CC BY
52
УДК 621.039.73
Куликова С.А., Винокуров С.Е., Погодаев А.В.
ПРОЧНОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИЙ-КАЛИЙ-ФОСФАТНОЙ МАТРИЦЫ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ
Куликова Светлана Анатольевна, аспирант, младший научный сотрудник лаборатории радиохимии, Винокуров Сергей Евгеньевич, к.х.н., заведующий лаборатории радиохимии, e-mail: [email protected];
ФГБУН Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, Москва, Россия 119991, Москва, ул. Косыгина, д.19
Погодаев Антон Васильевич, старший преподаватель кафедры сварочного производства Инженерной школы, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
Синтезированы образцы низкотемпературной минералоподобной магний-калий-фосфатной матрицы, в том числе содержащие минеральные модификаторы - волластонит и клиноптилолит. Изучено влияние минеральных модификаторов на прочностные характеристики матрицы. Определены прочность на сжатие, микротвердость и модуль упругости матрицы, являющиеся показателями качества компаундов для надежной иммобилизации радиоактивных отходов.
Ключевые слова: магний-калий-фосфатная матрица, волластонит, клиноптилолит, модуль упругости, прочность на сжатие, микротвердость, механическая прочность.
STRENGTH CHARACTERISTICS OF MAGNESIUM POTASSIUM PHOSPHATE MATRIX FOR IMMOBILIZATION OF RADIOACTIVE WASTES
Kulikova S.A., Vinokurov S.E., Pogodaev A.V.*
Vernadsky Institute of Geochemistry and Analytical Chemistry of RAS, Moscow, Russia *Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
The samples of low-temperature mineral-like magnesium potassium phosphate matrix, including those containing mineral modifiers, namely wollastonite and clinoptilolite, were synthesized. The influence of mineral modifiers on the strength characteristics of the matrix was studied. The compressive strength, microhardness and modulus of elasticity of the matrix being indicators of the quality of compounds for reliable immobilization of radioactive waste were determined.
Key words: magnesium potassium phosphate matrix, wollastonite, clinoptilolite, modulus of elasticity, compressive strength, microhardness, mechanical strength.
Введение
Эффективное обращение с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО), образующимися в результате деятельности предприятий атомной энергетики и представляющими серьезную экологическую опасность, является актуальной задачей. В настоящее время перед длительным контролируемым хранением или окончательным захоронением ЖРО рекомендуется переводить в отвержденные формы, обеспечивающие
максимальную радиоэкологическую безопасность для окружающей среды. Механическая прочность, нормируемая согласно действующих НП-019-15 [1], является одним из ключевых показателей качества компаундов для иммобилизации ЖРО. По причине реализации стратегии безопасного обращения с ЖРО [2], запрещающей сброс ЖРО низкого и среднего уровня активности в открытые гидросистемы, появились новые виды РАО сложного химического и радионуклидного состава, которые не могут быть иммобилизованы в существующие матрицы (цемент, стекло, битум, полимеры). Кроме того, будут образовываться новые виды отходов при переработке новых или ранее не
перерабатывавшихся видов отработавшего ядерного топлива (например, топливо реакторных установок ВВЭР-1000). Таким образом, продолжается поиск эффективных матричных материалов для иммобилизации РАО, оптимальных с точки зрения физико-химической стабильности получаемых компаундов.
К перспективным матричным материалам для иммобилизации ЖРО относят магний-калий-фосфатную (МКФ) матрицу MgKPO4•6H2O [3,4], получаемую в результате реакции (1). МКФ матрица - кристаллический гексагидрат ортофосфата магния и калия, являющаяся синтетическим аналогом природного фосфатного минерала К-струвит [5]. МКФ матрица имеет кристаллическую структуру аналогично керамическим материалам, однако в отличие от них она формируется при комнатной температуре.
MgO+KH2PO4+5H2O = MgKPO4•6H2O (1)
Экспериментальная часть
Для синтеза образцов МКФ матрицы согласно реакции (1) использовали оксид магния,
предварительно прокаленный при 1300°С в течение 3 часов (удельная поверхность 6,6 м2/г), а также дигидроортофосфат калия, механически
активированный до размера частиц 0,15-0,25 мм. Ранее было показано [6], что для образования качественной матрицы необходим избыток 10 мас% MgO относительно стехиометрии реакции (1), а для замедления скорости реакции (1) нужно использовать борную кислоту в количестве до 1,5 мас% от массы образцов. Образцы синтезировали при следующем соотношении, г: MgO : H2O: KH2PO4 =1:2:3. Классификация всех использованных реагентов - не ниже «х.ч.».
Для изучения влияния минеральных модификаторов на механическую прочность образцов МКФ матрицы использовали волластонит (FW-200, Nordkalk) и клиноптилолит (цеолит «Сокирнит», Закарпатское месторождение). Модификаторы предварительно измельчали и отсеивали фракцию с размером частиц 0,07-0,16 мм.
В результате были приготовлены образцы МКФ матрицы кубической формы с размерами 2х2х2 см (рис.1), которые выдерживали в течение 15 суток для набора прочности. Определение прочностных характеристик (модуля упругости и прочности на сжатие) проводили с использованием универсальной испытательной машине AG-X Plus (Shimadzu, Япония), а микротвердости (по методу Берковича) на динамическом ультрамикротвердомере DUH-211S (Shimadzu, Япония).
) 5
Рис. 1 Образцы МКФ матрицы
Результаты и обсуждение
Установлено, что введение минеральных модификаторов приводит к увеличению прочностных характеристик (табл.1). Определено оптимальное содержание минеральных
модификаторов в матрице, что позволяет синтезировать образцы, прочность на сжатие (до 50 МПа) которых значительно превышает нормативные требования для цементоподобного компаунда согласно НП-019-15 (не ниже 5 МПа). Следует отметить, что увеличение прочностных характеристик МКФ матрицы с волластонитом больше, чем с клиноптилолитом. Возможно это связано с армирующим эффектом обусловленным игольчатой структурой введенного в матрицу волластонита. Подобный эффект ранее был отмечен в работе [7].
Таблица 1. Влияние минеральных модификаторов на механическую прочность образцов МКФ матрицы
Вид модификатора Наполнение минеральными модификаторами образцов МКФ матрицы, масс.% Раствор/связующее, л/кг Модуль Юнга, ГПа Прочность на сжатие, МПа
Без 0,50 0,8 10,7
модификатора
9,1 0,30 1,2 19,6
Волластонит 16,7 0,28 1,7 24,8
(CaSiO3) 23,0 0,26 3,3 51,1
28,6 0,24 3,6 51,6
9,2 0,30 1,2 19,4
Цеолит 16,7 0,28 2,7 20,1
23,0 0,26 2,4 24,8
Определение микротвердости МКФ матрицы проводили на примере образца не содержащего минеральных модификаторов (табл.1), который является однофазным кристаллическим материалом (рис.2). На рис.3 представлены фотографии поверхности образца с отпечатками индентора. Установлено, что значение микротвердости МКФ матрицы составляет 26,2 ГПа, что значительно превышает микротвердость магнезиального цемента [8] и сравнимо с данным параметром для высокотемпературных керамических материалов [9].
г - > М. ж.*?**»
Рис. 2 СЭМ изображение МКФ матрицы в обратно-отраженных электронах
б)
Рис. 3 Фотографии поверхности образца МКФ матрицы с отпечатками индентора
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-1310539).
Список литературы
1. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности, НП-019-15, Ростехнадзор, 2015 (с изменениями №3 (81) - 2016).
2. Макаров Е.П. Обращение с РАО от переработки ОЯТ на ФГУП «ПО «Маяк» // Мат. конф. «Атом-Эко - 2013» - Москва - URL: http://www.atomeco.Org/mediafiles/u/files/Prezente tion_31_10_2013/Makarov.pdf.
3. Vinokurov S.E., Kulyako Yu.M., Slyunchev O.M. et al. // Low-temperature immobilization of actinides and other components of high-level waste in magnesium potassium phosphate matrices // J. Nuclear Materials. - 2009. - Vol. 385. - Issue 1. -P. 189-192.
4. Винокуров. С.Е., Куляко Ю.М., Мясоедов Б.Ф. Иммобилизация радиоактивных отходов в магний-калий-фосфатных матрицах // Российский химический журнал. - 2010. - Т. LIV. - № 3. - С. 81-88.
5. Struvite-(K), KMgPO4-6H2O, the potassium equivalent of struvite - new mineral // Eur. J. Mineralogy. - 2008. - Vol. 20. - P. 629-633.
6. Винокуров С.Е., Куликова С.А., Громяк И.Н. Химическая и механическая устойчивость магний-калий-фосфатных компаундов для кондиционирования среднеактивных отходов // Успехи в химии и химической технологии. -2016. - Т. XXX. - №6 (175). - С.106-108.
7. Садрашева А.О. Волластонит как активная минеральная добавка к цементу // Ползуновский альманах. - 2016. - №3. - С. 189192.
8. http://www.newchemistry.ru/printletter.php?n id=6 367 (дата обращения 24.05.2017).
9. Лысенко В.И., Анисимов А.Г., Мали В.И. и др. Микротвердость керамики на основе различных нанопорошков Al2O3, полученной разными методами // Неорганические материалы. - 2014. - Т.50. - №5. - с.577-580.
