СПОСОБ СОВМЕСТНОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ГРУНТОВ, СОДЕРЖАЩИХ ОРГАНИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ, И ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК G21F9/16 G21F9/32 

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки твердых радиоактивных отходов. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован при переработке радиоактивных грунтов, имеющих в своем составе органические компоненты как искусственного, так и естественного происхождения, и жидких радиоактивных отходов (ЖРО) атомных электростанций (АЭС). К первому типу органических компонентов радиоактивных грунтов можно отнести различные нефтепродукты, соединения полимерного типа и т. п. , а к органическим компонентам естественного происхождения относятся в первую очередь торф, илы водоемов и другие продукты жизнедеятельности животного и растительного мира.

Известен способ кондиционирования промаслянных радиоактивных грунтов (1), включающий обработку их пластификатором, после чего обработанный грунт смешивают с цементом и затворяют водой. Способ позволяет перевести промаслянные радиоактивные грунты в состояние, удобное для долгосрочного безопасного хранения.

Недостатками этого способа являются повышенный объем и невысокое качество получаемого конечного продукта, ограниченность применения способа для переработки радиоактивных грунтов, загрязненных иными по своей физико-химической природе органическими примесями, а также пониженная экономичность.

Известен также способ цементирования ЖРО (2), включающий смещение их с цементом при одновременном введении в качестве сорбирующей добавки бентонитовой глины. Полученную смесь выдерживают до образования монолитного цементного камня и направляют на долгосрочное хранение.

Недостатком этого способа является использование балластной сорбирующей добавки, которое приводит к снижению степени наполнения цементного камня по радиоактивным отходам.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ совместного кондиционирования твердых и жидких радиоактивных отходов (3) путем синтеза из них цементообразующего клинкера с его последующим переводом в цементный камень. В качестве твердых радиоактивных отходов (ТРО) в известном способе используют строительные материалы, известняковые, глинистые и песчаные грунты, причем в качестве грунтов возможно использование также и грунтов, содержащих органические компоненты. В качестве ЖРО используют жидкие радиоактивные отходы атомных электростанций (АЭС), содержащие помимо катионов радионуклидов катионы калия, например, кальция железа и алюминия.

Сущность известного способа заключается в том, что ТРО измельчают, затем одну часть ТРО смешивают с ЖРО и полученную смесь подвергают нагреву до 1000^oC. При нагреве из полученной смеси синтезируют цементный клинкер, который затем подвергают помолу, в результате чего происходит образование гидравлического вяжущего материала (цемента). Другая часть ТРО также смешивают с ЖРО и образующуюся смесь с помощью полученного гидравлического вяжущего материала переводят в твердый цементный камень.

Недостатком известного технического решения являются:
ограниченная применимость способа для цементирования различных типов ЖРО, связанная с тем, что для синтеза цементного клинкера в известном способе ЖРО должны удовлетворять определенным требованиям по химическому составу (в составе ЖРО должны присутствовать такие катионы, как калий, натрий, кальций, железо, алюминий, необходимые для синтеза цементного клинкера при нагреве смеси ТРО и ЖРО). В то же время в известном способе нельзя использовать концентрат борсодержащих ЖРО, т.к. образующийся цементный камень обладает пониженной прочностью и при контакте с водой подвергается разрушению;
повышенная энергоемкость, связанная с необходимостью нагрева смеси ТРО и ЖРО до температуры 1000^oC;
повышенная опасность реализации известного способа, связанная с образованием значительного количества нитрозных газов в процессе операции нагрева за счет разложения нитрат - иона, присутствующего в составе ЖРО АЭС, и повышенной летучестью радионуклида цезия при температуре 1000^oC.

Преимуществами заявляемого способа являются: расширение области применимости способа для цементирования различных по составу ЖРО; повышение экономичности способа; повышение качества получаемого конечного продукта; повышение безопасности реализации способа.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что ТРО, представляющие собой грунты, содержащие органические компоненты, нагревают до температуры 500 - 800^oC, после чего продукт нагрева размалывают до удельной поверхности не ниже 1000 см²/г и смешивают с цементом и ЖРО до получения цементного теста, которое затем выдерживают до образования пригодного для долгосрочного хранения цементного камня. Весовое соотношение между цементом и продуктом нагрева ТРО составляет не менее 0,1, а весовое соотношение между ЖРО и смесью продукта нагрева ТРО и цемента составляет 0,25 - 0,8.

Сущность способа заключается в том, что при нагреве ТРО происходит выгорание органической составляющей грунта с образованием удаляемых нетоксичных летучих компонентов, а неорганическая часть грунта после нагрева и размола образует имеющий родственную природу с цементом материал, который при последующем смешении с ЖРО и цементом позволяет получить цементный камень со свойствами, обеспечивающими его надежное долгосрочное хранение.

Температура нагрева, составляющая 500 - 800^oC, обусловлена тем, что в данном температурном интервале в ТРО происходит полное выгорание их органической составляющей. При температурах менее 500^oC не будет происходить полного выгорания органической составляющей ТРО, что приведет к получению конечного продукта, по своим прочностным свойствам не пригодного для долгосрочного хранения. При температурах более 800^oC не будет достигаться эффекта повышения безопасности реализации способа из-за интенсификации улетучивания радионуклидов.

Размол продукта нагрева ТРО до удельной поверхности не ниже 1000 см²/г необходим для обеспечения равномерности водоустойчивости, а также прочностных свойств по всему объему получаемого конечного продукта, а также для снижения его пористости. Однородность свойств по объему является одним из основных требований, предъявляемых к захораниваемым продуктам, т.к. в противном случае не будет никакой гарантии в надежности локализации радионуклидов.

Смешение с цементом продукта нагрева ТРО обусловлено тем, что сам он по себе обладает незначительными вяжущими свойствами, причем при весовом соотношении между цементом и продуктом нагрева ТРО меньшем 0,1 не происходит образования цементного камня.

Весовое соотношение между ЖРО и смесью продукта нагрева ТРО и цемента составляет 0,25 - 0,8, т.к. при соотношении меньшем 0,25 не будет происходить образования цементного камня, а при соотношении большем 0,8 либо образующийся цементный камень не будет по своем прочностным характеристикам пригоден для долгосрочного хранения, либо его образования не будет происходить вообще.

Использование в качестве гидравлического вяжущего материала цемента обеспечивает возможность перевода в твердое состояние более широкого по своему качественному составу класса ЖРО (борсодержащие ЖРО).

Снижение температуры нагрева обеспечивает повышение экономичности и безопасности способа.

Исключение термической обработки ЖРО и снижение температуры нагрева ТРО обеспечивают повышение безопасности реализации способа за счет предотвращения образования токсичных нитрозных газов и снижения степени улетучивания радионуклидов.

Способ реализуется следующим образом.

100 г ТРО, представляющих собой грунт, содержащий органические примеси, нагревают до температуры 650^oC. Продукт нагрева размалывают в шаровой мельнице до величины удельной поверхности 1000 см²/г и смешивают с цементом в весовом соотношении 0,1. К полученной сухой смеси добавляют ЖРО (весовое соотношение между ЖРО и смесью продукта нагрева и цемента составляет 0,5) для получения цементного теста, которое затем выдерживают до образования монолита. Анализ конечных продуктов, полученных на основе ЖРО, не содержащих соединений бора и борсодержащих ЖРО, показал, что скорость вымываемости по радионуклидам цезия на 60 сутки (среднестатистическое время достижения стабильного показателя скорости вымываемости) находится в пределах 10^-6 - 10^-5 г/см² сутки (по способу, согласно прототипа, для ЖРО, не содержащих соединений бора - 10^-3 г/см² сутки, а образцы на основе борсодержащих ЖРО при контакте с водой полностью разрушаются в течение 6 месяцев). Предел прочности при сжатии на 28 сутки (гостированное время выдержки) для образцов, полученных на основе ЖРО, не содержащих соединений бора, составляет 640 кгс/см², а для борсодержащих ЖРО - 450 кгс/см² (по способу, согласно прототипа, соответственно - 560 кгс/см² и 260 кгс/см²).

Литература
1. Опубликованная международная заявка WO 92/20070 A₁, кл. G 21 F 9/34, C 04 B 28/02, оп. 12.11.92.

2. Быховская Т.А., Захарова К.П., Карпова Т.Т., Масанов О.Л., Химченко О. М. , Дмитриев С.А., Баринов А.С., Варлаков А.П. Влияние добавки глины на свойства цементных компаундов, используемых для локализации радиоактивных отходов, Атомная энергия, 1995, 79, N 1, с. 23-26.

3. Соболев И.А., Дмитриев С.А., Баринов А.С., Варлаков А.П., Карлин С.В. , Савельев В.Г., Абакумов А.В. Синтез и применение неорганического вяжущего материала на основе радиоактивных отходов, Атомная энергия, 1995, 78 N 5, с. 312-315.

Изобретение относится к области совместной обработки твердых и жидких радиоактивных отходов и предназначено для перевода радиоактивного грунта, содержащего органические компоненты, и жидких радиоактивных отходов в цементный камень. Сущность способа: радиоактивный грунт, содержащий органические примеси, нагревают до 500-800^o С, продукт нагрева размалывают до удельной поверхности не ниже 1000 см²/г, смешивают с цементом и жидкими радиоактивными отходами в определенных весовых соотношениях, после чего выдерживают до образования монолита. Технический результат - расширение области применимости способа для цементирования различных по составу жидких радиоактивных отходов, повышение экономичности и безопасности реализации способа, а также повышение качества получаемого конечного продукта за счет выжигания органических компонентов грунта.

Способ совместного цементирования радиоактивных грунтов, содержащих органические компоненты, и жидких радиоактивных отходов, включающий их перевод в форму цементного камня, отличающийся тем, что грунт нагревают до 500 - 800^oC, продукт нагрева размалывают до удельной поверхности не менее 1000 см²/г, смешивают с цементом при весовом соотношении цемент - продукт размола не менее 0,1, полученную смесь перемешивают с жидкими радиоактивными отходами при весовом соотношении жидкие радиоактивные отходы - смесь цемента и продукта размола - 0,25 - 0,8 и выдерживают до образования цементного камня.