Методы переработки твердых горючих и негорючих РАО (соответственно сжигание и прессование) и жидких неорганических РАО (выпаривание) не гарантируют надежной локализации радионуклидов из-за неудовлетворительных физико-химических характеристик продуктов (зола, брикеты, соли), получаемых в результате этих процессов. Так, зола представляет собой дисперсный, пылящий и легко выщелачиваемый водой материал, непригодный для захоронения. Для повышения безопасности при захоронении или долговременном хранении должна проводиться стабилизация отвержденных РАО путем их включения в цементные или битумные матрицы. Однако и этот способ имеет много недостатков.

Наиболее надежная стабилизация РАО может быть достигнута при высокотемпературной обработке с получением химически, термически и радиационно устойчивых форм отходов в виде стекол или керамики.

Как показано в ряде исследований, в технологии переработки РАО для получения высокостабильных форм отходов перспективно применение низкотемпературной плазменной обработки. Основные достоинства этого метода:

– высокая производительность при малых габаритах оборудования;

– возможность создания желательной газовой атмосферы и переработки различных видов РАО без их предварительной сортировки;

– получение химически и радиационно устойчивых и механически прочных форм отходов.

Высокие температуры (1 500–2 000 °С) обеспечивают большую глубину переработки РАО и значительное уменьшение их объема. Из высокотемпературных форм стабилизированных отходов наибольший интерес представляют искусственные камни — синтетические аналоги горных пород, стабильных в течение длительных геологических периодов.

Работы по обезвреживанию радиоактивных отходов начаты в ГНУ ИТМО НАН Беларуси более 20 лет назад. В результате этих исследований для комплексной переработки различных видов РАО предложена технология и опытная установка на базе шахтной печи с топливно-плазменным подогревом. Экспериментальное изучение процесса сжигания и остекловывания выполнено в ГНУ ИТМО НАН Беларуси с использованием модельных, а на опытной базе МосНПО «Радон» — радиоактивных материалов. В результате проведенных работ в МосНПО «Радон» был создан опытный образец плазменной шахтной печи для высокотемпературного сжигания жидких и твердых отходов с последующим плавлением и остекловыванием зольного остатка, содержащего радионуклиды.

По заказу японской фирмы «PROMETRON Technology Corp.» и немецкой фирмы «Schulz Verfharen Technik» выполнен комплекс работ по созданию плазменной шахтной печи для переработки медицинских (в том числе содержащих радионуклиды) и токсичных промышленных отходов.

На рисунке показана разработанная в ГНУ ИТМО НАН Беларуси плазменная шахтная печь. В ней несортированные радиоактивные и токсичные твердые отходы обезвреживаются наиболее надежным и эффективным из существующих методов — остеклованием, при котором горючая часть отходов сжигается, а твердые остатки плавятся совместно со стеклообразующей шихтой.

Схема плазменной шахтной печи для переработки
радиоактивных и токсичных отходов:
1 — плазмотрон печи; 2 — печь; 3 — система загрузки; 4 — вентилятор; 5 — рукавный фильтр; 6 — котел-утилизатор; 7 — камера дожигания; 8 — плазмотрон камеры дожигания

Продукт переработки в виде расплава стекломассы разливается из печи в контейнеры и после охлаждения-отвердения приобретает инертную форму, пригодную для захоронения отходов и исключающую проникновение радионуклидов и токсичных веществ в окружающую среду. Некоторые продукты можно использовать в качестве наполнителей. В стекломассе фиксируется свыше 95–97 % исходных радионуклидов и токсичных компонентов, содержащихся в отходах. Печь может нагреваться как плазменными, так и плазмо-топливными горелками, которые создают для плавления неорганической части отходов температуру 1 700 °С. В качестве плазменных горелочных устройств применяются электродуговые плазмотроны постоянного или переменного тока. При необходимости топливная горелка модернизируется, и в качестве топлива могут сжигаться горючие органические отходы, например отработанные масла или растворители лаков и красок. Таким образом, печь позволяет совмещать переработку жидких и твердых отходов, а также снижать расход электрической энергии за счет использования тепла сжигаемых отходов. Применяя специальный легкоплавкий состав шихты, температуру процесса можно снизить до 1 000–1 100 °С.

Шахтный процесс переработки дает возможность реализовать режим противотока при нагревании и термической обработке отходов, охлаждение и фильтрацию отходящих газов непосредственно в самом слое загрузки. Для этого в состав шихты следует добавлять органический фильтрующий материал — мелкие древесные опилки. Они в значительной степени поглощают токсичные и радиоактивные аэрозоли, после чего по ходу процесса подвергаются термической переработке и остекловыванию вместе с отходами. Отходящие газы дожигаются в циклонной плазмо-вихревой камере, которая оборудована плазмотроном. В зависимости от вида и токсичности отходов температура дожигания газов может быть доведена до 1 300–1 700 °С, что гарантирует их полное термическое обезвреживание. Объем отходящих газов по сравнению с обычным сжиганием сокращается в 3–4 раза, что способствует их равномерной и эффективной фильтрации. Помимо камеры дожигания печь комплектуется электротехническим оборудованием для электропитания и поджига плазмотронов. Система газоочистки и другие системы разрабатываются (или комплектуются) и поставляются отдельно в зависимости от вида и токсичности отходов.

Другой вариант плазменной технологии реализован на одной из российских АЭС, где отходы сжигаются в двухкамерной печи с плазменным нагревом, а зола поступает в специальный бункер и цементируется. Отходящие дымовые газы отводятся в специальную камеру и дожигаются с помощью плазмотрона. Газы, образующиеся в этом процессе, попадают в систему охлаждения и газоочистки.

Представленные варианты плазменной технологии переработки НСАО имеют свои преимущества и недостатки. Для обоснованного выбора технологического и технического решения в ГНУ ИТМО НАН Беларуси разработаны методы расчета и моделирования. Более предпочтительна схема плазменной шахтной печи, но при получении шлакового компаунда удельные энергозатраты возрастают по сравнению с получением золы и ее последующим цементированием.

Результаты выполненных работ убедительно доказывают, что плазменные методы обезвреживания радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности имеют ряд преимуществ перед методами сжигания:

– большее сокращение объемов отходов и отходящих газов;

– получение конечных продуктов в виде кондиционированной золы или шлакового компаунда, обладающих высокой химической стойкостью к агрессивным воздействиям окружающей среды;

– экономичность, так как для плазменного нагрева на АЭС используется электрическая энергия, вырабатываемая на самой станции.

Highly and moderately radioactive waste is generated at nuclear power stations and plants in significant quantities. The most promising and environmentally friendly method of radioactive waste processing is the use of plasma technologies. The paper describes a newly developed plasma shaft furnace for radioactive waste processing.