Способ иммобилизации радиоактивных отходов

 

Изобретение относится к области атомной техники, а именно к способам подготовки радиоактивных отходов (РАО) к захоронению. Сущность: способ включает приготовление экзотермической смеси, содержащей алюминий, железосодержащий оксид в количестве, обеспечивающем в процессе горения образование расплава на основе железа и полную фиксацию радиоактивных отходов в объеме затвердевшего металла, и до 10 мас.% речного песка. При этом экзотермическую смесь размещают в реакторе над радиоактивными отходами. РАО могут быть как в виде порошка, так и в виде фрагментов размерами, не превышающими внутренних размеров контейнера. Инициирование реакции горения смеси происходит в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. В качестве железосодержащего оксида может быть использована обогащенная железосодержащая руда. В экзотермическую смесь дополнительно может быть введена добавка оксидов из ряда металлов Ti, V, Cr, Co, Ni, Zr, Nb, Мо, Та, W, Re в индивидуальном виде или в составе рудных концентратов в количестве до 30 мас. %. Процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза можно проводить в замкнутом объеме под давлением нейтральных газов до 5 МПа. Технический результат: создание более простого и экологически безопасного способа иммобилизации РАО. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области атомной техники, а именно к способам подготовки радиоактивных отходов (РАО) к захоронению, и может быть использовано на предприятиях, связанных с получением, переработкой и использованием радиоактивных материалов.

Известен способ переработки твердых высокоактивных графитосодержащих отходов, включающий измельчение отходов, введение титана и/или алюминия в качестве энергоносителя, диоксида титана и/или диоксида кремния в качестве оксида карбидообразующего элемента, термическую обработку приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и последующее компактирование продуктов синтеза (Патент РФ N 2065220, кл. G 21 F 9/32, опубл. 10.08.96, Бюл. N 22).

Недостатками способа является то, что он предназначен для утилизации только графитосодержащих отходов, требует предварительного измельчения отходов до высокодисперсного состояния и для его реализации необходимо специализированное оборудование, предназначенное как для проведения синтеза, так и для последующего компактирования полученных продуктов.

Наиболее близким техническим решением является способ обезвреживания РАО переменного состава, включающий приготовление смеси из предварительно кальцинированных РАО, отверждающей добавки, выбранной из ряда оксидов элементов, обладающих высоким сродством к кислороду, энергоносителя, выбранного из ряда металлов, имеющих высокое сродство к кислороду (например, алюминий и/или титан), и твердого окислителя в количестве, обеспечивающем полное окисление энергоносителя, например пероксид кальция и/или бария. В дальнейшем термообработку уплотненной смеси в режиме СВС и последующее ее компактирование проводят в замкнутом реакторе (Патент РФ N 2065216, кл. G 21 F 9/16, опубл. 10.08.96, Бюл. N 22).

Недостатками данного способа является следующее: - приготовляемая экзотермическая смесь является радиоактивной, ее приготовление проводится в "горячей" зоне на специальном оборудовании; - требуется предварительное тонкое измельчение РАО; - процессы СВС и компактирования осуществляются в специально предназначенной для этого установке; - образующийся целевой продукт, содержащий в основном оксиды, имеет низкую теплопроводность, повышенную хрупкость и склонность к растрескиванию.

Задачей изобретения является создание более простого и экологически безопасного способа иммобилизации РАО как в дисперсном виде, так и в виде фрагментов, распределенных в матрице, материал которой обеспечивает эффективный теплоотвод, а также имеет высокую прочность и пластичность.

Решение поставленной задачи достигается тем, что заранее приготовленную экзотермическую смесь, содержащую алюминий и до 10 мас.% речного песка, помещают в контейнер с радиоактивными отходами, и инициируют реакцию горения смеси в режиме СВС, при этом в смесь вводят железосодержащий оксид в количестве, обеспечивающем в процессе горения образование расплава на основе железа и полную фиксацию РАО в объеме затвердевшего металла, причем экзотермическую смесь размещают над РАО, при этом РАО могут быть как в виде порошка, так и в виде фрагментов любой конфигурации, размер которых не превышает внутренних размеров контейнера, где производится иммобилизация. При этом в качестве железосодержащего оксида можно использовать обогащенную железосодержащую руду. Кроме того, в экзотермическую смесь можно дополнительно вводить добавки оксидов из ряда металлов Ti, V, Cr, Со, Ni, Zr, Nb, Mo, Та, Re и W в индивидуальном виде или в составе рудных концентратов в количестве до 30 мас.%, а процесс СВС можно также проводить как в обычных атмосферных условиях, так и в замкнутом объеме под давлением нейтральных газов до 5 МПа с целью улучшения структурных, коррозионностойких и прочностных характеристик получаемого материала.

Состав исходной экзотермической смеси обеспечивает осуществление процесса горения в режиме СВС, то есть без внешних энергетических затрат, за счет внутренней энергии системы, а количество образующегося расплава на основе железа достаточно для полной фиксации РАО в объеме затвердевшего металла. Для инициирования процесса СВС требуется лишь первоначальный локальный поджиг экзотермической смеси. В качестве сырьевых материалов можно использовать оксиды железа или обогащенную железосодержащую руду, а также дисперсный алюминий в виде порошка или стружки. Количество этих компонентов определяется стехиометрическими соотношениями основных реакций СВС: Fe₂O₃+2Al= 2Fe+Al₂О₃ и 3FeO+2Al=3Fe+Al₂O₃.

Для улучшения прочностных и коррозионных характеристик получаемого сплава его легирование можно осуществлять за счет введения в исходную экзотермическую смесь оксидов Ti, V, Cr, Со, Ni, Zr, Nb, Mo, Та, Re и W в индивидуальном виде или в составе рудных концентратов. Суммарное количество добавок по металлу в зависимости от требований, предъявляемых к конечному продукту - слитку с иммобилизированными РАО, может достигать 30 мас.%. С целью улучшения фазоразделения образующегося жидкого металла и шлака с локализацией последнего в верхней части слитка в состав экзотермической смеси вводят до 10 мас.% речного песка. Обычно процесс СВС проводят в атмосферных условиях. Однако при иммобилизации РАО, взаимодействующих с экзотермической смесью с выделением дополнительных больших тепловых эффектов процесс СВС проводят в замкнутом объеме под давлением нейтральных газов до 5 МПа.

Пример 1. В графитовый тигель диаметром 30 мм и высотой 150 мм в качестве модели РАО загружают порошок Zr с размером конгломератов до 1,0 мм таким образом, чтобы высота образующегося слоя достигала 10 мм, а затем сверху оставшуюся часть тигля заполняют экзотермической смесью. В качестве экзотермической смеси используется смесь порошков железосодержащего оксида Fe₂O₃ и алюминиевого порошка марки АКП, взятых в соотношении 3:1, а также вводится добавка речного песка в количестве 7 мас.%. В результате прохождения реакции СВС в течение 1-2 минут получают слиток железа, содержащий включения Zr, над которым располагается слой шлака на основе оксида алюминия. Испытания на сжатие металлических образцов показали, что предел текучести составляет ~180 МПа. Предел прочности полученного материала находится на уровне 200 МПа, пластичность ~20%, а теплопроводность ~ 45 Вт/(м•К) Пример 2. В контейнер из нержавеющей стали диаметром 80 мм и высотой 300 мм в качестве модели РАО загружают фрагменты графита размером до 20 мм таким образом, чтобы высота образующегося слоя достигала приблизительно 90 мм. Сверху контейнер практически полностью заполняют экзотермической смесью, состава: обогащенная до 85 мас.% (по металлу) железохромовая руда, 0,5 мас.% речного песка, 2 мас.% Nb₂O₅ и алюминиевый порошок марки ПА-1 в пропорции к Fe₂O₃ как 1:2,8. В результате прохождения реакции СВС в течение 5-6 минут в контейнере получают слиток конечного продукта, содержащий фрагменты графита. Сверху слиток покрыт слоем шлака на основе Al₂O₃. Предел прочности полученной композиции, содержащей включения графита, составляет 120 МПа, пластичность ~20%, а теплопроводность находится на уровне 30 Вт/(м•К).

Пример 3. В стальной контейнер диаметром 100 мм и высотой 400 мм, помещенный в замкнутый объем, в качестве модели РАО загружают смесь фрагментов графита размером до 20 мм и конструкционной стали размером до 10 мм таким образом, чтобы высота образующегося слоя достигала 80 мм, а затем сверху оставшийся объем контейнера заполняют экзотермической смесью, в качестве которой используют смесь порошков FeO и Al, взятых в соотношении 4:1, с добавкой 1 маc.% речного песка и 3 маc.% МоО₃.

В результате прохождения реакции СВС в замкнутом объеме под давлением азота 5 МПа в течение 9-10 минут образующийся сплав на основе железа полностью заполняет промежутки между фрагментами РАО, причем наиболее мелкие стальные фрагменты расплавляются. В итоге был получен монолитный слиток сплава на основе железа, содержащий фрагменты модели РАО и пониженное по сравнению с атмосферными условиями содержание пор, покрытый слоем шлака в виде плотной стекловидной массы. Предел прочности полученного продукта составил 140 МПа, его пластичность оказалась более 20%, а теплопроводность ~ 35 Вт/(м•К).

Использование в качестве добавки оксидов других металлов, указанных в формуле изобретения, также приводит к улучшению процесса иммобилизации РАО и/или к повышению физических, механических и антикоррозионных свойств конечного продукта.

Таким образом, заявляемый способ переработки радиоактивных отходов позволяет проводить иммобилизацию отходов любой активности и природы, при этом на размер фрагментов накладывают ограничения лишь внутренние размеры контейнера, где проводится их иммобилизация. Способ отличается простотой и значительно удешевляет технологию. Простота и надежность используемого оборудования позволяет широко регулировать объемы производства, значительно повысить производительность процесса и снизить число операций, осуществляемых в "горячей" зоне. Изменяя состав исходной смеси, можно в широких пределах регулировать состав получаемого конечного литого продукта, который характеризуется высокими показателями прочности, пластичности, теплопроводности и коррозионной устойчивости, что в конечном итоге гарантирует надежную иммобилизацию радиоактивных отходов.

Формула изобретения

1. Способ иммобилизации радиоактивных отходов, включающий приготовление экзотермической смеси, содержащей алюминий, размещение ее в контейнере с твердыми радиоактивными отходами, инициирование реакции горения смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, отличающийся тем, что в смесь дополнительно вводят железосодержащий оксид в количестве, обеспечивающем в процессе горения образование расплава на основе железа и полную фиксацию радиоактивных отходов в объеме затвердевшего металла, и до 10 мас.% речного песка, при этом экзотермическую смесь размещают над радиоактивными отходами, которые могут быть как в виде порошка, так и в виде фрагментов, размер которых не превышает внутренних размеров контейнера.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве железосодержащего оксида используют обогащенную железосодержащую руду.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в экзотермическую смесь дополнительно вводят добавку оксидов из ряда металлов Ti, V, Cr, Co, Ni, Zr, Nb, Мо, Та, W, Re в индивидуальном виде или в составе рудных концентратов в количестве до 30 мас.%.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза проводят в замкнутом объеме под давлением нейтральных газов до 5 МПа.