RU2131628C1 - Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов - Google Patents
Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2131628C1 RU2131628C1 RU97113190A RU97113190A RU2131628C1 RU 2131628 C1 RU2131628 C1 RU 2131628C1 RU 97113190 A RU97113190 A RU 97113190A RU 97113190 A RU97113190 A RU 97113190A RU 2131628 C1 RU2131628 C1 RU 2131628C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- alkali
- amount
- alkali metal
- mixture
- inert
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности, в частности к отверждению отходов, путем их включения в искусственные минералоподобные формы, пригодные для долговременного захоронения. Сущность изобретения: радиоактивные отходы щелочных металлов вводят в щелочь. Отличительной особенностью изобретения является то, что щелочные металлы до введения в щелочь смешивают с инертным носителем, после чего смешивают со щелочью, добавляют затворяющий раствор и глинистую добавку, концентрацию щелочи поддерживают в интервале от 55 до 65 мас. %, а глинистую добавку вводят в количестве от 18 до 22 мас. %. В качестве инертного носителя используют доменные гранулированные шлаки с фракцией 300-400 м/кг и в количестве 63-73 маc. %, а в качестве глинистой добавки применяют каолиновую или бентонитовую глину. Кроме того, в инертный носитель дополнительно вводят добавку натрийзамещенного клиноптилолита в количестве не более 5 мас. %. Изобретение позволяет провести переработку радиоактивных отходов щелочных металлов в безопасном режиме при низкой температуре и достичь иммобилизации отходов в геоцементные компаунды, обладающие высокой водоустойчивостью и высокими прочностными показателями. 6 з.п. ф-лы, 2 табл.
Description
Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности (<10 Ku/л), в частности к отверждению отходов путем их включения в искусственные минералоподобные формы, пригодные для долговременного захоронения.
Эксплуатация ядерно-энергетических установок с щелочно-металлическими теплоносителями требует создания технологий и оборудования по переработке и безопасному захоронению радиоактивных отходов теплоносителей, образующихся как при нормальной эксплуатации, так и в аварийных условиях, а также при выводе реакторов из эксплуатации.
Особенность химической природы щелочных металлов (Na, NaK, Cs) определяет необходимость разработки безопасных и надежных способов обращения с отходами щелочных металлов, их перевода в химически неактивное состояние. Современный подход предполагает комплексное решение проблемы обезвреживания радиоактивных отходов щелочных металлов с учетом процессов переработки отходов и иммобилизации конечных продуктов.
Известен способ переработки отходов щелочных металлов [1], включающий приготовление водного раствора гидроксида щелочного металла в жидком состоянии или ~ 55% по весу, нагревание щелочного металла до температуры плавления до образования расплава, вбрызгивание расплава в раствор, добавление воды к смеси в количествах, достаточных для поддержания концентрации гидроксидов щелочного металла в смеси на уровне 70-90% (вес.), а температуры смеси на уровне температуры кипения (для 90%-ной смеси 200-220oC).
Недостатками известного способа являются получение продуктов переработки в жидком состоянии, не пригодном для длительного хранения, а также необходимость подогрева реакционной смеси в процессе переработки, необходимость использования разбрызгивающих (распыляющих) устройств, надежная эксплуатация которых весьма сложна применительно к отходам РАО щелочных металлов, вследствие возможности частого забивания частицами (например, окислов и других твердых примесей).
Наиболее близким техническим решением является способ переработки радиоактивных щелочных металлов [2], в котором расплавленные отходы щелочных металлов в инертной атмосфере смешивают с цементом, обрабатывают газовой смесью, содержащей углекислый газ, водяной пар и инертный газ, а затем пропаривают водяным паром. Полученный продукт охлаждают, насыщают водой до водовяжущего отношения 0,3-0,6 и после прекращения перемешивания выдерживают до отверждения. Недостатками этого способа являются: большая энергоемкость и длительность во времени на стадиях обработки газовой смесью и последующей пропарки водяным паром. Кроме того, высокая экзотермичность процесса окисления создает технические сложности по поддержанию безопасных и изотермических условий процесса.
Задачей изобретения является создание экологически безопасного технологического способа переработки отходов щелочных металлов, позволяющего одновременно переводить (окислять) щелочной металл в химически неактивное состояние и закреплять радиоактивные вещества в твердой матрице с минимальными затратами электроэнергии и времени.
Указанная задача решается тем, что способ переработки радиоактивных отходов (РАО) щелочных металлов включает: - диспергирование РАО щелочного металла на твердом инертном наполнителе до получения сухой, сыпучей цементноподобной смеси; - затворение полученной смеси вместе с твердыми глинистыми добавками водным раствором путем дозирования поочередно с водным раствором при перемешивании образующейся раствороцементной массы.
Состав и соотношение используемых в этих двух операциях компонентов (РАО щелочного металла, инертный наполнитель, глинистые добавки, затворяющий водный раствор) определены с таким расчетом, что в результате самопроизвольного твердения полученной раствороцементной массы образуется конечный продукт переработки - высокоустойчивый алюмощелочной силикат (геоцемент типа Ме2О•СаО•Al2О3•(2-4)SiO2•nН2О или Ме2О•Al2О3•(2-4)SiO2•nН2О,
пригодный для экологически безопасного захоронения (где Ме - щелочной металл).
пригодный для экологически безопасного захоронения (где Ме - щелочной металл).
Сущность метода заключается в следующем:
Расплав радиоактивных отходов щелочного металла (натрия, калия, сплава натрий-калий) диспергируют на инертном носителе, являющемся одновременно вяжущим компонентом, в качестве которого используют гранулированные доменные металлургические шлаки мелкого помола с удельной поверхностью 300-400 мг/кг без добавок или с добавкой мелкомолотого натрийзамещенного клиноптилолита.
Расплав радиоактивных отходов щелочного металла (натрия, калия, сплава натрий-калий) диспергируют на инертном носителе, являющемся одновременно вяжущим компонентом, в качестве которого используют гранулированные доменные металлургические шлаки мелкого помола с удельной поверхностью 300-400 мг/кг без добавок или с добавкой мелкомолотого натрийзамещенного клиноптилолита.
Первую порцию тонкодисперсной смеси затворяют концентрированием (~ 60% мас. ) щелочным раствором до образования шликерной массы нормальной густоты, а последующие порции тонкодисперсной смеси затворяют водой или водным раствором (в качестве которого используют жидкие радиоактивные отходы с солесодержанием до 300 г/л вместе с глинистыми добавками, в качестве которых используют каолиновую или бентонитовую глины) путем дозирования смеси поочередно с раствором при перемешивании шликерной массы.
Обе операции (диспергирование и затворение) проводят в атмосфере инертного газа.
Названные компоненты используют при следующих соотношениях: РАО щелочного металла - 9-12% мас.
доменный гранулированный шлак, дисперсность 300-400 м2/кг - 73-63% мас.
Клиноптилолит натрийзамещенный - 0-5% мас.
Глинистые добавки (каолин, бентонит) - 18-22% мас.
при водотвердом соотношении в/т =0,4-0,7 в процессе затворения.
Смесь названных компонентов обладает вяжущими свойствами и после затворения и самопроизвольного твердения в нормально-влажностных условиях образует шлако-щелочной цементный камень.
В состав отвержденного продукта входят различные новообразования, в том числе аналогии породообразующих минералов, отличающихся высокой устойчивостью к природным агрессивным средам. В зависимости от условий твердения и времени выдержки эти новообразования характеризуются общими формулами Na2О•Al2О3•(2-4)SiO2•2Н2О и Na2О•СаО•Al2О3•(2-4)SiO2•2Н2О. В состав отвержденного продукта входят также низкоосновные силикаты кальция и другие водоустойчивые соединения. Полученные отвержденные материалы обладают необходимыми свойствами для их экологически безопасного долговременного хранения и захоронения.
В соответствии с предлагаемым способом на первом этапе (диспергирование) достигается максимальное увеличение поверхности щелочного металла, что позволяет обеспечить необходимые кинетические параметры, управляемость и полноту реакции на втором этапе (затворение). В процессе диспергирования расплава металла на инертном носителе не происходит химического превращения щелочного металла, а распределение его в виде тонкой пленки (0,5-1000 мкм) на высокоразвитой поверхности частиц инертного носителя (молотого шлака).
Состав шлака представляет собой аморфную, обезвоженную смесь оксидов (табл. 1 см. в конце описания), химически инертных к щелочному металлу, но обладающих вяжущими свойствами при образовании щелочного алюмосиликата - конечного продукта переработки.
Процесс диспергирования не сопровождается выделением тепла, реализуется при рабочей температуре, соответствующей температуре плавления перерабатываемого щелочного металла: для Na tисх =100-120oC, для К tисх =65-90oC, для сплава NaK tисх =tкомн.
В условиях перемешивания в инертной атмосфере при соблюдении указанных выше соотношений компонентов щелочной металл:шлак (с добавкой клиноптилолита или без нее) за период в 10-15 минут образуется сыпучая тонкодисперсная смесь. При более высоком содержании щелочного металла смесь теряет свойство сыпучести, становится тестообразной, труднотранспортабельной. Кроме того, отклонение от указанных соотношений компонентов приводит у ухудшению водоустойчивости и прочностных характеристик конечного продукта - продукта переработки - щелочного алюмосиликата.
На втором этапе предлагаемого способа (затворение) достигается химическое превращение щелочного металла в щелочь и одновременная иммобилизация ее в алюмосиликатную вяжущую систему.
Процесс сопровождается выделением водорода в газовую фазу и самопроизвольным разогревом реакционной массы как за счет экзотермической реакции
так и за счет гидратационного взаимодействия в образующихся минералоподобных структурах.
так и за счет гидратационного взаимодействия в образующихся минералоподобных структурах.
Проведение процесса затворения в соответствии с предлагаемым способом позволяет осуществлять окисление щелочного металла в пастообразной консистенции реакционной массы в безопасном полунепрерывном режиме.
Процесс регулируется подачей в реакционную массу соответствующих компонентов (тонкодисперсной смеси шлака с щелочным металлом и затворяющего раствора с глиной) и контролируется содержанием водорода в газовой фазе.
Затворение первой порции тонкодисперсной смеси 60%-ным щелочным раствором и последующее дозирование смеси малыми порциями поочередно с водой (водным раствором ЖРО) проводят с таким расчетом, чтобы процесс окисления щелочного металла протекал в концентрационном интервале щелочного раствора 60±5%.
Высокая щелочность реакционной массы, ее пастообразная консистенция за счет присутствия вяжущих и глинистых компонентов обусловливают безопасный, управляемый характер процесса затворения. Высокоразвитая площадь реакционной поверхности щелочного металла в виде тонкой пленки на поверхности шлака обеспечивает практически мгновенное окисление щелочного металла при введении в вяжущую систему (щелочную реакционную массу).
Проведение процесса в соответствии с предлагаемым способом обеспечивает самопроизвольный разогрев реакционной массы до t<100oC, что способствует подсушиванию твердеющей массы, ее быстрому схватыванию и формированию минералоподобной структуры, прочно удерживающей радионуклиды в своей матрице. Принудительный обогрев для подсушивания и обжига продукта не применялся.
Низкотемпературный характер процесса (<100oC) определяет низкую величину упругости паров цезия (его радионуклидов Cs-134, Cs-137) <0,003 мм рт.ст., т.е. предотвращает активное образование радиоактивных аэрозолей.
В качестве затворяющего раствора использовали в том числе и модельные системы, имитирующие радиоактивные отходы атомных станций с реакторами типа РБМК, состава, % мас.:
NaNO3 - 54,5
Na2С2О4 - 8,1
NaOH+КОН - 8,3
Na3РО4 - 7,1
NaCI - 1,1
Сульфанол - 3,6
Fe2О3 - 2,6
Фильтроперлит - 4,5
Солесодержание 50-300 г/л, что позволяет одновременно перерабатывать два вида отходов и повышать емкость конечного продукта переработки по количеству радиоактивных отходов, связанных в нем.
NaNO3 - 54,5
Na2С2О4 - 8,1
NaOH+КОН - 8,3
Na3РО4 - 7,1
NaCI - 1,1
Сульфанол - 3,6
Fe2О3 - 2,6
Фильтроперлит - 4,5
Солесодержание 50-300 г/л, что позволяет одновременно перерабатывать два вида отходов и повышать емкость конечного продукта переработки по количеству радиоактивных отходов, связанных в нем.
Примеры осуществления
Пример 1. В лабораторный химический реактор с мешалкой в среде азота загружали 20 г натрия с суммарной активностью по Cs-137, 3,5•108 Бк, 140 г доменного шлака мелкого помола и 10 г клиноптилолита натрийзамещенного, что соответствует их стехиометрическому соотношению. Реактор герметично закрывали, включали электрообогрев реактора.
Пример 1. В лабораторный химический реактор с мешалкой в среде азота загружали 20 г натрия с суммарной активностью по Cs-137, 3,5•108 Бк, 140 г доменного шлака мелкого помола и 10 г клиноптилолита натрийзамещенного, что соответствует их стехиометрическому соотношению. Реактор герметично закрывали, включали электрообогрев реактора.
По достижении температуры 100oC включали мешалку (~ 100 об/мин), а при 120oC принудительный обогрев выключали. Продолжительность работы мешалки для получения тонкодиспергированной смеси не превышала 10 минут, однако, перемешивание не прекращали до охлаждения смеси.
Образовавшийся продукт - сухой, сыпучий порошок, содержащий металлический натрий в виде тонкой пленки на поверхности частиц шлака затворяли водой в атмосфере азота при перемешивании при водотвердом отношении В/т =0,53. Первую порцию тонкодисперсной смеси (~ 5 г) затворили 60%-ным раствором NaOH (5 мл), дальнейшее затворение проводили путем дозирования смеси порциями поочередно с каолином и водным раствором солей, соответствующим по составу ЖРО АЭС с РБМК.
Всего было использовано:
Натрия - 20г
Шлака доменного - 140г
Клиноптилолита натрийзамещенного - 10г
Каолина - 46г
Водного раствора NaOH (60%) - 5мл
Модельного водного раствора солей - 126мл
Полученную массу при уплотнении укладывали в цилиндрические формы размером 27х27 мм, затем образцы твердели в течение 1 суток в формах и распалубливались. После 28 суток твердения в нормально влажностных условиях образцы подвергали испытаниям на прочностные свойства и выщелачиваемость по общепринятой методике МАГАТЕ.
Натрия - 20г
Шлака доменного - 140г
Клиноптилолита натрийзамещенного - 10г
Каолина - 46г
Водного раствора NaOH (60%) - 5мл
Модельного водного раствора солей - 126мл
Полученную массу при уплотнении укладывали в цилиндрические формы размером 27х27 мм, затем образцы твердели в течение 1 суток в формах и распалубливались. После 28 суток твердения в нормально влажностных условиях образцы подвергали испытаниям на прочностные свойства и выщелачиваемость по общепринятой методике МАГАТЕ.
В результате проведенных исследований установлено, что прочность образцов геоцементного камня составляет 17-18,3 МПа, скорость выщелачивания составляет 4,2-5,8•10-5кг/м 2•сутки, а количество связанных солей в компаунде составляет 17,4% мас.
Пример 2. Примеры, приведенные в табл.2 (см. в конце описания), отличаются от примера 1 соотношением компонентов в исходной смеси, использованием раствора солей в качестве затворяющих растворов и использованием различных щелочных металлов.
Изобретение позволяет провести переработку радиоактивных щелочных металлов в безопасном управляемом режиме при низкой температуре (<100oC) и одновременно достичь иммобилизации отходов в геоцементные компаунды, обладающие высокой водоустойчивостью и высокими прочностными показателями (>10 МПа), удовлетворяющими требованиям МАГАТЕ.
Предлагаемый способ позволяет одновременно перерабатывать два вида отходов - РАО щелочных металлов и ЖРО с солесодержанием до 300 г/л.
Источники информации
1. Патент Великобритании N 1538500, МПК СО1D 1/04, G21F 9/00 от 06.09.76г. (опубликован 17.01.1979г.)
2. Авторское свидетельство СССР N 1347788 МПК G21F 9/30, 1991.
1. Патент Великобритании N 1538500, МПК СО1D 1/04, G21F 9/00 от 06.09.76г. (опубликован 17.01.1979г.)
2. Авторское свидетельство СССР N 1347788 МПК G21F 9/30, 1991.
Claims (7)
1. Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов, заключающийся в том, что расплавленные отходы щелочных металлов в инертной атмосфере смешивают с инертным вяжущим носителем и при перемешивании затворяют водой или водным раствором, отличающийся тем, что первые порции смеси щелочного металла с инертным вяжущим носителем затворяют концентрированным водным раствором щелочи, а затем добавляют дозированно последующие порции смеси щелочного металла с инертным вяжущим носителем поочередно с водой или затворяющим раствором с глинистой добавкой.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что концентрацию щелочного раствора в затворяемой массе поддерживают в интервале от 55 до 65 мас.%.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве инертного вяжущего носителя используют доменные гранулированные шлаки в количестве 63-73 мас.%, а глинистую добавку вводят в количестве от 18 до 22 мас.% в расчете на сухие компоненты вяжущей системы.
4. Способ по п.1 или 3, отличающийся тем, что инертный вяжущий носитель применяют с фракцией 300-400 м2/кг.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в инертный вяжущий носитель дополнительно вводят добавку натрийзамещенного клиноптилолита в количестве не более 5 мас.%.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве затворяющего раствора используют водные радиоактивные отходы АЭС с солесодержанием 50-300 г/л.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве глинистой добавки используют каолиновую или бентонитовую глину.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97113190A RU2131628C1 (ru) | 1997-07-31 | 1997-07-31 | Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97113190A RU2131628C1 (ru) | 1997-07-31 | 1997-07-31 | Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2131628C1 true RU2131628C1 (ru) | 1999-06-10 |
Family
ID=20195901
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97113190A RU2131628C1 (ru) | 1997-07-31 | 1997-07-31 | Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2131628C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2542729C2 (ru) * | 2013-06-25 | 2015-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Способ переработки радиоактивного щелочного металла |
-
1997
- 1997-07-31 RU RU97113190A patent/RU2131628C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2542729C2 (ru) * | 2013-06-25 | 2015-02-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр Российской Федерации-Физико-энергетический институт имени А.И. Лейпунского" | Способ переработки радиоактивного щелочного металла |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6133498A (en) | Method for producing chemically bonded phosphate ceramics and for stabilizing contaminants encapsulated therein utilizing reducing agents | |
US3988258A (en) | Radwaste disposal by incorporation in matrix | |
US5830815A (en) | Method of waste stabilization via chemically bonded phosphate ceramics | |
US7745679B2 (en) | Method of waste stabilization with dewatered chemically bonded phosphate ceramics | |
US4620947A (en) | Solidification of aqueous radioactive waste using insoluble compounds of magnesium oxide | |
CN85103176B (zh) | 放射性废物固化的工艺过程 | |
JP2513690B2 (ja) | 放射性廃棄物の固化剤 | |
US5457262A (en) | Preparation of inorganic hardenable slurry and method for solidifying wastes with the same | |
Kononenko et al. | Immobilization of NPP evaporator bottom high salt-bearing liquid radioactive waste into struvite-based phosphate matrices | |
RU2131628C1 (ru) | Способ переработки радиоактивных отходов щелочных металлов | |
US4533395A (en) | Method of making a leach resistant fixation product of harmful water-containing waste and cement | |
US8742195B2 (en) | Aluminum phosphate ceramics for waste storage | |
US7812209B2 (en) | Method for solidifying and stabilizing a concentrated aqueous sodium hydroxide solution | |
JPS6120839B2 (ru) | ||
JP2908107B2 (ja) | 放射性廃棄物用固化材及び放射性廃棄物の処理方法 | |
JP3809045B2 (ja) | 沸騰水型原子力発電所から生じた低レベル放射性湿潤廃棄物の共固化方法 | |
US5973220A (en) | Method of disposal of metallic aluminum-containing radioactive solid waste | |
EP1137014B1 (en) | Co-solidification of low-level radioactive wet wastes produced from BWR nuclear power plants | |
CN111933326A (zh) | 一种处理放射性含氚废水的方法 | |
EP0157771A1 (en) | Improved solidification of aqueous radioactive waste using insoluble compounds of magnesium oxide | |
JPS60159699A (ja) | 核排棄物の固定化方法 | |
JPH06300893A (ja) | 放射性廃棄物の固型化材料 | |
JPS6132000A (ja) | 焼却灰の固化処理方法 | |
JPH0646235B2 (ja) | 放射性廃棄物用固化材料 | |
JPS6056299A (ja) | 粒状放射性廃棄物の固化方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150801 |