CC BY
15
УДК 666.1.001.5
Скворцов М.В., Михайленко Н.Ю., Стефановский С.В., Шумихина А.А.
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ БОРОСИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ ДЛЯ ИХ ИММОБИЛИЗАЦИИ
Скворцов Михаил Владимирович, магистрант 1 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов E-mail: shtak@inbox.ru
Михайленко Наталья Юрьевна, к.т.н., профессор кафедры «Химическая технология стекла и ситаллов» E-mail: nataly-44@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125480, ул. Героев Панфиловцев д. 20
Стефановский Сергей Владимирович, д.х.н., профессор, заведующий лабораторией радиоэкологических и радиационных проблем ИФХЭ РАН.
Институт физической химии и электрохимии им. А. Н. Фрумкина Российской академии наук (ИФХЭ РАН). Лаборатория радиоэкологических и радиационных проблем, 119071 г. Москва, Ленинский проспект, 31, корп.4, Тел.: (495) 954-86-73 E-mail: serge.stefanovsky@yandex.com
Шумихина Алина Александровна, магистрант 2 курс факультета экологии и техносферной безопасности Российский государственный социальный университет, Россия, Москва, Москва, улица Вильгельма Пика, 4, стр. 1
В настоящей работе исследовано влияние имитаторов ВАО ядерных реакторов типа ВВЭР на свойства и структуру стекла. В результате работы определены химическая устойчивость, структурные особенности, а также склонность стекол к кристаллизации как одного из факторов, определяющих химическую устойчивость стекломатрицы для захоронения ядерных отходов.
Ключевые слова: боросиликатные стекла, имитаторы высокоактивных ядерных отходов, иммобилизация ВАО.
THE EFFECT OF THE CONCENTRATION OF RADIOACTIVE WASTES ON THE CHARACTERISTICS OF BOROSILICATE GLASS FOR IMMOBILIZATION
Skvortsov, M. V., Mikhailenko N. Y., Stefanovsky S. V.* Shumikhina A.A**.
D. Mendeleev University of Chemical Technology, Moscow, Russia
*Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry (IPCE), Russian Academy of Sciences, Federal Agency of Science Organizations,
**Russian State Social University, Moscow, Russia
In this paper, the influence of WANO simulators of WWER type nuclear reactors on the properties and structure of glass is investigated. As a result of the work, the chemical resistance, structural features, as well as the tendency of glasses to crystallization as one of the factors determining the chemical resistance of glass matrix for nuclear waste disposal are determined.
Keywords: borosilicate, simulators high-level nuclear waste, immobilization of HL W
В настоящее время в связи с развитием атомной энергетики в мире происходит образование большого количества радиоактивных отходов (РАО). В связи с этим встает проблема их утилизации для безопасного хранения в течении периода полураспада. Наиболее перспективный метод их утилизации - иммобилизация в матрицу.
Существует несколько типов матриц для иммобилизации: цемент и другие силикатные
материалы, битум. Для иммобилизации средне- и высокоактивных (ВАО) отходов используют метод остекловывания, так как химическая стойкость стекла в 5 раз превышает стойкость цемента и битума. Кроме того, при использовании метода остекловывания максимально возможное содержание оксидов РАО в конечном продукте увеличивается в 2,5 раза по сравнению с другими методами. Для остекловывания ВАО используют в основном боросиликатные стекла [1].
Цель настоящего исследования - оценка возможности использования стёкол для иммобилизации ВАО и исследование их физико-химических свойств.
Стеклообразные материалы с имитаторами высокоактивных отходов в количестве 20 - 35 масс.% (в пересчете на оксиды) синтезировали на основе боросиликатной системы (табл.1). Стекла варили в лабораторных условиях в электропечах при температуре 1200оС с выдержкой при данной температуре 1 час. Расплав частично отливали на металлическую подложку (закаленные образцы), оставшуюся часть расплава охлаждали в выключенной печи (отожженные образцы).
Упрощенные составы ВАО (в пересчете на оксиды, масс.%) составляют: С820 - 8,14; ВаО -5,64; БгО - 3,63; У20з - 1,7; 2г02 - 8,23; М02О3 -1,25; Яи02 - 6,2; ИЕЕ203 - 34,54 (ШзОз); N10 - 0,5;
Fe2Ü3 - 1,1; СГ2О3 - 3,13; Na2Ü - 14,64 (в скобках -оксиды-имитаторы ВАО). Содержание оксидов ВАО и стеклообразующих добавок приведено в табл. 1.
Таблица 1 - Составы боросиликатных стекол
Оксиды Содержание компонентов стекла, масс.%
ВАО 20,00 25,00 30,00 35,00
B2O3 19,6 18,375 17,15 15,925
S1O2 44 41,25 38,5 35,75
K2O 10 9,375 8,75 8,125
Na2Ü 6,4 6 5,6 5,2
Синтезированные образцы как после закалки, так и после отжига подвержены частичной кристаллизации (визуальный осмотр и рентгенофазовый анализ). Закаленные образцы с содержанием оксидов ВАО до 25 масс.% остаются однородными, а при большем содержании оксидов ВАО в них наблюдается поверхностная кристаллизация (рис. 1). На поверхности и в объеме обнаружены две кристаллические фазы - бадделеит (2г02) и кварц (БЮ2) (рис. 2). При увеличении концентрации отходов интенсивность пиков бадделеита возрастает, а кварца понижается, что связано с увеличением концентрации 2г02 и
уменьшением БЮ2. Из этого следует, что бадделеит является продуктом кальцинации ВАО, а кварц -продуктом неполного растворения кремнезема в боросиликатном расплаве.
Рис. 1. Внешний вид закаленных образцов
Табл. 2. Выход элементов, г/м2, по методике РСТ (90 °С, 7 сут.)
Оксиды ВАО Na Оксиды ВАО Na
20 0,53 30 0,66
25 0,42 35 0.88
В ИК-спектрах стекол (рис. 3, 4) наблюдаются интенсивные полосы в диапазонах 750-1200 см-1 и 400-550 см-1 , которые относятся к валентным и деформационным колебаниям в кремнекислородной сетке стекла, и полосы с максимумами при ~1400, 1280 и 720 см-1 , относящиеся к валентным и деформационным колебаниям связей O-B-O в борокислородных группах с трехкоординированным бором. При
увеличении содержания имитатора ВАО от 20 до 35 масс.% максимумы полос поглощения в диапазонах 850-1250 см-1 и 700-800 см-1 незначительно смещаются в сторону меньших волновых чисел, демонстрируя повышение доли тетраэдров SiO4 с меньшим числом мостиковых ионов кислорода, что указывает на общее понижение степени связности структурной сетки стекла.
1500 1200 800 400
Волновое число, см"1
Рис. 3. ИК спектры стекол с различным содержание оксидов ВАО
Рис. 4. Компьютерное разложение ИК спектров стекол с различным содержанием оксидов ВАО.
В результате выполнения экспериментов установлено, что в процессе остекловывания имитатора ВАО образуются стекломатериалы. При увеличении концентрации ВАО химическая стойкость (по выходу №) снижается. В процессе синтеза стекла происходит частичная кристаллизация расплава и выделяются две кристаллические фазы - бадделеит и кварц. Бадделеит является продуктом кальцинации ВАО, а кварц - продуктом неполного растворения кремнезема в боросиликатном расплаве. При увеличении концентрации РАО в составе стекольной
шихты степень связанности структуры стекла снижается.
Таким образом, показано, что содержание ВАО, иммобилизуемое в щелочеборосиликатную матрицу синтезированного состава, достигает 30 мас. %.
Список литературы:
1. I.W. Donald.Waste Immobilisation in Glass and Ceramic Based Hosts. Wiley, Chichester, 2010.
