СПОСОБ ИММОБИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2003 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к области атомной техники и технологии и касается вопросов переработки жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности.

Известен способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов путем их закрепления в массе вещества, стойкого к выщелачиванию водой и отверждающегося впоследствии. Согласно этому способу жидкие радиоактивные отходы смешивают со стойкими к выщелачиванию водой и отверждающимися впоследствии веществами, загружают смесь в капсулу; изготовленную из твердого материала с высокой температурой плавления, герметизируют капсулу и обрабатывают изостатическим прессованием при высоком давлении. Смесь содержит (2,5-40)% жидких радиоактивных отходов и (97,5-60)% отверждающих веществ, выбранных из ряда SiO₂, В₃О₃, АlО₃, MgO, TiO₂, Zr₂O₃, Fе₂O₃ и Сr₂O₃, а изостатическое прессование ведут при температуре (700 - 1350)^oС и давлении (50 - 300) МПа (патент 1036257А 1977 г., Швеция).

Указанный способ имеет ряд недостатков, главными из которых являются его высокая энергоемкость, связанная с высокой температурой при прессовании, и технологическая сложность, связанная с созданием специального оборудования.

Известен способ отверждения борсодержащих жидких радиоактивных отходов путем их упаривания до получения шлама с кристаллогидратной водой и далее включение шлама в битум при температуре (50-90)^oС и в соотношении шлама к битуму 1:4 (авторское свидетельство СССР 1275560 А, 1986 г.).

Указанный способ имеет ряд существенных недостатков. Так в получаемой композиции шлам - битум содержание отходов мало и поэтому его эффективность невысока. Кроме того, способ имеет высокую энергоемкость из-за длительного упаривания жидких радиоактивных отходов и высокую пожароопасность ввиду горючести битума.

Известна композиция радиоактивной пульпосодержащей смеси для захоронения отходов в геологические формации методом гидравлического разрыва пласта. Композиция содержит в своем составе радиоактивную пульпу, цемент в качестве связующего, винную кислоту в качестве замедлителя схватывания, а также сухую отвальную породу, образующуюся при добыче цеолита, содержащую цеолит, аллафит, бентонит, антипульпит, иллит. Композиция позволяет повышать прочность образующегося цементного камня в два раза (авторское свидетельство РФ 1688713 А1, 1993 г.).

Недостатком указанной композиции является низкое содержание твердой части в радиоактивной пульпе, 1:14, и, соответственно, низкое содержание отходов в композиции.

Известен способ отверждения жидких радиоактивных отходов, предусматривающий их концентрирование путем упаривания, смешивания концентрата с карбонатом кальция и бентонитовой глиной, обжига, измельчения обожженной смеси до заданной удельной поверхности, смешивания полученного материала с конденсатом от упаривания, причем, перед обжигом в сырьевую смесь вводят восстановительный агент на основе углерода (авторское свидетельство РФ 1715104 А1, 1993 г.).

Недостатком указанного способа является высокая энергоемкость предусмотренных в нем процессов обжига и измельчения. Кроме того, способ не обеспечивает достаточной непроницаемости полученного компаунда для миграции радионуклидов и его стойкость к выщелачиванию водой.

Известен способ отверждения жидких радиоактивных отходов путем их включения в портландцемент. Жидкие радиоактивные отходы смешивают с цементным раствором и выдерживают до образования монолитного цементного блока (Соболев М. А. ,Хомчик Л.М. Обезвреживание радиоактивных отходов на централизованных пунктах. М.: Энергоатомиздат,1983, с.40-45).

Недостатком указанного способа является невысокое содержание балластных солей в цементных блоках и, соответственно, радиоактивных отходов, чье содержание пропорционально их количеству. При повышении количества солей значительно понижается механическая прочность цементных блоков. Кроме того, цементные блоки имеют низкую влагостойкость и обладают высокой пористостью, что способствует высокой проницаемости для радионуклидов.

Известен также монолитный блок для иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающий концентрированные жидкие радиоактивные и отвердитель в виде минералоподобного материала, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов. В качестве минералоподобного материала используют какое-либо соединение, выбранное из группы: пироксен, пироксиликат, гранат или титаносиликат, причем блок имеет кристаллическую или аморфную структуру, а его компоненты взяты в следующем соотношении масс-процентов: окислы компонентов радиоактивных отходов - 3-60, минералоподобный материал - остальное (патент 2160937, 2000 г., Россия) - прототип.

Указанный способ имеет ряд недостатков для иммобилизации жидких радиоактивных отходов. Так, природные минералы, используемые в качестве отвердителя жидких радиоактивных отходов, обладают невысокой механической прочностью и недостаточной стойкостью к выщелачиванию водой, в результате чего с течением времени может произойти разрушение монолитного блока и утечка радионуклидов в окружающую среду.

Кроме того, у монолитного блока, образующегося из природных соединений, использующихся в качестве отвердителя, отсутствует высокопрочный низкопроницаемый приповерхностный слой, препятствующий миграции радионуклидов, что также способствует их утечке в окружающую среду.

Недостаточно высокое содержание радиоактивных отходов в монолитном блоке для их иммобилизации также является недостатком способа, так как требуется большое количество иммобилизирующих материалов, то есть их использование неэффективно.

Таким образом, монолитный блок для иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающий концентрированные отходы и минералоподобный отвердитель, не позволяет эффективно и надежно иммобилизировать радиоактивные отходы в течение длительного времени.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа иммобилизации жидких радиоактивных отходов с помощью недорогих широкораспространенных природных материалов, обеспечивающего высокую степень наполнения компаунда радиоактивными отходами с образованием на нем низкопроницаемого для радионуклидов приповерхностного слоя и высокие механическую прочность и влагостойкость компаунда в течение длительного времени.

Для этого в известном способе иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающем их отверждение путем смешивания радиоактивных отходов с раствором отвердителя и выдерживанием этой смеси до образования прочного твердого монолитного блока, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов, жидкие радиоактивные отходы смешивают с раствором трехкомпонентного отвердителя, состоящего из раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм.

При этом в качестве раствора хлористого магния используют раствор бишофита, а в качестве магнезиального вяжущего используют смесь отходом металлургического производства, содержащих оксид и силикат магния с удельной поверхностью 3,0-7,0 м²/г, и бруситовой пыли.

Причем в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя используют порошок барита (полевого шпата).

После выдержки образовывается плотный монолитный блок, обладающий высокими механической прочностью и влагостойкостью и высокопрочным низкопористым приповерхностным слоем, который препятствует миграции радионуклидов в окружающую среду.

Использование в качестве отвердителя смеси раствора хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³ с минеральным вяжущим и тонкодисперсным минеральным наполнителем с размерами частиц 0,005-0,015 мм обеспечивает образование твердого монолитного блока и позволяет получить высокопрочный низкопористый приповерхностный слой образовавшегося монолитного блока, обусловленный образованием кристаллов оксохлорида магния в микропорах приповерхностного слоя.

Использование в качестве раствора хлористого магния раствора бишофита, в качестве магнезиального вяжущего смеси отходов металлургического производства, содержащих оксид и силикат магния, с удельной поверхностью 3,0-7,0 м²/г, с бруситовой пылью, а в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя порошка барита (полевого шпата), обеспечивает высокие эффективность и экономичность иммобилизации жидких радиоактивных отходов.

Использование жидких радиоактивных отходов в качестве дополнительной жидкой фазы к раствору хлористого магния повышает степень заполнения компаунда радиоактивными отходами.

Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов осуществляется следующим образом. Концентрированные жидкие радиоактивные отходы перемешивают с раствором отвердителя, состоящего из раствора хлористого магния (бишофита) плотностью 1,2-1,35 г/см³, магнезиального вяжущего в виде смеси отходов металлургического производства, содержащих оксид и силикат магния, с удельной поверхностью 3,0-7,0 м²/г, и бруситовой пыли, и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005 - 0,015 мм в виде порошка барита (полевого шпата). Как показали эксперименты, отверждение такого компаунда происходит в течение уже первых суток, а после 28 суток выдержки прочность образовавшегося твердого монолитного блока составляет 117 МПа.

Такая прочность монолитного блока, содержащего радиоактивные компоненты, и образовавшийся на нем низкопористый и влагостойкий приповерхностный слой, надежно сохраняются в течение длительного времени, чем и обеспечивается радиационная и экологическая безопасность мест хранения иммобилизированных жидких радиоактивных отходов.

Изобретение относится к области иммобилизации жидких радиоактивных отходов методом отверждения. Сущность изобретения: способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов включает их концентрирование и отверждение с выдерживанием смеси до формирования прочного твердого монолитного блока. Отверждение осуществляют путем смешивания отходов с раствором хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм. Преимущества изобретения заключаются в использовании недорогих природных материалов, высокой степени наполнения компаунда радиоактивными отходами и низкой выщелачеваемости радионуклидов. 3 з.п.ф-лы.

1. Способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов, включающий их концентрирование и отверждение с выдерживанием смеси до формирования прочного твердого монолитного блока, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов, отличающийся тем, что отверждение осуществляют путем смешивания радиоактивных отходов с раствором хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве раствора хлористого магния используют раствор бишофита. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве магнезиального вяжущего используют смесь отходов металлургического производства, содержащих оксид и силикат магния с удельной поверхностью 3,0-7,0 м²/г, и бруситовой пыли. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве тонкодисперсного минерального наполнителя используют порошок барита, преимущественно полевого шпата.