СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
METHOD OF CONDITIONING ORGANIC LIQUID RADIOACTIVE WASTES

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности, к вопросам безопасного обращения с органическими жидкими радиоактивными отходами (ЖРО).
С целью уменьшения возможности распространения радионуклидов при хранении и транспортировке необходимо проводить кондиционирование отходов. Кондиционированные отходы должны иметь твердое агрегатное состояние, характеризующееся оптимальной устойчивостью к радиационному, механическому, химическому, тепловому и биологическому воздействиям, предотвращающее распространение радионуклидов в окружающую среду. Предлагаемый способ может использоваться в составе участка для кондиционирования ЖРО на производствах, в исследовательских лабораториях и т.п., ведущих работы с радиоактивными материалами, где в результате деятельности образуются ЖРО. Одним из основных требований к выбору способа отверждения ЖРО, определяющим его экономическую целесообразность, является минимальное количество образующихся твердых радиоактивных отходов (ТРО). В случае проведения отверждения ЖРО в емкости (первичной упаковке) требование сводится к максимальному ее заполнению конечным компаундом.
Наиболее простыми и безопасными способами являются способы, основанные на прямом отверждении ЖРО, с иммобилизацией в матрицы органического или неорганического типа. Необходимо заметить, что отверждение, ЖРО, которые содержат в своем составе легколетучие компоненты, для обеспечения радиационной безопасности, должно проводиться в условиях, исключающих или максимально ограничивающих во времени непосредственный контакт персонала с открытыми ЖРО.
Авторы работы [Hawthorne S.H. Immobilization of Radioactive Waste Oil. // Ontario hydro research report 83-350-H, Toronto, oct. 1983.] предлагают проводить отверждение отработанных радиоактивных масел в органическую матрицу на основе изоцианидных полимерных смол. Достигаемая объемная доля масла в конечном композите не превышает 30%. Получаемая матрица характеризуется высокой твердостью.
В работе [Пат. США 4975224, публ. 04.12.1990, G21F 9/16] предложен способ иммобилизации низкоактивных органических ЖРО, таких как смазочные масла, сцинтилляционные жидкости и другие токсичные материалы. Получаемая композиция обладает высокой водостойкостью и прочностью. К недостаткам способа можно отнести многостадийность процесса и чувствительность к составу ЖРО.
Большое развитие нашли способы переработки маслосодержащих ЖРО при помощи методов цементирования. Например, для повышения эффективности цементирования органических ЖРО авторы [патент RU 2312415 публ. 10.12.2007, G21F 9/16] предлагают способ иммобилизации радиоактивной воды, содержащей нефтепродукты, с использованием природных сорбентов. Предварительная абсорбция отходов на сорбентах позволяет добиться более высокой степени включения отходов в цементную матрицу. Однако, процессы энергоемки, продолжительны по времени и в ряде случаев требуют наличия высокотехнологичного оборудования.
Авторы [RU 2115181, публ. 10.07.1998, G21F 9/16] предлагают способ отверждения жидких радиоактивных отходов, согласно которому в емкость загружают щебень фракцией 10-12 мм с последующей подачей цемента и ЖРО. При этом количество щебня составляет 10-20% от веса цемента, а общее наполнение емкости смесью составляет 80% от объема емкости. Подачу ЖРО осуществляют с помощью дозатора. После заполнения емкости перемешивают смесь путем вращения емкости в вертикальной плоскости. По способу достигается оптимальная степень гомогенизации смеси, полное ее отверждение, способ в целом характеризуется безопасностью и чистотой.
Авторы [SU 01338697, публ. 20.03.1996, G21F 9/16] предлагают способ отверждения ЖРО, целью которого является повышение эффективности процесса путем упрощения технологии и увеличения коэффициента заполнения контейнера. Цель достигается тем, что ЖРО вводят в контейнер с цементом через дренажную систему. При этом происходит принудительная подача ЖРО из нижних слоев в верхние с заданной скоростью продвижения фронта ЖРО. После заполнения контейнер герметизируют и вращают, при этом происходит перемешивание, гомогенизация и затвердевание компаунда. В результате естественной усадки коэффициент заполнения контейнера стабильно сохраняется равным 0,95.
Авторы патента [РФ 2315380, публ. 20.01.2008, G21F 9/00] предлагают способ цементирования радиоактивных отходов в контейнере для последующего длительного хранения. Согласно способу заполнение контейнера смесью цементного связующего с ЖРО и/или ТРО проводят не на весь объем контейнера. После затвердевания радиоактивного цементного компаунда оставшийся свободным объем контейнера заполняют нерадиоактивным защитным покрытием на основе минерального связующего. Способ обеспечивает упрощение технологии создания защитного покрытия зацементированных в контейнере радиоактивных отходов и повышение надежности изоляции от окружающей среды.
Известен способ цементирования жидких радиоактивных отходов [патент RU 2218618, публ. 10.12.2003, G21F 9/I6], включающий дозирование порций компонентов цементного связующего и ЖРО в контейнер. Согласно изобретению в контейнер после его стыковки с загрузочным узлом устанавливают датчики нижнего и верхнего уровня, длины которых соответствуют, в зависимости от солесодержания ЖРО, объему ЖРО и объему цементного связующего. С помощью датчика нижнего уровня регистрируют достижение заданного значения объема ЖРО в контейнере, после чего начинают подачу цемента и перемешивание цементного компаунда. С помощью датчика верхнего уровня регистрируют достижение заданного значения объема цементного компаунда. Способ позволяет получать однородный конечный компаунд надлежащей прочности при максимальном заполнении контейнера.
Также известен способ цементирования жидких радиоактивных отходов [патент №RU 2309472 от 27.10.2007, G21F 9/00], при реализации которого также подбирается оптимальное соотношение ЖРО/цемент, определяемое солесодержанием ЖРО. Для реализации способа авторы предлагают установку на основе пневматической схемы, обеспечивающую дозирование порций ЖРО и цемента при заполнении контейнера. Способ позволяет проводить отверждение порций ЖРО различных составов, достигая при этом максимального заполнения контейнера конечным компаундом необходимой прочности.
Общая суть известных способов состоит в том, что отверждаемые ЖРО и отвердитель берутся в определенном весовом соотношении, которое определяется способностью отвердителя связывать ЖРО и образовывать компаунд с требуемыми характеристиками. При этом объем используемого контейнера выбирается, исходя из имеющегося количества ЖРО и предельного соотношения ЖРО\отверди гель. Применение таких подходов оправдано в тех случаях, когда ЖРО образуются в достаточно больших количествах и имеющийся в наличии выбор упаковочных контейнеров позволяет проводить отверждение наиболее рациональным способом. В тех же случаях, когда образование ЖРО происходит нерегулярно и в небольших количествах, возникает необходимость хранения отходов с целью накопления необходимого по технологии объема, что негативно сказывается на радиационной безопасности. В другом случае их отверждение проводится по мере образования с заведомо неполным заполнением контейнера. Это обстоятельство ведет к увеличению объема образующихся отходов и, как следствие, снижает эффективность применения известных способов при отверждении небольших партий ЖРО. Так же, в известных способах, используется достаточно продолжительный период проведения подготовительных процедур, который в свою очередь увеличивает время, необходимое для локализации ЖРО.
Известен также способ переработки ЖРО по патенту [RU 2518501, 10.04.2014, G21F 9/16]. В данном способе отверждение ЖРО осуществляется путем их смешения с полимерным материалом и последующей сушки. Далее к полученной композиции добавляется новая порция ЖРО. При этом предусмотрено многократное добавление радиоактивных растворов к отвержденному материалу. Количество проводимых циклов (повторения операций "отверждение ЖРО - сушка") ограничивается только пределом наполнения полимерного материала солями и удельной активностью конечного компаунда.
Техническим результатом является иммобилизация водных и водно-солевых ЖРО. При этом происходит значительное сокращение объема отходов, направляемых на хранение, а также сокращение числа технологических стадий по сравнению с традиционными технологиями и возможность срочной локализации отходов в случае возникновения аварийных ситуаций на объектах атомной и химической промышленности.
К недостаткам способа относятся:
- способ применим только для солевых ЖРО на водной основе, не содержащих в своем составе тритиевую воду или другие летучие радиоактивные - компоненты, которые при сушке компаунда будут выделяться в окружающую среду;
- все технологические операции способа проводятся при контакте с окружающей средой;
- способ не применим при отверждении органических ЖРО.
Известен способ [патент РФ №2589040, публ. 10.07.2016, G21F 9/16] отверждения тритийсодержаших отходов нефтяного масла, заключающийся в их сплавлении с парафином. Данный способ предназначен для отверждения исключительно ЖРО минеральных масел, а отвердитель обладает относительно низким пределом растворимости ЖРО (~25%).
Наиболее близким к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа, является способ по патенту РФ №2654542, публ. 21.05.2018, G21F 9/16. Авторы предлагают использовать для отверждения достаточно широкого круга органических ЖРО смесь стеариновой кислоты, парафина и церезина, взятых в определенном соотношении. Данный отвердитель способен к многоразовым циклам плавление - отверждение. После соединения отвердителя с ЖРО полученную смесь нагревают и выдерживают до расплавления отвердителя и растворения в нем ЖРО с последующим отверждением смеси.
В представленном способе органические ЖРО полностью растворяются в отвердителе с образованием гомогенного компаунда, без последующего расслоения и маслоотделения в процессе хранения.
К недостаткам способа можно отнести то, что в ходе его реализации проводится нагрев смеси отвердителя и ЖРО до температур 65-70°С на открытом воздухе до полного расплавления отвердителя. При этом необходимо иметь в виду, что в составе ЖРО могут находиться или образовываться в результате нагрева и процессов изотопного обмена летучие радиоактивные компоненты, которые будут попадать в окружающую среду. Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности и безопасности проведения отверждения органических жидких радиоактивных отходов.
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемого способа:
- контейнер для отверждения ЖРО постоянно находится в «рабочем» состоянии, что позволяет незамедлительно проводить изоляцию и оперативное отверждение образующихся отходов при минимальном объеме подготовительных операций и не зависит от формы контейнера;
- способ позволяет проводить отверждение ЖРО в одном контейнере, порциями, по мере их образования, при максимальном заполнении контейнера, что сокращает количество единиц упаковок, передаваемых на захоронение;
- при реализации способа, ЖРО и отвердитель находятся в герметичном контейнере и не имеют контакта с окружающей средой, что исключает попадание летучих радиоактивных компонентов в атмосферу;
- применение способа освобождает от необходимости накапливать образующиеся небольшие количества ЖРО до объема, целесообразного для проведения отверждения или проводить отверждение с неполным заполнением контейнера;
- отсутствие ЖРО на рабочих местах или в местах временного хранения повышает безопасность обращения с радиоактивными материалами;
- способ может быть использован в любых лабораторных или производственных условиях без применения высокотехнологичного специализированного оборудования.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата предлагается способ отверждения органических жидких радиоактивных отходов (ЖРО), заключающийся в соединении ЖРО с отвердителем, способным к многоразовым циклам плавление - отверждение, нагреве полученной смеси и выдержке до расплавления отвердителя и растворения в нем ЖРО с последующим отверждением смеси, в котором, согласно изобретению, предварительно заполняют контейнер отвердителем, а внесение в контейнер ЖРО проводят порциями по мере их образования, нагрев полученной смеси осуществляют в герметично закрытом контейнере после внесения каждой порции ЖРО, а общее количество ЖРО, порционно загружаемых в контейнер, определяется пределом растворимости ЖРО в отвердителе.
В заявляемом способе предлагается добавлять ЖРО в контейнер с отвердителем порциями по мере их образования, что позволяет незамедлительно проводить изоляцию и оперативное отверждение образующихся отходов и освобождает от необходимости накапливать образующиеся небольшие количества ЖРО для последующего отверждения. Операции повторяются до достижения предела растворимости ЖРО в отвердителе. Важно, что нагрев полученной смеси (отвердителя и ЖРО) осуществляют в герметично закрытом контейнере после добавления каждой порции ЖРО, т.е. они не имеют контакта с окружающей средой, что исключает попадание летучих радиоактивных компонентов в атмосферу. Время непосредственного контакта персонала с открытыми ЖРО определяется временем, необходимым для переливания ЖРО в контейнер с компаундом и его герметизации. Как показывает практика, операции занимают всего несколько минут. При реализации предлагаемого способа в качестве отвердителя достаточно широкого круга органических ЖРО может быть использована смесь стеариновой кислоты, парафина и церезина, взятых в определенных соотношениях, предложенная в прототипе, однако реализация заявляемого способа не ограничивается даннымотвердителем. ЖРО полностью растворяются в смеси стеариновой кислоты, парафина и церезина с образованием гомогенной смеси без последующего расслоения в процессе хранения. Благодаря тому, что плотности исходных компонентов близки и они хорошо растворяются друг в друге при температуре 65-70°С, дополнительное перемешивание не требуется. Указанный отвердитель характеризуется высокой степенью наполнения маслом - до 50% вес. от конечной массы. Предлагаемый способ технологичен, экономичен, так как не требует специального дорогостоящего оборудования, значительных трудо- и энергозатрат.
Заявляемый способ предполагает проведение операций в следующей последовательности.
Контейнер, в котором планируется проведение отверждения, заполняется отвердителем, способным к многоразовым циклам плавление - отверждение. Количество отвердителя рассчитывается в соответствии с его поглотительной способностью, коэффициентами термического расширения используемых материалов и другими факторами, влияющими на степень максимального заполнения используемого контейнера. Образовавшиеся порция ЖРО, исходя из пропорции соединения конкретного типа ЖРО с используемым отвердителем и имеющегося количества, вносят в подготовленный контейнер. Контейнер герметизируется, полученная смесь нагревается до расплавления отвердителя и смешивания с ЖРО. Далее контейнер охлаждается с получением твердого компаунда, Количество компаунда, получаемого в результате каждой последовательной кампании по добавлению порции ЖРО, не должно превышать общей поглотительной способности изначально подготовленного отвердителя. Объем и количество порций каждого конкретного ЖРО, допускаемых для отверждения в используемом контейнере, определяются расчетным методом на основании данных, полученных в результате предварительных макетных экспериментов. После отверждения каждой порции ЖРО, в учетные документы вносят данные по суммарной активности получаемого компаунда и остаточной поглотительной способности отвердителя.
Пример практического применения.
Для подтверждения применимости предложенного способа проведена серия макетных экспериментов. В полиэтиленовую канистру вместимостью 1 л было помещено 450 г смеси стеариновой кислоты, парафина и церезина. Далее, в канистру добавили 150 мл вакуумного масла ВМ-3, канистру закрыли и поместили в жидкостной термостат при температуре рабочей жидкости 70°С. После 1,5 часов прогрева канистру извлекли из термостата и охладили до комнатной температуры. После чего в образовавшийся компаунд дважды добавляли по 150 мл вакуумного масла с последующим сплавлением и охлаждением. В результате был получен компаунд объемом 0,9 л с соотношением масло/отвердитель, равным 1:1. Компаунд представлял собой гомогенную смесь, без видимого расслоения и маслоотделения в процессе хранения в течение двух месяцев. Проведенные эксперименты показали возможность многократного сплавления порций вакуумного масла с отвердителем. На основании этого к настоящему времени подготовлена аналогичная канистра вместимостью 1 л и проведено отверждение первой порции отработанного вакуумного масла, загрязненного тритием. Безопасность проведенной работы подтверждена непрерывным радиационным контролем воздуха рабочего помещения и проверкой уровня удельной активности наружных поверхностей контейнера после отверждения. Технический результат применения заявляемого способа достигается и при использовании других отвердителем, способных к многоразовым циклам плавление - отверждение (парафин, битум, полимеры и т.п.).