СПОСОБ И СИСТЕМА СОДЕРЖАНИЯ ИЛИ ИНКАПСУЛЯЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТОКСИЧНЫХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ ИЛИ ЛОКАЛИЗАЦИИ
METHOD AND SYSTEM FOR CONTAINING OR ENCAPSULATING RADIOACTIVE MATERIALS AND TOXIC SUBSTANCES FOR TRANSPORTATION OR LOCALISATION

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к эффективной инкапсуляции, локализации, хранению и транспортировке отходов с низким уровнем радиоактивности и опасности/токсичности. Более конкретно, но не исключительно, данное изобретение относится к композиции для системы инкапсуляции токсичных материалов, композитной панели для системы инкапсуляции токсичных материалов, контейнеру для системы инкапсуляции, системы транспортировки и способу инкапсуляции токсичных материалов, таких как отходы с низким уровнем радиоактивности.
Уровень техники
Радиоактивные и опасные отходы поступают из ряда источников. Что касается радиоактивных отходов, то большинство из них поступает из ядерного топливного цикла и переработки ядерного оружия. Однако другие источники включают медицинские и промышленные отходы, а также радиоактивные материалы природного происхождения (NORM), которые могут быть сконцентрированы в результате переработки или потребления угля, нефти и газа, и полезных ископаемых. Например, уголь содержит небольшое количество радиоактивного урана, бария, тория и калия, а отходы нефтегазовой промышленности часто содержат радий и его продукты распада.
Материалы, которые известны или испытаны для проявления таких характеристик, как воспламеняемость, реакционная способность, коррозионная активность и горючесть, представляют собой опасные отходы. Такие отходы обычно образуются в ходе промышленных и коммерческих применений, включая химчистку, автомобильную промышленность, больницы, дезинсекторы и центры фотообработки. Некоторыми производителями опасных отходов являются крупные компании, такие как химические производители, гальванические компании и нефтеперерабатывающие заводы, в то время как домашние хозяйства также способствуют образованию таких отходов.
Радиоактивные и опасные отходы можно отличить от других видов общих отходов, поскольку они обычно не могут быть утилизированы обычными способами. Например, радиоактивные отходы нельзя утилизировать на обычных полигонах, но они должны размещаться и храниться до тех пор, пока радиоактивный компонент отходов не «охладится». Аналогично, опасные отходы, которые не могут быть переработаны или повторно использованы, должны быть утилизированы таким образом, чтобы предотвратить поступление отходов в окружающую среду, например в подземные воды, расположенные вблизи полигонов.
Радиоактивность всех ядерных отходов уменьшается (затухает) со временем. Однако некоторые радиоактивные материалы требуют особых мер по их хранению, главным образом из-за их длительного периода полураспада, относительно других радиоактивных элементов. Например, радиоактивные элементы (такой как, плутоний-239) в «отработанном» топливе остаются опасными в течение сотен или тысяч лет, в то время как некоторые радиоактивные изотопы остаются опасными в течение миллионов лет (такой как, йод-129). Поэтому отходы, содержащие такие изотопы, должны быть инкапсулированы, локализованы и экранированы должным образом в течение длительных периодов времени. В любом случае даже изотопы с относительно коротким периодом полураспада должны храниться подобным образом, чтобы предотвратить поступление или выброс в окружающую среду в течение периода охлаждения.
Хорошо известно, что неконтролируемое воздействие радиоактивного материала вредно для биологической ткани. Соответственно, при рассмотрении надлежащих систем инкапсуляции и локализации радиоактивных (и опасных) отходов, потенциальная опасность нарушения целостности систем представляет собой серьезную проблему. Например, в ситуациях, связанных с подземным хранением отходов, необходимо учитывать необходимость иммобилизации отходов для противодействия выбросам в результате экологического влияния. Были предприняты различные попытки эффективно инкапсулировать и хранить такие отходы. К ним относится герметизация отходов в металлические или пластиковые контейнеры с последующим хранением под землей или в океане или включение отходов в матрицу из материалов (таких как неорганические цементы и полимеры), когда они находятся в жидком или расплавленном состоянии с последующим отверждением. Однако такие стратегии неэффективны, учитывая, что материалы цементного типа очень подвержены растрескиванию вследствие высыхания и/или движения грунта. Металлические контейнеры подвержены коррозии, а пластиковые контейнеры испытывают недостаток в механической прочности, чтобы выдерживать необходимые условия, при которых такие отходы обычно хранятся.
Дополнительно, высокая вязкость многих жидких пластмасс обычно ограничивает количество отходов, которые могут быть введены в пластиковую матрицу, и часто включение отходов в пластичную массу ограничено неспособностью матрицы изолировать отходы от окружающей среды. Например, матрицы с более чем 30-процентной загрузкой отходов были неудовлетворительными из-за вытекания, возникшего в результате подвижности отходов. Дополнительно, использование матриц, содержащих обычный гидравлический цемент, и использование других термореактивных полимерных процессов обеспечивает низкую эффективность инкапсуляции отходов, необходимость отверждения матрицы путем добавления химических веществ и/или повышение температуры - этапы, которые в конечном итоге приводят к увеличению эксплуатационных расходов.
Другие недостатки, в настоящее время используемых систем и материалов для инкапсуляции отходов, включают неспособность экранирующих металлов с высоким атомным номером, например свинца, блокировать нейтроны, факт тот, что некоторые экранирующие материалы образуют вторичное излучение под влиянием высокоэнергетических радиоактивных частиц и что используемое в данное время оборудование для экранирования от радиации является крупногабаритным вследствие используемого материала. Дополнительно, различные отрасли промышленности охватывают различные типы источников радиации, излучающие различные уровни энергии. Экранирующая способность материала зависит от типа излучения и уровня энергии.
Многие из ранее предложенных систем утилизации токсичных отходов были дорогими и проблематичными для использования. Например, стальные барабаны являются одним из примеров ранее предложенной системы. Кроме проблем, связанных с коррозией из-за влияния окружающей среды, коррозия из-за отходов также является проблемой, и ожидаемый срок службы барабана часто меньше периода распада токсичного материала, в особенности вдоль сварного шва обычных стальных барабанов. Несмотря на то, что внутренняя поверхность прежних стальных барабанов покрыта, например, используя краску, большое количество опасных/токсичных веществ может разъедать такие покрытия. К тому же, поскольку токсический материал находится на расстоянии от стенок барабана, все пространство в середине барабана обычно не используется и, поскольку эти контейнеры круглые, между соседними барабанами образуется внешнее пространство, что приводит к неэффективному использованию пространства для хранения.
В некоторых случаях отходы, такие как ядерные отходы, ранее погружали в водные бассейны или хоронили под землей. Кроме проблем с утечкой, что является причиной экологического ущерба, случайная доза радиации для людей является реальной и очень серьезной проблемой.
В свете того, что большое количество токсических веществ необходимо хранить в течение длительных периодов времени, утилизация часто является очень дорогим предложением и, принимая во внимание неэффективность ранее предложенных систем инкапсуляции, системы для удаления отходов обычно являются дистанционными и требуют большого пространства, чтобы предотвратить контакт людей с токсичным материалом.
Учитывая много любых других проблем, примеры изобретения направлены на то, чтобы решить или, по крайней мере, устранить один или несколько недостатков систем утилизации токсичных отходов, известных из уровня техники, или, по крайней мере, предоставить полезную альтернативу. Также желательно предусмотреть систему транспортировки, которая может защитить от радиоактивного излучения во время транспортировки, чтобы избежать случайного воздействия на людей. Также желательно предусмотреть систему для экстрагирования токсичных материалов из отходов, чтобы обеспечить разделение и повторное использование материала.
Имеется необходимость решить вышеизложенную проблему и/или, по крайней мере, предоставить полезную альтернативу.
Суть изобретения
Согласно одному аспекту данного изобретения предлагается композитная панель для системы инкапсуляции токсичных материалов, содержащая армирующую конструкцию, проходящую внутри и выполненную как единое целое с бионеразлагаемым термопластичным полимером.
В предпочтительном варианте реализации данного изобретения полимер смешивают с добавкой, чтобы повысить гибкость панели.
Согласно другому аспекту данного изобретения представлена композитная панель для системы инкапсуляции токсичных материалов, содержащая армирующую конструкцию, по меньшей мере,
частично расположенную внутри матричного материала, причем матричный материал представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск или жир.
Композитную панель можно использовать для контроля радиоактивных отходов с низким уровнем излучения или опасных токсичных веществ с целью инкапсуляции, отверждения и/или транспортировки.
Согласно предпочтительному варианту реализации данного изобретения, бионеразлагаемый термопластичный полимер выбирают из группы, состоящей из полиэтилена низкой плотности (LDPE), полипропилена, полиэтилена высокой плотности (HDPE), акрилового соединения, поливинилэтилена, поливинилацетата, поливинилхлорида (PVC), полистирола, нейлона, полибутадиена и их смеси. Предпочтительно бионеразлагаемый термопластичный полимер представляет собой полиэтилен низкой плотности (LDPE).
Предпочтительно воск выбирают из одного или более из группы, состоящей из парафина, пчелиного воска, китайского воска, ланолина, шеллачного воска, спермацета, воска гвоздичного перца, канделильского воска, карнаубского воска, воска насекомых, касторового воска, эспартового воска, японского воска, масла жожоба, воска оурикури, воска рисовых отрубей, соевого воска, воска лотоса, церезинового воска, монтанного воска, озокерита, торфяных восков, микрокристаллического воска, петролатума, восков Фишера-Тропша, замещенных амидных восков, цетилпальмитата, лаурилпальмитата, цетостеарилстеарата, полиэтиленового воска, С30-45 алкилметикона и С30-45 олефина. Более предпочтительно, что воск представляет собой парафин.
Композиция может дополнительно содержать наполнитель или армирующее волокно. Предпочтительно, наполнитель или армирующее волокно выбирают из одного или более из группы, состоящей из древесной муки, полученной из сухой чистой древесины или ее отходов, стекловолокна, углеродного волокна, арамидного волокна, карбидкремниевого волокна, борного волокна, алюмоксидного волокна, ароматического полиамидного волокна, высокоэластичного полиэсторного волокна, пакли, джута или сизаля.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения армирующая конструкция помещается внутрь и проходит вдоль всей панели. В других формах армирующая конструкция проходит снаружи на одной или более сторонах панели.
Предпочтительно панель дополнительно содержит элементы зацепления, соединенные с армирующей конструкцией и выступающие снаружи панели, чтобы обеспечить подъем панели.
Предпочтительно панель формируется путем введения матричного материала в жидкой форме в армирующий материал, находящийся в пресс-форме.
Панель может дополнительно содержать радиационную защиту, чтобы экранировать от радиоактивного излучения. Радиационная защита может быть слоем, сформированным внутри панели. В другом варианте радиационная защита представлена как дополнительный слой панели и выполнена в форме композиции, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск или жир.
Предпочтительно, панель содержит, по меньшей мере, одну опору, которая проходит от поверхности панели, которая используется внутри для удержания токсичного материала от внутренней поверхности панели.
Предпочтительно армирующий материал содержит несколько растянутых стержней, таких как железный арматурный профиль, который используется для армирования бетона. Армирующий материал также может быть выполнен в виде сит, сетки или рабицы. В других вариантах, армирующий материал может быть в виде материалов, используемых в технике армирующих композитных материалов, таких как, например, пластиковые стержни или листовой пластик, целлюлозные стержни или листы, волокнистые тканевые стержни или листы, или углеродные и графеновые волокна, выполненные в виде стержня или листа. Несколько разных армирующих материалов могут быть включены во взятую отдельно панель, и панели, имеющие различные конфигурации армирующих материалов, могут быть соединены путем образования контейнера с различными прочностными характеристиками.
Панель может дополнительно содержать внешние армирующие элементы, расположенные снаружи матричного материала. В других вариантах внешние армирующие элементы могут быть, по крайней мере, частично расположены внутри матричного материала.
Панель может быть выполнена с шарнирами, расположенными вдоль, по крайней мере, одного края, чтобы позволить соединить вместе несколько панелей. Предпочтительно, несколько панелей могут быть эффективно транспортированы в качестве «плоской пачки», готовой для сборки и использования на желаемом участке. В указанном примере жидкая композиция описанного выше типа может быть использована для герметизации любых остаточных зазоров в контейнере.
Согласно иному аспекту данного изобретения предлагается контейнер для инкапсуляции токсичных материалов, причем контейнер выполнен из бионеразлагаемого термопластичного полимера и имеет армирующую конструкцию, выполненную как единое целое внутри полимера.
Согласно иному аспекту данного изобретения предлагается контейнер для инкапсуляции токсичных материалов, содержащий армирующую конструкцию, по крайней мере, частично расположенную внутри матричного материала, матричный материал представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер, и воск или жир, причем контейнер выполнен или содержит несколько панелей выше описанного типа.
Контейнер может дополнительно содержать внутреннюю радиационную защиту, причем защита выполнена из композиции, содержащей бор или графит, или их комбинации, и жир. В другой варианте защита дополнительно содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск. Защита может быть выполнена внутри контейнера или в виде отдельной части, прикрепленной к внутренней или внешней стенке контейнера, причем толщина варьируется/регулируется и адаптируется к устройству.
Предпочтительно, контейнер может использоваться, например, для транспортировки отходов с низким уровнем радиоактивности, таких как оксид урана (желтый кек).
Предпочтительно контейнер является унитарной конструкцией и загерметизирован. В одном варианте контейнер представляет собой контейнер с открытым верхом, закрытый герметичной крышкой путем плавления матричного материала. Предпочтительно герметичная крышка и верхние кромки контейнера могут быть сплавлены вместе. В другом варианте адгезивы или механические крепления могут использоваться для закрытия и герметизации контейнера.
Согласно предпочтительному варианту реализации, контейнер имеет, по крайней мере, один электропроводящий нагревательный элемент, находящийся возле открытой кромки контейнера, и способный активироваться для нагрева матричный материал, чтобы вплавить крышку в контейнер. Предпочтительно, по крайней мере, один нагревательный элемент выполнен как неотъемлемая часть внутри панели.
Контейнер может дополнительно содержать угловые защитные элементы. Предпочтительно, контейнер является прямоугольным, так что его можно эффективно штабелировать в обычные транспортные средства, такие как транспортировочные контейнеры. Согласно другим вариантам, контейнер в виде цилиндра, в случае которого корпус контейнера может быть выполнен из одной согнутой панели выше описанного типа.
Контейнер может дополнительно содержать вентиляционное отверстие для выпуска газа. Предпочтительно, чтобы газы внутри контейнера можно было выпускать в атмосферу для предотвращения взрыва. Например, может быть предотвращено достижение критических давлений газов, возникающих в результате разрыва связей или радиационной химии внутри коробки.
Контейнер может дополнительно содержать выемки, образованные в его нижней части для зацепления с подъемным средством транспортировки. В одном примере выемки сконфигурированы для приема зубцов вилочного погрузчика или тележек для поддонов, таким образом, что контейнером можно манипулировать обычным погрузочно-разгрузочным оборудованием.
Предпочтительно, чтобы нижняя и верхняя поверхности контейнера содержали дополнительные взаимозависимые элементы, имеющие адаптированную друг к другу форму, обеспечивающие взаимное штабелирование множества контейнеров. В одном варианте нижняя поверхность контейнера имеет, по крайней мере, одну выемку, а верхняя поверхность, по крайней мере, соответствующим образом сформированный один выступ для приема на нижней поверхности аналогичного контейнера, чтобы обеспечить возможность взаимного штабелирования аналогичных контейнеров.
Согласно другому аспекту данного изобретения здесь представлена система транспортировки, содержащая несколько панелей выше описанного типа и несколько контейнеров выше описанного типа, причем панели расположены внутри и последовательно в транспортировочном контейнере, внутри которого расположено несколько контейнеров.
Согласно другому аспекту данного изобретения здесь представлен способ инкапсуляции токсичных материалов, включающий такие этапы: помещение токсичного материала в контейнер вышеописанного типа; и герметизация контейнера.
Способ может дополнительно включать этап приведения к расплавленной форме композиции, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер, и воск или жир; соединение токсичного материала с композицией для формирования смеси; и заливание смеси в контейнер.
В одном примере бионеразлагаемый термопластичный полимер находится в гранулированной или таблетированной форме, покрытой воском. Способ может дополнительно включать этап прессования смеси внутри контейнера.
Способ может дополнительно включать этап покрытия смеси дополнительным количеством расплавленной композиции.
Способ может дополнительно включать этап установки крышки на контейнер и герметизации контейнера крышкой, сформированной из панели выше описанного типа.
Предпочтительно смесь соединяют в шнеке, для того чтобы инкапсулировать токсичные отходы в композиции. Перед смешиванием в шнеке отходы могут быть в измельченной форме или в виде муки.
Токсичным материалом могут быть ядерные отходы, медицинские отходы или отходы от процессов горнорудного производства или производственных процессов. Токсичный материал может быть экстрагирован в результате процесса перегонки с паром.
Способ может дополнительно включать этап приведения отходов к расплавленной или жидкой форме и отделения отходов от инкапсулирующей композиции. Это может быть завершено спустя установленное время, которое будет варьироваться в зависимости от токсичного материала. Предпочтительно, полезные материалы могут быть экстрагированы для дальнейшего использования. Например, при использовании излучающих изотопов, используемых в ядерной медицине в больнице, вместо того, чтобы ждать много лет, чтобы изотоп прекратил излучать, с помощью небольшого количества тепла и существующих технологий полезный изотоп может быть отделен, очищен и повторно использован в больнице, тем самым уменьшая затраты на дорогие изотопы.
Согласно другому аспекту данного изобретения здесь предлагается композитная панель для системы инкапсуляции токсичных материалов, содержащая армирующую конструкцию, выполненную как неотъемлемая часть внутри бионеразлагаемого термопластичного полимера.
Согласно другому аспекту данного изобретения предлагается контейнер для инкапсуляции токсичных материалов, причем контейнер изготовлен из бионеразлагаемого термопластичного полимера, и имеет армирующую конструкцию, выполненную как неотъемлемая часть внутри полимера.
Предпочтительные варианты реализации данного изобретения могут обеспечить недорогое решение для инкапсуляции, локализации, хранения и транспортировки радиоактивных и опасных/токсичных отходов. Дополнительно, предпочитаемый вариант реализации данного изобретения может обеспечить средства для экстрагирования, спустя время, полезных элементов из отходов, с тем чтобы их можно было повторно использовать, и таким образом потенциально обеспечить источник прибыли от материалов, которые в настоящее время рассматриваются как отходы.
В целях решить одну или более вышеуказанных проблем, связанных с хранением радиоактивных и опасных отходов, изобретатель разработал композицию и способ для инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов.
Соответственно, здесь раскрыта инкапсулирующая композиция для инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов, причем инкапсулирующая композиция содержит:
(i) отходы, включая радиоактивные и/или опасные отходы;
(ii) бионеразлагаемый термопластичный полимер; а также
(iii) воск.
В данной заявке также раскрыт способ инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов, причем способ включает смешивание в расплаве инкапсулирующей композиции, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер, и воска с радиоактивными и/или опасными отходами, тем самым инкапсулируя отходы в инкапсулирующую композицию.
Функция смешивания расплава предпочтительно обеспечивает быстрое и эффективное формирование однородного распределения отходов в смеси полимера и воска. Смешанная в расплаве композиция, полученная в соответствии со способом, в результате охлаждении образует твердую целостную массу смеси полимера и воска с надежно инкапсулированными в них радиоактивными и/или опасными отходами. Смесь полимера и воска обеспечивает инкапсулирующую матрицу, которая предпочтительно механически прочна и устойчива к выщелачиванию отходов из инкапсулирующей матрицы.
Способ может дополнительно включать осаждение полученных таким образом расплавленных смешанных инкапсулированных отходов, при расплавлении в контейнере, тем самым удерживая инкапсулированные отходы в контейнере.
В этой заявке также раскрыт способ инкапсуляции и хранения радиоактивных и/или опасных отходов, причем способ включает:
(i) предоставление радиоактивных и/или опасных отходов, которые должны быть инкапсулированы и локализированы;
(ii) смешивание отходов этапа (i) с инкапсулирующей композицией, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск;
(iii) нагревание смеси отходов и инкапсулирующей композиции этапа (ii) таким образом, что инкапсулирующая композиция находится в расплавленной или жидкой форме, тем самым инкапсулируя отходы; и (iv) осаждение смеси этапа (iii) в контейнер, который таким образом локализует отходы.
В этой заявке описана инкапсулирующая композиция для инкапсуляции и локализации радиоактивных и/или опасных отходов, причем инкапсулирующая композиция содержит:
(i) бионеразлагаемый термопластичный полимер; а также
(ii) воск.
Также в этой заявке описана композиция для предотвращения поступления радиоактивных и/или опасных отходов в окружающую среду, причем композиция содержит:
(i) отходы, включая радиоактивные и/или опасные отходы; а также
(ii) инкапсулирующую композицию, содержащую:
(a) бионеразлагаемый термопластичный полимер; а также
(b) воск.
В этой заявке дополнительно описывается система для инкапсуляции и локализации радиоактивных и/или опасных отходов, причем система содержит:
(i) инкапсулирующую композицию для инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов, где инкапсулирующая композиция содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер, а также воск; и
(ii) контейнер для приема инкапсулирующей композиции.
В результате этого изобретения может быть достигнута эффективная инкапсуляция и локализация радиоактивных и/или опасных отходов. Отходы фактически стабилизированы путем связывания с компонентами инкапсулирующей композиции и удерживаются ними, обеспечивая стабильную монолитную форму отходов, которая устойчива к выщелачиванию компонентов отходов.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты реализации изобретения будут дополнительно описаны, в виде неограничивающего примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фигура 1 - блок-схема способа инкапсуляции и локализации радиоактивных и/или опасных отходов, согласно варианту реализации данного изобретения.
Фигура 2 - изображение контейнера для локализации радиоактивных и/или опасных отходов, инкапсулированных в соответствии с вариантом реализации данного изобретения.
Фигура 3 - вид в перспективе панели в разрезе одного из вариантов реализации данного изобретения;
Фигура 4 - вид панели в разрезе;
Фигура 5 - вид сверху множества взаимосвязанных панелей;
Фигура 6 - вид в перспективе контейнера и крышки одного из вариантов реализации данного изобретения;
Фигура 7 - вид сбоку контейнера и крышки в разрезе;
Фигуры 8a-8d - виды контейнера в соответствии с иным вариантом реализации данного изобретения;
Фигура 9 - вид в перспективе панели иного варианта реализации данного изобретения;
Фигура 10 - вид контейнера в разрезе в соответствии с одним из вариантов реализации данного изобретения.
Подробное описание изобретения
Данное изобретение частично базируется на идентификации композиции, компоненты которой при смешивании с радиоактивными и опасными отходами обеспечивают надежное и эффективное инкапсуляция этих отходов.
Данное изобретение также частично базируется на использовании инкапсулирующей композиции, компоненты которой при смешивании в расплаве с радиоактивными и/или опасными отходами обеспечивают надежное и эффективное инкапсуляция этих отходов.
В одной форме инкапсулирующая композиция содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер, и воск. Изобретатель обнаружил, что инкапсулирующую композицию можно смешивать в расплаве с радиоактивными и/или опасными отходами, а затем охлаждать до образования твердой массы для обеспечения надежной и эффективной инкапсуляции отходов.
Ссылаясь на Фигуру 3, где показана композитная панель 10 в соответствии с предпочтительным вариантом реализации данного изобретения. Панель 10 сконфигурирована для использования в системе инкапсуляции токсичных материалов и несколько панелей могут быть объединены для формирования контейнера 100, показанного на Фигуре 6.
Панель 10 содержит армирующую конструкцию 12, как минимум, частично расположенную внутри матричного материала 14. В одном варианте матричный материал 14 представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер, такой как полиолефин, и армирующая конструкция 12 выполнена как неотъемлемая часть внутри матричного материала. В других вариантах матрица содержит добавку, которая улучшает гибкость. В предпочтительных вариантах реализации, матричный материал 14 представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер, такой как полиолефин и воск или жир, в которой, как минимум, частично расположена армирующая конструкция 12. Полиолефиновый материал может быть ранее не использовавшимся или после утилизации, в чистом виде или смешанным. Жир может быть получен из животных или растительных источников и может происходить из отходов или безотходных источников.
В одном варианте реализации панель выполнена из инкапсулирующей композиции для инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов, причем инкапсулирующая композиция содержит: бионеразлагаемый термопластичный полимер; и воск.
В другом варианте реализации предлагается инкапсулирующая композиция для предотвращения поступления радиоактивных и/или опасных отходов в окружающую среду, где инкапсулирующая композиция содержит: отходы, в том числе радиоактивные и/или опасные отходы; бионеразлагаемый термопластичный полимер; и воск.
Для эффективной инкапсуляции отходов термопластичный полимер, воск и отходы могут быть соединены под давлением и нагреты для получения смеси, где отходы покрывают термопластичным полимером и воском. Затем эту смесь в жидком виде экстрадируют в контейнер 100, выполненный из аналогичной композиции, чтобы позволить инкапсулированным отходам связываться с контейнером 100 для обеспечения надежной системы инкапсуляции, которая чрезвычайно прочна/надежна для транспортировки и устойчива к повреждениям при транспортировке. Предпочтительно, в случае дорожно-транспортного инцидента или иного разрушительного инцидента, отходы могут быть собраны с потенциально незначительным внешним загрязнением.
Смесь должна обладать способностью соединяться с отходами и обеспечивать опорную конструкцию, в которой отходы твердеют и локализованы. Изобретатель выявил, что композиция, которая содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск, при нагревании до жидкой формы, добавленной к отходам и, затем охлаждая до твердой формы, обеспечивает надежное и эффективное инкапсуляция отходов.
Как указано в этой заявке, радиоактивные отходы относятся к отходам, которые содержат радиоактивный материал. Радиоактивные отходы, как правило, являются побочным продуктом производства ядерной энергии или, производятся в результате использования радиоактивных материалов в научных исследованиях, промышленных, сельскохозяйственных и медицинских целях и производства радиофармацевтических препаратов. Дополнительно, в горнодобывающей промышленности радиоактивные отходы возникают из радиоактивных веществ (NORM), которые скапливаются в результате переработки или потребления угля, нефти и газа, и некоторых полезных ископаемых.
Радиоактивные отходы могут быть разделены на 6 категорий: освобожденные отходы (EW), радиоактивные отходы с малым периодом полураспада (VSLW), очень низкоактивные отходы (VLLW), низкоактивные отходы (LLW), отходы промежуточной активности (ILW) и высокорадиоактивные отходы (HLW). Классификация радиоактивных отходов определена в международных стандартах, разработанных Международным агентством по атомной энергии (Серия стандартов безопасности МАГАТЭ, №GSG-1, 2009). Существует три основных класса радиоактивных отходов - низкоактивные отходы (LLW), отходы промежуточной активности (ILW) и высокорадиоактивные отходы (HLW). Однако недавний обзор классификации отходов привел к добавлению двух новых классов между и освобожденными отходами. Классификации, изложенные в недавней публикации Австралийской организации ядерной науки и технологии (ANSTO, Management of Radioactive Waste in Australia, январь 2011 года), можно описать следующим образом.
Освобожденные отходы (EW) содержат такую низкую концентрацию радионуклидов, что это может быть исключено из ядерного регулятивного контроля, поскольку радиоактивные опасности считаются незначительными. Радиоактивные отходы с малым периодом полураспада (VSLW) могут храниться для распада в течение ограниченного периода времени до нескольких лет и впоследствии выводиться из регулятивного контроля, для того, чтобы утилизировать как обычные отходы. Очень низкоактивные отходы (VLLW) не требуют высокого уровня локализации и изоляции и поэтому подходят для захоронения в приповерхностных полигонах с ограниченным регулятивным контролем. Низкоактивные отходы (LLW) содержат ограниченное количество долгоживущих радионуклидов. Эта классификация охватывает очень широкий диапазон радиоактивных отходов, от отходов, которые не требуют какого-либо защиты при погрузке или транспортировке до уровней активности, которые требуют более надежной локализации и продолжительности изоляции до нескольких сотен лет. Существует ряд вариантов утилизации от простых приповерхностных объектов до более сложных инженерных сооружений. LLW могут включать короткоживущие радионуклиды при более высоких уровнях концентрации активности, а также долгоживущие радионуклиды, но только при относительно низких уровнях концентрации активности. LLW поступают из больниц и промышленности, а также из ядерного топливного цикла. Таким образом, LLW обычно содержат радиоактивный материал, содержащийся в концентрате испарителя, ионообменных смолах, зольных печах для сжигания, фильтрационного осадка и загрязненных фильтров и мембран. Отходы промежуточной активности (ILW) обычно содержат смолы, осадок при химической очистке и металлические оболочки топливных стержней ядерного реактора, а также загрязненные материалы после снятия реакторов с эксплуатации. ILW содержит повышенные количества долгоживущих радионуклидов и требует увеличения в барьерах контейнментов и изоляционных барьеров и по сравнению с LLW. ILW не требует обеспечения рассеивания тепла во время хранения и утилизации. Долгоживущие радионуклиды, такие как альфа-излучатели, не будут распадаться до уровня активности за время, на которое может положиться ведомственный контроль. Поэтому ILW требует утилизации на больших глубинах от десятков до сотен метров.
Высокорадиоактивные отходы (HLW) производятся ядерными реакторами. Они содержат продукты деления и трансурановые элементы, которые образуются в активной зоне реактора. HLW имеют высокий уровень активности, что генерирует значительные количества тепла при радиоактивном распаде, который необходимо учитывать при проектировании установки для захоронения. Утилизация в глубоких, стабильных геологических формациях, как правило, на несколько сотен метров вглубь, обычно признается наиболее подходящим вариантом для HLW. Два основных класса гражданских HLW используют топливо от ядерных энергетических реакторов и разделенных отходов, возникающих при переработке этого использованного топлива.
Как используется в данном описании, опасные отходы относятся к отходам, которые представляют или могут потенциально представлять опасность для здоровья человека и окружающей среды, если они не должным образом обрабатываются, выдерживаются, транспортируются, утилизируются или с ними обращаются не соответствующим способом. В Соединенных Штатах обработка, выдержка и утилизация опасных отходов регулируется Законом о сохранении и восстановлении ресурсов (RCRA). В Главе 40 CFR 261 этого Закона, опасные отходы делятся на две основные категории: отходы согласно характеристикам и отходы, включенные в перечень. Опасными отходами согласно характеристикам являются материалы, которые известны или испытаны для проявления одной или нескольких из следующих четырех опасных признаков - воспламеняемости (т.е. легковоспламеняющиеся), реакционной способности, коррозионной активности и токсичности. Включенные в перечень опасные отходы - это материалы, специально перечисленные регулирующими органами в качестве опасных отходов, которые относятся к неспецифическим источникам, специфическим источникам или выбрасываемым химическим продуктам. В Австралии опасные отходы определены в Законе об опасных отходах (Регулирование экспорта и импорта) от 1989 года по четырем категориям. Они включают: (1) отходы, предложенные положениями Закона, где отходы имеют любые характеристики, указанные в приложении 111 к Базельской конвенции (эти характеристики включают взрывоопасные материалы, легковоспламеняющиеся жидкости и твердые вещества, ядовитые вещества, токсичные вещества, экотоксичные вещества и инфицирующие вещества); (2) отходы, которые относятся к любой категории, содержащейся в Приложении I к Базельской конвенции, если они не имеют каких-либо опасных свойств, содержащихся в Приложении 111 (отходы в Приложении I включают клинические отходы, отходы масел/воды, смеси, эмульсии углеводородов/воды, отходы производства, получения и применения смол, латекса, пластификаторов, клеев, отходов, образующихся в результате обработки металлических и пластмассовых поверхностей, остатков, возникающих в результате операций по удалению промышленных отходов; и отходы, содержащие определенные соединения, такие как медь, цинк, кадмий, ртуть, свинец и асбест); (3) бытовые отходы; и (4) остатки, возникающие в результате сжигания бытовых отходов.
Инкапсулирующая композиция может содержать отходы, которые находятся в сухой или почти сухой форме. В этом отношении отходы могут иметь влажность в диапазоне от приблизительно 0% до приблизительно 10% по массе. Однако следует четко указать, что отходы не должны находиться в такой сухой или почти сухой форме. Преимущества отходов, находящихся в такой форме, прежде всего, предназначены для уменьшения объема отходов до инкапсуляции и локализации. Когда отходы должны быть представлены в сухом или почти сухом виде, требуется предварительная обработка по существенному обезвоживанию отходов. Это может включать нагрев отходов в мусоросжигательных печах или печах или использование системы вакуумной сушки, с последующим, при необходимости, измельчением, размалыванием или разламыванием сухих или почти сухих отходов для дальнейшего уменьшения объема.
Когда отходы находятся в сухом или почти сухом виде, наполнение отходов в инкапсулирующей композиции может составлять от приблизительно 10% до приблизительно 85% по массе.
Влажные отходы также могут обрабатываться в соответствии с описанными в этой заявке вариантами реализации и могут быть помещены непосредственно в контейнер описанного типа. Такие отходы могут смешиваться с воском при низкой температуре для инкапсуляции.
Если необходимо, перед смешиванием в расплаве с инкапсулирующей композицией отходы могут быть измельчены. Измельчение может быть достигнуто, используя известные в данной области методы, такие как измельчение, резка, разламывание или размол.
В одном из вариантов реализации радиоактивные и/или опасные отходы подвергаются измельчению перед смешиванием в расплаве с инкапсулирующей композицией.
Инкапсулирующая композиция может содержать бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск. Бионеразлагаемый термопластичный полимер вместе с воском образует смесь, которая функционирует в качестве связующего вещества, чтобы связываться вместе, и инкапсулирует отходы. Касательно связующей композиции, она имеет ряд преимуществ перед использованием обычных связующих веществ, таких как цемент. Например, она обеспечивает более высокое заполнение отходами, чем использование цемента, обеспечивая отверждение композиции при охлаждении (благодаря термопластичности -как воск, так и полимер являются термопластичными), при условии, что химическое отверждение не требуется, и композиция может содержать широкий диапазон типов отходов, поскольку составляющие в отходах не будут препятствовать его отверждению при охлаждении.
В описанной инкапсулирующей композиции может быть использован любой бионеразлагаемый термопластичный полимер. Те, которые размягчены или находятся в расплавленном виде от, приблизительно 120°С до приблизительно, 260°С, являются наиболее удобными с точки зрения снижения затрат энергии при составлении композиции или при смешивании композиции с радиоактивными и/или опасными отходами. Такие полимеры известны в данной области и включают, но не ограничиваются, полиэтиленом (включая полиэтилен низкой плотности (LDPE) и полиэтилен высокой плотности (HDPE), полипропиленом, акриловым соединением, поливинилэтиленом, поливинилацетатом, поливинилхлоридом (PVC), полистиролом, нейлоном, полибутадиеном и их смесями.
Полиэтилен является инертным термопластичным полимером с температурой плавления, определяемой его плотностью. Поэтому температура плавления может составлять от 105°С (для полиэтилена меньшей плотности) до 130°С (для полиэтилена высокой плотности). В качестве связующего агента он имеет ряд преимуществ перед использованием обычных связующих агентов, таких как цементы. Например, полиэтиленовая инкапсуляция обеспечивает более высокую загрузку отходов, чем использование цемента, отверждение полиэтилена при охлаждении гарантируется при условии, что химическое отверждения не требуется, и полиэтилен может вместить широкий диапазон типов отходов, поскольку составляющие в отходах не будут мешать отверждению при охлаждении.
3
Полиэтилен можно разделить на несколько различных категорий, исходя из таких характеристик, как его плотность и разветвление. Его механические свойства существенно зависят от таких переменных, как длина и тип разветвления, кристаллическая структура и молекулярная масса. При классификации по плотности полиэтилен существует в нескольких формах, наиболее распространенной из которых является полиэтилен высокой плотности (HDPE), линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE) и полиэтилен низкой плотности (LDPE). HDPE определяется плотностью, большей или равной 0,941 г/см.
HDPE имеет низкую степень разветвления и, следовательно, имеет более сильные межмолекулярные взаимодействия и прочность на растяжение, чем LLDPE и LDPE. HDPE производится на катализаторах на основе хрома/диоксида кремния, катализаторах Циглера-Натта или металлоценовых катализаторах. Отсутствие разветвления обеспечивается соответствующим выбором катализатора (например, катализаторов на основе хромовах или катализаторов Циглера-Натта) и условий реакции. HDPE используется в продуктах и упаковках, таких как молочные кувшины, бутылки с моющим средством, емкости для маргарина, мусорные контейнеры и водопроводные трубы.
LLDPE определяется диапазоном плотности 0,915-0,925 г/см3. LLDPE представляет собой, по сути, линейный полимер со значительным числом коротких ветвей, обычно полученный путем сополимеризации этилена с короткоцепочечными альфа-олефинами (например, 1-бутен, 1-гексен и 1-октен). LLDPE имеет более высокую прочность на растяжение, чем LDPE и имеет более высокую устойчивость к ударам и проколам, чем LDPE. LLDPE обычно используется для упаковки, в частности пленки для мешков и пакетов, пищевой и воздушно-пузырчатой пленок.
3
LDPE определен диапазоном плотности 0,910-0,940 г/см. LDPE имеет высокую степень кратко- и длинноцепочечных разветвлений, что означает, что цепи тоже не упакованы в кристаллическую структуру. Итак, он имеет менее сильное межмолекулярное воздействие, поскольку мгновенное взаимодействие диполь-индуцированного диполя меньше. Это приводит к более низкой прочности на разрыв и повышает пластичность. Высокая степень разветвления с длинными цепями предоставляет расплавленному LDPE уникальные и желаемые свойства текучести. LDPE чаще всего используется для изготовления различных контейнеров, раздаточных бутылок, промывных склянок, труб и пластиковых пакетов для компьютерных компонентов. Однако его наиболее распространенное применение - для пластиковых пакетов.
В одном из вариантов реализации LDPE является предпочтительным бионеразлагаемым термопластичным полимером для использования в инкапсулирующей композиции.
В некоторых вариантах реализации бионеразлагаемый термопластичный полимер может присутствовать в инкапсулирующей композиции в количестве от, приблизительно 0,5% до, приблизительно 30% от общего объема. В некоторых вариантах реализации полимер может присутствовать в количестве от, приблизительно 0,5% до, приблизительно 25%, от, приблизительно 0,5% до, приблизительно 20%, от, приблизительно 0,5% до, приблизительно 15%, от, приблизительно 0,5% до, приблизительно 10%, от, приблизительно 0,5 до, приблизительно, 5%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 30%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 25%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 20%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 15%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 10%, от, приблизительно 10% до, приблизительно 30%, от, приблизительно 10% до, приблизительно 25%, от, приблизительно 10% до, приблизительно 20%, от, приблизительно 10% до, приблизительно 15%, от, приблизительно 15% до, приблизительно 30%, от, приблизительно 15% до, приблизительно 25%, от, приблизительно 15% до, приблизительно 20%, от, приблизительно 20% до, приблизительно 30% или от, приблизительно 20% до, приблизительно 25% от общего объема инкапсулирующей композиции.
Инкапсулирующая композиция также содержит воск. Как известно специалисту в данной области, воски относятся к классу химических соединений, которые являются податливыми при температурах окружающей среды. Характерно, что воски плавятся выше 45°С с получением жидкого вещества с низкой вязкостью. Воски гидрофобные, но растворимы в органических неполярных растворителях. Все воски являются органическими соединениями, которые являются как синтетическими, так и природными производными. Природные воски обычно представляют собой эфиры жирных кислот и длинноцепочечных спиртов. Синтетические воски являются длинноцепочечными углеводородами, не имеющими функциональных групп.
Соответствующие воски могут включать любой из различных углеводородов (алканов или алкенов с прямой или разветвленной цепью, кетонов, дикетонов, первичных или вторичных спиртов, альдегидов, эфиров стирола, алкановых кислот, турпенов, сложных моноэфиров), таких как те, которые имеют длину углеродной цепи начиная с ClrC3s. Также пригодны сложные диэфиры или другие разветвленные эфиры. Соединение может представлять собой эфир спирта (глицерин или иной, чем глицерин) и С18 или высшую жирную кислоту.
В некоторых вариантах реализации воск выбирают из одной или более групп, состоящих из минеральных восков, таких как парафин, пчелиный воск (например, белый пчелиный воск SP-422P, доступный от Strahl and Pitsch of West Babylon, Нью-Йорк), китайский воск, ланолин, шеллачный воск, спермацет, воск душистого перца, канделильский воск, растительные воски, такие как карнаубский воск, воск насекомых, касторовый воск, эспартовый воск, японский воск, масло жожоба, воска оурикури, воск рисовых отрубей, соевый воск, воск лотоса (например, Nelumbo Nucifera Floral Wax, доступный от Deveraux Specialties, Silmar, Калифорния), церезиновый воск, монтанный воск, озокерит, торфяные воски, микрокристаллический воск, петролатум, воски Фишера-Тропша, замещенный амидный воск, цетилпальмитат, лаурилпальмитат, цетостеарилстеарат, полиэтиленовый воск (например, PERPORMALENE 400 с молекулярной массой 450 и температурой плавления 84°С, доступный от New Phase Technologies of Sugar Land, Техас) и силиконовые воски, такие как С3о-45 алкилметикон и С3о-45 олефин (например, Dow Corning AMS-C30, имеющий температуру плавления 70°С, доступный от Dow Corning, Midland, Мичиган).
В одном из вариантов реализации парафин является предпочтительным воском для использования в инкапсулирующей композиции.
В некоторых вариантах реализации изобретения воск может присутствовать в инкапсулирующей композиции в количестве от, приблизительно 0,5% до, приблизительно 99,5% от общего объема. В некоторых вариантах реализации воск может присутствовать в количестве от, приблизительно 20% до, приблизительно 80%, от, приблизительно 30% до, приблизительно 70% или от, приблизительно 40% до, приблизительно 60% от общего объема инкапсулирующей композиции.
В некоторых вариантах реализации инкапсулирующая композиция может также содержать безводный противовыщелачивающий агент. Такие агенты способны образовывать осадки с радиоактивными или токсичными компонентами отходов. Примеры соответствующих безводных противовыщелачивающих агентов включают, но не ограничиваются ими, сульфид натрия, гидроксид кальция, гидроксид натрия, оксид кальция, оксид магния и их смеси.
В некоторых вариантах реализации сульфид натрия является предпочтительным безводным противовыщелачивающим агентом для использования в инкапсулирующей композиции.
В некоторых вариантах реализации безводный противовыщелачивающий агент присутствует в инкапсулирующей композиции в количестве от, приблизительно 5% до, приблизительно 60% от общего объема. В некоторых вариантах реализации, безводный противовыщелачивающий агент может присутствовать в количестве от, приблизительно 5% до, приблизительно 55%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 50%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 45%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 40%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 35%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 30%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 25%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 20%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 15%, от, приблизительно 5% до, приблизительно 10%, от, приблизительно 10% до, приблизительно 50%, от, приблизительно 20% до, приблизительно 40%, или от 30% до, приблизительно 40%, от общего объема инкапсулирующей композиции.
В некоторых вариантах реализации инкапсулирующая композиция находится в расплавленном или жидком виде при температурах выше примерно 120°С. В расплавленном виде комбинированные полимер и воск инкапсулирующей композиции могут чередоваться с отходами, которые при охлаждении приводят к образованию монолитной твердой формы отходов, что представляет собой надежное и эффективное инкапсуляция отходов. По сути, соединение полимера и воска действует как связующее вещество для отходов.
Инкапсулирующая композиция может быть в виде твердых гранул, содержащих полимер и воск. Такие гранулы могут быть получены, используя стандартные методы, известные в этой области. Обычно они включают нагрев полимера и воска (вместе или по отдельности) до расплавленного или жидкого состояния, смешивая два расплавленных компонента вместе (при нагревании по отдельности), а затем пропускают расплавленную композицию через промежуточную плиту перед тем, как разрезать на гранулы и выдержать до отверждения. Если инкапсулирующая композиция содержит безводный агент, препятствующий вымыванию, то агент может быть добавлен или к расплавленному полимеру, или к расплавленному воску перед смешиванием или к расплавленному полимеру и воску, когда они смешаны. В одном варианте гранулы отдельно смешивают с расплавленным воском перед тем, как применить покрытие гранул, которые могут быть измельчены до готовности для дальнейшего использования. Это позволяет смешивать гранулы с отходами, чтобы оба компонента могли нагреваться вместе.
Установлено, что конкретная комбинация бионеразлагаемого термопластичного полимера и воска обеспечивает надежную и устойчивую инкапсулирующую композицию для радиоактивных и/или опасных отходов, данное изобретение описывает способ инкапсуляции указанных отходов с использованием указанной композиции.
Дополнительно, выбрав конкретную комбинацию бионеразлагающегося термопластичного полимера и воска, которая обеспечивает надежную и устойчивую инкапсулирующую композицию для выбранных радиоактивных и/или опасных отходов, данное описание предусматривает инкапсуляцию отходов путем смешивания в расплаве отходов с инкапсулирующей композицией.
Используемый в этой заявке термин «смешивание в расплаве» означает механический процесс, при котором инкапсулирующая композиция и отходы механически смешиваются в то время, когда инкапсулирующая композиция находится в расплавленном состоянии. Поэтому смешивание в расплаве должно отличаться от простого добавления отходов в расплавленную инкапсулирующую композицию (где смешивание и диспергирование отходов с помощью инкапсулирующей композиции будет ограничено и достаточно неэффективно).
Таким образом, термин "смешивание в расплаве" также может объясняться как "механическое смешивание в расплаве".
Смешивание в расплаве целесообразно проводить, используя методы и оборудования, известные в данной области. Например, смешивание в расплаве может быть выполнено, используя оборудование для непрерывной экструзии, такого как двухшнековые экструдеры, одношнековые экструдеры, другие многошнековые экструдеры и смесители Farell.
При осуществлении способа, инкапсулирующая композиция и отходы могут быть введены в оборудование для смешивания в расплаве вместе или по отдельности. Компоненты, составляющие инкапсулирующую композицию, также могут быть введены в оборудование для смешивания в расплаве вместе или по отдельности. Инкапсулирующая композиция сама по себе может быть сформирована до осуществления способа путем смешивания в расплаве бионеразлагаемого термопластичного полимера, воска и при необходимости одной или нескольких добавок, таких как безводный агент, препятствующий вымыванию.
В одном из вариантов реализации инкапсулирующая композиция представлена в виде гранул, причем гранулы имеют конструкцию ядро/оболочка, причем ядро содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер, а оболочка содержит воск.
Такая структура ядро/оболочка инкапсулирующей композиции может быть получена просто путем получения полимера в виде гранул и механического смешивания гранул с расплавленным воском таким образом, чтобы покрыть внешнюю часть гранул и образовать внешнюю восковую оболочку. Любая добавка, которая должна быть использована в инкапсулирующей композиции, может быть включена во внешнюю восковую оболочку путем смешивания ее с расплавленным воском и используя эту восковую смесь для образования оболочки на основе воска.
В данной заявке также раскрывается способ инкапсуляции и локализации радиоактивных и/или опасных отходов, в том числе:
(i) предоставление радиоактивных и/или опасных отходов, которые должны быть инкапсулированы и локализованы;
(ii) смешивание отходов этапа (i) с инкапсулирующей композицией, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск;
(iii) нагревание смеси отходов и инкапсулирующей композиции этапа (ii) так, что инкапсулирующая композиция находится в расплавленной или жидкой форме, тем самым инкапсулируя отходы; а также
(iv) депонирование смеси этапа (iii) в контейнер, таким образом, локализуя отходы.
Этот метод показан на блок-схеме Фигуры 1. На ней можно увидеть, что радиоактивные и/или опасные отходы подаются в шнек через бункер (бункер 1). Процесс подачи автоматизирован и Предпочтительно контролируется микропроцессором. Отходы могут подаваться в бункер в их естественном состоянии или их можно подвергать сушке, используя описанные выше способы. В этом случае отходы подаются в бункер в сухом или почти сухом виде. Если отходы поставляются в их естественном состоянии, перед смешиванием с инкапсулирующей композицией они, необязательно, могут быть подвергнуты сушке внутри шнека, как это происходит с помощью нагревательного элемента, который находится внутри шнека (нагреватель 1) или связанного со шнеком. В одном из вариантов реализации, отходы (в их сухом, почти сухом или естественном виде) могут быть размолоты, разломаны или измельчены до подачи в бункер.
Инкапсулирующую композицию, например, в виде гранул, как описано выше, можно добавить отдельно в шнек через независимый бункер (бункер 2). Затем шнек способствует смешиванию отходов и инкапсулирующей композиции до того, как смесь нагревается отдельно контролируемым вторым нагревательным элементом в шнеке (нагреватель 2) или связанным с ним нагревательным элементом. В некоторых вариантах реализации шнек может иметь 1, 2 или более дополнительных нагревательных элементов, расположенных выше нагревателя 2. Это позволяет получить однородную расплавленную смесь всех компонентов, которая обеспечивает надлежащее инкапсуляция отходов. Затем смесь депонируют в контейнер и дают остыть до температуры окружающей среды, так что в контейнере образуется монолитное твердое вещество, тем самым локализуя отходы для дальнейшего хранения.
Как указано выше, процесс подачи для добавления инкапсулирующей композиции в шнек является автоматизированным и предпочтительно контролируется микропроцессором. В этом отношении каждый отдельный элемент подачи регулируется главным регулятором, который наблюдает и регулирует доставку отходов и инкапсулирующей композиции для поддержания необходимого или желаемого соотношения между компонентами смеси.
Любой шнек может быть использован по описанному способу, как единичная или множественная конфигурация шнеков, при условии, что он имеет соответствующий размер. Температуры зон, температуры расплава, давления расплавов, текущая нагрузка и скорость вращения шнека являются параметрами, за которыми следует тщательно наблюдать с помощью соответствующих приборов в течение процесса.
В определенных ситуациях и локациях размол или измельчение отходов перед смешиванием с инкапсулирующей композицией являются невозможными. Перед данным этапом, даже является невозможным высушить отходы. Например, значительное количество радиоактивных и опасных отходов создается в результате медицинских применений, например, в больницах и научно-исследовательских институтах, и в этих локациях может отсутствовать инфраструктура и ресурсы, необходимые для осуществления таких этапов. Поэтому альтернативным методом для таких локаций было бы уплотнение отходов (в их чистом виде) в контейнере, используя физическую силу или механическим способом с помощью гидравлического компрессора. Отходы не обязательно должны быть уплотнены, но в интересах экономии места это является преимущественным в отношении дальнейшего хранения локализированных отходов. После того, как контейнер заполнен отходами (уплотненными или нет), инкапсулирующая композиция в расплавленном виде может быть добавлена к отходам, ее оставляют соединяться с отходами, а затем оставляют затвердевать в контейнере, тем самым инкапсулируя и локализуя отходы. Затем контейнер закрывают затвором или крышкой для целей дальнейшего хранения.
Преимущество инкапсулирующей композиции заключается в том, что ее можно повторно использовать для последующих нужд инкапсуляции. Что касается радиоактивных отходов, то в качестве примера, однажды инкапсулированные радиоактивные отходы будут разлагаться в достаточной степени (согласно соответствующим правилам) после захоронения, инкапсулирующую композицию можно повторно разогреть до расплавленного вида, что позволит ее отделить от разлагающихся отходов. Затем расплавленную инкапсулирующую композицию можно повторно использовать для последующих нужд инкапсуляции. Более того, для отходов, содержащих тяжелые металлы, радиоактивность которых ослабевает в достаточной степени, тяжелые металлы могут собираться для повторного применения в последующих практических применениях после применения тепла и/или растворителя, такого как керосин. Эта рециркуляция компонентов просто невозможна при использовании обычных вяжущих веществ, таких как цементы и тому подобное.
Полученная расплавленная смесь может содержать отходы, инкапсулированные в инкапсулирующей композиции. После охлаждения эта расплавленная смесь может затвердевать в монолитное твердое вещество, которое может быть легко транспортировано для дальнейшего хранения. Отвердевшая инкапсулирующая композиция, содержащая отходы, инкапсулированные в ней, очень устойчива и не склонна к выщелачиванию отходов.
Расплавленная смесь, содержащая отходы, инкапсулированные в инкапсулирующей композиции, может быть депонирована в контейнер и охлаждена до температуры окружающей среды, так что внутри контейнера образуется монолитное твердое вещество, и тем самым локализируя отходы для дальнейшего хранения.
Соответственно, в одном из вариантов реализации способ дополнительно включает депонирование таким образом сформированных капсулированных отходов, пока они еще находятся в расплавленном виде в контейнере, где локализированы инкапсулированные отходы.
Депонируя сформированные таким образом инкапсулированные отходы, которые еще находятся в расплавленной форме, в контейнер, инкапсулированные отходы принимают форму контейнера. Контейнер может быть спроектирован для легкой герметизации, транспортировки и хранения.
В некоторых вариантах реализации контейнер сконструирован из композиции контейнера, включающей бионеразлагаемый термопластичный полимер и наполнитель или армирующее волокно. Компоненты композиции контейнера являются «чистыми», поскольку они сами по себе не содержат никаких радиоактивных отходов или токсичных химических веществ. По сути, это делает контейнер «чистым» и, следовательно, еще больше минимизирует возможность выщелачивания загрязняющих веществ, заключенных у или вблизи поверхности инкапсулированных отходов.
В одном из вариантов реализации, бионеразлагаемый термопластичный полимер композиции контейнера выбирают из группы, состоящей из полипропилена, полиэтилена высокой плотности (HDPE), полиэфира, полиолефина, полиамида, поливинилиденфторида, поливинилиденхлорида и их смесей.
В одном из вариантов реализации, бионеразлагаемый термопластичный полимера композиции контейнера представляет собой полипропилен. В дополнительном варианте реализации, бионеразлагаемый термопластичный полимер композиции контейнера -HDPE. Как полипропилен, так и HDPE, систематически используются для конструкции контейнера ввиду их физической прочности, химической стойкости и приемлемого эффекта гашения гамма-излучения.
В некоторых вариантах реализации бионеразлагаемый термопластичный полимер композиции контейнера присутствует в количестве от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 90% от общего объема композиции контейнера. В некоторых вариантах реализации, бионеразлагаемый термопластичный полимер может присутствовать в количестве от, приблизительно, 20% до, приблизительно, 80%, от, приблизительно, 30% до, приблизительно, 70% или от, приблизительно, 40% до, приблизительно, 60% от общего объема композиции контейнера.
Назначение наполнителя или армирующего волокна композиции контейнера заключается в обеспечении дополнительной поддержки и прочности контейнера. Соответствующие наполнители и волокна будут известны специалисту в данной области техники. Однако, для ясности, примеры могут включать, но не ограничиваются теми, которые выбраны из одной или нескольких групп, состоящих из древесной муки, полученной из сухой чистой древесины или ее отходов, стекловолокна, углеродного волокна, арамидного волокна, волокна из карбида кремния, борного волокна, алюмоксидного волокна, ароматического полиамидного волокна, высокоэластичного полиэсторного волокна, Кевлара, пакли, джута или сизаля. В одном из вариантов реализации данного изобретения наполнитель или армирующее волокно композиции контейнера представляет собой сухую древесную муку. В одном из вариантов реализации сухая древесная мука имеет размер частиц не более 2 мм.
В некоторых вариантах реализации наполнитель или армирующее волокно присутствуют в количестве до, приблизительно, 30% от общего объема композиции контейнера. В некоторых вариантах реализации наполнитель или армирующее волокно могут присутствовать в количестве от, приблизительно, 0% до, приблизительно, 30%, от, приблизительно, 0% до, приблизительно, 25%, от, приблизительно, 0% до, приблизительно, 20%, от, приблизительно, 0% до, приблизительно, 15%, от, приблизительно, 0% до, приблизительно, 10%, от, приблизительно, 0% до, приблизительно, 5%, от, приблизительно, 5% до, приблизительно, 30%, от, приблизительно, 5 до, приблизительно, 25%, от, приблизительно, 5% до, приблизительно, 20%, от, приблизительно, 5% до, приблизительно, 15%, от, приблизительно, 5% до, приблизительно, 10%, от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 30%, от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 25%, от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 20%, от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 15%, от, приблизительно, 15% до, приблизительно, 30%, от, приблизительно, 15% до, приблизительно, 25%, от, приблизительно, 15% до, приблизительно, 20%, от, приблизительно, 20% до, приблизительно, 30% или от, приблизительно, 20% до, приблизительно, 25% от общего объема композиции контейнера.
Толщина стенок и основания контейнера обычно зависят от природы отходов, которые содержит контейнер. Например, отходы, которые, как ожидается, будут тяжелыми после уплотнения в контейнере, требуют контейнер, который более утолщенный, чем отходы, содержащие легкий материал или где имеется только небольшое количество отходов для локализации. В некоторых вариантах реализации стенки и основание контейнера будут иметь толщину от, приблизительно, 3 мм до, приблизительно, 10 миллиметров. Однако следует понимать, что стенки и основание контейнера могут иметь любую толщину, целесообразную для определенной ситуации и соответствующую природе инкапсулированных отходов, содержащихся в нем.
Контейнер должен находиться под нагрузкой, если в нем находятся инкапсулированные отходы. Это делается для обеспечения того, чтобы целостность контейнера не претерпела риска за время дальнейшей обработки, транспортировки и/или хранения. Предпочтительно, чтобы контейнер имел несущую нагрузку, которая, по меньшей мере, в 5 раз превышает массу инкапсулированных отходов, присутствующих в контейнере, включая массу самого контейнера.
В тех случаях, когда контейнер должен использоваться для хранения радиоактивных отходов, где необходимо хранение в течение длительных периодов времени, включая требования к глубоким захоронениям, может потребоваться увеличить нагрузку на контейнер для обеспечения целостности. В таких случаях при изготовлении контейнера в процесс его отливки и прессования могут быть включены дополнительные армирующие средства. Армирующие средства могут быть внутренними и/или внешними по отношению к контейнеру, и природа армирующих средств будет понятна специалисту в данной области.
Например, в одном варианте реализации армирующие средства представляют собой внутренние армирующие средства, включающие одну или несколько опор или стержни, расположенные в стенках и/или основе, и крышке контейнера. Опоры или стержни могут быть выполнены из любого подходящего прочного на разрыв материала, способного выдерживать нагрузки и другие внешние силы. В одном варианте реализации опоры или стержни выполнены из стали. Когда они расположены в стенках контейнера, внутренние армирующие средства могут проходить, по сути, горизонтально и по кругу вокруг контейнера, или могут проходить, по сути, вертикально и по кругу вокруг контейнера с интервалами.
В одном варианте реализации армирующие средства представляют собой внешние армирующие средства, которые могут быть выполнены в виде геометрической фигуры, которая вмонтирована как часть поверхности стенок контейнера, например. Геометрические фигуры, как правило, выдуваются при изготовлении контейнера и могут быть таких форм, как круглые углубления, квадраты, прямоугольники, круги, овалы, треугольники, диагональные ребра, гофры и сотовые имитации.
В некоторых вариантах реализации геометрические фигуры наружных армирующих средств позволяют эффективно хранить контейнеры, поскольку они дают возможность поверхности контейнера, чтобы можно было взаимно соединяться с поверхностями рядом хранящихся контейнеров. Одним из типичных примеров является рифление; однако другие геометрические фигуры могут обеспечивать такую же функциональность. Эффективность хранения также может быть повышена путем изготовления контейнера в квадратной или прямоугольной форме, чтобы обеспечить эффективную упаковку контейнеров. Это особенно важно в больницах и научно-исследовательских институтах, где инкапсулированные отходы хранятся на месте, а места для хранения мало.
После того, как инкапсулированные отходы локализованы в контейнере, контейнер герметизируют. Это может быть осуществлено с помощью ряда средств, которые могут быть понятны специалисту в этой области. Например, контейнер может иметь специальную крышку, которая герметически закрывает контейнер с помощью какого-либо одного или нескольких различных средств, включая использование герметизации, которая создается путем отверждения расплавленной инкапсулирующей композиции, присутствующей сверху инкапсулированных отходов, использование отдельного адгезива или использование фиксаторов или им подобных, которые расположены там, где стенки контейнера входят в зацепление с крышкой.
На Фигуре 2 показан пример контейнера в соответствии с вариантом реализации данного изобретения, который армирован как внутренне, так и внешне. Дополнительно, арматура может быть встроена в стенку контейнера. В изображенном варианте реализации крышка контейнера также содержит внутреннюю арматуру.
Для локализации радиоактивных отходов внутренняя часть контейнера также может быть облицована свинцом. Свинец действует как вид радиационной защиты, чтобы оберегать людей или объекты от радиации. Свинец может эффективно ослаблять определенные виды излучения ввиду его высокой плотности и высокого атомного номера; главным образом, он эффективен для прекращения гамма-излучения. Однако свинец не эффективен против всех видов излучения, включая бета-излучение, в этом случае его не следует использовать.
Свинцовая облицовка может быть выполнена в виде листа, расположенного на внутренних сторонах и нижней части контейнера (и на нижней стороне крышки) до того, как контейнер будет заполнен инкапсулированными отходами, или свинец может образовать неотъемлемую часть контейнера путем включения его в композицию контейнера при его отливке и прессовании.
Здесь также раскрыта система инкапсуляции и хранения радиоактивных и/или опасных отходов, которая содержит:
(i) инкапсулирующую композицию для инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов, где инкапсулирующая композиция содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер, и воск; а также
(ii) контейнер для приема инкапсулирующей композиции.
Для описания компонентов системы, учитывая качества бионеразлагаемого термопластичного полимера, воска и контейнера, следует ссылаться на описание, приведенное выше.
В предпочтительных вариантах реализации матричный материал содержит большой процент воска и небольшой процент полиэтилена низкой плотности (LDPE), например, 99,5% по весу воска и 0,5% по весу LDPE. Предпочтительно, панели могут быть легко формируемые и после использования легко переплавляться для переработки.
Обращаясь к Фигуре 3, в проиллюстрированном варианте реализации армирующая конструкция 12 инкапсулирована внутри и заполняет площадь панели 10, тем самым обеспечивая армирование конструкции панели 10. Такая конфигурация панели имеет преимущества различных свойств составных компонентов матричного материала 14, чтобы получить панель 10 для использования в системе инкапсуляции, которая намного превосходит те, которые были предложены ранее в уровне техники. В связи с этим, свойства поглощения излучения и долговечность бионеразлагаемого термопластичного полимера, в сочетании со свойствами противовымывания воска или жира (что также улучшает пластичность/прессуемость композиции) и конструкционная прочность армирующей конструкции 12 соединяются для образования панели, которая обладает надлежащими характеристиками материала и прочностью конструкции, чтобы ее использовать при инкапсулировании токсичных материалов, что является экономически эффективным способом. Дополнительно, путем инкапсуляции армирующей конструкции 12 внутри матричного материала, она может быть защищена от коррозии, которая является серьезной проблемой для систем уровня техники.
В предпочтительном варианте реализации панель 10 содержит элементы зацепления, соединенные с армирующей конструкцией 12 и выступающие снаружи панели 10, что позволяет удобно управлять панелью без излишнего ручного взаимодействия. Элементы зацепления показаны в виде петель 16, хотя они также могут быть выполнены в виде отверстий, крючков или других крепежных элементов.
В предпочтительном варианте реализации панель 10 выполняется путем нанесения матричного материала 14 в жидком виде на армирующий материал 12 в пресс-форме. В других вариантах панель 10 может иметь конструкцию типа «сэндвич», которая в одном примере выполнена путем сгибания внутренних и внешних панелей вокруг матричного материала 14, и в других вариантах, путем обеспечения внутренних и внешних листов, между которыми заливается расплавленная матрица. В одном из вариантов панель 10 может быть относительно тонкой и гибкой и поставляться в виде свернутого листа или фольги, между которыми может быть размещена пенная или восковая смесь.
Понятно, что матричный материал 14 будет иметь относительно низкую температуру плавления благодаря его составу, возможно, на уровне 120 градусов Цельсия, хотя фактическая температура плавления будет зависеть от фактического состава матричного материала 14. Такая низкая точка плавления позволяет использовать обычные технологии литья для формирования матричного материала 14, так что панель 10 может быть отлита в плоскую или трехмерную форму или в контейнер для инкапсуляции, как будет дополнительно описано ниже. Путем отливки панелей вместе в качестве контейнера для инкапсуляции, он может быть выполнен в виде герметичного корпуса и иметь прямоугольную форму, которая позволяет эффективно использовать пространство, чтобы снизить стоимость хранения и/или транспортировки.
В проиллюстрированном варианте реализации панель 10 содержит радиационный экран 18, который выполнен как неотъемлемая часть внутри панели. Радиационный экран 18 может быть предусмотрен для применения, где может встречаться особенно сильное ядерное излучение, и он может содержать замедлитель, такой как графит или бор. Хотя радиационный экран 18 показан как слой, выполненный внутри панели 10 (см. также Фигуру 10), будет понятно, что радиационный экран 18 может быть прикреплен к внутренней или внешней поверхности панели 10. Радиационный экран может быть выполнен в виде дополнительного слоя композиции, которая содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск или жир, толщина которой соответствует применению.
Экран 18 также может быть выполнен из нескольких слоев. В одном из вариантов панель выполнена с угловым армирующим элементом, таким как элемент 20, показанный на Фигуре 4, имеющим форму поперечного сечения «С», которая входит в контакт с армирующим материалом 12 и/или радиационным экраном 18, чтобы удерживать его в положении и обеспечивать повышенную прочность конструкции.
В альтернативных вариантах экран может быть в жидком виде, включая, например, бор, графит, воду, воск или жир или их комбинации.
Такая конфигурация особенно полезна для отгрузочных материалов, таких как оксиды урана, которые содержат небольшой процент U235, излучающий нейтронную радиацию. При использовании в настоящее время желтый кек транспортируется в стальных барабанах для переработки, а затем после обогащения (чистый U235 желателен) обедненный уран U238 (который является нежелательными отходами с низким уровнем радиации) помещают в те же стальные барабаны, для транспортировки в хранилище для хранения. Нейтронное излучение очень трудно экранировать любым металлом высокой плотности, таким как свинец, поэтому существует потребность в более безопасном способе и системе, таком как заявленное изобретение, где экран 18 используется в контейнере для транспортировки желтого кека в центр обогащения, и после отделения U235 экран может быть расплавлен или удален для другого использования. При удалении экрана 18 пустой контейнер можно использовать для транспортировки обедненного урана в местоположение хранилища. При транспортировке обедненного урана инкапсулирующая композиция может содержать 10% воска и 90% LDPE.
В другом варианте реализации краевой армирующий элемент может иметь другие формы поперечного сечения, чтобы способствовать удержанию стенок контейнера для инкапсуляции в правильном положении. В одном примере краевой армирующий элемент может иметь звездообразное поперечное сечение и, например, иметь форму звездообразного колышка. Такая конфигурация может обеспечивать принятие панели на уровне краев элемента так, что давление от материала в контейнере удерживает панель в правильном положении. Такая конфигурация может также обеспечивать полость, которая может быть заполнена другими материалами, такими как, например, замедлитель.
Панель также может содержать, по меньшей мере, одну опору (не показана), проходящую от поверхности панели для удерживания токсичного материала от поверхности панели 10. Опора Предпочтительно проходит от стороны панели 10, которая является внутренней при использовании. В дополнение к обеспечению защиты панели 10 такая конфигурация позволяет, когда несколько панелей объединяются вместе для образования оболочки, причем вода или другие материалы должны вводиться в оболочку для использования их в качестве замедлителя, который окружает токсичный материал. Примеры замедлителей включают углерод, суспендированный в жире или воде, борированную воду или бор, суспендированный в жире, воске, полимере или геле. Обеспечение жидкости или геля внутри оболочки также пригодно для снижения воспламеняемости.
Армирующий материал 12 может принимать различные формы, включая множества растянутых стержней, таких как круглые армирующие прутки. Также могут быть использованы ленточные элементы, а армирующий материал 12 также может быть выполнен в виде сит, сетки или рабицы, которые могут быть, как с защитным пластиковым покрытием, так и без. Внешние армирующие элементы, такие как угловые защитные элементы, могут быть расположены снаружи матричного материала 14, чтобы обеспечить дополнительную защиту матричного материала 14, особенно когда панель 10 должна использоваться в качестве контейнера для инкапсуляции, который должен транспортироваться. В одном из вариантов угловые защитные элементы могут быть выполнены из прямоугольных секций оцинкованного железа, чтобы быть устойчивыми к коррозии.
Чтобы позволить множеству панелей 10 объединиться в виде контейнера для инкапсуляции, могут быть предусмотрены дополнительные элементы, по меньшей мере, в одной из панелей, такие как выпускное отверстие для газа (не показано). Это позволяет уменьшить давление газа, чтобы избежать взрывов, которые могут быть результатом чрезмерного нагрева, использования несовместимых отходов в коробке или разрыва связей из-за радиоактивной химии.
Дополнительно, как показано на Фигуре 5, панель 10 может быть выполнена с шарнирами 20, расположенными вдоль, по меньшей мере, одного края, чтобы обеспечить удобное объединение множества панелей 10 между собой. Предпочтительно, предоставляя панели в таком виде, контейнер для инкапсуляции может быть удобно транспортирован в виде «плоской упаковки», без больших затрат на транспортировку, и быть быстро сложенным на рабочем месте. В таких вариантах реализации панели могут быть обеспечены взаимосвязанными краями для содействия герметизации или могут быть обеспечены нагревательными средствами, позволяющими сваривать края соседних панелей вместе, как будет дополнительно описано ниже.
На Фигуре 6 показан контейнер 100 для инкапсуляции токсичных материалов в соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения. Контейнер 100 также выполнен для использования в системе инкапсуляции токсичных материалов и содержит армирующую структуру 112, по меньшей мере, частично расположенную в матричном материале 114. Матричный материал 114 представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер, такой как полиолефин и воск или жир.
Контейнер может быть выполнен таким же образом, как и панель 10, и в одном из вариантов реализации имеет унитарную конструкцию, хотя в других вариантах выполнен из множества панелей 10. В проиллюстрированном варианте реализации контейнер 100 содержит нижний корпус 102 и крышку 104, каждый из которых содержит армирующую структуру 112, по меньшей мере, частично расположенную внутри матричного материала 114. Матричный материал 114 представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск или жир.
Контейнер выполнен с водонепроницаемой гидроизоляцией, что является характерным свойством при унитарной конструкции, если он изготовлен, например, с помощью технологий формования, хотя, если он выполнен из множества панелей, может потребоваться герметизация. После герметизации преимуществом данного изобретения является то, что инкапсулирующая композиция поглощает 0% воды, что является преимуществом гидрофобного или водоотталкивающего состава. В результате получают отличную защиту от воды. Это свойство может быть использовано в варианте реализации изобретения, в котором контейнер заполнен жидкостью, чтобы действовать как водный бассейн для ядерных отходов. Жидкость может быть дистиллированной водой и/или жиром и может содержать бор или углерод. Это позволяет контейнеру иметь отличные свойства поглощать излучение. Дополнительно, поскольку контейнер обладает превосходными свойствами герметизации, отходы могут храниться под водой или под землей с небольшим риском выщелачивания.
Контейнер 100 может обеспечить значительное усовершенствование по сравнению с известными контейнерами для инкапсуляции и способами при соблюдении правил транспортировки, хранения и переработки отходов. Дополнительно, можно избежать сжигания отходов.
В одном из вариантов контейнер 100 герметизируется путем нагрева краев прилегающих панелей и соединением их вместе. В одном примере панели 10, образующие контейнер 100, могут иметь, по меньшей мере, один нагревательный элемент, расположенный вблизи открытого края и предназначенный для нагрева края панелей, чтобы объединить прилегающие панели вместе. По меньшей мере, один нагревательный элемент может быть выполнен как неотъемлемая часть внутри панели. Пример нагревательных элементов 130 показан на Фигуре 7 по отношению к контейнеру 100 для целей сваривания оплавлением нижнего корпуса 102 и крышки 104 вместе.
В проиллюстрированном варианте реализации нагревательные элементы 130 выполнены внутри каждого элемента вблизи края для соединения. Хотя иллюстрируется, что нагревательный элемент 130 имеется на каждом крае, следует иметь в виду, что является возможным наличие только одного нагревательного элемента на любом крае. В предпочтительном варианте реализации нагревательный элемент 130 представляет собой проводящий резистивный элемент, который сформирован для нагрева, когда к нему применяется электрический ток, тем самым нагревая матричный материал 114, чтобы сплавить корпус 102 и крышку 104 вместе.
Нижний корпус 102 (а также, возможно, крышка 104) также может быть представлены с угловыми защитными элементами 132, закрепленными на внешней поверхности корпуса/крышки для дополнительной защиты от ударов и/или износа при транспортировке.
Как обсуждалось выше, выполняя контейнер 100 описанным образом, он может быть сформирован путем процессов формования или сформирован из панелей, выполненных путем процессов формования, тем самым обеспечивая значительную свободу в отношении окончательной внешней формы контейнера 100. Предпочтительно контейнер 100 является прямоугольным, так чтобы его можно было эффективно комплектовать на участках для хранения и/или транспортировки, хотя он также может быть цилиндрическим. Дополнительно, контейнеры могут быть подобраны по размеру таким образом, чтобы их можно было плотно укладывать внутри транспортировочного контейнера без возможности движения так, чтобы не требовалось их фиксировать на своем месте. Контейнер 100 Предпочтительно обладает достаточной прочностью так, чтобы обеспечить возможность штабелировать подобные контейнеры в количестве 10-15 шт., по сравнению с ранее предложенными контейнерами, которые могут быть штабелированы только по 3-5 шт.
Контейнер 100 может быть обеспечен запираемой крышкой и вентиляционным клапаном для выпуска газов в атмосферу, причем оба могут быть углублены так, чтобы не уменьшать способность к штабелированию. Контейнер 100 также может быть обеспечен углублениями вдоль нижнего края для зацепления с вилочными захватами погрузчика чтобы дать возможность погрузить с помощью этого погрузчика.
Стоит принять во внимание, что описанные панели 10 будут многократно применяться в связи с инкапсуляцией, локализацией, хранением и транспортировкой радиоактивных и опасных/токсичных отходов. В одном из примеров панели 10 могут использоваться на больших объектах хранилищ жидких фракций, например, таких как хвостохранилище. В таком варианте реализации армирующие элементы панелей 10 могут быть соединены друг с другом так, чтобы можно было использовать прочность на растяжение армирующих элементов и силы растяжения переносятся по всему множеству панелей, формируя объект. В таком варианте реализации панели 10 могут быть соединены друг с другом и проложены над основной поверхностью плотины и дополнительной инкапсулирующей композицией, воском или LDPE, нанесенными на зазоры, для полной герметизации основания плотины. Специалистам в данной области будет понятно, что использование панелей 10 таким способом обеспечит хорошо герметизированную плотину, которая может эффективно хранить радиоактивные, опасные или токсичные отходы, при этом обеспечивая достаточную гибкость приспособления к сейсмической активности.
В другом примере описанные панели 10 и контейнер 100 могут быть частью системы транспортировки, которая содержит несколько панелей 10 и несколько контейнеров 100. Панели 10 могут быть расположены внутри и последовательно в транспортировочном контейнере, таком как, например, прицеп грузового автомобиля или обычный грузовой транспортировочный контейнер, внутри которого расположено несколько контейнеров 100. Панели 10 предпочтительно выполнены таким образом, чтобы они были связаны между собой для эффективной герметизации транспортировочного контейнера. В одном варианте панели 10 могут быть обеспечены магнитными элементами, выполненными внутри панели, чтобы они могли быть установлены с возможностью съема внутри контейнера, тем самым обеспечивая при необходимости дополнительную защиту во время установки.
При использовании панелей 10 таким способом, можно избежать радиоактивного загрязнения транспортировочного контейнера. Дополнительно может быть уменьшено или предотвращено облучение людей, перерабатывающих отходы или приближающихся к контейнеру, что делает транспортировку токсичного материала более безопасной.
В этой заявке также предложен способ инкапсуляции токсичных материалов. В одном из вариантов способ включает этап внесения токсичного материала в контейнер выше описанного типа. В другом варианте способ включает этапы доведения до расплавленной формы композиции, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск или жир, где соединяется токсичный материал с композицией для образования смеси; и заливания смеси в контейнер 100 выше описанного типа. В одном варианте композиция представляет собой 100% воск, что позволяет эффективно утилизировать отходы. В другом варианте композиция может быть 100% полиолефином. В других вариантах композиция представляет собой смесь воска и полиолефина, и такая композиция может соответствовать выше описанному матричному материалу. Предпочтительно адгезия между смесью и контейнером будет происходить, в дальнейшем способствуя безопасной локализации отходов внутри контейнера.
В альтернативных вариантах реализации отходы могут быть упакованы, используя бумагу или пластик, или иным образом собраны перед размещением в контейнер.
При использовании смесь может быть спрессована внутри контейнера для уменьшения объема токсичного материала. Это может понадобиться в тех случаях, когда токсичное вещество смешано, например, медицинские отходы, где одноразовые предметы, такие как перчатки и контейнеры, могут быть перемешаны в токсичных материалах. После заполнения до заданного уровня смесь может быть покрыта дополнительным количеством расплавленной композиции для дальнейшей герметизации контейнера и обеспечения достаточной инкапсуляции.
После заполнения способ может включать этап наложения крышки на контейнер и герметизацию контейнера. Крышка может быть в соответствии с крышкой 104 или выполнена из панели 10 выше описанного типа.
В предпочтительном варианте смесь объединяют в шнеке. В этом отношении композиция может храниться в бункере перед расплавлением и вводиться в шнек. Впоследствии токсичный материал может быть введен в шнек для соединения с расплавленной композицией. Использование вышеописанной композиции, вязкость которой ниже, чем в прежних композициях, здесь позволяет смешивать внутри шнека с меньшими затратами энергии и уменьшенной нагрузкой на шнек. Дополнительно, более высокая вязкость композиции также приводит к лучшему покрытию и инкапсуляции отходов, так что они полностью охвачены и инкапсулированы внутри композиции.
Специалисты в этой области будет понятно, что токсичный материал может принимать различные формы, такие как радиоактивные/ядерные отходы, медицинские отходы из больниц, отходы от производства энергии, от процессов горнорудного производства или производственных процессов.
В другом варианте токсичный материал экстрагируют в результате процесса паровой дистилляции. Такой процесс раскрыт в других заявках данного заявителя, например, в международной заявке на патент №PCT/AU2015/050382, содержание которого включено в данную заявку посредством ссылки.
Процесс паровой дистилляции, описанный в PCT/AU2015/050382, может использоваться для испарения воды из загрязненного источника, такого как хвостохранилище, используемого для удаления опасных отходов горного производства. Благодаря использованию такого процесса дистилляции, очищенная вода может быть получена вместе со сгущенным шламом, содержащим токсичные материалы/опасные отходы. Очищенная вода может быть возвращена в источник загрязненной воды для сбора последующих отходов. Кроме того, концентрированные отходы могут быть получены при второй добыче ископаемых для удаления микроэлементов, которые могут быть коммерчески ценными перед тем, как конечный концентрированный продукт будет инкапсулирован в контейнер 100 для хранения или транспортировки на место хранения.
Сточные воды из операций гидравлического разрыва пласта также могут быть обработаны таким способом для удаления химикатов из воды, чтобы собрать и вернуть очищенную воду в источник загрязненной воды.
Предпочтительно, влияние загрязненных источников воды на окружающую среду может быть уменьшено, а токсичные/опасные компоненты удалены для безопасного хранения в другом месте.
Данное изобретение предоставляет много преимуществ по сравнению с ранее предложенными системами удаления токсичных отходов. В дополнение к обеспечению отличной производительности и долговечности по сравнению с прежними системами, хранение может выполняться дешевле и эффективнее. Кроме того, поскольку известные материалы, прошедшие испытания на пригодность для использования с токсичными веществами, используются в различных вариантах реализации изобретения, предполагается, что контрольные испытания будут опубликованы без повторения обширного испытания материалов.
Кроме того, благодаря составу матричного материала, его можно расплавить так, чтобы токсичные материалы могли быть извлечены, и их можно было переработать или использовать повторно. В одном из вариантов верхнюю и нижнюю части контейнера могут быть смещены, и кислота просочится к инкапсулированному материалу для извлечения химических веществ. Несмотря на то, что такой процесс может занять значительное время, учитывая огромное количество времени, в течение которого необходимо хранить токсичные отходы, он относительно короткий. Циркуляция кислоты может приводиться в действие солнечной энергией, поэтому подача электроэнергии в хранилище не нужна. В таком варианте реализации контейнер может быть относительно большим и такого же размера, как и большая комната, герметично отделена от окружающей среды, за исключением двух труб, одна из которых предназначена для ввода кислоты в контейнер, которая предпочтительно расположена над отходами через душ или спринклерную установку. Кислота будет реагировать или растворять выбранный металл и под действием силы тяжести перемещать его ниже в отвал породы. Для удаления жидкости может быть предусмотрена вторая труба, позволяющая отделять металлы, содержащиеся в ней, таким образом позволяя удалять выделенные радиоактивные изотопы и повторно использовать или возвращать в оборот, а жидкую кислоту возвращать на вершину отвала породы для повторного распределения.
В дополнение к тому, что полезные материалы могут быть извлечены из отходов, такой процесс также может уменьшить размер отходов так, чтобы они могли уплотняться со временем в меньшие контейнеры для уменьшения объема материала, необходимого для хранения на определенном участке.
Понятно, что описанная панель и контейнер могут быть выполнены в любых размерах или формах, необходимых для конкретного применения. На Фигурах 8A-8D изображен другой контейнер 200 в соответствии с дополнительным вариантом реализации изобретения. Контейнер 200 выполнен в виде цилиндрического барабана и содержит нижнюю часть или барабан 202 и верхнюю часть или крышку 204. Контейнер 200 выполнен так, чтобы быть ближайшей альтернативой обычным стальным барабанам, которые в настоящее время используются для инкапсуляции токсичных материалов и предпочтительно выполнены для удаления или транспортировки медицинских отходов. Предпочтительно контейнер 200 не подвержен коррозии (как внутренней, так и внешней), как например, стальной барабан, и практически любые отходы могут быть погружены.
Контейнер 200 содержит нагревательный элемент 230, сформированный в крышке 204 и расположенный вблизи края для соединения с барабаном 202. Подобный нагревательный элемент также может быть предусмотрен в верхней части барабана 202. В предпочтительном варианте реализации нагревательный элемент 230 является проводящим резистивным элементом, который выполнен с возможностью нагрева при применении электрического тока к нему, тем самым нагревая материал, чтобы сплавить барабан 202 и крышку 204 вместе для герметизации барабана после его заполнения. В одном из вариантов нагревательный элемент может быть выполнен для работы под напряжением сети и с помощью простого шнура питания, предусмотренного для активации.
На Фигуре 9 изображена панель 300 согласно другому варианту реализации изобретения. Панель 300 также выполнена для использования в системе инкапсуляции токсичных материалов и образована из композиции, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер, такой как полиолефин и воск или жир. Панель 300 Предпочтительно выполнена из НРРЕ или LDPE. Внутренняя армирующая конструкция (не показана) также может быть предусмотрена в соответствии с ранее описанными вариантами реализации. Панель 300 также выполнена с магнитами 350, расположенными внутри панели 300, чтобы панель легко крепилась к металлическим стенкам, например, транспортировочного контейнера.
Панель 300 может быть полым корпусом, который может быть заполнен бором, графитом или углеродом, суспендированными в воде, воске или жире, для повышения радиационно-защитных свойств панели. При необходимости может быть предусмотрена еще одна защита от радиации. Перед использованием полый корпус панели 300 закрыт крышкой и герметизирован для предотвращения утечки жидкости.
На Фигуре 10 показано, что контейнер 400 также выполнен для использования в системе инкапсуляции токсичных материалов. Контейнер 400 содержит армирующую конструкцию 412, по меньшей мере, частично расположенную внутри матричного материала 414. Матричный материал 414 представляет собой композицию, содержащую бионеразлагаемый термопластичный полимер, такой как полиолефин и воск или жир. Контейнер 400 также содержит защиту от радиации 418, которая показана как слой, сформированный внутри контейнера. Защита от радиации 418 выполнена в виде дополнительного слоя вышеописанной композиции, то есть композиции, содержащей бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск или жир. Толщина защиты 418 может быть адаптирована к применению.
Данное изобретение далее проиллюстрировано при помощи следующих примеров. Примеры предназначены только для описания конкретных вариантов реализации и не предназначены для ограничения приведенного выше описания.
ПРИМЕР 1
Получение инкапсулирующих композиций
Согласно первому варианту реализации инкапсулирующая композиция содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск. Как указано выше, полимер присутствует в композиции в количестве от, приблизительно, 0,5% до, приблизительно, 30% от общего объема композиции, а воск присутствует в количестве от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 99,5% от общего объема. Чтобы определить оптимальное количество этих компонентов для включения их в композицию, с точки зрения минимизации выщелачивания отходов из композиции, могут быть получены и испытаны различные составы в соответствии со стандартными методиками. Типичные композиции представлены в Таблице 1.
В вариантах первого выполнения инкапсулирующая композиция также содержит безводный противовыщелачивающий агент. Как указано выше, агент может присутствовать в композиции в количестве от, приблизительно, 5% до, приблизительно, 60% от общего объема композиции. В этом отношении составы, представленные в Таблице 2, могут быть получены при определении оптимального количества компонентов для включения в композицию с точки зрения минимизации выщелачивания отходов из композиции.
Согласно второму варианту реализации, инкапсулирующая композиция содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер; воск; и отходы, включая радиоактивные и/или опасные отходы. В некоторых вариантах реализации отходы находятся в сухом или почти сухом виде, в случае чего отходы могут присутствовать в композиции в количестве от, приблизительно, 10% до, приблизительно, 85% мае. композиции. В этом отношении составы, представленные в Таблице 3, могут быть получены при определении оптимального количества компонентов для включения в композицию с точки зрения минимизации выщелачивания отходов из композиции, в то же время максимизируя количество инкапсулированных отходов.
В вариантах второй реализации инкапсулирующая композиция также содержит безводный противовыщелачивающий агент. Поэтому составы, представленные в Таблице 4, могут быть получены при определении оптимального количества компонентов для включения в композицию с точки зрения минимизации выщелачивания отходов из композиции, в то же время максимизируя количество инкапсулированных отходов.
ПРИМЕР 2
Эксплуатационные испытания инкапсулирующих композиций
Инкапсуляция загрязняющих веществ в виде отходов является первым из ряда барьеров, которые могут быть использованы для изоляции и локализации отходов против выщелачивания в окружающую среду. Долговечность таких инкапсулированных отходов в течение длительных периодов времени и в различных условиях окружающей среды здесь играет важную роль в обеспечении того, чтобы загрязняющие вещества в инкапсулированных отходах оставались изолированными и локализированными. Соответственно, важно испытать инкапсулирующие композиции, чтобы гарантировать, что они структурно стабильны и, следовательно, в достаточной степени удерживают отходы, инкапсулированные в них в течение длительного времени. В связи с этим соответствующие испытания будут включать применение краткосрочного кондиционирования и анализ свойств, которые максимально точно отражают ожидаемые условия утилизации, хранения и локализации отходов. Следующие испытания могут быть применены к отходам, инкапсулированных с помощью композиций. Испытания являются стандартизированными методами, признанными соответствующими регулирующими органами, такими как Американское общество по испытанию материалов (ASTM), Международная организация по стандартизации (ISO) и Агентство охраны окружающей среды на процессуальной основе.
Испытания на воспламеняемость
Описанные инкапсулирующие композиции (с инкапсулированными в них отходами) могут быть объектом оценки воспламеняемости в соответствии с рядом методов испытаний. К ним относятся, но не ограничиваются следующим.
Конический калориметр (ISO 5660/ASTM Е-1354) - этот тест является исчерпывающим, поскольку он содержит данные о большинстве основных характеристик горения исследуемого образца, (например, легкость воспламенения, скорость выделения тепла, масса образца, по мере того, как он сгорает, температура образца, по мере того, как он сгорает, скорость потери массы, интенсивность дымообразования и выход дыма) в широком диапазоне условий нагрева и воспламенения. В результате огромного объема данных, доступных в этом тесте, может быть разработана модель горения образца, что позволит оценить потенциальные влияния пожара на окружающие площади и жителей.
Испытание на воспламенение (ISO 871-1996/ASTM D-1929) - этот тест используется для измерения и описания реакции исследуемого образца на апробации нагрева и воспламенения в контролируемых условиях. Однако испытание само по себя не включает все факторы, необходимые для оценки воспламеняемости или пожароопасности материала в реальных условиях пожара.
Тест на излучающую панель (ASTM Е-162) - этот тест измеряет и сравнивает поверхностную воспламеняемость исследуемого образца во время апробации, при воздействии предписанного уровня излучающей тепловой энергии. Он предназначен для использования при измерениях воспламеняемости поверхности образцов при воздействии огня.
Предельный кислородный индекс, LOI (ISO 4589-2/ASTM 0-2863) - в этом тесте оцениваемый образец подвешен вертикально внутри закрытой камеры (обычно это стеклянный или прозрачный пластиковый корпус). Камера оснащена входами для кислорода и азота, так что можно контролировать атмосферу в камере. Образец воспламеняется снизу, и атмосфера настраивается для определения минимального количества кислорода, чтобы просто поддерживать горение. Это минимальное содержание кислорода, выраженное в процентах от кислородно/азотной атмосферы, называется кислородным индексом. Более высокие числа связаны со сниженной воспламеняемостью.
Испытания прочности на сжатие
Испытания прочности на сжатие предоставят информацию о свойствах сжимаемости исследуемого образца при использовании в условиях, приближающихся к условиям, в которых проводятся испытания. Свойства сжимаемости включают модуль упругости, предел текучести, деформацию за пределом текучести и прочности на сжатие (если только образец только сплющивается, но не разрушается). Образцы, обладающие низкой пластичностью, могут не иметь предела текучести. В случае, если образец, который сжимается при разрывном разрушении, прочность на сжатие имеет крайне определенное значение. В случае, если образец, который не сжимается при разрывном разрушении, прочность на сжатие является произвольной, в зависимости от степени искажения, что рассматривается как указание на полное разрушение образца. Типичные испытания включают стандарт ASTM Стандартный метод испытаний на свойства прочности на сжатие жестких пластмасс - ASTM 0695 (технически эквивалентный ISO 604).
Тесты на вымывание
Эти испытания предназначены для анализа эффективности, с которой инкапсулирующая композиция может удерживать или уменьшать утечку или вымывание из композиции загрязняющих веществ - маркеров, присутствующих в инкапсулированных отходах. Загрязняющие вещества - маркеры могут быть искусственно загружены в отходы для целей вычисления. Такие загрязняющие вещества - маркеры обычно содержат различные металлы, такие как свинец, серебро, никель, ртуть, хром, мышьяк, кадмий, бериллий и барий.
Наиболее распространенным критерием вымывания является определение характеристик токсичности с помощью выщелачивания (TCLP), как указано в US ЕРА (метод 1311). В процедуре TCLP образец вымывается в одном из двух буферных растворов. Первый буферный раствор (рН 4,93) используют для нейтральных и кислых материалов, тогда как для щелочных отходов используется второй буферный раствор (рН 2,88). Смесь продуктов вымывания герметизируют в экстракционном сосуде и перемешивают переворачиванием в течение 18 часов для имитации дополнительного времени вымывания в грунте. Затем его фильтруют, так что остается только раствор (а не образец), и его анализируют, например, с помощью спектроскопии с индуктивно связанной плазмой.
Возможны альтернативы для TCLP. К ним относятся ASTM 03987-85 Shake Extraction of Solid Waste with Water и Standards Australia Bottle Leaching Procedure (AS 4439-1997). Процедура ASTM 03987-85 обеспечивает среднюю точку между кислыми условиями TCLP и естественными условиями, позволяя вымывание в деионизированной воде. Процедура AS 4439-1997 отличается от TCLP двумя основными способами - (1) максимальный размер частиц образца для AS 4439 составляет 2,4 мм, в отличие от TCLP, что позволяет использовать 9,5 мм; и (2) в дополнение к стандартным буферам TCLP, AS 4439 позволяет использовать три альтернативных буфера, в зависимости от применения, а именно: (i) вода лабораторного назначения (применима, когда отходы не тронуты и остаются на месте); (ii) тетраборат с рН 9,2 (для анализируемых кислых летучих целевых аналитов); и (iii) местная вода (когда ожидается воздействие на местную почву, поверхностную или морскую воду).
Как понятно специалисту в данной области, для проверки эффективности инкапсулирующей композиции можно использовать другие строгие меры режимов испытаний, чтобы удержать отходы, инкапсулированные в них. К ним относятся тесты на ударную прочность при столкновении или на сопротивление удару, или более форсированные испытания «горилла» или диагностическое («torture»).
ПРИМЕР 3
Эксплуатационные испытания системы инкапсуляции и локализации Согласно четвертому варианту реализации изобретения, здесь предлагается система для инкапсуляции и локализации радиоактивных и/или опасных отходов. В одном из вариантов осуществления система включает: (i) инкапсулирующую композицию для инкапсуляции радиоактивных и/или опасных отходов, причем инкапсулирующая композиция содержит бионеразлагаемый термопластичный полимер и воск; и (ii) контейнер для приема инкапсулирующей композиции.
Пока испытания, приведенные в Примере 2, оценивают эффективность инкапсулирующей композиции для удержания в ней инкапсулированных отходов, можно осуществить испытание способности контейнера удерживать локализацию инкапсулированных отходов под нагрузкой или давлением. Что касается радиоактивных отходов, испытания также могут быть осуществлены для определения уровня радиоактивности, излучаемого через контейнер. Такие испытания проводятся в соответствии с соответствующими национальными и международными стандартами, как того требуют различные регулирующие органы, такие как Международное агентство по атомной энергии и Агентство охраны окружающей среды (ЕРА) на процессуальной основе. Такие испытания включают тесты на ударную прочность при столкновении или на сопротивление удару, или более форсированные испытания «горилла» или диагностическое («torture»).
Следует отметить, что, когда выражается диапазон значений, будет более понятно, что этот диапазон охватывает верхний и нижний пределы диапазона и все значения между этими пределами. Кроме того, термин «приблизительно», используемый в описании, означает приблизительно или почти и в контексте численного значения или диапазона, изложенного в данной заявке, предназначен для охвата вариаций +/- 10% или менее, +/- 5% или менее, +/- 1% или менее, или +/- 0,1% или менее, от численного значения или диапазона, указанного или заявленного.
Специалисту в данной области техники будет очевидно, что, хотя изобретение было описано довольно подробно для целей ясности и понимания, различные модификации и изменения вариантов осуществления и способов, описанных в данной заявке, могут быть выполнены, не выходя за пределы объема изобретательской концепции, раскрытой в данной заявке.