Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Инновационная технология иммобилизации радиоактивных отходов на основе магнезиальных матриц

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Методы отверждения ЖРО

Процессы и методы изоляции радионуклидов от окружающей среды

Цементирование ЖРО (включение в цемент) — один из основных методов отверждения как гомогенных (кубовых остатков), так и гетерогенных (пульпы) отходов [16, 28-30].

Цементирование как метод отверждения ЖРО применяется в США, Германии, Великобритании, Франции, Испании, Японии [31].

Причина перспективности и широкого распространения цементирования ЖРО — негорючесть, отсутствие пластичности у отвержденного продукта, простота осуществления процесса смешения концентрата отходов с цементом, дешевизна современных составов цемента, радиационная стойкость, удовлетворительная теплопроводность и прочность. Однако наряду с этим цементирование имеет ряд существенных недостатков: сравнительно невысокая степень включения отвержденных компонентов в цемент, что приводит к увеличению объема отвержденных продуктов, поступающих на хранение; значительная выщелачива- емость из цемента включенных в него компонентов; наличие большого количества воды в отвержденном продукте.

Для цементирования используют различные цементы: портландцемент [32, 33], шлакопортландцемент [34-37], высокоглиноземистые цементы [38, 39], специальные цементы [24, 25].

Основными добавками, улучшающими свойства цементного камня являются: импрегнирующие, химические, минеральные и модифицирующие [25, 26, 39]. Их использование направлено на улучшение таких свойств конечного продукта, как прочность, выщелачиваемость, сроки схватывания, отсутствие водоотделения, растекаемость, увеличение степени наполнения.

В составе клинкера традиционных гидравлических вяжущих на основе портландцемента среди высокоосновных силикатов кальция основным минералом является 3Ca0Si02. Механизм образования цементной матрицы следующий: при гидратационном твердении безводные минералы клинкера превращаются в соответствующие гидросиликаты кальция. Гидратные новообразования создают рыхлую коагуляционную структуру, в которой протекают процессы кристаллизации гидратов, вызывающие уплотнение цементного теста (схватывание). Нарастание прочности при твердении определяется медленной кристаллизацией гидратных составляющих цементного камня.

При иммобилизации ЖРО в цементные матрицы в результате гидра- тационного твердения происходит механический захват отходов, капсу- лирование их в объеме отвержденной матрицы, что приводит к изоляции их от окружающей среды. Однако получаемые цементные матрицы отличались ограниченной устойчивостью к выщелачиванию из них l37Cs — основного, определяющего радиоактивность ЖРО радионуклида. Скорость выщелачивания его из этих материалов составляла величину 10-1 (Г3 г/(см2-сут.) при нормативном значении не более 10~3 г/(см2-сут.), что существенно сдерживало внедрение цементирования в технологии обезвреживания ЖРО среднего уровня удельной активности [40, 41].

С использованием широко известных природных и синтетических минеральных сорбентов на цезий и соответствующих химических технологий для омоноличивания проблемных КО, возможна фиксация ЖРО в цементную матрицу, имеющую скорость выщелачивания порядка 10-5 г/(см2-сут.).

Битумирование ЖРО представляет собой включение радиоактивных веществ в твердый инертный материал на основе асфальтенов и битумов. Принцип битумирования состоит во включении радиоактивных шламов и солей в битумы (продукт перегонки нефти или каменного угля) путем отгонки влаги с получением после охлаждения твердых компаундов [41].

Использование данной технологии сильно ограничено по следующим причинам:

  • • пожароопасность процесса, вследствие возможности самовоспламенения битумной массы под воздействием окислителей (напри мер, нитрата натрия);
  • • жесткие ограничения по солесодержанию и химическому составу концентратов (pH раствора; содержание органических веществ, фторидов, сульфатов и т.д.);
  • • высокая скорость выщелачивания радионуклидов (~1(Г3- 10 4 г/(см2-сут.)).

Переработка ЖРО в битумно-солевые компаунды используется на некоторых российских и зарубежных предприятиях [41^46].

Одним из способов отверждения концентратов высокого уровня активности является кальцинация солей, содержащихся в концентрате отходов, с последующим включением их в керамику или стеклоподобные материалы.

Под кальцинацией обычно понимают получение оксидов и других термостабильных соединений при термической обработке растворов и солей неорганических веществ. Получаемые в результате такой обработки ЖРО оксиды могут быть в дальнейшем включены в керамику или стеклоподобные материалы [41,47-50].

В настоящее время процессы остекловывания считаются наиболее приемлемыми процессами для решения задач долговременной изоляции радиоактивных отходов, загрязненных короткоживущими радионуклидами. Недостатком стекол как матриц для включения РАО является то, что стекла не являются термодинамически стабильными и с течением времени могут подвергаться девитрификации (расстекловыванию), ухудшающей химическую стойкость и механическую прочность материала.

Этого недостатка лишены моно- и полифазная керамика (например, керамика типа SYNROC), стабильная в течение геологических периодов времени. Это особенно важно для радионуклидов, имеющих большой период полураспада (уран, плутоний и др.) [49—54].

SYNROC это один из немногих материалов, удовлетворяющих принципу фазово-химического соответствия с геологическими формациями многих типов.

Технология приготовления SYNROC состоит из механического перемешивания компонентов и горячего прессования при температуре не ниже 1250 °С и давлении не менее 20 МПа. Недостатками данной технологии являются необходимость тщательной подготовки шихты, применение высокого давления, сложность и дороговизна технологического оборудования. Поэтому высокая стоимость исходных материалов и производства, а также сложность технологической схемы ограничивают возможности широкого применения SYNROC для иммобилизации РАО.

Глубинное захоронение жидких радиоактивных отходов осуществляется на трех крупнейших предприятиях Минатома: Сибирском химическом комбинате (г. Северск), горно-химическом комбинате (г. Железногорск), ГНЦ НИИ АР (г. Дмитровград). Сущность глубинного захоронения состоит в нагнетании предварительно подготовленных отходов через буровые скважины в глубокие пористые горизонты — пласты- коллекторы, которые должны удовлетворять определенным требованиям. Отходы занимают ограниченный объем в недрах, положение контура отходов и протекающие при этом процессы контролируются. Считается, что времени локализации отходов в пределах установленных границ горного отвода достаточно велико для снижения радиоактивности нуклидов до безопасных уровней [55-58].

При цементировании, битумировании и остекловывании РАО происходит только механическое связывание радионуклидов в компаунде, и при различных внешних воздействиях (облучение, изменение температуры и др.) может происходить их утечка в окружающую среду. Основной недостаток этих методов — не удовлетворение принципу фазово-химического соответствия матрицы РАО и вмещающей геологической формации. Несоответствие между физико-химическими свойствами созданной «упаковки» РАО и геологической формации, в которой производится их захоронение, ведет к тому, что на границе «упаковка» РАО — геологическая среда начинаются химические и иные реакции, разрушающие защитный барьер, и происходит утечка радиоактивности.

Таким образом, матричных материалов, полностью удовлетворяющих всем требованиям безопасного длительного хранения нет. Поэтому во всех странах с развитой ядерной энергетикой ведутся разработки новых перспективных материалов для иммобилизации РАО.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>