Результат интеллектуальной деятельности: СИЛИКОФОСФАТНОЕ СТЕКЛО ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов, в частности к составам для иммобилизации жидких гомогенных и гетерогенных радиоактивных отходов (РАО) путем их остекловывания.

На предприятиях атомной промышленности, занятых переработкой облученного топлива атомных станций, образуются радиоактивные отходы высокого уровня активности, которые в целях снижения их потенциального воздействия на окружающую среду до безопасного уровня, подвергают переработке, в частности остекловыванию.

Технология переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) включает в себя такие операции, как растворение ОЯТ в азотнокислых средах, фильтрацию полученного радиоактивного раствора, экстракционное разделение радиоактивных элементов. В результате образуется широкая номенклатура РАО, в том числе: гетерогенная фильтроперлитная суспензия, образующаяся на стадии фильтрации растворов ОЯТ, и жидкий рафинат высокого уровня активности, то есть высокоактивные отходы (ВАО) - гомогенный азотнокислый раствор алюминия, продуктов деления и коррозии.

Эффективность процесса остекловывания определяется как степенью включения в стекло оксидов элементов, содержащихся в ВАО, так и степенью включения других РАО, в частности оксида кремния, основного компонента перлита. Кроме того, полученное стекло должно отвечать требованиям нормативных документов по химической, термической и радиационной стойкости.

Аналогом заявляемого изобретения является приведенный в авторском свидетельстве [Способ отверждения радиоактивных отходов. Авторское свидетельство №1223770, кл. G21F 9/16] состав для иммобилизации жидких радиоактивных отходов путем остекловывания, включающий в себя жидкие отходы, ортофосфорную кислоту и соединения хрома, из которого в результате варки при температуре 950-1000°С получается фосфатное стекло при следующем соотношении компонентов, % мас.:

Как видно, концентрация оксида алюминия в стекле не превышает 19,0% мас.

Недостатком данного способа является невозможность получения гомогенного аморфного термически стойкого стекла при увеличении концентрации Al₂О₃, как основного компонента отходов, в стекле выше 19% мас. и температуре варки 950-1000°С.

Известен также стеклообразующий состав [Дзекун Е.Г., Борисов Г.Б., Поляков А.С. и др. Опыт эксплуатации керамического плавителя ЭП-500/1-р по остекловыванию жидких высокоактивных отходов. М.: Атомная энергия, т.76, вып.3, март 1994 г., с.183-188], используемый при остекловывании жидких ВАО в керамическом плавителе ЭП-500 на ПО "МАЯК", в результате чего получают фосфатное стекло при следующем соотношении компонентов, % мас.:

Недостатком этого состава является невозможность получения гомогенного качественного стекла при увеличении концентрации оксидов кремния, алюминия и других оксидов отходов (редкоземельных элементов, продуктов коррозии и др.) в стекле и сохранении температуры варки в диапазоне 910-1135°С.

Для увеличения концентрации оксидов кремния и алюминия, а также получения качественного стекла необходимо увеличивать температуру варки, что вызывает, во-первых, коррозионный износ элементов стекловаренной печи и уменьшение срока ее эксплуатации, во-вторых, повышает унос радионуклидов из расплава и нагрузку на газоочистные системы.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является стеклообразующий борофосфатный состав [Стеклообразующий борофосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов. Патент №2267178, кл. G21F 9/16, С03С 3/16] для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов путем остекловывания, содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид бора, оксид фосфора и естественные примеси оксидов многовалентных элементов, причем он дополнительно содержит оксид лития при следующем соотношении компонентов, % мас.:

Тем не менее, при такой рецептуре фосфатного стекла остается резерв для увеличения доли радиоактивных отходов, уменьшения количества чистых реагентов, используемых для приготовления стеклообразующего раствора, повышения химической и термической стойкости стеклянной матрицы.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение доли радиоактивных отходов в конечном продукте - стекле с увеличением химической, термической и кристаллизационной стойкости без увеличения температуры варки расплава выше 1050°С путем введения в состав стекла радиоактивных перлитных пульп, основным компонентом которых (до 74% мас.) является оксид кремния.

Увеличение содержания радиоактивных отходов в стекле позволяет сократить объемы хранящихся РАО, повысить эффективность работы комплекса остекловывания жидких ВАО, снизить расход реагентов, используемых в процессе остекловывания.

Для решения поставленной задачи предложен стеклообразующий состав на основе фосфатного стекла для иммобилизации алюминийсодержащих жидких ВАО и гетерогенных перлитных пульп путем остекловывания, содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид бора, оксид фосфора и естественные примеси оксидов многовалентных элементов, причем дополнительно содержит оксид кремния при следующем соотношении компонентов, % мас.:

Стеклообразующая суспензия может быть получена при смешивании водных растворов нитрата натрия и фосфорной кислоты или дигидрофосфата натрия, азотнокислого раствора ВАО, борной кислоты или тетрабората натрия и радиоактивной фильтроперлитной пульпы, содержащей оксиды кремния и алюминия. Полученная стеклообразующая суспензия при подаче в электропечь подвергается упариванию, денитрации, кальцинации, в результате чего образуется расплав заявленного состава.

После выработки расплава и охлаждения получают стекло заявленного состава, содержащее значительно более высокую долю радиоактивных отходов, химическую, термическую и кристаллизационную устойчивость.

Примеры.

Стеклообразующая суспензия с отходами после упаривания, денитрации, кальцинации, варки и охлаждения образует силикофосфатное (боросиликофосфатное) стекло. Результаты опытных операций по варке стекла заявленного состава и прототипа приведены в таблице.

Из результатов, приведенных в таблице, видно, что заявленный состав обеспечивает получение стекла с высокой концентрацией оксидов металлов, содержащихся в отходах (на 6% мас. выше, чем в прототипе) при температуре стекловарения не выше 1000°С.

Введение оксида кремния в количестве от 1,0 до 10,5% мас. снижает кристаллизационную способность фосфатного и борофосфатного стекла. Силикофосфатные стекла, синтезированные при быстром охлаждении, с содержанием оксида кремния в количестве от 1,0 до 10,5% мас. не кристаллизуются. Боросиликофосфатные стекла с содержанием оксида кремния в количестве от 1,0 до 10,5% мас. не кристаллизуются даже при длительной температурной выдержке вблизи температуры расстекловывания (550°С).

Химическая стойкость стекол заявляемого состава выше, чем для состава прототипа. Скорость выщелачивания натрия из синтезированных образцов силикофосфатных стекол с содержанием оксида кремния в количестве от 3,0 до 10,5% мас. в дистиллированную воду, определенная по стандартной методике [ГОСТ Р 50926-96. Отходы высокоактивные отвержденные. Общие технические требования. Введ. 1997-01-01- М.: Госстандарт России: Издательство стандартов, 1996 г.], в первые сутки составляет 9·10^-7 г/(см²·сут), а на 15 сутки контакта с водой достигает значения порядка 7·10^-8 г/(см²·сут). Скорость выщелачивания натрия из образцов фосфатных (без оксида кремния) стекол того же состава в первые сутки 1,1·10^-6 г/(см²·сут), а на 15 сутки - 2,2·10^-7 г/(см²·сут).

Добавка оксида кремния в количестве от 1,0 до 10,5% мас. не ухудшает варочных свойств стекол, в частности, температура варки не превышает 1000°С, а вязкость расплава стекла находится в допустимых для розлива стекломассы пределах.

Таким образом, преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что заявляемый стеклообразующий состав обеспечивает получение качественного, с высокой химической стойкостью, гомогенного стекла со значительно более высокой долей РАО, содержащихся в стекле, при температуре расплава не выше 1000°С и позволяет дополнительно, кроме алюминийсодержащих РАО, одновременно включать в состав кремнийсодержащие отходы.