Патент на изобретение №2273068

(54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ГРАФИТОВЫХ ОТХОДОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области переработки твердых радиоактивных отходов. Сущность изобретения: способ обработки радиоактивных графитовых отходов, при котором на поверхность радиоактивных графитовых отходов путем осаждения наносят защитное от выщелачивания радионуклидов покрытие. Перед нанесением защитного от выщелачивания радионуклидов покрытия поровое пространство радиоактивных графитовых отходов уплотняют пироуглеродом на глубину не менее 3 мм. При этом пироуглерод получают пиролизом газообразных углеводородов. В качестве защитного от выщелачивания радионуклидов покрытия используют карбид кремния, который формируют на поверхности радиоактивных графитовых отходов восстановлением в среде монооксида кремния. Преимущества изобретения заключаются в надежности способа и его упрощении. 2 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области атомной энергетики, в частности к технологии обработки радиоактивных графитовых отходов. Такие отходы содержат радионуклиды, в том числе и долгоживущий изотоп углерода ¹⁴С, образовавшийся под воздействием на графит нейтронов.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ обработки радиоактивных графитовых отходов, при котором на графитовую поверхность путем осаждения наносят защитное от выщелачивания радионуклидов покрытие (патент РФ №2123213, МПК G 21 F 9/28, опубл. 10.12.98. БИ №34).

Указанный способ покрытия основан на нанесении двух перекрывающихся металлических слоев, причем первый слой выполнен медным, а второй – никелевым, при помощи так называемого метода химического восстановления или безэлектродной каталитической реакции. Толщина защитного покрытия на готовом продукте при использовании указанного способа составляет от 4 до 40 мк. При этом процесс обработки включает в себя большое количество технологических операций. На первом этапе осуществляют регенерацию активных точек, адсорбцию ионов катализатора, восстановление ионов катализатора. При чем, чтобы регенерировать активные точки, радиоактивный графит предварительно погружают в ванну с ацетоном на время, после чего графит вынимают из ванны и высушивается на открытом воздухе, чтоб ацетон испарился. На втором этапе осуществляют промывание, меднение. Сразу же после того, как слой меди будет осажден, для отложения никелевого слоя материал помещают в никелевую металлизационную ванну, а затем в восстанавливающий раствор. В заключении материал обильно промывается водой.

Недостатки известного способа заключаются в следующем.

Образующаяся максимальная толщина покрытия в 40 мк не может работать в качестве барьера для радиоактивного графита более трех лет, не говоря уже о толщине покрытия в 4 мк. К тому же первый защитный слой, осаждаемый на поровой графитовой поверхности, имеет такое тонкое металлическое покрытие, которое не позволяет получить однородную структуру по его толщине, ее контроль, особенно внутри поверхностных пор, что не обеспечивает прочность сцепления защитных слоев друг с другом. Такое покрытие может привести к отрыву никелевого слоя и разблокированию радиоактивного графита.

Кроме того, известный способ не позволяет получить продукт переработки радиоактивного графита, пригодный для длительного хранения/захоронения еще и потому, что образуемое никелевое покрытие не защищает радиоактивный графит от воздействия окружающей среды, в которой могут присутствовать и кислотные составляющие (кислотные дожди).

Кроме того, в результате использования известного способа образующееся покрытие не выполняет роль барьера в случае воздействия высоких температур (например, во время пожара температура – 1350°) так, как температура плавления медной составляющей – 1083°С.

Кроме того, известный способ обработки радиоактивного графита включает в себя большое число операций, что значительно усложняет технологический процесс и делает его трудно контролируемым.

Задачей заявляемого способа является повышение его надежности и упрощение технологического процесса.

Технический результат настоящего изобретения заключается в том, что позволяет исключить выход радиоактивных нуклидов в окружающую среду за счет того, что пироуглерод, уплотняющий поровое пространство графита, обеспечивает с ним высокую адгезионную связь, а также за счет того, что нанесение покрытия карбидом кремния сопровождается прорастанием его в основной материал так, как процесс нанесения покрытия осуществляется с участием углерода из самого обрабатываемого материала.

Кроме того, материал, получаемый в результате предлагаемого способа обработки, позволяет создать бескислородную среду хранения/захоронения радиоактивного графита, а также обеспечить его защиту в любой агрессивной среде при повышенных температурах.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе обработки радиоактивных графитовых отходов, при котором на графитовую поверхность путем осаждения наносят защитное от выщелачивания радионуклидов покрытие, перед нанесением покрытия поровое пространство графита уплотняют пироуглеродом на глубину не менее 3 мм, при этом пироуглерод получают пиролизом газообразных углеводородов, а осаждение осуществляют восстановлением карбида кремния в среде монооксида кремния.

Кроме того, уплотнение графита пироуглеродом осуществляют в атмосфере, например, метана при давлении не менее 25 мм рт.ст., при температуре не менее 850°С с выдержкой не менее 25 ч.

Кроме того, защитное осаждение карбида кремния осуществляют при температуре не менее 1850°С с выдержкой не менее 2 ч.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Пример 1.

Радиоактивный реакторный графит, открытая пористость которого составляет 22-24%, помещают в герметичный реактор. Затем подают метан и создают давление 25 мм рт.ст. Температуру поднимают до 1050°С и делают выдержку в течение 25 ч. Продукт разложения метана – пиролитический углерод заполняет поровое пространство графита, идет процесс объемного уплотнения графита пироуглеродом. Происходит блокировка радионуклидов пироуглеродом. Затем подачу метана в реактор прекращают и операцию осуществляют в среде монооксида кремния при температуре 1850°С в течение 4 ч. Далее реактор охлаждают. В результате проведенной обработки на материале получают слой уплотненного графита на глубину 3,0 мм и слой из карбида кремния 0,5 мм. Полученный продукт экологически безопасен и подлежит захоронению.

Пример 2.

Радиоактивный реакторный графит, открытая пористость которого составляет 15-17%, помещают в герметичный реактор. Затем подают метан и создают давление 28 мм рт.ст. Температуру поднимают до 1000°С и делают выдержку в течение 27 ч. Затем подачу метана в реактор прекращают и операцию осуществляют в среде монооксида кремния при температуре 1950°С в течение 3 ч. Далее реактор охлаждают. В результате проведенной обработки на материале получают слой 0,6 мм из карбида кремния, при этом глубина объемного уплотнения полученного продукта составляет 3,05 мм. Полученный продукт экологически безопасен и подлежит захоронению.

Пример 3.

Радиоактивный реакторный графит, открытая пористость которого составляет 22-24%, помещают в герметичный реактор. Затем подают метан и создают давление 30 мм рт.ст. Температуру поднимают до 1100°С и делают выдержку в течение 30 ч. Затем подачу метана в реактор прекращают и процесс осуществляют в среде монооксида кремния при температуре 2050°С в течение 6 ч. Далее реактор охлаждают. В результате проведенной обработки на материале образуется слой 1,0 мм из карбида кремния, при этом глубина объемного уплотнения полученного продукта составляет 3,08 мм. Полученный продукт экологически безопасен и подлежит захоронению.

Глубина макропор, выходящих на поверхность может достигать 1,0-1,5 мм, поэтому для обеспечения надежности в процессе обработки глубина порового уплотнения должна быть, по крайней мере, не менее 3 мм, а нагрев при температуре не ниже 850°С в атмосфере метана обеспечивает его прохождение на требуемую глубину обрабатываемого материала и осуществление пиролиза.

Дальнейшая обработка в атмосфере монооксида кремния при температуре не менее 1850°С приводит к формированию слоя карбида кремния, прочно соединенного с графитом. Это объясняется тем, что и в процессе пиролиза газообразных углеводородов и в процессе нанесения покрытия из карбида кремния, в котором участвует углерод из самого обрабатываемого материала, процесс образования карбида кремния сопровождается с прорастанием его в основной материал.

Таким образом, после такой обработки на готовом продукте образуется барьер, состоящий не только из пироуглерода, но и из карбида кремния, обладающего высокой термостойкостью, стойкостью к кислотам, окислению при температурах выше 1350°С в кислородосодержащей среде, стойкостью к воде и непроницаемостью для газа, а также позволяющий осуществлять хранение/захоронение в бескислородной среде.

Кроме того, благодаря тому, что в процессе обработки осуществляется поровое уплотнение пироуглеродом, а на поверхности готового продукта образуется защитный слой из карбида кремния, создаются условия, позволяющие исключить выход в окружающую среду из высокоактивного графита не только радионуклидов, но и возможных фрагментов топливной композиции.

Формула изобретения

1. Способ обработки радиоактивных графитовых отходов, при котором на поверхность радиоактивных графитовых отходов путем осаждения наносят защитное от выщелачивания радионуклидов покрытие, отличающийся тем, что перед нанесением защитного от выщелачивания радионуклидов покрытия поровое пространство радиоактивных графитовых отходов уплотняют пироуглеродом на глубину не менее 3 мм, при этом пироуглерод получают пиролизом газообразных углеводородов, а в качестве защитного от выщелачивания радионуклидов покрытия используют карбид кремния, который формируют на поверхности радиоактивных графитовых отходов восстановлением в среде монооксида кремния.

2. Способ обработки по п.1, отличающийся тем, что уплотнение графита пироуглеродом осуществляют в атмосфере метана при давлении не менее 25 мм рт.ст., при температуре не менее 850°С с выдержкой не менее 25 ч.

3. Способ обработки по п.1 или 2, отличающийся тем, что защитное осаждение карбида кремния осуществляют при температуре не менее 1850°С с выдержкой не менее 2 ч.