способ переработки металлических отходов, содержащих радионуклиды

Формула изобретения

Способ переработки металлических отходов, содержащих радионуклиды, включающий плавление отходов и разливку металла, отличающийся тем, что переработку осуществляют в две стадии, при этом на первой стадии отходы подвергают термической дезактивации на воздухе при температуре 450°С-700°С, на второй стадии проводят плавление под вакуумом со скоростью нагрева 300°С-450°С в час и затем расплав выдерживают в течение 10-20 мин и сливают в изложницу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переработке твердых отходов, преимущественно лома нержавеющей стали, загрязненного радиоактивными соединениями, преимущественно урана, и может быть использовано при утилизации материалов элементов оборудования и вспомогательных конструкций, выводимых из производств ядерного топливного цикла, и доведения остаточных содержаний радиоактивных загрязнителей в перерабатываемых материалах до кондиций, допускающих их повторное использование по нормам радиационной безопасности.

Известен ряд технологических приемов, обеспечивающих переработку твердых металлических отходов. Загрязненные детали, например, обрабатывают металлическими щетками, абразивно удаляя при этом частицы поверхности, содержащие радиоактивные загрязнители, которые собираются и захораниваются [1]. Также известен способ с применением частичного локального оплавления загрязненных металлических поверхностей под слоем воды с помощью плазмотрона. Образующиеся, при этом, застывшие капли металла, в которых содержаться радиоактивные загрязнители, отделяются и захораниваются [2].

Известны гидрометаллургические способы обработки загрязненных радионуклидами металлических поверхностей. Например, стальные детали многократно обрабатывались окислительными или восстановительными растворами [3; 4].

Электрохимические способы предполагают обработку загрязненных металлических деталей в растворах с наложением электрического тока, причем создается циркуляция раствора с прохождением последнего через фильтр, в котором отделяются радиоактивные частицы [5; 6].

Металлургические способы переработки загрязненных радионуклидами металлических отходов предполагают их компактирование переплавкой [7], либо укрытием с применением других более легкоплавких неметаллических отходов [8]. Также известно окисление загрязненных отходов (в том числе металлов) при повышенных температурах с последующим захоронением продуктов окисления [9; 10]. Описанные способы не позволяют вторично использовать обрабатываемые металлы. Близкие же к заявляемому способы основаны на переплавке металлических отходов с переводом радионуклидов в шлаки, которые легко подвергаются захоронению [11-14].

Наиболее близким к заявляемому является способ утилизации металлических отходов на основе нержавеющих сталей [15] - прототип. Способ заключается в плавлении отходов на воздухе с добавлением рафинирующих флюсов с температурой ликвидуса ниже точки плавления металлических отходов, наведении и удалении шлака и разливке металла. В качестве рафинирующей добавки используют шлак кальциетермического восстановления тетрафторида урана, состоящий из смеси оксида и фторида кальция с определенным мольным соотношением. Использование способа для переработки нержавеющей стали с целью сохранения ее свойств и достижения остаточной загрязненности, допускающей повторное использование стали по нормам радиационной безопасности (с остаточной активностью менее 300 Бк/кг), существенно ограничено.

Недостатком данного изобретения является: во-первых - ведение плавки на воздухе приводит к изменению элементного состава стали, во-вторых - применение рафинирующих добавок в виде оксида и фторида кальция, даже с использованием барботажа воздухом, за счет затрудненного массообмена не позволяют снизить остаточное содержание соединений урана до требуемого уровня, в-третьих - использование технологического шлака кальциетермического восстановления урана невозможно из-за остаточного в нем содержания соединений урана.

Задачей изобретения является снижение загрязненности радиоактивными соединениями нержавеющих сталей до уровней, допускающих повторное использование сталей по нормам радиационной безопасности.

Поставленная задача решается тем, что в способе переработки металлических отходов, содержащих радионуклиды, включающем плавление отходов и разливку металла, согласно формулы изобретения переработку осуществляют в две стадии, при этом на первой стадии отходы подвергают термической дезактивации на воздухе при температуре 450°С-700°С, на второй стадии проводят плавление под вакуумом со скоростью нагрева 300°С-450°С в час и затем расплав выдерживают в течение 10-20 минут и сливают в изложницу.

Указанная совокупность признаков является новой, неизвестной из уровня техники и решает поставленную задачу, так как предварительная термическая дезактивации отходов на воздухе при температуре 450°С-700°С позволяет окислять до высших окислов все находящиеся на поверхности соединения урана, кроме того, окислению подвергается поверхность стальных отходов, а образующиеся окислы впоследствии при проведении плавки станут основой "псевдошлака", в котором сконцентрируется основное количество загрязнителей.

Для однородности прогрева металла по всему объему тигля и для формирования "псевдошлака" на стадии плавления металла нагрев проводят со скоростью 300°-450°С, выдержка в течение 10-20 минут позволяет окончательно сформироваться слою "псевдошлака".

Способ осуществляется следующим образом.

Стальные металлические отходы, содержащие радионуклиды, окисляют на воздухе при температуре 450-700°С, затем сталь расплавляют в вакуумной индукционной печи со скоростью нагрева 300-450°С в час до температуры расплавления стали (1450°С) при интенсивном индукционном перемешивании, после чего нагрев отключают, плавку выдерживают 10-20 минут и сливают через донный разливочный стакан в изложницу. Верхняя часть расплавленной массы металла, содержащая "псевдошлак" и основные загрязнители, за счет конструкции разливочного стакана остается в тигле и удаляется из него уже в закристаллизованном виде для захоронения либо последующей более глубокой переработки.

Способ иллюстрируется следующим примером выполнения.

Партию отходов стали марки Х18Н10Т с уровнем снимаемой загрязненности 50 частиц/см² мин в количестве 450 кг предварительно подвергают термической дезактивации при температуре 650°С в печи ПН-25, далее отходы расплавляют в вакуумной индукционной печи ДР-5М. Нагрев осуществляют со скоростью 350°С/час до температуры 1450°С. После выдержки в течение 12 мин вскрывают пробку и сливают расплавленный металл через донный разливочный стакан в изложницу. В тигле оставляют 50 кг "псевдошлака" с частью металла. Данную последовательность операций с несущественными отличиями повторяли несколько раз. В итоге получено более 10 тонн металла в слитках по 200 кг каждый. Ниже в таблице приведен разброс химического состава и загрязненности металла по всем 50 слиткам.

Таблица 1
С	S	Mn	Ni	Cr	Ti	Уд. загрязненность
1.6-5.3	-	0.5-0.84	8.0-10.0	14.8-17.1	0.52-0.71	60-290 Бк/кг

Таким образом, использование данного способа позволяет осуществлять глубокую очистку от радиоактивных загрязнений и повторно использовать нержавеющую сталь.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка ФРГ №3332881, МПК G 21 F 9/28, опубл. 28.03.85 г.

2. Заявка Японии №63-33116, МПК G 21 F 9/28, опубл. 04.07.88 г.

3. Заявка ФРГ №2714245, МПК G 21 F 9/28, опубл. 02.08.79 г.

4. Заявка ФРГ №3413868, МПК G 21 F 9/28, опубл. 17.10.85 г.

5. Заявка ФРГ №3343396, МПК G 21 F 9/30, опубл. 05.06.85 г.

6. Заявка ФРГ №3507334, МПК G 21 F 9/28, опубл. 28.11.85 г.

7. Заявка Японии №63-19090, МПК G 21 F 9/30, опубл. 21.04.88 г.

8. Заявка Японии №2-60280, МПК G 21 F 9/30, опубл. 14.12.90 г.

9. Заявка Великобритании №1566156, МПК G 21 F 9/32, опубл. 30.04.80 г.

10. Заявка ФРГ №3341748, МПК G 21 F 9/32, опубл. 30.05.85 г.

11. Патент США №4591454, МПК G 21 F 9/34, опубл. 27.05.86 г.

12. Заявка ФРГ №3318377, МПК G 21 F 9/30, опубл. 22.11.84 г.

13. Заявка Японии №1-36919, МПК G 21 F 9/30, опубл. 03.08.89 г.

14. Заявка Японии №2-42432, МПК G 21 F 9/30, опубл. 29.09.90 г.

15. Патент РФ №2159473, МПК G 21 F 9/28, G 21 F 9/30, опубл. 20.11.2000 г.