CC BY
22
Успехи в химии и химической технологии.. ТОМ XXX. 201б. № б
УДК 621.039.73
С.С. Данилов1*, С.Е. Винокуров1, С.В. Стефановский2, А.В. Жилкина1
1 Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия 119991, г. Москва, ул. Косыгина, д. 19
2 Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Москва Россия 119071, Москва, Ленинский проспект, 31, корп. 4
E-mail: danilov070992@gmail.com
ГИДРОЛИТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ НАТРИЙ-АЛЮМО(ЖЕЛЕЗО)-ФОСФАТНЫХ СТЕКОЛ, СОДЕРЖАЩИХ АКТИНИДЫ В ВЕСОВЫХ КОЛИЧЕСТВАХ
Синтезированы и изучены натрий-алюмо(железо)-фосфатные стекла, содержащие актиниды (уран, нептуний, плутоний и америций) в весовых количествах. Определена гидролитическая устойчивость стекол: скорость выщелачивания структурообразующих элементов и урана в пределах 10-5-10-6 г/см2 •сутки, трансурановых элементов - 10-7-10-8 г/см2 •сутки, что соответствует нормативным требованиям.
Ключевые слова: натрий-алюмо-железофосфатное стекло, высокоактивные отходы, иммобилизация, гидролитическая устойчивость, выщелачивание.
Остекловывание является эффективным методом перевода радионуклидов высокоактивных отходов (ВАО) в стабильную форму, пригодную для долговременного и экологически безопасного хранения/захоронения [1]. В России ВАО отверждают в электрической печи сопротивления на ПО «Маяк» в натрий-алюмо-фосфатном стекле, способном включать большее количество поливалентных переходных элементов, а также сульфатов и хлоридов, чем боросиликатное стекло, применяемое за рубежом и запланированное к использованию при запуске Опытно-демонстрационного центра на Горно-химическом комбинате. Накопленные на ПО «Маяк» и не подвергнутые переработке в настоящее время ВАО от выполнения прошлых оборонных программ содержат значительное количество железа. Кроме того, в ГЕОХИ РАН разработана технология переработки отработавшего ядерного топлива в слабокислых растворах нитрата железа, поэтому содержание железа в полученных в результате реализации этой технологии ВАО также будет высоким [2]. По этой причине стекла, которые будут получены при остекловывании таких отходов по своему составу будут натрий-алюмо(железо)-фосфатными. Данная работа посвящена изучению гидролитической устойчивости таких стекол к выщелачиванию актинидов как наиболее опасных компонентов высокожелезистых ВАО.
Ранее нами [1,3,4] было установлено, что стекла состава, мол.%: 40 Na2Ü, (20-х) AI2O3, х Fe2Ü3, 40 P2O5, содержащие примерно равные мольные количества алюминия и железа, являются наиболее кристаллизационно- и химически устойчивыми. В данной работе синтезированы при 1200°С образцы стекол состава, мол.%: 40 Na2O, 10 Al2O3, 10 Fe2O3, 40 P2O5, содержащие актиниды в весовых количествах, в том числе до 42,8 масс. % по UO3, а также 237Np - 0,5; 239Pu - 0,5 и 241Am - 0,001 масс. %. Масса образцов 1-2 г, плотность - около 2,7 г/см3. Гидролитическую устойчивость образцов стекла
определяли согласно международного стандарта PCT [5] при 90 °С (размол до размера частиц 0,7-0,15 мм, удельная поверхность 0,02 м2/г), а также в соответствии с ГОСТ Р 52126-2003 [6] при 23±2 °С. Растворы после выщелачивания подкисляли до pH~2 водным раствором азотной кислоты (6 моль/л), чтобы избежать гидролиза железа. Содержание урана в растворах определяли методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (спектрометр X Series2, Thermo Scientific); структурообразующих элементов (Na, Al, Fe, P) -методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (спектрометр iCAP-6500, Thermo Scientific); нептуния, плутония и америция - радиометрическим методом (спектрометр Alpha Analyst, Canberra).
Установлено (табл. 1 и 2), что полученные стёкла обладают высокой гидролитической устойчивостью:
- скорость выщелачивания структурообразующих элементов и урана даже при повышенной температуре (табл. 1) в пределах 10-5-10-6 г/см2-сутки при степени выщелачивания урана не более 3,1 масс.%; при этом содержание урана до 42,8 масс. % не приводит к снижению устойчивости стекла;
- интегральная скорость выщелачивания Np, Pu и Am (табл. 2) в пределах значений 10-7-10-8 г/см2-сутки (степень выщелачивания не более 1,3 масс.%), что соответствует действующим нормативным требованиям НП-019-15 [7], предъявляемым к стеклоподобным компаундам для ВАО.
Таким образом, стекло состава, мол.%: 40 Na2O, 10 Al2O3, 10 Fe2O3, 40 P2O5, может быть перспективно для иммобилизации
высокожелезистых ВАО, содержащих актиниды в весовых количествах.
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект 14-13-00615).
Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXX. 2016. № 6
Таблица 1. Результаты определения химической устойчивости компаундов к выщелачиванию структурообразующих компонентов и урана согласно стандарта PCT при 90 °С___
Содержание UO3, масс. % Скорость выщелачивания, г/(см2-сутки) Степень выщелачивания, масс.%
Na Al Fe P U Na Al Fe P U
0 1,010-5 7,1 • 10-6 4,610-6 6,2-10-6 - 2,3 1,1 1,2 1,5 2,1
1 3,0-10-5 1,510-5 1,1-10-5 1,810-5 2,2-10-5 4,2 2,1 1,6 2,5 3,1
4,7 1,610-5 6,4-10-6 2,910-6 8,4-10-6 9,2-10-6 2,3 0,9 0,4 1,2 1,3
9,1 1,610-5 5,5-10-6 1,910-6 7,7-10-6 7,4-10-6 2,2 0,8 0,3 1,1 1,0
33,3 1,810-5 6,5-10-6 1,510-6 8,4-10-6 2,9-10-6 2,5 0,9 0,2 1,2 0,4
42,8 2,1 -10-5 1,010-5 4,3-10-6 1,1 -10-5 7,9-10-6 2,9 1,5 0,6 1,6 1,1
Таблица 2. Скорость выщелачивания актинидов из полученных образцов стекол согласно ГОСТ Р 52126-2003 при 23±2 °С на 28 сутки___
Актиниды Дифференциальная скорость выщелачивания, г/(см2-сутки) Интегральная скорость выщелачивания, г/(см2-сутки) Степень выщелачивания, масс.%
Np-237 2,9-10-7 5,8-10-7 1,3
Pu-239 1,2-10-9 2,3-10-8 1,0
Am-241 2,2-10-8 2,2-10-8 1,3
Данилов Сергей Сергеевич, 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
Стефановский Сергей Владимирович, д.х.н., профессор, зав. лабораторией Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Россия, Москва
Жилкина Арина Владимировна, младший научный сотрудник Института геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского РАН, Россия, Москва
Литература
1. Стефановский С.В., Стефановская О.И., Винокуров С.Е., Данилов С.С., Мясоедов Б.Ф. Фазовый состав, структура и гидролитическая устойчивость стекол системы Na2O-Al2O3-(Fe2O3)-P2O5 при замещении Al2O3 на Fe2O3 // Радиохимия. - 2015. - Т. 57. - № 4. - С. 295-301.
2. Куляко Ю.М., Трофимов Т.И., Винокуров С.Е., Самсонов М.Д., Мясоедов Б.Ф. Получение и переработка оксидного ядерного топлива: новые подходы и методы // Вопросы радиационной безопасности. - 2015. -№3 (79). - С. 13-22.
3. Стефановский С.В., Стефановская О.И., Кадыко М.И., Мясоедов Б.Ф., Винокуров С.Е., Данилов С.С. Влияние условий синтеза на фазовый состав и структуру натрий-алюмо-железофосфатных стекол // Вопросы радиационной безопасности. - 2015. - № 3 (79). - С. 56-66.
4. Куликова С.А., Данилов С.С., Тюпина Е.А., Винокуров С.Е., Стефановский С.В. Разработка натрий-алюмо-
железофосфатных стекломатериалов для иммобилизации высокоактивных отходов // Успехи в химии и химической технологии. - 2015. - Т. XXIX. - № 6. - С. 7-9.
5. ГОСТ Р 52126-2003. Отходы радиоактивные. Определение химической устойчивости отвержденных высокоактивных отходов методом длительного выщелачивания. М.:Госстандарт России, 2003.
6. Nuclear waste glass product consistency test (PCT) - Version 7.0. Westinghouse Savannah River Company, 1994.
7. Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности, НП-019-15, Ростехнадзор, 2015.
Danilov Sergey Sergeevich1 *, Vinokurov Sergey Evgenievich1, Stefanovsky Sergey Vladimirovich2, Zhilkina Arina Vladimirovna1
1Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of RAS, Moscow, Russia 2A.N. Frumkin Institute of Physical chemistry and Electrochemistry of RAS, Moscow, Russia E-mail: danilov070992@gmail.com
HYDROLYTIC STABILITY OF SODIUM - ALUMINIUM - IRON - PHOSPHATE GLASS CONTAINING WEIGHT QUANTITIES ACTINIDES
Abstract. Sodium - aluminium - iron - phosphate glasses containing actinides (uranium, neptunium, plutonium and americium) in weight amounts were synthesized and studied. The hydrolytic stability of glasses was determined: leaching
5 6 2 7 8 2
rate of uranium and forming elements within 10- -10- g/cm •day, transuranic elements - 10- -10- g/cm •day, which corresponds to the regulatory requirements.
Keywords: sodium -aluminium-iron-phosphate glass, high level waste, immobilization, hydrolytic stability, leaching.
