RU2315381C1 - Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу - Google Patents
Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу Download PDFInfo
- Publication number
- RU2315381C1 RU2315381C1 RU2006117310/06A RU2006117310A RU2315381C1 RU 2315381 C1 RU2315381 C1 RU 2315381C1 RU 2006117310/06 A RU2006117310/06 A RU 2006117310/06A RU 2006117310 A RU2006117310 A RU 2006117310A RU 2315381 C1 RU2315381 C1 RU 2315381C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- waste
- highly active
- rare
- ceramic matrix
- earth elements
- Prior art date
Links
Abstract
Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее - к области переработки радиоактивных отходов путем их иммобилизации в твердой инертной матрице, устойчивой к воздействию окружающей среды. Предлагается способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу, включающий кальцинацию высокоактивных отходов, смешение кальцината высокоактивных отходов с окислами титана, кальция и марганца, железа и алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальцинат высокоактивных отходов 10-20; TiO2 50-60; СаО 7,5-12,5; MnO 7,5-12,5; Fe2O3 2,5-7,5; Al2O3 2,5-7,5. Нагрев смеси в окислительной атмосфере при давлении не ниже атмосферного до максимальной рабочей температуры 2000°С. Выдержку при рабочей температуре и охлаждение до образования монолитного материала, пригодного для долгосрочного хранения. Изобретение позволяет получить керамическую матрицу с высокой химической устойчивостью, низким выщелачиванием актиноидных и редкоземельных элементов.
Description
Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее - к области переработки радиоактивных отходов путем их иммобилизации в твердой инертной матрице, устойчивой к воздействию окружающей среды. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован при иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО), содержащих, в основном, актиноидные (торий, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий) и редкоземельные элементы (лантан, лантаноиды, иттрий), а также цирконий и примеси элементов группы железа (железо, хром, марганец, кобальт, никель) и алюминия. К таким типам ВАО относятся актиноидная (An), актиноидно-редкоземельная (An/REE) фракции ВАО, избыточный оружейный плутоний и отходы, образующиеся при его конверсии в металл-оксидное (МОХ) топливо ([1] Стефановский С.В., Куляко Ю.М., Юдинцев С.В., Очкин А.В., Ровный С.И. Керамика для иммобилизации актиноидных отходов // Вопросы радиационной безопасности. 2002, №1. С.15-27).
Известен способ иммобилизации ВАО, содержащих актиноидные и редкоземельные элементы, в керамику на основе цирконолита CaZrTi2O7, в которой ионы актиноидных и редкоземельных элементов способны замещать ионы кальция и/или циркония, а примеси ионов элементов группы железа и алюминия - ионы титана ([2] Vance E.R., Begg B.D., Day R.A., Ball C.J. Zirconolite-Rich Ceramics for Actinide Wastes // Mat. Res. Soc. Symp.Proc. 1995. V.353. P.767-774). Указанный способ включает кальцинацию ВАО, смешение кальцината ВАО, содержащего актиноидные и редкоземельные элементы, а также цирконий, с окислами кальция, титана, алюминия, нагрев смеси в восстановительной атмосфере до температуры от 1000 до 1500°С под давлением не ниже атмосферного, выдержку при рабочей температуре до образования поликристаллической массы, содержащей не менее 80% фазы цирконлита, и охлаждение монолитного материала до состояния, пригодного для долговременного хранения.
Материал, полученный указанным способом, имеет недостаточную химическую устойчивость - скорость выщелачивания актиноидов и редкоземельных элементов из такой керамики при 90°С в дистиллированной воде составляет 10-4-10-5 г/(м2·сут), которая обусловлена, как структурными особенностями цирконолита, так и образованием при синтезе посторонних фаз (титаната циркония, бадделеита, браннерита) с низкой химической устойчивостью.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ иммобилизации ВАО в керамическую матрицу, включающий кальцинацию ВАО, смешение кальцината ВАО с оксидами титана, кальция и марганца при следующем соотношении, мас.%: TiO2 50-60, CaO 10-20, MnO 5-15, кальцинат ВАО 15-25, нагрев смеси в окислительной атмосфере при давлении не ниже атмосферного до рабочей температуры в интервале от 1100 до 2000°С, выдержку при рабочей температуре и охлаждение до образования монолитного материала, пригодного для долгосрочного хранения ([3] Патент РФ №2140106 С1, G21F 9/16, 9/34. Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу. Приоритет от 20.05.1998. Опубл. БИ №29, 20.10.1999).
Недостатком указанного способа является образование, наряду с целевой фазой (Ca,Mn,REE)4(An,Zr,Ti)4Ti7O22, большого количества паразитной фазы перовскита, также способной включать в свою структуру актиноидные и редкоземельные элементы, но с более низкой химической устойчивостью, что снижает и химическую устойчивость керамики в целом.
Техническим результатом предлагаемого способа иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу является получение продукта с высокой химической устойчивостью, с низким выщелачиванием актиноидных и редкоземельных элементов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что предлагается способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу, включающий кальцинацию высокоактивных отходов, содержащих радиоактивные элементы актиноидной группы (торий, уран, нептуний, плутоний, америций, кюрий), а также цирконий и редкоземельные элементы, смешение кальцината высокоактивных отходов с окислами титана, кальция и марганца, железа и алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%: кальцинат высокоактивных отходов 10-20; TiO2 50-60; CaO 7,5-12,5; MnO 7,5-12,5; Fe2О3 2,5-7,5; Al2О3 2,5-7,5 нагрев смеси в окислительной атмосфере при давлении не ниже атмосферного до максимальной рабочей температуры 2000°С, выдержку при рабочей температуре и охлаждение до образования монолитного материала, пригодного для долгосрочного хранения.
Отличительными признаками предлагаемого способа иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу является то, что к смеси кальцината высокоактивных отходов с окислами титана в количестве 50-60 мас.%, кальция, марганца дополнительно вводят окислы железа и алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
TiO2 | 50-60 |
CaO | 7,5-12,5 |
MnO | 7,5-12,5 |
Fe2О3 | 2,5-7,5 |
Al2O3 | 2,5-7,5 |
Кальцинат высокоактивных отходов | 10-20 |
В результате предлагаемого способа иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу происходит образование керамики, содержащей фазы полисоматической серии пирохлор-муратаит со структурой, производной от флюоритовой, с двух-, трех-, пяти-, семи- и восьмикратной элементарной флюоритовой ячейкой. Кристаллическая решетка этих фаз построена из блоков (модулей) пирохлора (двукратная флюоритовая ячейка) и муратаита (трехкратная флюоритовая ячейка). Соответственно, фаза с семикратной флюоритовой ячейкой построена из двух пирохлоровых и одного муратаитового модулей, фаза с пятикратной ячейкой - из одного пирохлорового и одного муратаитового модулей, фаза с восьмикратной ячейкой - из одного пирохлорового и двух муратаитовых модулей ([4] B.C. Урусов, Н.И. Органова, О.В. Каримова, С.В.Юдинцев, С.В.Стефановский, Синтетические «муратаиты» как модулярные члены полисоматической серии пирохлор-муратаит // Доклады Академии Наук. 2005. Т.401, №2. С.226-232). Формулы вышеперечисленных фаз следующие:
где: R=An3+/4+, REE3+/4+, Ca2+, Mn2+, Na+, Zr4+, Hf4+; M1=Ti4+, Fe3+, Cr3+, Al3+; M2=Mn2+ Fe2+/3+; X=O2+, F--, OH-.
Структура пирохлора содержит две катионные позиции и способна по кристаллохимическим соображениям включать только ионы актиноидных и редкоземельных элементов в позиции «А» и ионы Ti4+, Zr4+, Hf4+, Sn4+, Tc4+ и некоторые другие в позиции «С», но не ионы элементов группы железа и алюминия. В то же время, структура номинального муратаита-3× способна преимущественно включать титан, элементы группы железа и алюминий (продукты коррозии реакторных оболочек) при ограниченном вхождении актиноидных и редкоземельных элементов. Комбинация в различных сочетаниях муратаитовых и пирохлоровых модулей позволяет аккумулировать большинство элементов ВАО.
Содержание кальцината в керамической шихте 10-20 мас.% при введении дополнительно Fe2O3 и Al2О3 каждого в количестве от 2,5 до 7,5 мас.% приводит к выделению при кристаллизации пирохлора и муратаитовых политипов в последовательности: пирохлор→муратаит-7×→муратаит-5×→муратаит-8×→муратаит-3× (номинальный муратаит) с уменьшающейся концентрацией актиноидных и редкоземельных элементов в той же последовательности. В зависимости от соотношения актиноидных+редкоземельных элементов и элементов группы железа и алюминия в ВАО при кристаллизации первой выделяется один из трех политипов: пирохлор, муратаит-7×, муратаит-5×. Обычно содержание оксидов актиноидов и редких земель в сумме составляет не более 15 мас.%, а содержание оксида циркония - ZrO2 - не более 5 мас.% (в сумме - 20 мас.%). При этих условиях центр зерен муратаитовой керамики образован муратаитом-5×. На него нарастают муратаит-8× и, наконец, муратаит-3×.
В результате зональное распределение актиноидных и редкоземельных элементов в зернах муратаита достигается не за счет неравномерного их распределения в неравновесной фазе, а благодаря последовательной кристаллизации равновесных стабильных фаз полисоматической серии пирохлор-муратаит и при этом, при заявленных условиях, исключается образование паразитных химически менее устойчивых фаз типа перовскита, включающих значительную часть актиноидов и редких земель. Все это позволяет значительно снизить их выщелачивание - до менее 10-7 г/(м2·сут) в дистиллированной воде при 90°С.
При содержании каждого из компонентов смеси, отличном от вышеуказанных пределов, образуется керамический продукт, водоустойчивость которого не превосходит водоустойчивость продукта, полученного по способу, изложенному в прототипе.
Пример реализации способа.
Жидкие высокоактивные отходы, представляющие собой актиноидно-редкоземельную фракцию, содержащую 0,8 г/л редкоземельных элементов (лантаноидов от лантана до гадолиния), 0,01 г/л урана, 0,005 г/л плутония, 0,04 г/л нептуния, 0,005 г/л америция, 0,0007 г/л кюрия и 0,27 г/л циркония, после высушивания кальцинируют до образования окислов вышеуказанных компонентов и кальцинат смешивают с окислами титана, кальция, марганца, железа и алюминия в соотношении (мас.%): кальцинат - 15,0; Al2О3 - 5,0; СаО - 10,0; TiO2 - 55,0; MnO - 10,0; Fe2О3 - 5,0, полученную смесь нагревают при атмосферном давлении в окислительной атмосфере до температуры 1500°С, выдерживают 3 часа (время, необходимое для гомогенизации расплава) и охлаждают до получения монолитного керамического (кристаллического) материала, пригодного для долгосрочного хранения. В результате происходит образование керамической матрицы с включенными в нее ВАО, состоящей на 90 об.% из фаз муратаитового типа и на 10 об.% из титаната железа-марганца-алюминия, не содержащего актиноидных и редкоземельных элементов. Средняя скорость выщелачивания актиноидных и редкоземельных элементов из керамики в дистиллированной воде при 90°С (по ГОСТ Р 52126-2003) составляет 6,3×10-8 г/(см2·сут), что примерно на порядок величины ниже, чем в прототипе.
Таким образом, реализация заявляемого способа позволяет получить указанный технический результат: получение конечного продукта с высокой химической устойчивостью, с низким выщелачиванием актиноидных и редкоземельных элементов.
Claims (1)
- Способ иммобилизации высокоактивных отходов, содержащих актиноидные и редкоземельные элементы, в керамическую матрицу, включающий кальцинацию высокоактивных отходов, смешение кальцината высокоактивных отходов с окислами титана в количестве 50-60 мас.%, кальция, марганца, нагрев смеси при давлении не ниже атмосферного до максимальной рабочей температуры 2000°С, выдержку при рабочей температуре и охлаждение до образования монолитного материала, пригодного для долгосрочного хранения, отличающийся тем, что к смеси кальцината высокоактивных отходов с окислами титана, кальция, марганца дополнительно вводят окислы железа и алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Кальцинат высокоактивных отходов 10,0-20,0 TiO2 50,0-60,0 CaO 7,5-12,5 MnO 7,5-12,5 Fe2O3 2,5-7,5 Al2O3 2,5-7,5
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006117310/06A RU2315381C1 (ru) | 2006-05-22 | 2006-05-22 | Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006117310/06A RU2315381C1 (ru) | 2006-05-22 | 2006-05-22 | Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2315381C1 true RU2315381C1 (ru) | 2008-01-20 |
Family
ID=39108807
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006117310/06A RU2315381C1 (ru) | 2006-05-22 | 2006-05-22 | Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2315381C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2643362C1 (ru) * | 2017-01-16 | 2018-02-01 | Российская Федерация, от имени которой выступает Госкорпорация "Росатом" | Способ обращения с радиоактивными растворами после дезактивации поверхностей защитного оборудования |
-
2006
- 2006-05-22 RU RU2006117310/06A patent/RU2315381C1/ru active
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2643362C1 (ru) * | 2017-01-16 | 2018-02-01 | Российская Федерация, от имени которой выступает Госкорпорация "Росатом" | Способ обращения с радиоактивными растворами после дезактивации поверхностей защитного оборудования |
WO2018132041A1 (ru) | 2017-01-16 | 2018-07-19 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Способ обращения с радиоактивными растворами |
CN110447077A (zh) * | 2017-01-16 | 2019-11-12 | 俄罗斯联邦诺萨顿国家原子能公司 | 处理放射性溶液的方法 |
US10614926B2 (en) | 2017-01-16 | 2020-04-07 | State Atomic Energy Corporation “Roastom” On Behalf Of The Russian Federation | Method of handling radioactive solutions |
EP3570293A4 (en) * | 2017-01-16 | 2020-10-28 | State Atomic Energy Corporation "Rosatom" on Behalf of The Russian Federation | RADIOACTIVE SOLUTIONS MANIPULATION PROCESS |
CN110447077B (zh) * | 2017-01-16 | 2023-05-05 | 俄罗斯联邦诺萨顿国家原子能公司 | 处理放射性溶液的方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Vance et al. | Incorporation of uranium in zirconolite (CaZrTi2O7) | |
Vance et al. | Incorporation of radionuclides in crystalline titanates | |
Chen et al. | Role of defect interaction in boundary mobility and cation diffusivity of CeO2 | |
US6137025A (en) | Ceramic composition for immobilization of actinides | |
Raison et al. | Fundamental and technological aspects of actinide oxide pyrochlores: relevance for immobilization matrices | |
RU2315381C1 (ru) | Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу | |
Ringwood et al. | Immobilization of high-level waste in ceramic waste forms | |
James et al. | The synthesis, crystal chemistry and structures of Y-doped brannerite (U1− xYxTi2O6) and thorutite (Th1− xYxTi2O6− δ) phases | |
KR100790034B1 (ko) | 폐기물의 캡슐화 | |
Begg et al. | Structural effect of Pu substitutions on the Zr-site in zirconolite | |
Hart et al. | Leaching behavior of zirconolite-rich synroc used to immobilize high-fired plutonium oxide | |
Stefanovsky et al. | Phase composition and leach resistance of actinide-bearing murataite ceramics | |
RU2317606C1 (ru) | Способ иммобилизации актиноидно-редкоземельной фракции высокоактивных отходов | |
Harker et al. | Polyphase ceramic and glass-ceramic forms for immobilizing ICPP high-level nuclear waste | |
Hartmann et al. | Fabrication and chemical durability of ceramic technetium-based pyrochlores and perovskites as potential waste forms | |
Maki et al. | Synthesis and characterization of a simpler Mn-free, Fe-rich M3-type murataite | |
EP1088314A1 (en) | High level nuclear waste disposal | |
RU2380775C1 (ru) | Способ включения высокоактивного концентрата трансплутониевых и редкоземельных элементов в керамику | |
Gieré et al. | Element partitioning in a pyrochlore-based ceramic nuclear waste form | |
Kirjanova et al. | Phases Formation and Elements Partitioning in the CaO-Gd2O3 (UO2)-MnO-TiO2 System: Application to Rare Earth-Actinide Waste Immobilization | |
Herrero-Bocco et al. | Structural and Microstructural Features Observed in (Ln, U) O 2-x Systems | |
RU2140106C1 (ru) | Способ иммобилизации высокоактивных отходов в керамическую матрицу | |
Swenson et al. | The CaO-TiO 2-ZrO 2 System at 1200° C and The Solubilities of Hf and Gd in Zirconolite | |
Sobolev et al. | Phase Composition and Structure of Uranium-and Plutonium-Containing Ceramics Based on Zirconolite and Pyrochlore as Influenced by Preparation Conditions | |
Stefanovsky et al. | Murataite ceramics doped with lanthanides and uranium |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |