РАДИАЦИОННО-ЗАЩИТНАЯ ПАСТА И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК C04B28/34 C03C4/08 C04B40/02 

Изобретение относится к производству материалов на основе бетона, предназначенных для защиты персонала и окружающей среды от радиоактивных излучений, и может быть использовано для производства контейнеров, предназначенных для транспортировки, хранения и захоронения отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и радиоактивных отходов (РАО), а также в качестве герметизирующей обмазки при строительстве и эксплуатации помещений (горячих камер, каньонов) для работы с радиоактивными веществами.

Известен бетон (строительный раствор), содержащий присадку в виде гранулированного стекла с высокими свойствами поглощения излучения и нейтронов. Присадка включает в себя SiO₂, B₂O₃, Na₂O, К₂О, CaO, BaO, MnO, ZnO, PbO, Al₂O₃, Sb₂O₃ (см. заявку ФРГ 2516023 от 17.05.1978).

Однако указанный материал не может решить весь спектр вопросов, связанных с защитой от радиации, т.к. для эффективной радиационной защиты имеет большое значение не только состав присадки, но и другие составляющие, с которыми смешивается присадка.

Наиболее близкими к предлагаемой радиационно-защитной пасте и способу ее изготовления являются паста и способ ее изготовления, описанные в патенте РФ N2105363 от 20.02.1998.

Паста включает молотые отходы оптического стекла, содержащего Na₂O, Ca₂O, Al₂O₃, PbO, SiO₂ и вяжущее, в состав которого входит жидкое стекло.

Способ для изготовления пасты состоит в последовательной загрузке в мешалку компонентов пасты и их перемешивания.

Известная паста, несмотря на высокую прочность на сжатие и удар, низкую газопроницаемость, не удовлетворяет требованиям теплостойкости и гидролитической устойчивости, которые предъявляются к материалам контейнеров для хранения ОЯТ и РАО. Так, требуемые теплостойкость и гидролитическая устойчивость, определяемая степенью растворения в воде,%, для бетонов и гидролитических обмазок на основе пасты составляет соответственно 380^oС и 1-2%. Известная паста имеет теплостойкость 120-130^oC и степень растворения в воде 12%. Низкие показатели теплостойкости и гидролитической устойчивости пасты обусловлены высоким содержанием жидкого стекла, являющегося вяжущим.

Технический результат, на достижение которого направлены предлагаемые решения, заключается в разработке пасты, предназначенной для изготовления средств долговременного хранения радиоактивных веществ, а также для их ремонта и технологии изготовления пасты.

Указанная задача решается за счет того, что в радиационно-защитной пасте, содержащей наполнитель в виде порошка стекла, в состав вяжущего, содержащего жидкое стекло, дополнительно введена фосфорная кислота, массовая доля которой равна менее 42%, при этом массовая доля жидкого стекла менее 10%, а порошок имеет следующее соотношение компонентов, мас/%: SiO₂ - 0-65%; В₂O₃ - менее 21%; ZnO - менее 5%; PbO - менее 82%; Al₂O₃ - менее 20%; Na₂O - 0-12%; K₂O - 0-17%; СаO - 0-46%; MnO - 0-1,5%.

Фосфорная кислота может иметь концентрацию от 20 - 89%, а для получения порошка стекла может быть использован бой стекла на основе оксидов свинца и бора с добавками оксидов цинка и алюминия.

В способе изготовления радиационно-защитной пасты, заключающемся в приготовлении смеси порошка стекла и вяжущего, включающего жидкое стекло, порошок стекла и жидкое стекло смешивают до образования гомогенной смеси, полученную смесь подвергают сушке при 100 - 150^oC в течение 30-120 мин или при комнатной температуре в течение нескольких суток, полученный после сушки продукт размалывают до размеров частиц 10 до 160 мкм и затем смешивают с фосфорной кислотой до получения пастообразной пластичной массы, при этом используют фосфорную кислоту 20 - 89% концентрации.

При сушке идет реакция химического связывания щелочной компоненты жидкого стекла с оксидами свинца и цинка с образованием плюмбатов и цинконатов натрия, благодаря чему исключается вспенивание компонентов при их смешивании и реализуется процесс затвердевания и образования цементов с фосфорной кислотой.

Рекомендованные для производства стеклокристаллических порошков и приготовления из них паст для изготовления контейнеров стекла N1, N2 имеют следующий химический состав:
Поликристаллическая система: N1 (ПСКС); SiO₂ - 63,5%; K₂O - 16,6%; Na₂O - 2,0%; PbO - 12,7%; B₂O₃ - 1,5%; ZnO - 1,0%; Al₂O₃ - 0,5%; CaO - 2,0%; п.п. п. (потери при прокаливании) - 0,2%,
Поликристаллическая свинцово-борная система: N2 (ПСКСС); PbO - 79,95%; ZnO - 3,9%; B₂O₃ - 15,76%; п.п.п. - 0,37%.

Из ПСКС и ПСКСС приготовлены стеклокристаллические порошки с фракциями: ПСКС - 10-100 мкм, ПСКСС - 10-120 мкм.

Основные физико-механические свойства отвержденных материалов приведены в таблице 1.

Проведенные испытания плиток и кольцевых вставок, изготовленных из разработанных паст в сравнении с элементами из других материалов, показали результаты, приведенные в таблице 2.

Толщина защиты плиток холодного отверждения (ρ = 1,9-3,1 г/см³) и кольцевой вставки с поликристаллической свинцовоборатной системой ( ρ = 6,1 г/см³).

Указанные элементы для проведения испытаний были получены в соответствии со следующей технологией:
1. Приготовление стеклоцементного порошка:
Порошок стекла - 100 г.

Жидкое стекло - 10 г (Модуль жидкого стекла равен 3).

Смешивание компонентов до получения гомогенной смеси в течение 10 мин.

Далее смесь подвергается сушке при 120^oC в течение 1 часа для удаления влаги (или при комнатной температуре в течение нескольких суток).

Продукт сушки размалывается в шаровой мельнице до размеров частиц от 50 до 150 мкм.

2. Затворение стеклоцементного порошка.

Стеклоцементный порошок - 100 г.

Фосфорная кислота (89%, разбавленная 1:1, ρ = 1,53 г/см³) - 36-38 г.

Фосфорная кислота при смешивании со стеклоцементным порошком вступает с ним во взаимодействие.

При смешивании, до получения тестообразной пластичной массы, наблюдается небольшой разогрев (30-40^oC).

Смешивание компонентов до получения гомогенной смеси в течение 3 минут. Далее пастообразная масса заливается в форму для получения образцов. Время твердения образцов при комнатной температуре составляет 24-48 часов.

Полученные образцы извлекаются из формы и подвергаются сушке при 100-120^oC в течение 2-3 часов.

Применение: защита от радиации, утилизация радиоактивных отходов. Сущность изобретения: перемешивают жидкое стекло и порошок стекла с соотношением компонентов, мас.%: SiO₂ - 0 - 65%; В₂О₃ - менее 21%; ZnО - менее 5%; PbО - менее 82%; Аl₂О₃ - менее 20%; Nа₂О - 0 - 12%; К₂О - 0 - 17; СаО - 0 - 46%; МnО - 0 - 1,5%. Полученную смесь подвергают сушке, а затем полученный продукт размалывают и смешивают с фосфорной кислотой до получения пастообразной пластичной массы, готовой к изготовлению различных изделий или к применению для ремонтных работ. Изобретение решает задачу по увеличению сроков хранения радиоактивных веществ. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 табл.

1. Радиационно-защитная паста, содержащая наполнитель в виде порошка стекла и вяжущее, в состав которого входит жидкое стекло, отличающаяся тем, что вяжущее дополнительно содержит фосфорную кислоту, массовая доля которой менее 42%, при этом массовая доля жидкого стекла менее 10%, а порошок имеет следующее соотношение компонентов, мас.%: SiO₂ - 0 - 65%; B₂O₃ - менее 21%; ZnO - менее 5%; PbO - менее 82%; Al₂O₃ - менее 20%; Na₂O - 0 - 12%; K₂O - 0 - 17%; CaO - 0 - 46%; MnO - 0 - 1,5%. 2. Паста по п.1, отличающаяся тем, что использована фосфорная кислота 20 - 89%-ной концентрации. 3. Паста по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что для получения порошка стекла использован бой стекла на основе оксидов свинца и бора с добавками оксидов цинка и алюминия. 4. Способ изготовления радиационно-защитной пасты, заключающийся в приготовлении смеси порошка стекла и вяжущего, включающего жидкое стекло, отличающийся тем, что смешивают порошок стекла и жидкое стекло до образования гомогенной смеси, полученную смесь подвергают сушке при 100 - 150^oС в течение 30 - 120 мин или при комнатной температуре в течение нескольких суток, полученный после сушки продукт размалывают до размеров частиц 10 - 160 мкм и затем смешивают с фосфорной кислотой до получения пастообразной пластической массы. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что используют фосфорную кислоту 20 - 89%-ной концентрации.