Полимерная композиция для изолирования твердых радиоактивных отходов
Владельцы патента RU 2251561:
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Научно-исследовательский и конструкторский Институт Энерготехники им. Н.А. Доллежаля" (RU)
Изобретение относится к полимерной композиции, которая используется в ядерной технике для изолирования твердых радиоактивных отходов с высоким флюенсом наведенной активности. Полимерная композиция содержит следующее соотношение компонентов в мас.ч: 100 эпоксидной диановой смолы, 25-45 фурфурола, 40-95 полиамидной смолы в качестве отвердителя, 25-35 этанола, 0-380 наполнителя, 10-20 целевой добавки. В качестве целевой добавки используют соединения бора, азотнокислый кадмий, порошки металлов. Изобретение позволяет получить полимерную композицию с повышенной тепло- и радиационной стойкостью, позволяет повысить стойкость к ударным и изгибающим нагрузкам при отверждении под водой во времени, а также снизить токсичность композиции. 2 табл.
Изобретение относится к полимерным композициям, применяемым в ядерной технике, а именно для изолирования радиоактивных твердых отходов с высоким флюенсом наведенной активности.
Известна полимерная композиция на основе фурфуранового альдегида для заполнения технологических зазоров и глубоких щелей радиоактивного оборудования при подготовке его к длительному контролируемому хранению (a.c. CCCP №895064, МПК C 08 L 61/02, С 09 К 3/10, 1981 г.). Композиция содержит, мас.ч.: фурфурол - 100, солянокислый анилин - 13-17, наполнитель - 60-230, азотнокислый кадмий - 2-7, стирол - 10-20.
Основными недостатками этой композиции являются: большой срок отверждения при 100% относительной влажности, коррозионная активность, особенно в процессе отверждения, в связи с присутствием солянокислого анилина, а также относительно низкая радиационная стойкость (не более 2000 Мрад) и низкая стойкость к ударным нагрузкам, а также токсичность, связанная с использованием одного из компонентов стирола, что требует при ее приготовлении повышенных мер техники безопасности, особенно при больших объемах.
Наиболее близкой к изобретению по совокупности существенных признаков является полимерная композиция для кондиционирования радиоактивных отходов (патент РФ №2167174, МПК C 08 L 63/02, 2001 г.). Композиция содержит, мас.ч.:
эпоксидная диановая смола - 100
фурфурол - 70-100
отвердитель аминного типа (полиэтиленполиамин) - 15-40
наполнитель (маршалит, цемент, сланцевая зола, кероген, графит) - 0-380
Кроме того, полимерная композиция содержит сланцевое масло - 50-120 мас.ч.
Приведенный прототип используется в качестве матрицы для включения твердых радиоактивных отходов, преимущественно обладающих средней и высокой активностью.
После включения в матрицу твердых радиоактивных отходов с последующим ее отверждением она должна обладать высокой стойкостью к выщелачиванию, высокой стойкостью к гамма-излучению, к ударным и тепловым нагрузкам, а также низким радиохимическим выходом (газовыделением), водо- и химстойкостью и другими свойствами, обеспечивающими длительный надежный экологический барьер, препятствующий заражению окружающей среды радионуклидами.
Вышеперечисленные свойства необходимы при омоноличивании твердых радиоактивных отходов, их транспортировке и длительном контролируемом хранении.
Недостатки прототипа заключаются в том, что он не обладает достаточно высокими свойствами: теплостойкостью, радиационной стойкостью, стойкостью к ударным и изгибающим нагрузкам.
Кроме того, используемый в прототипе отвердитель аминного типа (полиэтиленполиамин) является нестабильным и токсичным материалом, а сланцевое масло к тому же канцерогенное вещество (см. “Вредные вещества в промышленности” под ред. Н.В.Лазарева, т.1, стр.160, 531, М.Л.: “Химия”, 1965 г.).
Задачей настоящего изобретения является создание полимерной композиции, которая позволит надежно изолировать твердые средне- и высокоактивные отходы от окружающей среды.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение теплостойкости, радиационной стойкости, повышение стойкости к ударным и изгибающим нагрузкам при технологически приемлемом времени отверждения под водой, а также снижение токсичности композиции.
Указанный технический результат достигается тем, что известная полимерная композиция для изолирования твердых радиационных отходов, содержащая эпоксидную диановую смолу, фурфурол, отвердитель и наполнитель, содержит этанол и целевые добавки - соединения бора, азотнокислый кадмий, порошки металла, а в качестве отвердителя - полиамидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
эпоксидная диановая смола - 100, фурфурол - 25-45, полиамидная смола - 40-95, этанол - 25-35, наполнитель - 0-380, целевые добавки - 10-20.
В качестве наполнителей могут быть использованы: бентонит, цемент, углерод, кварц (маршалит) и другие.
Используемые в процессе изготовления полимерной композиции целевые добавки могут быть введены по отдельности или в смеси друг с другом.
В таблице №1 представлены примеры композиции (составы №1-3), а в таблице №2 приведены основные свойства композиций.
Составы приготавливают следующим образом.
Полимерная композиция №1
Фурфурол совмещают с этанолом в требуемых пропорциях при температуре окружающей среды. В эпоксидную смолу вводится фурфурол, совмещенный с этанолом. Наполнитель и целевые добавки смешиваются в заданных количествах и вводятся в эпоксидную смолу с фурфуролом и этанолом. Смоляная часть композиции разогревается до температуры 40° С перед введением наполнителя и целевых добавок. Полученная смесь оставляется на 6-12 час, после чего постепенно при непрерывном перемешивании в течение 3-4 мин вводится полиамидная смола Л-20.
Полимерная композиция №2
Фурфурол совмещают с этанолом и вводят в эпоксидную смолу при температуре окружающей среды.
Наполнитель совмещают с целевой добавкой.
Затем фурфурол с этанолом и эпоксидной смолой разогревают до температуры 40° С, после чего в него вводится наполнитель с целевой добавкой. Время смешения полученной композиции составляет 5-7 мин. Полученную смесь оставляют на сутки, после чего в нее при непрерывном перемешивании вводится полиамидная смола Л-19.
Полимерная композиция №3
Эпоксидную смолу марки ЭД-20 и полиамидную смолу Л-19 и порошок алюминия, предварительно растворенный в этаноле в соотношении 1:1, смешивают. Время смешения всех компонентов 3-4 мин. При нормальной температуре. Затем в полученную смесь вводят предварительно перемешанную и пропитанную фурфуролом смесь бентонита, углерода и маршалита. Полученную смесь перемешивают 7-10 мин.
В неотвержденном состоянии составы предлагаемой полимерной композиции нетоксичны, в отвержденном состоянии токсичен фурфурол (ПДК - 10 мг/м3).
Как видно из табл.2, предлагаемая композиция имеет преимущество перед известной. Так стойкость к ударным нагрузкам увеличилась в 4 раза (уд. ударная вязкость), а стойкость к изгибающим нагрузкам в 3 раза (предел прочности при изгибе). Что касается теплостойкости, то она увеличилась в 2 раза (по стандартной характеристике), а что касается показателя потери массы при температуре 200° С, то у прототипа она достигает 10-13%, а у предлагаемой композиции не более 3,5%. Содержание в прототипе большого количества фурфурола приводит к значительно меньшей степени его отверждения. Так при прочих равных условиях степень отверждения связующего предлагаемой композиции увеличивается почти на 20%. Что касается радиационной стойкости, то она превышает прототип в 1,7 раза.
Содержание таких токсичных и канцерогенных составляющих, как сланцевое масло и полиэтиленполиамин, в предлагаемой композиции отсутствует. А содержание фурфурола не представляет большой опасности в связи с тем, что он практически весь отверждается, а величина его ПДК достаточно большая - 10 мг/м3.
Таким образом, предлагаемая полимерная композиция, обладающая по сравнению с прототипом более высокими прочностными свойствами, позволяет использовать ее при пропитке пористых твердых радиоактивных отходов с целью фиксации в них радионуклидов (например, графитовые блоки, втулки, кольца), а также для омоноличивания твердых порошкообразных радиоактивных отходов (радиоактивные соли, золы, ионнообменные смолы и другие материалы) с наведенной или загрязненной радиационной или химической активностью.
| ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | |||
| Таблица №1 | |||
| Наименование компонентов | Рецептура, мас.ч. | ||
| Композиция №1 | Композиция №2 | Композиция №3 | |
| Эпоксидная диановая смола | 100 | 100 | 100 |
| Фурфурол | 25 | 35 | 45 |
| Полиамидная смола, Л-19 или Л-20 | 40 | 80 | 95 |
| Этанол | 25 | 30 | 35 |
| Наполнитель: | |||
| Бентонит | 50 | 100 | 75 |
| Цемент | 100 | 75 | |
| Маршалит | 150 | 100 | |
| Целевые добавки: | |||
| Карбид бора | 15 | ||
| Порошок алюминия | |||
| крупностью 40-60 мкм | 10 | 20 |
| ПОЛИМЕРНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ИЗОЛИРОВАНИЯ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ | ||
| Таблица №2 | ||
| Показатель | Известная композиция | Предлагаемая композиция |
| Плотность, г/см3 | 1,2-1,7 | 1,3-1,7 |
| Предел прочности при сжатии, МПа | 900-1000 | 750-800 |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 200-210 | 650-670 |
| Уд. ударная вязкость по Шарпи, кгс· см/см2 | 3-4 | 17-18 |
| Теплостойкость по Мартенсу, ° С | 80-90 | 180 |
| Радиационная стойкость, Мград | 6· 103 | более 11-103 |
| Радиохимический выход в интервале доз (10-11)· 103 Мград, см3/град | 5· 10-8 | 7,3· 10-10 |
| Время отверждения под водой, сутки | 14 | 5 |
| Степень отверждения связующего на 28 сутки, % | 76- 76,3 | 85-86,2 |
| Скорость выщелачивания по Cs137, г/см2·сут. | 1,5· 10-6 | 1· 10-7 |
Полимерная композиция для изолирования твердых радиоактивных отходов, содержащая эпоксидную диановую смолу, фурфурол, отвердитель и наполнитель, отличающаяся тем, что она содержит этанол и целевые добавки - соединения бора, азотнокислый кадмий, порошки металлов, а в качестве отвердителя полиамидную смолу при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Эпоксидная диановая смола 100
Фурфурол 25-45
Полиамидная смола 40-95
Этанол 25-35
Наполнитель 0-380
Целевые добавки 10-20
