Алюмофосфатное стекло для иммобилизации радиоактивных отходов
ALUMOPHOSPHATE GLASS FOR IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области локализации жидких радиоактивных отходов и может быть использовано в атомной энергетике и на радиохимических производствах для отверждения жидких радиоактивных растворов и пульп.
Для отверждения жидких радиоактивных отходов в мировой практике используются различные матричные материалы – битум, цемент, стекло, керамики [Дмитриев С.А., Баринов А.С., Батюхнова О.Г. и др. Технологические основы системы управления радиоактивными отходами – М.: ГУП Мос НПО Радон, 2007. 376 с.]. В качестве наиболее эффективной как с точки зрения качественных показателей, так и технологичности получения в РФ и за рубежом признаны стеклоподобные материалы [Соболев И.А., Ожован М.И., Щербатова Т.Д., Батюхнова О.Г. Стекла для радиоактивных отходов – М.: Энергоатомиздат, 1999. 240 с.]. Отечественная практика промышленного применения процесса остекловывания жидких радиоактивных отходов основывается на использовании алюмофосфатных и алюмоборофосфатных стекол [Вашман А.А., Демин А.В., Крылова Н.В. и др. Фосфатные стекла с радиоактивными отходами – М.: ЦНИИатоминформ, 1997. 172 с.].
Эффективность процесса остекловывания определяется как степенью включения в стекло оксидов элементов, содержащихся в жидких радиоактивных отходах, так и соответствием требованиям нормативных документов по химической, термической стойкости и ряду других параметров.
Термическая стойкость остеклованных отходов является весьма критичным фактором с точки зрения обеспечения безопасной локализации радионуклидов. Из результатов исследований известно, что стеклообразные материалы термодинамически неустойчивы и при температурном воздействии склонны к расстекловыванию. Так, фосфатные стекла при температурах более 450 °С склонны к кристаллизации, сопровождающейся увеличением скорости выщелачивания компонентов на 1-2 порядка. У боросиликатных стекол температура кристаллизации несколько выше (около 550 °С) [Вашман А.А., Демин А.В., Крылова Н.В. и др. Фосфатные стекла с радиоактивными отходами – М.: ЦНИИатоминформ, 1997. 172 с.].
Аналогом заявляемого изобретения является приведенный в патенте [Стеклообразующий борофосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов. Патент на изобретение № 2267178, кл. G21F9/16, C03C3/16] состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов (ВАО) путем остекловывания, содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид бора, оксид фосфора и естественные примеси оксидов многовалентных элементов, причем он дополнительно содержит оксид лития при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Na<sub>2</sub>O
22,0-26,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13,0-28,0
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,0-6,0
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
38,0-55,0
Li<sub>2</sub>O
0,5-1,0
Естественные примеси оксидов
многовалентных элементов
остальное
Указанная рецептура фосфатного стекла может быть существенно улучшена в плане повышения термической стойкости стеклянной матрицы.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является стеклообразующий фосфатный состав [Стеклообразующий фосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов. Патент на изобретение № 2203513, кл. G21F9/16], содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид бора, оксид фосфора, оксиды редкоземельных элементов и продукты коррозии, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Na<sub>2</sub>O
21,0-27,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
14,0-28,0
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
3,0-9,0
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
32,0-50,0
Сумма оксидов металлов,
содержащихся в отходах,
включая Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
19,0-35,0
Недостатком данного изобретения является существенная кристаллизация стекломатериала при медленном охлаждении вблизи температур расстекловывания (450-550 °С).
Технической задачей изобретения является снижение кристаллизационных эффектов в алюмофосфатных стеклах с отвержденными радиоактивными отходами при тепловом воздействии вблизи температур расстекловывания (450-550 °С), в том числе при медленном охлаждении с 1000 до 400 °С. Указанная задача решается тем, что в состав стекломатериала вводятся дополнительно оксиды элементов-модификаторов, в качестве которых выступают оксид кремния, оксид свинца,  оксид цинка, бромид натрия. При этом основные технологические (температура варки, вязкость расплава при температуре слива) и нормативные (химическая, радиационная стойкость, однородность) характеристики не только не ухудшаются, но и в ряде случаев улучшаются относительно прототипа.
Таким образом, в результате реализации предлагаемого изобретения иммобилизация радиоактивных отходов осуществляется в алюмофосфатное стекло, содержащее оксид натрия, оксид алюминия, оксид фосфора и примеси оксидов одновалентных и многовалентных элементов (продукты деления и коррозии, а также актиноидов), а также модифицирующую добавку, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Na<sub>2</sub>O
19,0-23,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13,0-16,0
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
46,0-51,0
Модифицирующая добавка
1,0-14,0
Сумма оксидов отходов, включая Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>, примеси оксидов одновалентных и многовалентных элементов (продукты деления и коррозии, а также актиноидов)
19,0-22,0
В качестве модифицирующей добавки используется оксид свинца, оксид цинка, бромид натрия при содержании от 1,0 до 5,0 масс. %, либо сочетание оксида кремния, оксида свинца, оксида цинка, бромида натрия при общем содержании от 1,0 до 14,0 масс. %.
Возможность осуществления заявляемого технического решения подтверждается следующими примерами.
Пример 1.
Стеклообразующая система с отходами после упаривания, денитрации, кальцинации, варки и охлаждения образует алюмофосфатное стекло. Результаты лабораторных экспериментов по варке стекла заявленного состава и прототипа приведены в таблице 1.
Все указанные составы стекол хорошо провариваются при температурах от 900 до 1050 °С. Отмечено снижение температуры варки стекол, содержащих добавку ряда модификаторов (PbO, ZnO, NaBr), на 50-150 °С относительно прототипа.
Оптимальный диапазон вязкости расплавов стекол (25-100 Пз) для печей остекловывания прямого электрического нагрева типа ЭП-500 реализуется для исследованных образцов в интервале температур от 715 до 960 °С, что соответствует регламентным зачениям температуры слива стекломассы на данных установках. Предложенные модифицирующие добавки расширяют температурный диапазон, соответствующий оптимальному диапазону вязкости алюмофосфатных стекол с имитаторами ВАО, с 65 °С до 105 °С.
Согласно данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), рентгеноспектрального (РСМА) и рентгенофазового анализа (РФА), введенные в стекло модификаторы практически полностью подавляют процессы кристаллизации стекол при их охлаждении с 1000 до 400 °С со скоростью от 10 до 50 °С/час.
2
Введение таких модификаторов, как SiO, PbO и ZnO, приводит к повышению химической стойкости закаленных и отожженных алюмофосфатных стекол в водной среде при 90 °С (метод РСТ) относительно прототипа.
Пример 2.
Стеклообразующая система с отходами после упаривания, денитрации, кальцинации, варки и охлаждения образует алюмофосфатное стекло. Результаты лабораторных экспериментов по варке стекла заявленного состава и прототипа приведены в таблице 2.
2
2
Все указанные составы стекол хорошо провариваются при температурах от 950 до 1050 °С. Отмечено снижение температуры варки стекол, содержащих добавку модификаторов (SiO,PbO, ZnO, NaBr), на 50-100 °С относительно прототипа при содержании SiO не более 5 % масс.
Согласно данным СЭМ, РСМА и РФА, введенные в стекло модификаторы практически полностью подавляют процессы кристаллизации стекол при их охлаждении с 1000 до 400 °С со скоростью от 10 до 30 °С/час.