Способ отверждения жидких радиоактивных отходов

 

Способ предназначен для отверждения радиоактивных водных концентратов методом цементирования. Способ заключается в смешивании концентрата жидких радиоактивных отходов, содержащих сульфаты, хлориды и соли жесткости, с глиноземистым цементом и глиной. Массовое соотношение концентрата, цемента и глины составляет 1: (1,11-1,43) : (0,11-0,14) соответственно. Отвержденные продукты обладают высокой прочностью и низкой выщелачиваемостью радиоцезия. 1 табл.

Изобретение относится к области отверждения жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в частности радиоактивных концентратов природных вод методом цементирования.

При эксплуатации атомных станций и других ядерных объектов помимо образования реагентных ЖРО, солевой состав которых представлен в основном нитратами или боратами, происходит загрязнение значительных объемов природных вод, солевой состав которых определяется в основном сульфатами, хлоридами и солями жесткости. При очистке таких вод методами дистилляции, электродиализа или обратного осмоса образуются концентраты, содержание солей в которых обычно не превышает 50 - 75 г/л из-за высоких концентраций солей жесткости, выделяющихся на поверхностях.

Известно, что для отверждения ЖРО с солесодержанием не выше 200 г/л широко применяют портландцемент при растворцементном соотношении, равном 0,6-0,7 [1] . Недостатком этого метода является то, что при отверждении радиоактивных концентратов природных вод, отличающихся высокой жесткостью, препятствующей их глубокому концентрированию, и высоким содержанием хлоридов и сульфатов, снижающих качество отвержденных продуктов, повышенное выщелачивание радионуклидов (более 10^-3 г/см² сут) не удовлетворяет нормативным требованиям для радиоактивных цементных компаундов [2].

Известен способ отверждения ЖРО методом цементирования с применением сорбционных добавок различного вида глин, особенно бентонитового класса [3]. Данный способ по своей технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа. Концентраты ЖРО смешивают с портландцементом, рекомендуемым для отверждения радиоактивных отходов [2] , добавляют глину в количестве 5-15% (предпочтительно 10%) от массы цемента и отверждают во влажной атмосфере в течение 28 сут. При этом выщелачиваемость радионуклидов из отвержденных продуктов удовлетворяет требованиям, предъявляемым для их безопасного захоронения в бетонные могильники (менее 10^-3 г/см² сут) [2].

Недостатком данного способа является сравнительно высокая выщелачиваемость радионуклидов из отвержденных продуктов (более 10^-4 г/см² сут), что не позволяет захоранивать их в простейшие грунтовые могильники [4]. Причем увеличение количества добавляемой глины свыше 15% от массы цемента существенного снижения выщелачивания не достигается, а качество цементных компаундов снижается (уменьшается текучесть (пластичность) цементного теста, что затрудняет его перемешивание, и увеличивается объем захораниваемых отходов).

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в уменьшении выщелачиваемости радионуклидов из отвержденных отходов без снижения качества последних.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе отверждения ЖРО, включающем их смешение с цементом и сорбционной добавкой глины, при отверждении радиоактивных концентратов природных вод, солевой состав которых определяется сульфатами, хлоридами и солями жесткости, используют глиноземистый цемент при массовом соотношении концентрата, цемента и глины равном, 1 : 1,11 - 1,43 : 0,11 - 0,14.

В отличие от портландцемента, основой которого являются силикаты кальция (19-23% SiO₂, 3-7% Al₂O₃, 60-67% CaO, до 3% MgO, до 1% Fe₂O₃), глиноземистый цемент состоит в основном из алюминатов кальция (5-15% SiO₂, 35-50% Al₂O₃, 35-45% CaO и 5-15% Fe₂O₃). Глиноземистый цемент при затворении малосолевыми водами отличается ускоренным твердением, всего 3 сут вместо 28 сут для портландцемента, но при отверждении солевых концентратов природных вод твердение его замедляется и полный набор прочности наступает к 28-м суткам.

Способ осуществляют следующим образом.

1 мас.ч. радиоактивного концентрата природных вод смешивают с 1,11-1,43 мас. ч. глиноземистого цемента и 0,11-0,14 мас.ч. глины, предпочтительно бентонитового класса, до получения однородной массы. Через 28 сут хранения отвержденные продукты набирают водостойкость и прочность, необходимую для их безопасной транспортировки (не менее 5 МПа [2]). Скорость выщелачивания радионуклидов не превышает 1·10^-4 г/см² сут. Коэффициент увеличения объема отходов составляет 1,4-1,5.

По сравнению с известными способами цементирования ЖРО отверждение концентратов природных вод, солесодержание которых определяется сульфатами, хлоридами и солями жесткости, глиноземистым цементом с глиной обеспечивает по сравнению с прототипом, при тех же добавках глины, снижение выщелачиваемости на порядок, что не следует явным образом из уровня техники (в прототипе указывается, что выщелачиваемость не зависит от вида цемента и степени наполнения компаунда, а только от количества глины [3]) т.е. соответствует критерию изобретательского уровня.

Пример 1 (аналог). 100 г концентрата природных вод, содержащего 8 г/л сульфатов, 15 г/л хлоридов, 20 г/л гидрокарбонатов, 0,5 г/л нитратов, 6 г/л кальция, 1,5 г/л магния, 7 г/л натрия и 2 г/л железа, смешивали с 143 г портландцемента марки 400 (ГОСТ 101178 -76) до получения однородной массы. Через 28 сут хранения во влажной атмосфере отвержденные продукты испытывали на прочность (по ГОСТ 310.4-81) и выщелачиваемость радионуклидов (по ГОСТ 29114-91). Результаты представлены в таблице.

Пример 2 (прототип). Отличается от примера 1 тем, что к смеси добавляли 14 г кембрийской глины Ленинградской области (ТУ 40108 444-80).

Пример 3. Отличается от примера 2 тем, что вместо портландцемента использовали глиноземистый цемент марки 400 (ГОСТ 969- 77).

Примеры 4 - 7. Отличаются от примера 3 соотношением компонентов смеси.

Пример 8. Отличается от примера 3 тем, что концентрат содержал 0,04 г/л сульфатов, 0,07 г/л хлоридов, 0,10 г/л гидрокарбонатов, 0,002 г/л нитратов, 0,03 г/л кальция, 0,007 г/л магния, 0,04 г/л натрия, 0,02 г/л калия и 0,01 г/л железа (исходная природная вода).

Пример 9. Отличается от примера 3 тем, что концентрат содержал 24 г/л сульфатов, 45 г/л хлоридов, 60 г/л гидрокарбонатов, 1,5 г/л нитратов, 18 г/л кальция, 4,5 г/л магния, 21 г/л натрия, 15 г/л калия и 6 г/л железа.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что при соотношении концентрат : глиноземистый цемент : глина свыше 1:1,43:0,14 объем отходов при отверждении увеличивается более, чем в 1,5 раза без существенного снижения выщелачиваемости (пример 7), а менее 1:1,11:0,11 выщелачиваемость превышает 1·10^-4 г/см² сут, а прочность составляет менее 5 МПа (пример 6).

Необходимым и достаточным для достижения поставленной задачи является смешение концентрата природных вод с глиноземистым цементом и глиной в соотношении 1:1,11-1,43:0,11-0,14 (примеры 3-5), что обеспечивает при сохранении достаточной прочности (более 5 МПа) и коэффициента увеличения объема не более 1,5 снижение выщелачиваемости радионуклидов по сравнению с прототипом на порядок, при этом требуемые параметры сохраняются в диапазоне концентрации от исходной природной воды до 195 г/л (примеры 7 и 8), тогда как цементирование допускается для отверждения ЖРО с солесодержанием не более 200 г/л [5].

Данный способ может осуществляться на том же оборудовании, что и при отверждении ЖРО портландцементом, а глиноземистый цемент является строительным материалом, выпускаемым в промышленных масштабах, т. е. способ является промышленно применимым. Снижение выщелачиваемости на порядок повышает экологическую безопасность отвержденных отходов, а скорость выщелачивания ниже 1·10^-4 г/см² сут позволяет захоранивать их в простейшие грунтовые могильники, что значительно снижает затраты на хранение отходов.

Источники информации: 1. Соболев И.А. и др. Практика производственного цементирования жидких радиоактивных отходов на экспериментальной установке.- Сб. докладов научно-технической конференции специалистов стран СЭВ. Исследования в области обработки и захоронения радиоактивных отходов, ГДР, 1967, М., 1968, с. 306-315.

2. Качество компаундов, образующихся при цементировании жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности. Технические требования. -РД 95 10497-93, М., Минатом РФ, 1993.

3. Быховская Т.А. м др. Влияние добавки глины на свойства цементных компаундов, используемых для локализации радиоактивных отходов.- Атомная энергия, 1995, т. 79, вып. 1, с. 23-26.

4. Баженов Ю. М. и др. Условия безопасности при хранении радиоактивных цементов. -Изотопы в СССР, 1970, т. 17, с. 17-22.

5. Санитарные правила обращения с радиоактивными отходами (СПОРО-85) - М., Минздрав СССР, 1986.

Формула изобретения

Способ отверждения жидких радиоактивных отходов, включающий их смешение с цементом и сорбционной добавкой глины, отличающийся тем, что при отверждении радиоактивных концентратов природных вод, солевой состав которых определяется сульфатами, хлоридами и солями жесткости, используют глиноземистый цемент при массовом соотношении концентрата, цемента и глины, равном 1:1,11 - 1,43:0,11 - 0,14.

РИСУНКИ

Рисунок 1