RU2780195C1

RU2780195C1 - Induction vitrification furnace for high level waste

Info

Publication number: RU2780195C1
Application number: RU2022106411A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Борисович Лопух; Илья Николаевич Скриган; Антон Валерьевич Вавилов; Александр Петрович Мартынов
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2022-09-20

Abstract

FIELD: melting.

SUBSTANCE: invention relates to furnaces for cold crucible induction melting, which are used for melting non-conductive materials, and can be used primarily for the immobilization of high-level wastes containing precious metals, the particles of which interfere with the normal operation of the bottom drain devices of the furnaces. The induction furnace for vitrification of high-level waste contains an inductor, a metal water-cooled crucible with a hot-type induction downcomer. The bottom part of the crucible and the inductor is made in the form of a cone. The coils of the inductor are located opposite the conical part of the crucible, and a drain device is located in the lower part of the crucible sections. The drain device is made in the form of a funnel with a thermally insulated conical part. The drain inductor is made with a reduced pitch of turns in the area of the cone of the funnel and increased in the area of the tube.

EFFECT: invention provides the best removal of precious metals with the drained glass melt, with the possibility of multiple draining of the melt without re-starting heating and restarting the furnace.

1 cl, 4 dwg

Description

Заявленное техническое решение относится к печам для индукционной плавки в холодном тигле (ИПХТ), которые используются для плавки непроводящих материалов, и в первую очередь может быть использовано для иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО), содержащих благородные металлы (БМ), частицы которых препятствуют нормальной работе донных сливных устройств печей.The claimed technical solution relates to furnaces for cold crucible induction melting (CIPCT), which are used for melting non-conductive materials, and, first of all, can be used for immobilization of high-level waste (HLW) containing noble metals (PM), the particles of which interfere with normal operation. bottom drain devices of furnaces.

Остекловывание ВАО в настоящее время представляет наиболее эффективный способ кондиционирования ВАО с возможностью последующего безопасного хранения и захоронения. Для непрерывной работы печи остекловывания необходимо надежное сливное устройство, которое на современном общепризнанном уровне представляет собой устройство донного типа с индукционным нагревом для обеспечения его длительного срока службы. Наличие БМ в расплаве стекла приводит к осаждению частиц БМ на горизонтальных участках дна холодного тигля, увеличению вязкости и электропроводности стекла в этой зоне и блокированию работы донного сливного устройства.Vitrification of HLW is currently the most effective method of conditioning HLW with the possibility of subsequent safe storage and disposal. Continuous operation of the vitrification furnace requires a reliable downcomer, which at the present state of the art is a bottom-type device with induction heating to ensure its long service life. The presence of PM in the glass melt leads to the deposition of PM particles on the horizontal sections of the bottom of the cold crucible, an increase in the viscosity and electrical conductivity of the glass in this zone, and blocking the operation of the bottom drain device.

Известна плавильная печь для остекловывания ВАО с керамическим тиглем и резистивным нагревом с помощью погружных электродов - [VEK Experiencesat Pamelaand Karlsruhe. W. Grьnewald, G. Roth, W. Tobie, K. WeiЯ, W. Wernz. EM-30 Next Generation Melter Technology Workshop, March 3-5, 2010, Washington, D.C.]. Печь состоит из керамического тигля с дном конусной формы для удаления благородных металлов, и погружных электродов для реализации прямого резистивного нагрева расплава стекла в ванне. Печь так же имеет металлическое индукционное сливное устройство горячего типа. Твердые частицы БМ имеют высокую плотность, увеличивают вязкость расплава стекла,осаждаются на дно печи и препятствуют сливу расплава. Частицы БМ шунтируют нагрев основной ванны расплава стекла погружными электродами, что ухудшает нагрев в зоне сливного устройства.Known melting furnace for vitrification HLW with a ceramic crucible and resistive heating using immersed electrodes - [VEK Experiencesat Pamelaand Karlsruhe. W. Grünewald, G. Roth, W. Tobie, K. Wei, W. Wernz. EM-30 Next Generation Melter Technology Workshop, March 3-5, 2010, Washington, D.C.]. The furnace consists of a ceramic crucible with a cone-shaped bottom for the removal of precious metals, and immersed electrodes for realizing direct resistive heating of the glass melt in the bath. The oven also has a metal hot type induction drain. Solid particles of BM have a high density, increase the viscosity of the glass melt, are deposited on the bottom of the furnace and prevent the melt from draining. PM particles shunt the heating of the main glass melt bath by submersible electrodes, which worsens the heating in the downcomer zone.

Недостатком этого устройства так же является использование керамического тигля и погружных электродов в расплаве стекла, что приводит к их растворению и снижению срока службы плавильного устройства. Поэтому, необходимо останавливать работу тяжелой, массивной печи и проводить её дорогостоящую дистанционную замену с захоронением в могильнике. The disadvantage of this device is also the use of a ceramic crucible and immersed electrodes in the glass melt, which leads to their dissolution and a decrease in the service life of the melting device. Therefore, it is necessary to stop the operation of a heavy, massive furnace and carry out its costly remote replacement with burial in a burial ground.

Также известна плавильная печь для остекловывания ВАО с металлическим тиглем и резистивными косвенными нагревателями прямого пропускания тока - [World Premiere Industrial Vitrificationof High Level Liquid Waste Producedby Uranium/Molybdenum Fuel Reprocessingin La Hague's Cold Crucible Melter. Rйgis Didierlaurent, Eric Chauvin, Jean Francois Hollebecque, Jacques Lacombe, Christian Mesnil, Catherine Veyer, Olivier Pinet. WM2014 Conference, March 2 – 6, 2014, 14035, Phoenix, Arizona, USA], содержащая металлический тигель с дном конусной формы, косвенные нагреватели сопротивления, обеспечивающие нагрев металлического тигля и стекла внутри этого тигля. Нагреватели располагаются вокруг металлического тигля и косвенным образом путем теплопередачи обеспечивают нагрев тигля и внутреннего его пространства, в том числе и расплава стекла. Нагреватели являются теплоизолированными с помощью керамической футеровки и теплоизоляции, что увеличивает массу и габариты печи. Конусная форма дна металлического тигля способствует удалению благородных металлов ВАО с расплавом стекла при его сливе. Also known is a melting furnace for vitrification of HLW with a metal crucible and resistive indirect heaters of direct current transmission - [World Premiere Industrial Vitrificationof High Level Liquid Waste Producedby Uranium/Molybdenum Fuel Reprocessingin La Hague's Cold Crucible Melter. Régis Didierlaurent, Eric Chauvin, Jean Francois Hollebecque, Jacques Lacombe, Christian Mesnil, Catherine Veyer, Olivier Pinet. WM2014 Conference, March 2 – 6, 2014, 14035, Phoenix, Arizona, USA], containing a metal crucible with a conical bottom, indirect resistance heaters that heat the metal crucible and the glass inside this crucible. The heaters are located around the metal crucible and indirectly by heat transfer provide heating of the crucible and its internal space, including the glass melt. The heaters are thermally insulated with ceramic lining and thermal insulation, which increases the mass and dimensions of the furnace. The conical shape of the bottom of the metal crucible contributes to the removal of precious metals from the HLW with the glass melt when it is drained.

К недостаткам данного устройства относятся низкий срок службы нагревателей сопротивления, обусловленный окислением провода нагревателя и контактным подведением тока/напряжения к нагревателям. Также устройство имеет другой недостаток – постепенное растворение металлического тигля в расплаве стекла. Эти два фактора снижают срок службы печи, что требует частой её замены и больших затрат на дистанционное удаление печи с громоздкой и тяжелой керамической футеровкой. Слив расплава ускоряет растворение металла горячего тигля благодаря увеличению скорости эрозии его стенок и дополнительно снижает срок службы печи.The disadvantages of this device include the low service life of the resistance heaters, due to the oxidation of the heater wire and the contact supply of current/voltage to the heaters. Also, the device has another drawback - the gradual dissolution of the metal crucible in the glass melt. These two factors reduce the lifetime of the furnace, requiring frequent furnace replacement and high costs for remote removal of a furnace with a bulky and heavy ceramic lining. Draining the melt accelerates the dissolution of the metal of the hot crucible by increasing the rate of erosion of its walls and further reduces the service life of the furnace.

Наиболее близкой к заявляемому изобретению является индукционная печь для плавки оксидных материалов и стекол, в том числе для остекловывания ВАО, содержащая индуктор, металлический водоохлаждаемый секционированный тигель с индукционным сливным устройством горячего типа, при этом донная часть тигля и индуктор выполнены в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части конуса тигля расположено сливное устройство со сливным фланцем и сливной трубкой, которая снабжена дополнительным индуктором, при этом сливной фланец выполнен сварным с нижними торцами секций тигля, а на периферии фланца выполнены радиальные разрезы для заполнения тугоплавким огнеупорным диэлектрическим материалом (Патент № 2737663 Российская Федерация, МПК G 21 F 9/16, F 27 B 14/06. Индукционная печь с холодным тиглем для остекловывания ВАО / Лопух Д.Б., Вавилов А. В., Мартынов А. П. и др.; Акционерное общество «Радиевый институт имени В.Г. Хлопина». – № 2019145192; заявл. 25.12.2019; опубл. 02.12.2020, – 10 с.). Данное устройство выбрано в качестве прототипа.Closest to the claimed invention is an induction furnace for melting oxide materials and glasses, including for vitrification of HLW, containing an inductor, a metal water-cooled sectional crucible with a hot-type induction drain device, while the bottom of the crucible and the inductor are made in the form of a cone, and the coils the inductor is located opposite the conical part of the crucible, and in the lower part of the crucible cone there is a drain device with a drain flange and a drain pipe, which is equipped with an additional inductor, while the drain flange is made welded with the lower ends of the crucible sections, and radial cuts are made on the periphery of the flange for filling with refractory refractory dielectric material (Patent No. 2737663 Russian Federation, IPC G 21 F 9/16, F 27 B 14/06. Induction furnace with a cold crucible for vitrification of HAO / Lopukh D.B., Vavilov A.V., Martynov A.P. et al.; Joint Stock Company "Radium Institute named after V. G. Khlopin" - No. 2019145192; 12/25/2019; publ. 02.12.2020, - 10 p.). This device is selected as a prototype.

Недостатком прототипа является конструкция сливного устройства в виде разрезного горизонтального фланца с приваренной к нему вертикальной трубкой. Срок службы и надежность конструкции сливного устройства ограничены коррозионной стойкостью тугоплавкого огнеупорного диэлектрического материала, которым заполнены прорези фланца. В свою очередь горизонтальная форма фланца способствует накапливанию тяжелых частиц БМ, что, со временем, приводит к закупориванию сливного отверстия и выходу печи из строя (Д. Б. Лопух, С. В. Бешта, А. П. Мартынов, А. В. Вавилов, И. Н. Скриган. Индукционная плавка кориума и варка стекла в холодном тигле. Свойства и моделирование. Санкт-Петербург, Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2021, 202 с.). При этом вышедшая из строя печь подлежит дорогостоящей дистанционной замене с полным тиглем высокорадиоактивного стекла. Таким образом, срок службы печи снижается и возрастают затраты на дистанционное удаление и захоронение холодного тигля.The disadvantage of the prototype is the design of the drain device in the form of a split horizontal flange with a vertical tube welded to it. The service life and reliability of the design of the downcomer is limited by the corrosion resistance of the refractory refractory dielectric material that fills the slots in the flange. In turn, the horizontal shape of the flange contributes to the accumulation of heavy PM particles, which, over time, leads to clogging of the drain hole and failure of the furnace (D. B. Lopukh, S. V. Beshta, A. P. Martynov, A. V. Vavilov, I. N. Skrigan "Induction melting of corium and melting of glass in a cold crucible. Properties and modeling. St. Petersburg, St. Petersburg Electrotechnical University "LETI", 2021, 202 pp.). At the same time, a failed furnace is subject to costly remote replacement with a full crucible of highly radioactive glass. Thus, the service life of the furnace is reduced and the cost of remote removal and disposal of the cold crucible increases.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является совершенствование индукционной печи с холодным тиглем для остекловывания ВАО, обеспечивающей наилучшее удаление благородных металлов со сливаемым расплавом стекла, при возможности многократного слива расплава без организации повторного стартового нагрева и нового запуска печи. The task to be solved by the present invention is to improve the induction furnace with a cold crucible for the vitrification of HLW, which provides the best removal of precious metals from the drained glass melt, with the possibility of repeated melt draining without re-starting heating and restarting the furnace.

Техническим результатом изобретения является увеличение срока службы индукционной печи для остекловывания ВАО, содержащих БМ, что позволяет снизить затраты на замену печи, то есть на изготовление новой печи, демонтаж и дополнительный монтаж оборудования.The technical result of the invention is to increase the service life of the induction furnace for vitrification of HLW containing BM, which reduces the cost of replacing the furnace, that is, for manufacturing a new furnace, dismantling and additional installation of equipment.

Указанный технический результат достигается тем, что индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов, содержащая индуктор, металлический водоохлаждаемый тигель с индукционным сливным устройством горячего типа, при этом донная часть тигля и индуктора выполнена в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части секций тигля расположено сливное устройство, выполненное в виде воронки с термоизолированной конусной частью, а сливной индуктор выполнен с уменьшенным шагом витков в области конуса воронки и увеличенным в области трубки. Остановка слива расплава обеспечивается прекращением индукционного нагрева сливного устройства и его естественным воздушным охлаждением. Срок службы предлагаемого изобретения ограничен коррозионной стойкостью сливного устройства из жаропрочного сплава. The specified technical result is achieved by the fact that the induction furnace for vitrification of high-level waste, containing an inductor, a metal water-cooled crucible with a hot-type induction drain device, while the bottom part of the crucible and the inductor is made in the form of a cone, and the coils of the inductor are located opposite the conical part of the crucible, and in at the bottom of the crucible sections there is a drain device made in the form of a funnel with a thermally insulated conical part, and the drain inductor is made with a reduced pitch of turns in the funnel cone area and increased in the tube area. The stop of the melt drain is ensured by the termination of the induction heating of the drain device and its natural air cooling. The service life of the present invention is limited by the corrosion resistance of the superalloy downcomer.

Сущность заявленного изобретения поясняется следующими фигурами: на фиг. 1 изображена схема печи ИПХТ для остекловывания ВАО с индукционным донным сливным устройством горячего типа, где а –вид печи ИПХТ сбоку, б –вид печи ИПХТ в разрезе; на фиг. 2 отдельно от холодного тигля изображено индукционное донное сливное устройство горячего типа, где а –вид сливного устройства сбоку, б – вид сливного устройства в разрезе; на фиг. 3 представлено распределение температуры в сливном устройстве при его нагреве сливным индуктор [^oC]; на фиг. 4 – распределение температуры в ванне расплава и сливном устройстве при работе основного индуктора (слева) и при одновременной работе двух индукторов, обеспечивающих слив расплава (справа) [^oC] The essence of the claimed invention is illustrated by the following figures: Fig. Figure 1 shows a diagram of the IPHT furnace for vitrifying HLW with a hot-type induction bottom drain device, where a is a side view of the IPHT furnace, b is a sectional view of the IPHT furnace; in fig. 2, separately from the cold crucible, a hot-type induction bottom drain device is shown, where a is a side view of the drain device, b is a sectional view of the drain device; in fig. 3 shows the temperature distribution in the drain device when it is heated by the drain inductor [ ^o C]; in fig. 4 - temperature distribution in the melt bath and drain device during operation of the main inductor (left) and with simultaneous operation of two inductors providing melt drain (right) [ ^o C]

Индукционная печь для остекловывания высокоактивных отходов (см. фиг. 1), содержащая индуктор 1, металлический водоохлаждаемый тигель 2 с индукционным сливным устройством горячего типа 3, при этом донная часть тигля и индуктора выполнена в форме конуса, причем витки индуктора расположены напротив конусной части тигля, а в нижней части секций тигля расположено сливное устройство (см. фиг. 2), сливное устройство выполнено в виде воронки с термоизолированной конусной частью 4, а сливной индуктор 5 выполнен с уменьшенным шагом витков в области конуса воронки и увеличенным в области трубки 6. Сливной индуктор 5 обеспечивает равномерный нагрев всего сливного устройства 3 до температуры слива расплава стекла и рабочей температуры металла сливного устройства, например, из жаропрочного сплава ХН70Ю (см. фиг. 3). Для обеспечения механической прочности печи сливное устройство соединяется с нижними торцами секций тигля с помощью сварки, образуя единую конструкцию. В качестве термоизолятора конуса сливной воронки 7 может быть использована прокаленная муллитокремнеземистая теплоизоляция марки МКТИ с рабочей температурой до 1570 ^oС. Конусное дно тигля и воронка сливного устройства обеспечивают надежный выпуск расплава стекла с частицами БМ.An induction furnace for vitrification of high-level waste (see Fig. 1), containing an inductor 1, a metal water-cooled crucible 2 with a hot-type induction drain device 3, while the bottom part of the crucible and the inductor is made in the form of a cone, and the coils of the inductor are located opposite the conical part of the crucible , and in the lower part of the crucible sections there is a drain device (see Fig. 2), the drain device is made in the form of a funnel with a thermally insulated conical part 4, and the drain inductor 5 is made with a reduced pitch of turns in the area of the funnel cone and increased in the area of the tube 6. Drain inductor 5 provides uniform heating of the entire drain device 3 to the temperature of the drain of the glass melt and the operating temperature of the metal of the drain device, for example, from heat-resistant alloy KhN70Yu (see Fig. 3). To ensure the mechanical strength of the furnace, the drain device is connected to the lower ends of the crucible sections by welding, forming a single structure. As a thermal insulator of the cone of the drain funnel 7, calcined mullite-silica thermal insulation of the MKTI brand with a working temperature of up to 1570 ^o C can be used.

В рассматриваемой печи расплав стекла нагревается высокочастотным магнитным полем основного индуктора конусной формы 1. Холодный тигель 2 состоит из металлических секций из нержавеющей стали, расположенных и закрепленных относительно друг друга с воздушным зазором, таким образом, чтобы донная часть полости тигля образовывала конус. Магнитное поле, образованное током индуктора, проникает в расплав благодаря секционированной конструкции холодного тигля, при этомсекции тигля охлаждаются проточной водой. Охлаждение секций приводит к тому, что между ними и расплавом стекла образуется слой закристаллизованного расплава «гарнисаж», препятствующий термохимическому взаимодействию расплава с секциями тигля. Основной индуктор печи запитан от транзисторного или лампового генератора с частотой колебательного контура 0,1…2,0 МГц. При остекловывании ВАО заполнение тигля расплавом стекла происходит до номинального уровня заполнения тигля. После этого производится включение многовиткового индуктора сливного устройства 3, который питается от транзисторного генератора с частотой колебательного контура 2…20 кГц. Конструкция индуктора 5 обеспечивает равномерный нагрев сливного устройства до его максимальной рабочей температуры 1250 ^оС, что обеспечивает донный выпуск расплава из печи. На фиг. 4 представлено распределение температуры в ванне расплава боросиликатного стекла и в сливном устройстве при работе основного индуктора (слева) и при одновременной работе основного и сливного индукторов (справа). Коническая конструкция тигля и части сливного устройства обеспечивает удаление частиц БМ, присутствующих в расплаве стекла. Выпуск расплава продолжается до тех пор, пока его уровень не приблизится к конической части тигля, после чего устройство слива отключается и производится повторное наплавление ванны расплава до номинального уровня. Таким образом, основной индуктор 1 работает в непрерывном режиме, а индуктор сливного устройства 5 в периодическом.In the furnace under consideration, the glass melt is heated by the high-frequency magnetic field of the main cone-shaped inductor 1. The cold crucible 2 consists of stainless steel metal sections located and fixed relative to each other with an air gap, so that the bottom part of the crucible cavity forms a cone. The magnetic field generated by the inductor current penetrates into the melt due to the sectioned design of the cold crucible, while the crucible sections are cooled by running water. The cooling of the sections leads to the formation of a layer of crystallized melt "skull" between them and the glass melt, which prevents the thermochemical interaction of the melt with the sections of the crucible. The main inductor of the furnace is powered by a transistor or lamp generator with an oscillatory circuit frequency of 0.1 ... 2.0 MHz. During HLW vitrification, the crucible is filled with glass melt up to the nominal filling level of the crucible. After that, the multi-turn inductor of the drain device 3 is turned on, which is powered by a transistor generator with an oscillatory circuit frequency of 2 ... 20 kHz. The design of the inductor 5 ensures uniform heating of the downcomer to its maximum operating temperature ^of 1250°C, which ensures the bottom outlet of the melt from the furnace. In FIG. 4 shows the temperature distribution in the borosilicate glass melt bath and in the downcomer during operation of the main inductor (left) and with simultaneous operation of the main and drain inductors (right). The conical design of the crucible and part of the downcomer ensures the removal of PM particles present in the glass melt. The release of the melt continues until its level approaches the conical part of the crucible, after which the drain device is turned off and the melt pool is re-fused to the nominal level. Thus, the main inductor 1 operates in a continuous mode, and the inductor of the drain device 5 in a periodic mode.

Благодаря предложенным конструкционным отличиям обеспечивается работа печи в непрерывном режиме без определенного ограничения срока её службы при остекловывании ВАО. Изобретение может быть использовано при реализации других технологий на основе метода ИПХТ.Due to the proposed structural differences, the operation of the furnace in a continuous mode is ensured without a certain limitation of its service life during HLW vitrification. The invention can be used in the implementation of other technologies based on the IPCT method.

Claims

An induction furnace for vitrification of high-level waste, containing an inductor, a metal water-cooled crucible with a hot-type induction drainer, while the bottom part of the crucible and the inductor is made in the form of a cone, and the coils of the inductor are located opposite the conical part of the crucible, and the drain device is located in the lower part of the crucible sections , characterized in that the drain device is made in the form of a funnel with a thermally insulated conical part, and the drain inductor is made with a reduced pitch of turns in the funnel cone area and increased in the tube area.