ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2005 года по МПК C08L63/02 G21F9/28 

Изобретение относится к полимерным композициям, применяемым в ядерной технике, а именно для изолирования радиоактивных твердых отходов с высоким флюенсом наведенной активности.

Известна полимерная композиция на основе фурфуранового альдегида для заполнения технологических зазоров и глубоких щелей радиоактивного оборудования при подготовке его к длительному контролируемому хранению (a.c. CCCP №895064, МПК C 08 L 61/02, С 09 К 3/10, 1981 г.). Композиция содержит, мас.ч.: фурфурол - 100, солянокислый анилин - 13-17, наполнитель - 60-230, азотнокислый кадмий - 2-7, стирол - 10-20.

Основными недостатками этой композиции являются: большой срок отверждения при 100% относительной влажности, коррозионная активность, особенно в процессе отверждения, в связи с присутствием солянокислого анилина, а также относительно низкая радиационная стойкость (не более 2000 Мрад) и низкая стойкость к ударным нагрузкам, а также токсичность, связанная с использованием одного из компонентов стирола, что требует при ее приготовлении повышенных мер техники безопасности, особенно при больших объемах.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности существенных признаков является полимерная композиция для кондиционирования радиоактивных отходов (патент РФ №2167174, МПК C 08 L 63/02, 2001 г.). Композиция содержит, мас.ч.:

эпоксидная диановая смола - 100

фурфурол - 70-100

отвердитель аминного типа (полиэтиленполиамин) - 15-40

наполнитель (маршалит, цемент, сланцевая зола, кероген, графит) - 0-380

Кроме того, полимерная композиция содержит сланцевое масло - 50-120 мас.ч.

Приведенный прототип используется в качестве матрицы для включения твердых радиоактивных отходов, преимущественно обладающих средней и высокой активностью.

После включения в матрицу твердых радиоактивных отходов с последующим ее отверждением она должна обладать высокой стойкостью к выщелачиванию, высокой стойкостью к гамма-излучению, к ударным и тепловым нагрузкам, а также низким радиохимическим выходом (газовыделением), водо- и химстойкостью и другими свойствами, обеспечивающими длительный надежный экологический барьер, препятствующий заражению окружающей среды радионуклидами.

Вышеперечисленные свойства необходимы при омоноличивании твердых радиоактивных отходов, их транспортировке и длительном контролируемом хранении.

Недостатки прототипа заключаются в том, что он не обладает достаточно высокими свойствами: теплостойкостью, радиационной стойкостью, стойкостью к ударным и изгибающим нагрузкам.

Кроме того, используемый в прототипе отвердитель аминного типа (полиэтиленполиамин) является нестабильным и токсичным материалом, а сланцевое масло к тому же канцерогенное вещество (см. “Вредные вещества в промышленности” под ред. Н.В.Лазарева, т.1, стр.160, 531, М.Л.: “Химия”, 1965 г.).

Задачей настоящего изобретения является создание полимерной композиции, которая позволит надежно изолировать твердые средне- и высокоактивные отходы от окружающей среды.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение теплостойкости, радиационной стойкости, повышение стойкости к ударным и изгибающим нагрузкам при технологически приемлемом времени отверждения под водой, а также снижение токсичности композиции.

Указанный технический результат достигается тем, что известная полимерная композиция для изолирования твердых радиационных отходов, содержащая эпоксидную диановую смолу, фурфурол, отвердитель и наполнитель, содержит этанол и целевые добавки - соединения бора, азотнокислый кадмий, порошки металла, а в качестве отвердителя - полиамидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

эпоксидная диановая смола - 100, фурфурол - 25-45, полиамидная смола - 40-95, этанол - 25-35, наполнитель - 0-380, целевые добавки - 10-20.

В качестве наполнителей могут быть использованы: бентонит, цемент, углерод, кварц (маршалит) и другие.

Используемые в процессе изготовления полимерной композиции целевые добавки могут быть введены по отдельности или в смеси друг с другом.

В таблице №1 представлены примеры композиции (составы №1-3), а в таблице №2 приведены основные свойства композиций.

Составы приготавливают следующим образом.

Полимерная композиция №1

Фурфурол совмещают с этанолом в требуемых пропорциях при температуре окружающей среды. В эпоксидную смолу вводится фурфурол, совмещенный с этанолом. Наполнитель и целевые добавки смешиваются в заданных количествах и вводятся в эпоксидную смолу с фурфуролом и этанолом. Смоляная часть композиции разогревается до температуры 40° С перед введением наполнителя и целевых добавок. Полученная смесь оставляется на 6-12 час, после чего постепенно при непрерывном перемешивании в течение 3-4 мин вводится полиамидная смола Л-20.

Полимерная композиция №2

Фурфурол совмещают с этанолом и вводят в эпоксидную смолу при температуре окружающей среды.

Наполнитель совмещают с целевой добавкой.

Затем фурфурол с этанолом и эпоксидной смолой разогревают до температуры 40° С, после чего в него вводится наполнитель с целевой добавкой. Время смешения полученной композиции составляет 5-7 мин. Полученную смесь оставляют на сутки, после чего в нее при непрерывном перемешивании вводится полиамидная смола Л-19.

Полимерная композиция №3

Эпоксидную смолу марки ЭД-20 и полиамидную смолу Л-19 и порошок алюминия, предварительно растворенный в этаноле в соотношении 1:1, смешивают. Время смешения всех компонентов 3-4 мин. При нормальной температуре. Затем в полученную смесь вводят предварительно перемешанную и пропитанную фурфуролом смесь бентонита, углерода и маршалита. Полученную смесь перемешивают 7-10 мин.

В неотвержденном состоянии составы предлагаемой полимерной композиции нетоксичны, в отвержденном состоянии токсичен фурфурол (ПДК - 10 мг/м³).

Как видно из табл.2, предлагаемая композиция имеет преимущество перед известной. Так стойкость к ударным нагрузкам увеличилась в 4 раза (уд. ударная вязкость), а стойкость к изгибающим нагрузкам в 3 раза (предел прочности при изгибе). Что касается теплостойкости, то она увеличилась в 2 раза (по стандартной характеристике), а что касается показателя потери массы при температуре 200° С, то у прототипа она достигает 10-13%, а у предлагаемой композиции не более 3,5%. Содержание в прототипе большого количества фурфурола приводит к значительно меньшей степени его отверждения. Так при прочих равных условиях степень отверждения связующего предлагаемой композиции увеличивается почти на 20%. Что касается радиационной стойкости, то она превышает прототип в 1,7 раза.

Содержание таких токсичных и канцерогенных составляющих, как сланцевое масло и полиэтиленполиамин, в предлагаемой композиции отсутствует. А содержание фурфурола не представляет большой опасности в связи с тем, что он практически весь отверждается, а величина его ПДК достаточно большая - 10 мг/м³.

Таким образом, предлагаемая полимерная композиция, обладающая по сравнению с прототипом более высокими прочностными свойствами, позволяет использовать ее при пропитке пористых твердых радиоактивных отходов с целью фиксации в них радионуклидов (например, графитовые блоки, втулки, кольца), а также для омоноличивания твердых порошкообразных радиоактивных отходов (радиоактивные соли, золы, ионнообменные смолы и другие материалы) с наведенной или загрязненной радиационной или химической активностью.

ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВТаблица №1Наименование компонентовРецептура, мас.ч. Композиция №1Композиция №2Композиция №3Эпоксидная диановая смола100100100Фурфурол253545Полиамидная смола, Л-19 или Л-20408095Этанол253035Наполнитель:   Бентонит5010075Цемент 10075Маршалит150 100Целевые добавки:   Карбид бора 15 Порошок алюминия   крупностью 40-60 мкм10 20

ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВТаблица №2ПоказательИзвестная композицияПредлагаемая композицияПлотность, г/см³1,2-1,71,3-1,7Предел прочности при сжатии, МПа900-1000750-800Предел прочности при изгибе, МПа200-210650-670Уд. ударная вязкость по Шарпи, кгс· см/см²3-417-18Теплостойкость по Мартенсу, ° С80-90180Радиационная стойкость, Мград6· 10³более 11-10³Радиохимический выход в интервале доз (10-11)· 10³ Мград, см³/град5· 10-⁸7,3· 10^-10Время отверждения под водой, сутки145Степень отверждения связующего на 28 сутки, %76- 76,385-86,2Скорость выщелачивания по Cs₁₃₇, г/см²·^сут.1,5· 10^-61· 10^-7

Изобретение относится к полимерной композиции, которая используется в ядерной технике для изолирования твердых радиоактивных отходов с высоким флюенсом наведенной активности. Полимерная композиция содержит следующее соотношение компонентов в мас.ч: 100 эпоксидной диановой смолы, 25-45 фурфурола, 40-95 полиамидной смолы в качестве отвердителя, 25-35 этанола, 0-380 наполнителя, 10-20 целевой добавки. В качестве целевой добавки используют соединения бора, азотнокислый кадмий, порошки металлов. Изобретение позволяет получить полимерную композицию с повышенной тепло- и радиационной стойкостью, позволяет повысить стойкость к ударным и изгибающим нагрузкам при отверждении под водой во времени, а также снизить токсичность композиции. 2 табл.

Полимерная композиция для изолирования твердых радиоактивных отходов, содержащая эпоксидную диановую смолу, фурфурол, отвердитель и наполнитель, отличающаяся тем, что она содержит этанол и целевые добавки - соединения бора, азотнокислый кадмий, порошки металлов, а в качестве отвердителя полиамидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Эпоксидная диановая смола 100

Фурфурол 25-45

Полиамидная смола 40-95

Этанол 25-35

Наполнитель 0-380

Целевые добавки 10-20