CC BY
75
УДК 621.039.736
В.И. Гуменюк, В.Н. Ломасов, А.В. Моторный, А.Р. Коробицын
ТЕХНОЛОГИЯ ПЛАВЛЕНИЯ РАДИОАКТИВНОГО МЕТАЛЛА С ЦЕЛЬЮ ПЕРЕВОДА ОСНОВНОЙ ЧАСТИ РАДИОНУКЛИДОВ В ШЛАК
В современном мире по прежнему одной из актуальных проблем остается утилизация металлических радиоактивных отходов (МРО) с целью перевода основной части радионуклидов в шлак и повторного использования пригодного металла для промышленности
В результате деятельности предприятий атомного комплекса, реализации оборонных программ, использования в народном хозяйстве источников ионизирующего излучения в хранилищах ФААЭ России хранится около 10 млн т радиоактивных ломов, загрязненных металлоконструкций и специальной техники с суммарной активностью не менее 10 млн Ки. Ежегодная наработка радиоактивных ломов на российских АЭС оценивается в размере 1 тыс. т.
Основная технология переплава загрязненного радионуклидами сплава железа в настоящее время — переплав в индукционных и дуговых электрических печах. Переплав цветного металла в дуговых электрических печах в небольших маштабах практикуется фирмами Studsvik (Швеция) и BNFL (Великобритания). Черный металл и нержавеющую сталь в дуговой печи переплавляет фирма INFANTE (Франция). Плавка в дуговой печи имеет преимущества перед плавкой в индукционной печи в силу значительно лучшего прогрева шлака и, как следствие, возможности широкого варьирования его состава. Но плавка сплавов железа в индукционных печах дает меньший выброс газов и пыли из плавильного пространства. К тому же плавильный тигель индукционной печи можно оснастить эффективным укрытием и отсосом газов, что затруднительно для дуговой печи. Кроме того, электрическая дуга вызывает испарение металла и шлака.
Существующие способы переплава загрязненного радионуклидами стального скрапа в электрических индукционных печах малотоннажны, а также имеют недостаток, присущий индукционным печам: для расплавления и на-
грева до необходимой температуры шлака требуется разогреть и расплавить металл; от него шлак получает тепло.
Переплав стального скрапа на чугун в шахтной печи типа вагранки позволит уменьшить температуру процесса и обеспечить постоянное и непрерывное (несколько недель, месяцев) его течение с первоначальным расплавлением шлака и поверхностных загрязненных слоев скрапа.
Отходящие газы, образующиеся при сгорании топлива (кокс и уголь), не могут содержать радионуклиды скрапа. В газах может быть пыль, образовавшаяся при трении и ударах кусков скрапа, и возгоны из жидких металла и шлака. Но процесс плавления и температурный режим можно организовать с минимизацией этого.
В этой связи интересно исследовать данный плавильный процесс для перевода радионуклидов в жидкий шлак с образованием чугуна. Производительность современных вагранок позволит на одном заводе сконцентрировать переплав всех стальных МРО, накопленных и образующихся в России и в мире.
Методика эксперимента и оборудование
Лабораторное исследование переплава стали, загрязненной радионуклидами, имеет целью показать эффективность перехода радионуклидов из поверхностных слоев скрапа в жидкий шлак при плавлении с образованием чугуна в соответствии с ГОСТ Р 51713—2001 «Слитки черных и цветных металлов. Допустимые уровни удельной активности гаммаизлучающих радионуклидов», без заметного радиоактивного загрязнения отходящих газов. Для исследования применен процесс плавления в тигле. Характерное для противоточной шахтной печи движение шихты и газов имитировано путем послойного расположения в тигле материалов: шлакообра-зующих — внизу, нарезки радиоактивной стали — над ними, углеродосодержащий материал — между ними.
Образцы сплавов железа готовили из смеси стали Х18Н10Т, облученной на циклотроне МГЦ-20, и загрязненной стали из хранилища.
Радионуклиды в нержавеющей стали получаются в результате ядерных реакций. Радио-нуклидный состав облученных образцов зависит от содержания компонентов в сплаве, времени облучения, периода полураспада радионуклидов и сечения (вероятности) захвата протонов. В нашем случае наиболее вероятны следующие реакции:
5Фе(р,й)56Со 58№(р,2й)57Со 52Сг(р,й)52Мп 48Б(р,й)48У
Радионуклидный состав образцов до и после переплавки определялся по наиболее интенсивным гамма-линиям. Сведения о характеристиках гамма-спектров анализированных нуклидов приведены в табл. 1.
Измерения спектров гамма-излучения сплавов до и после переплавки, а также спектров излучения образовавшихся шлаков проводили с использованием полупроводникового детектора, обладающего высоким разрешением, что позволило достаточно точно определять изотопный состав образцов до и после переплавки.
Подготовка образцов и плавка
Для переплавки образцы сплавов железа смешивали с шихтой различного состава. Состав шихты выбирался на основе имеющегося у авторов опыта; он приведен в табл. 2.
Для всех составов масса стали составляла 4 г, графита — 0,5 г.
В работе использовали реактивы следующей квалификации: магнезия MgO — «Ч»; мел СаС03 — «Ч»; окалина Fe2Oз — «ЧДА»; сода безводная — №2С03 — «Ч»; кварцевый песок SiO2 — «Ч»; корунд А1203 — «Ч»; углерод С — БАУ-А ГОСТ 6217; бура — марка Б ГОСТ 8429-77.
В графитовые тигли типа АТ 4/0 помещали шихту в соответствии с табл. 2, добавляли уголь, насыпали металлические отходы, кусочки нержавеющей стали и облученную фольгу. Спектр гамма-излучения измеряли с использованием полупроводникового детектора.
Облучение образцов стали Х18Н9Т проводили на циклотроне протонами с энергией 18 МэВ током 15 мкА в течение 24 часов. Далее облученные образцы разрезали на несколько частей и подбирали кусочки с примерно одинаковой активностью.
Подготовленные к плавке образцы в графитовых тиглях помещали в алундовые тигли КТЦ-
Таблица 1
Ядерные характеристики радионуклидов (выделены аналитические гамма-линии)
Период Энергия Относительная
Радионуклид полураспада, гамма-линий, интенсивность гамма-линии
сут кэВ (фотон/распад), %
56Со 77,3 846,8 99,96
1037,9 14,1
1175,1 2
1238,3 66
1360 4,3
1770 15,5
2034 7,76
52Мп 5,6 744,2 90,4
935,5 94,9
1333,6 5,1
1434 100
48V 15 983,5 100
944,1 7,75
1312,1 99,98
Таблица 2
Составы шихты для переплавки образцов (масса в г)
№ п/п Содержание (масса), г
Si о2 СаС03 со3 Бура Р"е2°3 А12°3 Mg0
1 1 1,66 - - - -
2 1 1,66 0,1 - - -
3 1 1,66 - 0,1 - -
4 1 1,66 - - 0,05
5 1 1,66 0,1 - 0,1 -
6 0,9 1,66 - - - 0,1
7 0,9 1,66 0,1 - - 0,1
8 1 1,56 - - - - 0,1
9 1 1,56 0,1 - - - 0,1
10 0,9 1,56 0,1 - 0,1 0,1 0,1
30 с целью сохранения образцов в случае возможного разрушения графита в процессе плавки.
Плавку осуществляли в хромит-лантановой электропечи, позволяющей развивать температуру до 1750 °С. Управление нагревом осуществляли с помощью регулятора УА^А-407. Температура переплавки образцов была выбрана равной 1500 °С.
Подготовленные образцы помещали в холодную печь. Программа разогрева печи для всех образцов была одинаковой. По достижении температуры в 1500 °С образец выдерживали при этой температуре в течение часа. После этого печь остывала естественным путем.
Тигель после охлаждения разбивали, а спекшийся образец помещали в металлическую «ступку» и раскалывали. Получившиеся обломки чугуна и шлака разделяли путем магнитной сепарации. Образец чугуна был монолитным, а шлак представлял собой порошок.
Радионуклидный состав разделенных таким образом металла и шлака определялся путем измерения спектров гамма-излучения с использованием полупроводникового детектора.
Полученные результаты приведены в табл. 3. Анализ изменения состава металла после переплава проводился по наиболее отчетливым спектрам изотопов 48У, 52Мп и 56Со.
Таблица 3
Изотопный состав и активность образцов и шлаков после переплавки
Номер Масса металла Ток датчика радиоактивности, нА Содержание нуклида в металле после переплава % к общему
образца после переплава, г Металл Отходы Доля активности в металле, % 52М 56Со 48V
1 3,492 63,4 15,7 80 76 80 78
2 3,208 51,3 13,1 80 77 82 78
3 3,143 61,5 15,0 80 32 82 59
4 3,173 60,5 17,3 78 43 100 79
5 3,198 51,1 12,3 81 45 100 78
6 3,360 57,2 13,9 80 45 100 75
7 3,088 57,7 12,0 83 39 79 67
8 3,482 57,3 14,1 80 45 80 87
9 3,251 122 31,3 80 41 100 80
10 3,084 71,5 18,7 79 42 99 65
Измерения активности образцов и содержания радионуклидов в металле проводились в два этапа.
На первом этапе активность образцов и получившегося шлака оценивалась по датчику доз-калибратора РИС-1А, который оборудован ионизационной камерой. Прибор измеряет ионизационный ток камеры, а микропроцессор пересчитывает это значение в единицы радиоактивности в соответствии с заложенными в память прибора коэффициентами. На мониторе прибора результаты измерения могут быть представлены в единицах тока (пА или нА) и в единицах радиоактивности (мКи или МБк) для выбранного нами радионуклида.
В нашем случае мы измеряли активность смеси радионуклидов и не могли выделить этим прибором отдельный нуклид. Эти измерения проводились с целью получения оперативных сведений о возможности перевода части радионуклидов в шлак.
Поскольку выполненные таким образом измерения показали, что часть активности переходит в шлак, последующие измерения проводились с применением ППД, что позволило с точностью ±5 % определить радиоизотопный состав металла и шлака.
В последних столбцах табл. 3 приведены данные по содержанию трех изотопов в металле в процентах от общего их количества в соответствующем образце.
Измерение активности отходящих газов (как и сравнение активности образцов до и после переплавки) показало, что отходящие газы не радиоактивны.
Анализ приведенных результатов показывает, что введение буры, соды и корунда позволяет вывести в шлак значительную часть радиоактивного марганца и ванадия, в то время как кобальт в основном остается в металле.
Полученные результаты говорят о том, что при использовании переплавки для удаления радионуклидов из металла необходимо подбирать состав шихты в соответствии с предварительным радиоизотопным анализом.
Загрязненные радионуклидами сплавы железа разнородны по составу радионуклидов, по причинам загрязнения, по расположению загрязнений и по своему химическому составу.
Состав и расположение радионуклидов в сплавах во многом связан с причинами загрязнения. Например, состав и расположение радионуклидов в сплавах при наведенной радиоактивности, в одном случае, в ядерном реакторе и, в другом случае, в бурильных трубах с отложениями природных веществ не имеют ничего общего между собой.
По мере развития атомной энергетики и горнодобывающей отрасли все больше накапливается конструкционных и низколегированных сталей, загрязненных (в основном поверхностно) радионуклидами разнообразного состава. Переплав таких сталей с переводом большей части радионуклидов в шлак должен быть экономически выгодным, чего можно достичь, упростив (не в ущерб безопасности) технологию переплава и конструкции установок, а также увеличив масштаб производства примерно на порядок по сравнению с настоящим временем.
Технология переплава в шахтной противо-точной печи типа модернизированной вагранки позволит достичь указанной цели. Причины этого — в применении для плавления металла кокса, угля, антрацита взамен электроэнергии, уменьшение температуры ведения плавки (ввиду получения жидкого чугуна, а не стали), использование дешевых шлакообразующих материалов, более дешевого оборудования, чем у электрических печей, в большем масштабе производства (до десятков и сотен тысяч тонн чугуна в год). К большому экономическому эффекту и повышению безопасности работы может привести уменьшение либо полный отказ от дезактивации металла перед переплавом. Такую возможность необходимо исследовать на опытной установке.
Безопасность процесса может повышаться за счет относительно низких (1400—1500 °С) температур плавления, что уменьшает переход в газовую фазу радионуклидов, а также очистки газа в шахте печи при его прохождении через слой шихты, которая содержит кокс и уголь, являющиеся сорбентами. Вся установка, включая газоочистку, должна быть герметичной и газоплотной. Содержание радионуклидов в газах и пыли, выход газа и пыли целесообразно измерять на опытной установке при переплаве образцов реальной шихты.
Наш эксперимент по плавке металла и его взаимодействию со шлаком в результате дал металл с составом, характерным для чугуна. Полученные результаты позволяют предположить, что опытная промышленная установка должна представлять собой вагранку. Применение вагранки для переплава стальных малорадиоактивных отходов потребует модернизации ее конструкции и оборудования, доработку технологии плавки с учетом требований, предъявляемых при их переплавке. Одно из основных требований — газоплотность вагранки и безопасная эффективная очистка отходящих газов. Это может быть достигнуто приданием конструкции и оборудованию вагранки некоторых элементов, присущих современной доменной печи, включая: стальной газоплотный сварной корпус; горн с возможностью накопления в нем расплавленных чугуна и шлака; высокостойкую футеровку; водяные охлаждения элементов конструкции;
шлюзовое загрузочное устройство; эффективную очистку отходящих газов (в том числе и от шлюзового загрузочного устройства) в газоплотной сухой газоочистке;
устройства для механизированного вскрытия и заделки лётки выпуска чугуна и шлака;
укрытие мест выпуска чугуна и шлака и мест их обработки, сухую очистку аспирируемого воздуха.
Шлакообразующие материалы ваграночной плавки — это зола топлива (кокса, угля, антрацита), флюсы (известняк и доломит) и добавки для придания шлаку нужных свойств (например, плавиковый шпат, окалина и прочие). Необходимые свойства затвердевшего шлака — прочность, отсутствие саморассыпания, нерастворимость в воде и агрессивных средах.
В чугуне (без применения в шихте ферросплавов) будет содержаться примерно 4,5 % углерода и сотые доли процента кремния. Количество марганца, хрома, никеля, титана и других элементов будет зависеть от химического состава металлической шихты. Можно ожидать содержание серы 0,03-0,05 %, фосфора — до 0,1 %. Таким образом, получающийся «синтетический» чугун будет отличаться от доменного в основном по кремнию, марганцу и легирующим элементам, тем не менее он будет ценным
товарным продуктом (его цена во многом будет определяться содержанием легирующих элементов).
В шлаке, как указывалось выше, соотношение кремнезема и оксида кальция будет около единицы, что обеспечит его требуемые свойства. Количество остальных окислов и соединений будет зависеть от конкретной шихты.
Переплав загрязненных радионуклидами сплавов железа на чугун в модернизированной вагранке будет проводиться по технологической схеме, включающей следующие операции:
загрузку и подготовку поступающего радиоактивного металла (прием, разгрузка, дезактивация, разделка, разделение по видам и фракциям, сушка, хранение);
прием технологического топлива, флюсов и добавок, их подготовку и хранение;
дозирование шихтовых материалов перед загрузкой в плавильную печь;
загрузку шихтовых материалов в плавильную печь через шлюзовое устройство;
плавку шихты в печи (модернизированная вагранка);
выпуск из печи продуктов плавки (жидкие чугун и шлак);
разделение жидких чугуна и шлака в желобе; разливку чугуна в чушки «на плацу» либо (при большом объеме производства) на специальной разливочной машине;
складирование чугунных чушек (развес примерно по 12-15 кг) в насыпном штабеле; разливку шлака в футерованные приямки; механизированное дробление застывшего шлака;
загрузку дробленого шлака в контейнеры и хранение их на отгрузочном складе;
сухую газоочистку отходящего из вагранки газа и аспирируемого воздуха;
загрузку пыли газоочистки и аспирации, пыли и мелочи от разделки и дезактивации скрапа, а также пыли от дробления шлака в плавильную печь (возможно, с комкованием пыли).
Выполненный в работе эксперимент показал, что в результате переплавки радиоактивного металла можно перераспределить радионуклиды между шлаком и выплавленным металлом.
Этот результат получен на примере радионуклидов 48У, 52Мп и 56Со. Количество и состав
перешедшей в шлак примеси зависит от состава шихты.
Наличие радионуклидов в составе отходящих газов не обнаружено.
Полученные результаты свидетельствуют, что при использовании переплавки для удале-
ния радионуклидов из металла необходимо проводить предварительный анализ радиону-клидных загрязнений с применением ядерно-спектрометрической аппаратуры высокого разрешения и подбирать в соответствии с этим состав шихты.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Круглов, А.К. Как создавалась атомная промышленность в СССР [Текст] / А. К. Круглов.— М.: ЦНИИАТОМИНФОМ, 1995.— 380 с.
2. Андрюшин, И.А. Укрощение ядра. Страницы истории ядерного оружия и ядерной инфраструктуры СССР [Текст] / И.А. Андрюшин,
А.К. Чернышев, Ю.А. Юдин.— Саров, Саранск: Типография «Красный Октябрь», 2005.— 481 с.
3. Ключников, А. А. Радиоактивные отходы АЭС и методы обращения с ними [Текст] /
A.А. Ключников, Э.М. Пазухин, Ю.М. Шигера,
B.Ю. Шигера.— Чернобыль, 2005.— 495 с.
