Способ переработки радиоактивных перлитных суспензий

Изобретение относится к способам переработки радиоактивных гетерогенных отходов атомной промышленности, более конкретно - к способам переработки образующихся и накопленных в емкостях-хранилищах радиоактивных перлитных суспензий. В радиоактивную перлитную суспензию вводят реагент-блоксополимер окисей этилена и пропилена на основе этилендиамина с молекулярной массой от 3000 до 6000 в растворе фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия, после чего суспензии смешивают с растворами радиоактивных отходов и стеклообразующими добавками, перемешивают и остекловывают. Изобретение позволяет перерабатывать любые перлитные суспензии высокой активности, в том числе содержащие долгоживущие нуклиды и освобождать емкости-хранилища от накопленных перлитных суспензий. 1 н. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к способам переработки радиоактивных гетерогенных отходов атомной промышленности, более конкретно - к способам переработки радиоактивных перлитных суспензий, образующихся в процессе очистки радиоактивных растворов фильтрацией на намывных перлитных фильтрах. В технологии переработки облученного ядерного топлива после операции очистки азотнокислого раствора от различных твердых включений перлитные фильтры подвергают восстановительной регенерации, после чего отработанные перлитные суспензии направляют на хранение в емкости для жидких радиоактивных отходов. Основным недостатком данного метода обращения с перлитными суспензиями является то, что при длительном хранении суспензий в емкостях не исключена возможность их разгерметизации за счет коррозионного воздействия отходов на материал емкости и, как следствие, загрязнение окружающей среды. Кроме того, в процессе хранения суспензии уплотняются, происходит агрегирование частиц перлита, при этом на дне емкости образуется слой малоподвижного осадка суспензии (пульпы), эвакуировать которую в другую емкость в условиях радиохимического производства технически очень трудно или вообще невозможно.

Известен способ (Патент РФ №2256966, кл. G21f 9/16, 2005), выбранный в качестве прототипа, который позволяет исключить накопление суспензий и долговременное хранение в емкостях-хранилищах. Радиоактивные суспензии смешивают с радиоактивными растворами отходов, содержащими нитрат натрия или гидроксид натрия, или нитрат алюминия, или гидроксид алюминия, или их смесь, обрабатывают стеклообразующими добавками, перемешивают и остекловывают.

Для обеспечения равномерного распределения перлитной суспензии в объеме, приготовленную смесь обрабатывают катионоактивными реагентами-собирателями, в качестве которых используют первичные, вторичные, третичные амины или их смеси с содержанием атомов углерода в углеводородном радикале от 8 до 26. Концентрация катионоактивных реагентов-собирателей составляет от 10 г/м³ до 500 г/м³.

Недостатком способа является то, что он имеет ограниченное применение: для переработки свежих суспензий без слежавшегося осадка, образовавшихся сразу после регенерации перлитных фильтров. Транспортирование таких суспензий в аппарат для смешивания с радиоактивными растворами и далее на остекловывание хотя и осуществимо, но сопряжено с опасностью оседания частиц перлита и закупоривания коммуникаций осадком.

В материалах изобретения не приводится доказательства практического осуществления способа в отношении состаренных суспензий (пульп), длительное время хранящихся в емкостях. Из источника (Маевская М.А., Шварцман Л.А. Физическая и коллоидная химия. - М.: Химия, 1981) известно, что указанный реагент активно работает только в процессе флотации силикатных материалов в слое пены при интенсивном перемешивании свежеприготовленной суспензии. В реальных емкостях-хранилищах условия флотации создать невозможно и нецелесообразно из-за образования большого объема радиоактивных аэрозолей. Транспортирование суспензий из емкости-хранилища в смеситель с радиоактивным раствором отходов и стеклообразователями невозможно без операции дезагрегирования частиц, разрыхления осадка и равномерного распределения частиц перлита в объеме суспензии.

При анализе общедоступной литературы каких-либо других известных аналогов, наиболее близких заявленному способу, не найдено.

Технической задачей изобретения является переработка радиоактивных перлитных суспензий способом, позволяющим остекловывать как свежие суспензии, так и состаренные суспензии (пульпы) с плотным осадком с надежной фиксацией перлита в радиационно-стойкой матрице, обладающей минимальной способностью к выщелачиванию радионуклидов. Решение этой задачи позволяет перерабатывать все перлитные суспензии (свежие и накопленные) и исключить загрязнение радионуклидами окружающей среды.

Поставленная задача достигается тем, что радиоактивные перлитные суспензии обрабатывают реагентом, в качестве которого используют блоксополимер окисей этилена и пропилена на основе этилендиамина с молекулярной массой от 3000 до 6000 в растворе фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия. Обработанная суспензия смешивается с радиоактивными растворами, содержащими в своем составе нитрат натрия, или гидроксид натрия, и/или алюминия, и стеклообразующими добавками - растворами фосфорной кислоты и/или растворами борной кислоты или буры в растворе гидроксида натрия - и остекловывается.

Опытным путем показано, что добавка реагента в пульпу на слой плотного осадка приводит к разрыхлению и дезагрегированию частиц перлита. Взрыхленный осадок всплывает и равномерно распределяется в объеме суспензии. Подвижная суспензия легко удаляется из емкости и длительное время (не менее одного месяца) остается однородной, что позволяет ее легко транспортировать для смешения со стеклообразующими добавками и раствором отходов.

При концентрации реагента-блоксополимера в растворе фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия от 0,3 г/л до 1,0 г/л на поверхности плотного осадка суспензии через шесть часов образуется подвижный слой дезагрегированных частиц, при этом концентрация фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия в суспензии должна быть не ниже 2 моль/л. За одну операцию разрыхляется до 100 мм плотного осадка. При необходимости процесс обработки пульпы повторяют до разрыхления всего осадка. При концентрации реагента-блоксополимера ниже 0,3 г/л стабилизации суспензии перлита не происходит, повышение концентрации выше 1 г/л не приводит к увеличению эффективности действия реагента.

Добавка перлитной суспензии к растворам радиоактивных отходов и последующее их остекловывание не приводит к ухудшению основных технологических свойств (температура варки, вязкость, химическая и радиационная стойкость) стекла. Скорость выщелачивания продукта остекловывания составляет от 10^-6 до 10^-7 г/(см²·сут).

Примеры 1-2 иллюстрируют заявленный способ.

Пример 1. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия (пульпа) следующего состава, мас.%: SiO₂ - 74,0; Al₂О₃ - 14,0; Fe₂О₃ - 3,0; MgO - 1,4; CaO - 1,8; Na₂O - 4,0; K₂O - 1,8. Перлитная суспензия представляет собой агрегированный плотный слой осадка, который невозможно извлечь из емкости даже при интенсивном перемешивании. На поверхности осадка находится слой раствора двухмолярной HNO₃. Объемное соотношение осадка и жидкости над осадком составляет 2:1.

Суспензия обрабатывается реагентом - раствором блоксополимера окисей этилена и пропилена на основе этилендиамина с концентрацией 0,5 г/л в дигидрофосфате натрия с тем расчетом, чтобы концентрация дигидрофосфата в суспензии была 2 моль/л.

Полученную разрыхленную суспензию смешивают с растворами радиоактивных отходов, в состав которых входит нитрат или гидроксид натрия и/или нитрат алюминия. При необходимости, добавляют фосфорную кислоту. Смесь остекловывают при температуре от 900 до 950°С. Концентрация оксидов в остеклованных отходах находится в пределах, мас.%: Al₂О₃ (включая оксиды других многовалентных катионов) - от 18 до 22; Na₂O (включая оксиды других одновалентных катионов) от 22 до 26; P₂O₅ от 48 до 52; SiO₂ от 2 до 5. Доля перлита в стекле составляет от 3 до 7 мас.%.

Пример 2. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия состава, приведенного в примере 1. Обработка перлитной пульпы осуществляется аналогично примеру 1 с тем отличием, что реагент с концентрацией 0,5 г/л в дигидрофосфате натрия с концентрацией 2 моль/л перемешивают с суспензией в течение одного часа. Пульпа, полученная таким способом, не расслаивается.

Суспензию смешивают с растворами отходов, в состав которых входит нитрат натрия и алюминия, добавляют бор в виде раствора борной кислоты и остекловывают при температуре от 1000 до 1100°С. Концентрация оксидов в остеклованных отходах находится в пределах, мас.%: Al₂О₃ (включая оксиды других многовалентных катионов) от 18 до 22; Na₂О (включая оксиды других одновалентных катионов) от 22 до 26; P₂O₅ от 38 до 45; SiO₂ от 6 до 14; В₂О₃ от 3 до 6. Доля перлита в стекле составляет от 8 до 18 мас.%.

Преимущества заявляемого способа переработки радиоактивных перлитных суспензий состоят в том, что способ позволяет извлекать агрегированные суспензии с плотным осадком из емкостей-хранилищ и остекловывать их совместно с радиоактивными растворами отходов, обеспечить надежную фиксацию радионуклидов в химически и радиационно-стойкой матрице.

1. Способ переработки радиоактивных перлитных суспензий, включающий их смешивание с раствором радиоактивных отходов, содержащих нитрат натрия, или гидроксид натрия, или алюминия и стеклообразующих добавок, перемешивание и остекловывание смеси, отличающийся тем, что в перлитную суспензию перед смешиванием ее с отходами и стеклообразующими добавками вводят реагент - блоксополимер окисей этилена и пропилена на основе этилендиамина с молекулярной массой от 3000 до 6000 в растворе фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрация блоксополимера в растворе фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия составляет от 0,3 до 1,0 г/л.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрация фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия в суспензии должна быть не ниже 2 моль/л.