СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
METHOD FOR CONDITIONING OF LIQUID RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к процессам переработки жидких радиоактивных отходов методом цементирования, и предназначен для кондиционирования жидких радиоактивных отходов, в том числе содержащих препятствующие твердению цементного раствора минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли (далее - ЖРО). Способ может быть использован на атомных электростанциях и предприятиях, кондиционирующих радиоактивные отходы.
Известен способ обработки масляных отходов [1] - патент ФРГ №DE 2944484 А1, МКИ: A62D 3/00, С04В 29/00, заявл. 03.11.79, приор. 08.11.78 №43654 GB. Способ обработки масляных отходов. - Stablex AG, заключающийся в смешивании масляных отходов с твердым веществом, способным сорбировать масло, с токсичными жидкими отходами, кальцийсодержащим цементом и силикатом алюминия и/или алюмосиликатом. Способ не предназначен для цементирования органических жидкостей. Наполнение конечного продукта по маслу составляет 8,5-30 мас.%. Недостатками данного способа являются невозможность совместного цементирования минеральных масел и органических жидкостей, а также низкая прочность конечного компаунда - не более 1,45-4,00 МПа на 28 сутки твердения.
Известен способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости [2] - положительное решение от 05.07.07. о выдаче патента РФ по заявке №2006123654 от 04.07.06. Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, и устройство для его осуществления. - ГУП МосНПО «Радон», заключающийся в получении предварительной суспензии из радиоактивных минеральных масел и/или органических жидкостей, части вяжущего (10-30% от общей массы вяжущего) и ЖРО, представляющих собой водные солевые растворы, а затем перемешивании суспензии с остальным количеством вяжущего. Наполнение конечного компаунда по маслу составляет 10-15 мас.%. Недостатком данного способа является необходимость дополнительного диспергатора для предварительного суспензирования минеральных масел и/или органических жидкостей. Кроме того, масла и/или органические жидкости при перемешивании непосредственно с цементным раствором препятствуют процессам гидратации минералов портландцемента, обволакивая зерна цемента гидрофобной пленкой. Это приводит к замедлению процессов твердения и к получению компаунда с прочностью не более 5,2-7,7 МПа на 28 сутки твердения.
Наиболее близким к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа, является способ отверждения жидких радиоактивных отходов и керамический материал для его осуществления [3] - патент России №RU 2197763, МКИ: G21F 9/16, заявл. 08.11.01 №2001130111/06, опубл. 27.01.03. Способ отверждения жидких радиоактивных отходов и керамический материал для его осуществления. - Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, где ЖРО кондиционируют многократной пропиткой пористого керамического материала раствором жидких радиоактивных отходов с промежуточным его вентилированием и сушкой и последующей высокотемпературной обработкой. В качестве керамического материала используют предварительно термообработанный материал, изготовленный из тонкодисперсных оксидов бария, кальция, алюминия, кремния с размером частиц не более 20 мкм, взятых в соотношении 2-10:3-7:50-70:23-35 мас.% соответственно, а высокотемпературную обработку проводят при 1350-1500°С.
Недостатками данного способа являются невозможность кондиционирования ЖРО, содержащих синтетические и минеральные масла, органические жидкости, а также боратные соли из-за горючести и летучести масел, опасных при термической обработке керамического компаунда; невысокое содержание (5-16% от массы конечного компаунда) радиоактивных отходов в конечном компаунде, что обусловлено строением керамической матрицы, сложность способа, обусловленная необходимостью дополнительного оборудования и многократных операций для термической обработки керамического материала на стадии изготовления, сушки и вентилирования керамического материала в процессе пропитки жидкими радиоактивными отходами, длительность радиационно-опасных операций кондиционирования ЖРО, обусловленная необходимостью многократной пропитки керамического материала жидкими радиоактивными отходами, а также необходимостью термической обработки пористого материала после пропитки ЖРО.
Технический результат предлагаемого способа заключается в упрощении способа кондиционирования жидких радиоактивных отходов; в возможности кондиционирования жидких радиоактивных отходов, в том числе содержащих минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли; в сокращении времени осуществления радиационно-опасного способа; увеличении наполнения конечного компаунда по ЖРО до 15-50 мас.%.
Для достижения технического результата предлагается способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов, который заключается в пропитке пористого материала жидкими радиоактивными отходами, в качестве пористого материала используют сформировавшийся пористый бетон, в качестве жидких радиоактивных отходов используют жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, которые в количестве 15-50% от массы конечного компаунда подают в контейнер с сформировавшимся пористым бетоном и под давлением в одну операцию осуществляют пропитку до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона, после пропитки образовавшийся конечный компаунд направляют на длительное хранение в исходном контейнере.
Пропитку осуществляют путем вакуумирования контейнера с сформировавшимся пористым бетоном, либо путем создания избыточного давления ЖРО в контейнере.
Отличительными признаками предлагаемого способа является то, что в качестве пористого материала используют сформировавшийся пористый бетон, в качестве жидких радиоактивных отходов используют жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, которые в количестве 15-50% от массы конечного компаунда подают в контейнер с сформировавшимся пористым бетоном и под давлением в одну операцию осуществляют пропитку до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона, после пропитки образовавшийся конечный компаунд направляют на длительное хранение в исходном контейнере.
Пропитку осуществляют путем вакуумирования контейнера с сформировавшимся пористым бетоном, либо путем создания избыточного давления ЖРО в контейнере.
Использование сформировавшегося пористого бетона позволяет достичь технического результата - возможности кондиционировать жидкие радиоактивные отходы, содержащие в том числе препятствующие твердению минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, с получением конечного компаунда со свойствами, удовлетворяющими регламентированным требованиям. Жидкие радиоактивные отходы, препятствующие твердению цементной матрицы, вводятся в уже сформировавшийся пористый бетон после завершения основных процессов гидратации минералов цемента. Основной каркас пористого бетона формируется до введения ЖРО, и свойства ЖРО не оказывают значимого негативного влияния на дальнейшее твердение конечного цементного компаунда.
Использование сформировавшегося пористого бетона позволяет повысить наполнение конечного компаунда по ЖРО, так как объем порового пространства в сформировавшемся пористом бетоне составляет до 70 об.%, что позволяет включать в него 15-50 мас.% ЖРО.
Использование давления и проведение пропитки до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона в контейнере, позволяют наиболее полно использовать поровое пространство сформировавшегося пористого бетона и достичь наполнения конечного компаунда по ЖРО 15-50 мас.%. Включение в состав конечного цементного компаунда менее 15 мас.% ЖРО приведет к образованию конечного компаунда с малой степенью наполнения. Включение в состав конечного цементного компаунда более 50 мас.% ЖРО возможно только в сформировавшиеся пористые бетоны с прочностью на сжатие менее 5 МПа, что не будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к цементированным радиоактивным отходам.
Предварительное размещение сформировавшегося пористого бетона в контейнере и подача ЖРО в контейнер с размещенным сформировавшимся пористым бетоном позволяют достигнуть технического результата - мобильности и упрощения осуществления способа кондиционирования ЖРО. Могут быть использованы контейнеры любой удобной конфигурации и объема, которые будут доставляться в места образования ЖРО, и после пропитки жидкими радиоактивными отходами сформировавшегося пористого бетона в исходном контейнере, выступающем дополнительным изоляционным барьером, доставляться в места длительного хранения.
Осуществление пропитки под давлением и в одну операцию позволяет достичь технического результата - упростить способ кондиционирования ЖРО, сократить время на осуществление радиационно-опасного процесса кондиционирования ЖРО.
Сущность изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример реализации способа №1.
3
Металлический контейнер цилиндрической формы заполняют пористым бетоном объемом 50 дм. Для затвердевания и формирования структуры выдерживают пористый бетон не менее 14 суток. Количество жидких радиоактивных отходов для пропитки рассчитывают, исходя из массы сформировавшегося пористого бетона, принимая ее за 70 мас.%, и величины плотности жидких радиоактивных отходов. Характеристика жидких радиоактивных отходов, представляющих собой смесь минеральных, синтетических масел, органических жидкостей, поверхностно-активных веществ, детергентов, сцинтилляторов, представлена в таблице 1.
Таблица 1Характеристика жидких радиоактивных отходов, представляющих собой смесь минеральных, синтетических масел, органических жидкостей, поверхностно-активных веществ, детергентов, сцинтилляторов
внешний вид
плотность, г/см<sup>3</sup>
радионуклидный состав, Бк/м<sup>3</sup>
Cs<sup>137</sup>
Со<sup>60</sup>
Масляная жидкость темно-коричневого цвета
0,84
2,4·10<sup>7</sup>
2,1·10<sup>7</sup>
3,
Контейнер сверху герметично закрывают крышкой с фланцевыми соединениями и вакуумируют, откачивая воздух снизу контейнера вакуумным насосом. Сверху на поверхность сформировавшегося пористого бетона подают жидкие радиоактивные отходы в количестве 25 дм что составляет 30% от массы конечного компаунда. За счет созданной разницы давлений жидкие радиоактивные отходы пропитывают пористый бетон сверху вниз. Пропитку заканчивают в момент, когда все жидкие радиоактивные отходы займут объем пористого бетона в контейнере. Контейнер с полученным конечным компаундом отправляют на длительное хранение.
Конечный компаунд, полученный пропиткой в контейнере сформировавшегося пористого бетона жидкими радиоактивными отходами:
- имеет наполнение по ЖРО 30 мас.%, что в 2 раза больше, чем в прототипе;
- включает в себя горючие, легколетучие, вязкие, препятствующие твердению минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, которые нельзя кондиционировать по способу-прототипу;
- имеет прочность на сжатие на 28 сутки твердения 5,8 МПа, что удовлетворяет регламентированным требованиям;
- получен быстрее, в одну операцию, в отличие от многократной пропитки в прототипе;
- получен в результате более простых операций, так как не требует дополнительной термической обработки, как в прототипе;
- может быть мобильно доставлен к месту длительного хранения в исходном контейнере, выступающем дополнительным изоляционным барьером.
Пример реализации способа №2.
3
Металлический контейнер цилиндрической формы заполняют пористым бетоном объемом 100 дм. Для затвердевания и формирования структуры выдерживают пористый бетон не менее 14 суток. Количество жидких радиоактивных отходов рассчитывают, исходя из массы сформировавшегося пористого бетона, принимая ее за 60 мас.%, и величины плотности жидких радиоактивных отходов. Характеристика жидких радиоактивных отходов, содержащих боратные соли, представлена в таблице 2.
Таблица 2Характеристика жидких радиоактивных отходов, содержащих боратные соли
внешний вид
плотность, г/см<sup>3</sup>
рН
общее солесодержание, г/дм<sup>3</sup>
содержание боратов, г/дм<sup>3</sup>
удельная активность Σβ поCs<sup>137</sup>, Бк/дм<sup>3</sup>
Прозрачная жидкость коричневого цвета
1,32
11,25
517,71
71,75
3,6·10<sup>7</sup>
3
Контейнер сверху закрывают крышкой с фланцевыми соединениями. Затем сверху на поверхность сформировавшегося пористого бетона подают жидкие радиоактивные отходы, содержащие боратные соли, в количестве 50 дм, что составляет 40% от массы конечного компаунда. В контейнере сверху создают избыточное давление ЖРО, достаточное для проникновения ЖРО в объем сформировавшегося пористого бетона, а снизу через днище осуществляется выравнивание избыточного давления воздуха, образующегося при заполнении ЖРО пустотного пространства пористого бетона. Пропитку заканчивают в момент, когда все жидкие радиоактивные отходы займут объем пористого бетона в контейнере. Контейнер с полученным конечным компаундом отправляют на длительное хранение.
Конечный компаунд, полученный пропиткой в контейнере сформировавшегося пористого бетона жидкими радиоактивными отходами:
- имеет наполнение по ЖРО 40 мас.%, что в 2 раза больше, чем в прототипе;
- включает в себя препятствующие твердению боратные соли, которые нельзя кондиционировать по способу-прототипу;
- имеет прочность на сжатие на 28 сутки твердения 5,5 МПа, что удовлетворяет регламентированным требованиям;
- получен быстрее, в одну операцию, в отличие от многократной пропитки в прототипе;
- получен в результате более простых операций, так как не требует дополнительной термической обработки, как в прототипе;
- может быть мобильно доставлен к месту длительного хранения в исходном контейнере, выступающем дополнительным изоляционным барьером.
Предлагаемое изобретение находится на следующей стадии разработки. В 2006 г. проведена НИР по теме 2.06.01.06. по разработке способа кондиционирования ЖРО с использованием пористых бетонов. В настоящее время проведены опытно-промышленные испытания способа.