Материал, подлежащий захоронению, на основе твердых высокоактивных фторидных отходов и способ его получения

 

О П И С А Н И Е (ii)8887¹0

ИЗОБРЕТЕН ИЯ ботев яеветскик

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 16.07.80 (21) 2958142/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (51) М. Кл.з

С 21 F 9/28

Государственный комитет (43) Опубликовано 15.08.82. Бюллетень № 30 (53) УДК 621.039.7 (088.8) по делам изобретений и открытий (45) Дата опубликования описания 15.08.82

I:

М. П. Воробей, А. П. Кириллович и Ю. Г. Лавринович .. (72) Авторы изобретения (71) Заявитель

Cl (54) МАТЕРИАЛ, ПОДЛЕЖАЩИИ ЗАХОРОНЕНИЮ, HA ОСНОВЕ ТВЕРДЫХ ВЫСОКОАКТИВНЫХ ФТОРИДНЫХ

ОТХОДОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области регенерации облученного ядерного топлива быстрых реакторов, преимущественно газофторидным методом, и может быть использовано при подготовке высокоактивных твер- 5 дых фторидных отходов к захоронению.

Известен материал на основе высокоактивных твердых отходов, представляющий собой стеклометаллические компаунды и состоящий из 50 — 60 мас. % тяжелого ме- 1п талла, например свинца или олова, и 50—

40 мас. гранулированных высокоактивных отходов, равномерно распределенных по объему металлической матрицы. Получают этот материал следующим образом: сначала высокоактивные твердые отходы сплавляют со стеклообразующими добавками, приготовленную стекломассу подвергают грануляции, затем стеклогранулы диаметром 3 — 5 мм смешивают с расплавлен- 2О ным свинцом или алюминием, заливают в специальные формы и охлаждают (1).

Известен также материал, представляющий смесь высокоактивных твердых отходов с расплавленным алюминием, который 25 получают смешением порошкообразных отходов с жидким металлом в равных весовых отношениях (2). Однако, перечисленные материалы обладают существеннымп недостатками: на пх получение расходует- 30 ся большое (50 — 60 мас. %) количество металла, при этом значительно увеличивается объем и масса подлежащих захоронению отходов, технология получения такого материала сложная, она требует грануляцни отходов. Смешивание порошкообразных отходов с жидкими металлами не дает возможности получать однородные материалы, расплавленный металл плохо смачивает порошок, наступает расслоение фаз. Известные материалы обладают низкой термовлагостойкостью.

Ближайшим к предлагаемому является материал, подлежащий захоронению, на основе высокоактивных твердых фторидных отходов, содержащих отработавшие сорбенты, остатки фторирования и алюминий (3).

Известный материал представляет собой механическую смесь высокоактивных твердых порошкообразных фторидных отходов: сорбенитов (фтористый натрий, литий, магний) и остатков фторирования, содержащихся в оксиде алюминия, с алюминиевой дробью или алюминиевым порошком, добавляемого к смеси в количестве 40 мас.%.

Получают данный материал путем смешивания перечислеHíûõ компонентов, взятых в произвольном соотношении, с алюминиевой дробью или порошком.

888740

Приготовленный таким способом материал затаривают в цилиндрические контейнеры из нержавеющей стали диаметром

2 фута и отправляют на хранение в хранилище.В результате саморазогрева температура в центре контейнера может достигать

750 С, при этом алюминий плавится и образует среду с хорошей теплопроводностью.

Известный материал обладает рядом существенных недостатков: он не монолитный, имеет малый удельный вес, низкую термовлагостойкость и химическую стойкость, при саморазогреве системы до 750 С протекают химические реакции, связанные с газовыделением, что не дает возможности герметизировать контейнер с отходами, а это, в свою очередь, накладывает дополнительные сложности на хранение таких отходов, повышает опасность хранения. Большой процент алюминия (40%) приводит к существенному увеличению веса и объема подлежащих захоронению высокоактивных отходов, и, наконец, в жидком состоянии алюминий не смачивает порошок, а при таком существенном содержании его в системе происходит разделение фаз, жидкий металл формируется в крупные капли и стекает на дно контейнера, что в конечном итоге приводит к ухудшению теплопроводности захораниваемых отходов.

Целью изобретения является создание материала, пригодного для длительного контролируемого хранения и захоронения на основе твердых высокоактивных фторидных отходов, улучшение физико-химических свойств: теплопроводности, хими .еской и термовлагостойкости, плотности и механической прочности и повышение степени безопасности и надежности хранения материала.

Цель достигается тем, что материал на основе высокоактивных твердых фторидных отходов, подлежащий захоронению, содержащий отработавшие сорбенты, остатки фторирования и алюминий, дополнительно содержит отработавший химпоглотитель при следующем соотношении компонентов, мас о/ОСорбент 30 — 40

Остатки фторирования 5 — 20

Алюминий 15 — 25

Химпоглотитель 30 — 40

Способ получения созданного материала заключается в том, что сорбент, остатки фторирования, химпоглотитель и алюминий в виде порошка перемешивают до получения однородной смеси и приготовленную смесь подвергают термообработке в атмосфере инертного газа при 800 †8 С в течение 60 — 80 мин.

Образующиеся в процессе регенерации облученного топлива высокоактивные фторидные отходы смешивают в соотношении на 100 мас. ч. сорбента 100 мас. ч. химпо5

Зо

4 глотителя и 50 мас. ч. остатков фторирования, к полученной смеси добавляют от 15 до 25 мас. /О порошкообразного алюминия, шихту перемешивают до образования однородной массы, помещают в тигель из окиси алюминия, пироуглерода или жаростойкой стали и в атмосфере инертного газа подвергают спеканию в лечи электрического нагрева при 800 †8 С в течение примерно 1 ч. При этом происходит спекание шихты до образования монолитной массы, структурно напоминающей кермет.

Удельная активность кермета за счет смешения компонентов существенно снижается.

Равномерно распределенный по всему объему шихты алюминиевый порошок в инертной атмосфере не окисляется, а плавится. жидкий алюминий в этих условиях не обволакивает частички порошка, а формируется в капли шаровидной формы, которые при остывании спека образуют шарики размером от 0,05 до 0,5 мм. Шарики равномерно распределены по всему объему и своей поверхностью прочно сцеплены с основной массой спека, что обеспечивает ему высокую теплопроводность и, в отличие от известного материала, высокую термовлагостойкость, химическую стойкость и механическую прочность. Объем шихты в процессе спекания уменьшается в 1,5 раза, а масса подлежащего захоронению материала существенно не увеличивается, так как в результате термообработки в системе протекают физико-химические процессы, связаннь. е с убылью массы исходной шихты, которая достигает 5 — 10 мас. о/о.

Выбранные интервалы концентраций компонентов и пределы температуры являются граничными. Так, при более низких содержании алюминия и температуре не происходит спекание шихты и образование спека с равномерным распределением алюминия, при более высоком содержании алюминия он формируется в крупные капли, происходит расслоение фаз, нарушается однородность структуры, при более высокой температуре наступает плавление солевой матрицы, что также приводит к нарушению однородности системы и к расслоению фаз.

Каждый из приведенных солевых компонентов в отдельности в указанных в способе условиях не образует однородного спека с приведенными свойствами. Указанные интервалы концентраций компонентов выбраны опытным путем. Исключение любого из компонентов солевой смеси либо изменение их содержания в сторону уменьшения или увеличения приводит к нарушению монолитности спеков, равномерности распределения алюминиевых шариков в объеме солевой матрицы, к ухудшению физико-химических свойств получаемого материала.

Следует отметить, что выбранные соотношения компонентов шихты удовлетвори888740

1 II

30 40

30 40

15 5

25 15

Сорбент

Хим поглотитель

Остатки фторирования

Алюминий порошок

Материал, подлежащий захоронению

Свойства материала, подлежащего захоронению отработавший химпоглотитель отработавший сорбент остатки фторирования спек предлагаемый

Монолитный спек на основе приведенных отходов, содержащий гранулированный алюминий

Фторид натрия, содержащий ПД (гранулированный) Фторид кальция, содержащий ПД и до

5 мас. % Са (ОН)з (гранулированный) Состав

Порошкообразные фториды ПД, содержащие до 1 мас.

% урана и плутония

2 104

2-10

3.10

1,6 10

Удельная активность, Си/кг

3,5

0,4

Удельное тепловыделение, Вт/кг

550

0 75.10з

0 85 10з

1,5.10з

Насыпная плотность, кг/м

20 — 22 10з

4,5 — 6,0

Плотность, кг/м

0,3

Теплопроводность, Вт/м С

0,4

0,65 до Термостоек до 850 С

Терм остоек

400 С

Термостоек до

800 С

Термическая стойкость

Термостоек

400 С до

Гигроскопичен

Гигроскопичность

Гигроскопичен

Гигроскопичен

Не гигроскопичен

* ПД вЂ” продукты деления.

Сорбент

Остатки фторирования

Алюминий

Химпоглотитель

30 — 40

5 — 20

15 — 25

30 — 40

30 тельно согласуются с реальными количествами высокоактивных отходов, образующихся в процессе регенерации облученного топлива фторидно-газовым способом.

Для получения предложенного материала были приготовлены две смеси ингредиентов, содержащие каждая, мас. %:

Полученный материал обладает лучшими физико-химическими свойствами по сравнению с известным материалом, что существенно повышает степень безопасности и надежности его хранения и захоронения.

Учитывая его высокую термовлагостойкость и теплопроводность, он может быть помещен в герметичные ампулы из нержавеющей стали и длительное время храниться в подземных контролируемых хранилищах со значительно меньшими затратами. Добавляемое количество алюминия в нашем случае в два раза меньше по сравнению с прототипом. Более высокая плотность приводит к снижению конечных объемов подлежащего захоронению материала, что, в свою очередь, приводит к снижению затрат на охранные контейнеры и транспортные расходы и позволяет увеличить емкость хранилищ высокоактивных отходов.

Каждая смесь (0,5 кг) тщательно перемешивается до однородной массы и спекается в алундовом тигле в атмосфере гелия при температуре:

5 Смесь 1 800 С

Смесь II 850 С в течение 1 ч.

Затем печь охлаждается до комнатной температуры, тигель с образцом извлека10 ется. В результате проведенных операций получают монолитные спеки со структурой, напоминающей кермет, свойства которого в сравнении с известными материалами приведены в таблице:

15 Формула изобретения

1. Материал, подлежащий захоронению, на основе высокоактивных твердых фторидных отходов, содержащих отработавший

20 сорбент, остатки фторирования и алюминий, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения физико-химических свойств и повышения степени безопасности и надежности хранения материала, он дополнптель25 но содержит отработавший химпоглотитель при следующем соотношении компонентов мас. %:

2. Способ получения материала по и. 1, 35 заключающийся в том, что сорбенты, остат888740

Составитель Б. Рахманов

Техред А. Камышникова Корректор P. Беркович

Редактор П. Горькова

Заказ 1179/17 Изд. ¹ 206 Тираж 450 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 ки фторирования, химпоглотитель и алюминий в виде порошка перемешивают до получения однородной смеси, о т л и ч а ющий ся тем, что полученную смесь подвергают термообработке в атмосфере инертного газа при 800 — 850 С в течение 60—

80 мин.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. V. lamer. Chemic Technic 5, 10, 407, 1976.

5 2. Отчет США ОКК1 — 50139, 1968.

3. Патент США ¹ 3753920, кл. 252-301, опублик. 1973 (прототип).