммарная активность которых на момент отверждения составляла около 640 млн Ки (рис. 1) [1].
С 27 декабря 2016 года введена в эксплуатацию на жидких ВАО пятая промышленная электропечь ЭП-500/5. Проектный срок ее эксплуатации составляет 6 лет, производительность по стеклу — до 720 т/год (100 кг/ч), по раствору — 350 л/ч, масса — 130 т, введение флюсующих добавок — жидком виде.
Электропечь ЭП-500/5 является результатом глубокой модернизации предыдущих печей (рис. 2). Изменения конструкции направлены, в первую очередь, на продление ресурса печи (у предыдущих печей проектный срок эксплуатации составлял 3 года) путем усиления коррозионной стойкости наиболее нагруженных элементов печи (огнеупорных материалов ванны и свода, токоподводов), модернизации системы охлаждения и т. д.
На ЭП-500/5 к настоящему времени переработано более 6,365 тыс. м3 высокоактивных растворов суммарной активностью более 148 млн Ки, локализованных в 1483 т алюмо-фосфатного стекла.
Тем не менее на радиохимическом производстве остаются актуальными и требуют решения следующие задачи развития технологии остекловывания:
1) обеспечение возможности отверждения всех видов образующихся жидких ВАО;
1987-1988 1991-1997 : 2001-2006 2006-2010 2016—...
февраль—февраль январь—январь июнь—февраль декабрь—август декабрь—...
ЭП-500/2 ЭП-500/1-р ЭП-500/3 ЭП-500/4 ЭП-500/5
1 тыс. м3 ВАО 11,5 тыс. м3 ВАО 8 тыс. м3 ВАО 8,1 тыс. м3 ВАО > 6,3 тыс. м3 ВАО
162 т стекла 2200 т стекла 1800 т стекла 2040 т стекла > 1483 т стекла
4 млн КИ 282 млн КИ 175 млн КИ 182 млн КИ > 148 млн КИ
Рис. 1. Результаты эксплуатации печей остекловывания ВАО на ФГУП «ПО «Маяк»
Рис. 2. Неэвакуируемая печь прямого электрического нагрева ЭП-500/5 1 — сливные устройства; 2 — молибденовые электроды; 3 — переточное окно; 4 — питатели; 5 — свод; 6 — газоход; 7 — водоохлаждаемые токоподводы; 8 — бакоровая кладка; 9 — шамотная кладка
2) внедрение технологии, обеспечивающей возврат остеклованных ВАО от переработки зарубежного ОЯТ в страну происхождения;
3) обеспечение возможности отверждения извлекаемых из долговременных хранилищ накопленных ВАО (растворов и пульп);
4) переход от неэвакуируемых плавителей к малогабаритным удаляемым установкам.
Указанные задачи должны быть решены в ходе создания нового комплекса остекловывания (НКО). Основные потоки ЖРО, подлежащие отверждению методом остекловывания:
1) жидкие ВАО от переработки ОЯТ энергетических реакторов, а также продукты их возможного фракционирования;
2) жидкие ВАО от переработки специфических видов ОЯТ;
3) жидкие ВАО, накопленные в ходе реализации оборонной программы, извлекаемые из долговременных емкостей-хранилищ (растворы, гид-роксидносолевые пульпы, перлитные пульпы).
Электропечь ЭП-500/5 является последним неэвакуируемым плавителем данного типа. Следующие за ней электропечи должны будут иметь предусмотренную проектом процедуру демонтажа, разборки и удаления для обеспечения соответствия природоохранному законодательству и снижению издержек при создании новых установок за счет использования значительной части инфраструктуры.
Ориентировочно в 2025 году в работу должен быть запущен новый комплекс остекловывания, универсальный по составу отверждаемых ЖРО. Согласно разработанной концепции нового комплекса остекловывания в его составе предполагается использование следующих плавителей:
— два эвакуируемых плавителя прямого электрического нагрева на алюмофосфатном стекле с производительностью по упаренному раствору 400 л/ч каждый, работающие последовательно;
— эвакуируемый малогабаритный плавитель прямого электрического нагрева на боросили-катном стекле с производительностью по упаренному раствору около 20 л/ч, либо малогабаритный высокочастотный индукционный плавитель с «холодным» тиглем (ИПХТ). Схема нового комплекса остекловывания представлена на рис. 3.
Основная часть текущих ВАО с наименее проблемным составом — рафинаты от переработки ОЯТ современных энергетических реакторов (ВВЭР, РБМК) и от реакторов АМБ (кроме потока с высоким содержанием молибдена), а также продукты их возможного фракционирования — должна отверждаться в боросиликатное стекло.
Более сложные по составу отходы (растворы от переработки накопленных ВАО; рафинаты от переработки ОЯТ реакторов АМБ с высоким содержанием молибдена; сульфатсодержащие ВАО; растворы, содержащие большие количества таких проблемных элементов, как хром, никель, желе-
1
Рис. 3. Состав нового комплекса остекловывания
зо и др.) должны включаться в алюмофосфатное стекло. Использование алюмофосфатного стекла для отверждения данных групп отходов обусловлено присутствием в них вышеупомянутых компонентов, по содержанию которых в боросиликат-ных стеклах имеются более жесткие ограничения. Так, в алюмофосфатное стекло потенциально (как показывают исследования) можно включить в три раза больше сульфат-иона, чем в боросили-катное. При этом основные свойства стекла сохраняются.
Плавитель предназначен для варки боросили-катного стекла, характеризующегося (по сравнению с алюмофосфатным стеклом) рядом преимуществ: значительной емкостью по отношению к продуктам деления, химической и радиационной стойкостью, устойчивостью к раскристалли-зации [2]. В то же время боросиликатное стекло отличается более высокой температурой варки (1100-1200 °С).
В отличие от печей типа ЭП-500, опытный плавитель представляет собой малогабаритную печь остекловывания прямого джоулевого нагрева мощностью 250 кВт. Конструкция плавителя предполагает удаление печи после выработки срока службы в контейнер (ТУК). Внешний корпус плавителя изготовлен из нержавеющей стали, электроды - из коррозионностойкого хро-моникелевого сплава. Охлаждение электродов и пода печи осуществляется осушенным сжатым воздухом.
Варочная огнеупорная ванна плавителя имеет воронкообразную форму, изготовлена из керамических блоков с дополнительной теплоизоляцией (рис. 4). Плавитель оборудован донным сливным устройством с фильерой, нагреваемой ин-
дукционным способом (рис. 5). Система охлаждения установки индукционного нагрева — водяная, двухконтурная. Остекловывание происходит в процессе расплавления стеклофриты и ее сме-
Рис. 4. Форма огнеупорной ванны плавителя
Рис. 5. Донное сливное устройство с фильерой, нагреваемой индукционным способом
Таблица
Оксидный состав стеклофриты
Компонент SÍÜ2 B2O3 AI2O3 CaO Na2O MgO
Содержание, % 49,1 21,5 4,1 4,9 19,9 0,6
шения с модельным раствором ВАО. Слив стекломассы в бидон осуществляется при разогреве фильеры. Бидон поджимается к сильфонному компенсатору для исключения загрязнения камеры печи. Остановка слива осуществляется при одновременном отключении индуктора и подаче охлаждающего воздуха в специально организованные полости конструкции.
В 2018—2019 годах проведена обкатка всех основных и вспомогательных систем стенда опытного плавителя. Осуществлены мероприятия по сушке кладки и загрузке стеклофриты, разогреву и наплавлению стекломассы. Состав использованной в ходе испытаний стеклофриты представлен в таблице.
Проведен запуск стенда для проведения испытаний конструкции плавителя и отработки технологии варки стекла. Получены теплофизические данные кладки и изучены электрические параметры работы плавителя. Отработаны системы
контроля и управления технологическим процессом, охлаждения конструктивных элементов плавителя, загрузки стеклофриты и растворов, слива стекломассы. Общая продолжительность испытаний составила 285 суток.
По итогам испытаний произведена разборка плавителя, оценка коррозионных, термических, механических повреждений конструктивных элементов.
В настоящее время идет создание второй, доработанной с учетом проведенных испытаний версии малогабаритного удаляемого плавителя. Переработана конструкция и материалы огнеупорной кладки печи, узлы подачи стеклофриты и растворов, отдельные элементы систем охлаждения, сливного устройства, контроля уровня расплава и температуры. Испытания нового образца малогабаритного плавителя запланированы на 2020 год.
Список использованных источников
1. Козлов П. В., Ремизов М. Б., Беланова Е. А., Власова Н. В., Орлова В. А., Мартынов К. В. Модификация состава алюмофосфатных стекол с имитаторами ВАО для повышения их устойчивости. Влияние модификаторов на вязкость и кристаллизационную способность расплавов // Вопросы радиационной безопасности. — 2019. — № 1. — С. 3—15.
2. Алой А. С., Трофименко А. В., Кольцова Т. И., Никандрова М. В. Физико-химические характеристики остеклованных модельных ВАО ОДЦ ГХК // Радиоактивные отходы. — 2018. — № 4 (5). — С. 67—75.
