Витрификация на месте

Витрификация на месте (ISV) — это многообещающая технология, разрабатываемая Министерством энергетики США для долгосрочной стабилизации опасных отходов, захороненных на неглубоких участках. Он основан на таянии загрязненного грунта на участке и оставлении его остывать. Расплав затвердевает в стеклообразную или поликристаллическую породу, содержащую отходы, что значительно снижает выщелачивание загрязняющих веществ в грунтовые воды. Плавление вызывается подачей электроэнергии на землю через электроды, вставленные вертикально в расплавляемую почву. Плавление идет вниз и при охлаждении образует примерно полусферическое тело. Над площадкой устанавливается колпак для удержания газов и твердых частиц, выделяющихся из расплава, и направления их в систему очистки отходящих газов. Этапы процесса ISV изображены на рисунке 1.

Захороненные отходы, содержащие радиоактивные, органические, металлические и горючие материалы, составляют большую часть свалок Министерства энергетики США, которые потребуют восстановления. Преимущества ISV для таких отходов включают: (1) опасные органические загрязнители и горючие материалы подвергаются пиролизу и разрушению, что приводит к уменьшению объема и предотвращению оседания площадки в будущем, (2) радионуклиды включаются в стекловидную или кристаллическую фазы при охлаждении расплава. , что приводит к снижению подвижности, и (3) металлические компоненты расплавляются, что минимизирует объем и площадь поверхности.

В мае 1991 года в ORNL было проведено хорошо оснащенное экспериментальное полевое испытание. Мы проанализировали массив собранных данных и разработали различные модели, чтобы: проверить согласованность данных; понять вовлеченные процессы и какие из них преобладают; определить эффективные значения параметров (таких как тепло- и электропроводность); объяснить, что наблюдается, геохимически и термически; и разработать эффективные инструменты оценки и моделирования. Например, помимо прочего, мы разработали простой неинвазивный метод определения температуры расплава по данным силы тока и напряжения (рис. 2). Такие непрямые процедуры незаменимы при применении к существующим сильно загрязненным участкам. Среди важнейших вопросов, которые может прояснить моделирование, — судьба водяного пара под расплавом и условия, при которых может образоваться водонасыщенная зона.

Охлаждение и затвердевание расплава представляет большой геологический интерес. Мы разработали подробную модель и код моделирования для охлаждения и затвердевания бинарной магмы, включающие: сопряженную теплопроводность и диффузию растворенных веществ, термодинамику бинарного кристалла-расплава, конституционное переохлаждение, теплофизические свойства, зависящие от температуры и состава, кондуктивное охлаждение окружающего грунта. Описание макроскопическое с точки зрения локальных переменных (концентрация, энтальпия, температура, твердая фракция); законы сохранения, справедливые везде в слабом (интегральном) смысле, фазы различаются только значениями твердой доли. В этом «объемном» подходе не требуется явного отслеживания фронтов, что особенно удобно для вычислений. Мы применили его к двойной системе диопсид-анортит, а также к псевдобинарной системе полевой шпат-пироксен с очень хорошими результатами: согласование смоделированных и экспериментальных кривых охлаждения (рис. 3), определение эффективных значений параметров (например, проводимости) и чувствительности, а также моделирование различных сценарии охлаждения.