Научная статья на тему 'НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПЕРЕРАБОТКЕ ОТРАБОТАВШЕГО СВОЙ РЕСУРС РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ'

НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПЕРЕРАБОТКЕ ОТРАБОТАВШЕГО СВОЙ РЕСУРС РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

CC BY
9
2
Читать
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
высокоактивые отходы (ВАО) / переработка / процессы горения / СВС / каркас / композит / графит / компактирование / карбид / экологические проблемы.

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Кузнецов М. В., Щелкунова М. А.

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 дополнительного фактора в процессах синтеза рассматривается метод силового компактирования.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Кузнецов М. В., Щелкунова М. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
Предварительный просмотр
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «НЕКОТОРЫЕ ПОДХОДЫ К ПЕРЕРАБОТКЕ ОТРАБОТАВШЕГО СВОЙ РЕСУРС РЕАКТОРНОГО ГРАФИТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ»

(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

дополнительного фактора в процессах синтеза рассматривается метод силового компактирования.

Ключевые слова

высокоактивые отходы (ВАО), переработка, процессы горения, СВС, каркас, композит, графит, компактирование, карбид, экологические проблемы.

Как известно, в облученном графитовом замедлителе атомного реактора накапливается радионуклид 14С, период полураспада которого составляет более 50 лет. Кроме того, в облученном графите присутствуют высокоактивные включения ядерного топлива и продуктов деления, которые попадают в графитовую кладку в результате разгерметизации ТВЭЛов. Проблема переработки ВАО разных форм реакторного графита стоит достаточно остро. Из числа рассматриваемых в настоящее время технологий переработки ВАО графита наибольший интерес с точки зрения соотношения цены и качества представляют технологии, основанные на процессах горения или самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). В их основе находится идея, заключающаяся в возможности химически связать углерод, содержащий изотоп 14С, в стабильный продукт типа карбида с помощью сильно экзотермической реакции горения без каких-либо внешних энергозатрат. Наиболее подходящим для этих целей продуктом является карбид титана, синтезированный, например, по следующей схеме:

3TiO2 + 3C + 4Al = 3TiC + 2AI2O3 (1)

Процесс горения спрессованной шихтовой заготовки стехиометрического состава локально инициируется раскаленной вольфрамовой электроспиралью и протекает в режиме СВС с линейной скоростью фронта горения не менее 3 мм/с. При этом достигается температура горения на уровне 30000С. Такая температура обеспечивает полноту взаимодействия реагентов во всем объеме образца, а образующиеся в результате протекания реакции (1) продукты взаимодействия достаточно стабильны и пригодны для решения проблемы захоронения облученного графита на длительный срок. Параллельно ведутся работы по СВС-компактированию продуктов синтеза, образующихся в результате протекания реакции (1). К настоящему времени была разработана технология, включающая в себя стадии измельчения графитовых отходов, приготовления шихты из исходных компонентов реакции (1) и собственно процесс компактирования. Предложенная технология СВС-переработки ВАО графита характеризуется отсутствием газообразных продуктов реакции (1), что делает ее привлекательной с точки зрения решения экологических проблем. Во-вторых, окружающая среда не участвует в окислительно-восстановительных процессах реакции (1) и не оказывает влияния на ход реакции. Это означает, что технологические процессы СВС-компактирования могут осуществляться без использования защитных атмосфер. Применение данной технологии обеспечивает получение конечного продукта в виде блока композиционного материала высокой прочности и плотности (пористость менее 2%). Присутствующие в материале фазы карбида титана и оксида алюминия корундовой модификации, равномерно распределенные относительно друг друга во всем объеме блока, являются не только чрезвычайно устойчивыми к воздействию атмосферных факторов, но также тугоплавкими и термостойкими. Растворимость углерода в железе относительно невелика, но, поскольку он тут же связывается в карбид, равновесие процесса сдвигается в сторону растворения углерода. Образование карбидной фазы, которая связывает титан при температурах, развивающихся в процессе горения, по-видимому, является причиной отсутствия интерметаллида TiFe2 в продуктах горения.

Введение углерода в систему приводит к сохранению продуктами горения формы исходной заготовки, несмотря на то, что температура горения этой системы выше, чем температура горения системы Fe2O3-TiO2-Al. Поскольку при введении углерода в систему формируется тугоплавкий карбид титана, по-видимому, именно он является каркасообразующим компонентом, обеспечивающим консолидацию продуктов горения в границах исходной заготовки. При этом все остальные компоненты находятся в расплавленном состоянии. Исследование процессов горения на воздухе композиционной

стехиометрической термитной смеси Fe2O3-T¡O2-Al-C показало, что процесс протекает без диспергирования исходных и конечных продуктов. Синтезированный материал сохраняет в общих чертах форму заготовки и включает в себя три равномерно распределенные фазы: корунд, нестехиометрический карбид титана и твердый раствор на основе железа с переменной концентрацией титана. При этом карбидная фаза находится в объеме металла в виде твердых дисперсных включений. Данный продукт представляет интерес с практической точки зрения, как высокопористый композиционный материал (с пористостью выше 60%), который, судя по его составу и структуре, должен обладать хорошими теплоизолирующими и огнеупорными свойствами. Он может также использоваться в качестве пористой фильтрующей среды с высокой проницаемостью. Весьма важной особенностью предлагаемой технологии является возможность в процессе горения формировать не просто материал, а сразу готовые изделия или слои.

© Кузнецов М.В., Щелкунова М.А., 2024

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.