Способ кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений и устройство для его осуществления

Способ кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений и устройство для его осуществления

Реферат

Изобретение относится к области техники и технологии охраны окружающей среды и предназначено для кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений (ИИИ) путем их включения в металлическую матрицу из легкоплавких материалов с целью обеспечения условий долговременного безопасного хранения. Наиболее эффективно использование заявляемого способа и устройства на его основе для кондиционирования долгоживущих радиоактивных α-излучающих материалов и источников ионизирующих излучений. Предлагаемый способ может быть также использован и для кондиционирования других твердых радиоактивных отходов (РО), в частности отработавшего ядерного топлива, и вредных для человека и окружающей среды химических соединений.

Известен способ захоронения отработавших источников ионизирующих излучений в подземных хранилищах колодезного типа, заключающийся в загрузке отработавших источников ионизирующих излучений в емкость хранилища и заливке их расплавом легкоплавкого матричного металла или сплава [1].

Недостатками этого способа являются отсутствие гарантии создания слоя матричного металла между отработавшими источниками и стенкой емкости хранилища, невозможность извлечения источников из хранилища для возможной дальнейшей переработки, большой расход матричного материала, а также опасность разгерметизации корпусов источников под действием высокой температуры расплава матричного металла и выхода радиоактивных материалов в окружающую среду. В связи с отмеченными недостатками указанный способ используется только для включения в металлические матрицы отработавших источников с малыми периодами полураспада (до 30 лет).

Известен также способ упаковки содержащих отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) кассет или связок твэлов путем их размещения в контейнере и заливки в контейнер расплава матричного материала [2].

Недостатком данного способа является повышенная радиационная опасность для персонала при работах в условиях радиационных полей, раздельное проведение технологических операций по подготовке расплава матричного металла и заливке его в контейнер.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ упаковки отработавшего ядерного топлива, включающий его загрузку в контейнер из коррозионно-стойкого материала с помощью дистанцирующих элементов и с заполнением большей части свободного пространства контейнера массивными элементами из легкоплавкого металла, приварку к контейнеру верхней крышки, разогрев контейнера, заливку ОЯТ расплавом массивных элементов, образующегося непосредственно в контейнере при его разогреве, и проведение отверждения расплава [3].

Недостатками данного способа являются повышенная радиационная опасность для обслуживающего персонала, так как при этом большинство операций должны проводиться в условиях воздействия радиационных полей, а также значительное потребление энергии, необходимой для плавления всех массивных элементов в контейнере.

Наиболее близким к заявляемому устройству для осуществления способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений является устройство для размещения радиоактивных веществ [4], содержащее матричный контейнер, имеющий внешнее покрытие из металла, состоящее из донной части, кожуха и крышки, в каналах матричного контейнера расположены цилиндрические пеналы с радиоактивными материалами, при этом пеналы герметизированы в каналах матрицы заливочной массой или расплавом.

Недостатком данной конструкции является то, что в процессе работы оно требует подготовки заливочной массы или расплава отдельно, вне контейнера, а заливку осуществляют при открытой крышке контейнера, в результате чего происходит образование аэрозолей и паров легкоплавкого материала и выход их в окружающую атмосферу, а также повышается вероятность разгерметизации источников под воздействием высокой температуры и выхода радиоактивных веществ в окружающую среду.

Технический результат предлагаемого способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений выражается в уменьшении радиационной опасности для персонала при проведении технологических операций и снижении энергозатрат при проведении кондиционирования.

Технический результат в части устройства для осуществления способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений выражается в предотвращении загрязнения окружающей среды выбросами аэрозолей и паров матричного металла, а также радиоактивных веществ при разгерметизации отработавших источников ионизирующих излучений.

Указанный технический результат в части способа достигается за счет того, что в контейнер из коррозионно-стойкого материала помещают матрицу из легкоплавкого металла, осуществляют загрузку отработавших источников ионизирующих излучений во внутреннюю полость металлической матрицы через приемное отверстие, закрывают приемное отверстие крышкой, поверх которой размещают герметизирующий элемент из металла, имеющего температуру плавления меньшую, чем температура плавления металла матрицы, и обладающего свойством адгезии к металлу матрицы, закрывают крышкой корпус контейнера, после чего производят разогрев контейнера до температуры большей, чем температура плавления металла герметизирующего элемента, но меньшей, чем температура плавления металла матрицы, осуществляют заливку отработавших источников ионизирующих излучений расплавом металла герметизирующего элемента и проводят отверждение расплава.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются то, что после загрузки отработавших источников во внутреннюю полость металлической матрицы через приемное отверстие и закрытия приемного отверстия крышкой, поверх указанной крышки размещают герметизирующий элемент из металла, имеющего температуру плавления меньшую, чем температура плавления металла матрицы, и обладающего свойством адгезии к металлу матрицы, закрывают крышкой корпус контейнера, после чего контейнер разогревают до температуры, большей температуры плавления металла герметизирующего элемента, но меньшей температуры плавления металла матрицы.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что герметизация отработавших источников ионизирующих излучений во внутренней полости металлической матрицы производят путем плавления только сравнительно небольшого по массе герметизирующего элемента, а не всей металлической матрицы (массивных блоков). В результате получают значительную экономию энергии при проведении операции по герметизации отработавших источников ионизирующих излучений.

Кроме того, размещение металлической матрицы в корпусе контейнера производят до загрузки в ее внутреннюю полость отработавших источников ионизирующих излучений и соответственно вне действия этих излучений, поэтому суммарная доза, воздействующая на человека-оператора, уменьшается. Также в процессе загрузки источников действие излучений от источников, уже загруженных во внутреннюю полость металлической матрицы, ослабляется материалом матрицы. Это приводит к увеличению радиационной безопасности персонала, осуществляющего кондиционирование отработавших источников в соответствии с предлагаемым способом.

Указанный технический результат в части устройства для осуществления способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений достигается за счет того, что устройство содержит корпус из коррозионно-стойкого материала, состоящий из донной части, кожуха и крышки корпуса, расположенную в нем металлическую матрицу с по крайней мере одной внутренней полостью с приемным отверстием для загрузки в нее отработавших источников ионизирующих излучений, и крышки приемного отверстия, поверх металлической матрицы с по крайней мере одной внутренней полостью и приемным отверстием и крышки внутренней емкости расположен герметизирующий элемент из металла, имеющего температуру плавления меньшую, чем температура плавления металла матрицы, и обладающего свойством адгезии по отношению к металлу матрицы, при этом верхняя часть приемного отверстия внутренней полости и боковая поверхность его крышки, верхняя часть кожуха и боковая поверхность крышки корпуса выполнены в виде сопряженных конусообразных поверхностей с углом, оптимальная величина которого составляет 5-7 угловых градусов.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для осуществления способа кондиционирования отработавших ИИИ является то, что поверх металлической матрицы с по крайней мере одной внутренней полостью и приемным отверстием и крышки внутренней емкости расположен герметизирующий элемент из металла, имеющего температуру плавления меньшую, чем температура плавления металла матрицы, и обладающего свойством адгезии по отношению к металлу матрицы, при этом приемное отверстие внутренней полости и его крышка, крышка корпуса и верхняя часть кожуха выполнены в виде сопряженных конусообразных поверхностей с углом, оптимальная величина которого составляет 5-7 угловых градусов.

Сущность предлагаемого устройства, реализующего предлагаемый способ кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений, заключается в том, что в корпусе контейнера поверх металлической матрицы с одной (или более) внутренней полостью и ее крышки размещают герметизирующий элемент, а разогрев контейнера и плавление герметизирующего элемента осуществляется в контейнере, закрытом своей крышкой. В результате пары матричного металла и радиоактивные материалы из разгерметизированных источников ионизирующих излучений остаются внутри корпуса контейнера, что предотвращает загрязнение окружающей среды. Для обеспечения механической прочности контейнера как целого при его разогреве верхний край внутренней полости и боковая поверхность ее крышки, верхний край кожуха контейнера и боковая поверхность его крышки выполнены в виде сопряженных конусообразных поверхностей с углом, оптимальная величина которого составляет 5-7 угловых градусов. В этом случае при закрытии контейнера крышкой происходит ее самозаклинивание. В результате контейнер вместе с крышкой выдерживают, в том числе внутреннее давление оставшегося в контейнера и разогретого воздуха и паров матричного металла, что и обеспечивает решение поставленной технической задачи.

При увеличении угла конусообразных поверхностей вышеуказанного интервала сила самозаклинивания резко уменьшается, а при уменьшении необходимо увеличивать толщину верней части кожуха корпуса сверх величины, обусловленной необходимой прочностью контейнера.

Предлагаемое устройство для осуществления способа кондиционирования источников ионизирующих излучений изображено на чертеже.

Устройство включает в себя донную часть 1 корпуса, кожух 2 корпуса и крышку 3 корпуса, металлическую матрицу 4, внутреннюю полость 5 с приемным отверстием, закрытым крышкой 6, в которой расположены отработавшие источники ионизирующих излучений 7, герметизирующий элемент 8. Верхний край внутренней полости 5 и боковая поверхность ее крышки 6, а также верхний край кожуха контейнера 2 и боковая поверхность его крышки 3 выполнены в виде сопряженных конусообразных поверхностей 9.

Пример осуществления способа кондиционирования.

В корпус из коррозионно-стойкого материала, состоящий из донной части 1, кожуха 2 и крышки 3 (открытой в начальном положении), помещают матрицу 4 из легкоплавкого металла. В частности, металлическую матрицу можно отлить, например, из свинца (температура плавления ˜327°С) непосредственно в корпусе контейнера. Во внутреннюю полость 5 помещают отработавшие источники 7 ионизирующих излучений, после чего внутреннюю полость 5 закрывают крышкой 6 внутренней полости. Поверх металлической матрицы 4 с внутренней полостью 5, закрытой крышкой внутренней полости 6, размещают герметизирующий элемент 8, изготовленный, например, из сплава Розе (температура плавления ˜100°С). Затем корпус закрывают крышкой 3. Далее устройство разогревают до температуры более 100°С (температура плавления материала герметизирующего элемента - сплава Розе), но менее 327°С (температура плавления материала матрицы - свинца), выдерживают контейнер при такой температуре некоторое время для того, чтобы расплав материала герметизирующего элемента заполнил все пустоты внутри устройства, и после этого устройство охлаждают. Вследствие свойства адгезии свинца и сплава Розе расплав герметизирующего элемента и металлическая матрица при кристаллизации образуют единый металлоблок, который надежно изолирует отработавшие источники ионизирующих излучений от окружающей среды.

Увеличение радиационной безопасности при использовании предлагаемого способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений достигается за счет двух факторов.

Во-первых, размещение матрицы из легкоплавкого металла или сплава в корпусе устройства производят вне воздействия радиационных полей, что уменьшает общее время облучения персонала, занимающегося кондиционированием. Оценки показывают, что уменьшение суммарной дозы за счет уменьшения времени облучения достигает 20-50%.

Во-вторых, во время загрузки источников в устройство металлическая матрица и корпус ослабляют радиационные поля от источников, уже размещенных во внутренней полости матрицы. Степень ослабления дозы при этом составляет от 3 до 6 раз для высокоэнергетичного гамма-излучения радиевых источников и 10-50 раз для низкоэнергетичного гамма-излучения.

Общее ослабление излучений за счет обоих факторов достигает 5-10 раз, а при кондиционировании изотопов, например, Pu-238, Cu-244, Am-241, Am-243 доза гамма-излучения ослабляется почти полностью.

Уменьшение потребления энергии при использовании предлагаемого способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений достигается за счет того, что их герметизация в металлической матрице осуществляется при плавлении не всей матрицы из легкоплавкого металла или сплава, а только сравнительно небольшого герметизирующего элемента. Уменьшение энергопотребления при этом составляет до 5-7 раз.

Устройство работает следующим образом: во внутреннюю полость 5 металлической матрицы 4, размещенной в корпусе из коррозионно-стойкого материала и состоящего из донной части 1, кожуха 2 и крышки 3, через приемное отверстие с открытой крышкой приемного отверстия 6 помещают отработавшие источники ионизирующих излучений 7, закрывают внутреннюю полость 5 крышкой внутренней полости 6, поверх металлической матрицы 4 и крышки внутренней полости 5 помещают герметизирующий элемент 8, затем корпус контейнера закрывают крышкой корпуса 3. При разогреве устройства до температуры, большей температуры плавления материала герметизирующего элемента 8, но меньшей температуры плавления материала матрицы 4, герметизирующий элемент 8 плавится и заполняет пустоты внутри корпуса, а при кристаллизации за счет свойства адгезии расплав совместно с металлической матрицей 4 образует металлоблок, надежно изолирующий внутреннюю полость 5 с отработавшими источниками ионизирующих излучений 7 от окружающей среды. Так как верхняя часть внутренней полости 5 и боковая поверхность крышки внутренней полости 6, верхняя часть кожуха 2 корпуса контейнера и боковая поверхность крышки 3 контейнера изготовлены в виде сопряженных конусообразных поверхностей 9 с углом, оптимальная величина которого лежит в интервале 5-7 угловых градусов, то свойство самозаклинивания обеспечивает цельность и механическую прочность всего контейнера, что, в свою очередь, предотвращает попадание в окружающую среду паров и аэрозолей матричного металла и радиоактивных материалов при разгерметизации отработавших источников ионизирующих излучений 7.

Предлагаемое устройства для осуществления способа кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений предотвращает загрязнение окружающей среды от выбросов аэрозолей и паров матричного металла, а также радиоактивных веществ при разгерметизации отработавших источников вследствие того, что корпус контейнера и внутренняя полость матрицы из легкоплавкого металла или сплава плотно закрыты крышками а внутрь корпуса помещен герметизирующий элемент, в результате чего высокотемпературная часть процесса плавления герметизирующего элемента происходит внутри корпуса устройства изолировано от окружающей среды, в то время как у устройства-прототипа, вследствие недостатков его конструкции, герметизацию пеналов с радиоактивными материалами производят при открытой крышке корпуса.

Заявляемый способ кондиционирования отработавших источников ионизирующих излучений и устройство для его осуществления могут быть реализованы при их практическом применении, а для изготовления заявляемого устройства достаточно обычного широко распространенного промышленного оборудования. Разработка способа кондиционирования и устройства, его реализующего, включена в план НИР и ОКР ГУП МосНПО "Радон".

ЛИТЕРАТУРА

1. А.Э.Арустамов, М.И.Ожован, В.В.Ширяев. Способ включения отработавших источников ионизирующих излучений в металлические матрицы. Авторское свидетельство СССР SU 1644663 А1, кл. G 21 F 9/32, 1984.

2. International Symposium of Spent Fuel Storage Engineering and Environmental Aspects. Velyukhanov V.P., loltukhovsky A.G., Polyakov A.C. et al. Concept of long-term safe storage of RBMK Leaky Spent Fuel in Metall Matrix. Vienna, 10-14 October, 1994.

3. А.Г.Иолтуховский, В.П.Велюханов, А.Н.Андрианов, A.C.Поляков, В.Н.Тебус, Г.П.Брагин, В.А.Форстман. Способ упаковки отработавшего ядерного топлива. Патент РФ RU 2109355, кл. G 21 F 5/005.

4. Патент ФРГ DE 31 07 505 A1, кл. G 21 F 5/00,1982 г.

1. Способ кондиционирования отработавших источников ионизирующего излучения, включающий загрузку отработавших источников в контейнер из коррозионно-стойкого материала, закрытие контейнера крышкой, разогрев контейнера, заливку отработавших источников расплавом легкоплавкого металла и отверждение расплава, отличающийся тем, что загрузку отработавших источников ионизирующего излучения осуществляют во внутреннюю полость размещенной в контейнере металлической матрицы через приемное отверстие, закрывают приемное отверстие крышкой, поверх которой размещают герметизирующий элемент из металла, имеющего температуру плавления, меньшую, чем температура плавления металла матрицы, и обладающего свойством адгезии к металлу матрицы, закрывают крышкой корпус контейнера, после чего контейнер нагревают до температуры, большей температуры плавления металла герметизирующего элемента, но меньшей температуры плавления металла матрицы.

2. Устройство для кондиционирования отработавших источников ионизирующего излучения, содержащее корпус из коррозионно-стойкого материала, состоящий из донной части, кожуха и крышки корпуса, расположенную в нем металлическую матрицу с, по крайней мере, одной внутренней полостью с приемным отверстием для загрузки в нее отработавших источников ионизирующего излучения, и крышки приемного отверстия, отличающееся тем, что поверх металлической матрицы с, по крайней мере, одной внутренней полостью и приемным отверстием и крышки внутренней полости расположен герметизирующий элемент из металла, имеющего температуру плавления меньше, чем температура плавления металла матрицы, и обладающего свойством адгезии по отношению к металлу матрицы, при этом приемное отверстие внутренней полости и его крышка, крышка корпуса и верхняя часть кожуха выполнены в виде сопряженных конусообразных поверхностей с углом, оптимальная величина которого составляет 5-7 угловых градусов.