CC BY
107
DOI: 10.25702/KSC.2307-5252.2018.9.1.911 -913 УДК 621.039.736 : 666.9-13
ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КЕРАМИЧЕСКИХ МАТРИЦ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
О. Э. Шубабко, Д. Д. Владимирова, Г. Е. Овсянникова, Мин Хейн Хтет, М. А. Вартанян
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Аннотация
Выполнен сравнительный анализ различных матриц для иммобилизации радиоактивных
отходов. Показаны области и перспективы применения керамики для их утилизации. Ключевые слова:
иммобилизация радиоактивных отходов, керамические матрицы, остекловывание,
бетонирование, битумирование.
ADVANTAGES OF USING CERAMIC MATRIXES FOR THE IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTE O. E. Shubabko, D. D. Vladimirova, G. E. Ovsyannikova, Min Hein Htet, M. A. Vartanyan
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia Abstract
Various ways of immobilization of radioactive waste have been considered and analyzed. The areas
and prospects of using ceramics for their utilization are shown. Keywords:
immobilization of active waste, ceramic matrix, vitrification, concreting, bituminization.
Проблема иммобилизации отходов является одной из главных для атомной промышленности. Ядерная энергетика ведет к накоплению радиоактивных отходов (РАО), представляющих опасность для человека и окружающей среды.
Иммобилизация РАО является трудоемкой из-за высоких требований к матрицам для включения РАО и к технологическим процессам её осуществления. Матрицы, содержащие РАО, должны быть химически, термически и радиационно-стойкими, а процессы — надежными и не требующими непосредственного участия человека.
На сегодняшний день учеными разработано множество технологических приемов, дающих возможность проводить утилизацию отходов. В качестве основных можно выделить бетонирование, включение в полимерные матрицы, остекловывание и включение в керамические матрицы. В силу того что РАО различаются по физико-химическим свойствам и происхождению, они могут находиться в разных агрегатных состояниях и обладать различной активностью. Выбирая метод иммобилизации, необходимо учитывать все их особенности.
Включение РАО в цемент. В настоящее время этот метод наиболее распространен для отверждения и кондиционирования жидких низко- и средне- активных отходов (НСАО). Это технология получила большое распространение в связи с относительной простотой, доступностью исполнения и сырья для изготовления матриц. Готовый продукт характеризуется негорючестью, отсутствием пластичности. Применяют различные добавки. Для улучшения свойств цементного компаунда и часто при улучшении одного свойства снижаются остальные. Так, авторы [1] исследовали влияние полифункциональных комплексных добавок (ПФД) на технологию цементирования жидких радиоактивных отходов (ЖРО) — таблица.
Но наряду с достоинствами этот метод имеет и недостатки: подобная технология непригодна для иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО), так как вероятен радиолиз воды, который может привести к разрушению бетона. Также процент возможного включения РАО относительно невелик, его увеличение существенно снижает стабильность матрицы. Для ее повышения можно вводить различные добавки, но это только усложняет технологию и повышает затраты. Для данного метода характерны значительная выщелачиваемость радионуклидов и наличие большого количества воды в отвержденном продукте [2-4].
Включение РАО в полимерные матрицы на основе битума. Наиболее термопластичное связующее — битум. Его часто применяют в переработке ЖРО и НСАО благодаря наличию высоких гидролитических свойств, термопластичности, дающих возможность при нагревании включать РАО с получением устойчивого гомогенного продукта. Также битум является весьма распространенным, доступным и дешевым материалом. В среднем битум характеризуется выщелачиваемостью 10-4-10-5 г/(см2сут) при включении 40-50 % обезвоженных солей [5].
Главным минусом такого метода является высокая пожароопасность получаемых компаундов, поскольку эти материалы устойчивы до температуры 350 °С. Битумные смолы могут являться пищей для микроорганизмов, что тоже может привести к разрушению и высвобождению радионуклидов [2, 6].
Результаты цементирования ЖРО [1]
Добавка Сроки схватывания Пенообразо-вание Прочность на сжатие, МПа/сут Примечание
Пено-гаситель Ускоритель твердения Бентонит 7 14 28
Без добавок > 10 сут + - 5,2 7,5 При испытании на морозостойкость разрушение после 5 циклов
+ - - > 5 сут - 0,9 6,5 9,4 Более легкое перемешивание ЖРО и цемента. Снижение прочности
- + - 4-5 ч + 13,9 19,1 22,8 Пенообразование, высокое выщелачивание
- - + > 5 сут + 5,3 13,9 21,7 Снижение трещинообразования, скорости выщелачивания, прочности
ПФД 3 ч - 16,2 17,6 21,6 Комплексное улучшение свойств
Остекловывание РАО. Стекло в силу своего аморфного состояния дает возможность включать различные виды РАО. Данному материалу присущи высокая устойчивость к выщелачиванию, химическая и радиационная стойкость и механическая прочность, поэтому остекловывание является одним из проработанных методов иммобилизации. В зависимости от состава свойства стёкол могут в корне меняться, что дополнительно расширяет возможности применения данного метода [7]. Наибольшее применение для иммобилизации всех видов РАО нашли боросиликатные стекла. Основные их компоненты: 8Ю2, В20з и №20. Но, несмотря на их универсальность, они обладают низкой термической устойчивостью, что не позволяет включать более 20 мас. % ВАО [8].
Впрочем, стекла нельзя признать оптимальной матрицей для иммобилизации РАО, так как остекловывание имеет существенный технологических недостаток: температурно-временной режим варки и выработки компаундов зависит от их состава, также в зависимости от состава некоторые радиоактивные элементы плохо фиксируются в стеклах [7], в процессе радиоактивного распада выделяется тепло, водяной пар и излучение, из -за которых стекло может подвергаться кристаллизации с объемными изменениями.
Включение РАО в керамику. В целом наиболее надёжными материалами для иммобилизации РАО служат стекло и керамика. Но если задумываться об экологической безопасности, то керамические матрицы являются наиболее подходящими благодаря своей высокой химической устойчивости и термостабильности. Керамика на основе природных и искусственно синтезированных минеральных добавок позволяет включать в себя намного больший объем радиоактивных отходов, чем стекло [9, 10]. Керамические матрицы имеют механическую прочность, аналогичную бетону, но в отличие от него обладают высокой радиационной и химической устойчивостью [9, 11]. Включение РАО в керамику происходит двумя способами: смешением отходов с сырьевыми компонентами, из которых изготавливают керамическую матрицу, или же путем получения керамики с открытой высокой пористостью с последующей пропиткой ее раствором РАО [11-13].
Учеными из Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета [9] для очистки жидких РАО были успешно использованы слоистый титанат гидразина КИТ-9, синтетический иванюкит и их композиция. Была получена прочная титанатная керамика, устойчивая к воздействию концентрированных кислот щелочей. При спекании продуктов сорбции потери сорбируемых катионов составили не более 8,5 %, (иванюкит : LHT-9 : CsSr) и 5,1 % (иванюкит : CsSr).
В работе [11] предлагается способ создания ультрапористой кварцевой керамики с последующей иммобилизацией фракций РЗЭ + ТУЭ и 2г из жидких радиоактивных отходов. Пропитку керамических образцов проводили методом погружения в насыщенный раствор с последующей сушкой и прокаливанием. Скорость выщелачивания радионуклидов из керамики очень мала и составляет не более 7,8 10-7 г/см2 сут, а степень включения ТУЭ, РЗЭ и 2г доходит до 87,2 мас. %.
Высокопористые ячеистые керамические материалы могут использоваться для улавливания различных газообразных радиоактивных отходов [14].
Таким образом, методика иммобилизации РАО в керамические матрицы является наиболее перспективной по сравнению с другими, так как керамические матрицы получаются более прочными, химически и радиационно-стабильными. Это позволяет обеспечивать эффективную защиту окружающей среды на сотни лет. Несомненно, затраты на включение РАО в керамику выше, чем на остекловывание, битумирование и цементирование, но эти затраты окупятся за счет значительного сокращения объемов РАО и благодаря более длительному жизненному циклу.
Литература
1. Варлаков А. П., Горбунова О. А., Баринов А. С. Модифицирующие комплексные добавки в технологиях цементирования радиоактивных отходов // Медицина труда и промышленная экология. 2006. № 2. С. 29-34.
2. Условия безопасной изоляции жидких отходов низкого и среднего уровней радиоактивности / Н. П. Лаверови др. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2009. № 3. С. 195-213.
3. Иммобилизация радиоактивных отходов низкого и среднего уровня активности / И. Б. Капустина и др. // Весщ Нацыянальнай акадэмй навук Беларусь Серыя фiзiка-тэхнiчных навук. 2012. № 3. С. 86-92.
4. Муратов О. Э., Степанов И. К., Царева С. М. Методы переработки жидких радиоактивных отходов (Аналитический обзор) // Обезвреживание утилизация и переработка отходов. 2012. С. 30-43.
5. Обручников А. В., Тюпина Е. А. Обращение с радиоактивными отходами. М.: РХТУ, 2014. 186 с.
6. Гафарова В. В., Кулагина Т. А. Безопасные методы утилизации радиоактивных отходов // Журнал Сибирского федерального университета. Инженерия и технологии. 2016. № 9 (4). С. 585-597.
7. Ершов Б. Г., Минаев А. А., Попов И. Б. Сравнение физико-химических свойств матриц для иммобилизаци радиоактивных отходов и технологических процессов их получения // Вопросы радиационной безопасности. 2005. № 1. С. 13-22.
8. Условия безопасной изоляции жидких отходов низкого и среднего уровня активности / Н. П. Лаверов и др. // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2009. № 3. С. 195-213.
9. Титанатная керамика на основе Cs-SrO обменных форм LHT-9 и иванюкит / Н. Ю. Яничева и др. // Сб. матер. науч. конф. «Неорганическая химия — фундаментальная основа в материаловедении керамических, стеклообразных и композиционных материалов». Апатиты, 2016. С. 27-29.
10. Малинина Г. А. Строение и гидролитическая устойчивость самарий, гафний и урансодержащих стеклокристаллических материалов для иммобилизации твердых радиоактивных отходов: дис. ... канд. хим. наук. М., 2016. 117 с.
11. Борисов Г. Б., Борисова З. С., Волчок Ю. Ю. Синтез и исследование свойств ультрапористой кварцевой керамики как матрицы для иммобилизации фракции РЗЭ + ТУЭ и Zr из жидких радиоактивных отходов // Вопросы радиационной безопасности. 2005. № 4. С. 3-11.
12. СВЧ-иммобилизация промышленных отходов радиохимических и химико-металлургических производств / А. В. Ляшенко и др. // Гетеромагнитная микроэлектроника. 2009. № 7. С. 83-90.
13. Искровое плазменное спекание как инновационный подход в создании наноструктурированных керамик нового поколения / В. А. Авраменко и др. // Тр. VI Междунар. конф. «Наноматериалы и технологии». Улан-Удэ, 2016. С. 82-90.
14. Керамические высокопористые блочно-ячеистые фильтры-сорбенты для улавливания паров цезия / М. Д. Гаспарян и др. // Огнеупоры и техническая керамика. 2013. № 7-8. С. 3-7.
Сведения об авторах
Шубабко Ольга Эдуардовна
студент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Владимирова Дарья Дмитриевна
студент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Овсянникова Галина Евгеньевна
студент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Мин Хейн Хтет
студент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия Вартанян Мария Александровна
кандидат технических наук, доцент, Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, г. Москва, Россия
Shubabko Olga Eduardovna
Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow Vladimirova Daria Dmitrievna
Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow Ovsyannikova Galina Evgenievna
Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow Min Hein Htet
Student, D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow Vartanyan Maria Alexandrovna
PhD (Engineering), Associate Professor
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
, Russia , Russia , Russia , Russia
