АЛЮМОБОРОСИЛИКАТНОЕ СТЕКЛО ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ЖИДКИХ ЭФЛЮЕНТОВ И СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ЖИДКИХ ЭФЛЮЕНТОВ Российский патент 2014 года по МПК G21F9/16 C03C3/93 

Настоящее изобретение касается алюмоборосиликатного стекла для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности, получаемых, в частности, при операциях окончательной остановки (MAD) заводов топливного цикла.

Изобретение касается также стеклообразующей добавки в виде, в частности, стеклянной фритты или смеси химических продуктов, в частности оксидов в виде порошка.

Кроме того, изобретение касается способа обработки радиоактивных жидких эфлюентов средней активности посредством кальцинации этих эфлюентов с целью получения кальцината, добавления в указанный кальцинат стеклообразующей добавки, в частности, в виде стеклянной фритты или смеси химических продуктов в виде порошка, и плавления кальцината и стеклообразующей добавки в холодном тигле для получения алюмоборосиликатного стекла.

Таким образом, в целом изобретение можно отнести к области обработки радиоактивных эфлюентов и, в частности, радиоактивных эфлюентов средней активности путем изоляции, помещения в оболочку или иммобилизации.

Этими радиоактивными эфлюентами средней активности являются, в частности, эфлюенты дезактивации, получаемые при промывании во время операций окончательной остановки ("MAD") заводов по переработке ядерного топлива.

Химический состав этих эфлюентов дезактивации в основном зависит от используемых реактивов.

Эти реактивы могут быть на основе азотной кислоты или каустической соды, или в некоторых случаях речь может идти о более специфических эфлюентах на основе карбоната натрия или нитрата церия.

В настоящее время радиоактивные эфлюенты средней активности, такие как вышеупомянутые эфлюенты дезактивации, в основном обрабатывают посредством битумизации или цементирования.

Способ помещения в оболочку посредством битумизации состоит в горячем смешивании отходов в виде шлама (солей) с битумом.

Полученную смесь обезвоживают и помещают в контейнер, где она охлаждается.

Таким образом, помещение в битумную оболочку обеспечивает равномерную дисперсию солей и фиксацию (блокировку) радионуклидов внутри матрицы.

Во Франции способ битумизации был разработан в 60-х годах для упаковки осаждающихся шламов, получаемых при обработке жидких эфлюентов, и был внедрен в промышленном масштабе.

Этот способ является испытанным способом и пошел проверку на практике.

Битум выбирают в качестве материала для оболочки радиоактивных отходов средней активности с учетом его высокой агломерирующей способности, его большой химической инертности, непроницаемости, слабой растворимости в воде, низкой температуры применения и умеренной стоимости.

С другой стороны, битумизация имеет несколько следующих основных недостатков:

- битум обладает стойкостью при слабом облучении, что со временем приводит к разбуханию помещенных в оболочку продуктов, в частности, по причине выделения водорода при радиолизе;

- чтобы избежать любой возможности возникновения пожара во время помещения в оболочку продуктов, на установках битумизации необходимо вводить строгие ограничения. Действительно, во время помещения продуктов в битумную оболочку могут происходить экзотермические реакции, которые необходимо максимально контролировать;

- механическая прочность битумов является очень низкой по причине их значительной текучести;

- в этой матрице увеличивается объем отходов с учетом активности эфлюентов "MAD".

В ядерной промышленности широко используют цемент и гидравлические связующие в целом. Они служат для фиксации твердых отходов низкой и средней активности внутри контейнеров или служат упаковочной матрицей для помещения отходов средней активности в оболочку.

Цементирование используют также для помещения в оболочку отходов в виде раствора или в виде порошков. К таким отходам относятся концентраты испарения, шламы химической обработки, ионообменные смолы и т.д.

Действительно, цементы обладают совокупностью необходимых свойств для обработки отходов этого типа, а именно характеризуются умеренной стоимостью, простотой применения, хорошей механической прочностью и, в целом, стойкостью во времени.

В случае цементирования жидких отходов чаще всего применяют непрерывные процессы. Так, например, цемент и отходы дозируют раздельно и вводят в смеситель, затем полученную смесь выливают в контейнер.

Тем не менее цементирование имеет два основных недостатка:

- после помещения в оболочку объем отхода удваивается;

- цемент является материалом с изменяющимися свойствами, и некоторые ингредиенты отходов и цемента могут реагировать друг с другом. Это может помешать гидратации матрицы и, следовательно, сказаться на долговечности получаемых материалов;

- отход необходимо подвергать предварительной обработке для ограничения дальнейшего реагирования с цементом.

В настоящее время рассматривают различные химические составы гидравлических связующих для устранения вышеупомянутых недостатков, однако ни один из них не привел к получению удовлетворительного результата.

Кроме того, известны (см., в частности, "Techniques de l'Ingenieur", BN 3660-1 - BN 3660-31) способы остекловывания, которые состоят во включении в стекло соответствующего состава всех элементов, содержащихся в эфлюентах высокой активности, а также мелких фракций растворения.

Основным преимуществом стекла является его аморфность, что придает ему исключительные свойства, однако оно имеет также недостатки, а именно:

- как правило, количество чужеродных элементов, которое можно включить в стекло, и степень заполнения стекла кальцинатом, полученным при кальцинации эфлюентов, остаются недостаточными;

- стекло является метастабильным материалом.

Однако главным недостатком стеклянных матриц является их чувствительность к химическим воздействиям и большие проблемы, связанные с ухудшением стеклянных матриц по причине выщелачивания.

Чувствительность стекла к выщелачиванию напрямую связана с присутствием щелочных элементов, таких как натрий, диффузионное выделение которого приводит к ослаблению стеклянной решетки.

Чтобы частично компенсировать отрицательное влияние натрия, в силикатное стекло добавляют бор, чтобы получить, таким образом, стекло, называемое «боросиликатным стеклом».

Таким образом, стеклом, широко используемым при остекловывании продуктов деления (высокой активности) топлива UOX1, является так называемое стекло R7T7, которое является боросиликатным стеклом, имеющим следующий состав: SiO 45%, В₂О 14%, Na₂O 10%, AlO₃ 5%, оксиды продуктов деления, Zr, U, металлические частицы 13%, в том числе платиноиды (RuO₂, Rh, Pd), остальное составляют другие оксиды Fe, Ni, Cr, Са, Zn, P.

Как описано в "Techniques de l'Ingnieur", согласно промышленному способу непрерывного остекловывания, в ковш или плавильный тигель, нагреваемый при помощи среднечастотной индукционной печи, помещают кальцинат растворов продуктов деления PF и стеклянную фритту.

Обработка происходит при 1000-1200°С в течение нескольких часов, и цилиндрические контейнеры емкостью 0,2 м³ заполняют в два приема при помощи теплового вентиля. Кальцинат получают в процессе испарения, сушки и кальцинации, например при 500°С, растворов продуктов деления, состав которых регулируют соответствующим образом, во вращающейся печи, которую питают непрерывно и нагревают при помощи сопротивления.

Таким образом, получают упаковки отходов высокой активности ("НА").

В известных документах ни разу не упоминалось стекло для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности, получаемых, в частности, во время операций "MAD".

Таким образом, в связи с вышеизложенным существует потребность в материале, который позволяет изолировать радиоактивные жидкие эфлюенты средней активности и, в частности, эфлюенты, получаемые при операциях окончательной остановки заводов по переработке ядерного топлива, и который не имеет вышеупомянутых недостатков битума и гидравлических связующих.

Настоящее изобретение создает материал, отвечающий этой потребности и, в частности, обладающий высокой стойкостью к облучению, отличной механической прочностью, высоким сопротивлением к химическим воздействиям, является простым в применении и лишь в незначительной степени увеличивающим свой объем после изоляции эфлюентов.

Настоящее изобретение также предлагает материал для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов, который не имеет недостатков и ограничений известных материалов, применяемых для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов, и который позволяет решить проблемы, связанные с применением этих материалов.

В связи с этим объектом настоящего изобретения является алюмоборосиликатное стекло для изоляции радиоактивного жидкого эфлюента средней активности, отличающееся тем, что имеет следующий состав, выраженный в массовых процентах по отношению к общей массе стекла:

a) SiO₂ - 45-52;

b) B₂O₂ - 12-16,5;

c) Na₂O - 11-15;

d) Al₂O₃ - 4-13;

e) один или несколько элементов ETR, выбранных среди оксидов переходных элементов, таких как Fe₂O₃, Cr₂O₃, MnO₂, TcO₂, и платиноидов, таких как RuO₂, Rh, Pd - 0-5,25;

f) один или несколько элементов TRA, выбранных среди оксидов редкоземельных металлов, таких как La₂O₃, Nd₂O₃, Gd₂O₃, Pr₂O₃, CeO₂, и актинидов, таких как UO₂, ThO₂, Am₂O₃, PuO₂ CmO₂, NpO₂ - 0-3,5;

g) ZrO₂ - 0-4;

h) другие элементы AUT, входящие в состав эфлюента - 0-4;

причем состав стекла отвечает также следующим неравенствам:

(1) SiO₂+Al₂O₃<1%

(2) 71%<SiO₂+B₂O₃+Na₂O<80,5%

(3) B₂O₃/Na₂O>0,9

(4) 0,7 AlO₃-ETR<5%

(5) Al₂O₃/ETR>2,5

(6) 0,127 (B₂O₃+Na₂O)>AUT.

В этих неравенствах указаны значения содержания SiO₂, AlO₃, B₂O₃, Na₂O, ETR, AUT, выраженные в массовых процентах по отношению к общей массе стекла.

Предпочтительно содержание, по меньшей мере, одного из элементов ETR, TRA и AUT превышает 0. Предпочтительно содержание ETR превышает 0.

Предпочтительно все ETR, TRA и AUT превышают 0.

Предпочтительно стекло одновременно содержит Fe₂O₃, Cr₂O₃, MnO₃, TcO₂, RuO₂, Rh, Pd, La₂O₃, Nd₂O₃, Gd₂O₃, Pr₂O₃, CeO₂, UO₂, ThO₂, Am₂O₃, PuO₂ CmO₂, NpO₂, SO₃, P₂O₅, MoO₃, возможно BaO и возможно ZrO₂; то есть содержание всех этих соединений превышает 0.

Предпочтительно, если ETR превышает 0, стекло содержит Fe₂O₃, например, из расчета 1-5 мас.%, предпочтительно 2-4 мас.%.

В известных документах ни разу не упоминалось подходящее стекло для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности, получаемых, в частности, при операциях "MAD".

Стекло в соответствии с настоящим изобретением позволяет получать стандартные контейнеры для отходов типа В, которые полностью отличаются от стеклянных упаковок CSD-V, полученных при помощи описанного выше так называемого стекла R7T7, не только по своему химическому составу, но также по своему уровню активности (который, как правило, ниже в 50-100 раз по сравнению со стеклом R7T7) и по своей тепловой мощности, которая, как правило, равна примерно 2,5 кВт для упаковки CSD-V, полученной из стекла R7T7.

Матрицы из стекла R7T7 позволяют изолировать эфлюенты высокой активности, но эти матрицы специально предназначены для изоляции эфлюентов высокой активности и, как оказалось, не подходят для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности, получаемых при операциях окончательной остановки ("MAD") заводов по переработке ядерного топлива.

Действительно, при изоляции радиоактивных отходов средней активности возникают специфические проблемы, и абсолютно не очевидно, что остекловывание радиоактивных отходов, успешно применяемое для радиоактивных отходов высокой активности, можно применять для эфлюентов, которые являются жидкими радиоактивными отходами средней активности, учитывая специфичность последних.

Решения по остекловыванию эфлюентов высокой активности ни в коем случае не могут быть напрямую перенесены на остекловывание эфлюентов средней активности.

Действительно, выяснилось, что стекло в соответствии с настоящим изобретением, учитывая его очень специфический состав и особые условия регулирования этого состава, впервые позволило осуществить изоляцию радиоактивных жидких эфлюентов средней активности, получаемых, в частности, при операциях "MAD".

Обеспечивая изоляцию в стекле отходов средней активности, изобретение позволяет избежать недостатков, связанных с битумизацией или цементированием, и использовать в полной мере все преимущества, присущие остекловыванию, при изоляции отходов в виде радиоактивных жидких эфлюентов средней активности.

Кроме того, как оказалось, стекло в соответствии с настоящим изобретением можно легко получить при помощи описанного выше способа типа кальцинации, остекловывания в холодном тигле.

Действительно, стекло в соответствии с настоящим изобретением характеризуется специфическим интервалом состава, который придает стеклу все необходимые свойства для получения в холодном тигле и который обеспечивает долговечную изоляцию, благодаря хорошей стойкости к выщелачиванию во всем этом интервале состава.

Иначе говоря, стекло в соответствии с настоящим изобретением отвечает, причем во всем интервале своего состава, не только условиям рассматриваемого способа остекловывания, но также условиям, связанным с выщелачиванием.

В частности, стекло в соответствии с настоящим изобретением можно получать в диапазоне температур от 1200°С до 1300°С, что вполне совместимо с остекловыванием при помощи холодного тигля, и, кроме того, оно имеет вязкость, составляющую от 20 дПа·с до 100 дПа·с (от 20 до 100 пуаз) при температуре варки, например, 1250°С, и электрическое сопротивление от 2 до 10 Ом·см при температуре варки, например, 1250°С, что отвечает требованиям способа остекловывания.

С точки зрения стойкости к выщелачиванию, стекло в соответствии с настоящим изобретением во всем вышеуказанном интервале состава удовлетворяет требованиям удовлетворительного долгосрочного поведения. Так, его первоначальная скорость ухудшения свойств V0 ниже 10 г·м^-2·сут^-1 при 100°С, предпочтительно ниже 5г·м^-2·сут^-1 при 100°С, и его рН равновесия при статическом тесте ниже 10, предпочтительно ниже 9,5 при 90°С.

Как правило, другие составные элементы ("AUT") выбирают среди анионов молибдата, фосфата и сульфата и оксида бария ВаО. Иначе говоря, как правило, другие элементы выбирают из следующих оксидов: SO₃, P₂O₅, MoO₃, ВаО.

Стекло в соответствии с настоящим изобретением получают при помощи специфической стеклообразующей добавки, содержащей следующие оксиды: SiO₂, В₂О₃, Na₂O, AlO₃, ZrO₂, CaO, Li₂O, Fe₂O₃, NiO и СоО в специфических пропорциях, причем эту стеклообразующую добавку добавляют в кальцинат, полученный путем кальцинации жидких эфлюентов средней активности, обрабатываемый таким образом, чтобы получить состав стекла в соответствующем интервале, при этом либо предварительно в раствор, либо во время кальцинации добавляют также кальцинирующую добавку, называемую также «разбавителем».

Таким образом, объектом настоящего изобретения является также стеклообразующая добавка, отличающаяся тем, что имеет следующий состав в мас.%:

SiO₂ - 58-65%

B₂O₃ - 15-19%

Na₂O - 5-10%

Al₂O₃ - 0-3%

Li₂O - 1-4%

CaO - 1,5-4%

ZrO₂ - 0-3%

Fe₂O₃ - 2-4%

NiO - 0-2%

СоО - 0-2%

Пример состава этой добавки представлен ниже тоже в мас.%:

SiO₂ - 62,85%

B₂O₃ - 17,12%

Na₂O - 7,50%

Al₂O₃ - 1,00%

Li₂O - 2,71%

CaO - 3,87%

ZrO₂ - l,25%

Fe₂O₃ - 3,00%

NiO - 0,35%

CoO - 0,35%

Стеклообразующую добавку можно применять в виде стеклянной фритты, содержащей вышеупомянутые специфические оксиды, или в виде смеси химических продуктов, в частности оксидов в виде порошков.

Предпочтительно стеклообразующая добавка представляет собой стеклянную фритту.

Эта специфическая стеклянная фритта имеет состав, который позволяет получать стекло в интервале состава в соответствии с настоящим изобретением, в частности, из любого радиоактивного жидкого эфлюента, средний, минимальный и максимальный состав которого находится в определенных ниже интервалах.

Вместе с тем, химический состав стеклообразующей добавки можно изменять в зависимости от изменения содержания химических элементов обрабатываемого жидкого эфлюента.

Объектом изобретения является также способ обработки радиоактивного жидкого эфлюента средней активности, в котором осуществляют кальцинацию указанного эфлюента, в который, в случае необходимости, добавляют кальцинирующую добавку для получения кальцината, затем в указанный кальцинат добавляют стеклообразующую добавку, осуществляют плавление указанного кальцината и указанной стеклообразующей добавки в холодном тигле для получения стеклянного расплава, затем указанный стеклянный расплав охлаждают, за счет чего получают описанное выше алюмоборосиликатное стекло.

Способ в соответствии с настоящим изобретением представляет особый интерес для обработки радиоактивного жидкого эфлюента средней активности, который содержит следующие элементы со следующими значениями содержания:

- Na: от 30 г/л до 80 г/л

- В: от 0 г/л до 5 г/л

- Mn: от 0 г/л до 1 г/л

- Се: от 0 г/л до 14 г/л

- Fe: от 0 г/л до 3 г/л

- Ni: от 0 г/л до 1 г/л

- Cr: от 0 г/л до 1 г/л

- Zr: от 0 г/л до 16 г/л

- Мо: от 0 г/л до 10 г/л

- Р: от 0 г/л до 4 г/л

- S: от 0 г/л до 1,7 г/л

- Ва: от 0 г/л до 7 г/л

- Gd: от 0 г/л до 1 г/л

- Tc: 1 г/л или меньше

- Актиниды: от 0 г/л до 8 г/л

- Платиноиды: 1 г/л или меньше;

при этом общее содержание указанных элементов составляет от 30 г/л до 154,7 г/л.

Следует уточнить, что вышеуказанные значения содержания приведены в расчете на элементы.

Вышеуказанный жидкий эфлюент определен интервалом состава, выраженным минимальными и максимальными значениями содержания каждого из элементов, а также общим минимальным и максимальным содержанием.

Внутри этих интервалов можно определить так называемые контрольные значения содержания, определяющие, таким образом, контрольный состав, соответствующий контрольному эфлюенту, который является эфлюентом типовой средней активности и может быть обработан при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением для получения стекла, обладающего всеми вышеперечисленными предпочтительными свойствами.

Этот радиоактивный жидкий эфлюент, называемый «контрольным», содержит следующие элементы со следующими так называемыми «средними» или «контрольными» значениями содержания:

- Na: 55 г/л

- В: 2,5 г/л

- Mn: 0,5 г/л

- Се: 7 г/л

- Fe: 1,5 г/л

- Ni: 0,5 г/л

- Cr: 0,5 г/л

- Zr: 8 г/л

- Мо: 5 г/л

- Р: 2 г/л

- S: 0,85 г/л

- Ва: 3,5 г/л

- Gd: 0,5 г/л

- Те: 1 г/л

- Актиниды: 4 г/л

- Платиноиды: 1 г/л;

при этом общее содержание указанных элементов составляет 93,35 г/л.

Интервал состава упаковочной боросиликатной стекловидной матрицы в соответствии с настоящим изобретением наиболее подходит для вышеупомянутых радиоактивных эфлюентов. Внутри интервала состава стеклянных матриц в соответствии с настоящим изобретением эти матрицы имеют такие физические и химические свойства, которые позволяют при высокой температуре получать их при помощи способа кальцинации и остекловывания.

Предпочтительно используют описанную выше стеклообразующую добавку.

Как правило, плавление кальцината, полученного в результате кальцинации эфлюента и возможных кальцинирующей, разбавляющей и стеклообразующей добавок, осуществляют при температуре от 1200°С до 1300°С, предпочтительно 1250°С.

Далее изобретение описано с помощью подробного не ограничительного примера, связанного со способом обработки радиоактивных эфлюентов средней активности.

Радиоактивный жидкий эфлюент средней активности, который можно обработать при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением, может быть водно-азотным эфлюентом, содержащим нитраты металлов или металлоидов.

Как правило, эфлюент, обрабатываемый при помощи способа в соответствии с настоящим изобретением, имеет описанный выше состав.

Способ в соответствии с настоящим изобретением содержит два основных этапа.

Первый этап является этапом кальцинации эфлюента, во время которого происходит испарение, сушка, затем кальцинация, денитрификация части нитратов, если эфлюент их содержит.

Можно отметить, что соли эфлюента в основном состоят из нитратов или гидроксидов, которые разлагаются в установке кальцинации.

Вторым этапом является этап остекловывания путем растворения в изолирующем стекле кальцината, полученного на этапе кальцинации.

Как правило, этап кальцинации осуществляют во вращающейся трубе, нагреваемой до температуры примерно 400°С электрической печью. Твердый кальцинат измельчают при помощи незакрепленного стержня, находящегося внутри вращающейся трубы, нагреваемой до необходимой температуры.

Во время кальцинации некоторых растворов, в частности растворов с высокой концентрацией нитрата натрия, то есть растворов с высоким содержанием натрия в азотной среде, можно наблюдать прилипание кальцината к стенкам вращающейся трубы, что может привести к полному забиванию трубы установки кальцинации.

Чтобы избежать этого забивания, в эфлюент добавляют, по меньшей мере, одно не прилипающее соединение, называемое разбавителем или кальцинирующей добавкой, такое как нитрат алюминия, нитрат железа, нитрат циркония, нитраты редкоземельных металлов или их смеси, что позволяет производить кальцинацию и избегать забивания установки кальцинации.

Предпочтительно, согласно изобретению, в качестве кальцинирующей добавки используют добавку, состоящую из смеси нитрата алюминия и нитрата железа, предпочтительно в пропорции 0,66<Al₂O₃/(Al₂O₃+Fe₂O₃)<1, где содержание является массовым содержанием в оксидах.

Кроме того, как правило, соотношение Na₂O/сумма оксидов в кальцинате меньше или равно 0,3.

После этапа кальцинации способ обработки в соответствии с настоящим изобретением содержит этап остекловывания кальцината. Этот этап остекловывания состоит в растворении кальцината в изолирующем стекле.

Для этого в кальцинат, полученный в результате кальцинации эфлюента, в который, в случае необходимости, добавили разбавитель, добавляют стеклообразующую добавку, содержащую следующие оксиды: SiO₂, B₂O₃, Na₂O, Al₂O₃, ZrO₂, CaO, Li₂O, Fe₂O₃, NiO и СоО. Как правило, эта стеклообразующая добавка содержит вышеупомянутые оксиды в определенных пропорциях для получения стекла состава, соответствующего требуемому интервалу в зависимости от состава эфлюента.

Как правило, используют описанную выше стеклообразующую добавку.

Стеклообразующую добавку можно использовать в виде смеси порошков или в виде стеклянной фритты, включающей оксиды.

Предпочтительно используют стеклянную фритту, которая требует меньше энергии для плавления, чем смесь порошков.

Стеклообразующую добавку добавляют в определенное количество кальцината в таком количестве, чтобы соблюдался определенный выше интервал состава, и осуществляют плавление всего комплекса. Согласно изобретению, полученный стеклянный расплав обладает физическими и химическим свойствами, с точки зрения как вязкости, так и стойкости, которые делают его полностью адаптированным для остекловывания при помощи холодного тигля.

Как правило, стекло получают при температуре от 1200°С до 1300°С, например 1250°С, в холодном тигле, нагреваемом индукцией. В тигле производят гомогенизацию стекла путем механического и/или кавитационно-пузырькового перемешивания, после достижения верхнего уровня печи стекло выливают в контейнер, при этом количество выливаемого стекла составляет, например, 200 кг.

Затем осуществляют охлаждение стеклянного расплава для получения стекла в соответствии с настоящим изобретением, которое является алюмоборосиликатным стеклом повышенной химической стойкости, обладающим вышеупомянутыми предпочтительными свойствами и отвечающим определенным выше критериям.

Далее следует описание изобретения со ссылками на неограничительные примеры.

Примеры

Будет рассмотрена обработка трех составов радиоактивных жидких эфлюентов, полученных в результате операций "MAD":

- вышеупомянутый контрольный раствор остекловывают при помощи контрольной стеклянной фритты таким образом, чтобы добиться номинальной степени включения отхода 12% (пример 1);

- раствор с высоким содержанием натрия обрабатывают при помощи стеклообразующей добавки в виде фритты (пример 2);

- раствор с низким содержанием натрия обрабатывают при помощи стеклообразующей добавки в виде порошка (пример 3).

Выбор фритт или добавки диктуется задачей оптимизации степени включения отхода.

Все стекла должны соответствовать вышеупомянутому интервалу состава.

Пример 1

Состав отхода по элементам Состав отхода в процентах оксида - Na: 55 г/л Na₂O=56,42% - В: 2,5 г/л В₂О₃=6,13% - Mn: 0,5 г/л MnO₂=0,60% - Се: 7 г/л Се₂О₃=6,24% - Fe: 1,5 г/л Fe₂O₃=1,63% - Ni: 0,5 г/л NiO=0,48% - Cr: 0,5 г/л Cr₂O₃=0,56% - Zr: 8 г/л ZrO₂=8,23% - Мо: 5 г/л МоО₃=5,71% - Р: 2 г/л P₂O₅=3,49% - S: 0,85 г/л SO₃=1,61% - Ва: 3,5 г/л BaO=2,97% - Gd: 0,5 г/л Gd₂O₃=0,46% - Tc: 1 г/л TcO₂=1,01% - Актиниды: 4 г/л OX. Актиниды = 3,45% - Платиноиды: 1 г/л Платиноиды = 1,00%

Раствор содержит слишком много оксида натрия для кальцинации в таким виде, поэтому необходимо добавить стеклообразующую добавку для соблюдения критерия кальцинации: Na₂O/сумма оксидов в кальцинате равно 0,3.

Необходимо добавить нитрат алюминия и нитрат железа для уменьшения количества натрия в кальцинате.

В этом случае на 100 г кальцината необходимо добавить эквивалент 88,07 г оксида алюминия и оксида железа для получения кальцинируемого раствора.

С другой стороны, условия интервала остекловывания при степени включения отхода 12% требуют соблюдения соотношения Al₂O₃/(Al₂O₃+Fe₂O₃), обеспечиваемого кальцинирующей добавкой, превышающего или равного 0,91.

Кальцинат нагревают до температуры примерно 400°С.

Ниже приведен состав кальцината в массовых процентах.

Na₂O=30,00%

В₂О₃=3,26%

Al₂O₃=42,61%

MnO₂=0,32%

Се₂О₃=3,32%

Fe₂O₃=5,08%

NiO=0,26%

Cr₂O₃=0,30%

ZrO₂=4,37%

МоО₃=3,04%

P₂O₅=1,85%

SO₃=0,86%

BaO=1,58%

Gd₂O₃=0,25%

TcO₂=0,54%

OX. Актиниды = 1,84%

Платиноиды = 0,53%

Условие, в соответствии с которым степень включения отходов составляет 12%, требует при использовании стеклянной фритты добавления 77,43% фритты и 32,57% кальцината для получения конечного стекла. Температура варки равна 1220°С.

SiO₂=48,66%

Na₂O=12,58%

В₂О₃=13,99%

Al₂O₃=10,39%

CaO=3,00%

Li₂O=2,10%

MnO₂=0,07%

Ce₂O₃=0,75%

Fe₃O₃=3,47%

NiO=0,33%

CoO=0,27%

Cr₂O₃=0,07%

ZrO₂=1,96%

МоО₃=0,69%

P₂O₅=0,42%

SO₃=0,19%

BaO=0,36%

Gd₂O₃=0,06%

TcO₂=0,12%

OX. Актиниды = 0,41%

Платиноиды = 0,12%

Пример 2

В этом примере обрабатывают раствор с высоким содержанием натрия путем кальцинации - остекловывания с использованием фритты.

Состав отхода по элементам Состав отхода в процентах оксида - Na: 80 г/л Na₂O=65,31% - В: 2,5 г/л B₂O₃=4,88% - Mn: 0,5 г/л MnO₂=0,48% - Се: 7 г/л Ce₂O₃=4,97% - Fe: 1,5 г/л Fe₂O₃=1,30% - Ni: 0,5 г/л NiO=0,39% - Cr: 0,5 г/л Cr₂O₃=0,44% - Zr: 8 г/л ZrO₂=6,55% - Mo: 5 г/л MoO₃=4,54% - Р: 2 г/л P₂O₅=2,77% - S: 0,85 г/л SO₃=1,28% - Ва: 3,5 г/л BaO=2,37% - Gd: 0,5 г/л Gd₂O₃=0,37% - Tc: 1 г/л TcO₂=0,80% - Актиниды: 4 г/л OX. Актиниды = 2,75% - Платиноиды: 1 г/л Платиноиды = 0,80%

Раствор содержит слишком много оксида натрия для кальцинации в таким виде, и поэтому необходимо добавить стеклообразующую добавку для соблюдения критерия кальцинации: Na₂O/сумма оксидов в кальцинате равно 0,3.

Необходимо добавить нитрат алюминия и нитрат железа для уменьшения количества натрия в кальцинате.

В этом случае на 100 г кальцината необходимо добавить эквивалент 117,71 г оксида алюминия и оксида железа для получения кальцинируемого раствора.

С другой стороны, условие, в соответствии с которым степень включения отходов составляет 12%, требуют соблюдения соотношения Al₂O₃(Al₂O₃+Fe₃O₃), обеспечиваемого кальцинирующей добавкой, превышающего или равного 0,85.

Кальцинат нагревают до температуры примерно 400°С.

Ниже приведен состав кальцината в массовых процентах:

Na₂O=30,00%

В₂О₃=2,24%

Al₂O₃=44,88%

MnO₂=0,22%

Се₂О₃=2,28%

Fe₂O₃=9,79%

NiO=0,18%

Cr₂O₃=0,20%

ZrO₂=3,01%

МоО₃=2,09%

P₂O₅=1,27%

SO₃=0,59%

BaO=1,09%

Gd₂O₃=0,17%

TcO₂=0,37%

ОХ. Актиниды = 1,26%

Платиноиды = 0,37%

В этом случае степень заполнения отходом ограничена допустимым содержанием оксида алюминия в стекле, то есть 13%.

Максимальную степень заполнения 12,56% получают с контрольной фриттой путем добавления 72,65% фритты и 27,35% кальцината для получения конечного стекла. Температуры варки равна 1250°С. Стекло имеет следующий состав:

SiO₂=45,65%

Na₂O=13,65%

B₂O₃=13,05%

Al₂O₃=13,00%

CaO=2,81%

Li₂O=l,97%

MnO₂=0,06%

Ce₂O₃=0,62%

Fe₂O₃=4,86%

NiO=0,33%

CoO=0,25%

Cr₂O₃=0,06%

ZrO₂=1,74%

МоО₃=0,57%

P₂O₅=0,35%

SO₃=0,16%

BaO=0,30%

Gd₂O₃=0,05%

TcO₂=0,10%

OX. Актиниды = 0,35%

Платиноиды = 0,10%

Пример 3

В этом примере обрабатывают раствор с низким содержанием натрия путем кальцинации - остекловывания с использованием фритты.

Состав отхода по элементам Состав отхода в процентах оксида - Na: 40 г/л Na₂O=48,49% - В: 2,5 г/л B₂O₃=7,25% - Mn: 0,5 г/л MnO₂=0,71% - Се: 7 г/л Ce₂O₃=7,37% - Fe: 1,5 г/л Fe₂O₃=1,93% - Ni: 0,5 г/л NiO=0,57% - Cr: 0,5 г/л Cr₂O₃=0,66% - Zr: 8 г/л ZrO₂=9,72% - Мо: 5 г/л МоО₃=6,75% - Р: 2 г/л P₂O₅=4,12% - S: 0,85 г/л SO₃=1,91% - Ва: 3,5 г/л ВаО=3,51% - Gd: 0,5 г/л Gd₂O₃=0,55% - Tc: 1 г/л TcO₂=1,19% - Актиниды: 4 г/л OX. Актиниды = 4,08% - Платиноиды: 1 г/л Платиноиды = 1,18%

Раствор содержит слишком много оксида натрия для кальцинации в таком виде, и необходимо добавить стеклообразующую добавку для соблюдения критерия кальцинации: Na₂O/сумма оксидов в кальцинате равно 0,3.

Необходимо добавить нитрат алюминия и нитрат железа для уменьшения количества натрия в кальцинате.

В этом случае на 100 г кальцината необходимо добавить эквивалент 61,64 г оксида алюминия и оксида железа для получения кальцинируемого раствора.

С другой стороны, условия интервала остекловывания требуют соблюдения соотношения Al₂O₂/(Al₂O₃+Fe₂O₃), обеспечиваемого кальцинирующей добавкой, превышающего или равного 0,85.

Кальцинат нагревают до температуры примерно 400°С.

Степень заполнения в примере 3 ограничена количеством диоксида кремния, вносимого в стеклянной фритте.

Состав смеси порошка можно оптимизировать для получения максимальной степени включения отхода.

Ниже приведен состав добавки, отвечающий критериям интервала состава:

- 67,5% SiO₂ в виде мелкого песка;

- 19,8% В₂О₃ в виде гранулированной борной кислоты (Н₃ВО₃);

- 3% Na₂O в виде карбоната натрия или в растворе в виде нитрата натрия;

- 4% СаО в виде волластонита (CaSiO₃);

- 2% Fe₂O₃ в виде FeO;

- 0,25% NiO в виде NiO;

- 0,45% СоО в виде СоО.

Максимальной степени включения достигают при достижении предела диоксида кремния, то есть 66,67% порошков при 33,33% кальцината. Это соответствует степени заполнения отходом 20,62%.

Температура варки равна 1200°С.

Химические формы различных добавок представлены в качестве примеров и могут быть изменены при помощи других продуктов.

Стекло имеет следующий состав:

SiO₂=45,00%

Na₂О=12,00%

В₂О₃=14,69%

Al₂O₃=10,80%

CaO=2,67%

Li₂O=2,00%

MnO₂=0,15%

Ce₂O₃=l,52%

Fe₂O₃=3,64%

NiO=0,28%

CoO=0,30%

Cr₂O₃=0,14%

ZrO₂=2,00%

МоО₃=1,39%

P₂O₅=0,85%

SO₃=0,39%

BaO=0,72%

Gd₂O₃=0,11%

TcO₂=0,25%

OX. Актиниды = 0,84%

Платиноиды = 0,24%

Изобретение относится к алюмоборосиликатным стеклам для изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности. Предложен качественный и количественный состав алюмосиликатного стекла, стеклообразующая добавка для его получения и способ обработки радиоактивного жидкого эфлюента средней активности с использованием предложенной стеклообразующей добавки, приводящий к получению указанного алюмоборосиликатного стекла. Технический результат - предложен способ изоляции радиоактивных жидких эфлюентов средней активности, получаемых при операциях окончательной остановки заводов по переработке ядерного топлива, позволяющий получить материал, обладающий высокой стойкостью к облучению, отличной механической прочностью и высоким сопротивлением к химическим воздействиям. 3 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Алюмоборосиликатное стекло для изоляции радиоактивного жидкого эфлюента средней активности, отличающееся тем, что имеет следующий состав, выраженный в массовых процентах по отношению к общей массе стекла:
a) SiO₂ - 45-52
b) B₂O₃ - 12-16,5
c) Na₂O - 11-15
d) Al₂O₃ - 4-13
e) один или несколько элементов, выбранных среди оксидов переходных элементов (ETR), таких как Fe₂O₃, Cr₂O₃, MnO₂, TcO₂, и платиноидов, таких как RuO₂, Rh, Pd:0-5,25;
f) один или несколько элементов, выбранных среди оксидов редкоземельных металлов (TRA), таких как La₂O₃, Nd₂O₃, Gd₂O₃, Pr₂O₃, CeO₂, и актинидов, таких как UO₂, ThO₂, Am₂O₃, PuO₂, CmO₂, NpO₂:0-3,5;
g) ZrO₂:0-4;
h) другие элементы (AUT), входящие в состав эфлюента: 0-4;
при этом состав стекла отвечает также следующим неравенствам, в которых значения содержания SiO₂, Al₂O₃, B₂O₃, Na₂O, ETR, AUT выражены в массовых процентах по отношению к общей массе стекла:
(1) SiO₂+Al₂O₃<61%
(2) 71%<SiO₂+B₂O₃+Na₂O<80,5%
(3) B₂O₃/Na₂O>0,9
(4) 0,7 Al₂O₃ - ETR<5%
(5) Al₂O₃/ETR>2,5
(6) 0,127 (B₂O₃+Na₂O)>AUT.

2. Стекло по п.1, в котором другие элементы (AUT) эфлюента выбраны из следующих оксидов: SO₃, P₂O₅, MoO₃, BaO.

3. Стеклообразующая добавка для получения алюмоборосиликатного стекла по п.1, отличающаяся тем, что имеет следующий состав в мас.%:
SiO₂ - 58-65
B₂O₃ - 15-19
Na₂O - 5-10
Al₂O₃ - 0-3
Li₂O - 1-4
CaO - 1,5-4
ZrO₂ - 0-3
Fe₂O₃ - 2-4
NiO - 0-2
CoO - 0-2

4. Стеклообразующая добавка по п.3, отличающаяся тем, что представляет собой стеклянную фритту.

5. Стеклообразующая добавка по п.3, отличающаяся тем, что представляет собой смесь химических продуктов, в частности оксидов в виде порошков.

6. Способ обработки радиоактивного жидкого эфлюента средней активности, в котором осуществляют кальцинацию указанного эфлюента, в который, в случае необходимости, добавляют кальцинирующую добавку для получения кальцината, затем в указанный кальцинат добавляют стеклообразующую добавку по п.3, осуществляют плавление указанного кальцината и указанной стеклообразующей добавки в холодном тигле для получения стеклянного расплава, затем указанный стеклянный расплав охлаждают, с получением алюмоборосиликатного стекла по п.1.

7. Способ по п.6, в котором радиоактивный жидкий эфлюент средней активности содержит следующие элементы со следующими значениями содержания:
Na от 30 г/л до 80 г/л
B от 0 г/л до 5 г/л
Mn от 0 г/л до 1 г/л
Ce от 0 г/л до 14 г/л
Fe от 0 г/л до 3 г/л
Ni от 0 г/л до 1 г/л
Cr от 0 г/л до 1 г/л
Zr от 0 г/л до 16 г/л
Mo от 0 г/л до 10 г/л
P от 0 г/л до 4 г/л
S от 0 г/л до 1,7 г/л
Ba от 0 г/л до 7 г/л
Gd от 0 г/л до 1 г/л
Tc 1 г/л или меньше
Актиноиды от 0 г/л до 8 г/л
Платиноиды 1 г/л или меньше;
при этом общее содержание указанных элементов составляет от 30 г/л до 154,7 г/л.

8. Способ по п.6, в котором радиоактивный жидкий эфлюент содержит следующие элементы в следующих количествах:
Na - 55 г/л
B - 2,5 г/л
Mn - 0,5 г/л
Ce - 7 г/л
Fe - 1,5 г/л
Ni - 0,5 г/л
Cr - 0,5 г/л
Zr - 8 г/л
Mo - 5 г/л
P - 2 г/л
S - 0,85 г/л
Ba - 3,5 г/л
Gd - 0,5 г/л
Tc - 1 г/л
Актиноиды - 4 г/л
Платиноиды -1 г/л;
при этом общее содержание указанных элементов составляет от 93,35 г/л.

9. Способ по любому из пп.6-8, в котором кальцинирующую добавку выбирают из нитрата алюминия, нитрата железа, нитрата циркония, нитратов редкоземельных металлов или их смесей.

10. Способ по п.9, в котором в качестве кальцинирующей добавки используют смесь нитрата алюминия и нитрата железа, причем предпочтительно содержание компонентов в смеси составляет 0,66<Al₂O₃/(Al₂O₃+Fe₂O₃)<1, где содержание является массовым содержанием в оксидах.

11. Способ по любому из пп.7, 8 или 10, в котором соотношение Na₂O/сумма оксидов в кальцинате меньше или равно 0,3.

12. Способ по п.9, в котором соотношение Na₂O/сумма оксидов в кальцинате меньше или равно 0,3.

13. Способ по любому из пп.7, 8, 10 или 12, в котором стеклообразующей добавкой является добавка по любому из пп.3-5.

14. Способ по п.9, в котором стеклообразующей добавкой является добавка по любому из пп.3-5.

15. Способ по п.11, в котором стеклообразующей добавкой является добавка по любому из пп.3-5.

16. Способ по любому из пп.7, 8, 10 или 12, в котором плавление кальцината и стеклообразующей добавки осуществляют при температуре от 1200°C до 1300°C, предпочтительно при 1250°C.

17. Способ по п.9, в котором плавление кальцината и стеклообразующей добавки осуществляют при температуре от 1200°C до 1300°C, предпочтительно при 1250°C.

18. Способ по п.11, в котором плавление кальцината и стеклообразующей добавки осуществляют при температуре от 1200°C до 1300°C, предпочтительно при 1250°C.