СПОСОБ ФИКСАЦИИ В ТВЕРДУЮ ФАЗУ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1995 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к способам переработки и захоронения высокорадиоактивных отходов (ВАО) и может быть использовано в ядерной промышленности и энергетике для фиксации долгоживущих изотопов щелочных и щелочноземельных металлов.

Наиболее известны способы остекловывания ВАО в фосфатные и боросиликатные стекла [1]
Недостатком таких способов является низкая устойчивость стекол в условиях земной коры как метастабильных фаз.

Известен способ фиксации ВАО в природные минералы, образующие синтетическую горную породу СИНРОК [2] включающий смешивание шихты с раствором ВАО, дегидратацию, кальцинацию и горячее прессование. В результате последнего происходит кристаллизация минеральных фаз, содержащих радиоактивные изотопы. Однако этот способ не является универсальным из-за коллективной фиксации всех элементов ВАО в одну матрицу. При этом недостаточно надежно связываются одновалентные элементы, например цезий. Не могут быть утилизированы такие тепловыделяющие изотопы как ⁹⁰Sr и ¹³⁷Сs, поскольку вместе с ними находятся актиноиды, имеющие несравнимо большие периоды полураспада.

Известен способ фиксации радиоактивных изотопов щелочных и щелочноземельных элементов, включающий селективное извлечение их из ВАО при ионном обмене с помощью цеолитов NaA или NaX с последующей сушкой и дегидратацией изотопсодержащих цеолитов. Дегидратированные цеолиты запаивают в контейнеры, предназначенные для захоронения [3]
Однако вследствие обратимости и высоких скоростей ионного обмена применение цеолитов в качестве материала-фиксатора ограничено в связи с возможностью попадания элементов ВАО в биосферу при непредвиденной разгерметизации защитной оболочки.

Настоящее изобретение решает задачу безопасного захоронения длительноживущих изотопов щелочных и щелочноземельных металлов на длительный по геологическим масштабам (1 млн.лет) отрезок времени благодаря использованию в качестве материала-фиксатора стабильной в условиях земной коры матрицы полевого шпата.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе фиксации в твердую фазу радиоактивных изотопов щелочных и щелочноземельных элементов, включающем селективное извлечение их цеолитами NaA или NaX методом ионного обмена с последующей сушкой и дегидратацией, согласно изобретению, после дегидратации проводят горячее прессование изотопсодержащего цеолита до перевода его в форму полевого шпата.

При фиксации стронция горячее прессование проводят при температуре 700-1200^оС и давлении 800-1000 атм. в течение 1-3 ч.

Проведение горячего прессования цеолитов NaA или NaX, содержащих изотоп щелочного или щелочноземельного элемента, позволяет получить матрицу полевого шпата, т.е. искусственный аналог природного материала, устойчивость которого в условиях земной коры хорошо известна и составляет миллиарды лет. Синтетические цеолиты NaA и NaX, выпускаемые отечественной и зарубежной промышленностью, имеют модуль кремнеземности (SiO₂/Al₂O₃) близкий к стехиометрическому отношению этих компонентов в полевых шпатах. Метод горячего прессования заключается в термообработке при высоких температурах и давлениях. Окончание реакции можно проконтролировать с помощью рентгенофазового анализа.

Процесс моделировался на стабильных изотопах ¹³³Сs и ⁸⁸Sr, имеющих аналогичное поведение в процессах выщелачивания при испытаниях по тесту МАГАТЭ МСС-1.

П р и м е р 1. В качестве исходного материала использовался гранулированный синтетический цеолит NaA фракции 0,5-0,25 мм в количестве 22 г. Сорбция стронция осуществлялась из 3 800 мл 0,03М водного раствора Sr(NO₃)₂, пропускаемого через ионообменные колонки со скоростью 2 мм/мин (время опыта 32 ч) при температуре 25^оС. Полнота извлечения стронция оценивается по отсутствию его в растворе, выходящем из колонки, методом атомно-абсорбционного анализа. После сушки и дегидратации химический состав стронцийзамещенного цеолита, Na₂O 2,75; SrO 23,63; Al₂O₃ 30,03; SiO₂ 43,1. Горячее прессование проводилось при температуре 700^оС и давлении 1000 атм в течение 1 ч. При этом получился порошок, рентгенофазовый анализ которого показал соответствие стронцийсодержащему полевому шпату. Других фаз обнаружено не было.

Тест на стабильность (стандарт МАГАТЭ МСС-1) выщелачивания стронция из полевого шпата при 90^оС со сменой воды через 1, 7, 14, 28 и т.д. суток показал, что скорость выщелачивания через 50 суток составила 0,037 гр/м², что на 2 порядка ниже, чем из боросиликатного стекла.

П р и м е р 2. То же, что и в примере 1, только в качестве синтетического цеолита взят цеолит NaX, а горячее прессование проводилось при температуре 1200^оС и давлении 800 атм в течение 3 ч.

Подобным же образом можно осуществлять фиксацию из ВАО изотопов других щелочных и щелочноземельных элементов, получая различные формы полевых шпатов.

Использование: область переработки и захоронения высокорадиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ фиксации в твердую фазу изотопов и щелочных и щелочноземельных элементов включает селективное извлечение щелочных и щелочноземельных элементов цеолитами NaA или NaX методом ионного обмена, сушку, дегидратацию и последующее горячее прессование изотопсодержащего цеолита до перевода его в форму полевого шпата. При фиксации стронция горячее прессование проводят при температуре 700 - 1200°С и давлении 800 - 1000 атм в течение 1 - 3 ч. Полученный материал - матрица полевого шпата - устойчив к выщелачиванию, стабилен при хранении в земной коре. 1 з.п. ф-лы.

1. СПОСОБ ФИКСАЦИИ В ТВЕРДУЮ ФАЗУ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, включающий селективное извлечение их цеолитами NaA или NaX методом ионного обмена с последующей сушкой и дегидратацией, отличающийся тем, что после дегидратации проводят горячее прессование изотопсодержащего цеолита до перевода его в форму полевого шпата. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при фиксации стронция горячее прессование проводят при 700 12000^oС и давлении 800 1000 атм в течение 1 3 ч.