Способ обезвреживания радиоактивных отходов непостоянного состава Советский патент 1990 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к переработке радиоактивных отходов и преимущественно предназначено для обезвреживания радиоактивных отходов путем включения их в тугоплавкие стеклянные матрицы.

Целью изобретения является повьппе- ние эффективности процесса путем увеличения степени наполнения матричного материала радиоактивными отходами непостоянного состава и исключения расхода дополнительных агентов при получении конечного продукта, подлежащего захоронению, при одновременном упрощении процесса.

Диспергирование хальмозного остатка в процессе плавления обратно в расплав позволяет включить частицы нерастворяющегося хальмозного остатка (до 14% по отношению к объему матричного материала), т.е. увеличить объем радиоактивных отходов в конечном продукте, при этом расплав стекломассы будет в виде статической гомогенной массы. Это сказывается на улучшении свойства конечных продуктов: механической прочности, устойчивости к выщелачиванию.

Кроме того, застывшие частицы не- растворяюш 1хся компонентов радиоактивных отходов служат стоками для радионуклидов и других компонентов отвержденных блоков с радиоактивными отходами в процессе их длительного хранения. Причем, если известные способы могут привести к значительному ухудшению свойств блоков, то в предлагаемом способе благодаря дополнительным стокам в виде застывших 1-1

капапь нерастворяюш тхся компонентов

СП

со NJ

;о.

со

такая опасность отсутствует. Вынос радионуклидов из них возможен только через матрицу, окружающую частицы.

Таким образом, при включении радиоактивных отходов в стеклянную матрицу, помимо растворяющихся отходов, в матрицу дополнительно включа- ется нерастворяющийся в ней хальмоз- ный остаток, а так как он содержит радионуклиды, то объем .включаемых в стекломатрицу отходов увеличивается. Из.теории известно что объемная доля заполнения блоков нерастворяю- щимися компонентами не должна превышать 14-16% объема, поэтому и объем включаемого в стекломассу хальмозно- го остатка ув еличивается до 14-16%.

Благодаря использованию диспергирования расплава нерастворяющихся соединений достигается цаиболее полное включение радиоактивных отходов в тугоплавкую матрицу. При этом не требуется введение дополнительных

10

.15

20

образуют несмешивающийся с расплавом матричного материала слой, который может быть либо в виде шпаков (твердая фаза), либо в виде расплава солей (жидкая фаза).

При появлении несмешивающегося слоя в процессе стеклообразования (момент времени t,) в расплав погружают диспергатор, например механическую мещалку с одной или несколькими лопастями, которая, вращаясь, диспергирует в расплав слой.нерастворяющихся компонентов.

Время работы мешалки (t, - t), скорость вращения и конструкция мешалки выбраны таким образом, чтобы размер частиц дисперсной фазы бып достаточно мал (R 0,2 мм) , так как в этом случае полученная дисперсная система обладает достаточной устойчивостью и расслоение фаз нё проис- ходит за время слива расплава (время t ;j - tg) в контейнер. Время слива

агентов для восстановления сульфатов, 25 расплава (время ti- t) должно быть

что снимает проблему очистки газа и уноса радионуклидов на данном этапе, уменьшает количество стадий процесса, сокращая время переработки, что особенно важно при обращении с радиоактивными отходами.

На чертеже приведена температур- но-временнай характеристика процесса.

На чертеже показаны t р

время

плавления смеси матричного материала

и радиоактивных отходов, t

время работы диспергатора, t - tj время слива гомогенизированного расплава в контейнер,, t j - t - время отжига полученного продукта, Т „ - температура плавления, Трт температура отжига стеклоблоков, Т - температура хранения стеклоблоков, I - работа диспергатора, II - отжиг, III -захо- ронение и хранение.

Радиоактивные отходы смешивают с матричным материалом в соотношении 40 мас.% радиоактивных отходов, 60 мас.% матричного материала. Смесь нагревают до температуры плавления

Тпд и вьщерживают при этой температуре до образования стекломассы, затем стекломассу перемешивают, сливают в контейнер, охлаждают и отправляют на захоронение.

При плавлении матричного материала растворяющиеся в нем компоненты отходов включаются в структуру матрицы, а нерастворяющиеся компоненты

0

5

0

образуют несмешивающийся с расплавом матричного материала слой, который может быть либо в виде шпаков (твердая фаза), либо в виде расплава солей (жидкая фаза).

При появлении несмешивающегося слоя в процессе стеклообразования (момент времени t,) в расплав погружают диспергатор, например механическую мещалку с одной или несколькими лопастями, которая, вращаясь, диспергирует в расплав слой.нерастворяющихся компонентов.

Время работы мешалки (t, - t), скорость вращения и конструкция мешалки выбраны таким образом, чтобы размер частиц дисперсной фазы бып достаточно мал (R 0,2 мм) , так как в этом случае полученная дисперсная система обладает достаточной устойчивостью и расслоение фаз нё проис- ходит за время слива расплава (время t ;j - tg) в контейнер. Время слива

25 расплава (время ti- t) должно быть

меньше времени разделения фаз при температуре Т Тп/

t, - t

30

м(т)

flTpR

5

.

где для стеклянной матрицы, например, при Т f((T) 5,0 - -10,0 Па-с; /i - 1/3; 15 500 кг/м ; R 0,2-10 м; Ф 0,1 получают t г - t 60 с. :

В интервале времени- от t до t контейнер, содержашцй гомогенизированную массу, подвергают отжигу при Т Т от «для: снятия ос;гаточных напряжений в стекле. Интервал времени

Ь

.fiToW V3 g

.

5

.)

0

5

где при Т и |U (То,.. 10 Па-с, t 65-10 с.

После отжига (t t,) контейнер охлаждают и отправляют на захоронение.

В процессе длительного хранения блоков разделение фаз не наблюдается, так как для остьгоших лстеклован- ных .блоков при вязкости fx (Т) 10 Па-с имеют t «- 10 млн. лет, что обеспечивает надежное хранение радиоактивных отходов в отвержденной массе.

Пример .1. Радиоактивные отходы активностью 5,2-10 Ки/л, содержащие по отношению к сухому остатку, мас.%: Naf- 25,8; К 0,4; Са 2,9; Mg 1,1; FeЭ 3,7: А1 0,1;

NO- 32,6; SOV 9,3; 3,3; С0| 5,2; SiO 0,5; ОН 1,2; Cl 5,6, сме шнйают со стеклообразующими компонентами в соотношении 40 мас.% радиоактивных отходов и 30 мас.% датолито- вого концентрата. Смесь расплавляют, вьщерживают при температуре плавлени в течение 1 ч, вьщеливпшйся на поверхности не включающийся в матрицу хальмозный слой, состоящий из смеси расплавленных солей Na SO -NaCl и CaSO -CaCl, диспергируют мещалкой при 1150 ± 10 с до получения гомогенизированной массы в течение 11 - t 2 5 мин при угловой скорости вращения мешалки 20 с . При этом средний размер капель дисперсной фазы находится в пределах 0,1-0,2 мм Полученную гомогенизированную смесь сливают в контейнер и помещают в камеру отжига и вьщерживают в ней 4 ч при Tj,. ( t)., далее вынимают контейнер, охлаждают и отправляют на захоронение.

Испытания полученного конечного продукта показывают, чивания Na. Cs

скорости выщела2

SO 4 на седьмые

сутки 3-10 - ; 1-10- и 1 ,8 - 10 г/ск-с соответственно. Это свидетельствует о достаточной стойкости полученного продукта к разрушающему действию воды. . .

Пример 2. Радиоактивные отходы активностью 5,2-10 Ки/л состава, указанного в примере 1, но с содержанием сульфат-ионов, равным 12 мас.%, смешивают со стеклообразую компонентами в том же соотношении, что и .в примере 1. Смесь расплавляют, выдерживают в течение .t с - t , 1 ч при 1 150+10 С. Выце- лившийся на поверхности стекломассы хальмозный слой диспергируют мешалкой в течение t , - t 2 7 мин при угловой скорости вращения 20 с . При этом средний размер капли дисперсной фазы уменьшается до R О,1 мм. Полученную гомогенизированную смесь смешивают в контейнер, отжигают з печи в течение 1- ц Р 500+ Ю далее охлазвдают и отправляют на захо ронение.

Скорости выщелачивания Na , Cs SpV из конечного продукта составля

ют на седьмые сутки 10 и 1, 2 10 ;-5 г/см , сут соответственно.

Таким образом, анализ экспериментальных данных показывает, что предлагаемым способом можно перерабатывать радиоактивные отходы с достаточно бальыим содержанием сульфатов и других соединений, не включающихся в структуру стеклянной матрицы.

По степени вьш(елачивания радиоактивных элементов полученный продукт удовлетворяет требованиям МАГАТЭ.

Преимущество предлагаемого спосо- . ба заключается в следующем: нетребо.- вательность способа к составу отходов; увеличение количества отходов, включаемых в конечньш продукт за счет включения не только растворимых, но и до 14-16 об,% компонентов нерастворимых в матричном материале; надежность фиксации радиоактивных отходов, характеризующихся меньшими скоростями выщелачивания и, следовательно, более длительными сроками безопасного хранения; упрощение технологического процесса остекловыва- ния радиоактивных отходов непостоянного состава путем исключения операций восстановления или отдельной переработки хальмозного остатка.

Формула изобретения

Способ обезвреживания радиоактивных отходов непостоянного состава путем включения их в матричный материал , заключающийся в смешении отходов со стеклообразующими добавками, плавлении смеси, сливе расплава в кЬнтей- нер, отжиге заполненного контейнера с последующим его охлаждением в захоронении, отличающийся тем, что, с целый повышения эффективности процесса путем увеличения степени наполнения матричного материала . радиоактивными отходами и упрощения процесса, выделившийся при плавлении слой нерастворяющихся соединений диспергируют обратно в расплав, а контейнер, после слива в него диспергированного расплава, охлаждают в те- . чение времени, не превьппающего время разделения фаз матричного материала и нерастворяющихся компонентов.

Изобретение относится к переработке радиоактивных отходов. Сущность изобретения заключается в том, что образующийся в процессе плавления слой нерастворяющихся в матричном материале соединений (хальмозный остаток) диспергируют обратно в расплав, а время охлаждения гомогенизированного расплава в контейнере не должно превышать время разделения фаз. Диспергирование хальмозного остатка обратно в расплав дает возможность увеличить объемную долю заполнения радиоактивными отходами матричного материала, а охлаждение контейнера с расплавом в течение времени, не превышающего время разделения фаз, обеспечивает гомогенность конечного продукта.

/7У

0/77Ж

кр

ti

tz t3

и ts