Способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов

Изобретение относится к процессам переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) методом цементирования. Способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов заключается в пропитке пористого материала жидкими радиоактивными отходами, в качестве пористого материала используют сформировавшийся пористый бетон, в качестве жидких радиоактивных отходов используют жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли. ЖРО в количестве 15-50% от массы конечного компаунда подают в контейнер со сформировавшимся пористым бетоном и под давлением в одну операцию осуществляют пропитку. Использование предложенного способа позволяет кондиционировать жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, сократить время осуществления радиационно-опасных операций, увеличить наполнение конечного компаунда по ЖРО до 15-50 мас.%. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а точнее к процессам переработки жидких радиоактивных отходов методом цементирования, и предназначен для кондиционирования жидких радиоактивных отходов, в том числе содержащих препятствующие твердению цементного раствора минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли (далее - ЖРО). Способ может быть использован на атомных электростанциях и предприятиях, кондиционирующих радиоактивные отходы.

Известен способ обработки масляных отходов [1] - патент ФРГ №DE 2944484 А1, МКИ: A62D 3/00, С04В 29/00, заявл. 03.11.79, приор. 08.11.78 №43654 GB. Способ обработки масляных отходов. - Stablex AG, заключающийся в смешивании масляных отходов с твердым веществом, способным сорбировать масло, с токсичными жидкими отходами, кальцийсодержащим цементом и силикатом алюминия и/или алюмосиликатом. Способ не предназначен для цементирования органических жидкостей. Наполнение конечного продукта по маслу составляет 8,5-30 мас.%. Недостатками данного способа являются невозможность совместного цементирования минеральных масел и органических жидкостей, а также низкая прочность конечного компаунда - не более 1,45-4,00 МПа на 28 сутки твердения.

Известен способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости [2] - положительное решение от 05.07.07. о выдаче патента РФ по заявке №2006123654 от 04.07.06. Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масла и/или органические жидкости, и устройство для его осуществления. - ГУП МосНПО «Радон», заключающийся в получении предварительной суспензии из радиоактивных минеральных масел и/или органических жидкостей, части вяжущего (10-30% от общей массы вяжущего) и ЖРО, представляющих собой водные солевые растворы, а затем перемешивании суспензии с остальным количеством вяжущего. Наполнение конечного компаунда по маслу составляет 10-15 мас.%. Недостатком данного способа является необходимость дополнительного диспергатора для предварительного суспензирования минеральных масел и/или органических жидкостей. Кроме того, масла и/или органические жидкости при перемешивании непосредственно с цементным раствором препятствуют процессам гидратации минералов портландцемента, обволакивая зерна цемента гидрофобной пленкой. Это приводит к замедлению процессов твердения и к получению компаунда с прочностью не более 5,2-7,7 МПа на 28 сутки твердения.

Наиболее близким к заявляемому способу, выбранным в качестве прототипа, является способ отверждения жидких радиоактивных отходов и керамический материал для его осуществления [3] - патент России №RU 2197763, МКИ: G21F 9/16, заявл. 08.11.01 №2001130111/06, опубл. 27.01.03. Способ отверждения жидких радиоактивных отходов и керамический материал для его осуществления. - Институт геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского РАН, где ЖРО кондиционируют многократной пропиткой пористого керамического материала раствором жидких радиоактивных отходов с промежуточным его вентилированием и сушкой и последующей высокотемпературной обработкой. В качестве керамического материала используют предварительно термообработанный материал, изготовленный из тонкодисперсных оксидов бария, кальция, алюминия, кремния с размером частиц не более 20 мкм, взятых в соотношении 2-10:3-7:50-70:23-35 мас.% соответственно, а высокотемпературную обработку проводят при 1350-1500°С.

Недостатками данного способа являются невозможность кондиционирования ЖРО, содержащих синтетические и минеральные масла, органические жидкости, а также боратные соли из-за горючести и летучести масел, опасных при термической обработке керамического компаунда; невысокое содержание (5-16% от массы конечного компаунда) радиоактивных отходов в конечном компаунде, что обусловлено строением керамической матрицы, сложность способа, обусловленная необходимостью дополнительного оборудования и многократных операций для термической обработки керамического материала на стадии изготовления, сушки и вентилирования керамического материала в процессе пропитки жидкими радиоактивными отходами, длительность радиационно-опасных операций кондиционирования ЖРО, обусловленная необходимостью многократной пропитки керамического материала жидкими радиоактивными отходами, а также необходимостью термической обработки пористого материала после пропитки ЖРО.

Технический результат предлагаемого способа заключается в упрощении способа кондиционирования жидких радиоактивных отходов; в возможности кондиционирования жидких радиоактивных отходов, в том числе содержащих минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли; в сокращении времени осуществления радиационно-опасного способа; увеличении наполнения конечного компаунда по ЖРО до 15-50 мас.%.

Для достижения технического результата предлагается способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов, который заключается в пропитке пористого материала жидкими радиоактивными отходами, в качестве пористого материала используют сформировавшийся пористый бетон, в качестве жидких радиоактивных отходов используют жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, которые в количестве 15-50% от массы конечного компаунда подают в контейнер с сформировавшимся пористым бетоном и под давлением в одну операцию осуществляют пропитку до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона, после пропитки образовавшийся конечный компаунд направляют на длительное хранение в исходном контейнере.

Пропитку осуществляют путем вакуумирования контейнера с сформировавшимся пористым бетоном, либо путем создания избыточного давления ЖРО в контейнере.

Отличительными признаками предлагаемого способа является то, что в качестве пористого материала используют сформировавшийся пористый бетон, в качестве жидких радиоактивных отходов используют жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, которые в количестве 15-50% от массы конечного компаунда подают в контейнер с сформировавшимся пористым бетоном и под давлением в одну операцию осуществляют пропитку до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона, после пропитки образовавшийся конечный компаунд направляют на длительное хранение в исходном контейнере.

Пропитку осуществляют путем вакуумирования контейнера с сформировавшимся пористым бетоном, либо путем создания избыточного давления ЖРО в контейнере.

Использование сформировавшегося пористого бетона позволяет достичь технического результата - возможности кондиционировать жидкие радиоактивные отходы, содержащие в том числе препятствующие твердению минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, с получением конечного компаунда со свойствами, удовлетворяющими регламентированным требованиям. Жидкие радиоактивные отходы, препятствующие твердению цементной матрицы, вводятся в уже сформировавшийся пористый бетон после завершения основных процессов гидратации минералов цемента. Основной каркас пористого бетона формируется до введения ЖРО, и свойства ЖРО не оказывают значимого негативного влияния на дальнейшее твердение конечного цементного компаунда.

Использование сформировавшегося пористого бетона позволяет повысить наполнение конечного компаунда по ЖРО, так как объем порового пространства в сформировавшемся пористом бетоне составляет до 70 об.%, что позволяет включать в него 15-50 мас.% ЖРО.

Использование давления и проведение пропитки до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона в контейнере, позволяют наиболее полно использовать поровое пространство сформировавшегося пористого бетона и достичь наполнения конечного компаунда по ЖРО 15-50 мас.%. Включение в состав конечного цементного компаунда менее 15 мас.% ЖРО приведет к образованию конечного компаунда с малой степенью наполнения. Включение в состав конечного цементного компаунда более 50 мас.% ЖРО возможно только в сформировавшиеся пористые бетоны с прочностью на сжатие менее 5 МПа, что не будет удовлетворять требованиям, предъявляемым к цементированным радиоактивным отходам.

Предварительное размещение сформировавшегося пористого бетона в контейнере и подача ЖРО в контейнер с размещенным сформировавшимся пористым бетоном позволяют достигнуть технического результата - мобильности и упрощения осуществления способа кондиционирования ЖРО. Могут быть использованы контейнеры любой удобной конфигурации и объема, которые будут доставляться в места образования ЖРО, и после пропитки жидкими радиоактивными отходами сформировавшегося пористого бетона в исходном контейнере, выступающем дополнительным изоляционным барьером, доставляться в места длительного хранения.

Осуществление пропитки под давлением и в одну операцию позволяет достичь технического результата - упростить способ кондиционирования ЖРО, сократить время на осуществление радиационно-опасного процесса кондиционирования ЖРО.

Сущность изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример реализации способа №1.

Металлический контейнер цилиндрической формы заполняют пористым бетоном объемом 50 дм³. Для затвердевания и формирования структуры выдерживают пористый бетон не менее 14 суток. Количество жидких радиоактивных отходов для пропитки рассчитывают, исходя из массы сформировавшегося пористого бетона, принимая ее за 70 мас.%, и величины плотности жидких радиоактивных отходов. Характеристика жидких радиоактивных отходов, представляющих собой смесь минеральных, синтетических масел, органических жидкостей, поверхностно-активных веществ, детергентов, сцинтилляторов, представлена в таблице 1.

Таблица 1 Характеристика жидких радиоактивных отходов, представляющих собой смесь минеральных, синтетических масел, органических жидкостей, поверхностно-активных веществ, детергентов, сцинтилляторов
внешний вид	плотность, г/см3	радионуклидный состав, Бк/м3
Cs137	Со60
Масляная жидкость темно-коричневого цвета	0,84	2,4·107	2,1·107

Контейнер сверху герметично закрывают крышкой с фланцевыми соединениями и вакуумируют, откачивая воздух снизу контейнера вакуумным насосом. Сверху на поверхность сформировавшегося пористого бетона подают жидкие радиоактивные отходы в количестве 25 дм^3, что составляет 30% от массы конечного компаунда. За счет созданной разницы давлений жидкие радиоактивные отходы пропитывают пористый бетон сверху вниз. Пропитку заканчивают в момент, когда все жидкие радиоактивные отходы займут объем пористого бетона в контейнере. Контейнер с полученным конечным компаундом отправляют на длительное хранение.

Конечный компаунд, полученный пропиткой в контейнере сформировавшегося пористого бетона жидкими радиоактивными отходами:

- имеет наполнение по ЖРО 30 мас.%, что в 2 раза больше, чем в прототипе;

- включает в себя горючие, легколетучие, вязкие, препятствующие твердению минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, которые нельзя кондиционировать по способу-прототипу;

- имеет прочность на сжатие на 28 сутки твердения 5,8 МПа, что удовлетворяет регламентированным требованиям;

- получен быстрее, в одну операцию, в отличие от многократной пропитки в прототипе;

- получен в результате более простых операций, так как не требует дополнительной термической обработки, как в прототипе;

- может быть мобильно доставлен к месту длительного хранения в исходном контейнере, выступающем дополнительным изоляционным барьером.

Пример реализации способа №2.

Металлический контейнер цилиндрической формы заполняют пористым бетоном объемом 100 дм³. Для затвердевания и формирования структуры выдерживают пористый бетон не менее 14 суток. Количество жидких радиоактивных отходов рассчитывают, исходя из массы сформировавшегося пористого бетона, принимая ее за 60 мас.%, и величины плотности жидких радиоактивных отходов. Характеристика жидких радиоактивных отходов, содержащих боратные соли, представлена в таблице 2.

Таблица 2 Характеристика жидких радиоактивных отходов, содержащих боратные соли
внешний вид	плотность, г/см3	рН	общее солесодержание, г/дм3	содержание боратов, г/дм3	удельная активность Σβ по Cs137, Бк/дм3
Прозрачная жидкость коричневого цвета	1,32	11,25	517,71	71,75	3,6·107

Контейнер сверху закрывают крышкой с фланцевыми соединениями. Затем сверху на поверхность сформировавшегося пористого бетона подают жидкие радиоактивные отходы, содержащие боратные соли, в количестве 50 дм³, что составляет 40% от массы конечного компаунда. В контейнере сверху создают избыточное давление ЖРО, достаточное для проникновения ЖРО в объем сформировавшегося пористого бетона, а снизу через днище осуществляется выравнивание избыточного давления воздуха, образующегося при заполнении ЖРО пустотного пространства пористого бетона. Пропитку заканчивают в момент, когда все жидкие радиоактивные отходы займут объем пористого бетона в контейнере. Контейнер с полученным конечным компаундом отправляют на длительное хранение.

Конечный компаунд, полученный пропиткой в контейнере сформировавшегося пористого бетона жидкими радиоактивными отходами:

- имеет наполнение по ЖРО 40 мас.%, что в 2 раза больше, чем в прототипе;

- включает в себя препятствующие твердению боратные соли, которые нельзя кондиционировать по способу-прототипу;

- имеет прочность на сжатие на 28 сутки твердения 5,5 МПа, что удовлетворяет регламентированным требованиям;

- получен быстрее, в одну операцию, в отличие от многократной пропитки в прототипе;

- получен в результате более простых операций, так как не требует дополнительной термической обработки, как в прототипе;

- может быть мобильно доставлен к месту длительного хранения в исходном контейнере, выступающем дополнительным изоляционным барьером.

Предлагаемое изобретение находится на следующей стадии разработки. В 2006 г. проведена НИР по теме 2.06.01.06. по разработке способа кондиционирования ЖРО с использованием пористых бетонов. В настоящее время проведены опытно-промышленные испытания способа.

1. Способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов, заключающийся в пропитке пористого материала жидкими радиоактивными отходами, отличающийся тем, что в качестве пористого материала используют сформировавшийся пористый бетон, помещенный в контейнер, в качестве жидких радиоактивных отходов используют жидкие радиоактивные отходы, в том числе содержащие минеральные, синтетические масла, органические жидкости, поверхностно-активные вещества, детергенты, сцинтилляторы, а также боратные соли, которые в количестве 15-50% от массы конечного компаунда подают в контейнер с сформировавшимся пористым бетоном, и под давлением в одну операцию осуществляют пропитку до момента, когда все жидкие радиоактивные отходы заполнят объем сформировавшегося пористого бетона, после чего образовавшийся конечный компаунд направляют на длительное хранение в исходном контейнере.

2. Способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов по п.1, отличающийся тем, что пропитку под давлением осуществляют путем вакуумирования контейнера со сформировавшимся пористым бетоном.

3. Способ кондиционирования жидких радиоактивных отходов по п.1, отличающийся тем, что пропитку осуществляют путем создания избыточного давления ЖРО в контейнере с сформировавшимся пористым бетоном.