CC BY
23
УДК 621.039.73
С.А. Куликова, С.Е. Винокуров*
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 19 * e-mail: vinokurov. geokhi@gmail.com
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ МАГНИЙ-КАЛИЙ-ФОСФАТНАЯ МАТРИЦА ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
Изучены фазовый состав и свойства компаундов на основе низкотемпературной магний-калий-фосфатной матрицы (МКФ) с имитаторами среднеактивных отходов (САО, солесодержание 575 г/л). Установлена высокая химическая устойчивость компаундов к выщелачиванию матрицеобразующих компонентов и Eu-152 как имитатора поведения трансплутониевых элементов. Установлено, что компаунды обладают высокой механической прочностью на сжатие (около 20 МПа) и устойчивость к термическим циклам замораживания/оттаивания (30 циклов в диапазоне -40...+40°С). Показано, что физико-химические свойства полученных компаундов соответствуют нормативным требованиям к хранению САО.
Ключевые слова: низкотемпературная магний-калий-фосфатная матрица, актиниды, отходы радиоактивные, иммобилизация, выщелачивание, механическая прочность.
Интенсивное развитие атомной энергетики России и других стран мира невозможно без решения проблемы обращения с РАО, которые образуются в результате деятельности предприятий отрасли и представляют серьезную экологическую опасность. В настоящее время перед длительным контролируемым хранением и/или захоронением РАО рекомендуется переводить в отвержденные формы, обеспечивающие максимальную
радиоэкологическую безопасность для окружающей среды. В зависимости от вида и радиотоксичности РАО для их кондиционирования в промышленности используют технологии остекловывания,
цементирования, битумирования и включения в полимерные матрицы. При этом продолжается поиск эффективных матричных материалов для кондиционирования РАО, обращение с которыми стандартными методами может быть неэффективно или иногда невозможно. Материалы должны обеспечить невозможность попадания
высокотоксичных долгоживущих радионуклидов, прежде всего актинидов, в окружающую среду. Эффективность кондиционирования
актинидсодержащих отходов может быть достигнута при использовании синтезируемой при обычных
условиях (атмосферное давление, комнатная температура) фосфатной матрицы на основе М§КР04-6Н20 [1, с. 189], являющейся синтетическим аналогом природного минерала струвит.
Получены при комнатной температуре компаунды на основе МКФ матрицы с имитатором высокосолевых среднеактивных отходов (САО) (общее содержание солей 575 г/л, плотность 1,33 г/см3), содержащих актиниды, ионы аммония, нитрат- и сульфат-ионы, согласно химической реакции [2, с. 82]:
М§0 + КН2Р04 + 5Н20 ^ М§КР04-6Н20
Результаты анализа фазового состава (Рис. 1) полученных компаундов показали, что компаунды преимущественно состоят из минералоподобной фазы - аналога струвита, и волластонита СаБЮ3, введенного в компаунд как наполнитель. Установлено, что после кондиционирования имитаторов высокосолевых САО в составе матриц обнаружены непрореагировавшие исходные реагенты (М§0 и КН2Р04), а также фазы на основе анионов САО: нитратин КаК03, нитрамит КН4К03, каминитМ§3(Б04)2(0Н)2.
2-Thetan
Рис. 1 Дифрактограмма магний-калий-фосфатной матрицы с CaSiO3
Химическую устойчивость компаундов к выщелачиванию матрицеобразующих элементов и
152т-'
изотопа Eu как имитатора поведения трансплутониевых элементов определяли в соответствии с ГОСТ Р 52126-2003 [3, с. 4]. Отмечено снижение химической устойчивости матриц в 1,5-2 раза при иммобилизации имитатора высокосолевых САО, что отвечает ранее установленному снижению количества целевой минералоподобной фазы струвита и увеличению доли непрореагировавших исходных реагентов. Показано, что включение волластонита CaSiO3 в состав компаундов приводит к снижению скорости и степени выщелачивания 152Eu (Рис. 2) в 4-5 раз: до 2,63-10"4 г/см2-сут и до 0,95 масс.% на 28 сутки, соответственно.
Установлено, что компаунды обладают высокой механической прочностью на сжатие (около 20 МПа) и устойчивостью к термическим циклам замораживания/оттаивания (30 циклов в диапазоне -40...+40°С). Таким образом показано, что физико-химические свойства полученных компаундов соответствуют нормативным требованиям, предъявляемым к цементным компаундам [4, с. 18].
Таким образом показано, что МКФ матрица может стать альтернативой цементу для эффективного кондиционирования высокосолевых САО ФГУП «ПО «Маяк» и отходов производства МОКС-топлива ФГУП «ГХК», а также для временного (до 100 лет) хранения кюрий-редкоземельной фракции высокоактивных отходов
после выделения америция для его трансмутации в реакторах на быстрых нейтронах.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда, научный проект № 1613-10539.
= &
1
в £
3 - 1,0
• Без CaSiO3
■ C CaSiO3
ЙЧР " -•—-----
■
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Сутки
• Без CaSiO3
< ■ C CaSiO3
-
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Сутки
Рис.
2 Скорость (а) и степень (б) выщелачивания Eu из компаундов на основе МКФ матрицы
1,00E-01
1,00E-02
а
1,00E-04
б
Куликова Светлана Анатольевна, младший научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН,, Россия, Москва.
Винокуров Сергей Евгеньевич, к.х.н., ведущий научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Россия, Москва.
Литература
1. Vinokurov S.E., Kulyako Yu.M., Slyunchev O.M. etal. // J. NuclearMaterials. 2009. V.385(1). P. 189-192.
2. Винокуров. С.Е., Куляко Ю.М., Мясоедов Б.Ф. // Российский химический журнал. 2010.T.LIV. №3.С.81-88.
3. ГОСТ Р 52126-2003. Отходы радиоактивные. Определение химической устойчивости отвержденных высокоактивных отходов методом длительного выщелачивания. М.: Госстандарт России, 2003.
4. НП-019-15. Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности», Ростехнадзор. 22 с.
Kulikova Svetlana Anatol'evna, Vinokurov Sergey Evgen^evich*
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of Russian Academу of Sciences, Moscow, Russia * e-mail: vinokurov.geokhi@gmail.com
LOW MAGNESIUM-POTASSIUM-PHOSPHATE MATRIX FOR THE IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTE
Abstract. The phase composition and properties of the compounds based on low-temperature magnesium-potassium phosphate (MCP) matrix with surrogate intermediate level waste (ILW, salt content of 575 g/L) were studied. The high chemical resistance of the compounds to leaching of matrix-forming components and Eu-152 as a simulator of transplutonium elements was established. It is found that the compounds had high compressive strength (about 20 MPa) and the resistance to thermal cycles of freeze/thawing (30 cycles in the range -40...+40°C). It has been shown that the physical and chemical properties of the compounds correspond to the normative requirements to the ILW storage.
Key words: low magnesium-potassium-phosphate matrix, actinides, radioactive waste, immobilization, leaching, compressive strength.
