Способ переработки радиоактивных отходов щелочного металла

 

Изобретение относится к области ядерной техники, связанной с обработкой радиоактивных отходов, и может быть использовано для уничтожения отработанного натриевого теплоносителя АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.. Цель - упрощение способа, увеличение безопасности и снижение энергозатрат на его проведение путем совмещения стадий и расплавления ших ты за счет тепла реакции окисления. Способ переработки радиоактивных отходов щелочного металла включает расплавление металла с дисперсным неорганическим носителем, окисление металла и расплавление полученной смеси. В качестве неорганического носителя используют шихту для получения стекла. Причем по крайней мере один из компонентов шихты является окислителем этого металла при температуре вьше температуры смешения. Смесь помещают в тигель, инициируют реакцию взаимодействия металла с окислителем, поддерживают достигнутую температуру расплава до прекращения газовьщеления, и после остывания полученный продукт вместе с тиглем направляют на захоронение. Окислитель или их композицию выбирают из ряда безводных нитратов или нитратов щелочных или щелочноземельных металлов , не взаимодействуницих при температуре смешения с перерабатываемым металлом. 1 з.п. ф-лы, 1 табл. S (Л с 4 4ii 00 со | со

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 21 F 9/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H A8TOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ИР. 6ВИИ. РАТЕЯТг 2 -, . .",,",IEÎÅÈ

:--- а

4ь

age

ОО сО «9»

СФ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ пО иЗОБРетениям и ОтнРытиям

ПРИ ГКНТ СССР (46) 23.06. 91. Бюл. Р 23 (21) 4184000/25 (22) 20.01.87 (72) К.Ф.Васильев, В.Н.Осипов, Ю.М.Симановский, С.Ю.Назаренко и С.А.Чеснокова (53) 621.039.7 (088 ° 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1102392; кл. G 21 F 9/04, 1983. ,Патент Франции Р 2239219, кл. С 21 Г 9/00, 1975.

Патент США В 4234449, кл. G 21 F 9/28, 1980. (54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ЩЕЛОЧНОГО МЕТАЛЛА (57) Изобретение относится к области ядерной техники, связанной с обработкой радиоактивных отходов, и мо- . жет быть использовано для уничтожения отработанного натриевого теплоносителя АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.. Цель — упрощение способа, увеличение безопасности и снижение энергозатрат на его проведение путем совмещения стадий и расплавления шихÄÄSUÄÄ 1448943 А1 ты за счет тепла реакции окисления.

Способ переработки радиоактивных отходов щелочного металла включает расплавление металла с дисперсным неорганическим носителем, окисление металла и расплавление полученной смеси. В качестве неорганического носителя используют шихту для получения .стекла. Причем по крайней мере один из компонентов шихты является окислителем этого металла при температуре выше температуры смешения.

Смесь помещают в тигель, инициируют реакцию взаимодействия металла с окислителем, подцерживают достигнутую температуру расплава до прекращения газовыделения, и после остывания полученный продукт вместе с тиглем направляют на захоронение. Окислитель или их композицию выбирают из ряда безводных нитратов или нитратов щелочных или щелочноземельных металлов, не взаимодействующих при температуре смешения с перерабатываемым металлом. 1 s.ï. ф-лы, 1 табл.

1448943

Изобретение относится к области ядврной техники, связанной с обработкой радиоактивных отходов, и может быть использовано для уничтожения отработанного натриевого теплоносителя АЭС с реакторами на быстрых нейтронах.

Целью изобретения является упрощение способа, увеличение безопаснос- 10 ти и снижение энергозатрат на его

/ проведение путем совмещения стадий и расплавления шихты за счет тепла реакции окисления,.

Для улучшения качественнго соста- 15 ва стекла можно испольэовать не один какой-либо окислитель, а их композицию. Выбор этот производят, например, из ряда безводных нитратов или нитритов щелочных или щелочноземельных 20 металлов.

Обоснование способа можно провес, ти на примере переработки натрия с использованием в качестве окислителя нитрата калия. Их взаимодействие описывается уравнением

10Ма + 2ККО 511а + K О + М

Изменение энергии Гиббса òîé ре- 30 акции Очень велико и отрицательно во всем интервале температур. тепловой эффект реакции составляет 1944,4 кДж.

Проведенные исследования показали что до Определенной температуры ко вторую моино назвать стартовой то есть температурой начала реакции, окислитель (нитрат калия) по отношению к натрию ведет себя как инертное вещество. Поэтому при температурах

120-160 С (293-333 К) натрий легко .смешивается с порошкообразным нитра" том калия, покрывая тонким слоем (несколько микрометров) частицы нит"

45 в неподвижном слое до 240. С (513 K), а при интенсивном перемешивании - до

175 С (348 К) начинается реакция взаимодействия нитрата со щелочным металлом. Теоретическая температура этой реакции более 2700 K поэтому

50 прй соответств)лощей теплоизоляции тигля выделяющегося тепла реакции окисления будет достоточно для расплавления не тОлькО прОдуктОв данной реакции, но и компонентов стекольной шихты оксидов кремния, кальция, бора, алюминия, магния и других, а также для осветления полученного расплава.

Инициирование реакции взаимодей.ствия нитрата со щелочным металлом возможно как объемным разогревом шихты, так и точечным, Однако при точечном разогреве шихты, как показали опыты, наблюдается меньшее газовыделение и связанное с ним вспенивание расплава. За счет этого его объем может увеличиваться в 1,5-2 раза, однако после окончания процесса он уменьшается в несколько раз в соответствии с ростом плотности стекла по отношению к насыпной плотности исходной стекольной шихты.

Экспериментально установлено, что уже при стехиометрическом количестве окислителя достигается полное окисление натрия. Избыток окислителя увеличивает теплосъем и снижает температуру расплава. Поэтому, для проведения процесса достаточен минимальный избыток окислителя (1-10K), который позволяет компенсировать возможную ошибку в дозировке компонентов.

Очевидно„ что при использовании, другого щелочного металла и других соотношениях компонентов стекольной шихты, меняя условия проведения процесса, можно регулировать температуру расплава и длительность его остывания. Используя для проведения процесса толстостенные тигли из природных дешевых огнеупоров, мы получаем возможность после остывания расплава направлять получившееся с екло на захоронение вместе с тиглем.

Плотность получаемого боросиликатI ного стекла может изменяться в пре делах 2700-3300 кгlм, поэтому при ,содержании оксида натрия в стекле на уровне 20-30 мас,Е объем компаун-! да по сравнению с исходным объемом

1 натрия Возрастет не более чем в

/ t,,2-1,б раза.

Проверку возможности осуществле" ния способа проводили в лабораторных, условиях с техническим металлическим натриеме

П р и и е р 1. В толстостенный тигель емкостью 120 мл в инертной атмосфере бокса загрузили 50 г шихты состава В 1, содержащего металлический натрий, тонкораспределенный на частицах нитрата калия и оксилах кремния, бора, кальция, магния и алюминия. Соотношение компонентов з f4 стекольной шихты данного состава указаны в таблице.

Тигель теплоиэолирован шамотом и накрыт крышкой. Шихту в тигле вручную уплотнили подпрессовкой. С помощью электрозапала инициировалась реакция окисления.

Выбросов расплава иэ объема тигля не наблюдалось. 3а время остывания расплава выделилась основная масса газа (азота) произошло его частичное осветление. После остывания образовавшегося стекла в течение f0 ч до комнатной температуры было отмечено растрескивание его поверхности, особенно заметное у стенок тигля. Прн рассмотрении полученных образцов под микроскопом в объеме стекла обнаружено наличие мелких газовых пузырьков. Однако плотность полученного стекла по сравнению с расчетной (2790 кг/м ) уменьшилась несущественно (до 2720 кгlм ), Вследствие повьппенного содержания оксида натрия " 20 мас. и растрескивания поверхности стекла наблюдается повышенное вьпцелачивание натрия (1-33> к 10 г/см . Однако, при увеличении объема шихты и лучшей теплоизоляции можно уменьшить скорость остывания и предоТвратить растрескивание поверхности стекла; снизив тем самым

его выщелачиваемость. Nacca получен.ного стекла — 49,8S r, что с учетом вьщеления азота дает 98 исходной массы. То есть потери продукта составили не более 2,0 мас. .

Аналогично проводились опыты 2-5м другой окислителями (см.таблицу). Во всех опытах, кроме опыта с нитритом

0 натрия, получены аналогичные результаты. В случае с нитритом натрия выделившегося тепла реакции оказалось недостаточно для расплавления шихты.

Для использования данного окислителя можно уменьшить процентное содержание в шихте инертного наполнителя.

С другими щелочными металлами реакция взаимодействия вьппеназванных окислителей протекает аналогичным образом. Необходимо отметить, что реакции с участием лития идут с 3а,метно большим выделением телла и, соответственно, с большим разогревом шихты. Процесс с участием калия идет с несколько меньшим тепловыделением.

48943

Предложенный способ позволяет получить новый технический эффект: сократить операции смещения пылящего радиоактивного продукта окисления с компонентами шихты и затаривания радиоактивного расплава в контейнер; .. объединить операции смещения отходов щелочного металла и приготовления

10 стекольной шихты, окисл ния отходов . и их расплавления; испольэовать для расплавления шихты тепло реакции окисления.

Получаемый при этом положительный

15 эффект для народного хозяйства заклю:. чается в упрощении способа, снижении энергозатрат, повышении безопасности за счет сокращения времени, затрачиваемого персоналом на проведение one20 раций с пылящими радиоактивными веществами.

Формула изобретения

Способ переработки радиоактивных отходов щелочного металла, включающий смешение расплавленного металла с дисперсным неорганическим носителем, окисление металла и расплав30 ление полученной смеси, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью.упрощения способа, увеличения безопасности и снижения энергозатрат на его проведение путем совмещения стадий расплавления шихты за счет тепла реакции окисления, в качестве неорганического носителя используют шихту для получения стекла, по крайней мере один из

4п компонентов которой является окислителем этого металла при температуре вьппе температуры смешения, смесь помещают в тигель, инициируют реакцию взаимодействия металла с окислителем, дч поддерживают достигнутую температуру расплава до прекращения газовыделения и после остывания полученный продукт вместе с тиглем направляют на захоронение, 50

2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что окислитель или их композицию выбирают из ряда безводных нитратов или нитритов щелоч55 ных или щелочноземельных металлов, не взаимодействующих при температуре смешения с перерабатываемым металлом.

5 - . . 344S943

Сорелем ееехолъхор лиям s ееллераеура реалий

Теллера ура реахллл ахиелехмх, М

° 93 1а96 ЮЮа 12 ° 79 1609,30 1470

1 14 57 ° 19,63, 34g3

2 ;. 12,1 19 6 46 Ь

9 0 ° 2,4 МаМОе 9,3 1520,11 1390

9,70 4,69 -, МаМО 10,ВВ, 1043,93 990

3 10 00 19>56 44,01

19a65 . 39е40 1ебб 1е96 . Ва(МОе)е 16 55 1355е44. 1265

19эбб 35е9Ь Эю93 1a9& 2е95 Ф&(ЙОе)е 20в93 1512у5 1405

Составитель С.Конуфатенко

Редактор Н.Коляда Техред р(.Дидык

Корректор Л.Патай

9. "1

Заказ 2570 Тираж 277 Подписное ВЙИИПИ Государственного кора(тета по изобретениям и .открытиям при ГКНТ СССР

1)3035, Иосква, N-ЗЗ, Рауь1ская наб. ° д. 4/5 производственно-п лигра411ческое предприятие, r . Ужгород, ул, проектная, 4

4, . И,57

5, . 14 59 теорема- реаль

eaesae хал