CN109503110B - 一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材 - Google Patents

一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，其组成(质量分数)如下：磷铝酸锶钙水泥熟料70～80％、硅灰5～15％、沸石粉5～18％、锶渣3～10％。本发明的水泥基固化材料在抗渗，耐高温以及防辐射等方面性能突出，能满足用于核废料固化材料的需要，且可长期在高温环境下应用，不惧因焚烧灰可能发生的反应以及辐射等原因产生的高温(如灰中混有CaO，遇水反应，放出大量的热)；同时由于组成中含有特殊的磷铝酸锶钙水泥熟料，使得本发明的水泥固化基材在防辐射方面性能优异，不仅能阻隔核辐射，更能有效屏蔽焚烧灰产生的辐射，是一种优秀的可用于低放射性核废料固化的水泥基材。

Description

一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材
技术领域
本发明涉及一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，属于特种水泥领域
背景技术
随着工业文明的进步，地球上可被人们利用的煤炭、石油等资源日益枯竭，能源问题已成为全世界关心的问题。核能作为一种清洁、高效的能源受到广泛关注。自新中国建立以来，我国发展了门类齐全的核工业体系。在过去中国的核工业规模较小，产生的核废料也相应较少。近年来随着中国经济的高速发展，中国的核工业也有了长足的进步，开始向各个领域渗透，但大量的核废料也随之产生。在这些核废料当中只有1％是高放射性的核废料，剩余的 99％都是中低放射性的核废料，所以在核废料的处理过程中，有关中低放射性的核废料的处理至关重要。对于一些可燃的中低放射性废物，为避免因某些原因造成放射性物质泄漏，需对其进行焚烧处理，得到相对稳定的储存形式。
目前，中低放射性焚烧灰的固化方法主要有水泥固化、沥青固化、塑料固化、玻璃固化、陶瓷固化等，而在这些固化方法中水泥固化的方法成本低，工艺简单，效果比较好，是处理焚烧灰的一种理想的方式。但是为满足固化处理的需要，对固化处理核废料的水泥要有很高的要求，例如良好的抗渗性能以及耐高温性能(中低放核废料辐射会产生高温)，因此现在急需一种能满足水泥固化需要的水泥基材。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，其具有很好的抗渗性能以及突出的耐高温特性以及防辐射能力，是一种优秀的可用于核废料固化的优良材料。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，所述中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材的质量百分比组成如下：磷铝酸锶钙水泥熟料70～80％、硅灰5～15％、沸石粉7～18％、锶渣3～10％。
所述磷铝酸锶钙水泥熟料矿相质量百分比组成为：磷铝酸锶钙35～55％、铝酸锶钙
25～35％、铝酸钙15～20％、铁酸二钙5～15％；其中磷铝酸锶钙矿相化学分子式为C8-xSrxA6P， 2<x<2.4。
所述磷铝酸锶钙水泥熟料是由生料经煅烧制成，煅烧温度为1350～1480℃，保温时间为 2h。
所述生料的氧化物质量百分比组成为：SrO 10～25％、Al2O3 30～45％、CaO 20～35％、P2O5 5～8％、Fe2O3 2～15％、B2O3 3～8％。
所述磷铝酸锶钙水泥熟料、硅灰、沸石粉和锶渣的颗粒度需分别控制在400～500±30 m2/Kg、400～500±30m2/Kg、100～300目、1500～2000目的范围内。
本发明的一种低放射性核废料磷铝酸锶钙水泥固化基材，因含有硅灰和沸石粉等混合材具有很强的吸收核素的作用(硅灰与某些核素可生成矿物相，沸石可降低放射性核素的浸出率，且P沸石对Cs、Sr、Ba、Pb、U(Ⅵ)有显著的选择吸附性)，同时磷铝酸锶钙水泥熟料的水化产物致密，又在固化基材中掺入了许多磨细的混合材，这就使得本发明的固化基材的抗渗性较普通水泥基材料有了极大的提升，能将核素浸出的几率大大降低。
另外，本发明的固化基材因磷铝酸盐水泥的性质，对于核废料固化过程中产生的高温有着极强的承受能力(磷铝酸盐水泥在1500℃下有60MPa的抗压强度，本发明的固化基材在 1460℃下仍具有50MPa以上的强度)。并且磷铝酸盐水泥在干缩性，抗碳化等方面有着诸多优势。所以，本发明的一种低放射性核废料磷铝酸锶钙水泥固化基材能满足作为固化核废料的水泥基材的诸多要求。
另一方面，本发明的一种低放射性核废料磷铝酸锶钙水泥固化基材，与传统固化核废料的水泥基材相比有很大的不同。传统水泥固化材料本身不具备防辐射性能，一方面通过致密的防护层阻隔核辐射，另一方面依赖所添加的外加剂等才得以具备屏蔽辐射的能力。本发明的一种低放射性核废料磷铝酸锶钙水泥固化基材其水泥熟料本身就具备防辐射性能。首先，熟料中铁的含量比一般情况下高，铁元素具有一定的防辐射性能，对α，β射线有一定的作用，并且其高导热性有助于快速传播热量，防止热量聚集。其次，磷铝酸锶钙水泥熟料中含有硼和大量的锶元素，所含大量的重元素锶可对γ射线和X射线能起到有效的吸收作用。硼元素经过煅烧后，大部分以固溶体的形式存在，提高了其在吸收中子辐射后的稳定性，并且产生的二次γ射线最终也被Sr元素所吸收。另外，熟料中不仅含有硼和大量的锶元素而且其水化产物中还含有大量的结合水(例如磷铝酸锶钙的水化产物2CaO·Al2O3·8H2O中含有8个结晶水)，防辐射能力突出(硼锶元素与结合水可以有效屏蔽核辐射)，所以本发明的磷铝酸锶钙水泥固化基材材料能有效屏蔽防护核电反应堆释放出的α、β、γ、X射线，吸收防护中子辐射，防辐射能力突出。沸石粉，硅灰作为辅助材料分别起抑制放射性元素以及降低水泥浆流动度的作用，进一步优化该水泥固化基材的性能。
本发明的有益效果是：本发明的中低放射性核废料磷铝酸锶钙水泥固化基材，既有突出的防核素浸出的能力，又能适应固化核废料过程中产生的高温，同时防辐射能力突出，是一种优良的可用于核废料固化的材料。
具体实施方式
下面结合体具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例
本实例以磷铝酸锶钙水泥为主要无机水硬性胶凝固化基材，掺入硅灰，沸石粉，锶渣作为改善水泥性能的外加剂。将这些材料按比例与模拟焚烧灰的废物混合后制成浆液，倒入模具中最终制备成水泥固化体。具体比例见下表1。
表1配料比例
Figure BDA0001942807540000031
上表中的3组试样的液灰比按编号顺序分别为0.50，0.55，0.60。煅烧熟料的温度分别为 1390℃，1420℃，1450℃，保温时间均设为2h。
将所得固化体养护至所需天数，并按照《GB 14569.1-2011低、中水平放射性废物固化体性能要求－水泥固化体》对所需性能进行检查。并将所得数据与国标要求进行对比。最终实验结果如下表2所示：(“√”代表符合要求)。
表2性能测试结果
Figure BDA0001942807540000032
从表中可知，所测的磷铝酸锶钙水泥固化基材，其抗压强度，抗冲击性均符合要求，其高温下的抗压强度也符合国家标准。所测得的一些放射性离子的浸出率满足国标要求。上述实例均是尽可能考虑各种因素对水泥固化体性能的影响，所制备的水泥固化体并非最佳实例。充分说明磷铝酸锶钙水泥固化基材是一种优良的固化基材料。

Claims (3)

1.一种中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，其特征在于，所述中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材的质量百分比组成如下：磷铝酸锶钙水泥熟料70~80%，硅灰5~15%，沸石粉7~18%，锶渣3~10%；
所述磷铝酸锶钙水泥熟料、硅灰、沸石粉和锶渣的颗粒度分别控制在400~500 m2/kg、400~500 m2/kg、100~300目、1500~2000目的范围内；所述磷铝酸锶钙水泥熟料矿相质量百分比组成为：磷铝酸锶钙35~55%，铝酸锶钙25~35%，铝酸钙15~20%，铁酸二钙5~15%；所述磷铝酸锶钙矿相化学分子式为 (8-x)CaO·xSrO·6Al2O3·P2O5，2 <x<2.4。
2.根据权利要求1所述的中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，其特征在于，所述磷铝酸锶钙水泥熟料是由生料经煅烧制成，煅烧温度为1350~1480℃，保温时间2h。
3.根据权利要求2所述的中低放射性核废料焚烧灰磷铝酸锶钙水泥固化基材，其特征在于，所述生料的氧化物质量百分比组成为：SrO 10～25％、Al2O3 30～45％、CaO 20～35％、P2O5 5～8％、Fe2O3 2～15％、B2O3 3～8％。
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