способ остекловывания радиоактивного зольного остатка

Формула изобретения

1. Способ остекловывания радиоактивного зольного остатка, включающий смешение зольного остатка с порошкообразными компонентами, обеспечивающими его перевод в стеклообразное состояние, нагрев смеси до образования стеклорасплава и его охлаждение до получения монолитного продукта, отличающийся тем, что в качестве порошкообразных компонентов, обеспечивающих перевод зольного остатка в стеклообразное состояние, используют смесь перманганата калия, алюминия и силикокальция при общем соотношении ингредиентов, мас.%:

Радиоактивный зольный остаток - 50 - 56

Перманганат калия - 20 - 22

Алюминий - 4 - 6

Силикокальций - 18 - 22

а нагрев смеси осуществляют путем инициирования экзотермической реакции между компонентами смеси радиоактивного зольного остатка, перманганата калия, алюминия и силикокальция.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что инициирование экзотермической реакции между компонентами смеси радиоактивного зольного остатка, перманганата калия, алюминия и силикокальция осуществляют путем поджога смеси или пропускания через смесь электрического разряда.

Описание изобретения к патенту

Заявляемый способ относится к области охраны окружающей среды, а точнее к области переработки радиоактивных отходов (РАО) путем их фиксации в устойчивой твердой матрице. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть реализован при переработке зольных остатков (ЗО), образующихся при сжигании твердых радиоактивных отходов (ТРО).

Известен способ обработки расплавлением золы радиоактивных отходов [1], включающий предварительное плавление в металлическом индукционном нагревателе стеклообразующего флюса, подачу в расплав золы ТРО, выдержку смеси до образования стеклоподобного материала и его охлаждение до образования монолитного продукта, направляемого на долгосрочное хранение.

Недостатками известного способа являются его неэкономичность, связанная с повышенной энергоемкостью, и сложность, связанная с многостадийностью процесса, а также большое количество образующихся вторичных отходов.

Известен способ переработки золы с использованием микроволнового излучения, когда к отходам добавляют соединения железа, кальция, кремния и/или бора, которые повышают эффективность плавления золы. Полученный материал охлаждают и отправляют на захоронение [2].

Недостатком известного способа является также неэкономичность, связанная с потреблением электроэнергии и продолжительностью процесса.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ отверждения золы путем смешивания золы с неорганической добавкой, последующего нагрева и охлаждения полученного материала [3].

Способ включает смешивание золы с неорганической добавкой, в качестве которой используется стеклофритта следующего состава, мас.%: 59 SiO₂; 12 Na₂O; 15 B₂O₃; 4,3 CaO; 7,5 ZnO; 2,2 K₂O, при соотношении зола: фритта 30-40 : 60-70, нагрев смеси за счет внешнего подвода энергии до температуры 1100-1250^oC, выдержку при этой температуре в течение 2 часов и охлаждение. Выдерживая указанные параметры процесса, получают стеклоподобный материал, пригодный для долгосрочного хранения.

Недостатками известного способа являются:

неэкономичность, связанная с повышенной энергоемкостью процесса;

- продолжительное течение процесса, что сопровождается повышенным образованием вторичных отходов, требующих повторной переработки;

- невысокое наполнение матрицы радиоактивными отходами - 30-40 мас.%.

Преимуществами заявляемого способа являются:

- снижение энергозатрат за счет ведения процесса без внешнего подвода энергии;

- уменьшение течения процесса во времени;

- увеличение наполнения зольным остатком радиоактивных отходов конечного продукта.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что в заявляемом способе зольный остаток от сжигания горючих РАО смешивают с экзотермическими компонентами при соотношении ингредиентов, мас.%:

Зольный остаток - 50-56

Перманганат калия - 20-22

Алюминий(порошок) - 4-6

Силикокальций - 18-22

Смесь зольного остатка и экзотермических компонентов помещают в стальной контейнер, поджигают, инициируя экзотермическую реакцию между компонентами, в ходе которой зольный остаток и продукты реакции переходят в расплав, после расплав охлаждают.

Реакция протекает в узкой зоне и самопроизвольно распространяется по веществу в виде волны горения. В волне горения развивается высокая температура, происходит образование новых соединений и выделение тепла, достаточного для образования расплава из компонентов смеси.

Процесс перевода зольного остатка в стеклоподобное состояние осуществляется за счет тепла, выделяющегося в ходе окислительно-восстановительной реакции между силикокальцием, алюминием и перманганатом калия. Реакция характеризуется высоким тепловым эффектом, проходит в режиме горения и обеспечивает подъем температуры в волне горения до 1700^oC.

Выбор в качестве основного экзотермического компонента силикокальция объясняется тем, что, как было установлено, силикокальций способен образовывать с Al, Mg и Si - составляющими компонентами зольного остатка - алюмосиликаты типа Ca (Al₂Si₂), CaMgSi₂O₆, Ca₃ (Si₃O₉), которые легко плавятся и хорошо совместимы со стеклофазой, что способствует улучшению качества конечного продукта за счет повышения его гомогенности.

Снижение содержания силикокальция менее 18 мас.% приведет к повышению рабочей температуры процесса и выбросу продуктов реакции вместе с радионуклидами в окружающую среду. Повышение содержания силикокальция сверх 22 мас. % приведет к неполному участию его в процессе и получению конечного продукта, непригодного для долгосрочного хранения.

Выбор в качестве второго компонента- восстановителя алюминия обусловлен большим выделением теплоты при его окислении. При содержании алюминия менее чем 4 мас. % тепловыделение в системе снижается, вследствие чего не происходит расплавления смеси, процесс протекает вяло, а увеличение его содержания сверх 6 мас.% ведет к увеличению тепловыделения и взрывному течению процесса.

Перманганат калия играет роль окислителя. Снижение содержания KMnO₄ менее 20 мас.% в составе смеси приведет к понижению температуры процесса, которая не обеспечит расплавления всех компонентов смеси и образования стеклоподобного продукта, в результате чего получится пористый материал, не пригодный для долгосрочного хранения. Увеличение же его содержания сверх 22 мас.% существенно повысит тепловыделение, что приведет к разбрызгиванию расплава и опасному течению процесса.

Введение зольного остатка от сжигания ТРО более 60 мас.% в смесь с экзотермическими компонентами приведет к понижению температуры процесса, так как отдельные компоненты золы, включая кремнезем, оксид алюминия и гидроксилаптит, являются тугоплавкими и тепла, выделяемого в результате реакции, будет недостаточно для полного взаимодействия всех компонентов смеси, следствием чего будет неудовлетворительное качество конечного продукта. При введении зольного остатка в смесь в количестве менее 50 мас.% повысится температура процесса, что приведет к опасному течению процесса за счет повышения уноса радионуклидов.

Способ реализуют следующим образом.

В стальной контейнер загружают 3 кг смеси состава, мас.%: силикокальций - 20, Al-4, KMnO₄ - 20. зола -56, и с помощью огнепроводящего шнура или электрического разряда инициируют экзотермическую реакцию. Затем контейнер с конечным продуктом охлаждают за счет естественного понижения температуры и направляют на захоронение.

Предлагаемый способ, с применением в качестве энерговыделяющих реагентов силикокальция, алюминия и перманганата калия, позволяет получить монолитный продукт, структура которого представлена аморфной стеклофазой и кристаллическими включениями (Ca₂P₂O₇, KAlSiO₄, Ca₂SiO₄, Na₃Ca₆(PO₄) и др.). Водоустойчивость продукта по Na⁺ составляет 10^-6 - 10^-7 г/см²сут, по ¹³⁷Cs - 10^-6 - 10^-7 г/см²сут, что вполне удовлетворяет предъявляемым требованиям. Наполнение конечного продукта компонентами РАО составляет 50-60 мас.%.

В результате проведенных испытаний было установлено, что по сравнению с прототипом

- для своей реализации способ не требует внешнего подвода энергии;

-время реализации способа сокращается в 3-4 раза;

-степень наполнения конечного продукта радиоактивными отходами возрастает в 2-2,5 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Заявка Японии N 4-50558 B₄ МКИ⁵: G 21 F 9/30,9/32, оп. 28.02.85.

2. Заявка Японии N 55076029-A, МКИ G 21 F9/32, C 22 B 7/00, H 05 B 6/64, оп.07.06.80.

3. Management of Alpha-Contaminated Wastes. IAEA. Vienna, 1981, p.339-354, C.R. Palmer, G.B. Mellinger, J.M. Rusin.