Патент на изобретение №2256966

(54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ПЕРЛИТНЫХ СУСПЕНЗИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области переработки радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ переработки радиоактивных перлитных суспензий включает их смешивание с радиоактивными растворами, обработку стеклообразующими элементами, перемешивание для равномерного распределения твердой фазы и остекловывание. При этом радиоактивные перлитные суспензии, содержащие в составе фтор-ионы и более 0,05 г/л альфа-активных радионуклидов, перемешивают с гомогенными и/или гетерогенными радиоактивными отходами, включающими нитрат натрия, или гидроксид натрия, или нитрат алюминия, или гидроксид алюминия, или их смесь. Перед остекловыванием перлитные суспензии обрабатывают соединениями кальция. Преимущества изобретения заключаются в повышении качества переработки отходов. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к способам переработки гетерогенных высокоактивных отходов предприятий атомной промышленности, более конкретно – к способам переработки радиоактивных перлитных суспензий, образующихся в процессе очистки радиоактивных растворов методом фильтрации на предприятиях по регенерации облученного ядерного топлива.

Технология переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) включает в себя, в частности, такие операции, как растворение ОЯТ в азотнокислых средах, фильтрацию полученного радиоактивного раствора на намывных перлитных фильтрах, экстракционное разделение радиоактивных элементов. После проведения операций очистки азотнокислого раствора от присутствующих в его составе различных твердых включений намывные перлитные фильтры подвергаются восстановительной регенерации, в процессе которой образуются значительные объемы отработанных радиоактивных перлитных суспензий.

По известному способу /1/ (В.П.Шведов, В.М.Седов и др. Ядерная технология – М., Атомиздат, 1979, с.186-187), после промывки намывного фильтра пневмогидравлическим ударом отработанные радиоактивные перлитные суспензии направляют на хранение в хранилище жидких радиоактивных отходов. Основным недостатком данного способа переработки радиоактивных перлитных суспензий является то, что при длительном хранении суспензий в емкостях не исключена возможность их разгерметизации за счет коррозионного воздействия отходов на конструкционные материалы емкостей и, как следствие, может повлечь за собой загрязнение экосистемы.

Существует способ /2/ (Авторское свидетельство СССР №1480630, кл. G 21 F 9/16, 1989) включения радиоактивных перлитных суспензий в битум. Перлитную суспензию с расходом 200 л/ч (20 кг/ч по сухому перлиту) подают в битуматор, где происходит испарение содержащейся в перлитной суспензии влаги и смешение при температуре 150-180°С перлита с 200 кг расплавленного битума. Полученный битумный компаунд поступает на хранение в хранилище твердых отходов. К недостаткам способа можно отнести его непригодность для отверждения высокоактивных перлитных суспензий, так как из-за высокого уровня ионизирующего излучения отходов неизбежно будет происходить разрушение органической матрицы за счет механизма радиолиза и саморазогрева.

Согласно другому способу /3/ (Авторское свидетельство СССР №1428080, кл. G 21 F 9/16, 1988) радиоактивные перлитные суспензии подвергают разварке в присутствии щелочи в количестве 0,4-0,35 г гидроксида натрия на 1 г перлита. Обработанные таким способом перлитные суспензии смешивают с неорганическими вяжущими – шлако-портландцементом, металлургическим шлаком, выдерживают приготовленную смесь в течение 28 суток для отверждения, а затем цементный компаунд направляют на хранение. Недостатками способа /3/ являются непригодность использования любых модификаций шлаковых, цементных или шлако-цементных матриц для отверждения радиоактивных отходов среднего и высокого уровня активности, а также отходов, содержащих в своем составе значительные количества долгоживущих альфа-нуклидов, из-за высокой степени выщелачиваемости радионуклидов из указанных матриц и недостаточной механической прочности компаунда при содержании солей в нем более 150-200 г/л.

По способу /4/ (патент РФ №2142655, кл. G 21 F 9/16, 9/32) из радиоактивного перлита, стекломодифицирующего компонента (смесь солевого остатка от упаренных жидких радиоактивных отходов атомных электростанций и буры в массовом соотношении между ними не более чем 1: 2) и глинистого материала (вермикулит, клиноптилолит, бензонит, монтмориллонит, биотит или их смеси) приготавливается шихта при следующем соотношении ингредиентов, мас.%: радиоактивный перлит 40-50; стекломодифицированный компонент 40-50; глина 5-10. Приготовление шихты осуществляют путем перемешивания ее ингредиентов в вихревом слое, рабочая температура составляет 1100 и 1200°С, шихта выдерживается при рабочей температуре до образования конечного продукта.

Недостатками способа /4/ являются: применимость способа только для переработки низкоактивных малосолевых отходов, например, отходов атомных электростанций с удельной активностью не более 1·10^-5 Ки/л; возможность образования радиоактивных аэрозолей в виде пыли при приготовлении шихты в вихревом смесителе, что может повлечь за собой радиоактивное загрязнение рабочих мест и помещения; сложность получения равномерного распределения ингредиентов в объеме шихты ввиду их перемешивания в сухом виде; невозможность использования способа для переработки средне- и высокоактивных гомогенных и гетерогенных отходов из-за высокой удельной активности отходов; необходимость использования для приготовления сухой шихты покупных чистых реагентов, а именно, глины различного состава.

При анализе общедоступной литературы каких-либо других известных аналогов, наиболее близких заявляемому способу, не найдено.

Технической задачей изобретения является переработка радиоактивных перлитных суспензий способом, исключающим их накопление и долговременное хранение в емкостях-хранилищах, обеспечивающим возможность переработки суспензий среднего и высокого уровня активности, в том числе, содержащих более 0,05 г/л альфа-нуклидов и/или фтор-ионов более 0,02 г/л, с надежной фиксацией их в радиационно-стойкой матрице, обладающей минимальной способностью к выщелачиванию радионуклидов.

Поставленная задача достигается тем, что радиоактивные перлитные суспензии смешиваются с растворами, содержащими в своем составе или нитрат натрия, или гидроксид натрия, или нитрат алюминия, или гидроксид алюминия, или какую-либо смесь указанных соединений, затем смесь суспензий и растворов обрабатывается стеклообразующими соединениями – бором и/или фосфором, при необходимости катионоактивными реагентами-собирателями, перемешивается и остекловывается.

Или радиоактивные перлитные суспензии с повышенным содержанием фтора после смешивания их с растворами, содержащими в своем составе или нитрат натрия, или гидроксид натрия, или нитрат алюминия, или гидроксид алюминия, или какую-либо смесь указанных соединений, обрабатываются соединениями кальция, затем стеклообразующими соединениями – бором и/или фосфором, приготовленная смесь перемешивается и остекловывается.

Или радиоактивные перлитные суспензии смешиваются со стеклообразующими элементами – бором и/или фосфором, при необходимости обрабатываются катионоактивными реагентами-собирателями и остекловываются.

При переработке перлитных суспензий достигается эффект вторичного использования компонентов, из которых состоит перлит, а именно: SiO₂, Аl₂О₃, CaO, Na₂O, в качестве соединений, образующих каркас стекломассы. Данный способ переработки перлита позволяет существенно снизить использование чистых реагентов при остекловывании средне- и высокоактивных отходов.

Примеры 1-5 иллюстрируют заявляемый способ.

Пример 1. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия следующего состава, мас.%: SiO₂ – 74,5; Аl₂О₃ – 14,2; Fе₂О₃ – 2,7; MgO – 0,35; CaO – 0,42; Na₂O – 4,7; K₂O – 3,2. Содержание НNО₃ в водной фазе суспензии составляет 2 моль/л. Концентрация в твердой фазе суспензии U – 0,1-10 г/кг; Pu – 0,2-0,4 г/кг; Np – 0,02 г/кг. Мощность экспозиционной дозы (МЭД) суспензии – 1500 мкР/с·л. Влажность суспензии 70-85%.

Перлитная суспензия смешивается с кубовым раствором, полученным от упаривания жидких среднеактивных отходов и содержащим 135 г/л натрия, и кубовым раствором, полученным от упаривания азотнокислых высокоактивных отходов, содержащим 40 г/л алюминия. В приготовленную смесь вводится стеклообразователь – раствор с концентрацией бора от 30 до 150 г/л, приготовленный по способу [5]. Смешение радиоактивной перлитной суспензии с кубовыми растворами и стеклообразователем проводится с учетом обеспечения известной области стеклообразования смешиваемых компонентов, в частности, в данном примере содержание основных соединений в приготовленной смеси поддерживается в пересчете на оксиды в диапазоне, мас.%: Na₂О – 18-24; Аl₂О₃ – 3,5-15; В₂О₃ – 7,0-14; SiO₂ – 38-52. Смесь обрабатывается стеариламин-ацетатом из расчета создания его концентрации 10 г/м³ смеси и остекловывается.

Если при смешении перлитной суспензии с кубовыми растворами и стеклообразователем не обеспечивается заданная область стеклообразования, то приготовленная смесь перед остекловыванием может дополнительно корректироваться реагентным раствором, содержащим необходимый элемент, для обеспечения области стеклообразования, в данном случае раствором, содержащим алюминий.

Вместо стеариламин-ацетата могут быть использованы и какие-либо другие известные катионоактивные реагенты-собиратели, например, на основе первичных, вторичных, третичных аминов или их смесей с числом атомов углерода в углеводородных радикалах от 8 до 26.

Пример 2. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия состава, приведенного в примере 1. Переработка перлитной суспензии осуществляется аналогично примеру 1, с тем отличием, что в приготовленную смесь перлитной суспензии и кубовых растворов вводится стеклообразователь – фосфор в виде ортофосфорной кислоты. Смешение перлитной суспензии, кубовых растворов и ортофосфорной кислоты проводится с учетом обеспечения любой известной области стеклообразования, в частности, содержание основных соединений в смеси поддерживается в пересчете на оксиды в диапазоне, мас.%: Na₂O – 19-22; Аl₂О₃ – 25-30; Р₂О₅ – 29-35; SiO₂ – 18-21. Смесь перемешивается и остекловывается.

Пример 3. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия состава, приведенного в примере 1. Переработка перлитной суспензии осуществляется аналогично примеру 2, с тем отличием, что в приготовленную смесь перлитной суспензии и кубовых растворов вводится кальций в виде гидроксида или нитрата. Смешение перлитной суспензии, кубовых растворов, ортофосфорной кислоты и раствора, содержащего кальций, проводится с учетом обеспечения известной области стеклообразования. В данном примере содержание основных соединений в смеси поддерживается в пересчете на оксиды в диапазоне, мас.%: СаО – 6-7; Na₂O – 10; Аl₂О₃ – 7-8; P₂O₅ – 10-11; SiO₂ – 48-50. Смесь перемешивается и остекловывается.

Пример 4. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия состава, приведенного в примере 1, отличающаяся тем, что содержит в своем составе 0,5 г/л фтор-ионов. Переработка перлитной суспензии осуществляется аналогично примеру 3, с тем отличием, что приготовленная смесь имеет повышенную концентрацию алюминия и кальция. Смешение перлитной суспензии, кубового раствора, содержащего алюминий, ортофосфорной кислоты и раствора, содержащего кальций, проводится с учетом обеспечения любой известной области стеклообразования, в частности, содержание основных соединений в смеси поддерживается в пересчете на оксиды в диапазоне, мас.%: СаО – 12-24; Na₂O – 1,5-3; Аl₂O₃ – 13-33; P₂O₅ – 10-17; SiO₂ – 27-43. Смесь перемешивается и остекловывается.

Необходимо отметить, что описанный в примере состав остекловываемой смеси позволяет включать в стекло радиоактивные отходы с повышенным содержанием фтора.

Пример 5. Перерабатывается радиоактивная перлитная суспензия состава, приведенного в примере 1. Переработка перлитной суспензии осуществляется следующим образом. Перлитная суспензия смешивается с раствором, содержащим в качестве стеклообразователя бор от 30 до 150 г/л, полученным по способу /5/ (Заявка России №2001109521, кл. G 21 F 9/06, 2001). Смешение перлитной суспензии и раствора, содержащего бор, проводится с учетом обеспечения любой известной области стеклообразования, в частности, содержание основных стеклообразователей в смеси поддерживается в пересчете на оксиды в диапазоне, мас.%: SiO₂ – 45-60; Аl₂О₃ – 8-10; Na₂O – 3-10; В₂О₃ – 20-50. Приготовленная смесь остекловывается.

Преимущества заявляемого способа переработки радиоактивных перлитных суспензий состоят в том, что способ позволяет исключить накопление и долговременное хранение перлитных суспензий в емкостях-хранилищах, перерабатывать суспензии среднего и высокого уровня активности, в том числе, содержащих значительные количества альфа-нуклидов, перерабатывать отходы с повышенным содержанием фтор-ионов, обеспечить надежную фиксацию радионуклидов, содержащихся в перлитных суспензиях, путем их остекловывания.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В.П.Шведов, В.М.Седов и др. Ядерная технология – М., Атомиздат, 1979, с.186-187.

2. Авторское свидетельство СССР №1480630, кл. G 21 F 9/16, 1989.

3. Авторское свидетельство СССР №1428080, кл. G 21 F 9/16,1988.

4. Патент РФ №2142655, кл. G 21 F 9/16, 9/32, 1998.

5. Заявка России №2001109521, кл. G 21 F 9/06,2001.

Формула изобретения

1. Способ переработки радиоактивных перлитных суспензий, включающий их смешивание с радиоактивными растворами, обработку стеклообразующими элементами, перемешивание для равномерного распределения твердой фазы и остекловывание, отличающийся тем, что радиоактивные перлитные суспензии, содержащие в составе фтор-ионы и более 0,05 г/л альфа-активных радионуклидов, перемешивают с гомогенными и/или гетерогенными радиоактивными отходами, включающими нитрат натрия, или гидроксид натрия, или нитрат алюминия, или гидроксид алюминия, или их смесь, а перед остекловыванием перлитные суспензии обрабатывают соединениями кальция.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно для обеспечения равномерного распределения твердой фазы перлитной суспензии в объеме приготовленную смесь обрабатывают катионоактивными реагентами-собирателями, в качестве которых используют первичные, вторичные, третичные амины или их смеси с содержанием атомов углерода в углеводородном радикале от 8 до 26.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что концентрация катионоактивных реагентов-собирателей равна от 10 до 500 г/м³ приготовленной смеси.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что перлитные суспензии, содержащие более 0,02 г/л фтор-ионов, перед остекловыванием обрабатывают соединениями кальция из расчета 1-10 г кальция на 1 г фтора.