Способ обработки жидких радиоактивных отходов

 

Область использования: атомная энергетика, а именно способы обработки жидких радиоактивных отходов, преимущественно низкого и среднего уровней активности. Сущность изобретения: отходы выпаривают, смешивают их с серой и раствором жидкого натриевого стекла, массовые доли которых в смеси составляют соответственно 15-20 и 3-8 %. Смесь формуют путем прессования. Полученный компаунд подвергают термообработке при 130-140 ^oС в ванне с расплавом серы и капсулируют гиброфобизующей смесью канифоли, парафина и энергетического шлака, которая застывая, образует защитный слой. Полученный монолитный блок обладает высокой прочностью и водонепроницаемостью. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к атомной энергетике, а именно к способам обработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), преимущественно низкого и среднего уровней активности, которые образуются на атомных электростанциях (АЭС) и предприятиях, связанных с переработкой делящихся материалов.

При эксплуатации АЭС одной из главных задач является значительное уменьшение объемов (концентрирование) радиоактивных отходов, а также перевод их в форму, удобную для надежного длительного хранения (500-1000 лет). Для этого их концентрируют путем выпаривания, сушки и включают в различные связующие (цемент, термопластичные органические связующие, стекло). Радиоактивные отходы в твердой форме занимают меньший объем и их значительно проще, дешевле и безопаснее хранить.

Известен способ обработки ЖРО, включающий концентрирование отходов и отверждение их с помощью цемента [1] При этом способе обработки ЖРО объем концентратов за счет цемента увеличивается в 1,5-2 раза. Цементные блоки необходимо хранить в специальных могильниках, не допускающих контакта с водой, так как скорость выщелачивания радионуклидов из цементных блоков достаточно высока, примерно 10^-2-10^-3 г/см²˙сут. Кроме того, прочность на сжатие цементных блоков составляет 2-8 МПа.

Известен также способ обработки ЖРО на АЭС, включающий концентрирование отходов и смешение их с термопластичным органическим связующим, например битумам [2] Битумные монолитные блоки включают до 40% радиоактивных солей, надежнее фиксируют в себе радионуклиды и могут храниться длительное время в любых хранилищах твердых отходов. Скорость выщелачивания радионуклидов из битумных блоков составляет 10^-4-10^-5 г/см²˙сут.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обработки ЖРО, включающий выпаривание отходов до остаточной влажности 40-80% смешение их с глинистым материалом, содержащим незначительное количество цемента, в весовом соотношении 1:1-2:1, формование смеси, термообработку при 20-150^оС и капсулирование монолитного блока (компаунда) керамическим или металлическим защитным слоем [3] Известный способ позволяет фиксировать в отвержденном компаунде до 50% радиоактивный солей. При этом скорость выщелачивания из такого компаунда составляет примерно 10^-6 г/см²˙сут.

Цель увеличение степени наполнения компаунда, повышение его водоустойчивости и прочности.

Цель достигается тем, что ЖРО выпариваются до остаточной влажности 60-90% Затем их смешивают со связующим, в качестве которого используют серу и раствор жидкого натриевого стекла, массовая доля которых в смеси составляет соответственно 15-20 и 3-8% Далее смесь формуют путем прессования давлением не менее 5 МПа. Данный выбор определен требованиями на прочность компаунда и стандартами МАГАТЕ.

Прессованный цилиндрический компаунд подвергают термообработке при 130-140^оС в ванне с расплавом серы в течение 20-40 мин. Температурный режим определяется температурой плавления серы. Время термообработки зависит от величины компаунда. В начальный момент компаунд имеет большую плотность, чем плотность расплава серы. Но в течение 20-40 мин пребывания в ванне за счет интенсивного испарения внутренней влаги в компаунде и связанного с этим удаления части серы из него плотность последнего уменьшается, он всплывает. Характерно, что линейные размеры компаунда остаются неизменными, что достигается высокой скоростью полимеризации жидкого стекла, что гарантирует целостность структуры отвержденного компаунда.

Всплывший компаунд извлекается из расплава и покрывается защитным слоем из гидрофобизующей смеси канифоли, парафина и энергетического шлака.

Для этого используют цилиндрическую фторопластовую форму, диаметр которой превышает диаметр компаунда на 0,5-2 см. Предварительно дно формы покрывают гидрофобизующей смесью на величину 0,25-1 см. Горячий отвержденный компаунд помещают во фторопластовую форму. Гидрофобизующую смесь готовят следующим образом: расплавляют 1-3 мас.ч. канифоли, добавляют столько же парафина и в расплав при постоянном перемешивании подают 10-14 мас.ч. энергетического шлака гранулометрическим составом менее 0,1 мм. Затем эту смесь заливают во фторопластовую форму с компаундом.

Либо в тех же массовых частях приготовленную сухим способом (простым смешением компонентов) смесь засыпают в форму между ее стенкой и горячим компаундом, от которого гидрофобизующая смесь расплавляется непосредственно на его поверхности и, застывая, образует защитный слой. После остывания компаунд извлекают из формы.

П р и м е р 1. В качестве имитатора ЖРО используют раствор NaNO₃ концентрацией 40 г/л (раствор 1). Раствор выпаривают до остаточной влажности 60-90% Затем его смешивают в сосуде с серой до однородной массы. Потом в тот же сосуд при непрерывном перемешивании подают раствор жидкого натриевого стекла. Массовые доли серы и стекла в смеси составляют соответственно 15 и 3% Далее смесь подвергают прессованию в цилиндрической матрице давлением 5 МПа. Прессованный цилиндрический компаунд подвергают термообработке при 130^оС в ванне с расплавом серы в течение 40 мин. В начальный момент компаунд, имеющий большую плотность, чем плотность расплава серы, погружается в расплав. Но в течение 40 мин пребывания в ванне за счет интенсивного испарения внутренней влаги в компаунде и связанного с этим удаления части серы из него плотность последнего уменьшается, он всплывает. Всплывший компаунд извлекают из расплава и капсулируют гидрофобизующей смесью канифоли, парафина и энергетического шлака, которую готовят следующим образом: расплавляют 1 мас. ч. канифоли, добавляют столько же парафина и в расплав при постоянном перемешивании подают 10 мас.ч. энергетического шлака гранулометрическим составом менее 0,1 мм. Этой смесью покрывают дно цилиндрической фторопластовой формы на величину 0,5 см. Горячий отвержденный компаунд помещают во фторопластовую форму, диаметр которой на 1 см превышает диаметр компаунда. Затем эту смесь заливают во фторопластовую форму с компаундом. Смесь, застывая, образует защитный слой. После остывания компаунд извлекают из формы. Опыты с другими соотношениями серы, раствора жидкого натриевого стекла и гидрофобизующей смеси проводились аналогично, а их результаты приведены соответственно в табл. 1 и 2.

П р и м е р 2. В качестве имитатора ЖРО используют раствор (раствор 2), содержащий в своем составе, г/л: NaNO₃ 40 Na₂CO₃ 6,8 NaF 4,5 Fe(NО₃)₃ 0,6 Al(NO₃)₃ 0,6 Na₂C₂O₄ 7,0 Органические вещества 0,6 Раствор выпаривают до остаточной влажности 60-90% Затем его смешивают в сосуде с серой до однородной массы. Потом в тот же сосуд при непрерывном перемешивании подают раствор жидкого натриевого стекла. Массовые доли серы и стекла в смеси составляют соответственно 20 и 8% Далее смесь подвергают прессованию в цилиндрической матрице давлением 5 МПа. Прессованный цилиндрический компаунд подвергают термообработке при 140^оС в ванне с расплавом серы в течение 20 мин. В начальный момент компаунд, имеющий большую плотность, чем плотность расплава серы, погружается в расплав. Но в течение 20 мин пребывания в ванне за счет интенсивного испарения внутренней влаги в компаунде и связанного с этим удаления части серы из него плотность последнего уменьшается, он всплывает. Всплывший компаунд извлекают из раствора и капсулируют гидрофобизующей смесью канифоли, парафина и энергетического шлака, которую готовят следующим образом: 3 мас.ч. канифоли, столько же парафина и 14 мас. ч. энергетического шлака гранулометрическим составом менее 0,1 мм перемешивают сухим способом. Этой смесью покрывают дно цилиндрической фторопластовой формы на величину 0,5 см. Горячий отвержденный компаунд помещают во фторопластовую форму, диаметр которой на 1 см превышает диаметр компаунда. Затем эту смесь засыпают в форму между ее стенкой и горячим компаундом, от которого смесь расплавляется непосредственно на его поверхности и, застывая, образует защитный слой. После остывания компаунд извлекают из формы. Опыты с другим соотношениями серы, раствора жидкого натриевого стекла и гидрофобизующей смеси проводились аналогично, а их результаты приведены соответственно в табл. 1 и 2.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ, включающий выпаривание отходов, смешение их со связующим, формование смеси, термообработку компаунда при 130 140^oС и его капсулирование защитным слоем, отличающийся тем, что в качестве связующего используют серу и раствор жидкого натриевого стекла, массовые доли которых в смеси составляют соответственно 15 20% и 3 8% смесь формуют путем прессования, термообработку компаунда осуществляют в ванне с расплавом серы, а защитный слой выполняют из гидрофобизующей смеси канифоли, парафина и энергетического шлака.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в гидрофобизующей смеси канифоль, парафин и энергетический шлак используют в соотношении (мас.ч.) 1 - 3 1 3 10 14.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что термообработку компаунда ведут в течение 20 40 мин.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2