RU2022378C1 - Способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу - Google Patents
Способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу Download PDFInfo
- Publication number
- RU2022378C1 RU2022378C1 SU5012795A RU2022378C1 RU 2022378 C1 RU2022378 C1 RU 2022378C1 SU 5012795 A SU5012795 A SU 5012795A RU 2022378 C1 RU2022378 C1 RU 2022378C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waste
- melt
- density
- metal
- matrix
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
- Manufacture And Refinement Of Metals (AREA)
Abstract
Использование: способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу может быть использован на специализированных пунктах, занимающихя переработкой и/или захоронением отходов. Сущность изобретения: после размещения в емкости хранилища радиоактивных отходов их заливают металлическим расплавом, состоящим из компонентов, взаиморастворяющихся друг в друге, с плотностями, равными больше и меньше плотностей разных видов радиоактивных отходов, причем температура расплава на 200 - 250°С выше температуры самого тугоплавкого из всех входящих в расплав компонентов. После кристаллизации полученный металлоблок имеет параметры, удовлетворяющие его надежному хранению в течение времени полного распада радионуклидов. 2 ил.
Description
Изобретение относится к охране окружающей среды, в частности к переработке твердых высокоактивных отходов путем включения их в металлические матрицы. Наиболее эффективно способ может быть использован на пунктах захоронения радиоактивных отходов при захоронении отработавших источников ионизирующего излучения.
Способы включения радиоактивных отходов высокого уровня активности в металлические матрицы уже известны.
Известен способ обработки высокоактивных отходов с последующим включением их в металлическую матрицу [1]. Сущность известного способа заключается в том, что кальцинированные или остеклованные радиоактивные отходы включают в металлическую матрицу в экранированном (снабженном радиационной защитой) металлическом контейнере с последующим направлением его на захоронение, причем подача матричного металла в контейнер осуществляется различными способами, одним из которых является заливка радиоактивных отходов расплавом матричного металла.
Недостатками данного способа являются радиационная опасность для обслуживающего персонала, невозможность увеличения удельной активности захораниваемого материала в объеме матрицы за счет опасности роста температуры матричного металлоблока.
Известен способ обработки радиоактивных металлов. Сущность способа заключается в плавлении нерастворимых частиц радиоактивных металлов на горячем слое порошка матричного металла или сплава до образования соединения металлов матрицы с радиоактивными металлами [2].
Недостатками данного способа являются радиационная опасность для обслуживающего персонала; повышенный унос радионуклидов в процессе плавления радиоактивных металлов; необходимость создания дополнительного изолирующего барьера вокруг матрицы с радиоактивными металлами, что снижает технико-экономические характеристики процесса; возможность загрязнения окружающей среды, обусловленная выщелачиванием радиоактивных металлов непосредственно с поверхности получаемого металлического блока.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ фиксации отработавших источников ионизирующего излучения, помещенных в хранилище колодезного типа, путем порционной заливки их расплавом свинца или его сплавами в резервуаре хранилища, при этом включение их в металл проводят до полного заполнения объема резервуара хранилища [3].
Недостатками этого способа являются образование системы микротрещин в объеме матрицы на границе контакта слоев в результате порционной подачи расплава металла, что может привести к миграции радионуклидов в окружающую среду; контакт между фиксируемыми в матрице источниками ионизирующего излучения, что приводит к неравномерному распределению радиационных полей по высоте резервуара хранилища; улетучивание радионуклидов в окружающую среду за счет тепловых конвекционных потоков вследствие долговременного воздействия высоких температур на источники ионизирующего излучения при порционной подаче расплава металла.
Указанные недостатки приводят к снижению безопасности захоронения и возможности загрязнения окружающей среды радионуклидами.
Целью изобретения является повышение безопасности хранения металлоблока с фиксированными в нем радиоактивными отходами.
Цель достигается тем, что размещенные в резервуаре хранилища твердые высокоактивные отходы заливают расплавом, состоящим не менее чем из трех взаимно растворимых друг в друге видов металла и/или его сплавов, с плотностями равной, ниже и выше плотности фиксируемых в матрице отходов, при этом объем расплава компонента с плотностью, равной плотности отходов, берут на 20-50% больше объема отходов, определяемого по формуле
Vp≥ (1-b)h , где Vр - объем расплава металлического компонента с плотностью, равной плотности фиксируемых в матрице отходов или каждого вида отходов, входящих в захораниваемую группу отходов, см;
h - высота слоя отходов или каждого вида отходов, входящих в группу фиксируемых в металлической матрице, см;
D - диаметр резервуара хранилища, см;
b - коэффициент, показывающий долю объема, занимаемого группой отходов в одном слое, и температурой расплава на 200-250оС выше температуры самого тугоплавкого из всех входящих в расплав компонентов.
Vp≥ (1-b)h , где Vр - объем расплава металлического компонента с плотностью, равной плотности фиксируемых в матрице отходов или каждого вида отходов, входящих в захораниваемую группу отходов, см;
h - высота слоя отходов или каждого вида отходов, входящих в группу фиксируемых в металлической матрице, см;
D - диаметр резервуара хранилища, см;
b - коэффициент, показывающий долю объема, занимаемого группой отходов в одном слое, и температурой расплава на 200-250оС выше температуры самого тугоплавкого из всех входящих в расплав компонентов.
Если же в состав отходов входят отходы с разными плотностями, то в матричный материал помимо металлов с плотностями выше и ниже плотности отходов подбирают металлы с плотностями, равными плотностям отдельных видов отходов, при сохранении вышеуказанного требования объема расплава для каждого вида отходов.
Новым в заявляемом способе является использование не менее, чем трехкомпонентного металлического расплава, причем плотность одного из компонентов расплава равна плотности фиксируемых в нем отходов, а двух других - ниже и выше плотности отходов. При одновременном фиксировании в матричном материале нескольких видов отходов с разными плотностями в матричный материал подбирают такое количество металлов и/или сплавов с соответствующими плотностями, сколько видов отходов входят в состав фиксируемых в этом матричном материале отходов.
Новым также является и то, что объем расплава металла с плотностью, равной плотности соответствующего вида отходов, берут на 20-50% больше объема отходов данного вида, определяемого по формуле
Vp≥ (1-b)h , где Vр - объем расплава металлического компонента с плотностью, равной плотности фиксируемых в матрице отходов или каждого вида отходов, входящих в захораниваемую группу отходов, см;
h - высота слоя отходов или каждого вида отходов, входящих в группу фиксируемых в металлической матрице, см;
D - диаметр резервуара хранилища, см;
b - коэффициент, показывающий долю объема, занимаемого группой отходов в одном слое.
Vp≥ (1-b)h , где Vр - объем расплава металлического компонента с плотностью, равной плотности фиксируемых в матрице отходов или каждого вида отходов, входящих в захораниваемую группу отходов, см;
h - высота слоя отходов или каждого вида отходов, входящих в группу фиксируемых в металлической матрице, см;
D - диаметр резервуара хранилища, см;
b - коэффициент, показывающий долю объема, занимаемого группой отходов в одном слое.
Указанные отличия обеспечивают не только взвешенное расположение отходов в расплаве металлического компонента с плотностью, равной плотности отходов, но и создают дополнительный барьер между слоями отходов и металлов с более высокой и более низкой плотностями, чем плотность отходов, которые после отверждения выступают как барьер, полностью предотвращающий контакт отходов с окружающей средой.
Превышение объема расплава на 20% обусловлено минимальным значением компонента, позволяющим создать условия для бесконтактного распределения отходов в объеме данного компонента и создания дополнительного слоя над отходами. Превышение объема расплава на 50% обусловлено экономической целесообразностью. Объем расплава компонента в интервале 20-50% определяется временем, необходимым для безопасного хранения отходов до их полного распада в случае полного разрушения дополнительного барьера за счет коррозии.
Новым также является то, что температура многокомпонентного расплава, используемого для заливки, должна быть выше температуры плавления самого тугоплавкого металла, входящего в матричный материал, на 200-250оС, так как это обеспечивает свободное проникновение расплава в отходы и приведение их во взвешенное состояние в соответствующем слое расплава.
Кроме того, проведение процесса фиксации будет зависеть от растворимости используемых металлов и/или сплавов. Если растворимость компонентов < 50%, то возможно их совместное плавление и подача в резервуар. Если растворимость компонентов матричной системы > 50%, необходимо осуществлять подачу компонентов в следующей последовательности: первоначально подают компонент с плотностью больше плотности самой тяжелой части твердых высокоактивных отходов, затем подаются части металлической системы с плотностями, соответствующими плотностям частей твердых высокоактивных отходов, начиная с тяжелого компонента, последней подается самая легкая часть многокомпонентной системы.
Фиксация отходов высокого уровня активности в такой многокомпонентной металлической системе обеспечивает после отверждения расплава с отходами многослойный металлоблок с физико-химическими параметрами, исключающими возможность разрушения, а также расслоение этого металлоблока в процессе хранения.
Предлагаемый способ иллюстрируется фиг.1. В хранилище 1 через загрузочную трубу 2 укладывают отходы 4 и подают расплавленную смесь, состоящую из трех компонентов 3, 5, 6 (компонентная металлическая система). Плотности компонентов металлической системы и отходов соотносятся следующим образом:
ρн.сл> ρср.сл>ρвер.сл, где ρ вре.сл - плотность компонента металлической системы, меньшая, чем плотность отходов;
ρ отх. - плотность радиоактивных отходов;
ρ ср.сл - плотность компонента металлической системы, равная плотности отходов;
ρ н.сл - плотность компонента металлической системы, большая, чем плотность отходов.
ρн.сл> ρср.сл>ρвер.сл, где ρ вре.сл - плотность компонента металлической системы, меньшая, чем плотность отходов;
ρ отх. - плотность радиоактивных отходов;
ρ ср.сл - плотность компонента металлической системы, равная плотности отходов;
ρ н.сл - плотность компонента металлической системы, большая, чем плотность отходов.
В процессе поступления расплава в хранилище происходит распределение расплава компонентов металлической системы в соответствии с плотностями, при этом расплав с ρ н.сл образует слой 6, с ρ ср.сл - 5, с ρ вер.сл - 3.
П р и м е р 1. В резервуар хранилища (скважину) с D = 4 дм, Н = 10 дм размещают партию отходов высокого уровня активности (отработавшие источники Со с d = 0,1 - 0,3 дм, h = 0,1-1,0 дм), высота слоя отходов h = 0,2-0,4 дм, суммарная активность 5-25 тыс. Ku. Плотность отходов равна 7,2 г/см 7,2 г/см. Затем на них подают расплав, состоящий из трех компонентов: Pb, Zn, Al. Плотность Pb > плотности Al, плотность Al < плотности Zn, а плотность Zn равна плотности отходов. Объем каждого вида расплава равен: расплав Al с плотностью, меньшей плотности отходов, -2-3 дм; расплав Pb с плотностью, большей плотности отходов, -2-3 дм; расплав Zn с плотностью, равной плотности отходов, -7-8 дм.
Взаимная растворимость компонентов друг в друге Al-Zn свыше 50%, следовательно, плавление и подача компонентов будут осуществляться раздельно, а компонентов Pb-Zn - меньше 50% следовательно, их можно подавать в виде смеси. Температура каждого компонента должна быть на 200-250оС больше температуры плавления.
После отверждения расплава с отходами получен трехслойный металлоблок, в котором слой с более высокой плотностью имеет высоту ≈ 0,15 дм, слой с более низкой плотностью ≈ 0,15 дм, и слой с отходами ≈ 0,5 дм. Превышение объема расплава компонента с плотностью, равной плотности отходов, составило 20% , при этом толщина слоя твердых растворов (фиг.1) составила ≈ 0,1 дм. При превышении объема компонента с плотностью, равной плотности отходов, на 50% объем данного компонента будет равен ≈ 10 дм, а толщина слоя твердых растворов ≈ 0,2 дм.
Так как компоненты данной системы обладают взаимной растворимостью друг в друге, то, следовательно, в процессе заливки высокоактивных отходов будет образовываться монолитный металлоблок со слоями твердых растворов, основанных на Al-Zn и Zn-Pb. Включение высокоактивных отходов в матрицу из Zn и барьеры в виде слоя твердых растворов Al-Zn и Al в верхней части и слоя твердых растворов Zn-Pb и Pb в нижней части металлоблока позволяют говорить об отсутствии условий для возникновения электрохимической коррозии между отходами и матрицей.
Если отходы имеют многокомпонентный состав, то для каждого вида отходов подбирают состав металлов или/и его сплавов с соответствующими плотностями, т. е. равными плотностям каждого вида отходов, и соответствующее количество металла (по объему для каждого вида отходов).
П р и м е р 2. В резервуар хранилища с D = 4 дм, Н = 10 дм размещают две группы отходов высокого уровня активности (отработавшие источники Со с d = 0,11-0,26 дм, h = 0,12-1,0 дм, ρ≈ 7,2 г/см; стеклогранулы ρ = 4,05 г/см), общей высотой слоя отходов h≈1 дм с суммарной активностью 5-25 т.Ku (фиг. 2). Затем на них подают расплав, состоящий из компонентов Pb-Zn с плотностью, большей плотности группы отходов ( ρ = 7,2 г/cм), металл Pb ( ρ = 11,3 г/см), компонент Zn с плотностью, равной плотности группы отходов ( ρ = 7,2 г/см). После этого осуществляют раздельную подачу следующих компонентов: 50% Al - 50% Cu компонент (сплав) с плотностью, равной плотности отходов (стеклогранулы ρ = 4,05 г/см), компонент Al ( ρ = 2,7 г/см) с плотностью, меньшей плотности группы отходов (стеклогранулы).
После отверждения получен металлоблок со слоями: Pb - 2-3 дм; Zn - 12 дм с включенными отходами одного вида ( ρ = 7,2 г/см); 50% Al - 50% Cu - 8 дм с включенными отходами второго вида ( ρ = 4,05 г/cм); Al - 2-3 дм.
Так как металлы взаиморастворимы друг в друге, то в конечном итоге получен цельнометаллический блок по типу "слоеного пирога" с дополнительными барьерами на наружных поверхностях и между слоями отходов.
Технико-экономическая эффективность заявленного способа заключается в создании цельнометаллического блока, состоящего из нескольких составных частей и позволяющего надежно и безопасно захоронить твердые высокоактивные отходы на время, необходимое для их распада; устранении контакта между отдельными элементами захораниваемых твердых высокоактивных отходов, т.е. создании дополнительного барьера для миграции радионуклидов из объема металлоблока; использовании ранее разработанной технологии, аппаратуры, установок; возможности использования различных сплавов и металлов; равномерном распределении твердых радиоактивных отходов по высоте объеме хранилища, т. е. уменьшении воздействия радиационных полей на матрицу металла, конструкционные элементы хранилища и т.д.
Таким образом, в результате осуществления предлагаемого способа получают блок, обладающий физико-химическими параметрами, удовлетворяющими безопасным условиям хранения радиоактивных отходов до их полного распада.
Claims (1)
- СПОСОБ ВКЛЮЧЕНИЯ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В МЕТАЛЛИЧЕСКУЮ МАТРИЦУ, заключающийся в размещении отходов в резервуаре хранилища, заливке их расплавом, отверждении расплава в резервуаре и последующем повторении этих операций до полного заполнения резервуара, отличающийся тем, что используют расплав взаиморастворяющихся друг в друге металлов с плотностями выше и ниже плотности отходов, в который дополнительно включают взаиморастворяющийся или способный образовывать с компонентами расплава твердые растворы металлический компонент с плотностью, равной плотности отходов, или группу металлических компонентов с плотностями, равными плотностям разных видов отходов, включенных в металлическую матрицу, при этом объем расплава дополнительного металлического компонента или металлических компонентов, входящих в группу, берут на 20 - 50% больше объема отходов в соответствии с соотношением
Vp≥ (1-b)h
где Vр - объем расплава металлического компонента с плотностью, равной плотности фиксируемых в матрице отходов или каждого вида отходов, входящих в захораниваемую группу отходов, см3;
h - высота слоя отходов или каждого вида отходов, входящих в группу фиксируемых в металлической матрице, см;
D - диаметр резервуара хранилища, см;
b - коэффициент, показывающий долю объема, занимаемого группой отходов в одном слое,
при этом заливку осуществляют расплавом, температура которого на 200 - 250oС выше температуры самого тугоплавкого из всех входящих в расплав компонентов.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5012795 RU2022378C1 (ru) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | Способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU5012795 RU2022378C1 (ru) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | Способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2022378C1 true RU2022378C1 (ru) | 1994-10-30 |
Family
ID=21589643
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU5012795 RU2022378C1 (ru) | 1991-11-25 | 1991-11-25 | Способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2022378C1 (ru) |
-
1991
- 1991-11-25 RU SU5012795 patent/RU2022378C1/ru active
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
1. Патент ФРГ N 2731548, кл. G 21F 9/00, 1979. * |
2. Патент США N 4571307, кл. G 21F 9/16, 1986. * |
3. Авторское свидетельство СССР N 1184382, кл. G 21F 9/28, 1984. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4316814A (en) | Seal for a storage bore hole accommodating radioactive waste and method of applying the seal | |
EP1600984A1 (en) | Cask, composition for neutron shielding body, and method of manufacturing the neutron shielding body | |
DE2614187A1 (de) | Auffangvorrichtung fuer abgeschmolzenes material des reaktorkerns im falle eines zu einer reaktorkernabschmelzung fuehrenden reaktorunfalls | |
DE3002695A1 (de) | Verfahren zum fuellen eines lagerungs- faehigen behaelters mit festem radioaktivem abfall | |
DE2418518A1 (de) | Speichervorrichtung fuer radioaktiven abfall | |
EP0128418B1 (de) | Betonbehälter zur Aufnahme bioschädlicher Stoffe | |
RU2022378C1 (ru) | Способ включения твердых высокоактивных отходов в металлическую матрицу | |
US4738564A (en) | Nuclear and toxic waste recycling process | |
JP4115299B2 (ja) | キャスク、中性子遮蔽体用組成物、及び、中性子遮蔽体製造法 | |
DE2524169A1 (de) | Hochradioaktiven abfall enthaltende koerper und verfahren zu ihrer herstellung | |
US6846967B2 (en) | Nuclear waste disposal system | |
DE2551349C2 (de) | Verfahren zur Herstellung von Körpern mit hochradioaktive Abfallstoffe und/oder Aktinide enthaltendem Glasgranulat | |
DE2731548A1 (de) | Verfahren und anlage zur manipulation von radioaktiven abfaellen | |
DE3006507A1 (de) | Stoerfallschutz fuer die lagerung selbsterhitzender radioaktiver stoffe | |
US4472298A (en) | Process for embedding radioactive, especially tritium containing waste | |
DE2600790C2 (de) | Verfahren zur Beseitigung von hochradioaktiven Abfällen | |
McElroy et al. | Alternative solidified forms for nuclear wastes | |
Mendel et al. | WASTE SOLIDIFICATION PROGRAM. VOLUME 10. EVALUATION OF SOLIDIFIED WASTE PRODUCTS. | |
Jardine et al. | Perspective of metal encapsulation of waste.[Evaluation of solid waste encapsulation in lead alloys] | |
US3567648A (en) | Dissolution of stainless steel clad nuclear fuel elements | |
RU1718671C (ru) | Способ захоронени твердых высокоактивных отходов в геологических формаци х | |
DE10148146B4 (de) | Verfahren zur Entsorgung eines mit mindestens einem Radiotoxikum kontaminierten Gegenstandes aus Reaktorgraphit und/oder Kohlestein | |
Bernadzikowski et al. | Evaluation and selection of candidate high-level waste forms | |
Nelson et al. | Nuclear-waste encapsulation by metal-matrix casting | |
Lokken | Multibarrier waste forms. Part III: Process considerations. |