Способ иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов (варианты)

Способ иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов (варианты)

Реферат

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами и может быть использовано при кондиционировании концентрированных жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активностей.

Одним из основных методов отверждения жидких радиоактивных отходов является цементирование (Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. М.: Энергоатомиздат, 1985, с.130-136).

Известен способ отверждения радиоактивных отходов, включающий смешение отходов с металлургическим гранулированным шлаком или шлакопортландцементном при растворовяжущем отношении 0,2-0,6 и температуре 20-90°С и получение прочного монолита со скоростью выщелачивания водорастворимых компонентов около 10^-3 г/см²·сут (а.с. СССР №880149, МКИ G 21 F 9/00. «Способ отверждения отходов». Авт. К.П.Захарова, Т.Т.Жилов, Н.В.Алимов и др. Бюл. изобр. №16, 30.04.1982).

Недостатками способа являются высокая скорость выщелачивания, не отвечающая требованиям норм и правил НП-019-2000, и отсутствие омоноличивания вяжущей системы при использовании способа отверждения концентрированных жидких радиоактивных отходов с высоким содержанием органических веществ.

Известен способ отверждения радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности (патент РФ на изобретение №2087043, МПК 6 G 21 F 9/16. «Способ отверждения радиоактивных отходов» / П.В.Кривенко, Ж.В.Скурчинская, О.Н.Петропавловский и др. Бюл. изобр. №22 (2 ч) от 10.08.1997).

Способ заключается в следующем. Жидкие отходы ядерных установок низкого и среднего уровня активностей (10⁴-10⁸ Бк/л) смешивают с глинистым компонентом (каолиновой, бентонитовой или спондиловой глиной) при водотвердом соотношении 1,5-3,0. Полученную суспензию смешивают с вяжущим при водовяжущем отношении 0,5-1,6. В качестве вяжущего используют гидратную известь или тонкомолотый шлак с добавкой 2,5-5 мас.% клинкера или портландцемента, или шлакопортландцемент при массовом соотношении глинистого компонента и вяжущего (15-50):(50-85). После 28 суток нормально влажностного хранения получают монолитные цементные образцы с высокой механической прочностью и низкой скоростью выщелачивания.

Недостатками способа являются

- относительно узкая область применения - только для жидких радиоактивных отходов с невысоким содержанием органических веществ (масел, жиров, поверхностно-активных веществ и других);

- относительно низкая механическая прочность, либо вообще отсутствие омоноличивания вяжущей системы;

- относительно большой объем получаемых в виде цементных камней твердых радиоактивных отходов (в 3-5 раз), что требует создания дополнительных хранилищ и увеличивает трудо- и материальные затраты, а также общую стоимость получаемых твердых радиоактивных отходов.

Перед авторами стояла задача устранить указанные недостатки, а именно разработать способ, обеспечивающий возможность

- иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов, в том числе с высоким (≥10 г/л) содержанием органических веществ, в цементные камни с низкой скоростью выщелачивания и высокой механической прочностью, удовлетворяющих нормам и правилам НП-019-2000;

- понижения объема получаемых твердых радиоактивных отходов по сравнению с известными способами.

Для решения поставленной задачи в первом способе иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов предлагается

- в концентрированные жидкие радиоактивные отходы внести природные силикатные сорбенты в количестве 0,15-0,60 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов;

- полученную суспензию первого типа перемешать до гомогенного состояния;

- в полученную суспензию первого типа внести глинистый компонент и раствор силиката натрия;

- полученную суспензию второго типа перемешать;

- в полученную суспензию второго типа внести вяжущее;

- полученную смесь первого типа перемешать до гомогенного состояния и уложить в формы.

В частных случаях выполнения первого способа предлагается

- во-первых, в качестве природного силикатного сорбента использовать трепел;

- во-вторых, глинистый компонент использовать в количестве 0,09-0,28 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов, а раствор силиката натрия применять с силикатньм модулем М_с=1,5 и содержанием оксида натрия (Na₂О) 200-270 г/л в количестве 0,3-0,4 л на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов, которые внести в суспензию первого типа;

- в-третьих, в качестве вяжущего использовать мелкомолотый доменный гранулированный шлак, который внести в суспензию второго типа в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси первого типа 0,9-1,1 л/кг.

Для решения поставленной задачи во втором способе иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов предлагается

- в концентрированные жидкие радиоактивные отходы внести природные силикатные сорбенты в количестве 0,15-0,60 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов;

- полученную суспензию первого типа перемешать до гомогенного состояния;

- в полученную суспензию первого типа внести вяжущее;

- полученную смесь второго типа перемешать до гомогенного состояния и уложить в формы.

В частных случаях выполнения второго способа предлагается

- во-первых, в качестве природного силикатного сорбента использовать трепел;

- во-вторых, в качестве вяжущего использовать портландцемент, который внести в суспензию первого типа в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси второго типа 0,4-0,9 л/кг;

- в-третьих, в качестве вяжущего использовать шлакопортландцемент, который внести в суспензию первого типа в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси второго типа 0,4-0,9 л/кг.

Первый способ иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов включает в себя следующие операции.

В концентрированные жидкие радиоактивные отходы вносят природные силикатные сорбенты в количестве 0,15-0,60 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов.

Полученную суспензию первого типа перемешивают до гомогенного состояния.

В полученную суспензию первого типа вносят глинистый компонент и раствор силиката натрия.

Полученную суспензию второго типа перемешивают.

В полученную суспензию второго типа вносят вяжущее.

Полученную смесь первого типа перемешивают до гомогенного состояния и укладывают в формы.

В частных случаях выполнения способа делают следующее.

Первое. В качестве природного силикатного сорбента используют трепел. При этом достигается расширение области применения способа и обеспечивается иммобилизация концентрированных жидких радиоактивных отходов с высоким (≥10 г/л) содержанием органических веществ благодаря предупреждению ценообразования при приготовлении смесей концентрированных жидких радиоактивных отходов с вяжущим и устранению высокой пористости цементных камней. Кроме того, трепел способствует лучшему удержанию воды в получаемых смесях в процессе их твердения при хранении в формах, что способствует более полному протеканию процессов гидратации соединений вяжущего и устраняет трещинообразование отвержденных цементных блоков.

Второе. Для получения суспензии второго типа в суспензию первого типа вносят глинистый компонент в количестве 0,09-0,28 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов и раствор силиката натрия с силикатным модулем М_с=1,5 и содержанием оксида натрия (Na₂O) 200-270 г/л в количестве 0,3-0,4 на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов.

В частном случае реализации второго варианта способа в качестве вяжущего для суспензии второго типа используют мелкомолотый доменный гранулированный шлак, который вносят в нее в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси первого типа 0,9-1,1 л/кг.

При этом достигаются необходимые для формирования долговечного геоцементного камня условия рН≥12 и эквимолярности оксидов щелочного элемента (Na₂O) и алюминия (Al₂О₃) в вяжущей системе, что обеспечивает при гидратации и твердении вяжущей системы образование малорастворимых низкоосновных тоберморитоподобных гидроалюмосиликатов кальция и цеолитоподобных щелочных и щелочно-земельных гидроалюмосииликатов. Долгоживущие радионуклиды цезия и стронция прочно фиксированы в такой вяжущей системе, поскольку изоморфно входят в структуру этих новообразований.

Второй способ иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов включает в себя следующие операции.

В концентрированные жидкие радиоактивные отходы вносят природные силикатные сорбенты в количестве 0,15-0,60 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов.

Полученную суспензию первого типа перемешивают до гомогенного состояния.

В полученную суспензию первого типа вносят вяжущее.

Полученную смесь второго типа перемешивают до гомогенного состояния и укладывают в формы.

В частных случаях выполнения второго способа делают следующее.

Первое. В качестве природного силикатного сорбента используют трепел.

При этом достигается расширение области применения способа и обеспечивается иммобилизация концентрированных жидких радиоактивных отходов с высоким (≥10 г/л) содержанием органических веществ благодаря предупреждению пенообразования при приготовлении смесей концентрированных жидких радиоактивных отходов с вяжущим и устранению высокой пористости цементных камней.

Второе. В качестве вяжущего используют портландцемент, который вносят в суспензию первого типа в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси первого типа 0,4-0,9 л/кг.

Третье. В качестве вяжущего используют шлакопортландцемент, который вносят в суспензию первого типа в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси первого типа 0,4-0,9 л/кг.

При этом достигается введение оптимального количества воды и компонентов концентрированных жидких радиоактивных отходов для обеспечения полного протекания процессов гидратации соединений вяжущего, кристаллизации силикатов и алюминатов кальция и капсулирования компонентов концентрированных жидких радиоактивных отходов в поровом пространстве цементного камня. Оптимальные условия протекания физико-химических процессов гидратации и твердения обеспечивают получение цементных камней с низкой скоростью выщелачивания радионуклидов и высокой механической прочностью.

Пример конкретного осуществления первого способа

При осуществлении первого способа используем концентрированные жидкие радиоактивные отходы следующего состава: сухой остаток 410 г/л, рН 13,0, содержание поверхностно-активных веществ 41 г/л; жиров 33 г/л; мыла 25 г/л; натрия (Na⁺) 90 г/л; нитрат-ионов (NO₃ ^-) 195 г/л; хлорид-ионов (Cl^-) 11 г/л; сульфат-ионов (SO₄ ^2-) 20 г/л; фосфат-ионов (РО₄ ^3-) 33 г/л; ¹³⁷Cs 4,8·10⁸ Бк/л; α-нуклидов 1,9·10⁴ Бк/л.

В 0,1 л указанных концентрированных жидких радиоактивных отходов вносим природный силикатный сорбент в виде трепела в количестве 0,06 кг.

Полученную суспензию первого типа перемешиваем до гомогенного состояния в лабораторном смесителе с мешалкой рамного типа при 20°С в течение 10 мин с окружной скоростью рамной мешалки 60-80 об/мин.

Затем в гомогенизированную суспензию первого типа добавляем раствор силиката натрия с силикатным модулем М_с=1,5 и содержанием оксида натрия (Na₂O) 270 г/л в количестве 0,035 л и 0,02 кг глинистого компонента (метакаолинита). Полученную суспензию второго типа перемешиваем до гомогенного состояния при 20°С в течение 15 минут в лабораторном смесителе с окружной скоростью рамной мешалки 60-80 об/мин.

Затем в гомогенизированную суспензию второго типа добавляем вяжущее в виде мелкомолотого доменного гранулированного шлака в количестве 0,06 кг, обеспечив растворовяжущее отношение смеси первого типа 0,93 л/кг.

Полученную смесь первого типа перемешиваем до гомогенного состояния при 20°С в течение 15 минут в лабораторном смесителе с окружной скоростью рамной мешалки 60-80 об/мин.

Полученную гомогенизированную смесь первого типа помещаем в формы: одну форму объемом ˜0,12 л и две формы объемом по ˜30 см³ для последующего испытания качества полученных цементных образцов.

Формы с образцами выдерживаем 28 суток при комнатной температуре и влажности воздушной среды, соответствующей насыщению воздуха парами воды при этой температуре.

По окончании процесса твердения через 28 суток проводим испытания полученных цементных образцов на механическую прочность и водоустойчивость по стандартным методикам.

Пример конкретного осуществления второго способа

При осуществлении второго способа как и в первом способе используем концентрированные жидкие радиоактивные отходы следующего состава: сухой остаток 410 г/л, рН 13,0, содержание поверхностно-активных веществ 41 г/л; жиров 33 г/л; мыла 25 г/л; натрия (Na⁺) 90 г/л; нитрат-ионов (NO₃ ^-) 195 г/л; хлорид-ионов (Cl^-) 11 г/л; сульфат-ионов (SO₄ ^2-) 20 г/л; фосфат-ионов (PO₄ ^3-) 33 г/л; ¹³⁷Cs 4,8·10⁸ Бк/л; α-нуклидов 1,9·10⁴ Бк/л.

В 2 л указанных концентрированных жидких радиоактивных отходов вносим природный силикатный сорбент в виде трепела в количестве 0,3 кг.

Полученную суспензию первого типа перемешиваем до гомогенного состояния в лабораторном смесителе с мешалкой рамного типа при 20°С в течение 10 мин с окружной скоростью рамной мешалки 60-80 об/мин.

Затем в гомогенизированную суспензию первого типа добавляем вяжущее в виде портландцемента марки ПЦ-500 в количестве 3,7 кг, обеспечив растворовяжущее отношение смеси второго типа 0,5 л/кг. Полученную смесь второго типа перемешиваем до гомогенного состояния при 20°С в течение 15 минут в лабораторном смесителе с окружной скоростью рамной мешалки 60-80 об/мин.

Полученную гомогенизированную смесь второго типа помещаем в формы: одну форму объемом 3,5 л и шесть форм объемом по ˜30 см³ для последующего испытания качества полученных цементных образцов.

Формы с образцами выдерживаем 28 суток при комнатной температуре и влажности воздушной среды, соответствующей насыщению воздуха парами воды при этой температуре.

По окончании процесса твердения через 28 суток проводим испытания полученных цементных образцов на механическую прочность и водоустойчивость по стандартным методикам.

Получаем твердые продукты с механической прочностью на сжатие 7-8 МПа, что превышает в 1,5 раза нормативные требования (НП-019-2000. Сбор, переработка, хранение и кондиционирование радиоактивных отходов. Москва, 2000), и скоростью выщелачивания в воду радионуклида ¹³⁷Cs 4·10^-5 г·см²/сут, что ниже на два порядка нормативных требований.

Общий объем получаемого твердого продукта - 0,18 л и 3,68 л соответственно, т.е. увеличиваем объем радиоактивных отходов при иммобилизации данным способом в ˜1,8 раза, что в 1,7-2,8 раза меньше, чем в известных способах.

Техническим результатом способа является расширение области применения способа, обеспечивающего возможность иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов с высоким (≥10 г/л) содержанием органических веществ в цементные камни с низкой скоростью выщелачивания и высокой механической прочностью, удовлетворяющих нормам и правилам НП-019-2000, а также понижение объема получаемых твердых радиоактивных отходов по сравнению с объемом отходов, получаемым по известным способам.

Использование изобретения позволит обеспечить экологическую безопасность хранения концентрированных жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активностей и отвердить концентрированные жидкие радиоактивные отходы в том числе с высоким (≥10 г/л) содержанием органических веществ, в цементные камни с высокой водоустойчивостью и механической прочностью с невысоким увеличением объема получаемых твердых радиоактивных отходов.

1. Способ иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов, заключающийся в том, что в них вносят природные силикатные сорбенты в количестве 0,15-0,60 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов, получают суспензию первого типа, перемешивают ее до гомогенного состояния, затем в нее вносят глинистый компонент и раствор силиката натрия, получают суспензию второго типа и перемешивают ее, в суспензию второго типа вносят вяжущее, полученную смесь перемешивают до гомогенного состояния и укладывают в формы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве природного силикатного сорбента используют трепел.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что глинистый компонент используют в количестве 0,09-0,28 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов, а раствор силиката натрия применяют с силикатным модулем М_с=1,5 и содержанием оксида натрия 200-270 г/л в количестве 0,3-0,4 л на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве вяжущего используют мелкомолотый доменный гранулированный шлак, который вносят в суспензию второго типа в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси 0,9-1,1 л/кг.

5. Способ иммобилизации концентрированных жидких радиоактивных отходов, заключающийся в том, что в них вносят трепел в количестве 0,15-0,60 кг на 1 л концентрированных жидких радиоактивных отходов, полученную суспензию перемешивают до гомогенного состояния, затем в нее вносят вяжущее в количестве, соответствующем растворовяжущему отношению смеси типа 0,4-0,9 л/кг, при этом в качестве вяжущего используют портландцемент или шлакопортландцемент, полученную смесь перемешивают до гомогенного состояния и укладывают в формы.