CC BY
0
УДК 54.057; 546.05; 502.1; 621.039.73
Кузнецов М.В.,
доктор химических наук, главный научный сотрудник,
Щелкунова М.А., научный сотрудник, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г. Москва
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ В МИНЕРАЛОПОДОБНЫХ МАТРИЦАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Аннотация
В работе развивается концепция, основанная на использовании процессов синтеза материалов матриц для иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО) в режиме горения в качестве альтернативного подхода к решению экологических проблем по отношению к используемому в промышленном масштабе методу остекловывания. В качестве дополнительного фактора в процессах синтеза рассматривается метод силового компактирования.
Ключевые слова
высокоактивые отходы (ВАО), иммобилизация, процессы горения, СВС, матрицы, кальцинаты,
компактирование, водостойкость, экология.
Химическая переработка отработанного ядерного топлива сопряжена с образованием большого количества жидких ВАО, долговременное хранение которых представляет собой важную научно-техническую проблему. В настоящее время практически единственным способом изоляции ВАО от биосферы, используемым в промышленном масштабе, является их иммобилизация в матрицах на основе фосфатных и боросиликатных стекол. Однако стекла являются термодинамически неравновесными системами, в связи с чем их применение в качестве матриц не дает достаточных гарантий от проникновения радионуклидов в окружающую среду при длительных сроках захоронения. По этим причинам, наряду с совершенствованием существующего метода «остекловывания» ВАО, разрабатываются другие виды материалов для использования в качестве матриц, обладающих стабильностью, сопоставимой со стабильностью пород и минералов земной коры. В частности, значительное внимание уделяется использованию минералоподобной керамики на основе синтетических аналогов породообразующих минералов, высокая устойчивость и долговечность которых доказана в естественных условиях. Для получения минералоподобной керамики предлагаются различные технологии, в том числе холодное прессование с последующим отжигом, горячее прессование, синтез из расплавов и др. Все эти технологии требуют сложного аппаратурного оформления, использования термически- и коррозионностойких материалов тиглей, а также больших энергетических затрат. Этих недостатков в значительной мере лишены технологические подходы, основанные на реакциях горения или самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), в том числе совмещенные с методами силового компактирования.
Синтез материалов матриц в процессах СВС проводится в ходе высокоэкзотермичных взаимодействий реагентов в конденсированной или жидкой фазе, протекающих в режиме горения. В волне горения достигается высокая температура (выше 1000 0С), в результате чего обеспечивается самопроизвольное распространение фронта горения по исходной смеси реагентов с большой скоростью. Важной особенностью процессов СВС является простота технологического цикла и оборудования, в частности, отсутствие печей. Применительно к проблеме иммобилизации ВАО, необходимо отметить протекание СВ-синтеза с восстановительной стадией, которая обеспечивает перевод ионов актиноидов
(U, Pu, Ne) в более низкие, трех- и четырехвалентные состояния. Тем самым создаются условия, благоприятные для вхождения нуклидов в решетку матриц. Существенным фактором также являются высокие скорости процессов горения, что способствует снижению потерь легко летучих компонентов ВАО за счет уменьшения времени их нахождения в зоне высоких температур в несвязанном состоянии. Технология СВС-компактирования ВАО непосредственно в процессе горения предусматривает использование кальцинатов, т.е. отходов, предварительно прошедших термическую обработку и находящихся в виде оксидов. Все исследования были выполнены с использованием нерадиоактивных моделей - смесей оксидов, имитирующих ВАО, которые отражали типовой состав кальцинированных отходов. В этой смеси поведение актиноидов имитировали редкоземельные элементы, а поведение 90Sr и 137Cs - стабильные изотопы цезия и стронция. Таким образом, предусматривалась иммобилизация всей совокупности ВАО. Основное внимание в исследованиях уделялось изучению поведения Cs и Sr. Во-первых, хотя изотопы 137Cs и 90Sr характеризуются относительно небольшим периодом полураспада, в экологическом отношении они являются опасными даже после 20-и летней выдержки ВАО. Во-вторых, соединения Cs и Sr хорошо растворимы в воде и легко выщелачиваются водой, что определяет необходимость водоустойчивости синтезированной керамики. Основным требованием к предназначенным для фиксации ВАО матрицам является высокая стойкость их материалов к воздействию природных вод, что, в свою очередь, связано со структурной стабильностью, радиационной устойчивостью, механической прочностью, плотностью, пористостью и т.д. В-третьих, попытки фиксации Cs во всех известных технологиях всегда сопровождались значительными потерями этого нуклида из-за высокой летучести его соединений.
В результате проведенных исследований, в режиме горения были синтезированы следующие устойчивые минералы: перовскит (CaTiO3), цирконолит (CaZrTi2O7) и поллуцит (CsAlSi2O6). В кристаллические решетки перовскита и цирконолита могут быть включены в качестве изоморфных примесей почти все элементы, входящие в состав ВАО, в том числе Sr, Y, лантаноиды, трех- и четырехвалентные актиноиды. Один из наиболее опасных нуклидов - Cs не может быть введен в решетки этих минералов по размерным соображениям. Для его фиксации в состав синтезируемой керамики вводится аналог природного минерала цезия - поллуцита.
© Кузнецов М.В., Щелкунова М.А., 2024
УДК 54.057; 546.05; 502.1; 621.039.73; 546.261
Кузнецов М.В.,
доктор химических наук, главный научный сотрудник,
Щелкунова М.А., научный сотрудник, ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), г. Москва
НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПЕРЕРАБОТКЕ ОТРАБОТАВШЕГО СВОЙ РЕСУРС РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Аннотация
В работе предложены технологические подходы к переработке углеродсодержащих высокоактивных отходов (ВАО), основанные на использовании процессов высокотемпературного горения и синтеза композитных каркасных материалов в виде карбидов различного состава. В качестве
