Способ фиксации радиоактивных отходов

 

Изобретение относится к атомной энергетике, в частности к способам обращения с радиоактивными отходами (РАО), находящимися в бассейнах-хранилищах в виде водных растворов и суспензий донных отложений. Донные отложения содержат радионуклидов на несколько порядков больше, чем водная фаза бассейна-хранилища. Донные отложения отличаются высокой подвижностью, способны легко взмучиваться, перетекать и выдавливаться при консервации бассейнов-хранилищ путем засыпки. Основной технической задачей при консервации бассейнов-хранилищ является надежная фиксация донных отложений РАО на дне водоема путем засыпки их без перемешивания при водовяжущем отношении не менее 2 шлаком, который предварительно измельчают до удельной поверхности 4000-6000 см²/г. Высота шлаковой засыпки должна быть не менее 2,5 см, а скорость засыпки составляет 0,125-0,375 м²/ч. Данный способ позволяет получить надежную фиксацию РАО на дне бассейна-хранилища, их последующее отверждение и получение прочного композита, обеспечивающего их безопасное захоронение. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к стратегии и тактике обращения с радиоактивными отходами (РАО), которые находятся в бассейнах-хранилищах в виде водных растворов и суспензий донных отложений.

Донные отложения содержат радионуклидов на несколько порядков больше, чем водная фаза бассейна-хранилища. Состоящие, в основном, из коллоидных фаз гидроксидов Fe⁺³ и Al⁺³ донные отложения отличаются высокой подвижностью, способны легко взмучиваться, перетекать и выдавливаться при консервации бассейнов-хранилищ путем засыпки. Выход донных отложений над поверхностью воды или на берег, вследствие перемешивания или выдавливания, представляет опасность как источник возможного аварийного ветрового разноса радионуклидов, т.к. мощность (высота) донных отложений возрастает в результате их вытеснения при засыпке акватории бассейна-хранилища.

Известна технология фиксации донных отложений РАО при консервации бассейна-хранилища путем засыпки скальным грунтом с применением полых бетонных блоков /1/.

К недостаткам этого способа следует отнести отсутствие вяжущих свойств у материала засыпки, что не позволяет надежно фиксировать РАО на дне бассейна-хранилища.

Известна также технология засыпки акватории бассейна-хранилища путем горизонтального надвигания скального грунта с берега к центру водоема /2/. Основным недостатком этого способа является возрастание высоты (мощности) донных отложений РАО вследствие их вытеснения при таком варианте засыпки.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ отверждения отходов, содержащих радиоактивные изотопы, путем смешении с металлургическим гранулированным шлаком при водовяжущем отношении 0,2 - 0,6 с удельной поверхностью вяжущего 2800 - 4000 см²/г /3/ - прототип.

К недостаткам способа прототипа следует отнести обязательное перемешивание шлака после его засыпки в отходы и отверждение при низком водовяжущем отношении 0,2 - 0,6, что не позволяет в случае донных отложений РАО обеспечить их надежную фиксацию на дне бассейна-хранилища.

В связи с этим основной технической задачей при консервации бассейнов-хранилищ РАО является надежная фиксация донных отложений РАО на дне путем засыпки их без перемешивания металлургическим шлаком с последующим отверждением и получение прочного композита, обеспечивающего безопасное захоронение радиоактивные отходов.

Этот новый технический результат достигается тем, что в способе фиксации радиоактивных отходов путем засыпки и отверждения металлургическим шлаком засыпку производят без перемешивания при водовяжущем отношении не менее 2 шлаком, который предварительно измельчают до удельной поверхности 4000 - 6000 см²/г, причем высота шлаковой засыпки должна быть не менее 2,5 см, а скорости засыпки составлять 0,125 - 0,375 м²/ч.

Существенное различие в удельных весах металлургических шлаков (d=3,2-3,4 г/см³) и донных отложений РАО (d~1,2-1,3 г/см³) обуславливает проникновение шлаковых частиц в глубину коллоидной фазы донных отложений, вызывая подъем и выдавливание последних при засыпке.

Степень выдавливания донных отложений, которая определяется как отношение количества донных отложений над шлаковой засыпкой к оставшемуся под ней зависит от скорости засыпки шлака (м²/ч), его высоты (см) и не должна превышать 0,1.

Для металлургических шлаков с удельной поверхностью 4000 - 6000 см²/г степень выдавливания донных отложений РАО при скорости шлаковой засыпки 0,125 - 0,375 м²/ч не превышает 0,1. Увеличение скорости шлаковой засыпки до 0,45 м²/ч вызывает подъем донных отложений РАО и рост степени их выдавливания до 0,12 - 0,15 как для основных, так и кислых металлургических шлаков.

При высоте шлаковой засыпки менее 2,5 см (удельная поверхность 4000 - 6500 см² /г), как и при удельной поверхности 3500 см²/ч (высота засыпки 2,5 см) эффект затвердевания отсутствует у обоих видов шлаков, находящихся под водной фазой на глубине 1 м в течение года. Вяжущие свойства обнаруживаются у обоих видов металлургических шлаков при высоте шлаковой засыпки не менее 2,5 см. Вследствие того, что над донными отложениями РАО постоянно находится слой водной фазы глубиной 1 м, водовяжущее отношение составляет не менее 2. Прочность монолитов при фиксации донных отложений РАО шлаковой засыпкой превышает через год 270 кгс/см². Увеличение удельной поверхности металлургических шлаков до 6500 см²/г не меняет параметров прочности, но экономически не целесообразно.

Примеры осуществления Пример 1. Металлургические шлаки (кислый или основной) измельчают до получения удельной поверхности 3500 - 6500 см²/ч. В водную фазу бассейна-хранилища глубиной 1 м высыпают без перемешивания шлаки с удельной поверхностью 3500, 4000, 6000 и 6500 см²/г, создавая высоту засыпки 1,0; 2,5 и 30 см и выдерживают в течение года. В качестве водной фазы бассейна-хранилища используют дистиллированную воду (аналог дождевой) или раствор солей, содержащий NaNO₃, Nа₂SO₄, Na₂Ac, NaCl, Mq⁺², Ca⁺² при pH=8,9-9,0 и сумме солей 80 г/л.

Результаты испытаний образцов шлаковой засыпки на прочность после годичной выдержки в водной фазе представлены в табл. 1.

Из данных, представленных в табл. 1, следует, что при высоте шлаковой засыпки менее 2,5 см (удельная поверхность 4000 - 6500 см²/г) как в дистиллированной воде, так и в растворе солей, оба вида шлака не затвердевают. К аналогичному результату приводит снижение удельной поверхности шлаков с 4000 до 3500 см²/г при высоте засыпки 2,5 см.

Увеличение удельной поверхности шлаков с 6000 до 6500 см²/г не меняет параметров прочности, но экономически невыгодно. Металлургические шлаки с удельной поверхностью 4000 - 6000 см²/г затвердевают на глубину 1 м при водовяжущем отношении не менее 2 в водных и водно-солевых растворах при высоте засыпки не менее 2,5 см, образуя через год композит, прочность которого превышает 300 кгс/см².

Пример 2. Металлургические шлаки (кислый или основной) измельчают до получения удельной поверхности 4000 - 6000 см²/г. В водную фазу бассейна-хранилища, содержащего на глубине 1 м донные отложения РАО, высыпают без перемешивания шлаки (удельная поверхность 4000, 6000 см²/г) со скоростью засыпки 0,125; 0,375; 0,45 м²/ч, создавая высоту засыпки 2,5; 6; 15; 30; 34 см и фиксируя при этом степень выдавливания донных отложений.

В качестве имитатора донных отложений РАО бассейна-хранилища используют суспензию гидроксидов железа и алюминия, взятых в соотношении Fe⁺³:Al⁺³=1:1 с концентрацией 13,3 г/л в растворе NaNO₃ (70 г/л) при pH 9-10. Результаты испытаний на прочность образцов шлаковой засыпки донных отложений РАО после годичной выдержки в водной фазе представлены в табл. 2.

Из данных табл. 2 следует, что при скорости засыпки 0,125 - 0,375 м²/ч для металлургических шлаков с удельной поверхностью 4000 - 6000 см²/г степень выдавливания донных отложений РАО не превышает 0,1 при высоте засыпки не менее 2,5 см. Увеличение скорости шлаковой засыпки до 0,45 м²/ч вызывает подъем донных отложений РАО и рост степени их выдавливания до 0,12 - 0,15 как для основных, так и кислых металлургических шлаков.

Металлургические шлаки кислые и основные с удельной поверхностью 4000 - 6000 см²/г, засыпанные без перемешивания со скоростью 0,125 - 0,375 м²/ч, при высоте шлаковой засыпки не менее 2,5 см начинают затвердевать при водовяжущем отношении более 2 через 140 - 110 и 12 суток соответственно. Спустя год прочность шлаковых монолитов при фиксации донных отложений РАО составляет более 270 кгс/см².

Таким образом, использование предлагаемого способа позволит получить надежную фиксацию донных отложений радиоактивных отходов в результате отверждения, что обеспечит безопасность их захоронения в водных бассейнах-хранилищах.

Источники информации 1. Ю.В. Глаголенко, Е.Г. Дзекун и др. Стратегия обращения с радиоактивными отходами на ПО "Маяк". Вопросы радиационной безопасности, N 2, 1996, с. 3 - 10, Журнал ПО "Маяк", Минатома РА.

2. А.И. Алексахин, В.А. Егоров. Ретроспективное восстановление морфометрических параметров оз. Карачай с использованием геоинформационных систем. Вопросы радиационной безопасности, N 4, 1996, с. 60 - 66, Журнал ПО "Маяк", Минатома РФ.

3. Авт. свидетельство N 880149, опубл. 30.04.82. Бюллетень N 16 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ фиксации радиоактивных отходов путем засыпки и отверждения металлургическим шлаком, отличающийся тем, что засыпку производят без перемешивания при водовяжущем отношении не менее 2, а металлургический шлак предварительно измельчают до удельной поверхности 4000 - 6000 см²/г, причем высота шлаковой засыпки должна быть не менее 2,5 см, а скорость засыпки составляет 0,125 - 0,375 м²/ч.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют как кислые, так и основные металлургические шлаки, обладающие вяжущими свойствами в водных, водно-солевых растворах и суспензиях.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2