Способ переработки гетерогенных радиоактивных отходов

 

изобретение относится к области переработки гетерогенных радиоактивных отходов, а именно к переработке радиоактивных ионообменных смол и угольных сорбентов, и может быть использовано при переработке их на атомных электростанциях (АЭС) и других предприятиях ядерной энергетики. В способе переработки гетерогенных радиоактивных отходов путем смешивания их с неорганическим связующим и затворяющей жидкостью, предложено из гетерогенных отходов в процессе измельчения удалять часть поглощенной воды и использовать ее в качестве затворяющей. В качестве гетерогенных отходов перерабатываются ионообменные смолы или угольные сорбенты. Гетерогенные отходы перед отверждением измельчают до размера частиц 10-300 мкм. Ионообменные смолы измельчают с помощью вихревых измельчителей, а угольные сорбенты измельчают с использованием конусных или других аналогичных измельчителей. Технический результат: способ позволяет получить реальный экономический эффект, выражающийся в увеличении включения отходов в цементный компаунд и снижении затрат на переработку жидких радиоактивных гетерогенных отходов. 4 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области переработки гетерогенных радиоактивных отходов, а именно к переработке радиоактивных ионообменных смол и угольных сорбентов, и может быть использовано при переработке их на атомных электростанциях (АЭС) и других предприятиях ядерной энергетики.

На АЭС функционируют многочисленные системы спецхимводоочистки, направленные на очистку контурной воды, воды охлаждения систем управления зашитой, охлаждения бассейнов выдержки облученного топлива, конденсата, трапной водоочистки и т.д. Многие из них основаны на использовании ионообменных фильтров для очистки от солей и радионуклидов и угольных фильтров для очистки от масел и поверхностно-активных веществ. Периодически проводят замену отработанных ионообменных смол и угольных сорбентов на свежие. Отработанные ионообменные смолы и угольные сорбенты подлежат утилизации. Для этого их требуется перерабатывать и хранить в форме, пригодной для извлечения из временных хранилищ и транспортирования в долговременные хранилища. Наибольшее распространение получил метод цементирования с использованием различных неорганических связующих и загрузкой компаунда в контейнеры. При этом большое значение имеет степень наполнения цементного компаунда радиоактивными отходами, так как она напрямую связана с объемом отвержденного продукта. Чем выше степень наполнения, тем меньше объем отвержденного продукта и тем экономичнее процесс переработки. Однако высокое наполнение цементного компаунда отходами приводит к снижению прочностных характеристик. По существующим в России правилам требуется, чтобы предел прочности на сжатие был не менее 50 кг/см². Известен способ цементирования гетерогенных (пульпы) отходов, например, отработанных ионообменных смол. При цементировании учитывают их специфику, а именно склонность к набуханию, и держат повышенное водоцементное отношение при степени включения около 10% по массе (с влажностью 40-50%). Указывается, что лучшие показатели отвержденного продукта получаются при использовании быстротвердеющих марок цемента [1]. Основным недостатком способа является низкая степень включения отходов, 5-6% по сухим смолам, обусловленная недостаточными прочностными характеристиками компаунда. Это приводит к увеличению объема отвержденного продукта и нерациональному использованию полезного объема хранилищ.

Наиболее близким, по заявляемой сущности, аналогом является способ переработки жидких радиоактивных отходов, по которому радиоактивные пульпы смешивают с неорганическим связующим на основе измельченного доменного шлака, цемента и глины и затворяющей жидкостью на основе водного раствора щелочи и жидкого стекла [2]. Здесь измельченный доменный шлак, цемент, щелочь и жидкое стекло образуют матрицу, включающую радиоактивные отходы в количествах больших, чем при использовании только лишь цементного связующего, а глина сорбирует радиоактивный цезий, снижая скорость его выщелачивания из отвержденного продукта.

Недостатком ближайшего аналога является то, что в данном случае в цементную матрицу включается вода, находящаяся в отходах в скрытом виде. Так в ионообменных смолах в набухшем состоянии находится от 40 до 60% воды по массе. В угольных сорбентах внутри пор может находиться до 80% влаги. Это приводит к снижению прочности отвержденного продукта и уменьшению степени наполнения компаунда отходами.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности отвержденного продукта, в увеличении степени наполнения, компаунда радиоактивными отходами, а также в снижении количества связующего и улучшении технологического показателя - растекаемости.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном, по наиболее близкому аналогу, способе переработки гетерогенных радиоактивных отходов путем смешивания их с неорганическим связующим и затворяющей жидкостью, предложено из гетерогенных отходов в процессе измельчения удалять часть поглощенной воды и использовать ее в качестве затворяющей. В качестве гетерогенных отходов перерабатываются ионообменные смолы или угольные сорбенты. Гетерогенные отходы перед отверждением измельчают до размера частиц 10-300 мкм. При этом ионообменные смолы измельчают с помощью вихревых измельчителей, а угольные сорбенты измельчают с использованием конусных или других аналогичных измельчителей.

Предлагаемые для измельчения ионообменных смол вихревые измельчители (аппараты ЛИВ-линейные измельчители веществ) основаны на принципе измельчения веществ за счет механического взаимодействия ферромагнитных мелющих тел с измельчаемым материалом во вращающемся магнитном поле, создаваемом устройством по типу статора асинхронного двигателя. В предложенном способе поглощенная внутри зерен сорбентов вода, ранее являвшаяся балластом и играющая отрицательную роль, так как снижает степень наполнения компаунда отходами, частично извлекается и используется в качестве затворяющей воды, то есть становится полезной и используется в процессе образования цементного камня. Снижение количества воды в компаунде увеличивает наполнение, плотность и прочность отвержденного продукта. Так предварительное измельчение отходов ионообменных смол позволяет повысить наполнение компаунда с 18-20 мас.% (по сухому) до 25-27 мас.% (по сухому), т.е. на 30%. Предварительное измельчение угольных сорбентов позволяет повысить наполнение компаунда с 21-23 мас.% (по сухому) до 39-41 мас.% (по сухому), т.е. на 100%. Причем при этом наблюдается увеличение величины растекаемости компаунда, которая положительно сказывается на качестве процесса смешения, выгрузки и выравнивания компаунда в контейнере. При равных величинах степени наполнения компаунда отходами, в случае извлечения части поглощенной влаги в процессе предварительного измельчения сорбентов перед отверждением и использования ее в качестве затворяющей, прочностные характеристики (предел прочности на сжатие) отвержденного продукта в два раза выше, чем при отверждении не измельченных сорбентов. В нашем случае измельчение ионообменных смол и угольных сорбентов с величины зерна 0,3-5,0 мм до величины частиц 10-300 мкм увеличивает прочность получаемого компаунда и повышает величину наполнения его радиоактивными отходами. Верхнее значение 300 мкм характерузует величину измельчения, с которого начинает существенно (выше ошибки измерения) проявляться эффект увеличения прочности отвержденного продукта. Нижнее значение 10 мкм характеризует величину измельчения, с которой увеличение достигаемого эффекта становится не существенным, а затраты на получение более мелких частиц превышают величину эффекта. В реальных условиях измельчения присутствуют все фракции в указанных пределах. Распределение тех или иных частиц примерно равное. При смешении с минеральным связующим измельченных ионообменных смол и угольных сорбентов увеличивается растекаемость компаунда, что положительно сказывается на технологических показателях, а именно: облегчается выгрузка компаунда из смесителя и его транспортировка к контейнеру, компаунд самостоятельно однородно размещается в объеме контейнера, не требуется применения дополнительного оборудования - вибраторов или других аналогичных устройств принудительного выравнивания смеси.

Примеры переработки (отверждения) радиоактивных отходов ионообменных смол и угольных сорбентов, приведены в таблице. Для отверждения использовали: 1 - портландцемент марки М-400 и вода; 2 - неорганическое связующее: доменный шлак + портландцемент 400 + бентонитовая глина в соотношении 2:1:0,1 и затворяющий раствор из натриевой щелочи, жидкого стекла и воды в соотношении 1:2:5.

В качестве угольного сорбента использовали уголь БАУ, а в качестве ионообменных смол смесь катионита КУ-2-8-чс и анионита АВ-17-8-чс в соотношении 1:1.

Угольные сорбенты (уголь БАУ) измельчали в конусном измельчителе и растиранием в ступке. Ионообменные смолы измельчали в вихревом измельчителе-аппарате ЛИВ. Величина измельченных гетерогенных отходов составляла 10-300 мкм. Качество получаемых компаундов оценивали по прочности образцов через 28 суток хранения во влажной среде. Эффективность процесса кондиционирования оценивали по коэффициенту изменения объема отходов KV, равному отношению объема компаунда к объему исходного продукта.

Из представленных в таблице экспериментальных данных видно, что при отверждении угля БАУ ( 1) с использованием в качестве связующего портландцемента М-400 в компаунд максимально возможно включить уголь в количестве 23 мас. %, при этом предел прочности отвержденного продукта имеет значение 55 кг/см². При отверждении измельченного угля БАУ ( 2) предел прочности возрастает до 95, а включение в компаунд увеличивается до 41% ( 3). KV снижается до 1,0-0,65, что говорит об уменьшении пористости компаунда и отсутствии в нем излишней влаги. При проведении эксперимента 1 пришлось дополнительно добавлять 8 мас.% затворяющей воды. В эксперименте 3 затворяющую воду дополнительно не добавляли, было достаточно воды, выделившейся в процессе измельчения угля. При отверждении отходов ионообменных смол, эксперименты 4-6, максимальное количество включаемых в компаунд отходов составляет 19-21,3 мас. %, при этом предел прочности на сжатие имеет величину 57 кг/см². При отверждении предварительно измельченных ионообменных смол, эксперименты 7-9, величина включения возрастает до 27,5 мас.%. Предел прочности на сжатие составляет при этом 60 кг/см². Коэффициент изменения объема отходов при отверждении исходных ионообменных смол составляет 1,45-1,7, а при отверждении предварительно измельченных отходов ионообменных смол 1,3-1,4, что также говорит об увеличении плотности и уменьшении пористости компаунда. При мокром измельчении пульп ионообменных смол необходимо удалять избыточную влагу. Этот процесс легко осуществим с использованием центрифуг или фильтрационных аппаратов. Увеличение величины включения отходов в компаунд автоматически приводит к снижению расхода вяжущего на единицу отходов. Реальный расход портландцемента в случае использования данного способа снижается с 35 до 25 мас.% на единицу массы получаемого компаунда. При переработке ионообменных смол расход вяжущего также снижается с 34 до 23 мас.% на единицу массы получаемого компаунда. Одним из показателей технологичности компаунда является его растекаемость. Данные по растекаемости компаундов, полученные с использованием малого вискозиметра Суттарда, показывают, что компаунды полученные при отверждении угля БАУ практически не растекаются, наблюдается их расслоение на уголь и цементное молоко. Компаунды, полученные при отверждении измельченного угля БАУ, имеют растекаемость 90 мм, что соответствует норме, и не расслаиваются. Компаунды, полученные при отвреждении измельченных ионообменных смол, также показывают величину растекаемости на 10-20 мм больше, чем у компаундов, полученных при отвреждении исходных ионообменных смол.

Предлагаемый способ позволяет получить реальный экономический эффект, выражающейся в увеличении включения отходов в цементный компаунд и снижении затрат на переработку жидких радиоактивных гетерогенных отходов. Он технически реализуем с использованием выпускаемого промышленностью отечественного оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Никифоров А. С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. -М: Энергоатомиздат, 1985, 184 с.

2. Способ переработки жидких радиоактивных отходов. Патент РФ 2116682, приоритет 16 июля 1997 г., зарегистрирован 27 июля 1998 г.

Формула изобретения

1. Способ переработки гетерогенных радиоактивных отходов путем смешивания их с неорганическим связующим и затворяющей жидкостью, отличающийся тем, что из гетерогенных отходов в процессе измельчения удаляют часть поглощенной воды и используют ее в качестве затворяющей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гетерогенных отходов перерабатывают ионообменные смолы или угольные сорбенты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гетерогенные отходы измельчают до размеров частиц 10-300 мкм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что ионообменные смолы измельчают с использованием вихревых измельчителей.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что угольные сорбенты измельчают с использованием конусных или других аналогичных измельчителей.

РИСУНКИ

Рисунок 1