RU2189652C1 - Method, mineral matrix block and device for immobilizing radioactive wastes - Google Patents
Method, mineral matrix block and device for immobilizing radioactive wastes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2189652C1 RU2189652C1 RU2000131656A RU2000131656A RU2189652C1 RU 2189652 C1 RU2189652 C1 RU 2189652C1 RU 2000131656 A RU2000131656 A RU 2000131656A RU 2000131656 A RU2000131656 A RU 2000131656A RU 2189652 C1 RU2189652 C1 RU 2189652C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- mixture
- radioactive waste
- reducing agent
- oxidizing agent
- mineral
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Processing Of Solid Wastes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к охране окружающей среды, точнее, к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем иммобилизации радионуклидов (РН) в устойчивые минеральные матричные блоки, пригодные для долговременного хранения и захоронения. Наиболее эффективно заявляемые способ и устройство могут быть реализованы при переработке кальцинатов жидких радиоактивных отходов, зольных остатков, образующихся при сжигании твердых РАО, смесей, получаемых в результате высокотемпературной переработки жидких и твердых РАО. The invention relates to the protection of the environment, more specifically, to the field of processing of radioactive waste (RW) by immobilizing radionuclides (PH) into stable mineral matrix blocks suitable for long-term storage and disposal. The most effectively claimed method and device can be implemented in the processing of calcifications of liquid radioactive waste, ash residues generated by the burning of solid radioactive waste, mixtures resulting from high-temperature processing of liquid and solid radioactive waste.
Известен способ переработки РАО, включающий смешивание РАО с материалами, обеспечивающими образование металлокерамических матричных композиций (с шихтой, компоненты которой выбирают из ряда s-, р-, d-, f- элементов и их оксидов, например, Cr2O3, Fe2O3, NiO, SiO2, TiO2, ZrO2, CaO, BaO, Al2O3, CrFe, Ni, Mg, Al, Si, Ti), обеспечивая "термичность" смеси, включающей РАО. в пределах 40...60 кДж/г-атом, добавление к полученной смеси связующих неорганических материалов (водный раствор жидкого стекла), формование из полученной влажной смеси брикета с последующим углекислотным отверждением обдувом углекислым газом и тепловой сушкой при 200...250oС в течение 2,3...3 час, размещение высушенного брикета в литейной форме с обеспечением зазоров между поверхностями брикета и внутренними поверхностями формы, инициирование в брикете экзотермической реакции заливкой в зазор между брикетом и формой расплавов металла или оксидов с температурой 1000...1600oС, или заполнением названного зазора металлотермической смесью с последующим ее воспламенением. После завершения экзотермической реакции в брикете при естественном остывании продуктов реакции формируется матрица, консервирующая РАО, а в зазоре между формой и полученной матрицей из затвердевшего расплава металла или оксидов образуется защитный слой, дополнительно изолирующий матрицу с РАО от окружающей среды [1].A known method for the processing of radioactive waste, including mixing the radioactive waste with materials providing the formation of cermet matrix compositions (with a charge, the components of which are selected from a number of s-, p-, d-, f- elements and their oxides, for example, Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , NiO, SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 , CaO, BaO, Al 2 O 3 , CrFe, Ni, Mg, Al, Si, Ti), providing the "thermal" of the mixture, including RAO. in the range of 40 ... 60 kJ / g-atom, adding inorganic materials to the mixture obtained (aqueous solution of liquid glass), forming a briquette from the resulting wet mixture, followed by carbon dioxide curing by blowing with carbon dioxide and heat drying at 200 ... 250 o C within 2.3 ... 3 hours, placing the dried briquette in the mold with the provision of gaps between the surfaces of the briquette and the inner surfaces of the mold, initiating an exothermic reaction in the briquette by filling the gap between the briquette and the shape of the molten metal or hydroxy dow with a temperature of 1000 ... 1600 o C, or filling the named gap metallothermal mixture with its subsequent ignition. After completion of the exothermic reaction, a matrix preserving RAO is formed in the briquette when the reaction products are naturally cooled, and a protective layer is formed in the gap between the form and the matrix obtained from the hardened metal or oxide melt, additionally isolating the matrix with RAO from the environment [1].
Недостатками известного способа являются повышенная сложность и многостадийность процесса, необходимость сложного и дорогого оборудования для получения высокотемпературных расплавов металлов или оксидов, для прессования брикетов, их углекислотного отверждения и высокотемпературной сушки. Повышенная опасность, связанная с выделением водорода при взаимодействии водного раствора жидкого стекла с порошкообразным алюминием при нагревании, что не исключает образования взрывоопасных концентраций водорода с воздухом. При использовании в данном способе металлотермической смеси для воспламенения брикета образуется защитный слой, состоящий преимущественно из металла в нижней части и оксидов в верхней части, граница между которыми имеет поры разной величины и незначительную механическую прочность, что ухудшает защитные функции полученного слоя. The disadvantages of this method are the increased complexity and multi-stage process, the need for complex and expensive equipment for producing high-temperature melts of metals or oxides, for pressing briquettes, their carbon dioxide curing and high-temperature drying. The increased danger associated with the release of hydrogen during the interaction of an aqueous solution of liquid glass with powdered aluminum during heating, which does not exclude the formation of explosive concentrations of hydrogen with air. When a metallothermal mixture is used in this method to ignite the briquette, a protective layer is formed, consisting mainly of metal in the lower part and oxides in the upper part, the boundary between which has pores of different sizes and insignificant mechanical strength, which impairs the protective functions of the obtained layer.
Известен также способ переработки РАО, прошедших предварительную высокотемпературную обработку [2] , включающий смешивание их с окислителем (свинцовый сурик), восстановителем (силикокальций) и минеральной добавкой - стеклообразователем (боросиликатная стеклошихта или стеклофритта), размещение металлической емкости для полученной смеси в сетчатом кожухе с зазором, заполнение зазора между стенками и дном емкости и сетчатым кожухом порошкообразным малогазовым составом на основе алюминия, магния и их сплавов, заполнение емкости смесью РАО с окислителем, восстановителем и стеклообразователем, получение стеклоподобного конечного продукта одновременным инициированием экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и стеклообразователем, находящимся в емкости, и в малогазовом составе, находящемся в зазоре между емкостью и сетчатым кожухом, охлаждение стеклоподобного конечного продукта за счет естественного снижения температуры и захоронение. There is also known a method of processing radwaste that has undergone preliminary high-temperature treatment [2], including mixing them with an oxidizing agent (lead minium), a reducing agent (silicocalcium) and a mineral additive - glass former (borosilicate glass charge or glass frit), placing a metal container for the resulting mixture in a mesh casing with gap, filling the gap between the walls and the bottom of the tank and the mesh casing with a powdery low-gas composition based on aluminum, magnesium and their alloys, filling the tank with a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a glass former, obtaining a glass-like final product by simultaneously initiating an exothermic reaction in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a glass former located in the vessel and in a low-gas composition located in the gap between the vessel and the mesh casing, cooling the glass-like final product due to the natural temperature reduction and burial.
Недостатками известного способа являются возможность термического разрушения корпуса емкости из-за одновременного двухстороннего высокотемпературного воздействия, что снижает качество изоляции РАО от окружающей среды. Повышенная опасность способа обусловлена возможностью просыпания порошкообразного малогазового состава через отверстия в сетчатом кожухе, образованием значительного объема аэрозольной фазы при горении состава на основе магния, алюминия и их сплавов в зазоре между стенками емкости и сетчатым кожухом, а также образованием при этом пористых, нестойких к воде и влаге воздуха шлаков, содержащих нитриды магния и алюминия, которые не обеспечивают дополнительной изоляции стеклоподобного конечного продукта с РАО от окружающей среды. The disadvantages of this method are the possibility of thermal destruction of the tank body due to the simultaneous bilateral high-temperature exposure, which reduces the quality of the isolation of radioactive waste from the environment. The increased danger of the method is caused by the possibility of spilling a powdered low-gas composition through holes in the mesh casing, the formation of a significant amount of the aerosol phase during combustion of the composition based on magnesium, aluminum and their alloys in the gap between the walls of the tank and the mesh casing, as well as the formation of porous, water-resistant and moisture in the air of slags containing magnesium and aluminum nitrides, which do not provide additional isolation of the glass-like end product with radioactive waste from the environment.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ остекловывания радиоактивной золы и устройство для его осуществления [3]. Известный способ включает смешивание радиоактивной золы с окислителем (перманганат калия или двуокись марганца), порошкообразным алюминием, силикокальцием (восстановителем) и ускорителем (минеральной добавкой - фторидом калия, натрия или кальция) при следующем соотношении компонентов, мас.%: радиоактивная зола 50-60, окислитель 18-22, порошкообразный алюминий 3-7, силикокальций 18-22, ускоритель 1-2, загрузку порции полученной стеклообразующей смеси во внутреннюю емкость, осуществление нагрева порции смеси путем инициирования в ней экзотермической реакции между порошкообразным алюминием, силикокальцием и окислителем (путем поджига или электрическим разрядом), подачу каждой последующей порции смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем на поверхность стеклорасплава осуществляют после перехода в стеклорасплав предыдущей порции до заполнения емкости конечным продуктом. После этого устройство охлаждают за счет естественного снижения температуры, закрывают крышкой и отправляют на захоронение. The closest in technical essence to the claimed method (prototype) is a method of vitrification of radioactive ash and a device for its implementation [3]. The known method involves mixing radioactive ash with an oxidizing agent (potassium permanganate or manganese dioxide), powdered aluminum, silicocalcium (reducing agent) and an accelerator (mineral additive - potassium, sodium or calcium fluoride) in the following ratio, wt.%: Radioactive ash 50-60 , oxidizing agent 18-22, powdered aluminum 3-7, silicocalcium 18-22, accelerator 1-2, loading a portion of the obtained glass-forming mixture into an internal container, heating a portion of the mixture by initiating exothermic oh reaction between the powdered aluminum and silicocalcium oxidant (by ignition or electrical discharge), feeding each successive portions radioactive ash mixture with an oxidizing agent, powdered aluminum, and silicocalcium accelerator to the surface steklorasplava performed after the transition to steklorasplav previous portion to fill the final product container. After that, the device is cooled due to a natural decrease in temperature, closed with a lid and sent for burial.
Недостатками известного способа (прототипа) являются:
- повышенная опасность процесса, связанная с образованием высокого суммарного количества летучих форм радионуклидов (РН) в аэрозольной фазе и высокой вероятностью нерасчетного ускорения экзотермических реакций и выброса при этом РАО и других продуктов с высокой температурой из внутренней емкости в окружающую среду при подаче порций смеси радиоактивной золы с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой на поверхность стеклорасплава, имеющего температуру до 1700oС;
- пониженные механическая прочность конечного продукта и надежность иммобилизации в нем РН, обусловленные его повышенной пористостью из-за невозможности удаления парообразных продуктов через металлические стенки внутренней емкости, неоднородностью физико-механических характеристик по высоте из-за порционной загрузки, и наличием высоких термических и усадочных напряжений, вызванных интенсивным теплоотводом от расплавленного конечного продукта в металлическую емкость (высокими температурными градиентами в формирующемся стеклообразном блоке). Последнее усугубляется быстрым естественным остыванием до температуры окружающей среды;
- повышенный расход дорогих и дефицитных материалов (наружная и внутренняя емкости одноразовые, выполнены из металлов с температурой плавления более 1700oС);
- ограниченная область применения, обусловленная возможностью реализации способа для остекловывания только низко- и среднеактивных РАО.The disadvantages of this method (prototype) are:
- increased danger of the process associated with the formation of a high total amount of volatile forms of radionuclides (LV) in the aerosol phase and a high probability of non-calculated acceleration of exothermic reactions and the release of radioactive waste and other products with high temperature from the internal tank into the environment when serving portions of a mixture of radioactive ash with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive on the surface of the glass melt having a temperature of up to 1700 o C;
- reduced mechanical strength of the final product and the reliability of the immobilization of the pH in it, due to its increased porosity due to the inability to remove vaporous products through the metal walls of the internal container, the heterogeneity of the physical and mechanical characteristics in height due to portion loading, and the presence of high thermal and shrink stresses caused by intense heat removal from the molten end product to a metal container (high temperature gradients in the forming glass ZNOM unit). The latter is aggravated by rapid natural cooling to ambient temperature;
- increased consumption of expensive and scarce materials (external and internal containers are disposable, made of metals with a melting point of more than 1700 o C);
- limited scope, due to the possibility of implementing the method for vitrification of only low and medium active radioactive waste.
Наиболее близким к заявляемому устройству (прототипом) является устройство для реализации способа остекловывания радиоактивной золы [3], включающее металлическую емкость, расположенную внутри внешней металлической емкости коаксиально с образованием кольцевого зазора между внешней поверхностью внутренней емкости и наружной поверхностью внешней емкости, который заполняют порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, например плотным шамотом с малой теплопроводностью и температурой плавления ~ 1900oС. Кроме того, устройство содержит узел инициирования экзотермической реакции, размещенный в смеси радиоактивной золы с окислителем, порошкообразным алюминием, силикокальцием и ускорителем (минеральной добавкой).Closest to the claimed device (prototype) is a device for implementing the method of vitrification of radioactive ash [3], comprising a metal container located inside the external metal container coaxially with the formation of an annular gap between the outer surface of the inner container and the outer surface of the outer container, which is filled with a powdery inorganic thermal insulation material, for example dense fireclay with low thermal conductivity and a melting point of ~ 1900 o C. In addition, The property contains an exothermic reaction initiation unit placed in a mixture of radioactive ash with an oxidizing agent, powdered aluminum, silicocalcium, and an accelerator (mineral additive).
Недостатками устройства-прототипа являются необходимость изготовления наружной и внутренней емкостей одноразового использования из дорогих и дефицитных металлов с температурой плавления более 1700oС, относительная сложность изготовления устройства, а также повышенная опасность работы, связанная с загрязнением окружающей среды радиоактивными веществами, обусловленная возможностью выброса из устройства летучих форм РН в аэрозольной фазе при протекании экзотермической реакции, а также высокотемпературных продуктов, содержащих РАО при загрузке порций смеси на поверхность стеклообразного расплава из-за отсутствия узла газоочистки. Кроме того, возможен выход РН в окружающую среду через неплотности между крышкой и поверхностью застывшего стеклорасплава, содержащего РАО.The disadvantages of the prototype device are the need to manufacture the outer and inner disposable containers from expensive and scarce metals with a melting point of more than 1700 o C, the relative complexity of the manufacture of the device, as well as the increased danger of work associated with environmental pollution by radioactive substances, due to the possibility of discharge from the device volatile pH in the aerosol phase during an exothermic reaction, as well as high-temperature products containing RAW p When loading portions of the mixture onto the surface of a glassy melt due to the absence of a gas treatment unit. In addition, the pH can be released into the environment through leaks between the lid and the surface of the solidified glass melt containing radioactive waste.
Заявляемый способ может быть осуществлен в предлагаемом устройстве, т.е. способ и устройство решают единую техническую задачу повышения безопасности реализации процесса иммобилизации РАО, улучшения качества конечного продукта (минерального матричного блока) в части увеличения прочности матричного блока, надежности иммобилизации в нем РН, снижения расхода материалов и стоимости устройства, а также расширения области применения. The inventive method can be implemented in the proposed device, i.e. The method and device solve the common technical problem of increasing the safety of the implementation of the RW immobilization process, improving the quality of the final product (mineral matrix block) in terms of increasing the strength of the matrix block, the reliability of the pH immobilization in it, reducing the consumption of materials and the cost of the device, as well as expanding the scope.
Преимуществами заявляемого способа являются повышение безопасности его реализации, улучшение качества конечного продукта, расширение области применения. The advantages of the proposed method are improving the safety of its implementation, improving the quality of the final product, expanding the scope.
Преимуществами заявляемого устройства является улучшение качества конечного продукта, упрощение конструкции, удешевление, многократное использование. The advantages of the claimed device is to improve the quality of the final product, simplify the design, reduce the cost, reuse.
Для реализации поставленной технической задачи и достижения указанных выше преимуществ предлагается способ иммобилизации РАО в минеральный матричный блок, включающий смешивание РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, заполнение зазора между наружной и внутренней емкостями порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, загрузку полученной смеси во внутреннюю емкость, нагрев смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем инициирования в ней экзотермической реакции между окислителем и восстановителем, получение расплава конечного продукта и его охлаждение. To implement the technical task and achieve the above advantages, a method of immobilization of radioactive waste into a mineral matrix block is proposed, which includes mixing the radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive, filling the gap between the external and internal containers with a powdery inorganic heat-insulating material, loading the resulting mixture into an internal container, heating mixtures of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive by initiating in it an exothermic reaction between the oxide by casting agent and reducing agent, obtaining the melt of the final product and its cooling.
Согласно изобретению РАО смешивают с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой при следующем соотношении компонентов, % по массе:
Радиоактивные отходы - 10-45
Минеральная добавка - 1-27
Окислитель - 31-45
Восстановитель - 11-30
в качестве окислителя используют пятиокись ванадия или смесь ее с перманганатом калия, в качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с титаном, или смесь кремния с силикокальцием, или (и) со сплавом кремния с титаном, в качестве минеральной добавки используют циркон, или двуокись титана, или двуокись циркония, или порошок стекла, или их смеси, в качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала применяют соединения, способные изоморфно замещать радионуклиды (РН) перерабатываемых РАО, или являющиеся минералами-концентраторами РН, или их смеси, температура плавления которых не превышает температуры экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой. Перед загрузкой смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой во внутреннюю емкость производят загрузку порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала, при этом толщина его слоя во внутренней емкости составляет не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, а вышеуказанную загрузку смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой производят в один прием. Осуществляют непосредственный контакт смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом путем удаления внутренней емкости, производят инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой снизу на границе ее с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, осуществляют очистку образующихся парогазообразных продуктов экзотермической реакции.According to the invention, the radioactive waste is mixed with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive in the following ratio of components,% by weight:
Radioactive waste - 10-45
Mineral supplement - 1-27
Oxidant - 31-45
Restorer - 11-30
as an oxidizing agent, vanadium pentoxide or a mixture of it with potassium permanganate is used, as a reducing agent, silicon, or an alloy of silicon with titanium, or a mixture of silicon with silicocalcium, and / or an alloy of silicon with titanium, and zircon or dioxide are used as a mineral additive titanium, or zirconium dioxide, or glass powder, or mixtures thereof, compounds capable of isomorphically replacing radionuclides (PH) of reprocessed RW, or which are minerals-concentrators PH, or mixtures thereof, the melting temperature of which does not exceed the temperature of the exothermic reaction in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive. Before loading the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive into an internal container, a powder of inorganic heat-insulating material is loaded, while the thickness of its layer in the internal container is not less than the gap between the external and internal containers, and the above loading of a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and mineral supplement is produced in one step. The RAO mixture is directly contacted with the oxidizing agent, reducing agent and the mineral additive with the powdered inorganic heat-insulating material by removing the internal container, an exothermic reaction is initiated between the oxidizing agent and the reducing agent in the RAO mixture with the oxidizing agent, the reducing agent and the mineral additive from the bottom at the interface with the powdery inorganic thermal insulation material, purify the resulting vapor-gas products of an exothermic reaction.
Окислитель, восстановитель, минеральную добавку и порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал целесообразно применять в виде полидисперсных порошков с содержанием влаги не более 0,2% по массе. The oxidizing agent, reducing agent, mineral additive and powdery inorganic heat-insulating material is advisable to use in the form of polydispersed powders with a moisture content of not more than 0.2% by weight.
В качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала наиболее предпочтительны силикаты, или (и) алюмосиликаты щелочных, или (и) щелочноземельных, или (и) переходных металлов, или (и) оксиды элементов IV группы Периодической системы элементов, или их смеси, например полевые шпаты, плагиоклазы, пегматиты, пески кварцевые или строительные, циркон, диоксид титана или их смеси. As a powdery inorganic heat-insulating material, silicates, or (and) aluminosilicates of alkali, or (and) alkaline earth, or (and) transition metals, or (and) oxides of elements of group IV of the Periodic system of elements, or mixtures thereof, for example feldspars, are most preferred. plagioclases, pegmatites, quartz or building sands, zircon, titanium dioxide or mixtures thereof.
При содержании в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой окислителя более 45 мас.%, или восстановителя менее 11 мас.%, или РАО менее 10 мас.%, или минеральной добавки менее 1 мас.%, может произойти возрастание температуры процесса выше 1800oС, сопровождающееся интенсивным переходом РН в газовую фазу, в результате чего не будет обеспечено повышение безопасности реализации способа и улучшения качества конечного продукта.If the content of RAO in the mixture with the oxidizing agent, reducing agent and mineral additive of the oxidizing agent is more than 45 wt.%, Or the reducing agent is less than 11 wt.%, Or the RAW is less than 10 wt.%, Or the mineral additive is less than 1 wt.%, The process temperature may increase above 1800 o C, accompanied by an intensive transition of the pH in the gas phase, as a result of which there will be no increase in the safety of the implementation of the method and improve the quality of the final product.
При содержании в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой более 45 мас. % РАО, или минеральной добавки более 27 мас.%, или окислителя менее 31 мас.%, или восстановителя более 30 мас.%, количество выделяющегося тепла при протекании экзотермической реакции будет недостаточно для получения конечного продукта необходимого качества. When the content in the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive is more than 45 wt. % Of radioactive waste, or a mineral additive of more than 27 wt.%, Or an oxidizing agent of less than 31 wt.%, Or a reducing agent of more than 30 wt.%, The amount of heat generated during the exothermic reaction will not be enough to obtain the final product of the required quality.
При содержании в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой минеральной добавки менее 1 мас.% не обеспечивается надежная иммобилизация РН в конечном продукте. Содержание минеральной добавки более 27 мас. % приводит к образованию конечного продукта, по своим физико-химическим характеристикам непригодного для длительного хранения. When the content of RW in the mixture with the oxidizing agent, reducing agent, and mineral additive of the mineral additive is less than 1 wt.%, Reliable immobilization of the pH in the final product is not ensured. The content of the mineral additive is more than 27 wt. % leads to the formation of the final product, in its physicochemical characteristics unsuitable for long-term storage.
Осуществление загрузки всей смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой в один прием обеспечивает повышение безопасности осуществления способа за счет исключения возможности нерасчетного ускорения скорости экзотермической реакции, а также способствует улучшению качества конечного продукта (однородности характеристик по высоте). The loading of the entire mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive in one step provides an increase in the safety of the method by eliminating the possibility of an uncalculated acceleration of the rate of an exothermic reaction, and also improves the quality of the final product (uniformity of characteristics in height).
Инициирование экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем ее воспламенения, например, электровоспламенителем, или накаленной нихромовой проволокой снизу, на границе с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом приводит к образованию около узла инициирования зоны расплава с температурой 1500... 1800oС и плотностью в 2,5...3 раза большей, чем у исходной смеси. В зоне расплава происходит химическое взаимодействие составных частей РАО, минеральной добавки и продуктов химической реакции окислителя и восстановителя. Сам процесс протекает практически в безгазовом режиме, зона образования расплава перемещается снизу вверх с образованием нерастворимого в воде, химически, термически и радиационно стойкого, механически прочного (после охлаждения до температуры окружающей среды) минерального матричного конечного продукта. По своему составу он приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе РН. Протекание экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой сопровождается уменьшением высоты ее слоя, т.к. плотность продуктов экзотермической реакции в 2,5. . . 3 раза больше насыпной плотности смеси. Благодаря тому, что внутреннюю емкость удаляют перед инициированием экзотермической реакции, порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал пересыпается на уменьшающийся по высоте слой смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, изолируя ее от внешней среды. Образующиеся парогазообразные продукты экзотермической реакции содержат РН в виде аэрозолей, поэтому необходимо осуществление их очистки для исключения возможности выброса РН в окружающую среду. Отходящие парогазовые продукты экзотермической реакции проходят через непрореагировавщую смесь РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой и слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала снизу вверх, где фильтруются от аэрозольных частиц, охлаждаются и очищаются от конденсирующихся паров, содержащих РН, которые затем связываются после прохождения фронта экзотермической реакции в конечный продукт и расплав из порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала. Неконденсируемая часть отходящих газов поступает далее в узел газочистки, где очищается и сбрасывается в атмосферу.The initiation of an exothermic reaction in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive by igniting it, for example, with an electric igniter, or with a heated nichrome wire below, at the boundary with a powdery inorganic heat-insulating material, leads to the formation of a melt zone with a temperature of 1500 ... 1800 o C and a density of 2.5 ... 3 times greater than that of the initial mixture. In the melt zone, a chemical interaction occurs between the components of the radioactive waste, the mineral additive and the products of the chemical reaction of the oxidizing agent and reducing agent. The process itself proceeds almost in a gas-free mode, the melt formation zone moves from bottom to top with the formation of a water-insoluble, chemically, thermally and radiation-resistant, mechanically strong (after cooling to ambient temperature) mineral matrix final product. In its composition, it approaches the geochemical composition of rocks and reliably localizes the pH in it. The occurrence of an exothermic reaction in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive is accompanied by a decrease in its layer height, since the density of the exothermic reaction products is 2.5. . . 3 times the bulk density of the mixture. Due to the fact that the internal container is removed before the initiation of the exothermic reaction, the powdered inorganic heat-insulating material is poured onto a layer of a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive decreasing in height, isolating it from the external environment. The resulting vapor-gas exothermic reaction products contain pH in the form of aerosols; therefore, their purification is necessary to exclude the possibility of pH release into the environment. Exhaust steam-gas products of an exothermic reaction pass through an unreacted mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive and a layer of powdered inorganic heat-insulating material from the bottom up, where they are filtered from aerosol particles, cooled and purified from condensing vapors containing pH, which then bind after passing through the front of the exothermic reaction into the final product and melt from a powdery inorganic heat-insulating material. The non-condensable part of the exhaust gas flows further into the gas cleaning unit, where it is cleaned and discharged into the atmosphere.
Удаление внутренней емкости перед инициированием экзотермической реакции в смеси обеспечивает кроме того благоприятные условия для практически полного удаления газов из образующегося высокотемпературного расплава конечного продукта, исключает интенсивный теплоотвод от его поверхности и этим способствует повышению монолитности его структуры за счет снижения скорости остывания, температурных градиентов, внутренних напряжений, усадочной и газовой пористости, что увеличивает прочность матричного блока и надежность фиксации в нем РН. Вместе с тем, на всей поверхности формирующегося матричного блока из конечного продукта происходит плавление порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала и покрытие всей поверхности блока сплошным слоем названного расплава, толщина которого определяется соотношением температур экзотермической реакции и плавления порошкообразного неорганического материала, а также их масс, и составляет 2...8 мм. Removing the internal container before initiating an exothermic reaction in the mixture also provides favorable conditions for the almost complete removal of gases from the resulting high-temperature melt of the final product, eliminates intense heat removal from its surface and thereby enhances the solidity of its structure by reducing the cooling rate, temperature gradients, and internal stresses shrinkage and gas porosity, which increases the strength of the matrix block and the reliability of fixing the pH in it . At the same time, on the entire surface of the forming matrix block from the final product, the powdery inorganic heat-insulating material melts and the entire surface of the block is melted with a continuous layer of the named melt, the thickness of which is determined by the ratio of the temperatures of the exothermic reaction and the melting of the powdery inorganic material, as well as their masses, and is 2 ... 8 mm.
Расплавленный слой из заявляемого порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала химически связывает РН, находящиеся на поверхности расплава конечного продукта за счет изоморфного замещения соответствующих РН в расплавах минералов, и вхождения РН в минералы-концентраторы. Кроме того, после остывания упомянутый выше расплавленный слой является дополнительным механически прочным барьером для РН, что повышает надежность локализации РН в объеме полученного конечного продукта. Улучшение качества матричного блока из конечного продукта и повышение надежности иммобилизации в нем РН достигается дополнительным снижением скорости охлаждения полученного конечного продукта за счет использования теплоты плавления неорганического теплоизоляционного материала, которая выделяется при затвердевании расплавленного слоя на поверхности матричного блока из конечного продукта. The molten layer of the inventive powdery inorganic heat-insulating material chemically binds pH located on the surface of the melt of the final product due to isomorphic substitution of the corresponding pH in the mineral melts, and the entry of the pH into the concentrator minerals. In addition, after cooling, the aforementioned molten layer is an additional mechanically strong barrier to the pH, which increases the reliability of localization of the pH in the volume of the resulting final product. Improving the quality of the matrix block from the final product and increasing the reliability of the immobilization of the pH in it is achieved by further reducing the cooling rate of the resulting final product due to the use of the heat of fusion of the inorganic heat-insulating material, which is released during the solidification of the molten layer on the surface of the matrix block from the final product.
При влажности ингредиентов смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой и порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала более 0,2 мас.% экзотермическая реакция может протекать с повышенным выделением аэрозольной фазы, а конечный матричный продукт - иметь повышенную пористость, что не обеспечивает повышение безопасности способа и улучшения качества конечного продукта. When the moisture content of the ingredients of the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive and a powdered inorganic heat-insulating material is more than 0.2 wt.%, The exothermic reaction can proceed with increased release of the aerosol phase, and the final matrix product may have increased porosity, which does not increase the safety of the method and improving the quality of the final product.
Осуществление преимуществ в части устройства обеспечивается тем, что устройство включает наружную и внутреннюю емкости, расположенные коаксиально с образованием кольцевого зазора между внешней поверхностью внутренней емкости и внутренней поверхностью внешней емкости, который заполнен порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, во внутренней емкости размещен узел инициирования экзотермической реакции. The implementation of the advantages in part of the device is ensured by the fact that the device includes an outer and an inner container located coaxially with the formation of an annular gap between the outer surface of the inner container and the inner surface of the outer container, which is filled with powdery inorganic thermal insulation material, an exothermic reaction initiation unit is placed in the inner container.
Отличительными признаками устройства являются выполнение наружной и внутренней емкостей в виде обечаек при отношении диаметра наружной емкости к диаметру внутренней емкости 1,4. . .2,5, которые установлены на негорючем технологическом основании, узел инициирования размешен внизу, на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, при этом наружная емкость выполнена из материала с температурой плавления не менее 660oС, а внутренняя емкость выполнена из материала, имеющего прочность не менее 0,1 кг/см2, устройство содержит узел газоочистки, расположенный сверху, на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном высоте наружной емкости.Distinctive features of the device are the implementation of the outer and inner containers in the form of shells with a ratio of the diameter of the outer tank to the diameter of the inner tank 1.4. . .2.5, which are installed on a non-combustible technological base, the initiation unit is placed below, at a distance from the surface of the non-combustible technological base, equal to not less than the gap between the outer and inner containers, while the outer container is made of material with a melting point of at least 660 o C, and the inner container is made of a material having a strength of not less than 0.1 kg / cm 2 , the device contains a gas cleaning unit located above, at a distance from the surface of a non-combustible technological base, equal to the height of the outer tank.
Внутренняя емкость может быть изготовлена из металла, пластмассы, керамики и т.д.. При использовании материала с прочностью, равной 0,1 кг/см2 и более, обеспечивается равномерность толщины слоя теплоизоляционного материала по высоте устройства, что обеспечивает оптимальный режим охлаждения расплава конечного продукта. При прочности материала внутренней емкости меньше 0,1 кг/см2 не обеспечивается улучшение качества конечного продукта, т. к. не достигается равномерность толщины теплоизоляционного материала, расположенного в кольцевом зазоре между наружной и внутренней емкостями за счет ее деформации при осуществлении способа (при загрузке теплоизоляционного материала), что приводит к неравномерному теплоотводу и появлению в конечном продукте термических напряжений и других дефектов. Для внешней емкости предпочтительны материалы с температурой плавления не менее 660 oС (алюминий, сплавы на его основе, сталь и т.д.), т.к. при образовании расплава конечного продукта температура на ее поверхности может достигать 660oС, кроме того, они дешевы, доступны и т.д., могут использоваться многократно. Изготовление наружной емкости из материала с температурой плавления менее 660oС может привести к термическому повреждению емкости и невозможности многократного ее использования.The internal container can be made of metal, plastic, ceramics, etc. .. When using a material with a strength of 0.1 kg / cm 2 or more, the thickness of the insulation material is uniform in height along the height of the device, which ensures optimal melt cooling final product. When the strength of the material of the inner container is less than 0.1 kg / cm 2 the quality of the final product is not improved, since the thickness of the insulating material located in the annular gap between the outer and inner containers is not uniform due to its deformation during the implementation of the method (when loading thermal insulation material), which leads to uneven heat removal and the appearance of thermal stresses and other defects in the final product. For an external container, materials with a melting point of at least 660 o C (aluminum, alloys based on it, steel, etc.) are preferable, because during the formation of the melt of the final product, the temperature on its surface can reach 660 o C, in addition, they are cheap, affordable, etc., can be used repeatedly. The manufacture of an external container from a material with a melting point less than 660 o C can lead to thermal damage to the container and the inability to reuse it.
В качестве порошкообразного неорганического материала наиболее предпочтительны полевые шпаты, пегматиты, плагиоклазы, пески кварцевые или строительные, циркон, оксид титана или смеси названных веществ, которые выбирают исходя из природы и состава перерабатываемых РАО - для иммобилизации (изоморфного замещения) соответствующих РН, которые могут находиться на поверхности конечного продукта - минерального матричного блока, а также с учетом температуры экзотермической реакции в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой. As a powdery inorganic material, feldspars, pegmatites, plagioclases, quartz or building sands, zircon, titanium oxide or mixtures of these substances, which are selected on the basis of the nature and composition of the RAW processed, are most preferred for immobilization (isomorphic substitution) of the corresponding pH, which can be on the surface of the final product - a mineral matrix block, as well as taking into account the temperature of the exothermic reaction in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and mineral add Coy.
Выполнение устройства в виде двух обечаек с отношением величины их диаметров от 1,4 до 2,5, установленных на негорючем технологическом основании, обеспечивает упрощение конструкции. Если отношение диаметров внешней емкости к внутренней будет меньше 1,4, то слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала не будет обеспечивать надежную тепловую изоляцию и образование защитного барьера оптимальной толщины, т.к. из-за быстрого падения рабочей температуры будет либо невозможно проведение заявляемого способа в заявляемом устройстве, либо конечный продукт будет непригоден по своим характеристикам для длительного хранения и захоронения. При значении отношения больше 2,5 в устройстве ухудшаются габаритно-массовые характеристики. The implementation of the device in the form of two shells with a ratio of their diameters from 1.4 to 2.5, installed on a non-combustible technological base, provides a simplification of the design. If the ratio of the diameters of the external container to the internal one is less than 1.4, then the layer of powdery inorganic thermal insulation material will not provide reliable thermal insulation and the formation of a protective barrier of optimal thickness, because due to the rapid drop in operating temperature, it will either be impossible to carry out the inventive method in the inventive device, or the final product will be unsuitable in terms of its characteristics for long-term storage and disposal. When the ratio value is more than 2.5, the overall mass characteristics are deteriorating in the device.
Размещение узла инициирования внизу, на расстоянии не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями от негорючего технологического основания обеспечивает увеличение безопасности работы устройства за счет исключения выброса РН в окружающую среду благодаря предварительной очистке парогазообразных продуктов экзотермической реакции при прохождении их через слой непрореагировавшей смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, и через порошкообразный теплоизоляционный материал, а также обеспечивает улучшение качества конечного продукта за счет оптимальности режима его остывания. Размещение узла инициирования на расстоянии менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями не обеспечивают возможности получения конечного продукта необходимого качества из-за повышенного теплоотвода в негорючее технологическое основание и появление в конечном продукте неоднородностей, обусловленных неравномерностью температуры. Placing the initiation unit at the bottom, at a distance of not less than the gap between the outer and inner containers from the non-combustible technological base, ensures an increase in the safety of the device due to the elimination of LV release into the environment due to preliminary purification of vapor-gas exothermic reaction products when they pass through a layer of unreacted mixture of radioactive waste with an oxidizing agent , a reducing agent and a mineral additive, and through a powdery heat-insulating material, and also provides uchshenie final product quality due to its optimal cooling mode. Placing the initiation unit at a distance less than the gap between the outer and inner containers does not provide the possibility of obtaining the final product of the required quality due to the increased heat removal to the non-combustible technological base and the appearance of inhomogeneities in the final product due to temperature non-uniformity.
Негорючее технологичекое основание выполняет функцию днища устройства. Non-combustible technological base performs the function of the bottom of the device.
Расположение узла газоочистки сверху на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания, равном высоте наружной емкости, обеспечивает повышение безопасности реализации способа за счет более полного улавливания РН в объеме устройства и исключения возможности выброса высокотемпературных продуктов, содержащих РАО. The location of the gas cleaning unit from above at a distance from the surface of the non-combustible technological base, equal to the height of the outer tank, improves the safety of the method due to more complete capture of the pH in the device and eliminating the possibility of the release of high-temperature products containing radioactive waste.
Заявляемое устройство иллюстрируется фиг.1 и 2. На фиг.1 представлен общий вид устройства в разрезе. Устройство состоит из узла газоочистки, включающего зонт 1, фильтр 2, внешней емкости 3, внутренней емкости 4, расположенной во внешней емкости коаксиально, выполненных в виде обечаек, и установленных на негорючем технологическом основании 5, кольцевого зазора 6, узла инициирования 7. The inventive device is illustrated in figures 1 and 2. Figure 1 shows a General view of the device in section. The device consists of a gas cleaning unit, including an
На фиг. 2 представлен пример реализации способа в предлагаемом устройстве, где 8 - смесь РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, 9 - фронт образования и распространения расплава конечного продукта, 10 - конечный продукт, 11 - защитный слой из расплава порошкообразного теплоизоляционного неорганического материала, 12 - порошкообразный теплоизоляционный неорганический материал. In FIG. 2 shows an example of the implementation of the method in the proposed device, where 8 is a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive, 9 is the front of formation and distribution of the melt of the final product, 10 is the final product, 11 is a protective layer of melt of a powdery heat-insulating inorganic material, 12 - powdery insulating inorganic material.
Способ реализуют следующим образом: РАО в количестве 27 мас.% смешивают с 10 мас.% минеральной добавки, 35 мас.% окислителя и 28 мас.% восстановителя. В качестве минеральной добавки используют циркон, в качестве окислителя - пятиокись ванадия, а в качестве восстановителя - сплав кремния с титаном (циркон, пятиокись ванадия и сплав кремния с титаном являются наименее предпочтительной комбинацией, т. к. достигаемые преимущества в заявляемом способе являются наименьшими по сравнению с другими возможными комбинациями РАО, минеральной добавки, окислителя и восстановителя). Наружную и внутреннюю емкости устанавливают на негорючем технологическом основании коаксиально. Приготовленную смесь массой 10 кг загружают во внутреннюю емкость в один прием (на слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала, в качестве которого используют, например, природный полевой шпат, представляющий собой алюмосиликат калия с изоморфными включениями алюмосиликатов натрия и кальция и незначительным количеством примесей оксидов др. элементов [5] , на поверхности которого размещают узел инициирования), а зазор между наружной и внутренней емкостями заполняют порошкообразным полевым шпатом. Удаляют внутреннюю емкость, устанавливают узел газоочистки, включающий зонт с фильтром, и инициируют экзотермическую реакцию между окислителем и восстановителем в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем подачи на узел инициирования (электровоспламенитель) электрического напряжения 6 В. The method is implemented as follows: RAO in an amount of 27 wt.% Mixed with 10 wt.% Mineral additives, 35 wt.% Oxidizing agent and 28 wt.% Reducing agent. Zircon is used as a mineral additive, vanadium pentoxide is used as an oxidizing agent, and a silicon-titanium alloy is a reducing agent (zircon, vanadium pentoxide and silicon-titanium alloy are the least preferred combination, since the achieved advantages in the present method are the least compared with other possible combinations of radioactive waste, mineral additives, oxidizing agents and reducing agents). The outer and inner tanks are installed on a non-combustible technological base coaxially. The prepared mixture weighing 10 kg is loaded into the internal container in one go (on a layer of powdered inorganic insulating material, for example, natural feldspar, which is a potassium aluminosilicate with isomorphic inclusions of sodium and calcium aluminosilicates and a small amount of impurities of oxides of other elements [5], on the surface of which an initiation unit is placed), and the gap between the outer and inner containers is filled with powder feldspar. The internal capacity is removed, a gas cleaning unit is installed, including an umbrella with a filter, and an exothermic reaction is initiated between the oxidizing agent and the reducing agent in the RAO mixture with the oxidizing agent, reducing agent, and the mineral additive by applying an electric voltage of 6 V to the initiation node (electric igniter).
В результате экзотермической реакции температура в слое смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой около инициирующего устройства поднимается до 1500...1800oС, а сам процесс протекает практически в безгазовом режиме. При этом формируется зона расплава из продуктов реакции, в которой происходит химическое взаимодействие составных частей РАО, минеральной добавки и продуктов экзотермической реакции окислителя и восстановителя. Зона формирования и распространения минерального расплава движется снизу вверх с последующим образованием нерастворимого в воде, химически, термически и радиационно стойкого, механически прочного (после охлаждения до температуры окружающей среды) минерального матричного конечного продукта. По своему составу он приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе РН. При протекании названных процессов конечный продукт сплавляется с окружающим его по всей поверхности полевым шпатом, благодаря чему на всей поверхности конечного продукта (матричного блока) образуется сплошной нерастворимый в воде монолитный полевошпатный слой, способный химически связывать РН - в данном случае- в первую очередь цезия и стронция, являющийся, кроме того, дополнительным механически прочным барьером для РН, что обеспечивает дополнительную гарантию надежной локализации РН в пределах блока.As a result of the exothermic reaction, the temperature in the layer of the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive near the initiating device rises to 1500 ... 1800 o С, and the process itself proceeds almost in a gas-free mode. In this case, a melt zone is formed from the reaction products, in which the chemical interaction of the components of the RAW, the mineral additive, and the products of the exothermic reaction of the oxidizing agent and reducing agent takes place. The zone of formation and distribution of the mineral melt moves from bottom to top with the subsequent formation of a water-insoluble, chemically, thermally and radiation-resistant, mechanically strong (after cooling to ambient temperature) mineral matrix final product. In its composition, it approaches the geochemical composition of rocks and reliably localizes the pH in it. When these processes occur, the final product is fused with feldspar surrounding it over the entire surface, due to which a continuous water-insoluble monolithic feldspar layer is formed on the entire surface of the final product (matrix block), capable of chemically bonding PH - in this case, primarily cesium and strontium, which is, in addition, an additional mechanically strong barrier to the pH, which provides an additional guarantee of reliable localization of the pH within the block.
Парообразные и аэрозольные продукты, содержащие РН, по мере их движения снизу вверх через слой непрореагировавшей смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой и слой неорганического теплоизоляционного материала, охлаждаются, конденсируются в них, фильтруются и затем связываются после прохождения фронта экзотермической реакции в матричный блок и защитный слой из минерального (в данном случае полевошпатного) расплава. Неконденсируемая часть отходящих газов поступает в узел газоочистки, где очищается от РН и сбрасывается в атмосферу. Vapor and aerosol products containing PH, as they move upward through a layer of an unreacted mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent, and a mineral additive and a layer of inorganic heat-insulating material, are cooled, condensed in them, filtered, and then bound after passing through the front of the exothermic reaction to the matrix block and a protective layer of mineral (in this case feldspar) melt. The non-condensable part of the exhaust gas enters the gas treatment unit, where it is cleaned of the pH and discharged into the atmosphere.
Полученный расплав конечного продукта охлаждают, извлекают из устройства и направляют на захоронение. The resulting melt of the final product is cooled, removed from the device and sent for disposal.
В случае если соотношение между РАО, окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, их качественный состав и последовательность операций будут отличны от приведенных в формуле изобретения, то получить конечный продукт в виде монолитного минерального матричного блока, покрытого по всей его поверхности прочным монолитным защитным слоем из застывшего минерального расплава, будет невозможно. If the ratio between the radioactive waste, oxidizing agent, reducing agent and mineral additive, their qualitative composition and sequence of operations will be different from those given in the claims, then to obtain the final product in the form of a monolithic mineral matrix block, covered over its entire surface with a solid monolithic protective layer of solidified mineral melt will be impossible.
Устройство работает следующим образом: во внутреннюю емкость 4 загружают порошкообразный неорганический теплоизоляционный материал 12, например природный полевой шпат, представляющий собой алюмосиликат калия с примесями алюмосиликатов натрия и кальция, оксидов других элементов и т.д., высота его слоя не менее величины кольцевого зазора 6 между наружной 3 и внутренней 4 емкостями, размещают узел инициирования 7 (например, электровоспламенитель) на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания 5, соответствующем величине зазора 6 между наружной 3 и внутренней 4 емкостями, загружают всю смесь РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой 8 в один прием, после удаления внутренней емкости 4 устанавливают узел газоочистки, выполненный в виде зонта 1 с фильтром 2 (выполненный аналогично известным фильтрам для очистки высокотемпературных газообразных продуктов от аэрозольных частиц [4]) - на расстоянии от поверхности негорючего технологического основания 5, равном высоте наружной емкости 3. Инициируют экзотермическую реакцию в смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой 8 с помощью электровоспламенителя 7. В результате экзотермической реакции температура в слое смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой около инициирующего устройства поднимается до 1500... 1800oС, а сам процесс протекает практически в безгазовом режиме. При этом формируется фронт образования и распространения расплава из продуктов реакции 9, в котором происходит химическое взаимодействие составных частей РАО, минеральной добавки и продуктов экзотермической реакции окислителя и восстановителя. Фронт образования и распространения расплава конечного продукта движется снизу вверх с последующим образованием нерастворимого в воде, химически, термически и радиационно стойкого, механически прочного (после охлаждения до температуры окружающей среды) минерального матричного конечного продукта 10. По своему составу он приближается к геохимическому составу горных пород и надежно локализует в себе РН. При протекании названных процессов конечный продукт 10 сплавляется с окружающим его по всей поверхности порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом 12 (полевым шпатом), благодаря чему на всей поверхности конечного продукта 10 образуется сплошной нерастворимый в воде монолитный защитный слой из расплава порошкообразного теплоизоляционного неорганического материала 11, способный химически связывать РН - в данном случае - в первую очередь цезия и стронция, являющийся, кроме того, дополнительным механически прочным барьером для РН, что обеспечивает дополнительную гарантию надежной локализации РН в объеме конечного продукта 10.The device operates as follows: a powdery inorganic heat-insulating
Парообразные и аэрозольные продукты, содержащие РН, по мере их движения снизу вверх через слой непрореагировавшей смеси 8 и слой порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала 12 охлаждаются, конденсируются в них, фильтруются и затем связываются после прохождения фронта экзотермической реакции в конечный продукт 10 и защитный слой из минерального (в данном случае - полевошпатного) расплава 11. Неконденсируемая часть отходящих газов поступает через фильтр 2 узла газоочистки, где очищается от РН и сбрасывается в атмосферу. Vapor and aerosol products containing PH, as they move from bottom to top through a layer of
После полного завершения процесса конечный продукт 10 охлаждают, причем скорость его остывания в заявляемых способе и устройстве меньше благодаря тому, что быстрому охлаждению препятствуют пониженная теплоотдача от конечного продукта в окружающую среду, теплота плавления защитного слоя из расплава порошкообразного теплоизоляционного неорганического материала 11, выделяющаяся при затвердевании, а также реакции образования минералов в матричном блоке 10, протекающие с выделением тепла, что обусловленно рецептурой заявляемой смеси РАО с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой. After the completion of the process, the
Затем устройство разбирают, полученный матричный блок 10 отправляют на захоронение. Then the device is disassembled, the resulting
Испытания показали, что по сравнению со способом-прототипом заявляемый способ более безопасен в реализации за счет снижения суммарного количества РН, перешедших в газовую фазу на 30...40%, РАО связываются в более прочные и монолитные матричные блоки (на 20...40%), которые дополнительно самоконсервируются в ходе реализации способа по всей их поверхности сплошным прочным слоем из остывшего расплава неорганического теплоизоляционного материала, способного в этих условиях изоморфно замещать РН перерабатываемых РАО. С помощью заявляемого способа можно обеспечивать иммобилизацию как высокоактивных, так и низко- и среднеактивных отходов. Tests have shown that, in comparison with the prototype method, the claimed method is safer to implement due to a decrease in the total number of LVs that have passed into the gas phase by 30 ... 40%, radioactive waste is bound into more durable and monolithic matrix blocks (by 20 ... 40%), which are additionally self-preserving during the implementation of the method over their entire surface with a continuous strong layer of a cooled melt of inorganic heat-insulating material capable of isomorphically replacing the pH of the reprocessed RW under these conditions. Using the proposed method, it is possible to provide immobilization of both high-level and low- and medium-level waste.
По сравнению с устройством-прототипом в заявляемом устройстве обеспечивается упрощение его конструкции, многоразовое использование емкостей и менее жесткие требования к их материалу (удешевление), а также достигается повышение безопасности его работы за счет более полного улавливания РН, исключения возможности выброса высокотемпературных продуктов и надежной изоляции РАО от внешней среды в минеральные матричные блоки с их дополнительной самоконсервацией по всей поверхности. Compared with the prototype device, the claimed device simplifies its design, reusable containers and less stringent requirements for their material (cheaper), and also increases the safety of its work due to a more complete trapping of the LV, eliminating the possibility of ejection of high-temperature products and reliable insulation RW from the environment into mineral matrix blocks with their additional self-preservation over the entire surface.
Заявляемые способ и устройство могут быть использованы при переработке РАО высокой, средней и низкой активности непосредственно на пунктах захоронения РАО вне помещений. Для реализации способа и изготовления устройства могут быть использованы отечественные серийные материалы и компоненты, не требуется сложное оборудование. The inventive method and device can be used in the processing of RW of high, medium and low activity directly at the disposal sites of RW outdoors. To implement the method and manufacture of the device, domestic serial materials and components can be used; complex equipment is not required.
Литература
1. Патент РФ 2096844 с 1, МПК6: G 21 F 9/30, оп.20.11.97, Бюл. 32.Literature
1. RF patent 2096844 with 1, IPC 6 : G 21
2. Патент РФ 2108633 с 1, МПК6: G 21 F 9/16, оп.10.04.98, Бюл. 10.2. RF patent 2108633 with 1, IPC 6 : G 21
3. Патент РФ 2152652 с 1. МПК7: G 21 F 9/16, 9/28, 9/30, оп. 10.07.2000, Бюл. 19.3. RF patent 2152652 with 1. IPC 7 : G 21
4. Коузов П.А. и др. Очистка от пыли и газов воздуха в химической промышленности. Л.: Химия, 1982, с.90, 96-97, 243. 4. Kouzov P.A. and other Purification from dust and air gases in the chemical industry. L .: Chemistry, 1982, p.90, 96-97, 243.
5. Строительные материалы; Справочник / А.С. Болдырев и др. М.: Стройиздат, 1989, с. 262, 264. 5. Building materials; Reference / A.S. Boldyrev et al. M .: Stroyizdat, 1989, p. 262, 264.
Claims (4)
Радиоактивные отходы - 10-45
Минеральная добавка - 1-27
Окислитель - 31-45
Восстановитель - 11-30
в качестве окислителя используют пятиокись ванадия или смесь ее с перманганатом калия, в качестве восстановителя используют кремний, или сплав кремния с титаном, или смесь кремния с силикокальцием, или(и) со сплавом кремния с титаном, в качестве минеральной добавки используют циркон, или двуокись титана, или двуокись циркония, или порошок стекла, или их смеси, в качестве порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала применяют соединения, способные изоморфно замещать радионуклиды перерабатываемых радиоактивных отходов, или являющиеся минералами-концентраторами радионуклидов, или их смеси, температура плавления которых не превышает температуры экзотермической реакции в смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой, перед загрузкой смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой во внутреннюю емкость производят загрузку порошкообразного неорганического теплоизоляционного материала, при этом толщина его слоя во внутренней емкости составляет не менее величины зазора между наружной и внутренней емкостями, а вышеуказанную загрузку смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой осуществляют в один прием, осуществляют непосредственный контакт смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом путем удаления внутренней емкости, производят инициирование экзотермической реакции между окислителем и восстановителем в смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой снизу на границе ее с порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, осуществляют очистку образующихся парогазообразных продуктов экзотермической реакции.1. A method of immobilizing radioactive waste into a mineral matrix unit, comprising mixing radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive, filling the gap between the external and internal containers with a powdery inorganic heat-insulating material, loading the resulting mixture into an internal container, heating the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and mineral additive by initiating in it an exothermic reaction between the oxidizing agent and the reducing agent, obtaining melt VA of the final product and its cooling, characterized in that the radioactive waste is mixed with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive in the following ratio of components,% by weight:
Radioactive waste - 10-45
Mineral supplement - 1-27
Oxidant - 31-45
Restorer - 11-30
as an oxidizing agent, vanadium pentoxide or a mixture of it with potassium permanganate is used, as a reducing agent, silicon, or an alloy of silicon with titanium, or a mixture of silicon with silicocalcium, and / or an alloy of silicon with titanium, and zircon or dioxide are used as a mineral additive titanium, or zirconium dioxide, or glass powder, or mixtures thereof, compounds capable of isomorphically replacing radionuclides of processed radioactive waste are used as a powdered inorganic heat-insulating material, or which are concentrator minerals of radionuclides, or mixtures thereof, the melting temperature of which does not exceed the temperature of the exothermic reaction in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive, before loading the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive into an internal container, a powder of inorganic heat-insulating material, while the thickness of its layer in the inner container is not less than the size of the gap between the outside internal and internal capacities, and the above loading of the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive is carried out in one step, direct contact of the mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mineral additive with a powdery inorganic heat-insulating material by removing the internal container, an exothermic reaction is initiated between an oxidizing agent and a reducing agent in a mixture of radioactive waste with an oxidizing agent, a reducing agent and a mine cial additive from below by its border with powdered inorganic insulating material formed by purification vaporous products of the exothermic reaction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000131656A RU2189652C1 (en) | 2000-12-19 | 2000-12-19 | Method, mineral matrix block and device for immobilizing radioactive wastes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000131656A RU2189652C1 (en) | 2000-12-19 | 2000-12-19 | Method, mineral matrix block and device for immobilizing radioactive wastes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2189652C1 true RU2189652C1 (en) | 2002-09-20 |
Family
ID=20243554
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000131656A RU2189652C1 (en) | 2000-12-19 | 2000-12-19 | Method, mineral matrix block and device for immobilizing radioactive wastes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2189652C1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451347C2 (en) * | 2006-08-24 | 2012-05-20 | Вестингхаус Электрик Сведен Аб | Tubular shell of water reactor fuel element |
| RU2451350C2 (en) * | 2009-07-17 | 2012-05-20 | Солетанш Фрейсине | Method to immobilise nuclear waste |
| RU2600940C2 (en) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | Открытое акционерное общество "Красная Звезда" | Method of preparing solid phase of liquid radioactive wastes to burial |
| CN113421683A (en) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 中国原子能科学研究院 | Method and apparatus for curing radioactive carbon |
-
2000
- 2000-12-19 RU RU2000131656A patent/RU2189652C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| US 4407742C А, 04.10.1983. * |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2451347C2 (en) * | 2006-08-24 | 2012-05-20 | Вестингхаус Электрик Сведен Аб | Tubular shell of water reactor fuel element |
| US8320515B2 (en) | 2006-08-24 | 2012-11-27 | Westinghouse Electric Sweden Ab | Water reactor fuel cladding tube |
| RU2451350C2 (en) * | 2009-07-17 | 2012-05-20 | Солетанш Фрейсине | Method to immobilise nuclear waste |
| RU2600940C2 (en) * | 2015-03-27 | 2016-10-27 | Открытое акционерное общество "Красная Звезда" | Method of preparing solid phase of liquid radioactive wastes to burial |
| CN113421683A (en) * | 2021-06-21 | 2021-09-21 | 中国原子能科学研究院 | Method and apparatus for curing radioactive carbon |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4666490A (en) | Aqueous waste vitrification process and apparatus | |
| US6283908B1 (en) | Vitrification of waste with conitnuous filling and sequential melting | |
| US4490287A (en) | Treatment of substances | |
| CN100371287C (en) | Ceramicite using ash from incineration of refuse as raw material and its prodn. method | |
| US4581163A (en) | Method for conditioning weakly to medium-active wastes | |
| US5678236A (en) | Method and apparatus for eliminating volatiles or airborne entrainments when vitrifying radioactive and/or hazardous waste | |
| US4988376A (en) | Glassification of lead and silica solid waste | |
| US4424149A (en) | Method for ultimate disposition of borate containing radioactive wastes by vitrification | |
| JPS6046394B2 (en) | Method for solidifying high-level radioactive waste liquid using glass | |
| US4661291A (en) | Method for fixation of incinerator ash or iodine sorbent | |
| US6058741A (en) | Installation for vitrification of liquid radioactive wastes, cooled discharged unit and cooled induction melter for the installation | |
| US4726916A (en) | Method for embedding and storing dangerous materials, such as radioactive materials in a monolithic container | |
| US5170728A (en) | Process and furnace for treating fusible waste | |
| RU2189652C1 (en) | Method, mineral matrix block and device for immobilizing radioactive wastes | |
| JPH0460712B2 (en) | ||
| JPH0580197A (en) | Solidifying method for radioactive ceramic waste | |
| RU2242814C1 (en) | Method for recovering reactor graphite waste | |
| CN111710455A (en) | Radioactive waste-cladding solidified body and preparation method thereof and preparation method of radioactive waste | |
| RU2137230C1 (en) | Method for decontaminating liquid radioactive and toxic materials | |
| CN213459082U (en) | Radioactive waste-cladding solidified body | |
| US4851156A (en) | Retention of radio-ruthenium in acid processing of nuclear waste | |
| KR910007463B1 (en) | Method and device for melting and solidifying radioactive waste liquor | |
| JP3956336B2 (en) | Method for melting radioactive waste | |
| EP0242569B1 (en) | Process for preparing a cartridge for disposal of a radioactive waste liquid | |
| KR100735828B1 (en) | Vitrification method of combustible and uncombustible radioactive waste by thermal explosive combustion method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20141220 |