[go: up one dir, main page]

RU2846581C2 - Method of processing irradiated reactor graphite - Google Patents

Method of processing irradiated reactor graphite

Info

Publication number
RU2846581C2
RU2846581C2 RU2023119629A RU2023119629A RU2846581C2 RU 2846581 C2 RU2846581 C2 RU 2846581C2 RU 2023119629 A RU2023119629 A RU 2023119629A RU 2023119629 A RU2023119629 A RU 2023119629A RU 2846581 C2 RU2846581 C2 RU 2846581C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
graphite
pellets
bentonite
pelletizing
radionuclides
Prior art date
Application number
RU2023119629A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2023119629A (en
Inventor
Александр Эдуардович Катков
Original Assignee
Александр Эдуардович Катков
Лебедев Валерий Иванович
Макушкий Алексей Владимирович
Терехов Константин Алексеевич
Filing date
Publication date
Application filed by Александр Эдуардович Катков, Лебедев Валерий Иванович, Макушкий Алексей Владимирович, Терехов Константин Алексеевич filed Critical Александр Эдуардович Катков
Publication of RU2023119629A publication Critical patent/RU2023119629A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2846581C2 publication Critical patent/RU2846581C2/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to nuclear power engineering and environmental protection, specifically to the reactor graphite wastes processing technology, which excludes the ingress of radionuclides into the environment, and can be used mainly in the uranium-graphite reactors decommissioning, as well as during processing of wastes after repair, restoration and dismantling works of graphite masonry. For this, graphite is preliminarily crushed and ground to a powder state, mixed with bentonite in a powdered state to obtain a homogeneous mixture and then directed to form pellets by pelletizing the mixture in apparatus: pelletizers to produce carbon-bentonite pellets, which undergo additional pelletizing before sintering process, in pure bentonite powder with subsequent hardening of granules to give the pellets the strength required for storage by sintering in an inert gas atmosphere at a temperature higher than 150 °C.
EFFECT: providing safety during disposal due to resistance of carbon-bentonite pellets to leaching of radionuclides.
1 cl

Description

Изобретение относится к области атомной энергетики и защиты окружающей среды, в частности к технологии переработки отходов реакторного графита, исключающей попадание радионуклидов в окружающую среду, и может быть использовано преимущественно при выводе из эксплуатации уран-графитовых реакторов, а также при переработке отходов после ремонтных, восстановительных и демонтажных работ графитовой кладки.The invention relates to the field of nuclear energy and environmental protection, in particular to the technology of processing reactor graphite waste, eliminating the release of radionuclides into the environment, and can be used primarily in the decommissioning of uranium-graphite reactors, as well as in the processing of waste after repair, restoration and dismantling work on graphite stacks.

В уран-графитовых реакторах (УГР), к которым относятся реакторы типа ПУГР, АМБ, ЭГП, РБМК, Magnox и др., в качестве замедлителя используется графит, который в процессе эксплуатации подвергается облучению.In uranium-graphite reactors (UGR), which include reactors of the PUGR, AMB, EGP, RBMK, Magnox and other types, graphite is used as a moderator, which is exposed to irradiation during operation.

До 2038 года в атомной отрасли на территории Российской Федерации планируется окончательный останов установок с уран-графитовыми реакторами (УГР). Только на 11 блоках РБМК находится около 25000 тонн графита ГР-280, который подлежит безопасному захоронению.By 2038, the nuclear industry in the Russian Federation plans to finally shut down installations with uranium-graphite reactors (UGR). Only 11 RBMK units contain about 25,000 tons of GR-280 graphite, which is subject to safe disposal.

Облученный графит после ремонтных, восстановительных и демонтажных работ представляет собой: пыль, крошку, фрагменты изделий из графита, кольца, втулки, целые и фрагментированные блоки.Irradiated graphite after repair, restoration and dismantling works consists of: dust, crumbs, fragments of graphite products, rings, bushings, whole and fragmented blocks.

В облученном графите УГР присутствуют следующие основные радионуклиды: 13С, 36Cl, 238Pu, 239Pu, 242Cm, 244Cm, 241Am, U, 134Cs, 137Cs, 58Со, 60Со, 154Eu, 155Eu, 141Се, 144Се, 103Ru, 106Ru, 95Zr, 95Nb, 65Zn, 125Sb, 46Sc, 59Fe, 110Ag, 54Mn и др.The following main radionuclides are present in the irradiated graphite UGR: 13C, 36Cl, 238Pu, 239Pu, 242Cm, 244Cm, 241Am, U, 134Cs, 137Cs, 58Co, 60Co, 154Eu, 155Eu, 141Ce, 144Ce, 103Ru, 106Ru, 95Zr, 95Nb, 65Zn, 125Sb, 46Sc, 59Fe, 110Ag, 54Mn, etc.

При нейтронной активации изотопов 14N и 13С в реакторном графите образуется радионуклид 14С.During neutron activation of the isotopes 14N and 13C in reactor graphite, the radionuclide 14C is formed.

Особенности распределения радионуклидов в графите определяются нейтронной активацией атомов химических элементов, содержащихся в средах, циркулирующих через графитовую кладку, и продуктах коррозии конструкционных материалов реакторной установки, которые фиксируются в структуре графита при эксплуатации, а также последствиями инцидентов с нарушением целостности топливной матрицы.The distribution characteristics of radionuclides in graphite are determined by neutron activation of atoms of chemical elements contained in the media circulating through the graphite masonry and corrosion products of the reactor facility's structural materials, which are fixed in the graphite structure during operation, as well as the consequences of incidents involving damage to the integrity of the fuel matrix.

Период полураспада радионуклидов Т1/2=5730 лет у 14С и Т1/2=301000 лет у 36Cl. Учитывая, что длительность периода потенциальной опасности таких РАО достигает десятков тысяч лет, обеспечить сохранение герметичности упаковки представляется технически невыполнимым. Фрагменты графита, весьма вероятно, будут подвергнуты разрушению.The half-life of radionuclides is T1/2=5730 years for 14C and T1/2=301000 years for 36Cl. Considering that the duration of the potential hazard period of such RAW reaches tens of thousands of years, it seems technically impossible to ensure the preservation of the hermeticity of the package. Graphite fragments will most likely be subject to destruction.

В условиях захоронения, после потери герметичности упаковки интенсивность выхода радионуклидов из РАО будет определяться стойкостью самой формы РАО к выщелачиванию долгоживущих радионуклидов (ДЖРН).Under burial conditions, after the loss of the hermeticity of the packaging, the intensity of the release of radionuclides from the radioactive waste will be determined by the resistance of the radioactive waste form itself to the leaching of long-lived radionuclides (LLRN).

В графите для УГР российского производства (ГР-76, ГР-220, ГР-280) площадь поверхности открытых пор составляет 225 см2/г (при плотности графита около 1,7 г/см3). Следовательно, площадь поверхности открытых пор реакторного графита более чем на два порядка превышает площадь поверхности изделий и фрагментов из графита. Таким образом, основной вклад в интенсивность выщелачивания ДЖРН из графитовых РАО будет давать выщелачивание с поверхностей стенок пор.In graphite for UGR of Russian production (GR-76, GR-220, GR-280) the surface area of open pores is 225 cm2 /g (with a graphite density of about 1.7 g/ cm3 ). Consequently, the surface area of open pores of reactor graphite is more than two orders of magnitude greater than the surface area of graphite products and fragments. Thus, the main contribution to the intensity of leaching of DZRN from graphite RW will be made by leaching from the surfaces of pore walls.

Для снижения потенциально опасного влияния графитовых РАО на окружающую среду до приемлемого уровня предлагается хранить графит в виде углерод-бентонитовые окатышей, что обеспечит: максимальное снижение скорости выщелачивания, исключение разрушения, снижения удельной радиоактивности отхода.In order to reduce the potentially hazardous impact of graphite radioactive waste on the environment to an acceptable level, it is proposed to store graphite in the form of carbon-bentonite pellets, which will ensure: maximum reduction in the leaching rate, elimination of destruction, reduction in the specific radioactivity of the waste.

Известен способ утилизации органосодержащих твердых отходов, загрязненных радиоактивными компонентами [RU 2335700, МПК F23G 5/027, G21F 9/32, опубл. 10.10.2008], выбранный в качестве аналога. По указанному способу органосодержащие твердые радиоактивные отходы, загрязненные радиоактивными компонентами, термические разлагают без доступа кислорода. Образующиеся запыленные газы пиролиза сжигают с образованием дымовых газов. Дымовые газы пропускают через картридж каталитического дожигателя. Снижают температуру газов в теплообменнике. Дымовые газы очищают от пыли с помощью циклона и промывают жидкостью в скруббере. Уловленный в скруббере шлам направляют на повторный пиролиз в камеру термического разложения. Очищенные дымовые газы через дымосос выбрасывают в атмосферу. Коксовый остаток, образующийся в камере термического разложения при пиролизе отходов, сжигают с использованием воздуха на колосниковой решетке. Решетку располагают под камерой термического разложения. Образовавшуюся золу выгружают в герметичную емкость.A known method for recycling solid organ-containing waste contaminated with radioactive components is [RU 2335700, IPC F23G 5/027, G21F 9/32, published 10.10.2008], selected as an analogue. According to the specified method, solid organ-containing radioactive waste contaminated with radioactive components is thermally decomposed without oxygen access. The resulting dusty pyrolysis gases are burned to form flue gases. The flue gases are passed through a catalytic afterburner cartridge. The gas temperature is reduced in a heat exchanger. The flue gases are cleaned of dust using a cyclone and washed with liquid in a scrubber. The sludge captured in the scrubber is sent for repeated pyrolysis in the thermal decomposition chamber. The purified flue gases are released into the atmosphere through a smoke exhauster. The coke residue formed in the thermal decomposition chamber during waste pyrolysis is burned using air on a grate. The grate is located under the thermal decomposition chamber. The resulting ash is discharged into a sealed container.

Указанный способ имеет недостатки:This method has its disadvantages:

- не предусмотрена система улавливания продуктов реакции, содержащих радиоактивный углерод;- there is no system for capturing reaction products containing radioactive carbon;

- малая производительность установки и большая длительность протекания химических процессов.- low productivity of the installation and long duration of chemical processes.

Известен способ (Патент RU 2169230, опубл. 27.10.2002, БИ №30), включающий измельчение отходов реакторного графита, введение в измельченные отходы порошкообразного алюминия, диоксида титана или оксида хрома и модификатора. Приготовленную смесь помещают в контейнер и поверх смеси располагают слой воспламенительного состава с температурой горения не ниже 2500 К. Термическую обработку смеси проводят в инертной атмосфере, в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) с образованием карбидооксидного материала.A method is known (Patent RU 2169230, published 27.10.2002, BI No. 30), which includes grinding reactor graphite waste, introducing powdered aluminum, titanium dioxide or chromium oxide and a modifier into the ground waste. The prepared mixture is placed in a container and a layer of igniter with a combustion temperature of at least 2500 K is placed on top of the mixture. Thermal treatment of the mixture is carried out in an inert atmosphere, in the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) mode with the formation of carbide oxide material.

Недостатками способа являются: высокие теплопотери в зоне контакта реагирующей смеси со стенками контейнера. Реакция в этой зоне протекает не полностью, и не весь графит связывается в карбидооксидном материале, из-за чего происходит частичное осыпание графита с поверхности блока. Способ не предназначен для переработки отходов реакторного графита, содержащих фрагменты реакторных конструкций.The disadvantages of the method are: high heat losses in the contact zone of the reacting mixture with the container walls. The reaction in this zone does not proceed completely, and not all the graphite is bound in the carbide oxide material, which causes partial shedding of graphite from the block surface. The method is not intended for processing reactor graphite waste containing fragments of reactor structures.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ обработки радиоактивно зараженных металлических и графитовых отходов уран-графитовых ядерных реакторов [RU 2435241, МПК G21F 9/30, опубл. 27.11.2011], выбранный в качестве аналога. По указанному способу в печь загружают слой зараженного графита. Графит зажигают в окислительной среде плазмы, генерируемой плазмотроном печи. После чего печь отключают. Радиоактивно зараженные металлические отходы и флюс загружают в печь сверху вниз поочередно и послойно. Расплавляют металл. Расплав металла и образовавшийся шлакофлюс удаляют из печи. Данный способ по своей технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.The closest to the claimed invention is the method for processing radioactively contaminated metal and graphite waste from uranium-graphite nuclear reactors [RU 2435241, IPC G21F 9/30, published 27.11.2011], selected as an analogue. According to the specified method, a layer of contaminated graphite is loaded into the furnace. The graphite is ignited in an oxidizing plasma environment generated by the furnace plasma torch. After which the furnace is switched off. Radioactively contaminated metal waste and flux are loaded into the furnace from top to bottom, alternately and layer by layer. The metal is melted. The molten metal and the resulting slag flux are removed from the furnace. This method is closest to the claimed method in its technical essence and achieved effect and was selected as a prototype.

Указанный способ имеет недостатки:This method has its disadvantages:

- не один из известных шлакофлюсов не способен селективно очищать от радиоактивных продуктов реакций отходящий аэрозольсодержащий газ;- none of the known slag fluxes is capable of selectively cleaning the outgoing aerosol-containing gas from radioactive reaction products;

- сложность создания и поддержания разряда для получения плазмы в предлагаемой системе;- the complexity of creating and maintaining a discharge to obtain plasma in the proposed system;

- затруднено получение чистого расплава металла для отвода из шахтной печи, поскольку преимущественно в данной системе будут образовываться радиоактивные карбонаты металла.- it is difficult to obtain pure molten metal for removal from the shaft furnace, since radioactive metal carbonates will predominantly form in this system.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и создание способа переработки облученного реакторного графита.The objective of the proposed invention is to eliminate the above-mentioned disadvantages and create a method for processing irradiated reactor graphite.

Технический результат предлагаемого способа заключается в следующем:The technical result of the proposed method is as follows:

- Обеспечение безопасности при захоронении за счет стойкости углерод-бентонитовых окатышей к выщелачиванию радионуклидов.- Ensuring safety during disposal due to the resistance of carbon-bentonite pellets to the leaching of radionuclides.

- Обеспечение сохранности (целостности) РАО за счет перевода в монолитную матрицу.- Ensuring the safety (integrity) of radioactive waste by converting it into a monolithic matrix.

- Улучшение характеристик формы РАО для дальнейшего обращения.- Improving the characteristics of the RAO form for further handling.

- Обеспечивается переработка любого вида графитовых РАО (пыль, крошка, фрагменты изделий из графита, кольца, втулки, блоки).- We provide processing of any type of graphite radioactive waste (dust, crumbs, fragments of graphite products, rings, bushings, blocks).

- Низкое образование вторичных отходов.- Low generation of secondary waste.

Способ осуществляют следующим образом: графит предварительно дробят и перетирают до порошкового состояния, перемешивают с бентонитом, находящимся также в порошкообразном состоянии, с получением однородной шихты и далее направляют на формирования окатышей путем окомкования шихты в аппаратах - окомкователях с получением углерод-бентонитовых окатышей, которые проходят дополнительное окомкование перед процессом спекания, в чистом порошке бентонита с последующим упрочнением гранул для придания окатышам прочности, необходимой для хранения, путем спекания в атмосфере инертного газа при температуре выше 150°С.The method is carried out as follows: graphite is pre-crushed and ground to a powder state, mixed with bentonite, also in a powder state, to obtain a homogeneous batch and then sent to form pellets by pelletizing the batch in pelletizing apparatus to obtain carbon-bentonite pellets, which undergo additional pelletizing before the sintering process, in pure bentonite powder, followed by hardening of the granules to give the pellets the strength necessary for storage, by sintering in an inert gas atmosphere at a temperature above 150°C.

Переработка графитовых РАО в углерод-бентонитовые окатыши обеспечит:Processing of graphite radioactive waste into carbon-bentonite pellets will ensure:

• снижение удельной активности РАО и значительное снижение (практически исключение) открытых поверхностей графита и, следовательно, выщелачивание долгоживущих радионуклидов при дальнейшем захоронении;• reduction of the specific activity of radioactive waste and a significant reduction (virtually elimination) of open graphite surfaces and, consequently, leaching of long-lived radionuclides during further disposal;

• соответствие формы РАО критериям приемлемости для захоронения - окатыши, получаемые в результате спекания, имеют структурно стабильную, прочную монолитную форму;• compliance of the form of radioactive waste with the criteria for acceptability for disposal - pellets obtained as a result of sintering have a structurally stable, strong monolithic form;

• оптимальное заполнения упаковки РАО за счет возможности выбирать необходимые размеры окатыша.• optimal filling of the RAW packaging due to the ability to select the required pellet sizes.

Claims (1)

Способ переработки облученного реакторного графита, отличающийся от известного тем, что графит предварительно дробят и перетирают до порошкового состояния, перемешивают с бентонитом, находящимся в порошкообразном состоянии, с получением однородной шихты и далее направляют на формирования окатышей путем окомкования шихты в аппаратах - окомкователях с получением углерод-бентонитовых окатышей, которые проходят дополнительное окомкование перед процессом спекания, в чистом порошке бентонита с последующим упрочнением гранул для придания окатышам прочности, необходимой для хранения, путем спекания в атмосфере инертного газа при температуре выше 150°С.A method for processing irradiated reactor graphite, differing from the known method in that the graphite is first crushed and ground to a powder state, mixed with bentonite in a powder state, to obtain a homogeneous batch, and then sent to form pellets by pelletizing the batch in pelletizing apparatus to obtain carbon-bentonite pellets, which undergo additional pelletizing before the sintering process, in pure bentonite powder, followed by hardening of the granules to impart to the pellets the strength necessary for storage, by sintering in an inert gas atmosphere at a temperature above 150°C.
RU2023119629A 2023-07-26 Method of processing irradiated reactor graphite RU2846581C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2023119629A RU2023119629A (en) 2025-01-27
RU2846581C2 true RU2846581C2 (en) 2025-09-09

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2160318C2 (en) * 1998-04-22 2000-12-10 Общество с ограниченной ответственностью совместное предприятие "Контесса" Method of complex reworking of wastes after burning organic fuels (versions)
RU2242814C1 (en) * 2003-04-01 2004-12-20 Государственное унитарное предприятие города Москвы-объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (ГУП МосНПО "Радон") Method for recovering reactor graphite waste
RU2295787C2 (en) * 2005-05-17 2007-03-20 Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" Cement-polymeric composition for preserving radioactive wastes of medium reactivity
WO2010004189A3 (en) * 2008-06-30 2010-05-06 Cray Valley Sa Coating composition for the storage of waste that is toxic to health and/or the environment, which is free from an aromatic amine curing agent
RU2632801C1 (en) * 2016-11-03 2017-10-09 Елена Васильевна Захарова Method of depth burying irradiated graphite of uranium-graphite nuclear reactors

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2160318C2 (en) * 1998-04-22 2000-12-10 Общество с ограниченной ответственностью совместное предприятие "Контесса" Method of complex reworking of wastes after burning organic fuels (versions)
RU2242814C1 (en) * 2003-04-01 2004-12-20 Государственное унитарное предприятие города Москвы-объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (ГУП МосНПО "Радон") Method for recovering reactor graphite waste
RU2295787C2 (en) * 2005-05-17 2007-03-20 Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" Cement-polymeric composition for preserving radioactive wastes of medium reactivity
WO2010004189A3 (en) * 2008-06-30 2010-05-06 Cray Valley Sa Coating composition for the storage of waste that is toxic to health and/or the environment, which is free from an aromatic amine curing agent
RU2632801C1 (en) * 2016-11-03 2017-10-09 Елена Васильевна Захарова Method of depth burying irradiated graphite of uranium-graphite nuclear reactors

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2239899C2 (en) Radioactive graphite treatment process
JP6284092B2 (en) Method and apparatus for separating and removing RI cesium
EP2769384B1 (en) Graphite thermal decontamination with reducing gases
Masson et al. Block-type HTGR spent fuel processing: CEA investigation program and initial results
RU2846581C2 (en) Method of processing irradiated reactor graphite
Mason et al. Pyrolysis and its potential use in nuclear graphite disposal
US9040014B2 (en) Graphite thermal decontamination with reducing gases
Ojovan et al. Thermochemical processing using powder metal fuels of radioactive and hazardous waste
Sobolev et al. High temperature treatment of intermediate-level radioactive wastes-sia radon experience
Hoogen et al. Evaluation of potential head-end procedures for graphite-containing fuel elements
KR19990026212A (en) High temperature melt processing systems and methods for flammable and non-combustible radioactive waste
Dubourg Solution to level 3 dismantling of gas-cooled reactors: the graphite incineration
Guiroy Graphite waste incineration in a fluidized bed
Pokhitonov Search for Solving the Problem of Conditioning the Reactor Graphite
Kemmler et al. Pilot-scale testing of pyrolysis for the volume reduction of organic waste
Ojovan et al. Thermochemical processing of radioactive waste using powder metal fuels
KR102801866B1 (en) the improved hybrid type plasma melting furnace and the improved radioactive waste treating system and the improved radioactive waste treating process using the same
Karlina et al. Thermodynamic modeling and experimental tests of irradiated graphite molten salt decontamination
Garrett et al. Treatment of Problematic Reactive Metal Wastes Using GeoMelt ICV-WM2020 Conference Paper
Ogata et al. Processing at the plutonium-contaminated waste treatment facil ity
Junfeng Treatment and Disposal of the Radioactive Graphite Waste of High-Temperature Gas-Cooled Reactor Spent Fuel
Eldridge et al. Deliverable 6.4 Thermal Treatment of Solid Radioactive Organic Wasteforms
Forsberg et al. A new repository waste form: graphite–carbon high-level waste
Grachev et al. Prospective power-reactor fuel cycles based on water-free reprocessing of spent fuel
Nachtrodt et al. Plasma torch treatment of low level waste