Результат интеллектуальной деятельности: КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И СПОСОБ ЕГО ПРИМЕНЕНИЯ

Изобретение относится к области атомной техники и касается технологии переработки радиоактивных отходов. В настоящее время проблема безопасного обращения с радиоактивными отходами является одной из основных проблем, от которой зависят масштабы и динамика развития ядерной энергетики, а также дальнейшее внедрение радиационных технологий. Предлагаемое изобретение, более конкретно, относится к области переработки высокосолевых жидких радиоактивных отходов (ЖРО) низкого и среднего уровня активности, содержащих до 30% органических веществ. Такие отходы образуются, например, в результате дезактивации малосолевых радиоактивно загрязненных вод на предприятиях по обращению с радиоактивными отходами и на действующих АЭС термическим способом (дистилляция или упаривание). Данный способ дезактивации реализуется в специальных выпарных аппаратах (перегонных кубах) с подводом тепла водяным паром через стенку аппарата. Конечными продуктами работы аппаратов являются дистиллят и небольшие по объему ЖРО, называемые кубовыми остатками (КО), в которых концентрации радионуклидов и солей в 60-300 раз больше, чем в исходных ЖРО. Таким образом, способ дистилляции или упаривания приводит лишь к уменьшению объема ЖРО за счет концентрирования и не решает проблемы обеспечения длительного и безопасного для окружающей среды хранения ЖРО.

В настоящее время одной из наиболее перспективных технологий иммобилизации ЖРО, получаемых в результате процесса дистилляции или упаривания, является их омоноличивание, т.е. включение их в матричные затвердевающие составы. Эти составы должны отвечать требованиям ГОСТ Р 51883-2002 (Отходы радиоактивные цементированные. Общие технические требования). Следует отметить, что технология иммобилизации ЖРО посредством омоноличивания предпочтительно не должна требовать высоких энергетических затрат и осуществляться при любых положительных температурах на оборудовании, применяющемся при обычном цементировании.

Известен (А.А.Игнатов и др. Разработка и испытания матричных составов для цементирования ЖРО ЛСК «Радон» // «Экология и атомная энергетика», №2(17), с.91) матричный состав для цементирования ЖРО специальных прачечных, в который входят: портландцемент марок М-400 (М-500), хлорид кальция, природный сорбент (бентонит или природная смесь бентонита с цеолитом). К недостаткам данного состава следует отнести: использование относительно дорогих материалов, которые широко применяются в строительстве, а также не очень высокая степень наполнения цементных компаундов сухими радиоактивными солями.

Известен (авторское свидетельство СССР №1275560 А, 1986 г.) способ отверждения ЖРО путем их упаривания до получения шлама с кристаллогидратной водой и далее включение шлама в битум при температуре (50-90)°С и в отношении шлама к битуму 1:4. Указанный способ имеет ряд существенных недостатков. Так в получаемой композиции шлам - битум содержание отходов мало, и поэтому его эффективность невысока. Кроме того, способ имеет высокую энергоемкость из-за длительного упаривания ЖРО и высокую пожароопасность ввиду горючести битума.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является композиционный материал, защищенный патентом РФ №2378723 от 10.04.2010 г., в связи с этим он принят за прототип. Известный композиционный материал для иммобилизации радиоактивных и химических токсичных отходов имеет следующий состав, мас.%:

В качестве наполнителя композиционный материал содержит металлургический шлак с размерами частиц до 0,074 мм или золу от сжигания органических и/или неорганических веществ. Дополнительно материал содержит до 0,5% бентонитовой глины.

Недостатком этого композиционного материала является превышение одного из основных, согласно ГОСТ Р 51883-2002, показателей качества цементных компаундов, а именно - скорости выщелачивания для цезия-137 (≤1·10^-3 г/см²·сут) - даже при малой степени наполнения (3-8 мас.%) компаундов радиоактивными солями. Это связано с тем, что матрица магнезиального цемента (МЦ) не является барьером для цезия-137, а эффективности введенных в композиционный материал сорбентов для удержания радионуклидов с требуемыми показателями недостаточно.

Также известны способы иммобилизации радиоактивных отходов, в том числе, в минеральные матричные блоки. Например, в соответствии с патентом РФ №2189652 предложен способ иммобилизации радиоактивных отходов в минеральный матричный блок, включающий смешивание радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой в определенной пропорции, заполнение зазора между наружной и внутренней емкостями порошкообразным неорганическим теплоизоляционным материалом, загрузку полученной смеси во внутреннюю емкость, нагрев смеси радиоактивных отходов с окислителем, восстановителем и минеральной добавкой путем инициирования в ней экзотермической реакции между окислителем и восстановителем, получение расплава конечного продукта и его охлаждение. Однако данный способ сложен технологически, энергоемок и требует для своей реализации применения специального устройства.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому в изобретении является способ иммобилизации жидких радиоактивных отходов в соответствии с патентом РФ №2214011 (прототип), включающий их концентрирование и отверждение с выдерживанием смеси до формирования прочного твердого монолитного блока, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов, отличающийся тем, что отверждение осуществляют путем смешивания радиоактивных отходов с раствором хлористого магния плотностью 1,2-1,35 г/см³, магнезиального вяжущего и тонкодисперсного минерального наполнителя с размерами частиц 0,005-0,015 мм. Недостатками данного способа является превышение нормативной скорости выщелачивания для цезия-137 и недостаточная наполняемость конечного продукта радиоактивными отходами, содержащими значительное количество органических и поверхностно-активных веществ.

Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке такого композиционного материала и способа его применения, которые позволяют иммобилизировать ЖРО с качеством, отвечающим ГОСТ Р 51883-2002, а именно скорость выщелачивания для цезия-137 обеспечивается ≤1·10^-3 г/см²·сут при достижении степени наполнения компаундов сухими радиоактивными солями 35-37%.

С этой целью в композиционном материале для иммобилизации высокосолевых жидких радиоактивных отходов, включающем отвердитель, порошок магнезитовый каустический и каталитическую углеродосодержащую добавку, в качестве отвердителя примененены твердые соли и в состав материала дополнительно введены растворы ферроцианида калия и нитрата никеля, а также хлорид кальция при следующем соотношении мас.%:

Дополнительными отличиями предлагаемого композиционного материала является применение в качестве твердых солей шестиводного хлорида магния (MgCl₂·6H₂O) или семиводного сульфата магния (MgSO₄·7H₂O), а в качестве каталитической добавки - белой сажи, шунгита или пирокарбона.

Также с целью достижения поставленного технического результата в изобретении предлагается в способе применения композиционного материала для иммобилизации высокосолевых жидких радиоактивных отходов, состоящем в их концентрировании и отверждении с помощью композиционного материала, включающего отвердитель, порошок магнезитовый каустический и каталитическую углеродосодержащую добавку, с выдерживанием смеси до формирования прочного твердого монолитного блока, фиксирующего в своей структуре компоненты радиоактивных отходов, в качестве отвердителя предлагается использовать твердые соли, а в композиционный материал дополнительно вводить растворы ферроцианида калия и нитрата никеля, а также хлорид кальция при следующем соотношении мас.%:

Причем отверждение предлагается проводить введением в жидкие радиоактивные отходы ингредиентов композиционного материала в следующей последовательности: 1 - твердые соли, 2 - раствор ферроцианида калия, 3 - раствор нитрата никеля, 4 - хлорид кальция, 5 - каталитическая углеродосодержащая добавка и 6 - порошок магнезитовый каустический при непрерывном перемешивании смеси.

Дополнительными отличиями предлагаемого способа является применение в качестве твердых солей шести водного хлорида магния (MgCl₂·6H₂O) или семиводного сульфата магния (MgSO₄·7H₂O), а в качестве каталитической добавки - белой сажи, шунгита или пирокарбона.

Применение в составе предложенного композиционного материала в качестве отвердителей порошка магнезитового каустического вместо ненасыщенных растворов хлорида или сульфата магния твердых солей позволяет использовать воду, содержащуюся в составе ЖРО для образования насыщенных растворов хлорида или сульфата магния, и обеспечивает повышение наполняемости конечного продукта (отвердевшего компаунда) радиоактивными отходами.

Введение растворов гексацианоферрата калия (желтой кровяной соли) и азотнокислого никеля, образующих при смешении труднорастворимое соединение - ферроцианид никеля-калия (ФЦНК), являющийся эффективным селективным сорбентом на цезий, обеспечивает существенное уменьшение скорости выщелачивания из отвердевшего компаунда цезия-137.

И, наконец, введение в состав компаунда хлорида кальция позволяет увеличить степень наполнения компаунда радиоактивными солями и связать входящие в состав отходов фосфаты, оксалаты, силикаты в труднорастворимые соединения.

Один из вариантов выполнения разработанного способа омоноличивания ЖРО описан ниже. В качестве ЖРО использовались кубовые остатки спецпрачечной, содержащие фосфаты, силикаты, сульфаты, оксалаты, органические и поверхностно-активные вещества. Солесодержание кубовых остатков составляло 400-600 г/л, а органических и поверхностно-активных веществ - до 30 мас.%.

А. ЖРО подают насосом из расходной емкости, оборудованной дозирующим устройством, в смеситель установки цементирования (если pH ЖРО больше 9,7-9,9, в него вводят необходимый объем соляной кислоты), затем дозатором подают в смеситель кристаллогидраты сульфата магния или сернокислого магния и смесь перемешивают в течение 3-5 мин. После такого контакта кристаллизационная вода солей переходит в ЖРО и немного его разжижает.

Б. В смесь «А», находящуюся в смесителе, с помощью дозатора вводят отмеренный объем желтой кровяной соли и смесь перемешивают в течение 3-5 мин, а затем туда же подают отмеренный объем нитрата никеля и смесь перемешивают в течение 3-5 мин, после чего выдерживают в течение 2-3 ч с периодическим перемешиванием через каждые 0,5 ч. По реакции:

K₄[Ni(CN)₆]+4Cs⁺→CS₄[Ni(CN₆]+4K⁺

получают ФЦНК, который обладает высокой эффективностью очистки цезия-137 (коэффициент очистки до 10³). Следует иметь в виду, что образованное труднорастворимое соединение при pH≥10 начинает эффективно растворяться.

В. В смесь «Б» дозатором сбрасывают отмеренную навеску порошка хлорида кальция из расчета 0,1-0,2 г на 1 г сухих радиоактивных солей. Содержащиеся в составе ЖРО фосфаты, оксалаты, силикаты, карбонаты натрия, натриевые соли жирных кислот образуют труднорастворимые соединения. В объеме смеси образуются сгустки (осадок), которые после перемешивания в течение 3-5 мин достигают сметанообразного состояния средней густоты. Так как фосфаты кальция мало растворимы, при образовании осадка происходит сокристаллизация, соосаждение и сорбция радионуклидов, т.е. дополнительная очистка. При этом pH среды смеси должна быть в диапазоне 9,7-9,9. [Осадительные методы очистки ЖРО: Методические указания / ЛТИ им. Ленсовета. - Л., 1989. - c.6-7].

Г. В смесь «В» из емкости-дозатора с отмеренной навеской вводят каталитическую добавку в виде порошков «белой сажи», шунгита или пироксилина, затем навеску бентонитовой глины, которая составляет 0,5-1% от массы МЦ, и осуществляют перемешивание в течение 3-5 мин. Каталитическая добавка в количествах 0,2-0,6 мас.% от массы сухих радиоактивных солей способствует совмещению компонентов ЖРО и МЦ с получением более прочных компаундов. Бентонитовая глина является сорбентом для стронция-90, активность которого в ЖРО соизмерима с активностью цезия-137, и дополнительным сорбентом для цезия. Затем в смеситель порциями всыпают порошок магнезитовый каустический (марка ПМК-87) при постоянном перемешивании магнезиального теста. Когда ЖРО становится густым, в него добавляют воду или ЖРО, затем вновь порцию ПМК, воду или ЖРО и так поступают до полного опорожнения дозатора. Полученное цементное тесто нужной консистенции заливают в штатные 200 л железные бочки или в железобетонные невозвратные защитные контейнеры типа НЗК, предназначенные для хранения, транспортировки и захоронения РАО низкой и средней активности. Емкости выдерживают на воздухе до превращения компаунда в монолит.

Положительные свойства разработанного композиционного материала и способа его применения для переработки ЖРО омоноличиванием (созданием магнезиального компаунда) подтверждаются экспериментально.

Пример 1. Определение в соответствии с изобретением зависимости механической устойчивости отвержденных компаундов от соотношения отверждающих кубовые остатки ингредиентов - хлорида (сульфата) магния и порошка магнезитового каустического (ПМК-87).

В экспериментах в качестве ЖРО использовались реальные кубовые остатки от установки дистилляции ЖРО с солесодержанием 400-600 г/л, сульфат и хлорид магния марки «Ч» (ГОСТ 7759-73) и порошок магнезитовый каустический (ПМК-87), изготовленный по ГОСТ 1216-87. Этот порошок получен улавливанием пыли при обжиге природного магнезита. Он на 82-83% состоит из MgO, содержит до 2,5% СаО и 2,5% SiO₂ и имеет плотность 3,1-3,4 г/см³.

Зависимость прочности отвержденных ЖРО спецпрачечных от соотношения ПМК/MgCl₂ приведена в табл.1. Из таблицы видно, что при создании цементирующих компаундов соотношение ПМК/MgCl₂(MgSO₄) должно быть не менее чем 4:1.

Пример 2. Подтверждение эффективности рекомендуемого изобретением сорбента для удержания цезия-137 в магнезиальных компаундах.

Для сравнения поведения цезия-137 в компаундах без включения в них селективных сорбентов и эффективности сорбентов, применяющихся для его удержания, были изготовлены компаунды из магнезиального цемента и портландцемента марки-400. В экспериментах использовали природные сорбенты: цеолит (Ц), вермикулит (В), бентонит (Б), природную смесь бентонита (40-45%) с цеолитом (33-35%), залегающую на территории Белгородской области, а также синтетизируемый в предлагаемом компаунде ферроцианид никеля-калия. Количество сорбента в компаундах составляло 10% от массы цементов, при использовании ФЦНК других сорбентов в них не было.

Согласно ГОСТ 29114-91 выщелачивание в дистиллированной воде при температуре 25°С рекомендуют проводить в течение 1, 3, 7, 10, 14, 21, 28 дней, а далее через 10-14 дней. Испытания прекращают, когда скорость выщелачивания становится практически постоянной (предел точности измерений ±10%).

Для определения активности цезия-137 выщелаты передавали в колбочках на гамма-спектрометрические измерения, которые проводили на анализаторе с полупроводниковым германий-литиевым детектором.

В каждом контактном растворе определяли активность цезия и рассчитывали процент активности, перешедшей из образцов в растворы, и скорость его выщелачивания в (г/см²·сут) по формуле:

R_{равновесная}=a·m/A₀·s·ν=K·a/A₀·ν, г/см²·сут

где а - радиоактивность в аликвоте цезия-137, выщелоченного за интервал времени;

А₀ - удельная радиоактивность нуклида в исходном образце, составляла (3-6)·10⁵ Бк/образец за счет введения в компаунд «крепкого» раствора цезия-137;

s - открытая «геометрическая» поверхность образца, см²;

ν - продолжительность n-го периода выщелачивания, сутки;

m - масса образца;

K=m/s.

При проведении лабораторных экспериментов коэффициент К=m/s был равен приблизительно 1/2. Из анализа формулы скорости выщелачивания следует, что для получения ее с численным значением не более 1·10^-3 надо, чтобы соотношение а/А₀ не превышало 1/20. То есть за время испытаний (100 сут) из образцов должно выщелачиваться не более 20% от первоначальной активности: R_{равновесная}=1·10^-3=1/2·20/100·1/100.

Результаты выщелачивания цезия-137 из компаундов различного состава, содержащих и не содержащих селективные сорбенты на цезий, приведены в табл.2, из анализа которых можно сделать следующие выводы:

- матрицы обоих цементов не являются барьером для цезия-137 (см. результаты по образцам 1.1 и 3.1), и теряют 85-98% активности;

- матрицы цементов, содержащие CaCl₂ и шунгит (см. п.1.2, 3.2 и 3.3), обладают тем же недостатком: за 40 дней из образцов выходит 85-82% активности;

- при использовании портландцемента наиболее эффективно цезий сорбирует Б-Ц-глина, второй по эффективности является бентонитовая глина;

- при использовании МЦ наиболее эффективно цезий сорбирует синтезированный в матрице ферроцианид никеля-калия (ФЦНК), второй по эффективности является Б-Ц-глина, далее - бентонитовая глина; скорости выщелачивания составляли 2·10^-5, 4,5·10^-4 и 7,5·10^-4 г/см²·сут соответственно.

При изготовлении цементных образцов с синтезом в них ферроцианида никеля осаждали не менее 95-97% цезия. Однако затем с первыми 6-7 выщелатами происходило вымывание цезия-137 на 80 и более процентов из-за растворения большей части образовавшегося соединения Cs₄[Ni(CN)₆], так как оно стойко только до величины pH не более 10.

Особенностью магнезиальных цементов является то, что при длительном контакте с водой (50-100 сут) величины pH в них составляют 6,5-6,8. В МЦ величина pH обусловливается количеством щелочи в ЖРО и, как правило, не превышает значений 10-10,5.

При проведении процесса цементирования после введения в смеситель установки ЖРО необходимо замерять pH и при необходимости, как это и предписано предложенным способом, снижать его до значений 9,7-9,9 концентрированными растворами соляной кислоты.

Следует обратить внимание на результаты экспериментов п.3.4 и 3.5. Они в полтора раза различаются количеством активности, вышедшей из компаундов, несмотря на одинаковый компонентный состав из-за того, что в п.3.5 бентонит был введен в приготавливаемую смесь последним компонентом, а в п.3.4 он предварительно вводился в ЖРО. Условия сорбции цезия-137 во втором эксперименте были значительно лучше. Поэтому для получения требуемых параметров качества МЦ следует строго соблюдать последовательность ввода компонентов и временные характеристики процесса.

В литературе указаны оптимальные условия соосаждения цезия-137 с осадком ФЦНК, а также влияние органических комплексообразующих и ПАВ на этот процесс только для нескольких растворов. Для высокосолевых ЖРО спецпрачечных они отсутствуют. Поэтому за основу были взяты методические указания ЛТИ им.Ленсовета, согласно которым для эффективного соосаждения цезия-137 концентрация ФЦНК в ЖРО должна составлять 0,002-0,005 моль/л. К_оч по цезию может достигать 10³. Но если ЖРО содержат, например, оксалат-ионы в количествах 10-100 мг/л, то К_{очистки} уменьшается, как минимум, на порядок (в 10 раз). В такой сложной смеси, какой является ЖРО, только экспериментально можно определить оптимальные концентрации ферроцианида калия и нитрата никеля, которые надо создать, чтобы на 95-97% соосадить микроколичества цезия с осадком ФРНК. В вышеописанных экспериментах с получением ФЦНК ее концентрация составляла 0,002 моль/л.

Пример 3. Обеспечение максимальной степени наполнения МЦ сухими радиоактивными солями ЖРО спецпрачечных.

В экспериментах в качестве ЖРО использовались реальные кубовые остатки (КО) от установки дистилляции ЖРО. Количества ингредиентов магнезиальных компаундов, используемых в эксперименте, полученная степень наполнения и поведение образцов приведены в табл.3.

После изготовления компаундов их сначала выдерживали 30 сут (для созревания) в сухой среде, затем проверяли на устойчивость в водной среде в течение 50 сут, а далее сушили до постоянной массы и затем с помощью лабораторного гидравлического пресса определили механическую прочность образцов серий 2 и 3, которая была на уровне 5,5-5,0 МПа соответственно. Степень наполнения компаундов сухими солями для эксперимента 3 достигала 37% при минимально допустимой прочности образца на сжатие.

Из этого эксперимента пересчитаем реальные концентрации всех ингредиентов, входящих в состав магнезиального компаунда, из расчета омоноличивания 1 кг реальных КО, содержащих в среднем от 440 до 460 г сухих радиоактивных солей.

В КО надо ввести дополнительно около 90 г MgCl₂ и 90 г CaCl₂ (10-20% от массы сухих солей). С учетом кристаллизационной воды значения указанных масс надо умножить примерно на 2. Следовательно, вводимая масса воды с реагентами составит около 180 г.

В создаваемый компаунд для связывания всей воды необходимо будет добавить 440-450 г ПМК-87, содержащего до 83% MgO. В пересчете на 100% вещество масса окиси магния составит около 367 г. Следовательно, массу компонентов МЦ будем считать, равной 367+90=457 г. Рекомендуемые добавки в компаунд порошкообразного шунгита должны составлять 0,3-0,5 мас.% от массы компонентов МЦ (1,4-2,3 г), а бентонитовой глины - 0,5-1% (2,3-4,6 г) на 1 кг КО. Масса синтезированного селективного сорбента ФЦНК в МЦ должна составлять около 2,7 г на 440 г сухих радиоактивных солей (0,006 мас.%). Если будут цементироваться КО с солесодержанием не 600, а, например, 150-200 г/л, то для эффективной сорбции цезия-137 будет достаточно создать концентрацию ФЦНК, равную 0,002 мас.% от массы радиоактивных сухих солей.

Таким образом, достигается надежное омоноличивание ЖРО, содержащих до 30% органических веществ, со степенью включения сухих радиоактивных солей 35-37%. Предлагаемый в изобретении композиционный материал, основными компонентами которого являются широко распространенные минералы и реагенты, выпускаемые отечественной промышленностью, позволяет отверждать ЖРО сложного химического состава, которые в настоящее время не подлежат цементированию. Способ применения заявляемого композиционного материала для иммобилизации ЖРО не требует высоких энергетических затрат и осуществляется при любых положительных температурах на оборудовании, применяющемся при обычном цементировании.