композиция для цементирования жидких радиоактивных отходов

Формула изобретения

Композиция для цементирования жидких радиоактивных отходов, состоящая из портландцемента, природных алюмосиликатных материалов (бентонита, вермикулита, каолина, клиноптилолита), отличающаяся тем, что она дополнительно содержит в качестве активной минеральной добавки низкокальциевую золу ТЭЦ, а в качестве пластификатора - суперпластификатор С-3 при следующем соотношении компонентов, мас.%:

портландцемент	20,0-40,0
природные алюмосиликатные материалы (бентонит,
вермикулит, каолин, клиноптилолит)	5,0-15,0
суперпластификатор С-3	0,2-1,0
низкокальциевая зола ТЭЦ	44,0-74,8

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области локализации жидких радиоактивных отходов и может быть использовано в атомной энергетике и на радиохимических производствах для отверждения радиоактивных растворов и пульп.

Известны различные композиции на основе цементов для отверждения жидких радиоактивных отходов, в состав которых входит собственно вяжущее вещество (портландцемент, шлакопортландцемент, доменные шлаки) в количестве не менее 70% от массы сухой смеси, сорбционные добавки (обычно это природные алюмосиликатные материалы, например бентонит, вермикулит, каолин) - до 20%, необходимые для фиксации радионуклидов, а также прочие модифицирующие добавки. Так, для отверждения радиоактивных концентратов отработавших дезактивирующих растворов АЭС используется сухая смесь, включающая портландцемент, каустический магнезит (строительную окись магния) и вермикулит при следующем соотношении жидких отходов и компонентов смеси: 1:(0,7-0,9):(0,2-0,25):(0,2-0,25) [Патент РФ № 2116681, опубликован 27.07.1998].

Данные композиции имеют общий недостаток, который состоит в следующем. При твердении компаунда на основе композиций с высоким содержанием портландцемента наблюдается значительное тепловыделение, в результате чего для блока большого объема и плохих условий теплоотвода может происходить нагрев компаунда до температуры более 100°С, что недопустимо, так как приводит к нарушению структуры компаунда.

Кроме того, в случае использования указанных композиций на основе портландцемента имеет место высокий расход данного материала, который в настоящее время является дорогостоящим продуктом. В случае применения композиций на основе доменных шлаков также имеют место существенные материальные затраты вследствие необходимости измельчения, классификации и контроля состава шлака.

Наиболее близкой к предлагаемой является композиция для отверждения концентратов ЖРО, применяемая в атомном центре в Гренобле (Франция), путем смешения с портландцементом и вермикулитом в соотношении 1:1,2:0,2 [Pomazola I. a.u. Evolution de la gestion des dechets radioactifis an centre de Fontenayaux - Roses. - In: Manasement of Lorv - and Intermediate - Level Radioaktive wastes. Vienna: IAEA, 1970, p.537-562]. Недостатком данного способа является высокое содержание портландцемента (порядка 85 мас.%), что в случае контейнера большого объема может привести к существенному нагреву компаунда.

Технической задачей изобретения является подбор состава композиции для отверждения ЖРО, позволяющей регулировать величину тепловыделения и нагрева цементного компаунда при сохранении соответствия его качества существующим нормативным требованиям цементированным РАО. Указанная задача достигается тем, что в состав цементного компаунда в качестве активной минеральной добавки вводится низкокальциевая зола ТЭЦ (содержание СаО менее 2%) в количестве до 75% от общей массы сухой смеси. Замещение большей части портландцемента золой с низким содержанием кальция существенно снижает тепловыделение в процессе твердения, а высокая дисперсность и физико-химические свойства материала обеспечивают равномерность его распределения в объеме компаунда с сохранением требуемой механической прочности последнего.

Использование низкокальциевой золы ТЭЦ в качестве активной минеральной добавки позволяет снизить содержание портландцемента в составе композиции вплоть до 20% по массе. В результате температура компаунда в ходе твердения существенно ниже, чем без использования золы (на 20-30°С и 80-90°С для монолитов объемом 30 и 150 л соответственно). При этом расход вяжущего вещества на отверждение 1 м³ ЖРО составляет 0,4-0,7 т, что значительно ниже, чем в прототипе (0,7-2,5 т). Это существенно снижает затраты на проведение процесса, так как зола является отходом производства и не требует значительных вложений для подготовки к использованию. Полученный цементный компаунд с отвержденными радиоактивными отходами соответствует существующим нормативным требованиям [ГОСТ Р 51883-2002 «Отходы радиоактивные цементированные. Общие технические требования»].

Предлагаемая композиция для цементирования жидких отходов и пульп состоит из 20,0-40,0% портландцемента, 5,0-15,0% природных алюмосиликатных материалов (бентонита, вермикулита, каолина, клиноптилолита), 0,2-1,0% суперпластификатора С-3 и 44,0-74,8% низкокальциевой золы ТЭЦ. Отверждаемые ЖРО должны иметь величину рН не менее 7.

Возможность осуществления заявляемого технического решения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. При затворении композиции, содержащей 39,8% портландцемента, 9,9% бентонита, 50% низкокальциевой золы ТЭЦ и 0,3% суперпластификатора, раствором нитрата натрия с концентрацией 300 г/л был получен образец цилиндрической формы объемом около 30 л. Образец в ходе твердения нагрелся на 8°С и его температура составила 30°С. При затворении композиции без золы ТЭЦ, содержащей 89,8% портландцемента, 9,9% бентонита и 0,3% суперпластификатора, аналогичным раствором был получен образец объемом также около 30 л. Образец в ходе твердения нагрелся на 35°С и его температура составила 56°С.

Пример 2. В композицию из 40 г портландцемента марки 400, 10 г бентонита, 149,4 г низкокальциевой золы ТЭЦ и 0,6 г суперпластификатора С-3 вводили 100 мл раствора с концентрацией нитрата натрия 600 г/л, объемной активностью ¹³⁷Cs 1,2·10⁶ Бк/л и ²⁴¹ Am 1,1·10⁶ Бк/л. Раствороцементное отношение составило 0,50 мл/г, степень включения компонентов раствора - 17,9%, доля портландцемента и золы в составе композиции - 20,0% и 74,7% соответственно, плотность компаунда - 1,41 г/см³ , удельная прочность на сжатие - 55 кг/см². Удельная активность компаунда составила по ¹³⁷Cs 3,7·10 ⁵ Бк/кг, по ²⁴¹Am - 3,3·10⁵ Бк/кг. Средняя скорость выщелачивания за 90 сут ¹³⁷ Cs равнялась 2,7·10^-4 г/(см²·сут), ²⁴¹Am - менее 3,0·10^-4 г/(см² ·сут).

Таким образом, предлагаемая композиция позволяет значительно снизить температуру компаунда при твердении за счет уменьшения тепловыделения. Это делает возможным хранение его в виде монолитов большого объема. При этом значительно сокращается расход портландцемента при отверждении жидких отходов и пульп за счет введения доступной добавки - золы ТЭЦ, что существенно удешевит процесс с сохранением нормируемых характеристик компаунда на уровне требований существующих стандартов.