Способ остекловывания жидких радиоактивных отходов среднего и низкого уровней активности Советский патент 1993 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к переработке радиоактивных отходов и может быть ис- пользовансРдля переработки жидких радиоактивных отходов среднего и низкого уровня активности путем включения их в стеклянные матрицы.

Известны различные способы включения жидких радиоактивных отходов в- стек- лянные матрицы, например жидкие радиоактивные отходы денитрируют, затем подают в плавительный тигель, где уже находятся стеклобой и добавки (частички металлов, Li, К, Мд, Mo, AI. Сг), и плавят при температуре 1100 - 1200°С в течение 3 ч. Расплав сливают в нагретый до 600°С графитовый контейнер и охлаждают со скоростью 70°С/ч до 400°С. выдерживают при этой температуре 24 ч. затем нагревают до

600°С, выдерживают 24 ч и затем охлэжда- ют в течение 50 ч.

Недостатками Способа являются: сложность проведения процесса, обусловленная его м но госта дийностью; длительность процесса, который из-за его многостадийности продолжается 5-7 суток.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ остек- лоеывания отходов среднего и низкого уровня активности, При котором жидкие радиоактивные отходы аысуинлвэют.и смеши- вают с добавками, содержащими Si 02 (например глиной; песком и т, п.). Смесь расплавляют, нагревая до 1000 - 1200°С. до Образования стеклоподобного продукта, который охлаждают до отверждения.

Недостатком этого способа является широкий интервал температур вфркистекла

VJ

GO 00 О О О

(1000 - 12009С) и повышенная максимальная температура варки (1200°С) Это способствует повышению энергозатрат на процесс остекловывачия, а также интенсивному уносу радионуклидов в процессе варки. Например, унос одного из основных компонентов жидких радиоактивных отходов радионуклида Cs за б ч варки бороси- ликатного стекла при температуре 1200°С составляет 63,2%.

Целью изобретения является снижение энергозатрат на проведение процесса ос- текловывэния за счет сужения интервала температур процесса варки при одновременном повышении безопасности окружающей среды за счет уменьшений степени улетучивания радионуклидов в процессе варки и повышение химической стойкости конечного продукта.

Способ заключается в том, что жидкие радиоактивные отходы высушивают, смешивают со стеклообразующими добавками таким образом, чтобы содержание SiOa в стеклорасплаве находилось в интервале 40 - 45 мас.%. нагревают и плавят при температуре 1000- 1100°С в течение 1 ч, затем при перемешивании в расплав вводят кварцевый песок с размером зерен ОЛ - 0,5 мм в количестве 5 - 15 % от массы стеклораспла- ва, сливают, охлажДают и отправляют на захороне ние.

При этом для обеспечения заданного содержания 5Ю2 стеклообразующие добавки используют в количествах, исходя из условий:

Ai Ј х п

AI - процентное содержание 1-го компонента в стекле;Х| - процентное содержание 1-го компонента в стеклообразующей добавке и/или отходах, гм - количество стеклообразующей добавки и/или отходов. I - вид компонента, причем AI задают для Si02 в интервале 40 - 45 %

Включение отходов в матрицу с содержанием SIQ-2 40 - 45 % дает возможность снизить максимальную температуру остек- ловывания отходов и сузить температурный интервал проведения процесса до 1000 - 1100°С, что приводит к уменьшению уноса радионуклидов в окружающую среду,

При содержании в остеклованных отходах SiO; менее 40 % скорость вымывания радионуклидов составляет 7,0-1Qr г/см сут, что представляет собой угрозу загрязнения окружающей среды В случае увеличения содержание 5Юз более чем 45 % гтрястрт вязкость расплава и познтэег одимпои, в ПОПМШРНИИ

температуры проведения варки и повышении знергозатрэг на проведение процесса остекловывания

Однако продукт, содержащий 40 - 45 %

SI02, является недостаточно химически стойким и поэтому на заключительный стадии остекловывания в расплав вводят 5-15 % кварцевого песка с размером зерен 0,1 - 0,5 мм, что обеспечивает повышение хими0 ческой стойкости конечного продукта, Это обусловлено тем, что кварцевый песок при введении в расплавленную стекломассу с радиоактивными отходами, имеющую температуру 1000 - 1100°С, растворяется, груп5 пы SIU4 встраиваются в решетку стекла, упрочняя этим его структуру Причем в случае введения кварцевого песка менее 5 % скорость вымывания радиоактивных зле- мейтов (Cs137) из конечного продукта в

0 среднем в 3 раза превышает скорость вымывания из образцов, в которые введено кварцевого песка от 5 до 15 %, а при введении более 15 % конечный продукт получается химическим нестойким из-за большого

5 содержания в стеклянной матрице нерастворившихся зерен кварцевого песка. При этом большое значение имеет размер зерен кварцевого песка, так как при размере зерен меньше чем 0,1 мм вязкость расплава

0 резко возрастает вследствие полного растворения зерен, а при размере более чем 0,5 мм кварцевый песок неравномерно распределяется по обьему. что понижает химическую стойкость конечного продукта.

5 Таким образом, обеспечение 40 - 45 % содержания SIO2 в стекломассе, введение в количестве 5- 15мас.% кварцевого песка с размером зерен 0,1 - 0.5 мм на конечной стадии процесса варки стекла с радиоактив0 ными отходами дает возможность не только снизить энергозатраты на проведение процесса остекловывания за счет сужения температурного интервала варки, но и повысить безопасность окружающей среды за

5 счет уменьшения уноса радионуклидов в окружающую среду и повышения химической . стойкости конечного продукта.

Пример 1 Радиоактивные отходы 0 активностью по /3 Сз 2 -106 Бк/л с соле- содержанием 174 г/л упаривают и высушивают до конечной влахности 4 - 6 %, после чего смешивают со стеклообразующими добавками (песком, суглинком, датолитовом 5 концентратом, бурой) Количество каждой добавки, входящей в шихту, и отходов определяют из указанных условий

Виды сырьевых добапок и содержание в них стеклообразующих компонентов (оксидов) приведены в тзбл 1

При расчете количества добавок, вводимых в шихту, использовали систему уравнений:

At Xi щ.

Например, для получения 100 кг стекла с содержанием 45 % система будет выглядеть следующим образом:

А . XiSI02 , Asioa 45 10{ ni +

пз +

Х4 SIO2

100

П4

Щпз +

Х2 Ма20 100

л on-x5Na20 „ Х2Ма20 „„ ,ЛЛ п5 + ,nn -П2

100

100

1Р Х3СаО .XsCaO

АСаО 18 - 100 ПЗ + 10()

. Х4 А120з „ АА12оз - 2JUT

. Хз Ре20з,

Аре20з 2.7 -щ- з + , Х5 Fe203 n

+ -Too- П5

Решение указанной системы уравнений дает следующие значения количеств вводимых в шихту стеклообразующих добавок и отходов, кг:

Песка m15,02

Буры п22,3

Дэтолитового

концентрата пз62,93

Суглинка ПА 15,38

Отходов {сухого

остатка) ns51,97

Полученную шихту нагревают и плавят при температуре 1000 - 1100°С в течение 1 ч, после чего вводят 5 - 15 % от массы стеклорасплава кварцевог.0 песка с размером зерен 0,1 - 0,5 мм, перемешивают ме- хЗнической мешалкой в течение 40 - 60 с. смесь сливают в контейнер, охлаждают и отправляют на захоронение,

Результаты экспериментов, подтверждающие достижение положительного эффекта. приведены в табл. 2 (время варки - 1 ч).

Образец 1 был получен в результате реализации способа согласно выбранному прототипу в лабораторных условиях на предприятии Мое НПО Радон

5

10

15

20

25

30

35

40

„45

50

55

Как видно из табл. 2 содержание n in ходном стекле SI02 от 35 до 45 % позптчет снизить унос радионуклидов в процессе варки стекла в среднем в 1 5 - 2 рта пп сравнению с прототипом

Введение кварцевого песка в количестве от 3 до 20 % приводит к снижению скоро сти выщелачивания радионуклидов из конечного продукта. Наиболее оптимальные результаты (снижение скорости гшще- лачивания в среднем в 3 раза) дает введение кварцевого песка в количестве от 5 до 15 % от массы стеклорасплава. Введение 3 % кварцевого песка не дает ощутимого снижения скорости выщелачивания радионуклидов (обр. 2). Введение же 20 % кварцевого песка (обр. б) хоть и дает положительный результат, но затрудняет процесс перемешивания и слива из-за возрастающей рязко- сти

Применение исходного стекла с содержанием 50 % SiOs неэффективно иЗ-за возрастания уноса радионуклидов и новы- , шения энергозатрат на процесс остеклооы- вания

Использование изобретения приводит к снижению загрязнения окружающей среды радиоактивными элементами за счет снижения уноса радионуклидов, к сокращению энергозатрат на проведение процесса остекловывания отходов, а также к повыше - нию радиационной безопасности окружающей среды при хранении конечного продукта.

Формула изобретения Способ остекловывания жидких радиоактивных отходов среднего и низкого уровней активности, включающий сушку жидких радиоактивных отходов, смешивание высушенных отходов со стеклообразующими добавками, содержащими S102. нагрев, плавление смеси, последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат на проведение процесса остекловывания за счет сужения интервала температур процесса варки при одновременном повышении безопасности окружающей среды за счет уменьшения степени улетучивания радионуклидов в процессе варки и повышения химической стойкости конечного продукта, используют стеклообразующие добавки в количестве, определяемом иг условий

AI- Xi щ.

где At - процентное,содержание 1-го компонента в стекле, Xi - процентное содержание 1-го компонента в стеклообрэзующей добавке и/или отходах; щ - количество плодимой

стеклообразующей добавки м/или отходов: I - вид компонента, причем At задают для 5Ю2 в интервале 40 - 45 %, а После плавлений смеси в расплав вводят кварцевый песок с размером зерен 0,1 - 0,5 мм в количестве 5 - 15 % от массы стеклорэсплава

Таблица 1

Изобретение относится к способам осте- кловывания жидких радиоактивных отходов Целью изобретения является снижение энергозатрат на проведение «процесса ки. Это достигается за счет того, что жидкие радиоактивные отходы высушивают, смешивают со стеклообразующими; добавками таким образом, чтобы содержание SiOz п стеклорасплаве находилось в интервале 40 - 45 мае. %, нагревают и плавят при температуре 1000- 1100°С в течение 1 ч, зятем при перемешивании в расплав вводят кварцевый песок с размером зерен 0,1 - 0,5 мм в количестве 5 - 15 % от массы стеклорас- плава, сливают, охлаждают и отправляют на захоронение. Изобретение позволяет снизить загрязнение окружающей среды. 2 табл. (/ С

Таблица 2