ПОЛИМЕРНЫЙ МАТРИЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ НИЗКО- И СРЕДНЕАКТИВНЫХ ОТРАБОТАННЫХ ИОНООБМЕННЫХ СМОЛ
POLYMER MATRIX MATERIAL FOR CONDITIONING LOW AND MEDIUM SPENT ION-EXCHANGE RESINS

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами, в частности с низко- и среднеактивными отработанными ионообменными смолами (ИОС), путем их иммобилизации в полимерной матрице.
Отработанные ионообменные смолы относятся к жидким радиоактивным отходам (РАО), а содержание свободной влаги в объеме кондиционированного продукта (битумный компаунд) и содержание жидкости в упаковке отходов, отправляемых на хранение, не должно превышать 3% (НП-019-2000, НП-020-2000), заключение сыпучих отходов в матрицу является обязательным условием (СП 2.6.6.1168-02).
Применяемые для отверждения РАО связующие можно разделить на три основные группы материалов: термопластичные (битум), неорганические (цемент), термореактивные (полимерные смолы).
Известно цементное связующее для цементирования радиоактивных отходов в контейнере (патент RU 2315380, кл. G21F 9/00, опубл. 20.01.2008) и связующее на основе битума для включения в него радиоактивных отходов (патент SU 550040, кл. G21F 9/16, опубл. 15.05.1979). Способы отверждения имеют ряд недостатков: увеличивают объем вторичных отходов в несколько раз, а следовательно, увеличение затрат на хранение РАО, применяемая технология прямого цементирования увеличивает образование РАО за счет цементной матрицы в 6-10 раз, при этом в цементный компаунд включается лишь 10-15% отработанной ИОС, недостаточная прочность и водостойкость конечного продукта. При битумировании образование РАО увеличивается в 3-5 раз за счет битумной матрицы, биологическая неустойчивость битумной матрицы и пожароопасность (битум - горючая композиция - может стать взрывоопасным при введении в него большого количества окислителя и всевозможных катализаторов).
Известна цементно-полимерная композиция для консервации среднеактивных РАО (патент RU 2295787, кл. G21F 9/00, C08L 63/00, опубл. 20.03.2007), содержащая смоляную часть компаунда холодного отверждения «Атомик» и наполнители. Недостатками данной композиции являются: количество наполнителей, - в два-три раза по массе превышающее массу полимерной составляющей, а следовательно, увеличивающее во столько же раз образование вторичных РАО, применение огнеопасного и ядовитого компонента - фурфурола. Предел прочности при сжатии композиции составляет 70-85 МПа.
Известна быстротвердеющая композиция на основе цемента и минеральной добавки (патент RU 2206933, кл. G21F 9/28, опубл. 20.06.2003). В качестве быстротвердеющего используют глиноземный цемент при водоцементном отношении 0,72-0,78, а в качестве минеральной добавки - кембрийскую глину. Однако степень включения ИОС в данную композицию составляет не более 20% и получаемая композиция содержит большое количество воды, за счет которой возможен радиолиз и набухание инкорпорированных ИОС, а следовательно, снижение эксплуатационных характеристик (механическая прочность, водостойкость) полученного компаунда.
Известна трехкомпонентная термопластичная композиция для иммобилизации радиоактивных отходов, образованных отработанными ионообменными смолами (Авторское свидетельство SU 1752115, кл. G21F 9/16, опубл. 16.07.1994), в которой в качестве связующего используется петролатум, сополимер этилена с винилацетатом, полиэтилен низкого давления при определенном массовом соотношении компонентов. Недостатками данного способа являются: многокомпонентность композиции, многостадийность и высокотемпературность получения композиции (130-140°C), необходимость поддержания постоянной температуры (80°C) при введении ионообменной смолы, высокая вязкость (при указанном скорости сдвига) - 1850 МПа, низкое наполнение композиции по ИОС, в примере не указана степень сушки ИОС.
Ближайшим аналогом является полимерная композиция для кондиционирования радиоактивных отходов (патент RU 2167174, кл. C08L 63/02, C08K 13/02, опубл. 27.04.2001). Композиция включает, масс. ч.: эпоксидную диановую смолу 100, фурфурол 70-100, полиэтиленполиамин 15-40, сланцевое масло 50-120 и наполнитель 0-380.
Недостатками известной композиции являются: многокомпонентность, применение огнеопасного и ядовитого компонента - фурфурола, значительное количество наполнителя (до 300 масс. ч.), увеличивающее образование вторичных РАО.
Целью предлагаемого технического решения является устранение недостатков существующих технических решений за счет минимизации компонентов, а следовательно, повышение технологичности процесса кондиционирования РАО, снижение токсичности, пожароопасности с сохранением высоких эксплуатационных характеристик полимерного матричного материала.
Цель достигается изобретением - полимерный матричный материал для кондиционирования низко- и среднеактивных отработанных ионообменных смол отличается тем, что в качестве связующего применяется расплав эпоксидно-диановой смолы - 100 масс. частей с олигомером-модификатором на основе диоксибензола - 5-20 масс. частей и отверждающего агента в виде низкомолекулярного полиамида - 13-70 масс. частей.
Предлагаемое техническое решение отвечает критерию изобретения, т.к. авторами не было обнаружено подобного решения в исследованной литературе и патентах.
Описание применения полимерного матричного материала
В связующее - смесь эпоксидно-диановой смолы и олигомера диоксибензола в соотношениях, мас. ч.: эпоксидно-диановая смола 100, олигомер диоксибензола 5-20 при постоянном перемешивании вводили отвердитель аминного типа 13-70, выдерживали в течение 30 минут, после чего полимерный матричный материал вводили при постоянном перемешивании в ионообменный материал размещенный в специальной емкости. После получения однородной массы емкость с образовавшимся компаундом герметизировали специальной крышкой и выдерживали при температуре (20±2)°С в течение 7 дней для набора эксплуатационной прочности.
Применение отвердителя менее 13 масс. ч. приводит к длительному процессу отверждения, более 70 масс. ч. не позволяет равномерно перемешать полимерный матричный материал в связи с быстрым отверждением.
Применение олигомера-модификатора менее 5 масс. ч. повышает водопоглощение полимерного матричного материала, а более 20 масс. ч. приводит к снижению механической прочности отвержденного полимерного матричного материала.
Соотношение полимерного матричного материала и ИОС составляет: от 1÷1 до 1÷6 объемных %.
В качестве эпоксидно-диановой смолы использовали смолу DER 330.
В качестве олигомера-модификатора использовали олигомеры на основе двухатомного фенола - гидрохинона, пирокатехина и из ряда алкилрезорцинов - продукт поликонденсации алкилрезорцина в присутствии конц. серной кислоты при температуре 240-250°С (патент RU 2307143, кл. C09D 163/00, C08L 63/00, C08G 59/14, C08G 61/00, C08K 3/34, опубл. 27.09.2007).
В качестве отвердителя использовали: низкомолекулярный полиамида отвердитель Л20, полиэтиленполиамин, отвердитель №620, отвердитель №5, отвердитель Этал 45М.
В качестве ионообменного материала использовали смесь АВ-17-8 и КУ-2-8 чС в равных масс. частях, предварительно высушенную до остаточной влажности менее 0,4%.
Механическая прочность предлагаемого полимерного матричного материала составила 160,5÷196,0 МПа (Таблица 1), радиационная стойкость компаунда (стойкость к радиационному старению составила 1 МГр) (Таблица 2). Водопоглощение составило 0,01÷0,04 г (0,11÷0,96%) (Таблица 3).
Учитывая изменение структуры компаунда за счет увеличения степени наполнения полимерного матричного материала при определении водопоглощения по ГОСТ 4650-80 на образцы компаунда с соотношением полимерного матричного материала и ИОС более чем 1:1 может быть дополнительно нанесен слой полимерного матричного материала.
Экспериментально установлено, что степень наполнения полимерного матричного материала по ИОС составляет 50,0÷85,7 объемных % при высоких эксплуатационных свойствах отвержденного компаунда (Таблица 4, 5).
Некоторые результаты испытания полимерного матричного материала и компаунда представлены в таблицах 1-5.