СПОСОБ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ ЦЕЗИЯ-137 Советский патент 1994 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к переработке жидких высокоактивных отходов (ЖВАО), образующихся при гидрометаллургических способах регенерации облученного ядерного топлива.

В настоящее время наиболее рациональным способом обращения с ЖВАО считается их фракционирование, приводящее к получению концентратов цезия, стронция и трансплутониевых элементов.

Концентраты цезия-137 являются исходным сырьем для изготовления источников фотонного излучения. В качестве матричных материалов для создания этих источников наибольшее практическое значение приобрели стекло и керамика. Для фиксации цезия-137 известны составы силикатных, алюмосиликатных, боросиликатных и свинцовосиликатных стекол. Однако разработки непрерывных процессов получения в больших количествах цезийсодержащих стекол, пригодных для изготовления источников фотонного излучения, практически отсутствуют.

Для отверждения нефракционированных ЖВАО наибольшее распространение получили двухстадийные процессы их остекловывания. При осуществлении первой стадии этих процессов - кальцинации ЖВАО - возникают проблемы, обусловленные в том числе и химическим составом ЖВАО.

Наиболее близким к предлагаемому является способ остекловывания нефракционированных ЖВАО, в котором их непрерывно кальцинируют в наклонной вращающейся трубчатой печи, а в плавителе остекловывают кальцинат после добавления к нему стеклообразователей. Однако в этом кальцинаторе, как и в других существующих, затруднена непосредственная кальцинация ЖВАО с высоким содержанием нитратов щелочных металлов. По этой причине при кальцинации в наклонной вращающейся трубчатой печи ЖВАО с массой долей нитратов щелочных металлов более 20% предусматривается ее снижение до предельной величины растворением в ЖВАО нитрата алюминия.

Непосредственная кальцинация в наклонной вращающейся трубчатой печи концентрата цезия сопровождается интенсивным образованием гарнисажа, прочно связанного с ее рабочей поверхностью (см. пример 1). Кальцинация по этому способу приводит к получению кальцината с большой массовой долей Al₂O₃, который является тугоплавким оксидом, повышающим температуру варки стекла, а остекловывание этого кальцината - к получению стекла с низкой массовой долей оксида цезия.

Целью изобретения является остекловывание концентратов цезия-137 в цезийсвинцовосиликатное стекло с высокой массовой долей оксида цезия, пригодное для изготовления источников фотонного излучения.

Для достижения поставленной цели концентраты цезия смешивают со стеклообразователями: тонкодисперсным аморфным кремнеземом в массовом соотношении оксид цезия/кремнезем (40-60): (60-40)% и тонкодисперсным диоксидом свинца, полученную суспензию непрерывно кальцинируют в наклонной вращающейся трубчатой печи с градиентом температуры по ее длине 400-600^оС, а полученный кальцинат остекловывают в плавителе без дополнительного введения стеклообразователей.

Использование тонкодисперсного аморфного кремнезема позволяет проводить кальцинацию концентратов цезия на его развитой поверхности и тем самым снизить нагрузку на рабочую поверхность кальцинатора.

Применение в процессе кальцинации концентратов цезия, кислотность которых по азотной кислоте может достигать 12 М, диоксида свинца обусловлено тем, что его растворимость в ней ниже растворимости оксида свинца (см. табл.1).

Кальцинация нитрата свинца - продукта растворения оксида свинца в азотной кислоте - начинается при относительно высокой температуре (≈ 470^оС), протекает крайне медленно через ряд промежуточных продуктов (гидроксинитраты свинца) и сопровождается образованием гарнисажа на рабочей поверхности кальцинатора.

Термическое разложение диоксида свинца начинается при относительно низкой температуре ( ≈290^оС).

П р и м е р 1. Способ проверяли в лабораторных условиях на модельном концентрате цезия с содержанием CsNO₃) 75 г/л в пересчете на Cs₂O) и кислотностью HNO₃ 12 М.

Модельный концентрат цезия непрерывно кальцинировали на лабораторной установке типа наклонной вращающейся трубчатой печи с градиентом температуры по ее длине 400 - 600^оС.

Непосредственная кальцинация модельного концентрата цезия сопровождалась интенсивным образованием гарнисажа, прочно связанного с рабочей поверхностью установки. Выход кальцината отсутствовал. Летучесть цезия при непосредственной кальцинации его модельного концентрата составила 4,83 долей активности %.

П р и м е р 2. К модельному концентрату цезия добавляли тонкодисперсный аморфный кремнезем до концентрации 112,5 г/л, т.е. до массового соотношения Cs₂O:SiO₂=40:60%.

Полученную суспензию непрерывно кальцинировали, как описано в примере 1.

Кальцинация суспензии не сопровождалась интенсивным образованием гарнисажа на рабочей поверхности установки. Выход кальцината был стабильным. Летучесть цезия при кальцинации суспензии тонкодисперсного аморфного кремнезема в модельном концентрате цезия составила 0,49 долей активности (% ), а массовая доля остаточного нитрата-иона в кальцинате 3,4% в пересчете на "чистый" кальцинат (без кремнезема).

П р и м е р 3. К суспензии тонкодисперсного аморфного кремнезема в модельном концентрате цезия с массовым соотношением Сs₂O:SiO₂=40:60%, полученной как описано в примере 2, добавляли 25% тонкодисперсного диоксида свинца (в пересчете на оксид), т.е. до массового соотношения Cs₂O:PbO:SiO₂ = 32:20:48%. Полученную суспензию непрерывно кальцинировали, как описано в примере 1. Кальцинация суспензии не сопровождалась интенсивным образованием гарнисажа на рабочей поверхности установки. Выход кальцината был стабильным.

Летучесть цезия при кальцинации суспензии тонкодисперсных аморфного кремнезема и диоксида свинца в модельном концентрате цезия составила 0,57 долей активности, (%), а массовая доля остаточного нитрат-иона в кальцинате 9,0% в пересчете на "чистый" кальцинат (без стеклообразователей).

Термообработка в плавителе при температуре 1100^оС в течение 3 ч кальцината без дополнительного введения стеклообразователей привела к получению цезийсвинцовосиликатного стекла.

Определенные, как описано в примерах, характеристики процесса кальцинации и остекловывания суспензий тонкодисперсного аморфного кремнезема и диоксида свинца в модельном концентрате цезия при различных массовых соотношениях Cs₂O:SiO₂ приведены в табл.2.

Из табл.2 видно, что при кальцинации указанных суспензий с массовой долей Cs₂O более 60% (без учета PbO₂) выход кальцината практически отсутствовал из-за образования гарнисажа, прочно связанного с рабочей поверхности установки. При массовой доле Cs₂O в указанных суспензиях менее 40% (без учета PbO₂) конечный продукт их остекловывания с учетом его разбавления оксидом свинца имеет низкую емкость по Cs₂O.

Изобретение относится к двухстадийным способам остекловывания жидких высокоактивных отходов. Целью изобретения является остекловывание концентратов цезия-137 в цезийсвинцовосиликатное стекло с высокой массовой долей оксида цезия. Цель достигается тем, что кальцинацию проводят в присутствии стеклообразователей: тонкодисперсного аморфного кремнезема при массовом соотношении оксид цезия/кремнезем (40 - 60) : (60 - 40)% и тонкодисперсного диоксида свинца. При этом процесс происходит в плавителе без дополнительного введения стеклообразователей. 2 табл.

СПОСОБ ОСТЕКЛОВЫВАНИЯ КОНЦЕНТРАТОВ ЦЕЗИЯ-137, включающий их кальцинацию в наклонной вращающейся трубчатой печи с градиентом температуры по ее длине 400 - 600^oС и последующее остекловывание кальцината в плавителе, отличающийся тем, что, с целью остекловывания концентратов цезия-137 в цезийсвинцовосиликатное стекло с высокой массовой долей оксида цезия, их кальцинацию проводят в присутствии стеклообразователей: тонкодисперсного аморфного кремнезема при массовом соотношении оксид цезия - кремнезем (40 - 60) : (60 - 40)% и тонкодисперсного диоксида свинца.