KR20130042569A - 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 및 그 제조방법 - Google Patents

첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 및 그 제조방법 Download PDF

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베르나데트 이베트 코박스
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지.아이.씨. 이파리 솔갈타토 에스 케레슈케델미 케이에프티.
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Abstract

저-활성도 및 중-활성도 핵 폐기물의 장기(최종(terminal)) 저장은 매우 중요한 환경 이슈이다. 이러한 유형의 폐기물의 상당량은 붕산 또는 붕산나트륨을 함유하는 결정형 물질 또는 진한 액체로 구성된다. 본 발명은 폐기물을 고형화하는 문제에 대한 간단한 해결책을 제공한다. 본 발명에 따른 방법은 비교적 저렴하고, 낮은 부피 증가를 보이며, 결과 얻어지는 고형화된 형태는 이로운 특징들을 갖는다.
본 발명은 액체 알칼리 규산염, 액체 및/또는 고체 붕산 또는 붕산염, 알루미늄-함유 무기 성분 및 하나 이상의 첨가제 성분들로부터 저온, 바람직하게 실온에서 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하는 것에 관한 것이다. 상기 물질을 제조하는 방법은 상기 액체 성분들로부터 균질의 액체를 제조하고, 상기 고체 성분들로부터 고체 분말을 제조하고, 상기 분말 성분을 상기 액체 성분에 점차적으로 혼합하는 단계로 구성된다.

Description

첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 및 그 제조방법{ADDITIVE-CONTAINING ALUMINOBOROSILICATE AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 분말과 액체 성분을 혼합하여 저온에서 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하는 것에 관한 것이다.
제조된 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트는 구조재로서 매우 유익한 특성을 가지며 높은 내수성 및 내열성, 내화도(refractoriness), 강도, 충격 저항성 및 경량성이 요구되는 분야에서 사용될 수 있다. 본 발명의 적용 분야는 핵(nuclear) 및 비핵(non-nuclear) 적용으로 나누어질 수 있다.
비핵 적용(Non-nuclear applications)
ㆍ 처음에는 부드럽고, 보호할 표면에 적용된 후에는 경화되는 내화성 및 내열성 코팅의 제조, 및 내화성 및 내열성 구성 요소의 제조. 경화되기 전 상기 재료는 가연성 표면(예를 들어 나무, 종이 및 다양한 플라스틱)에 스프레딩(spreading) 또는 스프레이(spraying) 함으로써 적용될 수 있다. 상기 방법은 화재 안전 도어(fire safety doors), 비가연성, 플라스틱-기초 단열 요소(예를 들어 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트로 코팅된 폴리스티렌 단열 블록) 뿐만 아니라 내화성 및 내열성 나무 및 종이 부품을 제조하기 위해 적용될 수 있다. 이들 재료는 기본적으로 건설 산업 및 인테리어 건축에서 사용될 수 있다.
ㆍ 상기 재료는, 경화 과정 동안 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트로 변형되는 조성물이 적당한 소립자 물질과 혼합되는 방식으로 내화성 구조 부품을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 그러한 재료는 예를 들어 폴리스티렌 비드( polystyrene beads), 분쇄된 나무 및 종이, 및 톱밥이다. 이 방법은 내화성 및 내열성 건축 요소를 제조하는데 적용될 수 있다.
핵 적용(Nuclear applications)
ㆍ 높은 붕소 함량으로 인하여, 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트는 중성자(neutrons)를 포획(capturing)할 수 있다. 상기 제안된 알루미노보로실리케이트 물질은 중성자-포획 벽 및 구성 요소를 제조하기에 적당하다.
ㆍ 상기 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트에 산화납 또는 기타 높은 질량수 원소(high mass-number elements)의 산화물을 첨가함으로써, 감마선 흡수물질(gamma ray absorbing material)이 얻어질 수 있다.
ㆍ 핵 발전소의 정상적 작동 동안 생성되는, 고 방사성의, 오래된(worn-out) 이온 교환 수지가 또한 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 폴리머에 매립될(embedded) 수 있다. 이렇게 함으로써, 상기 이온 교환 수지에 결합된 방사성 동위원소가 환경으로 배출되는 것에 대한 장기간 보호가 달성될 수 있다.
ㆍ 저활성도 및 중활성도의, 붕소-함유 액체 및 고체 방사성 폐기물은 가압수형 핵 원자로(pressurized water nuclear reactors)의 정규 작동 동안, 또한 사고의 결과, 높은 함량으로 생성된다. 현재의 체제는 폐기물을 수거하고, 선택적으로 화학 처리를 한 다음 그것을 증발시키고, 발전소 부지에 위치하는 설비 내에 수용성 결정 형태 또는 진한 액체(thick liquid)로 (증발 정도에 따라) 제한된 시간 동안 저장하는 것을 포함한다. 핵 발전소는 유한의 잠정적 저장 능력을 가지므로, 이러한 유형의 폐기물을 장기간 안전하게 저장하는 문제를 해결하는 것이 중요하다. 핵폐기물은, 낮은 농도처럼 보이지만, 보통 30년의 반감기를 갖는 상당한 활성도를 나타내는 동위원소(137Cs)를 함유하므로 수백년간 저장되어야 한다. 방사성 폐기물은 고체의 수불용성 형태로 장기적 기간 동안 저장될 수 있을 뿐이다. 본 발명은 폐기물의 부피가 초기 상태에 비하여 전혀 또는 단지 최소한 증가하면서 실온에서 상기 언급한 핵 폐기물을 고형화시키기 위해 적용될 수 있다. 본 발명을 적용하여 얻어지는 고형화된 폐기물 형태는 내열성 및 내화성이며, 방사성 동위원소들은 그들이 물에 침출된 때에도 상당히 방출되지 않도록 결합된다. 본 발명을 적용하여 얻어지는 고형화된 폐기물은 주로 배럴 용기(barrel containers)에 있는, 지하의 방사성 폐기물 처리 설비에 오랜 시간 동안 안전하게 저장될 수 있다.
상기 나열된 핵 적용들 중에서 가장 중요한 것은 방사성 폐기물의 저장이다.
비핵 적용
과학적 용어로서 뿐만 아니라 일반적 용도에서, "보로실리케이트(borosilicate)"라는 용어는 붕규산염 유리(borosilicate glasses)와 관련된다. 붕규산염 유리는 섭씨 약 820도의 연화 온도를 갖는 산화붕소(boron oxide)-함유 저 열팽창 유리이다. 이러한 유리 유형은 섭씨 800-1000도의 온도에서 제조되며, 대개 기술적 용도를 가지고, 예를 들어 실험실 장비 등을 제조하는데 적용된다. 우리가 알고 있는 한, 여태까지 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 저온에서 제조한 예는 없었다.
핵 적용
수용성 붕소 화합물(붕산 또는 붕산염(borates))을 함유하는 방사성 폐기물의 고형화
시멘테이션(Cementation)
방사성 폐기물을 고형화하기 위해 적용된 가장 초기의 해결책 중 하나는 시멘테이션이다. 시멘테이션은 폐기물을 시멘트와 혼합하고, 필요한 경우 물 및 첨가제와 혼합하며, 경화된 후 시멘트-매립 폐기물을 배럴 용기에 저장하는 것을 포함한다. 붕소-함유 폐기물을 시멘테이션하는 경우의 주요 문제는 붕소 화합물이 시멘트의 경화를 억제한다는 것이다. 이를 피하기 위해, 폐기물은 화학적으로 예비 처리되고 다량의 첨가제가 사용되거나, 또는 특수한 시멘트 조성물이 적용되어야 한다. 미국 특허출원 번호 20090156878호는 석고, 석회 및 모래를 첨가제로서 포함하는 설포알루미네이트(sulphoaluminate) 시멘트를 적용하는 방법을 개시한다. 종래의 시멘트를 적용할 경우, 붕산을 함유하는 폐기물은 특수 유기 분산제 및 경화 지연제(set retardation agents)를 적용함에 의해서만 고결가능(cementable)해진다(미국 특허 제4,504,317호).
시멘테이션을 포함하는 모든 방법들의 공통적인 결점은 시멘트 및 그 첨가제가 다량으로 적용되어야 한다는 것이며, 그 결과 고형화된 폐기물의 부피가 초기 폐기물 부피에 비하여 2.5-3배 증가하게 된다는 것이다. 이는 매우 고가의 핵 폐기물 저장 설비의 용량의 2/3가 밸러스트 물질(ballast materials)의 저장을 위해 사용되어 큰 문제이다. 시멘테이션과 관련된 공정의 또 다른 결점은 동위원소가 물의 작용 하에 시멘트-매립된 폐기물로부터 비교적 쉽게 용해될 수 있고, 또한 섭씨 800도 보다 높은 온도에서 시멘트가 그에 결합된 물의 휘발에 의해 조각으로 깨진다는 것이다. 시멘트의 상기 후자의 특성은 또한 공사 적용시 문제를 일으킨다.
플라스틱에 매립(Embedding in plastic)
방사성 폐기물을 저장하기 위한 또 다른 가능한 해결책은 폐기물을 플라스틱에 매립하는 것이다. 이러한 해결책의 명백한 잇점은 상기 플라스틱에 내장된 형태의 폐기물은 실온에서 고형화된 물질로부터 물에 의해 용해될 수 없다는 것이다. 이러한 해결책은 용기 내에서 폐기물을 용융된 플라스틱과 혼합하거나, 플라스틱 모노머를 방사성 폐기물과 혼합하고, 교반 및 촉매를 첨가하여 플라스틱을 차후 생성하는 것을 포함한다. 새로 형성된 플라스틱은 경화되면서 폐기물을 매립한다. 미국 특허 제4,582,638호는 그러한 방법을 개시하는데, 이는 일반적으로 다수의 서로 다른 종류의 플라스틱, 첨가제 및 촉매를 이용하여 실행될 수 있다.
그러나, 플라스틱에 폐기물을 매립하는 해결책은 여러 문제점을 갖는다. 먼저, 보통 탈수된 폐기물만이 플라스틱에 매립될 수 있으므로, 붕산을 함유하는 농축물은 제 1 단계에서 증발 및 결정화되어야 하며, 이는 에너지-소모적(energy-demanding)이므로 비용이 든다. 반면, 적용된 플라스틱의 모노머들은 보통 유독성이어서, 제조 과정 동안 심각한 기포 발생(foaming)이 일어날 수 있다. 상기 공정의 종료시 얻어지는 폐기물 형태의 부피는 보통 원래의, 결정형 방사성 폐기물 부피의 두 배이다. 생성물은 또한 내화성이지 않으며 열에 가해지면 용융될 수 있다. 유기 폴리머(organic polymers)로서, 플라스틱은 핵 방사선에 놓여질 때 열화되기 쉽다(자외선 조사(UV radiation)의 효과와 유사함). 따라서 상기 고형화된 폐기물이 수백년의 과정 동안 안정하게 남아있을 수 있을지 의문시된다.
파라핀 매립(Embedding in paraffin)
아마도 방사성 폐기물을 내수성(water-resistant)이 되도록 하는 가장 간단한 해결책 중 하나는 그것을 파라핀에 매립하는 것이다. 이는 결정화된 방사성 폐기물을 용융 파라핀(왁스)과 혼합하고 냉각되도록 하여 고형화하도록 함으로써 달성된다. 이러한 방법은 미국 특허 5,879,110호에 개시되어 있다.
비록 충분한 내수성을 제공하기는 하지만, 파라핀 매립은 여러 문제점을 갖는다. 첫째, 폐기물의 부피가 공정 동안 원래 폐기물 부피의 약 1.5배 증가한다. 둘째, 파라핀의 특징상 고형화된 폐기물 형태가 명백히 전혀 내열성이 아니므로, 장기 저장의 경우 리스크(risk)가 높아진다. 상술한 해결책과 마찬가지로, 단지 탈수된 폐기물만이 파라핀에 매립될 수 있으므로, 붕산을 함유하는 액체 폐기물 용액은 우선 결정화되어야 하는데, 이는 에너지 소모적이고 비싸다.
아스팔트/비투멘 매립(Embedding in asphalt/bitumen)
아스팔트나 비투멘에 폐기물을 매립하는 것은 여러가지 면에서 파라핀 매립과 유사하다. 아스팔트 및 비투멘은 파라핀 보다 더 저항성이다. 양 재료는 섭씨 약 180도 이하 온도에 내열성이다. 아스팔트에 방사성 폐기물을 매립하기 위해서는, 몇가지 첨가제들, 무엇보다도 올레핀 탄화수소가 적용되어 충분한 성형 특성을 달성하도록 하고 결정형 폐기물이 기본적으로 무극성인, 탄화수소-기재 아스팔트와 잘 혼합될 수 있도록 하여야 한다(미국 특허 제4,832,874호). 유사한 해결책이 미국 특허 제4,252,667호에 개시되며, 아스팔트 대신 비투멘을 사용한다는 것이 차이점이다.
양 해결책은 생성물의 부피가 원래 방사성 폐기물 부피의 보통 2배가 되어, 폐기물의 부피 증가가 높은 공통의 단점을 갖는다. 고형화된 폐기물 형태는, 특별히 높은 온도는 아닌 섭씨 180도 이하 온도에 내열성이며, 유기 첨가제(올레핀)의 적용은 화재 위험을 유발한다. 붕소-함유 액체 폐기물 용액이 고형화될 경우, 그것의 물 함량은 이들 방법을 적용하기 전에 미리 제거되어야 하는데, 이는 파라핀-매립 방법과 유사한 방식으로 공정 비용을 증가시킨다.
붕규산염 유리를 생성하는 유리화(Vitrification producing borosilicate glass)
유리화(Vitrification)는 보통 높은 활성도의 고체 방사성 폐기물, 전형적으로 사용된 핵 연료 물질을 최종 처리하기 위해 적용된다. 종래의 유리는 이러한 적용에 특히 적합하지 않으므로, 내열성의, 높은 붕소-함량의 붕규산염 유리가 보통 사용되며, 이는 또한 더 내화학성이기도 하다. 공정은 물이 없는(water-free) 고형 폐기물을 용융된 액체 유리와 섭씨 700-1000도의 온도에서 혼합하고, 상기 혼합물이 고형화되도록 하거나, 또는 폐기물을 상기 유리의 성분들에 혼합하고 상기 혼합물을 상기 성분들로부터 유리가 생성되는 온도로 가열하는 것을 포함한다. 유리화를 적용함으로써, 높은 저항성의 폐기물 형태가 생성될 수 있다. 유리화된 핵 폐기물은 상당한 리스크 없이 오랜 시간 동안 저장될 수 있다.
처음에 유리화는 소량의 고 활성도 핵 폐기물의 처리를 위해서만 적용되었지만, 최근의 몇몇 특허는 붕산염-함유 폐기물을 유리화하는 새로운 방법들을 제안한다. 미국 특허 제4,710,266호는 마이크로파 에너지를 적용하여 유리를 가열하는 방법을 개시한다. 미국 특허 제4,424,149호는 폐기물 대 유리의 비율이 최대 1 대 3일 수 있음을 교시한다. 붕산 용액의 경우, 우선 상기 용액은 중화되어야 하며, 유리화는 상기 용액이 증발 및 결정화된 다음에야 일어날 수 있다. 그러한 방법은 미국 특허 제4,595,528호에 개시되어 있다. 그렇게 생성된 유리화된 물질의 특징은 물론 첨가제에 의해 제어될 수 있다. 미국 특허 제4,725,383호는 유리화에 적용되는 기술은 물론, 첨가제로서 사용되는 산화물의 효과를 기재한다.
비록 매우 안정적 형태의 방사성 폐기물은 유리화를 통해 생성될 수 있지만, 우리 견해로는, 그것이 핵 발전소의 정상 작동 중 생성되는 다량의 붕산-함유 폐기물을 고형화하기 위한 만족스런 해결책으로 여겨질 수는 없다. 유리화를 포함하는 모든 해결책은 다음의 공통된 결점을 갖는다: 고온이 요구되어(섭씨 700-1000도), 결과적으로 비용이 매우 많이 들고, 방사성 폐기물은 처리되기 전 완전히 탈수될 필요가 있으며, 폐기물의 부피가 고형화 과정 중 현저히 증가한다. 유리화된 폐기물의 부피는 방사성 폐기물의 원래 부피의 대략 3배이다.
폐기물과 나트륨 물유리(sodium water glass)의 혼합
본 발명에 가장 가까운 선행 기술상의 해결책은 미국 특허 제4,664,895호에 개시되며, 이는 단순히 소듐 메타실리케이트(sodium metasilicate)(나트륨 물유리)를 첨가함으로써 붕산 또는 붕산염을 함유하는 폐기물 용액을 고형화하는 방법을 개시한다. 상기 발명에 따른 방법은 폐기물 용액이 액체 상태에 있고 적어도 30 중량%의 붕산 농도를 갖는 경우에만 적용가능하다. 상기 고형화 공정은 수산화나트륨을 첨가하여 붕산 용액을 중화하고, 이렇게 제조된 용액에 나트륨 물유리 및 황산을 첨가하는 단계로 구성된다. 어떠한 첨가제도 공정 중에 가해지지 않는다. 상기 특허 명세서에 의하면 고형화된 폐기물 형태는 100-700 PSI(0.7-4.8 MPa)의 압축 강도를 갖지만, 이러한 압축 강도는 나트륨 물유리를 적용함에 의해 달성될 수 있을 뿐이다. 규산칼륨(칼륨 물유리)이 적용될 경우, 고형화된 폐기물의 압축 강도는 현저히 더 낮다.
미국 특허 제4,664,895호에 개시된 공정은 산, 주로 황산에 의해 물유리로부터 실리카를 응고(coagulating)시키는 것에 기초한다. 폐기물은 산의 작용 하에 응고하는 실리카 폴리머에 의해 고형화되거나, 그 안에 매립된다. 상기 발명의 명세서에 의하면, 고형화된 폐기물 형태의 압축 강도가 석재 재료(stone-like materials)의 압축 강도에 비해 매우 낮은 값인 단지 0.7-4.8 MPa인 것은 이러한 화학 조성 및 물질 구성 때문이다. 상기 고형화된 폐기물은 또한 확실히 높은 함량의 물을 함유한다.
그러나, 본 발명에 의한 물질의 압축 강도는 항상 5 MPa 보다 높고, 20-30 MPa 만큼 높을 수 있다. 본 발명의 방법을 적용함으로써 액체 용액으로부터 뿐만 아니라 결정형 붕사(crystalline borax)로부터도 고체 블록(solid blocks)을 얻을 수 있다. 본 발명의 방법에 의하면, 산이 이용되지 않으며, 단지 알루미늄-함유 무기 성분 및 첨가제만이 고형화 공정 중 적용된다. 본 발명의 경우 칼륨 물유리의 적용이 고형화된 폐기물의 압축 강도를 증가시킨다(감소시킨다기 보다). 본 발명의 공정의 최종 생성물은 낮은 물 함량을 가지므로, 고형화된 폐기물은 섭씨 600-800도까지 내열성이다.
상기 두 방법 사이의 이러한 차이는, 공정 중에 발생하는 화학 반응이 완전히 다르므로, 당연히 다른 화학 조성과 구조를 갖는 고형화된 폐기물이 얻어진다는 명백한 사실에서 기인한다. 미국 특허 제4,664,895호에 기재된 방법에 의하면, 폐기물에 함유된 붕소는 응고된 실리카로부터 생성되는 실리카 폴리머 내에 매립/캡슐화(encapsulated)된다. 그러나, 본 발명은 실리카를 응고하는 단계를 포함하지 않는다. 아래에 상세히 기재되는 바와 같이, 본 발명의 방법은 균질의(homogeneous), 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하는 것에 관한 것이다. 상기 기재로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 고형화 방법은 미국 특허 제4,664,895호에 개시된 방법과는 근본적으로 다르다.
본 발명의 목표는 저온, 바람직하게는 실온에서 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조할 수 있는 방법을 개발하는 것이다. "저온"이라는 표현은 향후 섭씨 0-120도의 온도 범위를 말하며, "실온"이라는 표현은 섭씨 20-25도의 온도 범위를 가리킨다. 본 발명에 따라 제조되는 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트는 다음과 같은 이로운 특징들을 갖는다:
ㆍ 높은 기계적 안정도, 높은 압축강도 및 굽힘강도(bending strength)
ㆍ 높은 경도 및 충격 저항성
ㆍ 우수한 내화성 및 내열성
ㆍ 돌, 세라믹 및 금속에 비하여 낮은 밀도
ㆍ 용이한 제조. 상기 물질은 분말 및 액체를 혼합하고, 배치(batch) 또는 연속 공정으로, 주조 또는 성형함으로써 제조될 수 있다. 상기 물질은 혼합 직후에는 유연하지만(pliable) 단시간에 경화된다.
ㆍ 실온에서 제조되는 알루미노보로실리케이트의 특징은 첨가제를 적용함으로써 용이하게 조절될 수 있다.
ㆍ 방사성 폐기물이 고형화된 경우, 결합된 방사성 핵종(radionuclides)은 상기 물질이 물에 침출(leached)되더라도 상당 정도 방출되지 않는다.
본 발명의 목적은 핵 적용 및 비핵 적용을 위한 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제공하고 이를 비교적 간단하고 저렴하게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
핵 적용의 관점에서 본 발명의 주목적은 진한(thicker) 방사성 슬러지, 슬러리 또는 분말 뿐만 아니라, 붕산 또는 붕산염을 함유하는 방사성 폐기물 용액이 고형화되어, 그 고형화된 형태가 장기(최종(terminal)) 저장에 적합하고, 아래의 요건을 충족시키도록 하는 것이다:
ㆍ 고형화하는 동안 첨가되는 물질은 붕산-함유 폐기물을 캡슐화할 뿐만 아니라 그것과 반응함으로써, 균질의 저항성 물질(homogeneous, resisting material)을 형성하여야 한다.
ㆍ 고형화된 폐기물의 부피는 붕산-함유 폐기물의 최초 부피보다 최대 0-15% 만큼 높아야 한다.
ㆍ 고형화된 폐기물은 첨가된 유기 물질을 함유하지 않고 가연성(inflammable)이어서는 아니된다.
ㆍ 고형화된 폐기물 형태의 첨가된 무기 물질 함량은 70 질량%, 좀 더 바람직하게는 약 50 질량% 보다 낮아야 한다.
ㆍ 삼산화붕소(boron trioxide)로 표현되는, 고형화된 폐기물의 붕소 농도는 3 질량% 보다 높아야 하고, 바람직하게는 6.5 질량% 이상이어야 한다.
ㆍ 산화알루미늄으로 표현되는, 고형화된 폐기물의 알루미늄 농도는 25 질량%, 바람직하게는 약 7 질량% 보다 낮아야 한다.
ㆍ 고형화된 폐기물의 붕소 대 알루미늄의 몰비는 0.2 보다 더 높아야 하고, 바람직하게는 약 2 이다.
ㆍ 고형화된 폐기물은 섭씨 600도의 열처리 후에 그것의 특징적 특성을 상당히 잃지 않으면서, 내열성이어야 한다.
ㆍ 고형화된 폐기물의 압축 강도는 제조 후 28일째에 5 MPa 보다 높아야 한다.
ㆍ 모스 경도계(Mohs hardness scale)로 측정시, 고형화된 폐기물의 경도는 7 보다 높아야 한다(고형화된 폐기물은 유리를 스크래치할 수 있어야 한다).
ㆍ 미국 표준 ANSI/ANS-16.1-2003에서 정의되는 침출 테스트를 이용하여 결정되는 폐기물의 침출 지수는 6 보다 높아야 한다.
적용된 제조 기술이 너무 복잡하거나 너무 에너지-소모성(따라서 값비싼)이면 고품질의 고형화된 폐기물 형태를 제조할 가치가 없다. 복잡하지 않고 너무 비용이 많이 들지 않는 방사성 폐기물 고형화 방법만이 실제 널리 보급될 수 있다. 따라서 고형화된 폐기물 형태를 제조하기 위해 적용되는 방법은 아래의 요건을 충족하여야 한다:
ㆍ 저온, 바람직하게는 실온(섭씨 20-25도)에서도, 기본적으로 외부 가열이 필요 없이, 공정이 실행될 수 있어야 한다.
ㆍ 고형화 전에 붕산염 또는 붕산-함유 폐기물을 결정화할 필요가 없어야 한다. 고형화 공정은 리터 당 330-400 g의 건조 고형물(붕산 나트륨)을 함유하는 핵 발전소로부터 방출된 붕산 용액 및 농축물에 적용가능하여야 한다.
ㆍ 공정 물질은 공정 기술을 방해할 정도로 제조 및 혼합되는 동안 발포(foam)되어서는 아니된다.
ㆍ 고형화된 폐기물 형태는 장기(또는 최종) 저장을 위해 적용되는 배럴 용기에서도, 단순히 혼합함에 의해 제조될 수 있어야 한다.
본 발명은 알칼리 물질로서 알칼리 규산염이 저온에서 붕산염 및 특정의 알루미늄-함유 무기 성분들과 반응하였을 때 알루미노보로실리케이트를 형성하는 것을 인식한 것에 기초한다. 그 공정 동안, 액체 알칼리 규산염 및 액체 또는 고체 붕산염은 알루미늄-함유 무기 성분들, 및 더 소량으로 적용된 첨가제들과 혼합되어야 한다. 이렇게 합성된 알루미노보로실리케이트의 특성은 원하는 특징을 얻기 위하여 서로 다른 양의 무기 물질을 첨가함으로써 유리하게 조절될 수 있다.
상기 알칼리 규산염은 성분들을 혼합하기 전 또는 혼합하는 동안 이산화규소 및 알칼리 수산화물로부터 생성될 수 있다. 대부분의 경우 카올린 또는 고온에서 예비 처리된 카올린이 알루미늄 소스(aluminium source)로서 적용될 수 있다. 적용가능한 첨가제들은 Ca-규산염 및 기타의 규산염, 제올라이트, 디아토마이트(diatomite), 점토 광물(clay minerals) 및 금속 산화물 (예를 들어, ZnO, CaO, MgO, TiO2, Al2O3, 산화납, 산화크롬, 산화망간, 산화코발트, 산화철, 산화붕소)이다. 경화가 종료되기 전에, 이렇게 생성된 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트는 서로 다른 필러 물질(filler materials)과 물론 혼합될 수 있다.
본 발명에 따른 화학 반응 동안, 무기 폴리머-구조 알루미노보로실리케이트 및 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트가 생성된다. 다양한 천연 및 합성 알루미노실리케이트에 비하여, 상기 무기 폴리머 구조의 주요 차이점은 본 발명의 경우 알루미늄 원자가 대부분 화학적으로 유사한 붕소 원자로 대체된다는 것이다.
방사성 붕소를 함유하는 농축물 또는 방사성 오염된 결정형 붕산 또는 붕산염으로부터 안전한 장기 저장용으로 적합한 폐기물 형태를 제조하기 위한 공정의 가장 중요한 원리는 붕소-함유 폐기물이 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트로 변형된다는 것이다. 따라서, 고형화된 폐기물에서 방사성 폐기물에 첨가되는 물질은 폐기물을 캡슐화할 뿐만 아니라 그것과 화학적으로 반응하여, 비교적 내화학성(chemically resistant)인, 균질하고 순수한 또는 첨가제-함유하는 알루미노보로실리케이트 폴리머를 형성한다. 새로 형성된 물질은 유기(organic) 성분 보다는, 무기 성분들로 구성된다. 알루미노보로실리케이트 물질을 생성하는 화학 반응은 수성 및 수성 겔 상(aqueous gel phase)에서 일어난다. 따라서 붕산염 또는 붕산-함유 방사성 폐기물의 안전한 장기 저장을 위한 본 발명의 해결책은 저온에서 폐기물을 석재의(stone-like) 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 블록으로 화학적 변형시키는 것으로 구성된다.
본 발명에 앞서 설정된 상기 목적을 충족하는 포괄적 해결책은 독립 청구항에 기재된다. 본 발명에 따른 방법을 실행하는 바람직한 방법은 종속 청구항에 기재된다.
본 발명에 따른 알루미노보로실리케이트는 알칼리성의 알칼리 규산염이 붕산 및/또는 붕산염 및 특정의 알루미늄-함유 무기 성분들과 반응하도록 저온, 바람직하게 실온에서 제조될 수 있다. 원하는 물질의 특징에 최적 근사치로 도달하기 위하여, 이렇게 합성된 알루미노보로실리케이트의 특성은 낮은 양의 무기 첨가제를 첨가함으로써 바람직하게 조절될 수 있다. 상기 물질은 섬유-보강 형태(fibre-reinforced form)로 제조될 수 있으며, 이 경우 고체 섬유 물질은 상기 제조된 조성물에 그것이 아직 가소성(plastic)일 때 혼합되어야 한다.
상기 물질을 제조하는 방법은 먼저 액체 성분 및 미세 분말 형태의 고체 성분을 제조하고, 그 다음 저온에서 상기 분말 성분을 상기 액체 성분에 소량(in small charges) 혼합하는 것을 포함한다. 적용되는 첨가제의 종류 및 양에 따라, 그렇게 얻어진 진한 조성물(thick composition)은 10분 내지 1시간 사이에 실온에서 고형화되며, 서서히 계속 경화되어, 그 압축 강도가 3주 내에 최종 값에 도달한다. 경화 시간은 실온보다 더 높은 온도에서 더 짧다.
상기 방법이 붕산염-함유 핵 폐기물의 고형화를 위해 적용될 경우, 상기 물질의 붕소 함량은 상기 핵 폐기물로부터 유래한다. 고형화된 폐기물 형태에서 방사성 폐기물은 첨가된 물질에 의해 캡슐화되고 매립될 뿐만 아니라, 상기 첨가된 물질은 그것과 화학 반응하여, 화학적으로 결합된 형태의 방사성 동위원소를 함유하는 신규의 저항성인, 균질의 물질(첨가제 함유-알루미노보로실리케이트)을 형성한다. 이러한 방식으로 고형화된 핵 폐기물은 방사성 동위원소를 방출하지 않고 지하의 방사성 폐기물 처리 설비에서 오랜 시간 동안 저장될 수 있다.
상기 물질은 수동으로 또는 기계 교반을 적용하여 저온에서 제조될 수 있다. 산업용 제조의 경우, 배치-타입 또는 연속 기술이 적용될 수 있다. 방사성 폐기물이 처리되는 경우, 방사선 차폐(radiation shielding)용 수단을 제공할 필요가 있다.
첨가제-함유 알루미노보로실리케이트는 저온에서 다음과 같은 기본 성분들로부터 제조될 수 있다:
기본 성분 성분 도입 화합물
붕소 (B) 수용성 붕소 화합물, 붕산, 알칼리 및 알칼리 토금속 붕산염, 붕사 및 그 수용액
분말 형태: 산화붕소 및 붕소-함유 미네랄
규소 (Si) 알칼리 및 알칼리 토금속의 규산염 및 그 수용액 (물유리).
분말 형태: 이산화규소, 디아토마이트, 카올린, 제올라이트, 발전소로부터의 비산재(flue ash), 점토, 점토 광물, 장석(feldspars), 퍼라이트(perlite), 샤모트(chamotte), 알루미노실리케이트 산업용 폐기물.
칼륨 (K) 규산칼륨, 수산화칼륨, 탄산 및 중탄산칼륨(potassium carbonate and bicarbonate), 인산칼륨 및 그 수용액.
나트륨 (Na) 규산나트륨, 수산화나트륨, 탄산 및 중탄산나트륨, 붕사,
제올라이트, 인산나트륨 및 그 수용액.
알루미늄 (Al) 분말 형태: 카올린, 열처리된 카올린, 제올라이트, 산화알루미늄, 알루미나,
수산화알루미늄, 알루미노실리케이트 산업용 폐기물, 점토, 점토 광물,
장석, 퍼라이트, 샤모트, 제올라이트.
모든 분말-형태 성분들, 특히 규소 및 알루미늄 함유 성분들의 경우, 분말의 입자 크기 분포는 매우 중요하다. 일반 규칙으로서, 적용된 물질의 입자 크기가 작을수록 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 기계적 특성은 더 좋아진다고 말할 수 있다.
알루미늄 소스 화합물(aluminium source compound)의 경우 1-1000 마이크로미터의 입자 크기 범위가 적당하지만, 바람직하게는 90 마이크로미터 미만의 입자 크기를 갖는 물질이 적용되어야 한다. 실리콘 소스(예를 들어 이산화규소)의 경우 적당한 입자 크기 범위는 0.1-10 마이크로미터지만, 바람직하게는 0.1-5 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 물질이 적용되어 충분히 양호한 특징을 갖는 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트가 얻어지도록 하여야 한다. 이산화규소의 경우 상기 입자 크기는 분말이 실온에서 30-40% 수산화-칼륨 또는 -나트륨 용액에 용해될 수 있을 정도로 작아야 한다.
알루미노보로실리케이트 물질의 특성은 서로 다른 첨가제를 적용함으로써 조절될 수 있다. 첨가제로서는 1-500 마이크로미터의 입자 크기 범위가 적당하지만, 10-90 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 물질을 적용하는 것이 바람직하다. 첨가제들은 그것의 유효 행동(effective behaviour)에 기초하여, 아래의 군으로 분류될 수 있다:
기계적 특성 및 내수성(water resistance)을 개선하기 위한 첨가제
산화아연 (ZnO)
산화마그네슘 (MgO)
산화망간, 예를 들면 이산화망간 (MnO2)
규산칼슘 미네랄, 수산화칼슘
시멘트
특별한 특성을 얻기 위한 첨가제
산화납: 감마선(gamma radiation)에 대한 차폐를 제공하여, 방사성 차폐 원소가 되도록 적용됨.
황산바륨: 감마선(gamma rays)에 대한 차폐를 제공하여, 방사선 차폐 원소가 되도록 적용됨.
마그네타이트(Magnetite): 첨가된 마그네타이트를 함유하는 보로실리케이트는 자석에 이끌린다.
실용적 적용의 측면에서 이들 물질은 또한 중요한데, 낮은 농도(1 질량% 미만)로 적용될 경우 이들은 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 특성에 영향을 주지 않지만 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 폴리머에서 화학적으로 결합된다. 그러한 원소들은 예를 들어 코발트와 세슘(cesium)이다. 이들 원소는 핵 폐기물에 나타나는 방사성 동위원소를 갖는다.
많은 경우, 특히 비핵 적용의 경우, 경화되기 전에 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 필러 물질과 혼합하는 것이 적합하다. 적용 분야에 따라, 필러 물질의 적용량은 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 양의 0.01-5배일 수 있다. 적용된 필러 물질은 알루미늄 및 규소를 함유하는 미네랄일 수 있으며, 이는 다음을 포함하지만 이에 한하지 않는다:
코런덤(Corundum)
퍼라이트(Perlite)
디아토마이트(Diatomite)
모래(Sand)
제올라이트(Zeolite)
그로그(Grog)
응회암(Volcanic tuffs)
발전소로부터의 비산재(Flue ash)
보통 필러 물질로서 1-2000 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 물질을 적용하는 것이 적합하다.
첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 경화 시간의 조절:
ㆍ 경화 시간은 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 칼륨 및 나트륨 농도의 비율을 조절함으로써 가장 효율적으로 조절될 수 있다. 나트륨 대 칼륨의 몰비가 높은 경우, 상기 물질은 느리게 경화되지만, 칼륨 대 나트륨의 몰비가 높은 경우 신속하게 경화된다. 후자의 경우, 완전히 경화된 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 물질은 더 나은 기계적 특징 및 개선된 내수성을 갖는다.
ㆍ 경화 시간은 또한 첨가제에 의하여 조절될 수 있는데, 예를 들어 이산화티탄(titanium dioxide), 또는 특정의 경우 수산화칼슘은 경화 시간을 증가시킨다.
ㆍ 상기 물질이 혼합에 의해 제조되는 온도가 또한 경화 시간에 영향을 줄 수 있다: 상기 물질은 온도가 높을수록 더 빨리 경화된다.
저온에서 제조 가능한 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 조성 (산화물로서 표현됨, 질량%로 주어짐)은 원소 당 다음과 같은 농도 범위를 가질 수 있다:
원소 성분 농도 범위
(질량 %)		 바람직한 농도 범위
(질량 %)
붕소 (B2O3) 3-18 4-12
알루미늄 (Al2O3) 5-30 6-21
규소 (SiO2) 20-40 26-37
칼륨 (K2O) 4-15 5-13
나트륨 (Na2O) 2-6 4-5
수소 (H2O) 15-45 25-40
칼슘 (CaO), 아연 (ZnO), 마그네슘 (MgO),
티탄 (TiO2), 납 (Pb3O4),
망간 (MnO2), 철 (Fe2O3), 바륨 (BaO),
크롬 (Cr2O3), 코발트 (CoO), 세슘 (Cs2O),
0-10
0-3
실온에서 제조된 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 주요 성분들의 몰비는 다음의 범위에 있을 수 있다:
성분들의 몰비 가능한 몰비 범위
(-)		 바람직한 몰비 범위
(-)
붕소 (B) / 알루미늄 (Al) 0.1-5.0 0.3-4.0
붕소 (B) / 규소 (Si) 0.1-2.0 0.2-0.9
칼륨 (K) / 나트륨 (Na) 0.2-4.0 0.5-2.0
산소(O) 및 수소(H) 원소 성분들은 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하기 위해 사용되는 기초 화합물에서 높은 비율로 발생한다. 그러나, 그들의 양이나 비율이 알루미노보로실리케이트의 최고의 특징적 특성들 중 하나는 아니므로, 그들의 농도 비율은 특정되지 않았다.
상기 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하는 방법은 먼저 액체 성분 및 미세 분말 형태의 고체 성분을 제조하고, 그 다음 저온에서 상기 분말 성분을 상기 액체 성분에 소량 혼합하는 것을 포함한다. 산업-규모의 제조를 위해서는, 적용되는 물질의 특징 및 화학 반응에 의하여 요구되는, 아래의 특별한 기술적 요건이 고려되어야 한다:
ㆍ 혼합하기 전 액체 및 분말 성분 모두는 별도로 균질화(homogenized)되어야 한다. 산업용 제조의 경우, 기계 혼합이 필요하다. 액체 및 분말 성분을 혼합하기 위해서는, 점성 물질을 혼합하기에 적당한 믹서, 예를 들어 리본 믹서(ribbon mixers), 또는 식품 산업에서 사용되는 반죽 기계(kneading machines)가 적용되어야 한다.
ㆍ 분말 성분은 항상 소량으로 액체 성분에 첨가되어야 한다. 그러나, 액체 성분은 분말 성분에 소량으로 첨가될 수 없다.
ㆍ 붕산염 또는 붕산-함유 방사성 폐기물이 고형화되는 경우, 액체 성분은 수성 방사성 폐기물 용액을 부분적으로 증발시킴으로써 얻어지는 진한 액체(thick liquid)로 부분적 또는 전적으로 구성될 수 있다. 이 경우 폐기물질을 결정화할 필요는 없다. 따라서 상기 방사성 폐기 물질은 액체 성분 및 분말 성분 모두의 일부를 구성할 수 있다.
ㆍ 상기 물질의 경화는 물질이 혼합되는 용기를 냉각함으로써 지연될 수 있다.
ㆍ 상기 보로실리케이트 물질은 주조 또는 몰딩에 의해 제조될 수 있다. 몰딩을 위해서는, 과립상의, 젖은 물질(earth-damp material)이 혼합 공정에 의해 제조되어야 하며, 상기 물질의 최종 형상은 몰드의 형상에 의해 결정된다.
ㆍ 상기 방법이 방사성 폐기물을 고형화하기 위해 적용되는 경우, 제조 장비는 방사선 차폐를 가져야 한다.
ㆍ 제조 방법은 배치식(batch-type) 또는 연속식일 수 있다. 연속식 공정에서 상기 물질은 이송 스크류(transport screw)를 이용하여 이동될 수 있다. 상기 제조 방법은 자동화될 수 있다.
수동식 및 기계식 공정 모두의 주요 공정 파라미터는 다음과 같다:
제조 파라미터 파라미터 범위
첨가제-함유 알루미노보로실리케이트가
생성되는 온도		 섭씨 0-120도,
바람직하게는 실온 (섭씨 20-25도)
압력 정상 대기압
평균 혼합 시간 1-30 분
본 발명의 유리한 효과
저-활성도 및 중-활성도 핵 폐기물의 장기(최종(terminal)) 저장은 매우 중요한 환경 이슈이다. 이러한 유형의 폐기물의 상당량은 붕산 또는 붕산나트륨을 함유하는 결정형 물질 또는 진한 액체로 구성된다. 정상적 작동 조건하에서 각 PWR 블록은 연간 수백 입방 미터(cubic metres)의 이러한 유형의 폐기물을 생성할 수 있다. 핵 폐기물은 낮은 농도처럼 보이지만 보통 30년의 반감기(137Cs) 또는 훨씬 더 긴 반감기를 갖는 상당한 활성도를 나타내는 동위원소를 함유하므로 수백년간 저장되어야 한다. 그러한 유형의 폐기물을 액체 또는 수용성 결정 형태로 저장하는 것은 안전하다고 여겨지지 않으므로, 고형화 기술을 적용하는 것이 필수이다. 현재 가장 널리 알려진 그러한 기술은 시멘테이션(cementation)이다. 시멘테이션은 상기 폐기물 부피를 2.5-3배 증가시키므로, 폐기물 저장 또는 처리를 위한 총 비용은 지하 처리 시설의 높은 건설 비용으로 인하여 상당히 증가하게 된다. 상기 언급된 폐기물 유형을 고형화하기 위한 다수의 신규 방법들이 최근 알려졌지만, 이들 모두는 하나 이상의 다음과 같은 단점을 갖는다: 고형화되는 동안의 부피 증가, 높은 비용, 고형화된 폐기물 형태로부터 동위 원소의 비교적 쉬운 방출. 본 발명은 비교적 저비용이고, 낮은 부피 증가를 보이며, 우수한 특징을 갖는 고형화된 폐기물 형태를 제공하는, 폐기물 고형화의 간단한 해결책을 제공한다. 상기에 기초할 때, 본 발명은 환경 보호를 위해 상당히 중요하고, 안전한 핵 발전(nuclear power generation)의 장기 지속가능성(long-term sustainability)에 상당히 기여할 수 있을 것으로 생각된다.
첨가제-함유 알루미노보로실리케이트는 매우 이로운 기계적 특징을 갖고, 저온에서 비교적 저렴하게 제조될 수 있으므로, 이들은 많은 비핵 분야, 예를 들어 자기(porcelain) 및 세라믹 재질을 대체하는 분야에 적용될 수 있을 것이다. 이로운 특징들 때문에, 알루미노보로실리케이트는 또한 내화성 또는 내열성 코팅으로서 또는 내화성 구성 요소로서 적용될 수 있다.
실시예
실시예 1
비핵 적용을 위한 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 물질의 제조
실시예 1에서는 실온에서 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하는 방법이 기재된다. 상기 방법은 먼저 액체 성분 및 고체의 미세 분말 성분을 준비하고, 그 다음 상기 분말을 상기 액체 성분에 소량 혼합하는 것을 포함한다.
액체 성분을 제조하는 단계:
먼저, Na-붕산염 용액을 제조한다. 26 g의 고체 NaOH를 153.6 g의 물에 첨가한 다음, 38 g의 결정형 붕산(H3BO3)을 상기 용액에 용해시킨다. 이렇게 하여 질량 220 g 및 200 cm3 부피를 갖는 용액이 얻어진다. 43 g의 KOH 및 12 g의 NaOH를 이 용액에 용해시켜 액체 성분의 제조를 완성한다.
미세 분말 성분의 제조:
256 g의 SiO2, 150 g의 Al2O3, 26 g의 B2O3, 3 g의 TiO2, 및 4 g의 Ca(OH)2 를 함께 혼합한다.
상기 분말 성분을 상기 액체 성분에 소량으로 첨가하고, 이렇게 얻어진 조성물을 몰드에서 주조하여 실온에서 고형화되도록 방치한다. 이렇게 얻어진 진한(thick) 조성물은 30분 안에 고형화되며, 서서히 계속 경화되어, 그 압축 강도가 3주 안에 최종 값에 도달한다. 고형화된 물질은 매우 딱딱하여, 그 물질의 날카로운 부분이 유리를 스크래치할 정도이다.
경화되기 전에, 추가의 첨가제를 상기 물질에 첨가할 수 있다. 기계적 특징을 개선하기 위하여 섬유 보강재를 적용하는 것이 유리할 수 있는데, 이는 섬유를 여전히 플라스틱인 조성물에 첨가하는 것을 포함한다. 상기 섬유 보강재는 예를 들어 탄소 섬유, 현무암 섬유(basalt fibre), 유리섬유, 케블라(Kevlar) 섬유, 또는 기타 섬유일 수 있다.
실시예 2
방사성 붕산-함유 농축물을 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트로 변형.
실시예 2는 방사성 붕산-함유 농축물을 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 폴리머로 변형하는 방법을 예시한다.
소량으로 존재하는 유기 오염원 및 동위 원소(예를 들어 60Co, 137Cs 등)를 무시하면, 상기 방사성 붕산-함유 농축물의 조성은 70 질량%의 물, 18.3 질량%의 붕산 및 11.7 질량%의 수산화나트륨이다. 상기 농축물의 밀도는 약 1.2 kg/리터이다. 고형화된 폐기물 형태가 앞서 기재된 요건들을 충족하는 방식으로 유사한 조성의 붕산-함유 농축물 100 리터를 고형화하기 위하여, 아래 조성의 미세 분말 물질이 상기 액체 농축물에 혼합된다:
28 kg 고체 수산화칼륨, 63 kg 이산화규소, 23 kg 카올린, 4 kg 제올라이트, 4 kg Ca-규산염, 8 kg 산화알루미늄, 2 kg 산화마그네슘.
이렇게 얻어진 진한(thick) 조성물은 30분 안에 고형화되며, 서서히 계속 경화되어, 그 압축 강도가 3주 안에 최종 값에 도달한다. 고형화된 물질은 매우 딱딱하여, 그 물질의 날카로운 부분이 유리를 스크래치할 수 있을 정도이다. 이렇게 생성된 고형화된 폐기물의 부피는 원래의 액체 방사성 폐기물 용액의 부피 보다 단지 5% 더 높다.
산업용 적용을 위해 상기 성분들의 양을 증가시켜, 상기 물질이 폐기물 저장을 위해 보통 적용되는 200-리터 배럴 용기에서 혼합되고 나중에 저장될 수 있도록 하는 것이 적당하다.
실시예 3
방사성 오염된 결정형 붕사를 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트로 캡슐화.
실시예 3은 방사성 오염된 결정형 붕사를 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트 폴리머로 캡슐화하는 방법의 적용을 예시한다.
앞서 기재된 요건에 부합하는 방식으로 1 kg의 방사성 결정형 붕사(Na2B4O7 ·10H2O)를 고형화하기 위하여, 다음의 공정이 적용된다: 0.44 kg의 고체 수산화칼륨을 0.7 kg의 물에 용해시킨다. 그 다음, 1 kg의 방사성 오염된 결정형 붕사를 이 용액에 용해시키고, 0.67 kg SiO2, 0.52 kg 카올린 및 0.03 kg 제올라이트의 조성을 갖는 분말 성분을 계속 교반하면서 소량으로 첨가한다.
이렇게 얻어진 진한 조성물은 30분 안에 고형화되며, 서서히 계속 경화되어, 그 압축 강도가 3주 안에 최종 값에 도달한다. 고형화된 물질은 매우 딱딱하여, 그 물질의 날카로운 부분이 유리를 스크래치할 수 있을 정도이다. 이러한 방식으로 고형화된 폐기물의 부피는 상기 공정에 입력된 결정형 붕사 1 kg 부피의 단지 1.05배이다.
산업용 적용을 위해 상기 성분들의 양을 증가시켜, 상기 물질이 폐기물 저장을 위해 보통 적용되는 200-리터 배럴 용기에서 혼합되고 나중에 저장될 수 있도록 하는 것이 적당하다.

Claims (18)

  1. 액체 알칼리 규산염, 액체 및/또는 고체 붕산 또는 붕산염, 알루미늄-함유 무기 성분 및 하나 이상의 첨가제 성분들이 저온, 바람직하게 실온에서 혼합된 것을 특징으로 하는 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트.
  2. 제1항에 있어서,
    조성(산화물로 표현됨)이 붕소 3-18 질량%, 알루미늄 5-30 질량%, 규소 20-40 질량%, 칼륨 4-15 질량%, 나트륨 2-6 질량%, 수소 15-45 질량%인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 칼륨 대 나트륨의 몰비는 0.2-4.0, 바람직하게는 0.5-2.0인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알칼리 규산염은 이산화규소 및 알칼리 수산화물로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 무기 성분은 카올린 또는 고온 처리된 카올린인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 첨가제는 규산염, 예를 들어 Ca-규산염, 점토 광물, 또는 금속 산화물인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 성분들에 필러 물질이 혼합되는 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 필러 물질은 코런덤, 제올라이트, 또는 발전소로부터의 비산재와 같은, 알루미늄 또는 규소-함유 광물질인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 및/또는 고체 붕산 또는 붕산염은 붕소-함유 저-활성도 또는 중-활성도 방사성 폐기물로부터 유래한 것을 특징으로 하는, 방사성 폐기물 매립용으로 구성된 알루미노보로실리케이트.
  10. 액체 알칼리 규산염,
    액체 및/또는 고체 붕산 또는 붕산염,
    알루미늄-함유 무기 성분, 및
    하나 이상의 첨가제 성분들로부터
    저온, 바람직하게는 실온에서 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트를 제조하는 방법으로서,
    상기 방법은
    - 상기 액체 성분들로부터 균질의 액체를 제조하고,
    - 상기 고체 성분들로부터 고체 분말을 제조하고,
    - 상기 분말 성분을 상기 액체 성분에 점차적으로 혼합하는 단계로 구성되는, 첨가제-함유 알루미노보로실리케이트의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고체 분말 성분의 입자 크기는 0-1000 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 알루미늄-함유 고체 분말은 90 마이크로미터 미만의 입자 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 규소-함유 고체 분말의 입자 크기는 0.1 내지 10 마이크로미터, 바람직하게는 0.1 내지 5 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 첨가제의 입자 크기는 1 내지 500 마이크로미터, 바람직하게는 10 내지 90 마이크로미터인 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트의 제조방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 및 분말 성분들을 혼합한 후, 상기 혼합물을 고형화하기 전에, 상기 혼합물에 필러 물질을 혼합하는 것을 특징으로 하는 알루미노보로실리케이트의 제조방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법의 결과로서 얻어지는 알루미노보로실리케이트의 내화성 및 내열성 코팅으로의 사용으로서, 상기 혼합물은 고형화되기 전에 가연성 표면에 적용되고, 상기 혼합물은 스프레딩(spreading) 또는 스프레이(spraying)에 의해 상기 표면에 적용되는 것을 특징으로 하는, 알루미노보로실리케이트의 내화성 및 내열성 코팅으로서의 사용.
  17. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법의 결과로서 얻어지는 알루미노보로실리케이트의 내화성 및 내열성 구성 요소로의 사용으로서, 상기 혼합물은 고형화되기 전에 주조되거나 몰드 내로 성형되는 것을 특징으로 하는, 알루미노보로실리케이트의 내화성 및 내열성 구성 요소로서의 사용.
  18. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법의 결과로서 얻어지는 알루미노보로실리케이트를 방사성 폐기물의 고형화를 위해 사용하는 것으로서, 고형화된 수불용성 폐기물 형태는 상기 고형 분말 성분을 배럴 용기에서 액체 상태로 저장된 상기 방사성 폐기물에 혼합함으로써 생성되는 것을 특징으로 하는, 방사성 폐기물의 고형화를 위한 알루미노보로실리케이트의 사용.
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