CC BY
105
УДК 621.039.76+614.876
В.А. ЛЕБЕДЕВ, канд. техн. наук, профессор, [email protected] В.М.ПИСКУНОВ, аспирант, vlamarz@mail. ru
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
V.А.LЕBЕDЕV, PhD. in eng. sc., professor, [email protected]
V.М.PISC0UN0V, postgraduate student, vlamarz@mail. ru
National Mineral Resources University (Mining University), Saint Petersburg
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
На основании проведенных экспериментальных исследований разработан метод иммобилизации проблемных жидких радиоактивных отходов и токсичных отходов в компаунд из магнезиальных вяжущих со степенью включения сухих радиоактивных солей 37 % (технология цементирования на основании цемента позволяет вводить не более 7 % солей из кубовых остатков жидких радиоактивных отходов), при этом качество компаунда соответствует требованиям нормативно-технической документации.
Ключевые слова: иммобилизация, отверждение, матричные материалы, минеральные селективные сорбенты, наноструктура, наполнитель, компаунд.
IMPROVING THE EFFICIENCY OF IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTE
On the basis of experimental research developed a method for immobilization of problematic radioactive waste in the compound of magnesium binding to the degree of inclusion of dried radioactive salts, 37 % (based on the technology of cement concrete can not enter more than 7 % of the salts of the still bottoms), and the quality of the compound corresponds to the specifications and technical documentation requirements.
Key words: immobilization, solidification, matrix materials, mineral selective sorbents, nanostructure, filler, compound.
В основополагающих документах РФ указано, что исследование влияния различных отходов на экологическую обстановку в стране и нахождение путей ограничения этого влияния являются неотложными и приоритетными задачами.
Проблема охраны окружающей среды и населения от воздействия токсичных отходов (ТО), накопленных в лито- и гидросфере в результате деятельности отечественных промышленных объектов, а также защита от ионизирующих излучений радиоактивных отходов (РАО) атомной отрасли экономики сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, пра-
вовые, эстетические стороны жизнедеятельности человека и общества. РАО образуются практически во всех отраслях народного хозяйства, в том числе на предприятиях минерально-сырьевого комплекса, однако большая часть РАО образуется на предприятиях атомной отрасли.
Сегодняшняя ситуация с РАО в России достаточно напряженная. На ее территории накопилось почти половина всех РАО мира (см.таблицу). Накопленные объемы РАО размещены на 69 предприятиях в 33 регионах России в 1170 хранилищах различного типа. В европейской части России отходы накоплены в 21 субъекте на 42 предприятиях, на Урале - в трех субъектах на 10 пред-
Таблица 1
Объемы накопленных в России жидких (ЖРО) и твердых (ТРО) радиоактивных отходов
Вид и тип РАО Росатом Другие отрасли Всего
ЖРО, м3 ВАО 3,66104 — 3,66104
САО 2,04-106 3,37103 2,04-106
НАО 4,13108 8,32103 4,13108
ТРО, т ВАО 5,24104 5,93103 5,83104
САО 6,12105 6,57104 6,77-105
НАО 7,25-107 2,36105 7,8107
приятиях, в Сибири - в пяти субъектах на 10 предприятиях. Сравнительно небольшие объемы отходов находятся на семи предприятиях Дальневосточного региона*.
По данным системы государственного учета и контроля радиоактивных веществ (РВ) и РАО, на предприятиях различных министерств и ведомств их активность превысила 5,961019 Бк. Около 99 % РАО сосредоточено на предприятиях Росатома, в том числе все высокоактивные (ВАО) и подавляющая часть среднеактивных (САО) отходов.
Накопленные и производимые в настоящее время РАО - неизбежный результат работы оружейного ядерного комплекса, эксплуатации АЭС, атомных подводных лодок (АПЛ), кораблей и судов с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ), использования РВ и источников ионизирующего излучения (ИИИ) в науке, медицине и различных отраслях промышленности**. Наряду с РАО скопился огромный объем токсичных, опасных и смешанных отходов. В результате деятельности предприятий минерально-сырьевого комплекса на территории РФ образуются промышленные отходы, в которых содержатся тяжелые металлы, их оксиды и соли, чрезвычайно токсичные вещества.
Хранящиеся в основной массе в открытом виде и ежегодно прирастающие в значительных объемах, РАО и ТО являются
* Тихонов М.Н. Радиационная география России // Экологическая экспертиза. M., 2007. №. 3. С.62-71.
Tikhonov M.N. Radiation geography of Russia // Ecological assessment. Moscow, 2007. №. 3. P.62-71.
** Емельяненков А. Одним наследством связаны // Российская газета. 2007, 19 июля. С. 16-17.
Yemelyanenkov A. Linked inheritance // Rossiyskaya Gazeta. 2007, July 19. P. 16-17.
главными причинами серьезного нарушения экологического равновесия в биосфере, как в региональном, так и в республиканском масштабах. В связи с этим важные первоочередные задачи в области обращения и утилизации промышленных отходов различной степени опасности требуют безотлагательного и своевременного решения.
Обеспечение инертности, максимальное ограничение перемещения радионуклидов и токсичных веществ из мест их локализации осуществляется путем создания различного рода инженерных барьеров и резервуаров, строительства могильников и спецхранилищ, удерживающих и ограничивающих их влияние на окружающую среду. В настоящее время при обращении с РАО и ТО в качестве материала стабилизирующей и иммобилизирующей (связывающей) матрицы наиболее широко применяются цементы и битумы. Степень надежности таких барьеров оценивается по возможной скорости выщелачивания радионуклидов и тяжелых металлов при взаимодействии с природными водами, характерными для участков захоронения.
Недостатком этих материалов являются невысокая механическая прочность, высокая скорость выщелачивания радионуклидов из компаундов и др.
Для иммобилизации РАО применяются также и стекольные матрицы (боросиликат-ные и алюмофосфатные стекла). Скорость выщелачивания радионуклидов из остеклованных форм на два порядка ниже, чем из цементных или битумных, также они позволяют загружать больше отходов. Радиационное воздействие разрушает структуру стекол, превращая монолит в порошок, а малая теплопроводность требует принудительного охлаждения. Таким образом, невы-
сокая стабильность физико-механических свойств стекольных матриц в течение длительного времени не отвечает требованиям их долгосрочного безопасного хранения.
Поисковые исследования по разработке еще более устойчивых материалов матрицы для иммобилизации опасных отходов продолжаются, и результаты таких изысканий являются актуальными при решении экологических проблем.
В период с 2009 по 2011 г. в ГОУ ВПО «Северо-Западный государственный заочный технический университет» проводились поисковые научно-исследовательские работы по направлению «Атомная энергетика, ядерный топливный цикл, безопасное обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом» (ГК № П1582 от 10.10.2009 г.), тема проекта «Разработка процессов иммобилизации радиоактивных отходов с использованием наноструктурных материалов на основе минерального сырья». Данная работа являлась продолжением исследований, начатых в 2003 г. по созданию минеральных матриц из магнезиальных вяжущих для омоноличивания РАО.
Исходя из результатов, полученных в результате выполнения вышеуказанного контракта, становятся возможными новые направления утилизации РАО и ТО: это иммобилизация и инкапсуляция радиоактивных, токсичных и опасных отходов горнодобывающих и перерабатывающих предприятий с разработкой материалов со специальными и улучшенными свойствами с применением магнезиальных вяжущих и селективных сорбентов специального назначения. Вопросы создания таких материалов представляют несомненный практический и экологический интерес, поскольку проблемы кондиционирования, транспортировки, хранения и захоронения РАО и ТО остаются нерешенными из-за неудовлетворения возрастающих потребностей в относительно дешевых, механически прочных с гидроизолирующими свойствами материалах.
Переработка ЖРО заключается в концентрировании радионуклидов с последующим отверждением концентратов и их кондиционированием. Кондиционирование является суммой операций, конечной целью
которых является перевод РАО в форму, обеспечивающую их безопасное транспортирование, хранение и (или) захоронение. Для отверждения низко- и среднеактивных ЖРО наибольшее распространение получили такие методы переработки, как цементирование, битумирование, упаривание до солевого плава. Почти все они направлены на переработку солевых ЖРО типового состава, образующихся на предприятиях в значительных количествах. Это ЖРО, образующиеся на АЭС с реакторами типа ВВЭР и РБМК, а также спецпрачечных.
Тритий и тритийсодержащие соединения представляют собой чрезвычайно сложный вид РАО, который практически бессмысленно отверждать без сорбционных добавок, так как матрицы, полученные как на основе магнезиальных вяжущих, так и портландцементов, не являются барьером для трития, цезия-134, цезия-137 и некоторых других радионуклидов. Способность цементов удерживать радионуклиды, кроме трития, полностью определяется сорбцион-ными характеристиками введенных природных или синтезированных сорбентов.
Гашеная известь, в составе которой присутствует тритированная вода, может быть включена в битумный компаунд или механически введена в петролатум, но степень включения трития в эти вяжущие окажется незначительной.
Кондиционирование тритийсодержа-щих ЖРО сводится к очистке тритирован-ной воды от солей, затем концентрированию воды до активности 109-1010 Бк/л (по тритию). В дальнейшем эти отходы либо хранятся в емкостях из нержавеющей стали в течение около 100 лет для снижения первоначальной активности до безопасной, либо подвергаются электролизу, а образовавшийся водород связывают с титаном с образованием его гидрида по разработанной технологической схеме.
В 2010 г. было исследовано отверждение имитаторов высокоактивных КО АЭС, содержащих, главным образом, нитрат натрия, с помощью магнезиального, вяжущего представляющего собой гидратированный оксохлорид магния с общей формулой
-18). С использова-
нием КО, содержащих 600 г/л нитрата натрия, были получены отвержденные компаунды, содержащие от 0 до 29 % солей, имеющих прочность при двухстороннем сжатии от 20 до 40 МПа.
Показано, что при выщелачивании из отвержденных образцов магнезиальных компаундов любого состава за первые 10 дней выщелачивания теряется более 90 % активности. С помощью селективных сорбентов на цезий удается снизить скорость выщелачивания цезия-137 до 1,5^10-3 -- 3-10-4 г/см2сут.
По результатам исследований сделан вывод о том, что отвержденный компаунд на основе магнезиального вяжущего, содержащий сорбент на цезий и около 20 % солей (кроме боратов), удовлетворяет требованиям по безопасному хранению ТРО в бетонных блоках-контейнерах. Композиционный материал на основе магнезиального вяжущего может быть использован в качестве более эффективной замены портланцемента.
На заключительном этапе работы были проведены экспериментальные исследования по омоноличиванию КО спецпрачечных, содержащих до 30 % органических веществ (наиболее сложного для переработки вида ЖРО), с помощью композиционного материала на основе магнезиального вяжущего с достижением такой степеней включения солей в состав компаунда, которая могла быть сопоставима с этим показателем для процесса битумирования. Была достигнута степень включения солей в состав магнезиальных компаундов для КО 35±5 %.
Следует отметить, что технология иммобилизации РАО посредством нанострук-
турных материалов на основе магнезиального вяжущего не требует высоких энергетических затрат, осуществляется при любых положительных температурах на оборудовании, применяемом при обычном цементировании.
В результате проведенных экспериментальных исследований при магнезиальном отверждении КО, содержащих до 30 % органических соединений была достигнута степень наполнения компаунда сухими радиоактивными солями, равная 37 %, т.е. эффективность процесса отверждения с использованием наномодифицированной ММСК по этому показателю практически достигла нижнего предела для процесса би-тумирования (40-60 %).
По разработанной технологии также проводилось отверждение шламов. При общем содержании примесей около 150 г/л в сухом остатке содержалось около 40 % органических веществ, которые выгорели при 600 °С. Образцы, омоноличенные по разработанной технологии, затвердели через сутки. После сушки в течение двух недель они были помещены в дистиллированную воду, в которой простояли пять недель и незначительно уменьшили свою начальную массу.
На разработанный в результате выполнения исследований материал и технологию его применения для отверждения ЖРО сложного химического состава подана заявка на получение патента на изобретение.
Разработанный материал на основе магнезиального вяжущего может быть включен в реестр матричных составов для омоноличивания жидких и твердых РАО низкого и среднего уровня активности.
