Композиция на основе природных и искусственных алюмосиликатных материалов для отверждения жидких низко- и среднеактивных отходов с высокой концентрацией солей натрия, содержащих радиоцезий

 

Изобретение относится к переработке жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, в частности к отверждению отходов путем их включения в искусственные минералоподобные формы, пригодные для последующего безопасного хранения. Сущность изобретения состоит в композиции на основе искусственных и природных алюмосиликатных материалов следующего состава, мас.%: доменного шлака - от 80 до 82%, бентонита - от 12 до 16%, каолина - от 2 до 6%. Технология получения и использования композиции в процессе отверждения ЖРО заключается в следующем: размол сухих компонентов композиции, перемешивание сухих компонентов композиции, затворение композиции среднеактивными отходами (содержание NaOH в отходах необходимо довести до концентрации 80 - 100 г/л), заливка смеси в бочки, контейнеры, отсеки и т.п. , твердение и набор прочности в течение 28 суток. Заявленная композиция обеспечивает возможность получения твердой монолитной матрицы с низкой скоростью выщелачивания цезия не выше 4,0·10^-4 г/см²·сут и высокой механической прочностью сжатия. 1 табл.

Изобретение относится к переработке жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности, в частности, к отверждению отходов путем из включения в искусственные минералоподобные формы, пригодные для последующего безопасного хранения.

На предприятиях атомной промышленности образуются среднеактивные отходы, характеризующиеся высокой концентрацией нитрата и других солей натрия (после упарки) и экологической опасностью, обусловленной, в частности, присутствием в отходах радиоизотопа Cs-137. Поэтому существует необходимость в разработке твердой матрицы для локализации отходов, удовлетворяющей требованиям по выщелачиванию радиоактивных компонентов, механической прочностью, пожаробезопасности, простоте и надежности технологии.

Известны алюмосиликатные глины (каолин, бентонит), используемые в процессе переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО), содержащих нитрат натрия, карбонат натрия, гидроксид натрия и радиоцезий. Отходы смешиваются с одной из указанных глин в заданном соотношении и подвергаются термообработке в интервалах от 30 до 100^oC и далее до 600^oC и выше в течение 4 часов и более. При этом синтезируется порошок, содержащий искусственные минералы типа канкринита и нефелина, ответственные за фиксацию радиоцезия. Скорость выщелачивания радиоцезия после 32 дней твердения изменяется от 3,3 · 10^-2 до 7,8 · 10^-6 г/см²·сут. Для формирования монолитного блока требуется дополнительная обработка.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата относят то, что в известной композиции после затворения ее отходами требуется термообработка с последующими стадиями для формирования из порошка монолитного компаунда. Наиболее близкой к заявляемому изобретению композицией того же назначения является композиция на основе природных и искусственных алюмосиликатных материалов для отверждения ЖРО, содержащих NaNO₃ в концентрации до 450 г/л и радиоцезий, состоящая из 90% портландцемента и 10% глины (каолин или бентонит). После затворения этой композиции отходами, полученная смесь подвергается термообработке при температуре от 150 до 1280^oC в течение времени от 5 до 30 часов. При этом достигается скорость выщелачивания радиоактивного продукта 1 · 10^-6 г/см² · сут (FR 2394155A, G 21 F 9/16, 1979).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относят то, что при использовании композиции, принятой за прототип, после ее затворения, полученная смесь подвергается термообработке при температуре 150 до 1280^oC.

Существующие способы отверждения указанного типа отходов с помощью неорганических вяжущих имеют существенные недостатки. При отверждении с помощью портландцемента, шлакопортландцемента и металлургического шлама полученный компаунд характеризуется высокой скоростью выщелачивания радионуклидов, таких как цезий и стронций и относительно невысокой степенью наполнения по солям, содержащихся в отходах.

При отверждении отходов с использованием таких веществ, как алюмосиликатные глины (бентонит, каолин), природные цеолиты, необходимыми стадиями являются термообработка с предварительным формованием (прессованием).

Задачей настоящего изобретения является создание композиции для осуществления процесса отверждения жидких низко- и среднеактивных отходов с высокой концентрацией нитрата натрия, содержащих радиоцезий, по технологии тривиального цементирования при соблюдении высоких требований к выщелачиванию радиоцезия и механической прочности компаунда.

Для решения поставленной задачи для достижения следующего технического результата - простота технологии, высокая механическая прочность сформированного монолита - предложена композиция на основе искусственных и природных алюмосиликатных материалов следующего состава, мас.%: Доменный шлак - 80 - 82 Бентонит - 12 - 16 Каолин - 2 - 6 Технология получения и использования композиции в процессе отверждения ЖРО заключается в следующем: - размол сухих компонентов композиции; - перемешивание сухих компонентов композиции; - затворение композиции среднеактивными отходами (содержание NaOH в отходах необходимо довести до концентрации 80-100 г/л); - заливка смеси в бочки, контейнеры, отсеки и т.п.; - твердение и набор прочности в течение 28 суток.

Стадии формования, прессования, термообработки исключены.

Заявляемое решение соответствует критерию существенного отличия, поскольку композиции, обеспечивающие возможность получения твердых монолитных алюмосиликатных матриц, изготовленных без применения нагрева и прессования, обладающих достаточно низкой скоростью выщелачивания радиоактивного цезия на первые сутки - не выше 4 · 10^-4 г/см²·сут и прочностью сжатия выше 100 кгс/см² в научно-технической и патентной литературе неизвестны.

Примеры: Сухие компоненты композиции перемешивали до получения однородного порошка, а затем при заданном соотношении смешивали с имитатором САО, содержащим нитрат натрия концентрацией 360 г/л и гидроксид натрия концентрацией 100 г/л, а также раствор нитрата цезия-137. Раствороцементное отношение равнялось 0,4. Гамма-активность раствора 2.0·10⁶ Бк/л. После 28 суток твердения полученных образцов в воздушно-влажной среде проводились испытания по определению скорости выщелачивания цезия.

В таблице приведены примеры характерных составов композиции и результаты испытаний методом длительного выщелачивания.

В таблице также приведены составы (1-4), выходящие за рамки формулы изобретения, но объясняющие выбранные пределы концентраций компонентов.

Таким образом, заявляемая композиция, как видно из таблицы, обеспечивает возможность получения твердой монолитной матрицы с низкой скоростью выщелачивания цезия и высокой механической прочностью сжатия, что удовлетворяет требованиям соответствующих стандартов.

Формула изобретения

Композиция на основе природных и искусственных алюмосиликатных материалов для отверждения жидких низко- и среднеактивных отходов с высокой концентрацией нитрата натрия, содержащих радиоцезий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит доменный шлак, а в качестве алюмосиликатных материалов используют бентонит и каолин при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Доменный шлак - 80 - 82
Бентонит - 12 - 16
Каолин - 2 - 6о

РИСУНКИ

Рисунок 1