RU2444800C1 - Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix - Google Patents

Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix Download PDF

Info

Publication number
RU2444800C1
RU2444800C1 RU2010151828/07A RU2010151828A RU2444800C1 RU 2444800 C1 RU2444800 C1 RU 2444800C1 RU 2010151828/07 A RU2010151828/07 A RU 2010151828/07A RU 2010151828 A RU2010151828 A RU 2010151828A RU 2444800 C1 RU2444800 C1 RU 2444800C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radionuclides
mixture
column
granite
mineral
Prior art date
Application number
RU2010151828/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерия Алексеевна Суворова (RU)
Валерия Алексеевна Суворова
Андрей Михайлович Ковальский (RU)
Андрей Михайлович Ковальский
Алексей Рэдович Котельников (RU)
Алексей Рэдович Котельников
Галина Мамаджановна Ахмеджанова (RU)
Галина Мамаджановна Ахмеджанова
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт экспериментальной минералогии РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт экспериментальной минералогии РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт экспериментальной минералогии РАН
Priority to RU2010151828/07A priority Critical patent/RU2444800C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2444800C1 publication Critical patent/RU2444800C1/en

Links

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix on the basis of reactions of metasomatic substitution in "wet" conditions differs by the fact that it involves the following: passage of nitrate solution of the above radionuclides through the column filled with particles of minerals with sizes of 0.40÷0.63 mm of model granite mixture or natural granite with crystalline water-free sodium orthophosphate, at mass ratio of sodium orthophosphate to the mixture which is equal to 1:3÷4; dehydration of the contents of the column by heating from room temperature to 400°C; saturation of the column contents with liquid sodium silicate with silica modulus equal to 2; the next annealing of the obtained mineral composition at temperature of 900-1250°C and atmospheric pressure, or hot pressing at temperature of 815-900°C and axial pressure of not more than 700 kg/cm2 till crystalline mineral matrix containing the radionuclide phosphate is obtained.
EFFECT: invention allows optimising the method that allows reliable fixation of radionuclides in crystalline mineral matrix.
4 cl, 2 dwg, 6 ex

Description

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к способам иммобилизации радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов из отработанного ядерного топлива, а также образующихся в радиохимических и металлургических производствах, и может быть реализовано при утилизации радионуклидов методом фиксации радиоактивных элементов (РЭ) в минеральной матрице.The invention relates to the field of nuclear energy, in particular to methods for the immobilization of radionuclides of alkaline earth and rare earth elements from spent nuclear fuel, as well as those generated in radiochemical and metallurgical industries, and can be implemented when disposing of radionuclides by the fixation of radioactive elements (RE) in a mineral matrix.

Известен способ керамизации концентрата редкоземельных элементов, который включает осаждение ортофосфатов редкоземельных элементов из их концентрата, прокаливание полученной суспензии при 400-500°C, смешивание полученного осадка с магматическими горными породами, содержащими кварц и минералы, кристаллохимические структуры которых способны к изоморфному вхождению в них редкоземельных элементов, перетирание смеси до гомогенного состава, прессование ее при комнатной температуре и обжиг при температуре 950-1050°C до получения керамики, при этом полученные после прокаливания ортофосфаты смешивают с горными породами в весовом соотношении 1:1-3 (RU 2128377 C1, G21F 9/16, G21F 9/32, 10.08.2000).A known method of ceramicizing a rare earth concentrate, which involves the precipitation of rare earth orthophosphates from their concentrate, calcining the resulting suspension at 400-500 ° C, mixing the precipitate with igneous rocks containing quartz and minerals whose crystallochemical structures are capable of isomorphic rare earth occurrence in them elements, grinding the mixture to a homogeneous composition, pressing it at room temperature and firing at a temperature of 950-1050 ° C to obtain ceramics, at the volume obtained after calcination orthophosphates are mixed with rocks in a weight ratio of 1: 1-3 (RU 2128377 C1, G21F 9/16, G21F 9/32, 08/10/2000).

Известен способ отверждения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) с радиоактивностью от 1 до 10 Ки/л, путем включения их в цемент, размещенный в контейнере, с последующим перемешиванием, при этом контейнер заполняют цементом с плотностью 1,0-1,4 г/см3 и с помощью дренажного устройства, размещенного в контейнере, осуществляют диффундирование жидких радиоактивных отходов из нижних слоев цемента в верхние со скоростью продвижения фронта ЖРО 0,05-0,2 м/мин, при плотности цемента в пределах 1,0-1,4 г/см3 и избыточном давлении 2,0·102-2,0·103 Па и при соотношении раствор/цемент, соответствующем 0,4-0,5, максимальное наполнение компаунда ЖРО составляет 33-38%, после заполнения контейнера с цементом ЖРО его герметизируют и вращают, при этом происходит перемешивание, гомогенизация и затвердевание компаунда (SU 1338697 A, G21F 9/16, 20.03.1996).A known method of solidification of liquid radioactive waste (LRW) with a radioactivity of from 1 to 10 Ci / l, by including them in cement placed in a container, followed by mixing, while the container is filled with cement with a density of 1.0-1.4 g / cm 3 and using a drainage device placed in the container, diffuse liquid radioactive waste from the lower layers of cement to the upper with a front velocity of LRW of 0.05-0.2 m / min, with a cement density in the range of 1.0-1.4 g / cm 3 and an excess pressure of 2.0 × 10 2 to 2.0 × 10 3 Pa and at a ratio of mortar / cement, corresponding to 0.4-0.5, the maximum filling of the LRW compound is 33-38%, after filling the container with LRW cement, it is sealed and rotated, while the compound is mixed, homogenized and solidified (SU 1338697 A, G21F 9 / 16, 03.20.1996).

Известен способ переработки жидких радиоактивных материалов, включающий сорбцию радионуклидов на природных цеолитах (клиноптилолит, морденит) и цементирование полученных радиоактивных природных цеолитов с применением вяжущей системы, содержащей доменный гранулированный шлак и глинистый компонент, в смеси с раствором силиката натрия, при этом сухие компоненты вяжущей системы используют при следующем соотношении, мас.%: природный цеолит не более 40, доменный гранулированный шлак 51-85, глинистый компонент 3-13, а раствор силиката натрия используют в количестве, обеспечивающем молярное отношение оксида натрия, содержащегося в силикате натрия, к оксиду алюминия, содержащемуся в доменном гранулированном шлаке и глинистом компоненте, от 1 до 1,5, используемый раствор силиката натрия имеет силикатный модуль 1,5 и плотность 1,3-1,4 г/см3, сорбцию проводят в динамических условиях, pH жидких радиоактивных отходов устанавливают в интервале 8-12 (RU 2154317 C2, G21F 9/12, G21F 9/16, 10.08.2000).A known method of processing liquid radioactive materials, including sorption of radionuclides on natural zeolites (clinoptilolite, mordenite) and cementation of the obtained radioactive natural zeolites using an astringent system containing granulated blast furnace slag and a clay component, mixed with sodium silicate solution, while dry components of the astringent system used in the following ratio, wt.%: natural zeolite not more than 40, granulated blast furnace slag 51-85, clay component 3-13, and sodium silicate solution isp use in an amount providing a molar ratio of sodium oxide contained in sodium silicate to aluminum oxide contained in blast furnace granular slag and clay component, from 1 to 1.5, the sodium silicate solution used has a silicate module of 1.5 and a density of 1.3 -1.4 g / cm 3 , sorption is carried out under dynamic conditions, the pH of liquid radioactive waste is set in the range of 8-12 (RU 2154317 C2, G21F 9/12, G21F 9/16, 08/10/2000).

Известные способы достаточно эффективно связывают РЭ, однако обладают существенным недостатком, т.к. в них присутствует стадия сухого перемешивания, что неизбежно приводит к распылению компонентов, что в значительной степени снижает экологические параметры способов и их практическое использование.Known methods quite effectively bind RE, but have a significant drawback, because they have a stage of dry mixing, which inevitably leads to the dispersion of the components, which significantly reduces the environmental parameters of the methods and their practical use.

Известен способ обезвреживания жидких радиоактивных материалов, включающий заливку в капсулу, предварительно заполненную пористой керамикой и снабженную ловушкой возгонов, жидких радиоактивных или токсичных материалов, их упаривание, термолиз сухого остатка и улавливание возгонов с высокой упругостью пара, причем упаривание и термолиз сухого остатка осуществляют в капсуле, непосредственно в порах керамики, а после окончания процесса термолиза капсулу закупоривают, процесс упаривания ведут при температуре 70-90°C, а процесс термолиза - при температуре 700-900°C, все операции осуществляют в герметичной камере при давлении 0,01-0,05 МПа (RU 2137230 C1, G21F 9/16, G21F 9/22, 10.09.1999).A known method of neutralizing liquid radioactive materials, including pouring into a capsule pre-filled with porous ceramics and equipped with a trap of sublimates, liquid radioactive or toxic materials, their evaporation, thermolysis of the dry residue and capture of sublimates with high vapor pressure, and evaporation and thermolysis of the dry residue is carried out in a capsule directly in the pores of the ceramic, and after the end of the thermolysis process, the capsule is sealed, the evaporation process is carried out at a temperature of 70-90 ° C, and the thermolysis process at a temperature of 700-900 ° C, all operations are carried out in a sealed chamber at a pressure of 0.01-0.05 MPa (RU 2137230 C1, G21F 9/16, G21F 9/22, 09/10/1999).

Недостатком известного способа является сложность процесса, необходимость строгого контроля, так как не исключена возможность выброса растворов при их упаривании, а при термообработке возможность выброса летучих компонентов и попадание их в атмосферу.The disadvantage of this method is the complexity of the process, the need for strict control, since the possibility of the release of solutions during evaporation is not excluded, and during heat treatment the possibility of the release of volatile components and their ingress into the atmosphere.

Технической задачей изобретения является создание нового эффективного способа фиксации радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов в кристаллические минеральные матричные материалы на основе реакций метасоматического замещения в «мокрых» условиях.An object of the invention is the creation of a new effective way of fixing radionuclides of alkaline earth and rare earth elements in crystalline mineral matrix materials based on metasomatic substitution reactions in "wet" conditions.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является оптимизация способа, позволяющего надежно фиксировать радионуклиды в кристаллической минеральной матрице.The technical result of the invention is the optimization of the method, which allows reliable fixation of radionuclides in a crystalline mineral matrix.

Одним из важных этапов изготовления керамических матричных материалов является получение однородной шихты, что обычно достигается тщательным перемешиванием в сухих условиях тонкоизмельченного кальцината радиоактивных компонентов. При этом остается нерешенной проблема - распыление шихты.One of the important steps in the manufacture of ceramic matrix materials is to obtain a homogeneous charge, which is usually achieved by thoroughly mixing finely ground calcined radioactive components in dry conditions. At the same time, the problem remains unresolved - spraying the charge.

В предлагаемом способе эта проблема решена благодаря проведению процесса перевода радионуклида в кристаллическую структуру минерала полностью в «мокрых» условиях при комнатной температуре и атмосферном давлении.In the proposed method, this problem is solved by carrying out the process of transferring the radionuclide into the crystalline structure of the mineral completely in "wet" conditions at room temperature and atmospheric pressure.

Разработанный метод иммобилизации радионуклидов в «мокрых» условиях кратко представлен в сообщении на семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Суворова В.А., Тихомирова В.И., Ковальский A.M., Ахмеджанова Г.М., Котельников А.Р. Синтез матричных материалов для иммобилизации радионуклидов по методу «мокрого процесса». // Материалы ежегодного семинара по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии ЕСЭМПГ-2006, Москва, ГЕОХИ РАН. 2006. С.70).The developed method of immobilization of radionuclides in wet conditions is briefly presented in a message at a seminar on experimental mineralogy, petrology and geochemistry (Suvorova V.A., Tikhomirova V.I., Kovalsky AM, Akhmedzhanova G.M., Kotelnikov A.R. Synthesis matrix materials for the immobilization of radionuclides by the “wet process” method. // Materials of the annual seminar on experimental mineralogy, petrology and geochemistry ESEMPG-2006, Moscow, GEOKHI RAS. 2006. S. 70).

Указанный источник является наиболее близким аналогом к заявляемому способу.The specified source is the closest analogue to the claimed method.

В общем случае «мокрый процесс» можно представить в виде схемы:In the General case, the "wet process" can be represented in the form of a scheme:

Водный
раствор РЭ
Water
RE solution
Сорбция из водных растворов, метасоматические реакции замещения, реакции осажденияSorption from aqueous solutions, metasomatic substitution reactions, precipitation reactions Фазовая трансформацияPhase transformation Минеральная матрица для размещения в породах Земной корыMineral matrix for placement in the rocks of the Earth's crust

Согласно схеме при получении устойчивой минеральной матрицы для иммобилизации компонентов радиоактивных отходов необходимо вначале провести первичную фиксацию радионуклидов элементов одним из способов: ионообменной сорбции, метасоматических реакций замещения или осаждения. Эти реакции протекают при низких (<100°С) температурах в водных растворах. Затем требуется провести фазовую трансформацию полученного соединения путем высокотемпературной обработки для превращения его в устойчивую кристаллическую матрицу.According to the scheme, when obtaining a stable mineral matrix for immobilizing the components of radioactive waste, it is first necessary to carry out the primary fixation of the radionuclides of elements in one of the following ways: ion-exchange sorption, metasomatic substitution or precipitation reactions. These reactions proceed at low (<100 ° C) temperatures in aqueous solutions. Then, it is required to carry out phase transformation of the obtained compound by high-temperature treatment to turn it into a stable crystalline matrix.

Заявленный способ иммобилизации радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов в минеральной матрице базируется на такой схеме «мокрого процесса».The claimed method of immobilizing radionuclides of alkaline earth and rare earth elements in a mineral matrix is based on such a “wet process” scheme.

Суть метода, основанного на метасоматических реакциях, состоит в замене кристаллической фазы фосфата натрия малорастворимым фосфатом радионуклида, например стронция или церия, при пропускании раствора этого радионуклида через твердый фосфат натрия. Растворимое соединение (нитрат натрия) выносится в водный раствор согласно реакциямThe essence of the method based on metasomatic reactions is to replace the crystalline phase of sodium phosphate with a poorly soluble phosphate of a radionuclide, such as strontium or cerium, by passing a solution of this radionuclide through solid sodium phosphate. The soluble compound (sodium nitrate) is discharged into the aqueous solution according to the reactions

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Технический результат предлагаемого изобретения достигается тем, что способ иммобилизации радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов в минеральной матрице на основе реакций метасоматического замещения в «мокрых» условиях согласно изобретению включает: пропускание раствора нитрата радионуклидов указанных групп элементов через колонку, заполненную частицами минералов с размерами в диапазоне 0,40÷0,63 мм модельной гранитной смеси или природного гранита с кристаллическим безводным ортофосфатом натрия, при массовом соотношении ортофосфата натрия к смеси, равном 1:3÷4; дегидратацию содержимого колонки путем нагрева от комнатной температуры до 400°C; пропитку содержимого в колонке после дегидратации жидким силикатом натрия с силикатным модулем, равным 2; отжиг полученной минеральной композиции при температуре 900-1250°C и атмосферном давлении, либо горячее прессование при температуре 815-900°C и осевом давлении не выше 700 кг/см2 до получения кристаллической минеральной матрицы, содержащей фосфат радионуклида. В качестве модельной гранитной смеси используют механическую смесь кварца и альбита или кварца и микроклина, с содержанием кварца 25-30 мас.%, природный гранит представлен измельченным мелкозернистым гранитом месторождения Спокойнинское (Восточное Забайкалье).The technical result of the invention is achieved in that a method of immobilizing radionuclides of alkaline earth and rare earth elements in a mineral matrix based on metasomatic substitution reactions in “wet” conditions according to the invention includes: passing a solution of radionuclide nitrate of said groups of elements through a column filled with mineral particles with sizes in the range 0 , 40 ÷ 0.63 mm of a model granite mixture or natural granite with crystalline anhydrous sodium orthophosphate, with mass Ocean sodium orthophosphate to a mixture of 1: 3 ÷ 4; dehydration of the contents of the column by heating from room temperature to 400 ° C; impregnation of the contents in the column after dehydration with liquid sodium silicate with a silicate module equal to 2; annealing the obtained mineral composition at a temperature of 900-1250 ° C and atmospheric pressure, or hot pressing at a temperature of 815-900 ° C and an axial pressure of not higher than 700 kg / cm 2 to obtain a crystalline mineral matrix containing radionuclide phosphate. As a model granite mixture, a mechanical mixture of quartz and albite or quartz and microcline is used, with a quartz content of 25-30 wt.%, Natural granite is represented by crushed fine-grained granite of the Spokoininskoye deposit (East Transbaikalia).

В случае снижения скорости прохождения раствора через колонку в результате гидратации фосфата натрия возможно применение принудительного разрежения на выходе из колонки.In the case of a decrease in the rate of passage of the solution through the column as a result of hydration of sodium phosphate, it is possible to use forced dilution at the outlet of the column.

Способ отработан при проведении синтеза матриц, содержащих фосфаты Sr или Ce. Для получения минеральных матриц 1 M растворы нитрата стронция или нитрата церия пропускали через колонки, заполненные смесями измельченных модельного либо природного гранита с частицами кристаллического безводного ортофосфата натрия, при этом проходили реакции замещения (1) или (2). Полноту метасоматического замещения контролировали путем химического анализа растворов, выходящих из колонок.The method worked out during the synthesis of matrices containing phosphates of Sr or Ce. To obtain 1 M mineral matrices, solutions of strontium nitrate or cerium nitrate were passed through columns filled with mixtures of ground model or natural granite with particles of crystalline anhydrous sodium orthophosphate, and substitution reactions (1) or (2) took place. The completeness of metasomatic substitution was controlled by chemical analysis of the solutions leaving the columns.

Для получения модельной гранитной смеси использовали минералы: 1) альбит и 25-30 мас.% кварца или 2) микроклин и 25-30 мас.% кварца. Состав альбита в мас.% (нормирование на 100%): Na2O 11.91; Al2O3 19.48; K2O 0.23 и SiO2 68.39. Состав микроклина в мас.% (нормирование на 100%): Na2O 0.62; Al2O3 18.32; K2O 16.00 и SiO2 65.08. В качестве природного гранита использовали образцы мелкозернистого гранита из месторождения Спокойнинское (Восточное Забайкалье), содержащего мусковит состава, в мас.% (нормирование на 100%): Na2O 0.45; MgO 0.12; Al2O3 36.77; K2O 11.03; FeO 3.02 и SiO2 48.62 и полевой шпат состава, в мас.% (нормирование на 100%): Na2O 0.45; Al2O3 18.79; K2O 15.60 и SiO2 65.16.To obtain a model granite mixture, the following minerals were used: 1) albite and 25-30 wt.% Quartz or 2) microcline and 25-30 wt.% Quartz. The composition of albite in wt.% (Normalization to 100%): Na 2 O 11.91; Al 2 O 3 19.48; K 2 O 0.23 and SiO 2 68.39. The composition of the microcline in wt.% (Normalization to 100%): Na 2 O 0.62; Al 2 O 3 18.32; K 2 O 16.00 and SiO 2 65.08. As natural granite, samples of fine-grained granite from the Spokoininskoye deposit (East Transbaikalia) containing muscovite composition, in wt.% (Normalization to 100%): Na 2 O 0.45; MgO 0.12; Al 2 O 3 36.77; K 2 O 11.03; FeO 3.02 and SiO 2 48.62 and feldspar composition, in wt.% (Normalization to 100%): Na 2 O 0.45; Al 2 O 3 18.79; K 2 O 15.60 and SiO 2 65.16.

Для успешного осуществления метасоматических реакций замещения важен гранулометрический состав смесей исходных компонентов. В колонках с фракцией частиц исходной смеси в диапазоне 0,40÷0,63 мм скорость просачивания раствора через минерал обеспечивала полное протекание обменных реакций согласно реакциям (1) или (2).For the successful implementation of metasomatic substitution reactions, the particle size distribution of mixtures of the starting components is important. In columns with a fraction of particles of the initial mixture in the range 0.40–0.63 mm, the rate of permeation of the solution through the mineral ensured the complete exchange reactions according to reactions (1) or (2).

Сущность способа: модельную гранитную смесь или природный гранит с равномерным включением в них безводного ортофосфата натрия при массовом соотношении ортофосфата к смеси, равном 1:3÷4, помещали в колонки из кварцевого стекла внутренним диаметром 8 мм. Через заполненные колонки пропускали 1 М растворы Sr(NO3)2 или Ce(NO3)3 до полного замещения натрия в фосфате согласно реакциям (1) или (2). Для ускорения фильтрации на выходе из колонки в некоторых случаях создавали разрежение (~10-1 атм) с помощью водоструйного насоса. Фильтрат собирался в колбы и анализировался на содержание стронция (церия) и натрия. Появление в растворах Sr или Ce в количествах, превышающих 0,08 мг/мл, являлось критерием полноты прохождения метасоматической реакции замещения. Полученный композит с равномерным включением фосфатов Sr или Ce промывали дистиллированной водой, пропуская ее через колонки до содержания Na в промывных водах <0,03 мг/мл. Затем содержимое вместе с колонкой подвергали дегидратации путем термообработки от комнатной температуры до 400°C. Далее осуществляли пропитку содержимого колонки раствором силиката натрия с силикатным модулем 2. Полученные колонки отжигали в лабораторной печи КО-14 при температуре 900-1250°C и атмосферном давлении или подвергали горячему прессованию при температуре 815-900°C и осевом давлении не выше 700 кг/см2 до получения конечной кристаллической минеральной матрицы. Полученные фосфаты радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов являются синтетическими аналогами природных акцессорных минералов, показавших свою устойчивость в условиях земной коры в течение длительного (по геологическим масштабам) времени. Минеральная композиция, отвечающая по составу граниту, является дополнительным барьером, максимально снижающим возможное разрушающее влияние агрессивной среды на фосфат. Пропитка композита раствором силиката натрия позволяет повысить плотность матрицы и усилить надежность фиксации в ней радионуклидов.The essence of the method: a model granite mixture or natural granite with a uniform inclusion of anhydrous sodium orthophosphate in them with a mass ratio of orthophosphate to the mixture equal to 1: 3 ÷ 4, was placed in a column of quartz glass with an inner diameter of 8 mm. 1 M solutions of Sr (NO 3 ) 2 or Ce (NO 3 ) 3 were passed through the filled columns until sodium was completely replaced in phosphate according to reactions (1) or (2). To accelerate the filtration at the column outlet, in some cases, a vacuum (~ 10 -1 atm) was created using a water-jet pump. The filtrate was collected in flasks and analyzed for the content of strontium (cerium) and sodium. The appearance in solutions of Sr or Ce in amounts exceeding 0.08 mg / ml was a criterion for the completeness of the passage of the metasomatic substitution reaction. The resulting composite with a uniform inclusion of Sr or Ce phosphates was washed with distilled water, passing it through the columns until the Na content in the washings was <0.03 mg / ml. Then the contents together with the column were subjected to dehydration by heat treatment from room temperature to 400 ° C. Then, the contents of the column were impregnated with a solution of sodium silicate with silicate module 2. The obtained columns were annealed in a KO-14 laboratory furnace at a temperature of 900-1250 ° C and atmospheric pressure or subjected to hot pressing at a temperature of 815-900 ° C and an axial pressure of not higher than 700 kg / cm 2 to obtain the final crystalline mineral matrix. The obtained phosphates of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements are synthetic analogues of natural accessory minerals, which have shown their stability in the Earth's crust for a long (on geological scales) time. The mineral composition, corresponding in composition to granite, is an additional barrier that minimizes the possible destructive effect of an aggressive environment on phosphate. Impregnation of the composite with a solution of sodium silicate can increase the density of the matrix and increase the reliability of fixation of radionuclides in it.

Продукты экспериментов по синтезу кристаллической минеральной матрицы исследовались рентгеновским методом на дифрактометре HZG-4 в режиме постоянного сканирования. Для оценки составов синтезированных матриц на содержание Na, K, Ca, Mg, Sr, Ce, Al, P, Si применялся метод локального рентгеноспектрального микроанализа. Использовался цифровой электронный сканирующий микроскоп CamScan MV2300 (VEGA TS 5130ММ), оснащенный YAG детекторами вторичных и отраженных электронов и энергодисперсионным рентгеновским микроанализатором с полупроводниковым Si(Li) детектором Link INCA Energy. Расчеты результатов рентгеноспектрального микроанализа выполнялись с помощью программы ENCA Energy 200 с последующим пересчетом получаемых результатов с помощью программ, разработанных в ИЭМ РАН.The products of experiments on the synthesis of a crystalline mineral matrix were studied by the X-ray method on a HZG-4 diffractometer in the constant scanning mode. To assess the compositions of the synthesized matrices for the content of Na, K, Ca, Mg, Sr, Ce, Al, P, Si, the method of local X-ray spectral microanalysis was used. A CamScan MV2300 digital scanning electron microscope (VEGA TS 5130MM) was used, equipped with YAG detectors of secondary and reflected electrons and an energy dispersive X-ray microanalyzer with a semiconductor Si (Li) Link INCA Energy detector. The calculation of the results of X-ray spectral microanalysis was performed using the ENCA Energy 200 program, followed by recalculation of the results using programs developed at the IEM RAS.

Анализ фильтрата на содержание стронция выполняли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе AAS-1N, церия - на приборе «Spekol 11» методом фотоколориметрии с применением арсеназо III (Марченко З. Фотометрическое определение элементов. М.: Мир, 1971. С.315).Analysis of the filtrate for strontium content was carried out by atomic absorption spectroscopy on an AAS-1N instrument, cerium on a Spekol 11 instrument using photocolorimetry using arsenazo III (Marchenko Z. Photometric determination of elements. M .: Mir, 1971. P.315) .

Сущность способа подтверждается примерами.The essence of the method is confirmed by examples.

Пример 1.Example 1

В колонку из кварцевого стекла диаметром 8 мм засыпают модельную гранитную смесь из 75 мас.% альбита и 25 мас.% кварца с размерами частиц в диапазоне 0,40÷0,63 мм, в которой равномерно распределены такого же размера частицы безводного кристаллического ортофосфата натрия. Массовое соотношение ортофосфата натрия к гранитной смеси составляет 1:3. Через колонку пропускают 1 М раствор нитрата стронция в течение времени, достаточном для полного замещения ионов натрия ионами стронция с образованием трудно растворимого фосфата стронция в соответствии с реакцией (1). Появление стронция в фильтрате в количестве, превышающем 0,08 мг/мл, является критерием полноты прохождения реакции метасоматического замещения. Дегидратацию колонки проводили путем термообработки от комнатной температуры до 400°C до постоянного веса. Время дегидратации зависит от объема колонки и количества пропускаемого нитрата и при условиях эксперимента составляет в среднем 3 часа. Далее полученный композит пропитывают в колонке жидким силикатом натрия с силикатным модулем, равным 2, и направляют на отжиг, который проводят при температуре 1250°C в течение 1 часа. В результате получена кристаллическая минеральная матрица, содержащая фосфат стронция с плотностью 2,42 г/см3.A model granite mixture of 75 wt.% Albite and 25 wt.% Quartz with a particle size in the range of 0.40 ÷ 0.63 mm, in which the same particle size of anhydrous crystalline sodium orthophosphate is evenly distributed, is poured into a column of quartz glass with a diameter of 8 mm . The mass ratio of sodium orthophosphate to the granite mixture is 1: 3. A 1 M solution of strontium nitrate is passed through the column for a time sufficient to completely replace the sodium ions with strontium ions to form sparingly soluble strontium phosphate in accordance with reaction (1). The appearance of strontium in the filtrate in an amount exceeding 0.08 mg / ml is a criterion for the completeness of the passage of the metasomatic substitution reaction. Column dehydration was carried out by heat treatment from room temperature to 400 ° C to constant weight. The dehydration time depends on the volume of the column and the amount of nitrate passed through and under experimental conditions is an average of 3 hours. Next, the obtained composite is impregnated in a column with liquid sodium silicate with a silicate module equal to 2, and sent to annealing, which is carried out at a temperature of 1250 ° C for 1 hour. The result is a crystalline mineral matrix containing strontium phosphate with a density of 2.42 g / cm 3 .

Пример 2.Example 2

Все, как в примере 1, но после дегидратации и пропитки силикатом натрия минеральную композицию подвергали горячему прессованию при температуре 850°C и осевом давлении 680 кг/см2, при этом плотность матрицы повысилась до 2,46 г/см3.Everything, as in example 1, but after dehydration and impregnation with sodium silicate, the mineral composition was hot pressed at a temperature of 850 ° C and an axial pressure of 680 kg / cm 2 , while the matrix density increased to 2.46 g / cm 3 .

Дополнительное увеличение плотности матрицы (на 5-10%) достигается повышением температуры горячего прессования композиции до 900°C при сохранении давления.An additional increase in matrix density (by 5-10%) is achieved by increasing the hot pressing temperature of the composition to 900 ° C while maintaining pressure.

Пример 3.Example 3

В колонку из кварцевого стекла диаметром 8 мм засыпают модельную гранитную смесь из 70 мас.% микроклина и 30 мас.% кварца с размерами частиц в диапазоне 0,40÷0,63 мм, в которой равномерно распределены такого же размера частицы безводного кристаллического ортофосфата натрия. Массовое соотношение ортофосфата натрия к гранитной смеси составляет 1:4. Через колонку пропускают 1 М раствор нитрата церия в течение времени, достаточном для полного замещения ионов натрия ионами церия с образованием трудно растворимого фосфата церия в соответствии с реакцией (2). Появление церия в фильтрате в количестве, превышающем 0,07 мг/мл, является критерием полноты прохождения реакции метасоматического замещения. Дегидратацию колонки проводили путем термообработки от комнатной температуры до 400°C до постоянного веса. Время дегидратации зависит от объема колонки и количества пропускаемого нитрата и при условиях эксперимента составляет в среднем 3 часа. Затем осуществляют пропитку смеси в колонке жидким силикатом натрия с силикатным модулем, равным 2. После чего полученный композит направляют на отжиг при температуре 1100°C в течение 2 часов. В результате получена кристаллическая минеральная матрица, содержащая фосфат церия.A model granite mixture of 70 wt.% Microcline and 30 wt.% Quartz with particle sizes in the range of 0.40 ÷ 0.63 mm, in which the same particle size of anhydrous crystalline sodium orthophosphate is evenly distributed, is poured into a column of quartz glass with a diameter of 8 mm . The mass ratio of sodium orthophosphate to granite mixture is 1: 4. A 1 M solution of cerium nitrate is passed through the column for a time sufficient to completely replace sodium ions with cerium ions to form sparingly soluble cerium phosphate in accordance with reaction (2). The appearance of cerium in the filtrate in an amount exceeding 0.07 mg / ml is a criterion for the completeness of the passage of the metasomatic substitution reaction. Column dehydration was carried out by heat treatment from room temperature to 400 ° C to constant weight. The dehydration time depends on the volume of the column and the amount of nitrate passed through and under experimental conditions is an average of 3 hours. Then carry out the impregnation of the mixture in the column with liquid sodium silicate with a silicate module equal to 2. After which the resulting composite is sent for annealing at a temperature of 1100 ° C for 2 hours. The result is a crystalline mineral matrix containing cerium phosphate.

Пример 4.Example 4

Все, как в примере 3, однако после стадии пропитки проводят горячее прессование при 815°C и осевом давлении 700 г/см2 в течение 3,5 часов. В результате получена кристаллическая минеральная матрица, содержащая фосфат церия, при этом плотность матрицы составила до 2,50 г/см3.Everything is as in example 3, however, after the impregnation step, hot pressing is carried out at 815 ° C and an axial pressure of 700 g / cm 2 for 3.5 hours. As a result, a crystalline mineral matrix containing cerium phosphate was obtained, with a matrix density of up to 2.50 g / cm 3 .

Пример 5.Example 5

Все, как в примере 1, но в качестве минерала используют частицы измельченного мелкозернистого природного гранита месторождения Спокойнинское (Восточное Забайкалье), главные породообразующие минералы которого представлены полевым шпатом, кварцем и мусковитом. Через колонку пропускают 1 М раствор нитрата стронция, дегидратируют при 400°C до постоянного веса и пропитывают смесь в колонке жидким силикатом натрия с силикатным модулем, равным 2. Термическую обработку колонки проводят методом горячего прессования при 850°C и осевом давлении 680 кг/см2 в течение 3 часов. В результате получена кристаллическая минеральная матрица, содержащая фосфат стронция.Everything is as in example 1, but particles of crushed fine-grained natural granite of the Spokoininskoye deposit (East Transbaikalia), the main rock-forming minerals of which are represented by feldspar, quartz and muscovite, are used as a mineral. A 1 M solution of strontium nitrate was passed through the column, dehydrated at 400 ° C to constant weight, and the mixture in the column was impregnated with liquid sodium silicate with a silicate module of 2. Heat treatment of the column was carried out by hot pressing at 850 ° C and an axial pressure of 680 kg / cm 2 for 3 hours. The result is a crystalline mineral matrix containing strontium phosphate.

Пример 6.Example 6

Все, как в примере 5, но через колонку пропускают 1 М раствор нитрата церия. В результате получена кристаллическая минеральная матрица, содержащая фосфат церия.Everything, as in example 5, but a 1 M solution of cerium nitrate was passed through the column. The result is a crystalline mineral matrix containing cerium phosphate.

Рентгеновские исследования и определения химических составов фаз синтезированных кристаллических матриц подтвердили наличие в них кристаллических фосфата стронция α-Sr3(PO4)2 или фосфата церия (Ce-монацита).X-ray studies and determination of the chemical composition of the phases of the synthesized crystalline matrices confirmed the presence of crystalline strontium phosphate α-Sr 3 (PO 4 ) 2 or cerium phosphate (Ce-monazite) in them.

Для иллюстрации на фиг.1 представлена фотография полированной поверхности минеральной матрицы на основе гранита месторождения Спокойнинское (Восточное Забайкалье) с равномерно распределенным Sr-содержащим фосфатом, пропитанная силикатом натрия и уплотненная методом горячего прессования при 850°C и осевом давлении 680 кг/см2, снятая в режиме обратно рассеянных электронов методом локального рентгеноспектрального микроанализа. На фотографии видны новообразованный в результате метасоматического замещения фосфат стронция α-Sr3(PO4)2 (светлые фазы), равномерно распределенный в плотной минеральной гранитной матрице. Для сравнения на фиг.2 представлена фотография аналогичной матрицы, полученной без пропитки силикатом натрия и обладающей более высокой пористостью.To illustrate, Fig. 1 shows a photograph of the polished surface of a mineral matrix based on granite from the Spokoininskoye deposit (East Transbaikalia) with uniformly distributed Sr-containing phosphate, impregnated with sodium silicate and compacted by hot pressing at 850 ° C and axial pressure of 680 kg / cm 2 , filmed in the backscattered electron mode by local x-ray spectral microanalysis. The photograph shows strontium phosphate α-Sr 3 (PO 4 ) 2 newly formed as a result of metasomatic substitution (light phases) uniformly distributed in a dense mineral granite matrix. For comparison, figure 2 presents a photograph of a similar matrix obtained without impregnation with sodium silicate and having a higher porosity.

Фосфаты, получаемые при синтезе по заявленному способу, являются аналогами природных акцессорных минералов, показавших свою высокую устойчивость к процессам выщелачивания в условиях земной коры в течение длительного (по геологическим масштабам) времени. Так, ортофосфат стронция является аналогом апатита, высокая устойчивость которого исследована в работе (Котельников А.Р., Ахмеджанова Г.М., Суворова В.А. Минералы и их твердые растворы - матрицы для иммобилизации радиоактивных отходов // Геохимия. 1999. №2. С.192-200). Фосфат церия является аналогом минерала монацита - распространенного акцессорного минерала гранитов и других пород, а его высокая устойчивость к процессам выщелачивания показана в работе (Ringwood А.Е., Kesson S.E., Reeve K.D., Levins D.M., Ramm E.J. SYNROC // Radioactive waste forms for the future. Eds.: W.Lutze and R.C.Ewing, Elsevier Sci. Publ., 1988. Ch. 4. 324 p.).Phosphates obtained by synthesis according to the claimed method are analogues of natural accessory minerals that have shown their high resistance to leaching processes in the earth's crust for a long (on geological scales) time. So, strontium orthophosphate is an analogue of apatite, the high stability of which was studied in the work (Kotelnikov A.R., Akhmedzhanova G.M., Suvorova V.A. Minerals and their solid solutions - matrices for immobilization of radioactive waste // Geochemistry. 1999. No. 2. S.192-200). Cerium phosphate is an analogue of the monazite mineral - a common accessory mineral of granites and other rocks, and its high resistance to leaching processes is shown in (Ringwood A.E., Kesson SE, Reeve KD, Levins DM, Ramm EJ SYNROC // Radioactive waste forms for the future. Eds .: W. Lutze and RCEwing, Elsevier Sci. Publ., 1988. Ch. 4. 324 p.).

Таким образом, способ, представленный в изобретении, позволяет надежно фиксировать в кристаллической структуре минерала, находящегося, в свою очередь, в минеральной матрице, радионуклиды щелочноземельных и редкоземельных элементов и оптимизировать процесс синтеза за счет исключения стадии измельчения исходных компонентов матрицы в сухих условиях, сопровождающейся распылением шихты. В предлагаемом способе эта проблема решена благодаря возможности проводить перевод радионуклида в кристаллическую структуру минерала в «мокрых» условиях при комнатной температуре и атмосферном давлении.Thus, the method presented in the invention allows to reliably fix in the crystal structure of the mineral, which, in turn, is in the mineral matrix, radionuclides of alkaline earth and rare earth elements and to optimize the synthesis process by eliminating the stage of grinding of the initial components of the matrix in dry conditions, accompanied by spraying charge. In the proposed method, this problem is solved due to the ability to transfer the radionuclide into the crystalline structure of the mineral in "wet" conditions at room temperature and atmospheric pressure.

Claims (4)

1. Способ иммобилизации радионуклидов щелочноземельных и редкоземельных элементов в минеральной матрице на основе реакций метасоматического замещения в «мокрых» условиях, отличающийся тем, что он включает: пропускание раствора нитрата указанных радионуклидов через колонку, заполненную частицами минералов с размерами в диапазоне 0,40÷0,63 мм модельной гранитной смеси или природного гранита с кристаллическим безводным ортофосфатом натрия, при массовом соотношении ортофосфата натрия к смеси, равном 1:3÷4; дегидратацию содержимого колонки путем нагрева от комнатной температуры до 400°C; пропитку содержимого колонки жидким силикатом натрия с силикатным модулем, равным 2; последующий отжиг полученной минеральной композиции при температуре 900-1250°C и атмосферном давлении, либо горячее прессование при температуре 815-900°C и осевом давлении не выше 700 кг/см2 до получения кристаллической минеральной матрицы, содержащей фосфат радионуклида.1. A method of immobilizing radionuclides of alkaline earth and rare earth elements in a mineral matrix based on metasomatic substitution reactions in “wet” conditions, characterized in that it includes: passing a nitrate solution of said radionuclides through a column filled with mineral particles with sizes in the range 0.40 ÷ 0 , 63 mm of a model granite mixture or natural granite with crystalline anhydrous sodium orthophosphate, with a mass ratio of sodium orthophosphate to the mixture equal to 1: 3 ÷ 4; dehydration of the contents of the column by heating from room temperature to 400 ° C; impregnation of the contents of the column with liquid sodium silicate with a silicate module equal to 2; subsequent annealing of the obtained mineral composition at a temperature of 900-1250 ° C and atmospheric pressure, or hot pressing at a temperature of 815-900 ° C and an axial pressure of not higher than 700 kg / cm 2 to obtain a crystalline mineral matrix containing radionuclide phosphate. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве модельной гранитной смеси используют механическую смесь кварца и альбита или кварца и микроклина.2. The method according to claim 1, characterized in that a mechanical mixture of quartz and albite or quartz and microcline is used as a model granite mixture. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что содержание кварца в смеси составляет 25-30 мас.%.3. The method according to claim 2, characterized in that the quartz content in the mixture is 25-30 wt.%. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве природного гранита используют измельченный мелкозернистый гранит месторождения Спокойнинское (Восточное Забайкалье). 4. The method according to claim 1, characterized in that the crushed fine-grained granite of the Spokoininskoye deposit (East Transbaikalia) is used as natural granite.
RU2010151828/07A 2010-12-17 2010-12-17 Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix RU2444800C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010151828/07A RU2444800C1 (en) 2010-12-17 2010-12-17 Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010151828/07A RU2444800C1 (en) 2010-12-17 2010-12-17 Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2444800C1 true RU2444800C1 (en) 2012-03-10

Family

ID=46029173

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010151828/07A RU2444800C1 (en) 2010-12-17 2010-12-17 Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2444800C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510292C1 (en) * 2012-09-06 2014-03-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) Method of producing cesium sorbent
RU2516639C2 (en) * 2012-09-06 2014-05-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) Method of obtaining caesium sorbent
RU2775511C2 (en) * 2020-08-03 2022-07-04 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for immobilization of solid waste of pyrochemical processing of spent nuclear fuel

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2720342A1 (en) * 1977-05-06 1978-11-09 Steag Kernenergie Gmbh SYSTEM FOR FILLING WASTE CONTAINERS WITH RADIOACTIVE WASTE AND FOR THE SYSTEM EQUIPPED WITH WASTE CONTAINERS
DE3215508A1 (en) * 1982-04-26 1983-10-27 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe METHOD FOR IMPROVING THE RADIONUCLIDE RETENTION PROPERTIES OF RESTORATION OF RADIOACTIVE WASTE
RU2137230C1 (en) * 1998-01-19 1999-09-10 Вертман Александр Абрамович Method for decontaminating liquid radioactive and toxic materials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2720342A1 (en) * 1977-05-06 1978-11-09 Steag Kernenergie Gmbh SYSTEM FOR FILLING WASTE CONTAINERS WITH RADIOACTIVE WASTE AND FOR THE SYSTEM EQUIPPED WITH WASTE CONTAINERS
DE3215508A1 (en) * 1982-04-26 1983-10-27 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe METHOD FOR IMPROVING THE RADIONUCLIDE RETENTION PROPERTIES OF RESTORATION OF RADIOACTIVE WASTE
RU2137230C1 (en) * 1998-01-19 1999-09-10 Вертман Александр Абрамович Method for decontaminating liquid radioactive and toxic materials

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СУВОРОВА В.А. и др. Синтез матричных материалов для иммобилизации радионуклидов по методу «мокрого процесса». Материалы ежегодного семинара по экспериментальной минерологии, петрологии и геохимии ЕСЭМПГ-2006. - М.: ГЕОХИ РАН, 2006, с.70. НИКИФОРОВ А.С. и др. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с.92-94. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2510292C1 (en) * 2012-09-06 2014-03-27 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) Method of producing cesium sorbent
RU2516639C2 (en) * 2012-09-06 2014-05-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дальневосточный Федеральный Университет" (Двфу) Method of obtaining caesium sorbent
RU2775511C2 (en) * 2020-08-03 2022-07-04 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Method for immobilization of solid waste of pyrochemical processing of spent nuclear fuel

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bernal et al. Role of carbonates in the chemical evolution of sodium carbonate-activated slag binders
Geraldo et al. Calcination parameters on phosphogypsum waste recycling
Riley et al. Glass binder development for a glass-bonded sodalite ceramic waste form
US11361871B2 (en) Composition and method for the processing of hazardous sludges and ion exchange media
Pyo et al. Magnesium potassium phosphate cements to immobilize radioactive concrete wastes generated by decommissioning of nuclear power plants
Chartier et al. Behaviour of magnesium phosphate cement-based materials under gamma and alpha irradiation
RU2444800C1 (en) Immobilisation method of radionuclides of alkaline-earth and rare-earth elements in mineral matrix
Gardner et al. Response to the discussion by Hongyan Ma and Ying Li of the paper “Characterization of magnesium potassium phosphate cement blended with fly ash and ground granulated blast furnace slag”
Juoi et al. Microstructure and leaching durability of glass composite wasteforms for spent clinoptilolite immobilisation
JP2016512190A (en) Binder for conditioning waste containing aluminum metal and its use
Kononenko et al. Immobilization of NPP evaporator bottom high salt-bearing liquid radioactive waste into struvite-based phosphate matrices
Chen et al. Transformation of Cs-IONSIV® into a ceramic wasteform by hot isostatic pressing
Sadiq et al. Study of the spent resins confinement, as radioactive waste, by cementation in the presence of Moroccan natural red clay
Buvaneswari et al. Low leachability phosphate lattices for fixation of select metal ions
Vance et al. Development of geopolymers for nuclear waste immobilisation
US11000719B2 (en) Method for immobilizing a mercury-containing waste
Li et al. Preparation and densification study of sodium zirconium phosphate-doped microwave-sintered uranium tailing ceramics
Jiang et al. Thermal Stability of Geopolymer-Sr Contaminated Zeolite A Blends
US6489531B1 (en) Confinement of caesium and/or rubidium in apatitic ceramics
Gardner Assessment of magnesium potassium phosphate cements for radioactive waste encapsulation
Sayenko et al. Production and Properties of Magnesium Potassium Phosphate Cements Containing Ash and Metallurgical Slag Additives for Radioactive Waste Immobilization
Jain Fly ash-based geopolymers for immobilization of nuclear waste containing cesium
EP1412950B1 (en) Encapsulation of waste
Sayenko et al. Experimental study on radioactive waste immobilization in low-temperature magnesium-potassium phosphate ceramic matrix
Vinokurov et al. Magnesium potassium phosphate matrix for the immobilization of radioactive waste generated during the reprocessing of mixed uranium plutonium nitride spent nuclear fuel