СПОСОБ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В МИНЕРАЛЬНЫЙ МАТРИЧНЫЙ БЛОК И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК G21F9/16 G21F9/30 

Изобретение относится к охране окружающей среды, точнее, к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем иммобилизации радионуклидов (РН) в устойчивые минеральные матричные блоки, пригодные для долговременного хранения и захоронения. Наиболее эффективно заявляемые способ и устройство могут быть реализованы при переработке кальцинатов жидких радиоактивных отходов, зольных остатков, образующихся при сжигании твердых РАО, смесей, получаемых в результате высокотемпературной переработки жидких и твердых РАО.

Известен способ переработки РАО, включающий смешивание РАО с материалами, обеспечивающими образование металлокерамических матричных композиций (с шихтой, компоненты которой выбирают из ряда s-, р-, d-, f- элементов и их оксидов, например, Cr₂O₃, Fe₂O₃, NiO, SiO₂, TiO₂, ZrO₂, CaO, BaO, Al₂O₃, CrFe, Ni, Mg, Al, Si, Ti), обеспечивая "термичность" смеси, включающей РАО. в пределах 40...60 кДж/г-атом, добавление к полученной смеси связующих неорганических материалов (водный раствор жидкого стекла), формование из полученной влажной смеси брикета с последующим углекислотным отверждением обдувом углекислым газом и тепловой сушкой при 200...250^oС в течение 2,3...3 час, размещение высушенного брикета в литейной форме с обеспечением зазоров между поверхностями брикета и внутренними поверхностями формы, инициирование в брикете экзотермической реакции заливкой в зазор между брикетом и формой расплавов металла или оксидов с температурой 1000...1600^oС, или заполнением названного зазора металлотермической смесью с последующим ее воспламенением. После завершения экзотермической реакции в брикете при естественном остывании продуктов реакции формируется матрица, консервирующая РАО, а в зазоре между формой и полученной матрицей из затвердевшего расплава металла или оксидов образуется защитный слой, дополнительно изолирующий матрицу с РАО от окружающей среды [1].

Недостатками известного способа являются повышенная сложность и многостадийность процесса, необходимость сложного и дорогого оборудования для получения высокотемпературных расплавов металлов или оксидов, для прессования брикетов, их углекислотного отверждения и высокотемпературной сушки. Повышенная опасность, связанная с выделением водорода при взаимодействии водного раствора жидкого стекла с порошкообразным алюминием при нагревании, что не исключает образования взрывоопасных концентраций водорода с воздухом. При использовании в данном способе металлотермической смеси для воспламенения брикета образуется защитный слой, состоящий преимущественно из металла в нижней части и оксидов в верхней части, граница между которыми имеет поры разной величины и незначительную механическую прочность, что ухудшает защитные функции полученного слоя.

Известен также способ переработки РАО, прошедших предварительную высокотемпературную обработку [2] , включающий смешивание их с окислителем (свинцовый сурик), восстановителем (силикокальций) и минеральной добавкой - стеклообразователем (боросиликатная стеклошихта или стеклофритта), размещение металлической емкости для полученной смеси в сетчатом кожухе с зазором, заполнение зазора между стенками и дном емкости и сетчатым кожухом порошкообразным малогазовым составом на основе алюминия, магния и их сплавов, заполнение емкости смесью РАО с окислителем, восстановителем и стеклообразователем, получение стеклоподобного конечного продукта одновременным инициированием экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и стеклообразователем, находящимся в емкости, и в малогазовом составе, находящемся в зазоре между емкостью и сетчатым кожухом, охлаждение стеклоподобного конечного продукта за счет естественного снижения температуры и захоронение.

Недостатками известного способа являются возможность термического разрушения корпуса емкости из-за одновременного двухстороннего высокотемпературного воздействия, что снижает качество изоляции РАО от окружающей среды. Повышенная опасность способа обусловлена возможностью просыпания порошкообразного малогазового состава через отверстия в сетчатом кожухе, образованием значительного объема аэрозольной фазы при горении состава на основе магния, алюминия и их сплавов в зазоре между стенками емкости и сетчатым кожухом, а также образованием при этом пористых, нестойких к воде и влаге воздуха шлаков, содержащих нитриды магния и алюминия, которые не обеспечивают дополнительной изоляции стеклоподобного конечного продукта с РАО от окружающей среды.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ остекловывания радиоактивной золы и устройство для его осуществления [3]. Известный способ включает смешивание радиоактивной золы с окислителем (перманганат калия или двуокись марганца), порошкообразным алюминием, силикокальцием (восстановителем) и ускорителем (минеральной добавкой - фторидом калия, натрия или кальция) при следующем соотношении компонентов, мас.%: радиоактивная зола 50-60, окислитель 18-22, порошкообразный алюминий 3-7, силикокальций 18-22, ускоритель 1-2, загрузку порции полученной стеклообразующей смеси во внутреннюю емкость, осуществление нагрева порции смеси путем инициирования в ней экзотермической реакции между порошкообразным алюминием, силикокальцием и окислителем (путем поджига или электрическим разрядом), подачу каждой последующей порции смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем на поверхность стеклорасплава осуществляют после перехода в стеклорасплав предыдущей порции до заполнения емкости конечным продуктом. После этого устройство охлаждают за счет естественного снижения температуры, закрывают крышкой и отправляют на захоронение.

Недостатками известного способа (прототипа) являются:
- повышенная опасность процесса, связанная с образованием высокого суммарного количества летучих форм радионуклидов (РН) в аэрозольной фазе и высокой вероятностью нерасчетного ускорения экзотермических реакций и выброса при этом РАО и других продуктов с высокой температурой из внутренней емкости в окружающую среду при подаче порций смеси радиоактивной золы с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой на поверхность стеклорасплава, имеющего температуру до 1700^oС;
- пониженные механическая прочность конечного продукта и надежность иммобилизации в нем РН, обусловленные его повышенной пористостью из-за невозможности удаления парообразных продуктов через металлические стенки внутренней емкости, неоднородностью физико-механических характеристик по высоте из-за порционной загрузки, и наличием высоких термических и усадочных напряжений, вызванных интенсивным теплоотводом от расплавленного конечного продукта в металлическую емкость (высокими температурными градиентами в формирующемся стеклообразном блоке). Последнее усугубляется быстрым естественным остыванием до температуры окружающей среды;
- повышенный расход дорогих и дефицитных материалов (наружная и внутренняя емкости одноразовые, выполнены из металлов с температурой плавления более 1700^oС);
- ограниченная область применения, обусловленная возможностью реализации способа для остекловывания только низко- и среднеактивных РАО.

Наиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является устройство для реализации способа остекловывания радиоактивной золы [3], включающее металлическую емкость, расположенную внутри внешней металлической емкости коаксиально с образованием кольцевого зазора между внешней поверхностью внутренней емкости и наружной поверхностью внешней емкости, который заполняют порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, например плотным шамотом с малой теплопроводностью и температурой плавления ~ 1900^oС. Кроме того, устройство содержит узел инициирования экзотермической реакции, размещенный в смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем (минеральной добавкой).

Недостатками устройства-прототипа являются необходимость изготовления наружной и внутренней емкостей одноразового использования из дорогих и дефицитных металлов с температурой плавления более 1700^oС, относительная сложность изготовления устройства, а также повышенная опасность работы, связанная с загрязнением окружающей среды радиоактивными веществами, обусловленная возможностью выброса из устройства летучих форм РН в аэрозольной фазе при протекании экзотермической реакции, а также высокотемпературных продуктов, содержащих РАО при загрузке порций смеси на поверхность стеклообразного расплава из-за отсутствия узла газоочистки. Кроме того, возможен выход РН в окружающую среду через неплотности между крышкой и поверхностью застывшего стеклорасплава, содержащего РАО.

Заявляемый способ может быть осуществлен в предлагаемом устройстве, т.е. способ и устройство решают единую техническую задачу повышения безопасности реализации процесса иммобилизации РАО, улучшения качества конечного продукта (минерального матричного блока) в части увеличения прочности матричного блока, надежности иммобилизации в нем РН, снижения расхода материалов и стоимости устройства, а также расширения области применения.

Преимуществами заявляемого способа являются повышение безопасности его реализации, улучшение качества конечного продукта, расширение области применения.

Преимуществами заявляемого устройства является улучшение качества конечного продукта, упрощение конструкции, удешевление, многократное использование.

Для реализации поставленной технической задачи и достижения указанных выше преимуществ предлагается способ иммобилизации РАО в минеральный матричный блок, включающий смешивание РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, заполнение зазора между наружной и внутренней емкостями порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, загрузку полученной смеси во внутреннюю емкость, нагрев смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем инициирования в ней экзотермической реакции между окислителем и восстановителем, получение расплава конечного продукта и его охлаждение.

Согласно изобретению РАО смешивают с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой при следующем соотношении компонентов, % по массе:
Радиоактивные отходы - 10-45
Минеральная добавка - 1-27
Окислитель - 31-45
Восстановитель - 11-30
в качестве окислителя используют пятиокись ванадия или смесь ее с перманганатом калия, в качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с титаном, или смесь кремния с силикокальцием, или (и) со сплавом кремния с титаном, в качестве минеральной добавки используют циркон, или двуокись титана, или двуокись циркония, или порошок стекла, или их смеси, в качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала применяют соединения, способные изоморфно замещать радионуклиды (РН) перерабатываемых РАО, или являющиеся минералами-концентраторами РН, или их смеси, температура плавления которых не превышает температуры экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой. Перед загрузкой смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой во внутреннюю емкость производят загрузку порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала, при этом толщина его слоя во внутренней емкости составляет не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, а вышеуказанную загрузку смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой производят в один прием. Осуществляют непосредственный контакт смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом путем удаления внутренней емкости, производят инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой снизу на границе ее с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, осуществляют очистку образующихся парогазообразных продуктов экзотермической реакции.

Окислитель, восстановитель, минеральную добавку и порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал целесообразно применять в виде полидисперсных порошков с содержанием влаги не более 0,2% по массе.

В качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала наиболее предпочтительны силикаты, или (и) алюмосиликаты щелочных, или (и) щелочноземельных, или (и) переходных металлов, или (и) оксиды элементов IV группы Периодической системы элементов, или их смеси, например полевые шпаты, плагиоклазы, пегматиты, пески кварцевые или строительные, циркон, диоксид титана или их смеси.

При содержании в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой окислителя более 45 мас.%, или восстановителя менее 11 мас.%, или РАО менее 10 мас.%, или минеральной добавки менее 1 мас.%, может произойти возрастание температуры процесса выше 1800^oС, сопровождающееся интенсивным переходом РН в газовую фазу, в результате чего не будет обеспечено повышение безопасности реализации способа и улучшения качества конечного продукта.

При содержании в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой более 45 мас. % РАО, или минеральной добавки более 27 мас.%, или окислителя менее 31 мас.%, или восстановителя более 30 мас.%, количество выделяющегося тепла при протекании экзотермической реакции будет недостаточно для получения конечного продукта необходимого качества.

При содержании в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой минеральной добавки менее 1 мас.% не обеспечивается надежная иммобилизация РН в конечном продукте. Содержание минеральной добавки более 27 мас. % приводит к образованию конечного продукта, по своим физико-химическим характеристикам непригодного для длительного хранения.

Осуществление загрузки всей смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой в один прием обеспечивает повышение безопасности осуществления способа за счет исключения возможности нерасчетного ускорения скорости экзотермической реакции, а также способствует улучшению качества конечного продукта (однородности характеристик по высоте).

Инициирование экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем ее воспламенения, например, электровоспламенителем, или накаленной нихромовой проволокой снизу, на границе с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом приводит к образованию около узла инициирования зоны расплава с температурой 1500... 1800^oС и плотностью в 2,5...3 раза большей, чем у исходной смеси. В зоне расплава происходит химическое взаимодействие составных частей РАО, минеральной добавки и продуктов химической реакции окислителя и восстановителя. Сам процесс протекает практически в безгазовом режиме, зона образования расплава перемещается снизу вверх с образованием нерастворимого в воде, химически, термически и радиационно стойкого, механически прочного (после охлаждения до температуры окружающей среды) минерального матричного конечного продукта. По своему составу он приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе РН. Протекание экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой сопровождается уменьшением высоты ее слоя, т.к. плотность продуктов экзотермической реакции в 2,5. . . 3 раза больше насыпной плотности смеси. Благодаря тому, что внутреннюю емкость удаляют перед инициированием экзотермической реакции, порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал пересыпается на уменьшающийся по высоте слой смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, изолируя ее от внешней среды. Образующиеся парогазообразные продукты экзотермической реакции содержат РН в виде аэрозолей, поэтому необходимо осуществление их очистки для исключения возможности выброса РН в окружающую среду. Отходящие парогазовые продукты экзотермической реакции проходят через непрореагировавщую смесь РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой и слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала снизу вверх, где фильтруются от аэрозольных частиц, охлаждаются и очищаются от конденсирующихся паров, содержащих РН, которые затем связываются после прохождения фронта экзотермической реакции в конечный продукт и расплав из порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала. Неконденсируемая часть отходящих газов поступает далее в узел газочистки, где очищается и сбрасывается в атмосферу.

Удаление внутренней емкости перед инициированием экзотермической реакции в смеси обеспечивает кроме того благоприятные условия для практически полного удаления газов из образующегося высокотемпературного расплава конечного продукта, исключает интенсивный теплоотвод от его поверхности и этим способствует повышению монолитности его структуры за счет снижения скорости остывания, температурных градиентов, внутренних напряжений, усадочной и газовой пористости, что увеличивает прочность матричного блока и надежность фиксации в нем РН. Вместе с тем, на всей поверхности формирующегося матричного блока из конечного продукта происходит плавление порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала и покрытие всей поверхности блока сплошным слоем названного расплава, толщина которого определяется соотношением температур экзотермической реакции и плавления порошкообразного неорганического материала, а также их масс, и составляет 2...8 мм.

Расплавленный слой из заявляемого порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала химически связывает РН, находящиеся на поверхности расплава конечного продукта за счет изоморфного замещения соответствующих РН в расплавах минералов, и вхождения РН в минералы-концентраторы. Кроме того, после остывания упомянутый выше расплавленный слой является дополнительным механически прочным барьером для РН, что повышает надежность локализации РН в объеме полученного конечного продукта. Улучшение качества матричного блока из конечного продукта и повышение надежности иммобилизации в нем РН достигается дополнительным снижением скорости охлаждения полученного конечного продукта за счет использования теплоты плавления неорганического теплоизоляционного материала, которая выделяется при затвердевании расплавленного слоя на поверхности матричного блока из конечного продукта.

При влажности ингредиентов смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой и порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала более 0,2 мас.% экзотермическая реакция может протекать с повышенным выделением аэрозольной фазы, а конечный матричный продукт - иметь повышенную пористость, что не обеспечивает повышение безопасности способа и улучшения качества конечного продукта.

Осуществление преимуществ в части устройства обеспечивается тем, что устройство включает наружную и внутреннюю емкости, расположенные коаксиально с образованием кольцевого зазора между внешней поверхностью внутренней емкости и внутренней поверхностью внешней емкости, который заполнен порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, во внутренней емкости размещен узел инициирования экзотермической реакции.

Отличительными признаками устройства являются выполнение наружной и внутренней емкостей в виде обечаек при отношении диаметра наружной емкости к диаметру внутренней емкости 1,4. . .2,5, которые установлены на негорючем технологическом основании, узел инициирования размешен внизу, на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, при этом наружная емкость выполнена из материала с температурой плавления не менее 660^oС, а внутренняя емкость выполнена из материала, имеющего прочность не менее 0,1 кг/см², устройство содержит узел газоочистки, расположенный сверху, на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном высоте наружной емкости.

Внутренняя емкость может быть изготовлена из металла, пластмассы, керамики и т.д.. При использовании материала с прочностью, равной 0,1 кг/см² и более, обеспечивается равномерность толщины слоя теплоизоляционного материала по высоте устройства, что обеспечивает оптимальный режим охлаждения расплава конечного продукта. При прочности материала внутренней емкости меньше 0,1 кг/см² не обеспечивается улучшение качества конечного продукта, т. к. не достигается равномерность толщины теплоизоляционного материала, расположенного в кольцевом зазоре между наружной и внутренней емкостями за счет ее деформации при осуществлении способа (при загрузке теплоизоляционного материала), что приводит к неравномерному теплоотводу и появлению в конечном продукте термических напряжений и других дефектов. Для внешней емкости предпочтительны материалы с температурой плавления не менее 660 ^oС (алюминий, сплавы на его основе, сталь и т.д.), т.к. при образовании расплава конечного продукта температура на ее поверхности может достигать 660^oС, кроме того, они дешевы, доступны и т.д., могут использоваться многократно. Изготовление наружной емкости из материала с температурой плавления менее 660^oС может привести к термическому повреждению емкости и невозможности многократного ее использования.

В качестве порошкообразного неорганического материала наиболее предпочтительны полевые шпаты, пегматиты, плагиоклазы, пески кварцевые или строительные, циркон, оксид титана или смеси названных веществ, которые выбирают исходя из природы и состава перерабатываемых РАО - для иммобилизации (изоморфного замещения) соответствующих РН, которые могут находиться на поверхности конечного продукта - минерального матричного блока, а также с учетом температуры экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой.

Выполнение устройства в виде двух обечаек с отношением величины их диаметров от 1,4 до 2,5, установленных на негорючем технологическом основании, обеспечивает упрощение конструкции. Если отношение диаметров внешней емкости к внутренней будет меньше 1,4, то слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала не будет обеспечивать надежную тепловую изоляцию и образование защитного барьера оптимальной толщины, т.к. из-за быстрого падения рабочей температуры будет либо невозможно проведение заявляемого способа в заявляемом устройстве, либо конечный продукт будет непригоден по своим характеристикам для длительного хранения и захоронения. При значении отношения больше 2,5 в устройстве ухудшаются габаритно-массовые характеристики.

Размещение узла инициирования внизу, на расстоянии не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями от негорючего технологического основания обеспечивает увеличение безопасности работы устройства за счет исключения выброса РН в окружающую среду благодаря предварительной очистке парогазообразных продуктов экзотермической реакции при прохождении их через слой непрореагировавшей смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, и через порошкообразный теплоизоляционный материал, а также обеспечивает улучшение качества конечного продукта за счет оптимальности режима его остывания. Размещение узла инициирования на расстоянии менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями не обеспечивают возможности получения конечного продукта необходимого качества из-за повышенного теплоотвода в негорючее технологическое основание и появление в конечном продукте неоднородностей, обусловленных неравномерностью температуры.

Негорючее технологичекое основание выполняет функцию днища устройства.

Расположение узла газоочистки сверху на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном высоте наружной емкости, обеспечивает повышение безопасности реализации способа за счет более полного улавливания РН в объеме устройства и исключения возможности выброса высокотемпературных продуктов, содержащих РАО.

Заявляемое устройство иллюстрируется фиг.1 и 2. На фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе. Устройство состоит из узла газоочистки, включающего зонт 1, фильтр 2, внешней емкости 3, внутренней емкости 4, расположенной во внешней емкости коаксиально, выполненных в виде обечаек, и установленных на негорючем технологическом основании 5, кольцевого зазора 6, узла инициирования 7.

На фиг. 2 представлен пример реализации способа в предлагаемом устройстве, где 8 - смесь РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, 9 - фронт образования и распространения расплава конечного продукта, 10 - конечный продукт, 11 - защитный слой из расплава порошкообразного теплоизоляционного неорганического материала, 12 - порошкообразный теплоизоляционный неорганический материал.

Способ реализуют следующим образом: РАО в количестве 27 мас.% смешивают с 10 мас.% минеральной добавки, 35 мас.% окислителя и 28 мас.% восстановителя. В качестве минеральной добавки используют циркон, в качестве окислителя - пятиокись ванадия, а в качестве восстановителя - сплав кремния с титаном (циркон, пятиокись ванадия и сплав кремния с титаном являются наименее предпочтительной комбинацией, т. к. достигаемые преимущества в заявляемом способе являются наименьшими по сравнению с другими возможными комбинациями РАО, минеральной добавки, окислителя и восстановителя). Наружную и внутреннюю емкости устанавливают на негорючем технологическом основании коаксиально. Приготовленную смесь массой 10 кг загружают во внутреннюю емкость в один прием (на слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала, в качестве которого используют, например, природный полевой шпат, представляющий собой алюмосиликат калия с изоморфными включениями алюмосиликатов натрия и кальция и незначительным количеством примесей оксидов др. элементов [5] , на поверхности которого размещают узел инициирования), а зазор между наружной и внутренней емкостями заполняют порошкообразным полевым шпатом. Удаляют внутреннюю емкость, устанавливают узел газоочистки, включающий зонт с фильтром, и инициируют экзотермическую реакцию между окислителем и восстановителем в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем подачи на узел инициирования (электровоспламенитель) электрического напряжения 6 В.

В результате экзотермической реакции температура в слое смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой около инициирующего устройства поднимается до 1500...1800^oС, а сам процесс протекает практически в безгазовом режиме. При этом формируется зона расплава из продуктов реакции, в которой происходит химическое взаимодействие составных частей РАО, минеральной добавки и продуктов экзотермической реакции окислителя и восстановителя. Зона формирования и распространения минерального расплава движется снизу вверх с последующим образованием нерастворимого в воде, химически, термически и радиационно стойкого, механически прочного (после охлаждения до температуры окружающей среды) минерального матричного конечного продукта. По своему составу он приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе РН. При протекании названных процессов конечный продукт сплавляется с окружающим его по всей поверхности полевым шпатом, благодаря чему на всей поверхности конечного продукта (матричного блока) образуется сплошной нерастворимый в воде монолитный полевошпатный слой, способный химически связывать РН - в данном случае- в первую очередь цезия и стронция, являющийся, кроме того, дополнительным механически прочным барьером для РН, что обеспечивает дополнительную гарантию надежной локализации РН в пределах блока.

Парообразные и аэрозольные продукты, содержащие РН, по мере их движения снизу вверх через слой непрореагировавшей смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой и слой неорганического теплоизоляционного материала, охлаждаются, конденсируются в них, фильтруются и затем связываются после прохождения фронта экзотермической реакции в матричный блок и защитный слой из минерального (в данном случае полевошпатного) расплава. Неконденсируемая часть отходящих газов поступает в узел газоочистки, где очищается от РН и сбрасывается в атмосферу.

Полученный расплав конечного продукта охлаждают, извлекают из устройства и направляют на захоронение.

В случае если соотношение между РАО, окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, их качественный состав и последовательность операций будут отличны от приведенных в формуле изобретения, то получить конечный продукт в виде монолитного минерального матричного блока, покрытого по всей его поверхности прочным монолитным защитным слоем из застывшего минерального расплава, будет невозможно.

Устройство работает следующим образом: во внутреннюю емкость 4 загружают порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал 12, например природный полевой шпат, представляющий собой алюмосиликат калия с примесями алюмосиликатов натрия и кальция, оксидов других элементов и т.д., высота его слоя не менее величины кольцевого зазора 6 между наружной 3 и внутренней 4 емкостями, размещают узел инициирования 7 (например, электровоспламенитель) на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания 5, соответствующем величине зазора 6 между наружной 3 и внутренней 4 емкостями, загружают всю смесь РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой 8 в один прием, после удаления внутренней емкости 4 устанавливают узел газоочистки, выполненный в виде зонта 1 с фильтром 2 (выполненный аналогично известным фильтрам для очистки высокотемпературных газообразных продуктов от аэрозольных частиц [4]) - на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания 5, равном высоте наружной емкости 3. Инициируют экзотермическую реакцию в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой 8 с помощью электровоспламенителя 7. В результате экзотермической реакции температура в слое смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой около инициирующего устройства поднимается до 1500... 1800^oС, а сам процесс протекает практически в безгазовом режиме. При этом формируется фронт образования и распространения расплава из продуктов реакции 9, в котором происходит химическое взаимодействие составных частей РАО, минеральной добавки и продуктов экзотермической реакции окислителя и восстановителя. Фронт образования и распространения расплава конечного продукта движется снизу вверх с последующим образованием нерастворимого в воде, химически, термически и радиационно стойкого, механически прочного (после охлаждения до температуры окружающей среды) минерального матричного конечного продукта 10. По своему составу он приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе РН. При протекании названных процессов конечный продукт 10 сплавляется с окружающим его по всей поверхности порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом 12 (полевым шпатом), благодаря чему на всей поверхности конечного продукта 10 образуется сплошной нерастворимый в воде монолитный защитный слой из расплава порошкообразного теплоизоляционного неорганического материала 11, способный химически связывать РН - в данном случае - в первую очередь цезия и стронция, являющийся, кроме того, дополнительным механически прочным барьером для РН, что обеспечивает дополнительную гарантию надежной локализации РН в объеме конечного продукта 10.

Парообразные и аэрозольные продукты, содержащие РН, по мере их движения снизу вверх через слой непрореагировавшей смеси 8 и слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала 12 охлаждаются, конденсируются в них, фильтруются и затем связываются после прохождения фронта экзотермической реакции в конечный продукт 10 и защитный слой из минерального (в данном случае - полевошпатного) расплава 11. Неконденсируемая часть отходящих газов поступает через фильтр 2 узла газоочистки, где очищается от РН и сбрасывается в атмосферу.

После полного завершения процесса конечный продукт 10 охлаждают, причем скорость его остывания в заявляемых способе и устройстве меньше благодаря тому, что быстрому охлаждению препятствуют пониженная теплоотдача от конечного продукта в окружающую среду, теплота плавления защитного слоя из расплава порошкообразного теплоизоляционного неорганического материала 11, выделяющаяся при затвердевании, а также реакции образования минералов в матричном блоке 10, протекающие с выделением тепла, что обусловленно рецептурой заявляемой смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой.

Затем устройство разбирают, полученный матричный блок 10 отправляют на захоронение.

Испытания показали, что по сравнению со способом-прототипом заявляемый способ более безопасен в реализации за счет снижения суммарного количества РН, перешедших в газовую фазу на 30...40%, РАО связываются в более прочные и монолитные матричные блоки (на 20...40%), которые дополнительно самоконсервируются в ходе реализации способа по всей их поверхности сплошным прочным слоем из остывшего расплава неорганического теплоизоляционного материала, способного в этих условиях изоморфно замещать РН перерабатываемых РАО. С помощью заявляемого способа можно обеспечивать иммобилизацию как высокоактивных, так и низко- и среднеактивных отходов.

По сравнению с устройством-прототипом в заявляемом устройстве обеспечивается упрощение его конструкции, многоразовое использование емкостей и менее жесткие требования к их материалу (удешевление), а также достигается повышение безопасности его работы за счет более полного улавливания РН, исключения возможности выброса высокотемпературных продуктов и надежной изоляции РАО от внешней среды в минеральные матричные блоки с их дополнительной самоконсервацией по всей поверхности.

Заявляемые способ и устройство могут быть использованы при переработке РАО высокой, средней и низкой активности непосредственно на пунктах захоронения РАО вне помещений. Для реализации способа и изготовления устройства могут быть использованы отечественные серийные материалы и компоненты, не требуется сложное оборудование.

Литература
1. Патент РФ 2096844 с 1, МПК⁶: G 21 F 9/30, оп.20.11.97, Бюл. 32.

2. Патент РФ 2108633 с 1, МПК⁶: G 21 F 9/16, оп.10.04.98, Бюл. 10.

3. Патент РФ 2152652 с 1. МПК⁷: G 21 F 9/16, 9/28, 9/30, оп. 10.07.2000, Бюл. 19.

4. Коузов П.А. и др. Очистка от пыли и газов воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1982, с.90, 96-97, 243.

5. Строительные материалы; Справочник / А.С. Болдырев и др. М.: Стройиздат, 1989, с. 262, 264.

Изобретения относятся к охране окружающей среды, точнее к области переработки радиоактивных отходов (РАО). Способ включает смешивание РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, заполнение зазора между наружной и внутренней емкостями порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, загрузку полученной смеси во внутреннюю емкость, нагрев смеси путем инициирования в ней экзотермической реакции между окислителем и восстановителем, получение расплава конечного продукта и его охлаждение. Также осуществляют очистку парогазообразных продуктов экзотермической реакции. Соотношении компонентов в смеси составляет, % по массе: РАО 10-45, минеральная добавка 1-27, окислитель 31-45, восстановитель 11-30. В качестве окислителя используют пятиокись ванадия или смесь ее с перманганатом калия. В качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с титаном, или смесь кремния с силикокальцием, или (и) со сплавом кремния с титаном. Перед загрузкой смеси производят загрузку теплоизоляционного материала. При этом толщина его слоя во внутренней емкости составляет не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями. Устройство включает наружную и внутреннюю емкости, узел инициирования экзотермической реакции, узел газоочистки, негорючее технологическое основание. Причем отношение диаметра наружной емкости к диаметру внутренней составляет 1,4-2,5. Технический результат: повышение безопасности при реализации данного способа, улучшение качества конечного продукта, расширение области применения, упрощение конструкции, удешевление и возможность многократного использования. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ иммобилизации радиоактивных отходов в минеральный матричный блок, включающий смешивание радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, заполнение зазора между наружной и внутренней емкостями порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, загрузку полученной смеси во внутреннюю емкость, нагрев смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем инициирования в ней экзотермической реакции между окислителем и восстановителем, получение расплава конечного продукта и его охлаждение, отличающийся тем, что радиоактивные отходы смешивают с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой при следующем соотношении компонентов, % по массе:
Радиоактивные отходы - 10-45
Минеральная добавка - 1-27
Окислитель - 31-45
Восстановитель - 11-30
в качестве окислителя используют пятиокись ванадия или смесь ее с перманганатом калия, в качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с титаном, или смесь кремния с силикокальцием, или(и) со сплавом кремния с титаном, в качестве минеральной добавки используют циркон, или двуокись титана, или двуокись циркония, или порошок стекла, или их смеси, в качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала применяют соединения, способные изоморфно замещать радионуклиды перерабатываемых радиоактивных отходов, или являющиеся минералами-концентраторами радионуклидов, или их смеси, температура плавления которых не превышает температуры экзотермической реакции в смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, перед загрузкой смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой во внутреннюю емкость производят загрузку порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала, при этом толщина его слоя во внутренней емкости составляет не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, а вышеуказанную загрузку смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой осуществляют в один прием, осуществляют непосредственный контакт смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом путем удаления внутренней емкости, производят инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой снизу на границе ее с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, осуществляют очистку образующихся парогазообразных продуктов экзотермической реакции. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что окислитель, восстановитель, минеральную добавку и порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал применяют в виде полидисперсных порошков с содержанием влаги не более 0,2% по массе. 3. Способ по пп. 1 и/или 2, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала применяют силикаты, или(и) алюмосиликаты щелочных, или(и) щелочноземельных, или(и) переходных металлов, или(и) оксиды элементов IV группы Периодической системы элементов, или их смеси, например, полевые шпаты, плагиоклазы, пегматиты, пески кварцевые или строительные, циркон, диоксид титана или их смеси. 4. Устройство для осуществления способа иммобилизации радиоактивных отходов в минеральный матричный блок, включающее наружную и внутреннюю емкости, расположенные коаксиально с образованием кольцевого зазора между внешней поверхностью внутренней емкости и внутренней поверхностью внешней емкости, который заполнен порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, во внутренней емкости размещен узел инициирования экзотермической реакции, отличающееся тем, что наружная и внутренняя емкости выполнены в виде обечаек при отношении диаметра наружной емкости к диаметру внутренней емкости 1,4-2,5 и установлены на негорючем технологическом основании, узел инициирования размещен внизу на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, наружная емкость выполнена из материала с температурой плавления не менее 660^oС, а внутренняя емкость выполнена из материала, имеющего прочность не менее 0,1 кг/см², устройство содержит узел газоочистки, расположенный сверху на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном высоте наружной емкости.