Дипломная (вкр): Исследование процесса плазменной утилизации горючих отходов переработки отработавшего ядерного топлива

Переработка ОЯТ с целью извлечения из него урана и плутония с последующим их превращением в готовый продукт для изготовления ТВЭЛов - важное звено замкнутого ядерного топливного цикла [1-3].

Основой технологии переработки ОЯТ радиохимических заводов мира является ПУРЕКС-процесс [1], обеспечивающий высокую степень извлечения урана и плутония (>99,9%) с высокой степенью их очистки от продуктов деления. Существо процесса состоит в экстракции PuIV и UVI растворами ТБФ в синтине из азотнокислых растворов ОЯТ с разделением элементов на стадии восстановительной реэкстракции плутония и переводом их в конечный продукт - оксиды, гексанитрат, гексафторид - в зависимости от их последующего использования. В последние годы экстракцию плутония и урана из азотнокислых растворов ОЯТ осуществляют растворами ТБФ в ГХБД, которые с течением времени теряют свою эффективность и превращаются в горючие отходы.

Оставшиеся после первого экстракционного цикла без урана и плутония отходы переработки ОЯТ в виде слабоконцентрированных водносолевых растворов металлов имеют следующий модельный состав

HNO3 - 18,0%, H2O - 81,43%, Fe - 0,07%, Mo - 0,1%, Nd - 0,11%, Y - 0,06%, Zr - 0,058%, Na - 0,04%, Ce - 0,039%, Cs - 0,036%, Co - 0,031%, Sr - 0,026%

По действующей технологии отходы переработки ОЯТ выпариваются и после добавления необходимых химических реагентов (силикатов, фосфатов, боратов и др.) направляются на операцию остекловывания с последующим захоронением [6]. Эта технология многостадийна, требует значительных энерго- и трудозатрат, химических реагентов и времени.

Существенное снижение энергозатрат на процесс утилизации горючих отходов переработки ОЯТ может быть достигнуто при их плазменной переработке в виде оптимальных по составу горючих водно-органических композиций, имеющих адиабатическую температуру горения не менее 1200 0С [6,7].

По данной методике были проведены расчеты теплоты сгорания влажного топлива  (в МДж/кг) и адиабатической температура горения tад следующих водно-органической композиций:

·        «Вода - ГОП ОЯТ (ТБФ+ГХБД)»;

·        «ОП ОЯТ - ГОП ОЯТ (ТБФ+ГХБД)».

На первом этапе был проведен расчет показателей горения различных по составу водно-органических композиций на основе отходов переработки ОЯТ и горючих отходов, включающих ТБФ и ГХБД.

На рисунке 2.1 показано влияние содержания ТБФ и воды на адиабатическую температуру горения различных по составу водно-органических композиций на основе горючих отходов переработки ОЯТ.

Рисунок 2.1 - Влияние содержания ТБФ и воды на адиабатическую температуру горения различных по составу водно-органических композиций на основе горючих отходов переработки ОЯТ

Из анализа полученных результатов (рисунок 1) следует, что для получения горючей водно-органической композиции «Вода - ГОП ОЯТ» с адиабатической температурой горения ≈1200 0С, необходим следующий оптимальный состав водно-органической композиции ВОК-1: 50% Вода : 17,5% ТБФ : 32,5% ГХБД.

На рисунке 2.2 показано влияние содержания ТБФ и отходов переработки ОЯТ (вместо воды) на адиабатическую температуру горения различных по составу водно-органических композиций на основе горючих отходов переработки ОЯТ.

Рисунок 2.2 - Влияние содержания ТБФ и отходов переработки ОЯТ (вместо воды) на адиабатическую температуру горения различных по составу водно-органических композиций на основе горючих отходов переработки ОЯТ

Из анализа полученных результатов (рисунок 2.2) следует, что для получения горючей водно-органической композиции «ОП ОЯТ - ГОП ОЯТ» с адиабатической температурой горения ≈1200 0С и максимальным содержанием отходов переработки ОЯТ, необходим следующий оптимальный состав ВОК-2: 50% отходы переработки ОЯТ : 17,5% ТБФ : 32,5% ГХБД.

Таким образом, замена воды на слабоконцентрированные отходы переработки ОЯТ не оказывают заметного влияния на адиабатическую температуру горения водно-органических композиций на основе ГОП ОЯТ.

2.2 Термодинамический расчет процесса плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ

Для определения оптимальных режимов исследуемого процесса проведены расчёты равновесных составов газообразных и конденсированных продуктов плазменной утилизации оптимальных по составу ВОК-1 и ВОК-2 на основе ГОП ОЯТ в воздушной плазме. Для расчётов использовалась лицензионная программа «TERRA».

Расчёты проведены при атмосферном давлении 0,1 МПа, в широком диапазоне рабочих температур (300÷4000 К) и для различных массовых долей воздушного плазменного теплоносителя (0,1÷0,95).

На первом этапе были проведены расчеты равновесных составов продуктов процесса плазменной утилизации только горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме.

На рисунке 2.3 представлены характерные равновесные составы основных газообразных и конденсированных продуктов плазменной утилизации только горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме при массовой доле воздушного плазменного теплоносителя 80%.

а)

Рисунок 2.3 - Равновесный состав газообразных и конденсированных продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме (80% Воздух : 20% ГОП ОЯТ)

Из анализа равновесных составов (рисунок 2.3) следует, что при массовой доле воздушного плазменного теплоносителя 80% основными газообразными продуктами плазменной утилизации только горючих отходов переработки ОЯТ при температурах до 1500 К являются N2, и CO2.

При температурах до 800 K основным конденсированным продуктом является ортофосфорная кислота, эффективно связывающая фосфор.

Незначительное количество сажи C(c), CO, NO, NO2 и HCl указывает на то, что процесс плазменной утилизации только горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме при массовой доле воздушного теплоносителя 80% идет в экологически безопасном режиме. При этом следует отметить, что массовая доля ГОП ОЯТ составляет всего 20%.

На рисунке 2.4 представлены характерные равновесные составы основных газообразных (а) и конденсированных (б) продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде оптимальной по составу водно-органической композиции ВОК-1 при массовой доле воздушного плазменного теплоносителя 65%.

а)                                                     б)

Рисунок 2.4 - Равновесный состав газообразных (а) и конденсированных (б) продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме (65% Воздух : 35% ВОК-1)

Из анализа равновесных составов (рисунок 2.4) следует, что при массовой доле воздушного плазменного теплоносителя 65% основными газообразными продуктами плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде ВОК-1 при температурах до 1500 К являются N2, H2O, и CO2..

При температурах до 800 K основным конденсированным продуктом также является ортофосфорная кислота, эффективно связывающая фосфор.

Незначительное количество сажи C(c), CO, NO, NO2 и HCl указывает на то, что процесс плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде оптимальной по составу горючей водно-органической композиции ВОК-1 в воздушной плазме при массовой доле воздушного теплоносителя 65% идет в экологически безопасном режиме.

На рисунке 2.5 представлены характерные равновесные составы основных газообразных (а) и конденсированных (б) продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде оптимальной по составу водно-органической композиции ВОК-2 при массовой доле воздушного плазменного теплоносителя 65%.

а)                                            б)

Рисунок 2.5 - Равновесный состав газообразных (а) и конденсированных (б) продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме (65% Воздух : 35% ВОК-2)

Из анализа равновесных составов (рисунок 2.5) следует, что при массовой доле воздушного плазменного теплоносителя 65% основными газообразными продуктами плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде ВОК-2 при температурах до 1500 К являются N2, H2O, и CO2.

При температурах до 800 K основными конденсированными продуктами являются хлориды металлов FeCl2(c), СoCl2(c) и SrCl2(c), эффективно связывающие хлор. В интервале температур 800-1500 K образуются простые оксиды металлов МoO2(c), Nd2O3 (c), ZrO2(с), Y2O3(c), СeO2(c), а также сложные фосфорсодержащие оксиды металлов (NaPO3(c), СsPO3(c), Sr2P2O7(c) и Sr3P2O8(c), эффективно связывающие фосфор.

Незначительное количество сажи C(c), CO, NO, NO2 и HCl указывает на то, что процесс плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде оптимальной по составу горючей водно-органической композиции ВОК-2 в воздушной плазме при массовой доле воздушного теплоносителя 65% также идёт в экологически безопасном режиме. При этом следует отметить образование в конденсированной фазе магнитной окиси железа.

Дальнейшее увеличение массовой доли воздуха вплоть до 90% не приводит к существенным изменениям равновесных составов основных газообразных и конденсированных продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде оптимальной по составу водно-органической композиции ВОК-2, а только снижает производительность процесса по отходу.

Таким образом, плазменная утилизация горючих отходов переработки ОЯТ в виде оптимальных по составу водно-органических композиций ВОК-1 и ВОК-2 позволяет исключить стадию выпаривания, существенно снизить удельные энергозатраты на процесс, увеличить массовую долю ГОП ОЯТ с 20% до 35%, а также применить магнитную сепарацию для эффективного извлечения дисперсных твёрдых продуктов плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в виде ВОК-2.

С учётом полученных результатов могут быть рекомендованы для практической реализации процесса плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ в воздушной плазме следующие оптимальные режимы:

·    интервал рабочих температур (1200±100) К;

·        состав ВОК-2 (50% отходы переработки ОЯТ:17,5% ТБФ:32,5% ГХБД);

·        массовое отношение фаз (65% воздух : 35% ВОК).

.3 Оценка энергозатрат на процесс плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ

Оценка энергозатрат на процесс плазменной утилизации горючих отходов переработки ОЯТ проводилась с помощью лицензионной программы «TERRA». С помощью этой программы были рассчитаны полные энтальпии Jт продуктов плазменной утилизации водно-органических композиций на основе ГОП ОЯТ. Далее определялись общие энергозатраты на процесс плазменной утилизации по формуле:

 [кДж/кг]                                                              (2.3)

гдеэнтальпии равновесных продуктов процесса плазменной утилизации при температуре 300 К и Т.

Затем рассчитывались удельные энергозатраты на утилизацию ГОП ОЯТ:

 [кДж/кг]                                                                  (2.4)

Где Z - массовая доля горючего отхода

В таблице 2.1÷2.5 и на рисунке 2.6 представлены результаты расчетов энергозатрат на процесс плазменной утилизации ГОП ОЯТ при оптимальных массовых долях воздушного плазменного теплоносителя в виде ГОП ОЯТ и оптимальных по составу водно-органических композиций ВОК-1 и ВОК-2.

Таблица 2.1 - Энергозатраты на процесс плазменной утилизации ВОК-1 в воздушной плазме (65% воздух : 35% ВОК-1)

Таблица 2.2 - Энергозатраты на процесс плазменной утилизации ВОК-2 в воздушной плазме (65% воздух : 35% ВОК-2)

Таблица 2.3 - Энергозатраты на процесс плазменной утилизации ГОП ОЯТ в воздушной плазме (80% воздух : 20% Экстрагент (35%ТБФ : 65%ГХБД))

Таблица 2.4 - Энергозатраты на процесс плазменной утилизации ГОП ОЯТ в воздушной плазме (80% воздух : 20% Экстрагент (30%ТБФ : 70%ГХБД))