стеклообразующий борофосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов

Формула изобретения

Стеклообразующий борофосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов путем остекловывания, содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид бора, оксид фосфора и естественные примеси оксидов многовалентных элементов, причем он дополнительно содержит оксид лития при следующем соотношении компонентов, мас.%: Na₂O 22,0-26,0; Al₂О₃ 13,0-28,0; В₂О₃ 3,0-6,0; P₂O₅ 38,0-55,0; Li₂O 0,5-1,0; естественные примеси оксидов многовалентных элементов - остальное.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки жидких радиоактивных отходов, в частности к составам для иммобилизации жидких высокоактивных отходов (ВАО) путем их остекловывания.

На предприятиях атомной промышленности, занятых переработкой облученного топлива атомных станций, образуются жидкие радиоактивные отходы высокого уровня активности, которые в целях снижения их потенциального воздействия на окружающую среду до безопасного уровня подвергают отверждению, в частности остекловыванию.

Аналогом заявляемого изобретения является фосфатный стеклообразующий состав, используемый при остекловывании жидких ВАО в керамическом плавителе [1]. В результате иммобилизации получают фосфатное стекло при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Na2O	22-26
Al2O 3	14-19
P2O5	53-57
Сумма оксидов металлов,
содержащихся в отходах,
включая Al2О3	21-26

Температура процесса варки этого стекла находится в пределах 900-1150°С.

Недостатком этого процесса является невозможность получения гомогенного качественного стекла при увеличении концентрации оксида алюминия и других оксидов металлов, содержащихся в отходах, при сохранении температуры варки в диапазоне 900-1150°С.

При экстракционной переработке алюминийсодержащих тепловыделяющих сборок получают жидкий рафинат высокого уровня активности, то есть ВАО - азотнокислый раствор алюминия, редкоземельных элементов, платиноидов, продуктов коррозии и др., причем концентрация алюминия в нем существенно превосходит сумму концентраций всех других катионов. Поэтому эффективность последующего процесса остекловывания определяется степенью включения в стекло как всех оксидов элементов, содержащихся в ВАО вообще, так и алюминия в частности. Однако рост концентрации алюминия в стекле сопровождается увеличением температуры процесса стекловарения, что нецелесообразно по техническим причинам. Это вызывает коррозионный износ элементов стекловаренной печи и уменьшение срока ее эксплуатации, а также повышает унос радионуклидов из расплава и нагрузку на газоочистные системы. Для получения гомогенного качественного стекла при увеличении концентрации оксида алюминия и других оксидов металлов без необходимости увеличения температуры варки расплава выше 1200°С и ухудшения основных характеристик отвержденных отходов (химическая стойкость и кристаллизация) был предложен стеклообразующий состав, который дополнительно содержит оксид бора. Увеличение концентрации оксида алюминия и других оксидов металлов, содержащихся в отходах, приводит к повышению производительности и эффективности работы комплекса остекловывания жидких ВАО.

Однако введение добавок бора в фосфатные стекла с высоким содержанием Al₂O ₃ практически не снижает температуру розлива.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является стеклообразующий фосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов путем остекловывания [2], содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид фосфора, оксид бора, оксиды редкоземельных элементов и продукты коррозии при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Na2O	21-27
Al2O 3	14-28
P2O5	32-50
В2О 3	3-9
Сумма оксидов металлов,
содержащихся в отходах,
включая Al2O 3	19-35.

Однако при такой рецептуре борофосфатного стекла, тем не менее, остается резерв для снижения вязкости, температуры розлива расплава и, тем самым, уменьшения уноса летучих радионуклидов, в частности Cs¹³⁷.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение уноса летучих радионуклидов путем снижения вязкости и температуры разлива расплава.

Для решения поставленной задачи предложен стеклообразующий борофосфатный состав для иммобилизации алюминийсодержащих жидких высокоактивных отходов путем остекловывания, содержащий оксид натрия, оксид алюминия, оксид бора, оксид фосфора и естественные примеси оксидов многовалентных элементов, причем он дополнительно содержит оксид лития при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Na2O	22,0-26,0
Al2 О3	13,0-28,0
В2O3	3,0-6,0
Р2O5	38,0-55,0
Li2 O	0,5-1,0
Естественные примеси оксидов
многовалентных элементов	Остальное

Исследовалось влияние добавок соединений лития на температуру и скорость варки, вязкость, электросопротивление, кристаллизуемость натрийборофосфатных стекол с высоким содержанием оксида алюминия. Оксид лития в смеси с оксидом натрия в стекле является плавнем и по некоторым данным оксид лития снижает электросопротивление оксидных расплавов [3].

Известно, что в фосфатных системах имеются соединения с высоким содержанием оксида лития и оксида алюминия. Эти соединения включают оксиды натрия, оксиды алюминия и оксиды фосфора при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

Li2O	8-10
Al2О 3	31-34
Р2O5	43-48
Na2O, MgO, Fe2O3, F, (ОН)	остальное.

Соединения существуют в природе как амблигониты и имеют кристаллическую структуру [4]. Как показали опыты, фазы на основе амблигонитов (Li Na) Al(PO₄) плавятся при 1200-1250°С. Отсюда, введение сравнительно больших добавок лития в алюмофосфатные системы не дают снижения температуры варки фосфатных стекол. В то же время известно, что введение небольших количеств оксида лития в боросиликатные стекла увеличивает производительность варки при одновременном снижении ее температуры, способствует лучшему осветлению стекломассы, уменьшает улетучивание компонентов из расплава стекла [5]. Изучалось влияние добавок оксида лития в количестве 0,5-1,5 мас.% на температуру, скорость варки, вязкость, электросопротивление и кристаллизуемость борофосфатных стекол в зависимости от содержания в них оксида алюминия. Борофосфатные стекла с содержанием 1,5 мас.% оксида лития кристаллизуется при охлаждении. Отрицательное влияние 1,5 мас.% оксида лития на свойства борофосфатного стекла может быть объяснено появлением при данной концентрации лития тугоплавкой фазы, содержащей амблигонит.

Введение небольших добавок оксида лития 0,5-1,0 мас.% не ухудшает кристаллизационные свойства борофосфатного стекла. Литийборофосфатные стекла с содержанием оксида алюминия 18-28 мас.% не кристаллизуются даже вблизи температур расстекловывания (500°С).

Небольшие добавки оксида лития в борофосфатное стекло в интервале концентраций 0,5-1,0 мас% заметно снижают вязкость стекломассы, содержащей 18-28 мас.% оксида алюминия. Благодаря добавке в борофосфатное стекло, содержащее 28 мас.% оксида алюминия, до 1,0 мас.% оксида лития вязкость стекломассы при 800-850°С примерно на 30% ниже, чем вязкость высокоалюминиевого борофосфатного стекла. При этом вязкость литийборофосфатного стекла лежит в допустимых для розлива стекломассы пределах (73-95 Пуаз). Вязкость литийборофосфатных стекол, содержащих 18 мас.% оксида алюминия, при температурах 750°С в два раза ниже, чем вязкость аналогичных борофосфатных стекол, что позволит осуществить розлив стекломассы при низкой температуре и тем самым уменьшить унос летучих радионуклидов (Cs¹³⁷).

При температуре варки, равной 1000°С, химическая стойкость стекол высока и составляет от 1·10 ^-6 до 9·10^-6 г/см² сутки. Кроме того, введение небольших добавок оксида лития открывает возможности для исключения водяного охлаждения в отдельных элементах сливного узла (сливной желоб, сливной носик) при условии их выполнения из жаростойкого сплава ХН70Ю (ЭП652), повышения коррозионной стойкости панели сливного отверстия, работающего в накопительной зоне в условиях ниже и выше уровня стекломассы.

Результаты опытных операций остекловывания приведены в таблице.

Таблица
№	Состав стекла, мас.%						Температура слива, °С
	Na 2O	Li2O	В2O3	Р2O 5	Al2О 3	Al2O 3+отх.
1	23,0	0,0	0,0	52,0	19,0	25,0	1000
2	24,0	0,0	3,0	43,0	24,0	30,0	950
3	23,5	0,5	3,0	43,0	24,0	30,0	850
4	23,0	1,0	3,0	43,0	24,0	30.0	820
5	24,0	0,0	6,0	40,0	28,0	30,0	980
6	23,5	0,5	6,0	40,0	28,0	30,0	910
7	23,0	1,0	6,0	40,0	28,0	30,0	860
8	25,0	0,0	0,0	52,0	17,0	23,0	960
9	24,5	0,5	3,0	49,0	17,0	23,0	790
10	24,0	1,0	3,0	49,0	17,0	23,0	750

Таким образом, преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что заявляемый стеклообразующий состав обеспечивает получение качественного гомогенного стекла с высокой концентрацией оксида алюминия и оксидов металлов, содержащихся в отходах, при температуре слива расплава не выше 750°С.

Источники информации

1. Поляков А.С. и др. Опыт эксплуатации керамического плавителя ЭП-500/1Р по остекловыванию жидких высокоактивных отходов. М.: Атомная энергия, т. 76, вып.3, март 1994 г., с. 183-185.

2. Патент РФ №2203513, МПК 7 G 21 F 9/16, опубл. 27.04.2003 г.

3. Производство алюминия. Справочник металлурга, М., Металлургия, 1971, с. 58-59.

4. Остроушко Ю.И. Литий, его химия и технология, М.: Атомиздат, 1960.

5 Lareon Charter, E. Glass Industry, 1986, N 13. р. 14-16.