способ включения радиоактивных ионообменных смол в портландцементное связующее

Формула изобретения

Способ включения радиоактивных ионообменных смол в портландцементное связующее, включающий их смешение с цементом и водой с последующим отверждением, отличающийся тем, что в качестве портландцементного связующего используют шлакопортландцемент при водоцементном отношении 0,46-0,50 и включении до 12-13% ионообменных смол по массе сухой смолы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки радиоактивных ионообменных смол (ИОС) методом цементирования.

Отработанные катиоонообменные и аниоонобменные смолы являются наиболее радиоактивными (до 10^-3 Ки/кг и более) отходами, образующимися при эксплуатации ядерных энергетических установок (ЯЭУ) [1]. Поэтому включение их в связующее, надежно изолирующее от окружающей среды, является важной экологической задачей.

Известен способ включения радиоактивных ИОС в неорганическое связующее на основе портландцемента. Отечественные портландцементы содержат 19-23% SiO₂, 3-7% Al₂O₃, 60-67% СаО, до 3% МgО, до 1% SO₃, до 1% Fе₂О₃. В портландцемент рекомендуется включать не более 10% ИОС (по массе сухой смолы) при водоцементном отношении 0,52-0,56 [2, 3]. Данный способ по своей технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близок к заявляемому и выбран в качестве прототипа.

Недостатком данного способа является высокая выщелачиваемость радиоцезия из портландцементных компаундов и низкая степень включения в них ИОС. Причем при включении ИОС в бессолевых (Н⁺- и ОН^--) формах цементные компаунды обладают и низкой водостойкостью. Даже обработка ИОС гидрофобной полиэфирной смолой, повышающая степень включения до 12-13%, не снижает существенно выщелачиваемости радиоцезия [3].

Согласно отечественным техническим требованиям РД 95 10497-93 механическая прочность радиоактивных цементных компаундов должна быть не менее 50 кгс/см² (причем компаунды считаются водостойкими, если они сохраняют прочность не менее 50 кгс/см² и после выдержки в воде в течение 90 сут), а выщелачиваемость радиоцезия - менее 10^-3 г/см²сут [4].

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в увеличении степени включения ИОС в портландцементное связующее, повышении его водостойкости и снижении выщелачиваемости радиоцезия.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе включения радиоактивных ИОС в портландцементное связующее в качестве связующего используют шлакопортландцемент при водоцементном отношении 0,46-0,50 и включении до 12-13% ИОС (по массе сухой смолы).

Шлакопортландцемент получают добавкой к портландцементу измельченного доменного гранулированного шлака (до 80 мас.%), что обеспечивает минеральный состав 34-39% SiO₂, 5-7% Al₂O₃, 48-50% СаО, до 3% МgО, до 1,5% SO₃, до 1% Fe₂О₃. РД 95 10497-93 [4] шлакопортландцементы допускаются к использованию для отверждения жидких радиоактивных отходов наравне с портландцементами.

Способ осуществляется следующим образом.

Радиоактивные ИОС смешивают с шлакопортландцементом и водой при водоцементном отношении 0,46-0,50. При бессолевых формах ИОС (Н⁺- для катионита и ОН^-- для анионита) в шлакопортландцемент включают до 12% по массе сухой смолы, а при солевых формах ИОС - до 13% по массе сухой смолы. Смесь перемешивают до получения однородной массы, а затем отверждают в течение 28 суток для набора прочности, достаточной для безопасной транспортировки (не менее 50 кг/см²). Шлакопортландцементные компаунды обладают достаточно высокой водостойкостью (сохраняют прочность не менее 50 кг/см² через 90 суток выдержки в воде) и выщелачиваемостью через 90 суток менее 10^-3 г/см²сут, что обеспечивает их безопасное захоронение в типовых бетонных хранилищах.

По сравнению с известными способами включения радиоактивных ИОС в портландцементное связующее использование для этой цели шлакопортландцемента при пониженном водоцементном отношении 0,46-0,50 обеспечивает повышение степени включения ИОС на 20-30% при сохранении достаточно высокой прочности (не менее 50 кг/см²) и выщелачиваемость достаточно низкую (менее 10^-3 г/см²сут) для захоронения в типовые бетонные хранилища. При этом обеспечивается водостойкость цементных компаундов даже при включении ИОС в бессолевых формах, что не следует явным образом из уровня техники (вяжущая способность шлакопортландцемента ниже, чем портландцемента), т.е. предлагаемый способ соответствует критерию изобретательского уровня.

Примеры конкретного исполнения.

Пример I (Прототип). Смесь радиоактивных катионитов КУ-2 (в ⁺-форме и в Na⁺-форме) и анионитов (в ОН⁺- форме и в SO^-2₄-фopмe) в соотношении 1:1 перемешивали с портландцементом марки 400 и водой при массовом отношении 0,52-0,56 до получения однородной массы и отверждали в течение 28 суток. Цементные компаунды испытывали на прочность по ГОСТ 310.4-81 и выщелачиваемость по ГОСТ 29114-91. Характеристика цементных компаундов приведена в таблице.

Пример II. Отличается от примера I тем, что в качестве связующего использовали шлакопортландцемент при водоцементном отношении 0,45-0,50. Характеристика цементных компаундов приведена в таблице.

Из данных, приведенных в таблице, следует, что при использовании портландцемента (по прототипу) прочные и водостойкие цементные компаунды получают при включении не более 10 мас.% ИОС в солевых формах и не более 7,5 мас.% ИОС в бессолевых формах. Причем во всех случаях выщелачиваемость ¹³⁷Cs превышает 1,010^-3 г/см²сут, что требует принятия дополнительных мер безопасности (обмазка блоков битумом, импрегнирование полимерами и др.) для их захоронения. В то же время, использование шлакопортландцемента, обладающего пониженной водовяжущей способностью, позволяет включать до 12-13 мас.% ИОС с получением прочных, водостойких компаундов с выщелачиваемостью ¹³⁷Cs менее 1,010^-3г/см²сут, что достаточно для безопасного захоронения в типовые бетонные хранилища.

Предлагаемый способ может осуществляться на том же оборудовании, что и при использовании портландцемента, а шлакопортландцемент выпускается в промышленных масштабах, т.е. способ является промышленно применимым. Применение данного способа повышает экологическую безопасность захоронения радиоактивных отходов и, кроме того, позволяет использовать для этой цели вредные отходы металлургической промышленности (доменный шлак входящий в состав шлакопортландцемента).

Источники информации

1. Никифоров А.С., Куличенко В.В., Жихарев М.И. Обезвреживание жидких радиоактивных отходов. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 110-111.

2. Bonnevie-Svendsen M., Tallberg К., Aittola P., e.a. Studies on the incorporation of spent ion-exchange resins from nuclear power plants into bitum and cement. - In: Symposium on the ion-site management of power reactor wastes, Zurich, 26-30 March, 1979, Paris, 1979, p. 155-174.

3. Byckley L.H., Speranzini R.A. Evalution of matrica for immijbiliting ion-exchange resins, AECL - 6971, jule 1980.

4. Качество компаундов, образующихся при цементировании жидких радиоактивных отходов низкого и среднего уровней активности. - Технические требования. - РД 95 10497-93. М.: Минатом РФ, 1993.