способ переработки гетерогенных радиоактивных отходов

Формула изобретения

1. Способ переработки гетерогенных радиоактивных отходов путем смешивания их с неорганическим связующим и затворяющей жидкостью, отличающийся тем, что из гетерогенных отходов в процессе измельчения удаляют часть поглощенной воды и используют ее в качестве затворяющей.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве гетерогенных отходов перерабатывают ионообменные смолы или угольные сорбенты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что гетерогенные отходы измельчают до размеров частиц 10-300 мкм.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что ионообменные смолы измельчают с использованием вихревых измельчителей.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что угольные сорбенты измельчают с использованием конусных или других аналогичных измельчителей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки гетерогенных радиоактивных отходов, а именно к переработке радиоактивных ионообменных смол и угольных сорбентов, и может быть использовано при переработке их на атомных электростанциях (АЭС) и других предприятиях ядерной энергетики.

На АЭС функционируют многочисленные системы спецхимводоочистки, направленные на очистку контурной воды, воды охлаждения систем управления зашитой, охлаждения бассейнов выдержки облученного топлива, конденсата, трапной водоочистки и т.д. Многие из них основаны на использовании ионообменных фильтров для очистки от солей и радионуклидов и угольных фильтров для очистки от масел и поверхностно-активных веществ. Периодически проводят замену отработанных ионообменных смол и угольных сорбентов на свежие. Отработанные ионообменные смолы и угольные сорбенты подлежат утилизации. Для этого их требуется перерабатывать и хранить в форме, пригодной для извлечения из временных хранилищ и транспортирования в долговременные хранилища. Наибольшее распространение получил метод цементирования с использованием различных неорганических связующих и загрузкой компаунда в контейнеры. При этом большое значение имеет степень наполнения цементного компаунда радиоактивными отходами, так как она напрямую связана с объемом отвержденного продукта. Чем выше степень наполнения, тем меньше объем отвержденного продукта и тем экономичнее процесс переработки. Однако высокое наполнение цементного компаунда отходами приводит к снижению прочностных характеристик. По существующим в России правилам требуется, чтобы предел прочности на сжатие был не менее 50 кг/см². Известен способ цементирования гетерогенных (пульпы) отходов, например, отработанных ионообменных смол. При цементировании учитывают их специфику, а именно склонность к набуханию, и держат повышенное водоцементное отношение при степени включения около 10% по массе (с влажностью 40-50%). Указывается, что лучшие показатели отвержденного продукта получаются при использовании быстротвердеющих марок цемента [1]. Основным недостатком способа является низкая степень включения отходов, 5-6% по сухим смолам, обусловленная недостаточными прочностными характеристиками компаунда. Это приводит к увеличению объема отвержденного продукта и нерациональному использованию полезного объема хранилищ.

Наиболее близким, по заявляемой сущности, аналогом является способ переработки жидких радиоактивных отходов, по которому радиоактивные пульпы смешивают с неорганическим связующим на основе измельченного доменного шлака, цемента и глины и затворяющей жидкостью на основе водного раствора щелочи и жидкого стекла [2]. Здесь измельченный доменный шлак, цемент, щелочь и жидкое стекло образуют матрицу, включающую радиоактивные отходы в количествах больших, чем при использовании только лишь цементного связующего, а глина сорбирует радиоактивный цезий, снижая скорость его выщелачивания из отвержденного продукта.

Недостатком ближайшего аналога является то, что в данном случае в цементную матрицу включается вода, находящаяся в отходах в скрытом виде. Так в ионообменных смолах в набухшем состоянии находится от 40 до 60% воды по массе. В угольных сорбентах внутри пор может находиться до 80% влаги. Это приводит к снижению прочности отвержденного продукта и уменьшению степени наполнения компаунда отходами.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении точности отвержденного продукта, в увеличении степени наполнения, компаунда радиоактивными отходами, а также в снижении количества связующего и улучшении технологического показателя - растекаемости.

Сущность изобретения состоит в том, что в известном, по наиболее близкому аналогу, способе переработки гетерогенных радиоактивных отходов путем смешивания их с неорганическим связующим и затворяющей жидкостью, предложено из гетерогенных отходов в процессе измельчения удалять часть поглощенной воды и использовать ее в качестве затворяющей. В качестве гетерогенных отходов перерабатываются ионообменные смолы или угольные сорбенты. Гетерогенные отходы перед отверждением измельчают до размера частиц 10-300 мкм. При этом ионообменные смолы измельчают с помощью вихревых измельчителей, а угольные сорбенты измельчают с использованием конусных или других аналогичных измельчителей.

Предлагаемые для измельчения ионообменных смол вихревые измельчители (аппараты ЛИВ-линейные измельчители веществ) основаны на принципе измельчения веществ за счет механического взаимодействия ферромагнитных мелющих тел с измельчаемым материалом во вращающемся магнитном поле, создаваемом устройством по типу статора асинхронного двигателя. В предложенном способе поглощенная внутри зерен сорбентов вода, ранее являвшаяся балластом и играющая отрицательную роль, так как снижает степень наполнения компаунда отходами, частично извлекается и используется в качестве затворяющей воды, то есть становится полезной и используется в процессе образования цементного камня. Снижение количества воды в компаунде увеличивает наполнение, плотность и прочность отвержденного продукта. Так предварительное измельчение отходов ионообменных смол позволяет повысить наполнение компаунда с 18-20 мас.% (по сухому) до 25-27 мас.% (по сухому), т.е. на 30%. Предварительное измельчение угольных сорбентов позволяет повысить наполнение компаунда с 21-23 мас.% (по сухому) до 39-41 мас.% (по сухому), т.е. на 100%. Причем при этом наблюдается увеличение величины растекаемости компаунда, которая положительно сказывается на качестве процесса смешения, выгрузки и выравнивания компаунда в контейнере. При равных величинах степени наполнения компаунда отходами, в случае извлечения части поглощенной влаги в процессе предварительного измельчения сорбентов перед отверждением и использования ее в качестве затворяющей, прочностные характеристики (предел прочности на сжатие) отвержденного продукта в два раза выше, чем при отверждении не измельченных сорбентов. В нашем случае измельчение ионообменных смол и угольных сорбентов с величины зерна 0,3-5,0 мм до величины частиц 10-300 мкм увеличивает прочность получаемого компаунда и повышает величину наполнения его радиоактивными отходами. Верхнее значение 300 мкм характерузует величину измельчения, с которого начинает существенно (выше ошибки измерения) проявляться эффект увеличения прочности отвержденного продукта. Нижнее значение 10 мкм характеризует величину измельчения, с которой увеличение достигаемого эффекта становится не существенным, а затраты на получение более мелких частиц превышают величину эффекта. В реальных условиях измельчения присутствуют все фракции в указанных пределах. Распределение тех или иных частиц примерно равное. При смешении с минеральным связующим измельченных ионообменных смол и угольных сорбентов увеличивается растекаемость компаунда, что положительно сказывается на технологических показателях, а именно: облегчается выгрузка компаунда из смесителя и его транспортировка к контейнеру, компаунд самостоятельно однородно размещается в объеме контейнера, не требуется применения дополнительного оборудования - вибраторов или других аналогичных устройств принудительного выравнивания смеси.

Примеры переработки (отверждения) радиоактивных отходов ионообменных смол и угольных сорбентов, приведены в таблице. Для отверждения использовали:

1 - портландцемент марки М-400 и вода;

2 - неорганическое связующее: доменный шлак + портландцемент 400 + бентонитовая глина в соотношении 2:1:0,1 и затворяющий раствор из натриевой щелочи, жидкого стекла и воды в соотношении 1:2:5.

В качестве угольного сорбента использовали уголь БАУ, а в качестве ионообменных смол смесь катионита КУ-2-8-чс и анионита АВ-17-8-чс в соотношении 1:1.

Угольные сорбенты (уголь БАУ) измельчали в конусном измельчителе и растиранием в ступке. Ионообменные смолы измельчали в вихревом измельчителе-аппарате ЛИВ. Величина измельченных гетерогенных отходов составляла 10-300 мкм. Качество получаемых компаундов оценивали по прочности образцов через 28 суток хранения во влажной среде. Эффективность процесса кондиционирования оценивали по коэффициенту изменения объема отходов KV, равному отношению объема компаунда к объему исходного продукта.

Из представленных в таблице экспериментальных данных видно, что при отверждении угля БАУ ( 1) с использованием в качестве связующего портландцемента М-400 в компаунд максимально возможно включить уголь в количестве 23 мас. %, при этом предел прочности отвержденного продукта имеет значение 55 кг/см². При отверждении измельченного угля БАУ ( 2) предел прочности возрастает до 95, а включение в компаунд увеличивается до 41% ( 3). KV снижается до 1,0-0,65, что говорит об уменьшении пористости компаунда и отсутствии в нем излишней влаги. При проведении эксперимента 1 пришлось дополнительно добавлять 8 мас.% затворяющей воды. В эксперименте 3 затворяющую воду дополнительно не добавляли, было достаточно воды, выделившейся в процессе измельчения угля. При отверждении отходов ионообменных смол, эксперименты 4-6, максимальное количество включаемых в компаунд отходов составляет 19-21,3 мас. %, при этом предел прочности на сжатие имеет величину 57 кг/см². При отверждении предварительно измельченных ионообменных смол, эксперименты 7-9, величина включения возрастает до 27,5 мас.%. Предел прочности на сжатие составляет при этом 60 кг/см². Коэффициент изменения объема отходов при отверждении исходных ионообменных смол составляет 1,45-1,7, а при отверждении предварительно измельченных отходов ионообменных смол 1,3-1,4, что также говорит об увеличении плотности и уменьшении пористости компаунда. При мокром измельчении пульп ионообменных смол необходимо удалять избыточную влагу. Этот процесс легко осуществим с использованием центрифуг или фильтрационных аппаратов. Увеличение величины включения отходов в компаунд автоматически приводит к снижению расхода вяжущего на единицу отходов. Реальный расход портландцемента в случае использования данного способа снижается с 35 до 25 мас.% на единицу массы получаемого компаунда. При переработке ионообменных смол расход вяжущего также снижается с 34 до 23 мас.% на единицу массы получаемого компаунда. Одним из показателей технологичности компаунда является его растекаемость. Данные по растекаемости компаундов, полученные с использованием малого вискозиметра Суттарда, показывают, что компаунды полученные при отверждении угля БАУ практически не растекаются, наблюдается их расслоение на уголь и цементное молоко. Компаунды, полученные при отверждении измельченного угля БАУ, имеют растекаемость 90 мм, что соответствует норме, и не расслаиваются. Компаунды, полученные при отвреждении измельченных ионообменных смол, также показывают величину растекаемости на 10-20 мм больше, чем у компаундов, полученных при отвреждении исходных ионообменных смол.

Предлагаемый способ позволяет получить реальный экономический эффект, выражающейся в увеличении включения отходов в цементный компаунд и снижении затрат на переработку жидких радиоактивных гетерогенных отходов. Он технически реализуем с использованием выпускаемого промышленностью отечественного оборудования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Никифоров А. С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. -М: Энергоатомиздат, 1985, 184 с.

2. Способ переработки жидких радиоактивных отходов. Патент РФ 2116682, приоритет 16 июля 1997 г., зарегистрирован 27 июля 1998 г.