Способ термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов

 

Изобретение относится к охране окружающей среды и предназначено для переработки твердых радиоактивных отходов путем их фиксации в устойчивой твердой среде. Сущность изобретения: твердые золосодержащие радиоактивные отходы смешивают с порошкообразными перманганатом калия, алюминием, силикокальцием и бором. Полученную смесь засыпают в контейнер и поджигают, инициируя экзотермическую реакцию между компонентами смеси, в процессе которой достигается подъем температуры, обеспечивающий перевод смеси в стеклообразный расплав. Затем расплав охлаждают за счет естественного падения температуры до образования твердого конечного продукта. Преимуществами заявленного способа являются расширение области его применения, повышение качества твердого конечного продукта и расширение интервала массового содержания твердых золосодержащих радиоактивных отходов в твердом конечном продукте.

Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к области переработки твердых радиоактивных отходов путем их фиксации в устойчивой твердой среде. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован при термической переработке твердых золосодержащих радиоактивных отходов, содержащих золу от сжигания горючих радиоактивных отходов, грунты, природные отработанные сорбенты [1], а также различные металлические отходы (конструкционные металлы и их сплавы).

Известен способ термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов (золы, образующейся при сжигании горючих радиоактивных отходов, стекла, грунтов, металлических примесей) [2], включающий их нагрев плазменной струей топливно-плазменного реактора до образования расплава и его последующее охлаждение до получения твердого конечного продукта, пригодного для долгосрочного хранения.

Недостатками известного способа являются: - его неэкономичность, связанная с необходимостью подвода энергии извне; - его повышенная продолжительность, обусловленная повышенной продолжительностью операции плавления, вследствие того что подвод тепла к твердым золосодержащим радиоактивным отходам осуществляется только через их внешнюю поверхность.

Известен способ термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов (золы, образующейся при сжигании горючих радиоактивных отходов, а также ее смесей с кальцинатами жидких радиоактивных отходов) [3], включающий смешение твердых золосодержащих радиоактивных отходов с тепловой основой, состоящей из силикокальция, свинцового сурика и стеклообразователя, загрузку полученной смеси в стальной контейнер, размещение стального контейнера внутри сетчатого кожуха, засыпку пространства между стальным контейнером и сетчатым кожухом порошкообразным малогазовым составом контактного нагрева, поджиг тепловой основы и порошкообразного малогазового состава контактного нагрева, в процессе которого достигается подъем температуры, обеспечивающий перевод твердых золосодержащих радиоактивных отходов и продуктов экзотермической реакции в стеклообразный расплав, который затем охлаждают за счет естественного падения температуры до образования твердого конечного продукта.

Недостатками известного способа являются: - пониженное содержание (20-35 вес.%) твердых золосодержащих радиоактивных отходов в твердом конечном продукте; - ограниченная область применения, обусловленная тем, что известный способ непригоден для термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов, в состав которых входят зола от сжигания горючих радиоактивных отходов, грунты, природные отработанные сорбенты, используемые в атомной технике, а также различные металлические отходы, в силу того, что выделяющегося при реализации известного способа тепла будет недостаточно для их расплавления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ термической переработки (остекловывания) радиоактивного зольного остатка [4], включающий смешение радиоактивного зольного остатка, (относящегося к классу твердых радиоактивных отходов) с порошкообразными перманганатом калия, алюминием и силикокальцием при следующем соотношении компонентов, мас.%: Радиоактивный зольный остаток - 50-56 Перманганат калия - 20-22 Алюминий - 4-6 Силикокальций - 18-22 Полученную смесь засыпают в контейнер и поджигают, инициируя экзотермическую реакцию между компонентами смеси, в процессе которой достигается подъем температуры, обеспечивающий перевод радиоактивного зольного остатка и продуктов экзотермической реакции в стеклообразный расплав, который затем охлаждают за счет естественного падения температуры до образования твердого монолитного конечного продукта. Перевод вышеуказанной смеси в стеклообразный расплав осуществляется за счет ее нагрева, обеспечиваемого прохождением экзотермической реакции между силикокальцием, алюминием и перманганатом калия. Экзотермическая реакция характеризуется высоким тепловым эффектом, проходит в режиме горения и обеспечивает подъем температуры в волне горения до 1700^oC.

Поскольку при сжигании горючих радиоактивных отходов всегда имеет место их химический недожог [5], продукт их сжигания (зольный остаток) не представляет собой чистую золу и всегда содержит ошлакованные несгоревшие компоненты [6] , что позволяет отнести радиоактивный зольный остаток к категории твердых золосодержащих радиоактивных отходов.

Недостатками известного способа являются:
- его ограниченная область применения, обусловленная невозможностью использования известного способа для термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов, в состав которых помимо золы от сжигания горючих радиоактивных отходов входят грунты, природные отработанные сорбенты, а также металлические отходы, вследствие того что тепла, выделяющегося в процессе экзотермической реакции в известном способе, будет недостаточно для их плавления;
- пониженное качество твердого конечного продукта, обусловленное его повышенной пористостью;
- пониженный возможный интервал массового содержания твердых золосодержащих радиоактивных отходов в твердом конечном продукте.

Преимуществами заявляемого способа являются расширение области его применения, повышение качества твердого конечного продукта, а также расширение интервала массового содержания твердых золосодержащих радиоактивных отходов в твердом конечном продукте.

Указанные преимущества обеспечиваются за счет того, что заявляемый способ включает смешение твердых золосодержащих радиоактивных отходов (содержащих золу от сжигания горючих радиоактивных отходов, грунты, природные отработанные сорбенты, используемые в атомной технике, а также различные металлические отходы) с порошкообразными перманганатом калия, алюминием, силикокальцием и бором при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Твердые золосодержащие радиоактивные отходы - 40-56
Перманганат калия - 25-30
Алюминий - 4-8
Силикокальций - 14-22
Бор - 1-3,
после чего полученную смесь засыпают в контейнер и поджигают, инициируя экзотермическую реакцию между компонентами смеси, в процессе которой достигается подъем температуры, обеспечивающий перевод твердых золосодержащих радиоактивных отходов и продуктов экзотермической реакции в стеклообразный расплав (содержащий металлические включения), который затем охлаждают за счет естественного падения температуры до образования твердого конечного продукта. Перевод вышеуказанной смеси в стеклообразный расплав (содержащий металлические включения) осуществляется за счет ее нагрева, обеспечиваемого теплом экзотермической реакции между силикокальцием, алюминием, бором и перманганатом калия. Экзотермическая реакция характеризуется высоким тепловым эффектом, проходит в режиме горения и обеспечивает подъем температуры в волне горения до 1800^oC.

Использование силикокальция обусловлено тем, что он способен образовывать с Al, Mg и Si - составляющими компонентами твердых зольных радиоактивных отходов - алюмосиликаты типа Ca(Al₂Si₂), CaMgSi₂O₆, Ca₃(Si₃O₉), которые легко плавятся и хорошо совместимы со стеклофазой. Снижение содержания силикокальция менее 14 мас.% приведет к снижению теплового эффекта экзотермической реакции и не обеспечит плавления твердых золосодержащих радиоактивных отходов, что вызовет снижение качества твердого конечного продукта. Повышение содержания силикокальция сверх 22 мас.% приведет к неполному участию его в процессе и получению твердого конечного продукта, не пригодного для долгосрочного хранения.

Использование алюминия и бора, являющихся восстановителями, обусловлено выделением большого количества тепла при их окислении и необходимо для перевода всех компонентов смеси в расплавленное состояние, причем в случае отсутствия бора в составе смеси будет иметь место частичное ее плавление (только зольной фазы) без расплавления присутствующих в твердых золосодержащих радиоактивных отходах грунтов, природных отработанных сорбентов, фильтрующих материалов и металлических примесей.

При содержании алюминия менее 4 мас.%, а бора менеe 1 мас.%, выделяющегося тепла будет недостаточно для полного расплавления всех компонентов смеси, а при содержания алюминия более 8 мас.%, а бора более 3 мас.% заявляемый способ будет невозможно реализовать из-за взрывного характера течения экзотермической реакции.

Помимо дополнительного количества тепла, обеспечиваемого участием в экзотермической реакции бора, он также еще и снижает вязкость образующегося расплава, что позволяет получить плотный, монолитный, беспористый твердый конечный продукт более высокого качества, чем аналогичный твердый конечный продукт, получаемый согласно способу наиболее близкого аналога.

Являющийся окислителем перманганат калия обеспечивает экзотермическое окисление алюминия и бора, причем при его содержании в смеси менее 25 мас.% выделяющегося количества тепла будет недостаточно для полного расплавления ее компонентов, а при содержании более 30 мас.% существенно повысится тепловыделение, что приведет к повышению рабочей температуры процесса и выбросу продуктов экзотермической реакции вместе с радионуклидами в окружающую среду.

Использование перманганата калия, алюминия, силикокальция и бора в указанных количествах для термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов позволяет также расширить величину возможного интервала массового содержания вышеуказанных твердых золосодержащих радиоактивных отходов в твердом конечном продукте с 6 мас.% (как в способе наиболее близкого аналога) до 16 мас.% (как в заявляемом способе).

Отличительными признаками заявляемого способа является то, что смесь дополнительно содержит порошкообразный бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Твердые золосодержащие радиоактивные отходы - 40-56
Перманганат калия - 25-30
Алюминий - 4-8
Силикокальций - 14-22
Бор - 1-3
Способ реализуют следующим образом.

В стальной контейнер загружают 10 кг смеси состава, мас.%: силикокальций - 18,5, Al - 7, B - 2, KMnO₄ - 27,5, твердые золосодержащие радиоактивные отходы - 45, после чего смесь поджигают с помощью огнепроводящего шнура или электрического разряда, инициируя в ней экзотермическую окислительно-восстановительную реакцию. После окончания процесса стальной контейнер охлаждают за счет естественного падения температуры до образования твердого конечного продукта.

Предлагаемый способ, с применением в качестве энерговыделяющих реагентов силикокальция, перманганата калия, алюминия и бора позволяет получить монолитный продукт, структура которого представлена преимущественно аморфной стеклофазой с металлическими и кристаллическими включениями.

В результате испытаний было установлено следующее:
- в заявляемом способе возможна термическая переработка твердых золосодержащих радиоактивных отходов, содержащих золу от сжигания горючих радиоактивных отходов, грунты, природные отработанные сорбенты, используемые в атомной технике, а также различные металлические отходы (конструкционные металлы и их сплавы), причем максимальный интервал возможного содержания вышеуказанных отходов в твердом конечном продукте (по сравнению со способом наиболее близкого аналога) может быть увеличен с 6 до 16 мас.%;
- твердый конечный продукт (в отличие от твердого конечного продукта способа-наиболее близкого аналога) представляет собой практически беспористую твердую массу, причем по своей водоустойчивости (являющейся одним из важнейших показателей, определяющих пригодность для длительного хранения конечного продукта [7] ) он не уступает твердому конечному продукту, полученному в способе наиболее близкого аналога (водоустойчивости твердых конечного продукта наиболее близкого аналога и конечного продукта заявляемого способа по Cs-137 составляют 10^-6-10^-7 г/см² в сутки, а Pu-239 - 10^-7-10^-8 г/см² в сутки);
- заявляемый способ может быть реализован в промышленных условиях, что позволяет сделать вывод о его применимости.

Список литературы
1. Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И., Обезвреживание жидких радиоактивных отхoдов.- М.: Энергоатомиздат, 1985.

2. Патент РФ N 2123214, МПК6: G 21 F 9/28, 9/32, оп. 10.12.98. Бюл 34.

3. Патент РФ N 2108633, МПК6: G 21 F 9/16, оп. 10.04.98. Бюл. N 10.

4. Патент РФ N 2124770, МПК6: G 21 F 9/28, 9/30, 9/16, оп. 10.01.99. Бюл. N 1.

5. Ефимов А.Н., Канторович Б.В., Коробова М.Н., Пречистенский С.А., Финягин А.П., Шахов Е.А. Сжигание радиоактивных отходов; Сборник докладов конференции специалистов стран-членов СЭВ по проблеме обезвреживания радиоактивных отходов, СЭВ, Постоянная комиссия по использованию атомной энергии в мирных целях, М., 1965, с. 325-337.

6. Патент РФ N 2097855, МПК6: G 21 F 9/32, оп. 27.11.97. Бюл. N 33.

7. Hespe E. D. Leach Testing of Immobilized Radioactive Waste Solides, Atomic Energy Review, 9, N 1, 195-207 (1971).

Формула изобретения

Способ термической переработки твердых золосодержащих радиоактивных отходов, включающий приготовление смеси, состоящей из твердых золосодержащих радиоактивных отходов, порошкообразных перманганата калия, алюминия и силикокальция, засыпку полученной смеси в контейнер, ее поджиг и охлаждение вместе с контейнером за счет естественного падения температуры до образования твердого конечного продукта, отличающийся тем, что смесь дополнительно содержит порошкообразный бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Твердые золосодержащие радиоактивные отходы - 40 - 56
Перманганат калия - 25 - 30
Алюминий - 4 - 8
Силикокальций - 14 - 22
Бор - 1 - 3