СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОАКТИВНЫХ ГРАФИТСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ Российский патент 1996 года по МПК G21F9/32 

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к технологии переработки высокоактивных графитсодержащих отходов (ВГО), образующихся при разгерметизации топливных элементов и содержащих продукты ядерного горючего и продукты его деления.

Известен способ переработки твердых радиоактивных отходов, содержащих углерод (бумага, ветошь, пластмасса, резина и т.д.), включающий измельчение отходов, их сжигание в камерных печах футерованными огнеупорными материалами в кислородсодержащей атмосфере, выгрузку золы с последующим ее захоронением и очистку дымовых отходящих газов до допустимой дозы радиации ( И.А. Соболева и Л.М. Хомчика. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах,М. Энергоатомиздат, 1983, с. 20).

Способ отличается сложным аппаратурным оформлением, низкой очисткой дымовых газов, недостаточно полным окислением органической части отходов, экологически небезопасен и не может быть использован для переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов.

Наиболее близким техническим решением является способ переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов, включающий измельчение твердых высокоактивных графитсодержащих отходов, их окисление и доокисление в режиме беспламенного горения в потоке воздуха при температуре 620-680^oC, отделение отходящих аэрозольсодержащих газов от высокоактивного аэрозоля последовательными операциями десублимации-сублимации, абсорбирование очищенного углекислого газа раствором гидроокиси кальция, при этом высокоактивный аэрозоль после подпитки газообразным кислородом направляют на стадию окисления в голову процесса (авт.св.СССР N 17118277 А1, G 21 F 9/32, опубл. 07.03.92, БИ N 9).

Изобретение позволяет локализовать радионуклиды при одновременном обеспечении безопасности окружающей среды, однако способ сложен для реализации и многостадиен.

Целью изобретения является создание экологически чистого и технологичного способа переработки высокоактивных графитсодержащих отходов в виде термически и химически стойкого компактного керамического материала с прочной фиксацией радионуклидов и безопасного для захоронения.

Цель достигается тем, что способ переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов включает измельчение отходов, дополнительное введение в измельченные отходы титана или алюминия в качестве энергоносителя, и диоксида титана и/или диоксида кремния, в качестве оксида карбидообразующего элемента, термическую обработку приготовленной смеси в герметичном реакторе в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) путем инициирования реакции горения смеси, компактирование продукта синтеза в процессе горения или после горения смеси, при этом содержание компонентов приготовленной смеси берут в количестве достаточном для полного связывания графита в процессе горения с образованием высокоплотного продукта для экологически безопасного захоронения.

Сущность способа заключается в следующем: готовят исходную смесь из измельченных порошков высокоактивных графитсодержащих отходов алюминия и/или титана в качестве энергоносителя и диоксида кремния и/или титана в качестве оксида карбидообразующего элемента. Приготовленную экзотермическую смесь порошков уплотняют и размещают на дно реактора СВС в пресс-форме или газостате, герметизируют реактор. Термическую обработку приготовленной смеси проводят в режиме СВС путем локального инициирования реакции горения компонентов смеси подачей кратковременного импульса тока через вольфрамовую спираль, находящуюся в контакте со смесью. В результате инициирования смеси начинается реакция взаимодействия компонентов, не требующая использования внешних источников нагрева. Реакции СВС в зависимости от используемых исходных компонентов, которые берут в количестве, необходимом для полного связывания графита в перерабатываемых отходах (С_отх. и осуществления процесса горения, могут быть представлены в следующем виде:
Al+TiO₂+C_отх_→ Al₂O₃+TiC+Q (1)
Al+SiO₂+C_отх_→ Al₂O₃+SiC+Q (2)
Ti+SiO₂+C_отх_→ TiC+TiO₂+SiC+Q (3)
Ti+Al+TiO₂+C_отх_→ TiC+Al₂O₃+Q (4)
TiC+Al₂O₃+TiO₂+Q (5)
В результате взаимодействия компонентов по одной из приведенных выше схем температура реакции может достигнуть до 3000^oC, в таких условиях графит полностью связывается в соответствующий карбид и вместе с содержащимися в нем радиоактивными нуклидами, например, плутония и урана, равномерно распределяются и прочно фиксируются в матрице продукта синтеза.

Горячий продукт синтеза (для придания ему компактной формы) подвергают уплотнению (компактированию) путем воздействия внешнего давления в процессе или после горения смеси. Величина давления зависит от состава исходной смеси и, как правило, не превышает 400 МПа, а время воздействия давления не превышает 60 с. После уплотнения горячего продукта синтеза давления снижают, реактор с содержимым охлаждают, извлекают высокоплотный продукт и направляют его на захоронение.

Пример 1. Готовят экзотермическую смесь из измельченных: графитсодержащих отходов 11 мас. энергоносителя алюминия 33 мас. диоксида кремния 56 мас. помещают в реактор СВС, герметизируют реактор, продувают аргоном, инициируют реакцию горения и после инициирования сразу же горячий продукт синтеза в реакторе компактируют, воздействуя на него давлением 20,0 МПа до полной гомогенизации целевого материала. Затем давление снижают, содержимое реактора охлаждают в течение 30 мин. Извлеченный продукт синтеза представляет собой высокоплотный (пористость ≈ 8%) материал из оксида алюминия и карбида кремния, в котором равномерно распределены и прочно зафиксированы радионуклиды. Полученный продукт экологически безопасен для захоронения.

Пример 2. Готовят экзотермическую смесь из измельченных: графитсодержащих отходов 20 мас. энергоносителя титана 60 мас. и диоксида кремния 20 мас. помещают в реактор СВС, герметизируют реактор, продувают аргоном, инициируют реакцию горения и через 10 с после прохождения волны горения горячий продукт синтеза компактируют воздействием на него внешнего давления 200 МПа в течение 20 с. После чего давлением снижают, содержимое реактора охлаждают. Извлеченный продукт синтеза представляет собой высокоплотный материал (пористость не более 2%) из карбидов титана, кремния и оксида титана, в котором равномерно распределены и прочно зафиксированы радионуклиды. Продукт синтеза готов для экологически безопасного захоронения.

В указанных и последующих примерах приготовленную смесь уплотняют и размещают в стальную пресс-форму или газостат, а затем в реактор СВС.

Пример 3. Все, как в примере 2, но графитсодержащих отходов 6 мас. алюминия 20 мас. и диоксида титана 74 мас. Давление компактирования горячего продукта синтеза 5 МПа. Извлеченный продукт представляет собой высокоплотный кристаллический материал из оксидов алюминия и титана, карбида титана, в матрице которого прочно зафиксированы радионуклиды. Продукт готов для экологически безопасного захоронения.

Приведенные примеры описания не ограничивают возможность способа, в частности, использования смеси алюминия и титана, использования других оксидов, таких как ZrO₂, HfO₂, т.е. любых оксидов карбидообразующего элемента или их смесей. Количество ВГО может достигать до 30%
Таким образом, предлагаемый способ переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов обеспечивает за несколько минут полноту превращения графита и радионуклидов в высокоплотный компактный материал полностью готовый для экологически безопасного захоронения, при этом минимальные затраты электроэнергии за счет использования тепла экзотермической реакции значительно упрощают и удешевляют технологию. Простота и надежность оборудования позволяют широко регулировать объемы производства и увеличивают производительность труда.

СВЧ-процесс управляем, изменяя режимы горения: температуру, давление, соотношение компонентов можно в широких пределах регулировать состав получаемых целевых продуктов.

Использование: в области переработки высокоактивных графитсодержащих отходов. Сущность изобретения: графитсодержащие отходы измельчают, вводят титан и/или алюминий, диоксид титана и/или диоксид кремния, размещают смесь в герметичный реактор, инициируют реакцию горения. Горячий продукт синтеза компактируют в процессе горения или после горения смеси, а затем направляют на дальнейшее захоронение. Полученный продукт представляет собой высокоплотный термически и химически стойкий компактный керамический материал с прочно зафиксированными радионуклидами. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ переработки твердых высокоактивных графитсодержащих отходов, включающий измельчение отходов и их термическую обработку, отличающийся тем, что в измельченные отходы дополнительно вводят титан и/или алюминий в качестве энергоносителя и оксид карбидообразующего элемента, термическую обработку приготовленной смеси проводят в герметичном реакторе в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза путем инициирования реакции горения компонентов смеси с последующим компактированием продукта синтеза в процессе или после горения смеси, при этом компоненты смеси берут в количестве, достаточном для полного связывания графита в процессе горения с образованием высокоплотного продукта для экологически безопасного захоронения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве оксида карбидообразующего элемента используют преимущественно диоксид титана и/или кремния.