Спосіб піродезактивації металевих радіоактивних відходів

Изобретение (патент) относится к областям ядерной и металлургической технологий и может быть использовано для переплава шихты, полученной из металло-отходов и скрапа с наличием радиоактивного загрязнения. Известны способы рафинирования сплавов от вредных примесей и неметаллических включений, в том числе и оксидов (Воинов С.Г., Шалимов А.Г. и др. Ра финирование стали синтетическими шлаками. Изд. 2-е. М.: Металлургия, 1970). Калугин А.С. Калугина К.В. Эффективность рафинирования при переплавных процессах. - М.: Металлургия, 1988. В настоящее время эти способы рафинирования используются для дезактивации металлов и сплавов, имеющих поверхностное и объемное загрязнение радиоактивными нуклидами за счет переплава этих металлических радиоактивных отходов (МРАО) с наведением на жидкий металл активных металлургических шлаков, которые в свою очередь ассимилируют оксиды радионуклидов (Manfred Sappok/Results of melting large Quantities of radioactive steel Scrap//Nuclear technology., 1989. -Vol.86. -P.188-191; Дмитриев О.А., Стефанов-ский СВ., Князев И.А. Иммобилизация радионуклидов в шлаке при высокотемпературной переработке твердых радиоактивных отходов// В сб. Теплотехнические вопросы применения низкотемпературной плазмы в металлургии. - Магнитогорский горнометаллургический институт. - 1989. С.139-144. Основной недостаток этого способа заключается в том, что при наличии на Μ РАО значительной поверхностной загрязненности при одно- или двухцикловом переплаве часть радионуклидов с поверхности шихты переходит в объем металла, что резко снижает его потребительские качества. Наиболее близкими по технической сущности являются способ дезактивации радиоактивного железа или стального скрапа и способ обезвреживания радиоактивных отходов непостоянного состава (патент Германии №3318377, кл. С 21 F 9/30. Способ дезактивации радиоактивно загрязненного железа или стального скрапа. Загрязненный металл очищают плавлением β присутствии шлакообразующих материалов; авт.св. СССР №1597936, кл. С 21 F 9/16. Способ обезвреживания радиоактивных отходов непостоянного состава, заключающийся в том, что образующийся при плавлении хальмозный остаток диспергируют обратно в расплав и замораживают -прототип). Недостатки этих способов заключаются в том, что при наличии в качестве загрязняющих радионуклидов радиоизотопов железа и кобальта они полностью переходят в металл при переплаве, а также в значительном выделении пыли, которая содержит до 60-70% радионуклидов от их первичного содержания в поверхностном и объемном загрязнении МРАО. Последнее требует дополнительных затрат на очистку и сбор радиоактивных отходов, находящи хся в воздухе в виде аэрозолей. Поэтому технология основанная только на переплаве МРАО со значительным поверхностным загрязнением не применима. Она может быть использована только для МРАО с малой удельной активностью, которая соответствуе т работам третьего класса согласно НРБ 76/87 и ОСП 76/87. В основу изобретения поставлена задача создания способа дезактивации (пироде-зактивации) металлических радиоактивных отходов, который позволяет получать очищенный металл, пригодный для повторного использования, снижает до минимума затраты на захоронения вторичных радиоактивных отходов и затраты энергии и материалов при дезактивации обеспечивает высокую экологичность процесса за счет снижения до минимума выброса в атмосферу радиоактивных аэрозолей за счет применения взаимосвязанных металлургических операций: поверхностной дезактивации нагретой шихты в шлаке (флюсе), переплаве в индукционной печи поверхностно-дезактивированной шихты, внепечного рафинирования в ковше. Поставленная задача решается тем, что в способе дезактивации металлических радиоактивных отходов путем плавления шихты с флюсовыми добавками, согласно изобретению рафинирование металла от радионуклидов осуществляют за счет предварительной поверхностной дезактивации металлической шихты ее нагревом и обработкой в шлаково-флюсовых расплавах при температурах 500-1000°С, а также дополнительным рафинированием флюсами жидкого металла в тигле или ковше перед его разливкой, в том числе и с применением низкотемпературной плазмы. Использование описанного способа позволяет устранить основные недостатки используемых технологий - выброс радиоактивных аэрозолей в атмосферу, загрязнение металла радиоизотопами железа и кобальта при переплаве, большие затраты энергии и материалов на захоронение вторичных радиоактивных отходов. Благодаря предварительной поверхностной дезактивации металлической шихты ее нагревом и обработкой в шлаково-флюсовых смесях основная часть поверхностных радионуклидов (до 90%) переходит в шлак. Последующая плавка очищенного металла под слоем активного шлака осуществляет дальнейшее его рафинирование от радионуклидов. Окончательное рафинирование жидкого металла осуществляется в ковше перед разливкой. Применение низкотемпературной плазмы позволяет окончательно отрафинировать металл. Таким образом, благодаря применению описанной технологической схемы производится ассимиляция радионуклидов шлаком, который затем захоранивается. Устраняются операции по зачистке поверхности с применением методов, вызывающих образование аэрозолей - пескоструйная, дробеструйная зачистка и т.п. Это значительно улучшает экологическую обстановку. Перевод основной массы радионуклидов в шлаке на стадии твердой шихты предохраняет металл от загрязнения радиоизотопами железа и кобальта при переплаве. Захоронение шлака с перешедшими в него радиоизотопами не требует дополнительной его переработки, на которую обычно требуются большие затраты энергии и материалов для заключения отходов в матричные сплавы и оболочки. Предлагаемые в ряде случаев методы механической поверхностной дезактивации за счет дробеструйной (пескоструйной) обработки не применимы для скрапа, имеющего внутренние полости и из-за большого выделения пыли, которую трудно удалять из аппаратов очистки, т.е. этот процесс не приемлем по экологии. Метод химического травления (В Η И ПИЭТ) (Всесоюзный проектный и научно-исследовательский институт комплексной энергетической технологии.) сложен, требует сложного дорогостоящего оборудования, очистки водных растворов и специальных контейнеров для захоронения радиоактивного и одновременно агрессивного шлака. Поэтому поставленная задача пиродезактивации Μ РАО на первом процессе будет решаться за счет снятия поверхностного оксидного слоя и тонких металлических слоев за счет обработки нагретого до 500-800°С скрапа в расплавах активных шлаковых флюсов при температуре 500-1000°С. По этому процессу полностью подавляется выброс радионуклидов в атмосферу, они поглощаются активным шлаковым флюсом за счет растворения в нем оксидов радионуклидов. Температура флюса выбирается в зависимости от вида обрабатываемого металла. Обработку алюминиевых сплавов, имеющих температуру плавления около 600°С, следует производить при температуре 500°С. Обработку медных сплавов, с температурой плавления около 900°С, следует производить при температуре 800°С. Обработку железа и чугуна следует производить при температуре 1000°С. Недогрев шлака снижает его активность и уменьшает эффективность обработки. Перегрев шлака приводит к растворению в нем металла и его загрязнению радиоизотопами. Предлагаемый способ пиродезактивации МРАО осуществляется следующим образом. Обрабатываемый металлический скрап сортируется по химическому составу, уровню радиоактивного загрязнения и помещается в мерные корзины (бадьи). Корзины с шихтой перед окунанием в расплав активного флюса нагревают до 500-800°С. Нагретая шихта выдерживается в расплаве шлака при температуре 500-1000°С в течение 30-40 минут, при том 70-80% радиоактивного загрязнения по активности переходит в шлак. Для обеспечения эффективности поверхностной дезактивации в ванне шлаковой печи создается циркуляция расплава активного шлака за счет градиента температурного поля по высоте шлаковой печи со скоростью 0,2-0,4 м/мин. Поверхностно-дезактивированный металл загружается в плавильную печь или охлаждается и промежуточно складируется. Металл после поверхностной дезактивации подвергается второму процессу плавке в индукционной печи на воздухе с дополнительным наведением на поверхность расплава металла активного шлака, выполняющего как защитные, так и рафинирующие функции. В результате этих двух основных дезактивирующих операций остаточная радиоактивность металла будет составлять 0,05-0,1%. Из такого металла отливаются в основном слитки, которые могут быть использованы для нужд атомной энергетики и служб захоронения радиоактивных отходов.. В последнем случае очищенный металл (углеродистая сталь, чугун) используется для изготовления металлических контейнеров для захоронения высокоактивных отходов практически любого происхождения. В случае необходимости более глубокого рафинирования расплавленный металл перегревается в индукционной печи на 150— 170°С, переливается в ковш, в котором подвергается дополнительной обработке шлаками, химическими реагентами, а также низко-температурной плазмой за счет применения плазмотронов. При обработке плазмой часть химических реагентов может вводиться в расплавленный металл с плазменной струей. Технология по данному изобретению реализуется следующим образом. Металлический скрап из МРАО сортируется по составу и уровню радиоактивности согласно норм НРБ76/87 и ОСП-72/87. Подготовленная шихта из скрапа укладывается в мерные корзины; вес шихты стальных или чугунных отходов 100-200 кг. Для проведения поверхностной дезактивации шихта в корзинах подогревается в электротермической печи до 800°С и в этом нагретом состоянии вынимается из печи и погружается в ванну расплавленного шла* ка-флюса, температура которого 1000°С. В качестве шлака-флюса использован оксидный состав SIO2 – Na2О - РbО – В2О 3 - ΖnΟ. В ванне расплава шлака-флюса шихта выдерживается 30 минут, в результате чего с поверхности металлической шихты удаляется от 75 до 90% радионуклидного загрязнения по следующим радиоактивным изотопам: церий-144, цезий-137, стронций-90, плутоний-241, америций-241. Поверхностно дезактивированная шихта поступает на переплав в индукционную печь, в процессе плавки которой наводится покровный и рафинированный металлургический шлак следующего состава: SIO2 -СаО МnО – АІ 2О3 - Na2 O - CaF2. После переплава шихты в индукционной печи, где происходит процесс объемной дезактивации, перегревом металла для интенсификации процесса ассимиляции радионуклидов на 150-200°С для МРАО с низким и средним загрязнением (по бета-активности) от 100 кБк/кг до 1000 кБк/кг, остаточная активность составляет 0,1-1,0%. В случае более высокой остаточной активности при переплаве (>1,0%) расплав рафинируемого металла подвергается в тигле печи или в ковше 10-15 минутной обработкой аргоновой плазмой с помощью плазмотрона мощностью 5 кват с введением химически активных реагентов: СаF2, СаО, СаС и др. В этом случае достигается рафинирование сталей и чугунов до степени остаточной активности ниже 0,1 %. Ме талл становится пригодным для использования в народном хозяйстве. Благодаря применению описанного способа обеспечивается стабильный характер процесса глубокой пиродезактивации МРАО, обеспечивается высокая экологичность процесса за счет снижения до минимума выброса в атмосферу радиоактивных аэрозолей. Кроме этого продуктом вторичных радиоактивных отходов является шлак-флюс, который в процессе затвердевания остекловывается и не требует специальных мер и средств по захоронению.