автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.02, диссертация на тему:Оптимизация технологических режимов упаривания жидких отходов низкого уровня активности

Условные обозначения и сокращения.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МЕТОД УПАРИВАНИЯ И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ.

1.1 Общая характеристика метода.

1.2 Принципы формирования и виды выпарных схем.

1.3 Характеристики основных категорий ЖРО АЭС и их влияние на показатели процесса упаривания.

1.4 О процессах накипеобразования и инкрустации при упаривании.

1.5 Оценка эффективности упаривания, как основной операции по сокращению объёмов ЖРО. Предложения о путях повышения степени упаривания ЖРО.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ УПАРИВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ.

2.1 Определение растворимости в солевых системах, имитирующих ЖРО.

2.1.1 Система: Ка2С204 - NaNOз - НгО.

2.1.2 Система: NaH2P04 - NaNOз - Н20.

2.1.3 Система: Н2С2О4 - NaNOз - Н20.

2.1.4 Система, моделирующая кубовые остатки из ёмкостей ХЖО первой очереди Белоярской АЭС.

2.2 Изучение распределения азотной кислоты между жидкостью и паром в растворе: НКОз - NaNO3 (600г/дмл) -Н2О при кипении под атмосферным давлением.

2.3 Изучение процесса инкрустации при упаривании модельных и реальных ЖРО в условиях естественной и принудительной циркуляции.

2.3.1 Эксперименты на модельных растворах на опытном выпарном стенде СвНИИХМ.

2.3.2 Эксперименты на реальных ЖРО на опытно-промышленных доу-паривателях Белоярской АЭС.

2.4 Изучение процесса отстаивания пульпы нитрата натрия при её упаривании и хранении.

2.5 Изучение кинетики окисления щавелевой кислоты азотной кислотой в солевых растворах при кипении в присутствии катализатора - двухвалентного марганца.

2.5.1 Изучение влияния концентрации катализатора на константу скорости реакции.

2.5.2 Изучение влияния концентрации азотной кислоты на константу скорости реакции.

2.5.3 Изучение взаимодействия щавелевой и азотной кислот в условиях работы выпарного аппарата в непрерывном режиме при различных вариантах питания.

ГЛАВА 3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМАМ УПАРИВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, ОБРАЗУЮЩИХСЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ АТОМНЫХ РЕАКТОРОВ БЕЗ БОРНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОСТИ.

3.1 Технологические параметры первой ступени упаривания.

3.1.1 Выбор оптимального значения рИ упариваемого раствора.

3.1.2 Определение оптимальной степени упаривания.

3.2 Технологические параметры второй ступени упаривания.

3.2.1 Щелочной режим упаривания.

3.2.2 Кислый режим упаривания.

ГЛАВА 4 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОПТИМАЛЬНЫМ РЕЖИМАМ УПАРИВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ С ВЫСОКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СУЛЬФАТОВ.

4.1 Доупаривание кубовых остатков с получением солевого плава.

4.2 Доупаривание кубовых остатков перед последующим отверждением.

4.2.1 Режимы доупаривания кубовых остатков при использовании установок отверждения непрерывного действия.

4.2.2 Режимы доупаривания кубовых остатков при использовании установок отверждения периодического действия.

ВЫВОДЫ.

БЛАГОДАРНОСТИ.

Эксплуатация атомных объектов сопровождается образованием жидких радиоактивных отходов (ЖРО), подлежащих переработке с целью сокращения их объёма и надёжной изоляции радионуклидов от окружающей природной среды. ЖРО имеют различные уровни активности, но преобладающими в их общем количестве являются жидкие отходы низкого уровня активности. Объёмы этих отходов весьма велики. В частности, на один энергоблок АЭС с реакторами типа РБМК ежегодно образуется до 100.000 мА ЖРО, а на АЭС с реакторами ВВЭР - до 25.000 мЛ ЖРО. Переработка ЖРО требуют больших капитальных и эксплуатационных затрат.

Актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью сокращать эти затраты путём оптимизации применяемых и разработки новых технологий обращения с ЖРО. Цель работы.

Диссертационная работа посвящена совершенствованию одной из основных технологий переработки ЖРО - технологии упаривания. Цель работы - разработка и обоснование режимов упаривания ЖРО, обеспечивающих максимально-допустимое сокращение их объёмов перед последующим отверждением или долговременным хранением. Цель достигается изучением физико-химических свойств ЖРО и их имитаторов, что позволяет прогнозировать поведение реальных ЖРО при упаривании и рекомендовать оптимальные параметры технологического процесса. Научная новизна:

1. Предложен эффективный способ увеличения степени упаривания ЖРО путём проведения процесса упаривания в азотнокислой среде с переводом солей с ограниченной растворимостью в хорошо растворимые соединения. Способ обоснован экспериментальными исследованиями в лабораторных, стендовых и производственных условиях, а также теоретическими расчётами. Новизна способа подтверждена авторским свидетельством на изобретение.

2. Определены физико-химические свойства (растворимость, плотность и вязкость) солевых систем, имитирующих реальные ЖРО при различных режимах упаривания. Получены новые данные о кинетике окисления щавелевой кислоты азотной кислотой в кипящих растворах КаКОз и КаН2Р04 в присутствии катализатора - двухвалентного марганца. В опытах с растворами сложного состава определено влияние вида циркуляции упариваемого раствора (естественная или принудительная) на процесс инкрустации греющих поверхностей выпарных аппаратов, впервые оценена инкрустирующая способность оксалата натрия и влияющие на неё факторы. 3. На основании полученных экспериментальных данных определены параметры режимов упаривания, обеспечивающих максимально-допустимое сокращение объёмов ЖРО без образования солевых отложений на греющих поверхностях выпарных аппаратов, в трубопроводах и ёмкостях хранения кубового остатка. Разработана теоретическая модель процесса упаривания ЖРО в кислой среде. Предложены возможные варианты аппаратурно-технологических схем упаривания. Практическая ценность работы: Результаты работы использованы:

• при проектировании ГИ ВНИПИЭТ промышленных выпарных установок по переработке ЖРО Ленинградской и Игналинской АЭС, а также при предпроектной проработке режимов упаривания ЖРО судов с атомными энергетическими установками;

• при разработке совместно с СвНИИХМ и Белоярской АЭС оптимальных режимов эксплуатации опытно-промышленной выпарной установки для доупаривания кубовых остатков из емкостей ХЖО БАЭС;

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследований по обоснованию технологических режимов упаривания ЖРО, обеспечивающих максимальное сокращение их объёма перед последующим отверждением или хранением.

2. Способ увеличения степени упаривания ЖРО, основанный на проведении процесса в азотнокислой среде с переводом солей с ограниченной растворимостью в хорошо растворимые соединения.

3. Метод определения максимально-допустимой степени упаривания ЖРО с использованием солевых систем, имитирующих ЖРО.

Апробация результатов работы:

Исследования в области упаривания выполнены в рамках плановых научно-технических работ ГНЦ РФ ВНИИНМ по совершенствованию технологии переработки ЖРО энергетических и транспортных атомных реакторов.

Основные результаты работы обсуждались на следующих мероприятиях: 7

• Всесоюзном научно-техническом совещании "АЭС и безопасность окружающей среды" (Ново-Воронежская АЭС, 1977г.),

• Всесоюзном научно-техническом совещании «Защита окружающей среды и безопасность АЭС» (Воронеж, 1981г.),

• 5-ом Симпозиуме стран-членов СЭВ по обезвреживанию радиоактивных отходов (Чехословакия, Марианске Лазне, 1981г.),

• Бельгийско - голландско-советском семинаре "Обращение, переработка и хранение РАО низкого и среднего уровней активности" (Бельгия, Моль, Нидерланды, Петен, 16-24.01.1988г.),

• ТК МАГАТЭ по вопросам минимизации РАО, образующихся в ядерном топливном цикле (Австрия, Вена, МАГАТЭ, 14-18.10.1991г),

• 24'1ЛЛ Международном Симпозиуме по научным основам обращения с РАО (Австралия, Сидней, 27-31.08.2000 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы имеются 11 статей и 2 авторских свидетельства на изобретения, приведённых в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация изложена на 139 страницах машинописного текста, включает 32 рисунка и 17 таблиц. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов, списка использованной литературы из 129 наименований, а также Приложения с актами о практическом использовании результатов работы.