Способ переработки радиоактивных отходов
Способ предназначен для обработки радиоактивных отходов методом остекловывания. Обработку радиоактивных отходов производят в емкости. Емкость помещают в сетчатый кожух. Пространство между стенками емкости засыпают порошкообразным малогазовым составом контактного нагрева. Затем емкость заполняют смесью кальцинированных отходов с тепловой основой при следующем соотношении /мас. %/: кальцинированные радиоактивные отходы - 20 - 35, тепловая основа - 65 - 80. Тепловая основа имеет следующий состав /мас.%/: силикокальций - 20, свинцовый сурик - 47, стеклообразователь - 33. Инициируют горение тепловой основы и порошкообрахного малогазового состава контактного нагрева преимущественно с помощью огнепроводящего шнура или электрического разряда. Преимущественно в качестве порошкообразного малогазового состава контактного нагрева используют порошок на основе алюминия, магния и их сплавов. Остеклованный блок обладает равномерными физико-химическими свойствами по всему объему. 4 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к охране окружающей среды, а точнее к переработке радиоактивных отходов (РАО) путем их фиксации в устойчивой твердой среде. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован при остекловывании кальцинатов жидких радиоактивных отходов (ЖРО), зольных остатков, образующихся при сжигании твердых радиоактивных отходов (ТРО), а также их смесей, получаемых в результате предварительной высокотемпературной обработки ЖРО и ТРО.
Известны способы остекловывания предварительно кальцинированных радиоактивных отходов, включающие смешение кальцината ЖРО с флюсующими добавками, в качестве которых используют либо искусственно приготовленные стеклообразующие смеси, либо гонтовую стеклянную фритту, последующий нагрев до образования стеклорасплава и его охлаждение на конечной стадии до образования монолитного, пригодного для долгосрочного хранения продукта [1]. Недостатком известных способов является их неэкономичность, связанная с большим потреблением электроэнергии и сложность, обусловленная многостадийностью процесса. Известен "Способ обработки расплавлением золы радиоактивных отходов", включающий предварительное плавление в металлическом индукционном нагревателе стеклообразующего флюса, подачи в расплав золы ТРО, выдержку смеси до образования стеклоподобного материала и его охлаждение до образования монолитного продукта, направляемого на долгосрочное хранение [2]. Недостатком известного способа также является его неэкономичность, связанная с повышенной энергоемкостью и сложность, связанная с многостадийностью процесса. Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ остекловывания предварительно кальцинированных (или обезвоженных) РАО непосредственно в емкостях (графитовых тиглях, специальных хранилищах, могильниках) [3]. Способ включает предварительное приготовление шихты, состоящей из кальцинированных или обезвоженных РАО, стеклообразователя и термита на основе Fe2O3 и металлического Al с последующим инициированием между его компонентами экзотермической окислительно - восстановительной реакции в режиме горения, в результате которого происходит образование стеклоподобного материала. Нормальный ход процесса обеспечивается при наличии в шихте не более 45 мас. % термита. При этом достигается температура 1600 - 2000oC. Кроме того, обязательным условием нормального протекания процесса является еще и достижение достаточно равномерного распределения термита в шихте. Недостатками известного способа являются: - повышенная опасность реализации способа, связанная с тем, что любое нарушение равномерности распределения термита в шихте может привести к образованию зон, где его содержание будет превышать 45 мас.%, следствием чего экзотермическая реакция в объеме шихты будет иметь взрывной характер; - неудовлетворительное качество подмечаемого стеклоподобного материала, связанное с образованием в результате экзотермической реакции соединений железа, плохо совместимых со стеклофазой; - неудовлетворительное качество стеклоподобного материала у стенок емкости, связанное с невозможностью образования стеклофазы из-за недостаточного нагрева, вследствие повышенной теплоотдачи во внешнюю среду. Преимуществами предложенного способа являются повышение безопасности его реализации за счет предотвращения взрывоопасности, а также улучшение качества получаемого продукта за счет образования стеклорасплава из компонентов тепловой основы (силикокальция и сурика) и равномерности свойств образующейся стеклофазы по всему объему конечного продукта. Указанные преимущества достигаются за счет того, что в заявляемом способе высокотемпературнообработанные РАО (кальцинат ЖРО, зольный остаток ТРО или их смесь) смешивают с тепловой основой при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: высокотемпературнообработанные РАО - 20 - 35 тепловая основа - 65 - 80, где в качестве тепловой основы используют смесь порошков силикокальция [4] , свинцового сурика (Pb3O4) и стеклообразователя при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: силикокальций - 20 свинцовый сурик - 47 стеклообразователь - 33Смесь высокотемпературнообработанных РАО и тепловой основы помещают в стальной контейнер цилиндрической формы. На контейнер одевают кожух из сетки. В пространство между контейнером и кожухом засыпают порошкообразный малогазовый состав контактного нагрева, на основе металлизированного алюминия, магния и их сплавов [5], а сам процесс запускают с помощью огнепроводящего шнура или электрического разряда, одновременно инициируя горение тепловой основы и порошкообразного малогазового состава контактного нагрева. В результате горения температура на наружной поверхности контейнера достигает 1000 - 1100oC и происходит образование теплоизолирующей шлаковой оболочки, что предотвращает захолаживание на стенках контейнера образующегося стеклорасплава и препятствует его быстрому остыванию. Все это обеспечивает повышение качества получаемого стеклоподобного материала за счет обеспечения равномерности его свойств по объему. После перехода смеси высокотемпературнообработанных РАО и тепловой основы в расплавленное состояние стеклорасплав охлаждают путем естественного понижения температуры и вместе с контейнером, направляют на захоронение. Процесс перевода высокотемпературнообработанных РАО в стеклоподобное состояние осуществляют за счет тепла, выделяющегося в ходе окислительно-восстановительной экзотермической реакции между силикокальцием и свинцовым суриком. Реакция характеризуется высоким тепловым эффектом, проходит в режиме горения и обеспечивает подъем температуры до 1500oC. Кроме того, силикокальций способен образовывать с Al, Mg и Si - составляющими компонентами высокотемпературнообработанных РАО алюмосиликаты типа Ca(Al2Si2), CaMgSi2O6, Ca3(Si3O9), которые легко плавятся и хорошо совместимы со стеклофазой, что способствует улучшению качества конечного продукта за счет повышения его гомогенности. В качестве стеклообразователя используют боросиликатные флюсующие добавки, в виде стеклошихты или стеклофритты, причем в случае использования стеклошихты, в качестве плавней [6] возможно применение кальцината
Снижение содержания Pb3O4 менее 47 мас.%, в составе тепловой основы приведет к понижению температуры процесса, которая не обеспечит расплавления всех компонентов смеси и образования стеклоподобного продукта, в результате чего получится пористый материал с пониженной водоустойчивостью. Увеличение же его содержания сверх 47 мас.% существенно повысит скорость горения тепловой основы, что будет сопровождаться разбрызгиванием расплава и снижением безопасности процесса. Снижение содержания силикокальция менее 20 мас.% приведет к понижению рабочей температуры процесса и получению материала с невысокой механической прочностью и водоустойчивостью. Повышение содержания силикокальция сверх 20 мас. % приведет к неполному участию его в процессе и вызовет ухудшение гомогенных свойств конечного продукта. Введение избытка высокотемпературнообработанных РАО (более 35 мас.%) в их смесь с тепловой основой приведет к понижению температуры процесса, так как отдельные компоненты РАО (SiO2, Al2O3, P2O5, TiO2) являются тугоплавкими и тепла, выделяемого в процессе горения тепловой основы, не хватит для проплавления всей смеси, следствием чего будет ухудшение качества конечного продукта. При введении РАО в смесь в количестве менее 20 мас.% снизится степень наполнения матрицы отходами и повысится температура процесса, что может привести к взрывному характеру его течения. Способ реализуют следующим образом. В стальной контейнер высотой 25 см и диаметром 15 см в весовом соотношении 3:7 загружают 3 кг смеси высокотемпературнообработанных РАО и тепловой основы состава, мас.%: силикокальций - 20, Pb3O4 - 47, стеклообразователь - 33. На контейнер одевают сетчатый кожух. В зазор между контейнером и кожухом толщиной 1 см засыпают порошкообразный малогазовый состав контактного нагрева на всю высоту контейнера. Горение порошкообразного малогазового состава контактного нагрева, продолжительностью 25 -30 мин, и тепловой основы инициируют одновременно с помощью огнепроводящего шнура или электрического разряда. После образования стеклорасплава в течение 30-40 мин, контейнер с конечным продуктом охлаждают за счет естественного понижения температуры и направляют на захоронение. Данный способ, с применением в качестве стеклообразователя боросиликатных флюсующих добавок в виде стеклянной фритты или стеклошихты, в которой в качестве плавня используют кальцинат ЖРО, позволяет получить монолитный продукт, структура которого представлена аморфной стеклофазой и кристаллическими включениями (Ca2P2O7, FeSi, Ca2SiO4, Na3Ca6(PO4) и др.). Водоустойчивость продукта по Na+ составляет 10-6 - 10-7 г/см2сут, по 137Cs
![](https://img.poleznayamodel.ru/chr/183.gif)
1. Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. "Обезвреживание жидких радиоактивных отходов". Энергоатомиздат, М., 1983, с. 91 -96. 2. Заявка Японии N 4 - 50558 B4 кл. G 21 F 9/30,9/32, оп. 28.02.85
3. Никифоров А. С., Куличенко В.В.,Жихарев М.И. "Обезвреживание жидких радиоактивных отходов". Энергоатомиздат, М., 1983, с. 96- 98
4. ГОСТ 47620-71, "Силикокальций"
5. Патент РФ N 2 036 385, кл. F 23 G 7/00, 1/00, 1995
6. И. Г.Дудеров, Г.М.Матвеев, В. Б. Суханова, "Общая технология силикатов", М.,Стройиздат, 1987, с. 249- 251.
Формула изобретения
Высокотемпературнообработанные радиоактивные отходы - 20 - 35
Тепловая основа - 65 - 80
в качестве восстановителя тепловой основы используют силикокальций, в качестве окислителя - свинцовый сурик, а в качестве стеклообразователя - боросиликатные флюсующие добавки, при следующем соотношении ингредиентов, мас. %:
Силикокальций - 20
Свинцовый сурик - 47
Стеклообразователь - 33
емкость помещают в сетчатый кожух, пространство между стенками емкости и кожуха засыпают порошкообразным малогазовым составом контактного нагрева, после чего емкость заполняют смесью высокотемпературнообработанных радиоактивных отходов и тепловой основы, а инициирование горения тепловой основы и порошкообразного малогазового состава контактного нагрева осуществляют одновременно. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что боросиликатные флюсующие добавки используют в виде стеклошихты или стеклофритты. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве плавней стеклошихты используют кальцинат жидких радиоактивных отходов. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве порошкообразного малогазового состава контактного нагрева используют порошок на основе алюминия, магния и их сплавов. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициирование горения тепловой основы и порошкообразного малогазового состава контактного нагрева осуществляют с помощью огнепроводящего шнура или электрического разряда.