[go: up one dir, main page]

RU2790580C2 - Method for production of mineral-like matrix for immobilization of highly active waste - Google Patents

Method for production of mineral-like matrix for immobilization of highly active waste Download PDF

Info

Publication number
RU2790580C2
RU2790580C2 RU2021122317A RU2021122317A RU2790580C2 RU 2790580 C2 RU2790580 C2 RU 2790580C2 RU 2021122317 A RU2021122317 A RU 2021122317A RU 2021122317 A RU2021122317 A RU 2021122317A RU 2790580 C2 RU2790580 C2 RU 2790580C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
pelletizer
lrw
waste
mineral
carried out
Prior art date
Application number
RU2021122317A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021122317A (en
Inventor
Майя Юрьевна Каленова
Иван Владимирович Кузнецов
Андрей Станиславович Щепин
Олег Николаевич Будин
Ирина Михайловна Мельникова
Роман Владимирович Сапрыкин
Original Assignee
Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации"
Filing date
Publication date
Application filed by Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации" filed Critical Частное Учреждение По Обеспечению Научного Развития Атомной Отрасли "Наука И Инновации"
Publication of RU2021122317A publication Critical patent/RU2021122317A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2790580C2 publication Critical patent/RU2790580C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: recycling.
SUBSTANCE: invention relates to recycling of highly active waste (HAW) by immobilization into mineral-like matrices (hereinafter – MLM) for use as part of radio-chemical production specialized on recycling of spent nuclear fuel. The method includes supply of liquid radioactive waste (hereinafter – LRW) and mineral-forming additives to a heated plate pelletizer. Dosing of LRW is carried out until reaching a set ratio of radionuclides and MLM components. The process is carried out at a temperature of a working surface of the pelletizer, not exceeding a melting or decomposition point of the least thermally stable metal nitrate included in LRW. Formed granules are continuously removed from the pelletizer by self-unloading and transmitted directly to a melting unit. Synthesis of the final product is carried out in a quasi-continuous mode by ingot extraction. The resulting compact material can be subjected to annealing for improvement of its physical and chemical properties.
EFFECT: invention allows for reduction in dust removal due to elimination of a dust-like fraction, when pelletizing granules, energy consumption, corrosion and abrasion wear of equipment, when curing LRW in MLM.
6 cl, 8 dwg, 1 tbl, 3 ex

Description

Область техники, к которой относится изобретениеThe field of technology to which the invention belongs

Изобретение относится к способам переработки ВАО путем иммобилизации в МПМ, устойчивые к внешним воздействиям и пригодные для длительного контролируемого хранения либо окончательного захоронения.The invention relates to methods for processing HLW by immobilization in MPM, resistant to external influences and suitable for long-term controlled storage or final disposal.

Уровень техникиState of the art

Известен охранный документ RU 2203512 C2 «Способ отверждения жидких радиоактивных отходов и устройство для его осуществления» (ФГУП «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара»), в котором осуществляют предварительную подготовку ЖРО и флюсующих компонентов для подачи в холодный тигель с целью получения остеклованной формы. ЖРО смешиваются с флюсующими добавками, полученный продукт обезвоживают при температуре 110-160°С до плава с влажностью около 20% в компактном прямоточном змеевиковом испарителе, после чего суспензия подается в холодный тигель. Недостаток способа заключается во влажности материала, подаваемого в тигель. С одной стороны, она весьма низкая, что затрудняет передачу плава по трубопроводу и может вызвать его закупорку, с другой стороны - высокая в момент подачи на зеркало расплава, что требует дополнительных энергозатрат на удаление влаги.Known security document RU 2203512 C2 "Method of solidification of liquid radioactive waste and a device for its implementation" (FGUP "VNIINM named after A.A. Bochvar"), in which preliminary preparation of LRW and fluxing components is carried out for feeding into a cold crucible in order to obtain a vitrified forms. LRW is mixed with fluxing additives, the resulting product is dehydrated at a temperature of 110-160°C to a melt with a moisture content of about 20% in a compact once-through coil evaporator, after which the suspension is fed into a cold crucible. The disadvantage of this method lies in the moisture content of the material fed into the crucible. On the one hand, it is very low, which makes it difficult to transfer the melt through the pipeline and can cause blockage, on the other hand, it is high at the time of supply of the melt to the mirror, which requires additional energy to remove moisture.

Изобретение, направленное на повышение качества смешения отходов со стеклообразователем, обеспечивающее непрерывную подачу смеси в плавитель без образования пробок суспензии в трубопроводах описывается RU 2432630 C2 «Способ подготовки жидких высокоактивных отходов к остекловыванию» (АО «ВНИИНМ»). Предварительно в ЖРО добавляют азотную кислоту, а затем смешивают с водным кремнезолем из расчета получения боросиликатного стекла с содержанием оксида кремния 35-55 мас. %. В зависимости от кислотности полученный золь может не седиментировать от нескольких суток до нескольких месяцев, что позволяет транспортировать его по трубопроводам без риска расслоения. Недостаток способа также заключается в высокой влажности материала, подаваемого на зеркало расплава, превышающей 50%, что приводит к нерациональным затратам тепловой энергии плавителя на обезвоживание шихты и ухудшает производительность процесса.An invention aimed at improving the quality of mixing waste with a glass former, which ensures continuous supply of the mixture to the melter without the formation of suspension plugs in pipelines, is described by RU 2432630 C2 "Method of preparing high-level liquid waste for vitrification" (JSC VNIINM). Nitric acid is first added to LRW, and then mixed with aqueous silica sol to obtain borosilicate glass with a silicon oxide content of 35-55 wt. %. Depending on the acidity, the resulting sol may not sediment from several days to several months, which makes it possible to transport it through pipelines without the risk of delamination. The disadvantage of this method also lies in the high moisture content of the material supplied to the melt mirror, exceeding 50%, which leads to unsustainable costs of the melter's thermal energy for dehydration of the charge and degrades the productivity of the process.

Метод подачи обводненной шихты в плавитель может использоваться не только для процессов остекловывания ВАО, но и для синтеза МПМ, одной из реализаций данного подхода посвящен RU2153717C1 «Способ включения радиоактивных отходов в керамическую матрицу» (МосНПО «Радон»). Радиоактивные отходы (РАО), содержащие 0,01 г/дм3 урана, 0,01 г/дм3 плутония, 0,01 г/дм3 нептуния, 0,27 г/дм3 циркония и редкоземельных элементов 0,8 г/дм3 упаривают до остаточной влажности 30-45 мас. %, после чего смешивают с оксидами титана, кальция, циркония, алюминия и бария при общем содержании компонентов, мас. %: упаренные РАО (в пересчете на оксиды) - 20, TiO2 - 55, СаО - 8, ZrO2 - 8, Al2O3 - 4 и ВаО - 5, полученную шихту смешивают с ионообменной смолой, взятой в количестве 6 мас. % от массы шихты, доводят влажность полученной углеродсодержащей шихты до 12 мас. % и подают на поверхность расплава цирконолита и перовскита, имеющего рабочую температуру 1500°С при давлении ниже атмосферного (наиболее жесткие условия). После завершения подачи смесь углеродсодержащей шихты и расплава цирконолита и перовскита выдерживают 3-15 минут (в случае индукционного нагрева) или не менее 1 часа (в случае других видов нагрева) до получения гомогенизированного расплава конечного продукта, после чего его охлаждаютдо образования монолитной керамики Synroc с включенными в нее РАО. Недостатком данного способа является присутствие термически нестойкой органической компоненты, стремительное разложение которой вследствие контакта с расплавом может иметь взрывной характер и приводить к формированию посторонних (металлических, карбидных или оксикарбидных) включений в матрицу вследствие карботермического восстановления ее компонентов.The method of supplying a watered charge to the melter can be used not only for HLW vitrification processes, but also for the synthesis of MPM; Radioactive waste (RW) containing 0.01 g / dm 3 uranium, 0.01 g / dm 3 plutonium, 0.01 g / dm 3 neptunium, 0.27 g / dm 3 zirconium and rare earth elements 0.8 g / DM 3 evaporated to a residual moisture content of 30-45 wt. %, after which it is mixed with oxides of titanium, calcium, zirconium, aluminum and barium with a total content of components, wt. %: evaporated RAO (in terms of oxides) - 20, TiO 2 - 55, CaO - 8, ZrO 2 - 8, Al 2 O 3 - 4 and BaO - 5, the resulting mixture is mixed with an ion exchange resin, taken in an amount of 6 wt . % by weight of the mixture, bring the moisture content of the obtained carbonaceous mixture to 12 wt. % and served on the surface of the melt of zirconolite and perovskite, having an operating temperature of 1500°C at a pressure below atmospheric pressure (the most stringent conditions). After the supply is completed, the mixture of carbon-containing charge and melt of zirconolite and perovskite is kept for 3-15 minutes (in the case of induction heating) or at least 1 hour (in the case of other types of heating) until a homogenized melt of the final product is obtained, after which it is cooled to form a monolithic Synroc ceramic with RAO included in it. The disadvantage of this method is the presence of a thermally unstable organic component, the rapid decomposition of which due to contact with the melt can be explosive and lead to the formation of foreign (metal, carbide or oxycarbide) inclusions in the matrix due to carbothermal reduction of its components.

В то же время на практике используются способы, предусматривающие подачу полностью обезвоженного материала в плавитель. В качестве примера можно привести RU 2531637 C2 «Способ переработки азотосодержащих жидких водных отходов с помощью кальцинации и остекловывания» (Арева НС). Предварительное упаривание и кальцинацию нитратных ЖРО до получения оксидного продукта проводят в роторной сушилке при 400°С, после чего кальцинат загружают в холодный тигель и переплавляют с получением компактного стеклоблока.At the same time, in practice, methods are used that provide for the supply of completely dehydrated material to the melter. An example is RU 2531637 C2 "Method of processing nitrogen-containing liquid aqueous waste using calcination and vitrification" (Areva NS). Preliminary evaporation and calcination of nitrate LRW to obtain an oxide product is carried out in a rotary dryer at 400°C, after which the calcinate is loaded into a cold crucible and melted to obtain a compact glass block.

Аналогичным способом можно подготавливать ЖРО и для синтеза МПМ, что показано в RU 2164716 C1 «Способ отверждения жидких радиоактивных отходов и устройство для его осуществления» и RU2160937C1 «Монолитный блок для иммобилизации жидких радиоактивных отходов» (ГНЦ РФ «ВНИИНМ им. А.А. Бочвара). Перерабатываемые отходы обезвоживаются и кальцинируются в распылительной высокотемпературной сушилке при 600-800°С, что обеспечивает получение чисто оксидного продукта, направляемого вместе с порошкообразными минералообразующими компонентами в ИПХТ. Плавку ведут при температуре 1250-1800°С, получаемый минералоподобный продукт может состоять из фаз эгирина, жадеита, эгирин-авгита, арфведсонита, ортита, шерлита, андрадита, ловчоррита. К недостаткам данного подхода можно отнести абразивный износ оборудования, вызванный контактом с твердым материалом, и повышенную нагрузку на локальную систему газоочистки, обусловленную интенсивным пылеуносом, вызванным восходящими потоками из среза плавителя. Также в случае использования роторных кальцинаторов возникает проблема коррозионного повреждения горячих поверхностей оборудования, контактирующих с ЖРО, представляющими собой азотнокислые растворы.In a similar way, LRW can also be prepared for the synthesis of MPM, which is shown in RU 2164716 C1 “Method of solidifying liquid radioactive waste and a device for its implementation” and RU2160937C1 “Monolithic block for immobilization of liquid radioactive waste” (SSC RF “VNIINM named after A.A. Bochvar). Processed wastes are dehydrated and calcined in a high-temperature spray dryer at 600-800°C, which provides a pure oxide product, which is sent together with powdered mineral-forming components to IPCT. Melting is carried out at a temperature of 1250-1800°C, the resulting mineral-like product may consist of phases of aegirine, jadeite, aegirine-augite, arfvedsonite, orthite, sherlite, andradite, lovchorrite. The disadvantages of this approach include abrasive wear of the equipment caused by contact with a solid material, and an increased load on the local gas cleaning system due to intense dust entrainment caused by ascending flows from the melter cut. Also, in the case of using rotary calciners, there is a problem of corrosion damage to the hot surfaces of equipment in contact with LRW, which are nitric acid solutions.

Решению задачи снижения пылеуноса в процессе транспортировки материала и его переплавки с целью получения МПМ посвящен патент RU2212069C2 «Способ отверждения растворов долгоживущих радионуклидов» (ФГУП «ПО «Маяк»). ЖРО контактируют с кристаллическим сорбентом на основе диоксидов циркония и титана и затем упаривают досуха при температуре 90-130°С с получением заданного насыщения радионуклидами за один или несколько контактов твердого материала и раствора. В результате сверхстехиометрической сорбции образуется сыпучий полупродукт, который может быть переведен в матрицы, состоящие из одного или нескольких не содержащих кремний минералов циркония и титана типа (Zr, Ме)О2 (стабилизированный диоксид циркония), (Ti, Ме)О2 (рутил), BaAb(Ti6, Me)O16 (голландит), Са(Ме, Ti)О3 (перовскит), Ca(Zr, Me, Ti2)07 (цирконолит), их смеси и другие. Насыщенный таким образом сорбент может быть переплавлен методом ИПХТ и не способствует пылеобразованию. К существенным недостаткам относятся высокая стоимость и ограниченная доступность неорганических сорбентов на основе оксидов титана и циркония, циклический характер процесса, сложность автоматизации транспортных операций по переносу исходного сорбента в реакционную емкость и извлечению из нее насыщенного полупродукта (прототип).Patent RU2212069C2 “Method of curing solutions of long-lived radionuclides” (FGUP “PA Mayak”) is devoted to the solution of the problem of reducing dust entrainment during the transportation of material and its remelting in order to obtain MPM. LRW is contacted with a crystalline sorbent based on zirconium and titanium dioxide and then evaporated to dryness at a temperature of 90-130°C to obtain a given saturation with radionuclides in one or more contacts of the solid material and the solution. As a result of superstoichiometric sorption, a free-flowing intermediate product is formed, which can be transferred into matrices consisting of one or more silicon-free minerals of zirconium and titanium of the type (Zr, Me)O 2 (stabilized zirconia), (Ti, Me)O 2 (rutile ), BaAb(Ti 6 , Me)O1 6 (hollandite), Ca(Me, Ti)O 3 (perovskite), Ca(Zr, Me, Ti 2 )07 (zirconolite), their mixtures and others. The sorbent saturated in this way can be remelted by IPCT and does not contribute to dust formation. Significant disadvantages include the high cost and limited availability of inorganic sorbents based on titanium and zirconium oxides, the cyclical nature of the process, the complexity of automating transport operations for transferring the original sorbent to the reaction vessel and extracting the saturated intermediate from it (prototype).

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Задачами изобретения являются сокращение пылеуноса, энергопотребления, коррозионного и абразивного износа оборудования при отверждении ЖРО в МПМ. Это достигается тем, что в отличие от известных технических решений перерабатываемые ЖРО дозируются с определенной скоростью в обогреваемый тарельчатый окомкователь совместно с порошкообразными минералообразующими компонентами в виде оксидов и/или их многокомпонентных систем. В окомкователе помимо формирования гранул осуществляется непрерывное испарение влаги и других летучих компонентов ЖРО, формирующийся на рабочей поверхности окомкователя гарнисажный слой, защищает ее от абразивного износа и коррозионного воздействия кислотными растворами. Получаемые гранулы характеризуются высокой механической прочностью и устойчивостью к истиранию, обеспечивающими хорошую транспортабельность и отсутствие пылевидной фракции, повышающей нагрузку на системы газоочистки как при транспортировке, так и при подаче в плавильный узел. Получение компактной МПМ осуществляется в квазинепрерывном режиме путем переплавки гранул, разгрузка компактного сплавленного материала - путем вытягивания слитка. Последовательность операций получения МПМ для иммобилизации ЖРО показана на фиг. 1.The objectives of the invention are to reduce dust entrainment, energy consumption, corrosive and abrasive wear of equipment during solidification of LRW in MPM. This is achieved by the fact that, in contrast to the known technical solutions, processed LRW are dosed at a certain rate into a heated plate pelletizer together with powdered mineral-forming components in the form of oxides and/or their multicomponent systems. In the pelletizer, in addition to the formation of granules, the continuous evaporation of moisture and other volatile components of LRW is carried out, the scull layer formed on the working surface of the pelletizer protects it from abrasive wear and corrosion by acid solutions. The resulting granules are characterized by high mechanical strength and resistance to abrasion, providing good transportability and the absence of a dusty fraction, which increases the load on gas cleaning systems both during transportation and when fed to the melting unit. Obtaining a compact MMM is carried out in a quasi-continuous mode by remelting the granules, unloading the compact fused material - by pulling the ingot. The sequence of operations for obtaining MPM for LRW immobilization is shown in Fig. 1.

Описание чертежейDescription of drawings

Изобретение иллюстрируется следующими фигурами:The invention is illustrated by the following figures:

Фиг. 1 - Схема процесса иммобилизации ВАО в МПМ, где … - операции не являются обязательными, выполняются при необходимости.Fig. 1 - Scheme of the process of immobilization of HLW in the MRM, where ... - operations are not mandatory, they are performed if necessary.

Фиг. 2 - Схема экспериментального стенда для синтеза гранулированного прекурсора, гдеFig. 2 - Scheme of an experimental stand for the synthesis of a granular precursor, where

1 - перистальтические насосы;1 - peristaltic pumps;

2 - инжекторы для раствора;2 - solution injectors;

3 - регулирующий авторансформатор;3 - regulating autotransformer;

4 - емкость для раствора-имитатора ЖРО;4 - container for LRW simulator solution;

5 - емкость для вспомогательных реагентов;5 - container for auxiliary reagents;

6 - тарельчатый окомкователь с обогреваемой тарелью;6 - plate pelletizer with a heated plate;

7 - векторный частотный преобразователь.7 - vector frequency converter.

Фиг. 3 - Дифрактограмма компактного сплавленного материала на основе орторомбического титаната и рутила (33 мас. % Nd2O3).Fig. 3 - X-ray diffraction pattern of a compact alloyed material based on orthorhombic titanate and rutile (33 wt.% Nd2O3).

Фиг. 4 - Динамика выщелачивания неодима из компактного сплавленного материала на основе орторомбического титаната (33 мас. % Nd2O3).Fig. 4 - Dynamics of neodymium leaching from a compact alloyed material based on orthorhombic titanate (33 wt.% Nd2O3).

Фиг. 5 - Дифрактограмма компактного сплавленного материала со структурой пирохлора Nd2ZrTiO7 (~62 мас. % Nd2O3).Fig. 5 - X-ray diffraction pattern of a compact fused material with the pyrochlore structure Nd2ZrTiO7 (~62 wt.% Nd2O3).

Фиг. 6 - Динамика выщелачивания неодима из компактного сплавленного материала со структурой пирохлора Nd2ZrTiO7 (62,3 мас. % Nd2O3).Fig. 6 - Dynamics of neodymium leaching from a compact fused material with the pyrochlore structure Nd2ZrTiO7 (62.3 wt.% Nd2O3).

Фиг. 7 - Дифрактограмма компактного сплавленного материала со структурами поллуцита CsAlSi2O6 и таусонита SrTiO3.Fig. 7 - X-ray diffraction pattern of a compact fused material with pollucite CsAlSi2O6 and tausonite SrTiO3 structures.

Фиг. 8 - Динамика выщелачивания цезия и стронция из компактного сплавленного материала со структурами поллуцита CsAlSi2O6 и таусонита SrTiO3.Fig. 8 - Dynamics of cesium and strontium leaching from compact fused material with pollucite CsAlSi2O6 and tausonite SrTiO3 structures.

На фиг. 1 представлена последовательность операций получения компактной МПМ; на фиг. 2 показана схема установки получения гранулированного прекурсора; на фиг. 3 показана дифрактограмма матрицы на основе орторомбического титаната (33 мас. % Nd2O3); на фиг. 4 показана динамика выщелачивания неодима (имитатора радионуклидов) из матрицы на основе орторомбического титаната (33 мас. % Nd2O3); на фиг. 5 показана дифрактограмма МПМ целевого состава Nd2ZrTiO7; на фиг. 6 динамика выщелачивания неодима (имитатора радионуклидов) из МПМ целевого состава Nd2ZrTiO7; на фиг. 7 показана дифрактограмма МПМ на основе структурных аналогов поллуцита и таусонита; на фиг. 8 показана динамика выщелачивания цезия и стронция из МПМ на основе структурных аналогов поллуцита и таусонита.In FIG. 1 shows the sequence of operations for obtaining a compact MSM; in fig. 2 shows a diagram of a granular precursor production unit; in fig. 3 shows a X-ray diffraction pattern of an orthorhombic titanate matrix (33 wt % Nd 2 O 3 ); in fig. 4 shows the dynamics of leaching of neodymium (radionuclide simulator) from a matrix based on orthorhombic titanate (33 wt.% Nd 2 O 3 ); in fig. 5 shows the X-ray diffraction pattern of the MSM of the target composition Nd 2 ZrTiO 7 ; in fig. 6 dynamics of neodymium leaching (simulator of radionuclides) from MPM of target composition Nd 2 ZrTiO 7 ; in fig. 7 shows the X-ray diffraction pattern of MPM based on structural analogues of pollucite and tausonite; in fig. Figure 8 shows the dynamics of cesium and strontium leaching from MPM based on structural analogues of pollucite and tausonite.

Осуществление изобретенияImplementation of the invention

Перерабатываемые ЖРО, представляющие собой азотнокислый раствор, содержащий продукты деления, непрерывно подаются в обогреваемый тарельчатый окомкователь совместно с порошкообразными минералообразующими компонентами. Состав и количество неактивных твердых компонентов выбирается индивидуально исходя из изотопного состава отходов, требуемой степени включения радионуклидов, целевой конечной формы ВАО, ожидаемого тепловыделения и иных требований. В случае необходимости по отдельным магистралям с независимо управляемым расходом в окомкователь могут подаваться вспомогательные вещества -вяжущие, корректоры кислотности. Температура рабочей поверхности окомкователя не должна превышать точки плавления или разрушения наименее устойчивого нитрата металла, входящего в состав перерабатываемых ВАО (не более 400°С). Образующийся на рабочей поверхности окомкователя гарнисажный слой предохраняет ее от абразивного износа и коррозионного воздействия кислотными растворами. В процессе грануляции одновременно происходят интенсивное испарение остаточной влаги, паров азотной кислоты, отгонка и разрушение органических компонентов (при наличии), формирование и укрупнение гранул, удаляемых из окомкователя путем саморазгрузки непосредственно в плавильный узел. Получение компактного сплавленного материала осуществляется в высокочастотной индукционной печи с последующим вытягиванием слитка.Processed LRW, which is a nitric acid solution containing fission products, is continuously fed into a heated plate pelletizer together with powdered mineral-forming components. The composition and amount of inactive solid components is selected individually based on the isotopic composition of the waste, the required degree of inclusion of radionuclides, the target final form of HLW, the expected heat release and other requirements. If necessary, auxiliary substances - binders, acidity correctors - can be supplied to the pelletizer through separate lines with an independently controlled flow rate. The temperature of the working surface of the pelletizer should not exceed the melting or destruction point of the least stable metal nitrate, which is part of the processed high-level waste (not more than 400°C). The scull layer formed on the working surface of the pelletizer protects it from abrasive wear and corrosive attack by acid solutions. In the process of granulation, intensive evaporation of residual moisture, nitric acid vapors, stripping and destruction of organic components (if any), formation and enlargement of granules removed from the pelletizer by self-unloading directly into the melting unit take place simultaneously. Obtaining a compact fused material is carried out in a high-frequency induction furnace, followed by drawing the ingot.

Эффективность предложенного способа подтверждена результатами испытаний, проведенных на неактивных имитаторах фракционированных ВАО, образующихся при переработке ОЯТ: РЗЭ-актинидной фракции; цезий-стронциевой фракции. Для получения гранул использовалась установка на основе тарельчатого окомкователя, схема которой показана на фиг. 2.The effectiveness of the proposed method is confirmed by the results of tests carried out on inactive simulators of fractionated HLW formed during the processing of spent nuclear fuel: REE-actinide fraction; cesium-strontium fraction. To obtain granules, an installation based on a disk pelletizer was used, the scheme of which is shown in Fig. 2.

Проверка прочности гранул осуществлялась методом разрушающего анализа с помощью измерителя прочности ИПГ-1М (АО «УНИХИМ с ОЗ», Россия). Эксперименты по переплавке гранул в компактные матрицы проводились в высокочастотной индукционной печи с холодным тиглем ВЧИ-80, основные характеристики которой представлены в таблице 1.The strength of the granules was tested by destructive analysis using an IPG-1M strength meter (JSC UNIKHIM s OZ, Russia). Experiments on the remelting of granules into compact matrices were carried out in a high-frequency induction furnace with a cold crucible VCHI-80, the main characteristics of which are presented in Table 1.

Figure 00000001
Figure 00000001

Полученные матрицы анализировались с помощью рентгеновского диффракатометра Дрон-4М (ПО «Буревестник», СССР), расшифровка данных осуществлялась посредством ПО «Match!» (Cryallimact Gmbh., ФРГ). Гидролитическую устойчивость определяли по методике, приведенной в ГОСТ 29114-91 «Отходы радиоактивные. Метод измерения химической устойчивости отвержденных радиоактивных отходов посредством длительного выщелачивания». Пример 1.The resulting matrices were analyzed using a Dron-4M X-ray diffractometer (PO Burevestnik, USSR), data interpretation was carried out using the Match! (Cryallimact Gmbh., Germany). Hydrolytic stability was determined according to the method given in GOST 29114-91 “Radioactive waste. A method for measuring the chemical stability of solidified radioactive waste through long-term leaching. Example 1

Задачей эксперимента являлся синтез матрицы на основе орторомбического титаната для иммобилизации РЗЭ-актинидной, содержащей ~3 мас. % Nd2O3. Гранулы получали окатыванием смеси 5 мас. % ZrO2+95 мас. % TiO2 с нитратным подкисленным раствором 200 г/дм3 Nd3+.The objective of the experiment was to synthesize a matrix based on orthorhombic titanate for immobilization of rare-earth-actinide containing ~3 wt. % Nd2O3 . The granules were obtained by rounding the mixture with 5 wt. % ZrO 2 +95 wt. % TiO 2 with acidified nitrate solution 200 g/DM 3 Nd 3+ .

Предел прочности гранул на сжатие, определенный как среднее арифметическое по 10 измерениям, составил 3,61 МПа, что позволяет организовать передачу и их загрузку в плавитель без риска разрушения и образования значимых количеств пыли.The compressive strength of the granules, determined as the arithmetic average of 10 measurements, was 3.61 MPa, which makes it possible to organize the transfer and their loading into the melter without the risk of destruction and the formation of significant amounts of dust.

Дифрактограмма компактного сплавленного материала приведена на фиг. 3. Как видно, продукт представлен композицией, состоящей из нестехиометрической фазы, структурно идентичной соединению Nd1,68Ti2O6,52, и диоксидом титана в форме рутила.The diffraction pattern of the compact fused material is shown in FIG. 3. As can be seen, the product is represented by a composition consisting of a non-stoichiometric phase, structurally identical to the compound Nd 1.68 Ti 2 O 6.52 , and titanium dioxide in the form of rutile.

Результаты испытаний по определению гидролитической устойчивости по двум параллельным экспериментам представлены на фиг. 4. Как видно, на 28-е сутки испытания скорость выщелачивания неодима снижается до уровня ~5,1×10-9 г/(см2×сут), что существенно превосходит требования к матрицам при иммобилизации плутония (≤10-7 г/(см2×сут)).The results of hydrolytic stability tests in two parallel experiments are presented in FIG. 4. As can be seen, on the 28th day of the test, the neodymium leaching rate decreases to a level of ~5.1×10 -9 g/(cm 2 × day), which significantly exceeds the requirements for matrices during plutonium immobilization (≤10 -7 g/ (cm 2 × day)).

Пример 2.Example 2

Задачей эксперимента являлся синтез МПМ для иммобилизации РЗЭ-актинидной фракции, структурно идентичной пирохлору с формулой Nd2ZrTiO7, содержащей ~62 мас. % Nd2O3. Гранулы получали путем окатывания смеси, состоящей из 60,5 мас. % ZrO2 и 39,5 мас. % TiO2 с подкисленным раствором нитрата неодима 400 г/дм3 Nd3+.The objective of the experiment was the synthesis of MPM for the immobilization of the REE-actinide fraction structurally identical to pyrochlore with the formula Nd 2 ZrTiO 7 containing ~62 wt. % Nd2O3 . The granules were obtained by rounding a mixture consisting of 60.5 wt. % ZrO 2 and 39.5 wt. % TiO 2 with an acidified solution of neodymium nitrate 400 g/DM 3 Nd 3+ .

Предел прочности гранул на сжатие, определенный как среднее арифметическое по 10 измерениям, составил 3,27 МПа, что позволяет организовать передачу и их загрузку в плавитель без риска разрушения и образования значимых количеств пыли.The compressive strength of the granules, determined as the arithmetic average of 10 measurements, was 3.27 MPa, which makes it possible to organize the transfer and their loading into the melter without the risk of destruction and the formation of significant amounts of dust.

Дифрактограмма компактного сплавленного материала представлена на фиг. 5. Как видно, синтезированная МПМ представлена цирконатами РЗЭ со структурой пирохлора Nd2Zr2O7 и кислорододефицитным аналогом NdZrC3,05. Результаты проверки гидролитической устойчивости по двум параллельным опытам, представленные на фиг. 6, показывают, что на 28-е сутки воздействия скорость выщелачивания неодима снижается до уровня <1,5×10-8 г/(см2×сут), что превосходит требования к матрицам для иммобилизации плутония (<10-7 г/(см2×Сут)).The diffraction pattern of the compact fused material is shown in Fig. 5. As can be seen, the synthesized MPM is represented by REE zirconates with the pyrochlore structure Nd 2 Zr2O 7 and the oxygen-deficient analog NdZrC 3.05 . The results of testing hydrolytic stability in two parallel experiments, presented in Fig. 6 show that on the 28th day of exposure, the neodymium leaching rate decreases to a level of <1.5×10 -8 g/(cm 2 × day), which exceeds the requirements for matrices for plutonium immobilization (<10-7 g /( cm 2 × С ut)).

Пример 3.Example 3

Задачей эксперимента являлся синтез композитной матрицы, состоящей из структурных аналогов поллуцита CsAlSi2O6 и таусонита SrTiO3 для иммобилизации цезий-стронциевой фракции. Гранулы получали окатыванием смеси порошков, содержащей 17,6 мас. % TiO2, 57,6 мас. % SiO2, и 24,8 мас. % Al2O3, с нитратным раствором, содержащим 104 г/дм3 Cs+и 25,6 г/дм3 Sr2+.The objective of the experiment was to synthesize a composite matrix consisting of structural analogs of pollucite CsAlSi 2 O 6 and tausonite SrTiO 3 for immobilization of the cesium-strontium fraction. The granules were obtained by pelletizing a mixture of powders containing 17.6 wt. % TiO 2 , 57.6 wt. % SiO 2 , and 24.8 wt. % Al 2 O 3 , with a nitrate solution containing 104 g/dm 3 Cs + and 25.6 g/dm 3 Sr 2+ .

Предел прочности гранул на сжатие, определенный как среднее арифметическое по 10 измерениям, составил 3,29 МПа, что позволяет организовать передачу окатышей и их загрузку в плавитель без риска разрушения и образования значимых количеств пыли.The compressive strength of the pellets, determined as the arithmetic average of 10 measurements, was 3.29 MPa, which makes it possible to organize the transfer of pellets and their loading into the melter without the risk of destruction and the formation of significant amounts of dust.

Дифрактограмма компактного сплавленного материала показана на фиг. 7. Идентифицированы целевые фазы, структурно идентичные поллуциту CsAlSi2O6 и таусониту SrTiO3. Результаты измерений гидролитической устойчивости по двум параллельным опытам, представленные на фиг. 8, показывают, что скорости выщелачивания на 28 сутки воздействия составляют ~1,02×10-7 и ~4,48×10-8 г/(см2×сут) для стронция и цезия соответственно, что существенно ниже требований, предъявляемым к конечным формам для иммобилизации ВАО.The diffraction pattern of the compact fused material is shown in FIG. 7. Target phases structurally identical to pollucite CsAlSi 2 O 6 and tausonite SrTiO 3 have been identified. The results of measurements of hydrolytic stability in two parallel experiments, presented in Fig. 8 show that the leaching rates on the 28th day of exposure are ~1.02×10 -7 and ~4.48×10 -8 g/(cm 2 × day) for strontium and cesium, respectively, which is significantly lower than the requirements for final forms for HLW immobilization.

Claims (6)

1. Способ получения минералоподобных матриц (МПМ) для иммобилизации высокоактивных отходов (ВАО), при котором непрерывно подают жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) в обогреваемый тарельчатый окомкователь совместно с порошкообразными минералообразующими компонентами, причем подачу отходов ведут до достижения требуемого соотношения радионуклидов и неактивных твердых компонентов, состав которых выбирают исходя из изотопного и химического состава отходов, требуемой конечной формы ВАО и планируемого тепловыделения, причем температуру рабочей поверхности окомкователя поддерживают на уровне, не превышающем температуру плавления или разложения наименее термостабильного нитрата металла, входящего в состав ЖРО, агломерированный продукт непрерывно удаляют из окомкователя саморазгрузкой и передают непосредственно в плавильный узел либо на промежуточное хранение для упрочнения, дальнейшую переплавку осуществляют в индукционной печи с последующей разгрузкой компактного сплавленного материала путем вытягивания слитка, после чего компактный материал может быть подвергнут отжигу.1. A method for producing mineral-like matrices (MLM) for immobilization of high-level waste (HLW), in which liquid radioactive waste (LRW) is continuously fed into a heated tray pelletizer together with powdered mineral-forming components, and the waste is fed until the required ratio of radionuclides and inactive solid components is reached , the composition of which is selected based on the isotopic and chemical composition of the waste, the required final form of HLW and the planned heat release, and the temperature of the working surface of the pelletizer is maintained at a level not exceeding the melting or decomposition temperature of the least thermally stable metal nitrate, which is part of the LRW, the agglomerated product is continuously removed from pelletizer by self-unloading and transferred directly to the melting unit or to intermediate storage for hardening, further remelting is carried out in an induction furnace, followed by unloading of the compact fused material by bending of the ingot, after which the compact material can be annealed. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перерабатываемые ЖРО, представляющие собой азотнокислые растворы, содержащие продукты деления, непрерывно подают в обогреваемый тарельчатый окомкователь совместно с порошкообразными минералообразующими компонентами в виде оксидов и/или предварительно полученных оксидных систем требуемого состава.2. The method according to claim 1, characterized in that the processed LRW, which are nitric acid solutions containing fission products, is continuously fed into a heated plate pelletizer together with powdered mineral-forming components in the form of oxides and / or pre-obtained oxide systems of the required composition. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество неактивных твердых компонентов выбирают индивидуально исходя из химического и изотопного состава отходов, требуемой степени включения радионуклидов, целевой конечной формы ВАО, ожидаемого тепловыделения.3. The method according to claim 1, characterized in that the amount of inactive solid components is selected individually based on the chemical and isotopic composition of the waste, the required degree of inclusion of radionuclides, the target final form of HLW, and the expected heat release. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при необходимости по отдельным магистралям с независимо управляемым расходом в окомкователь могут подавать вспомогательные вещества - вяжущие, корректоры кислотности.4. The method according to claim 1, characterized in that, if necessary, auxiliary substances - binders, acidity correctors - can be supplied to the pelletizer through separate lines with independently controlled flow rates. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переплавку агломерированного продукта с получением компактной МПМ осуществляют в высокочастотной индукционной печи с холодным/горячим тиглем.5. The method according to claim 1, characterized in that the remelting of the agglomerated product to obtain a compact MPM is carried out in a high-frequency induction furnace with a cold/hot crucible. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что компактный сплавленный материал может быть подвержен отжигу для повышения его кристалличности, гидролитической устойчивости и прочности.6. The method of claim. 1, characterized in that the compact fused material can be subjected to annealing to increase its crystallinity, hydrolytic stability and strength.
RU2021122317A 2021-07-27 Method for production of mineral-like matrix for immobilization of highly active waste RU2790580C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021122317A RU2021122317A (en) 2023-01-27
RU2790580C2 true RU2790580C2 (en) 2023-02-27

Family

ID=

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4144186A (en) * 1976-03-06 1979-03-13 Gesellschaft Fur Kernforschung M.B.H Method and apparatus for processing aqueous radioactive wastes for noncontaminating and safe handling, transporting and final storage
DE2819085B2 (en) * 1978-04-29 1980-06-19 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe Process for the final disposal-ready, environmentally friendly solidification of and moderately radioactive and / or actinide-containing, aqueous waste concentrates or of fine-grained solid waste suspended in water
US4534893A (en) * 1982-04-17 1985-08-13 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh Method for solidifying radioactive wastes
RU2153717C1 (en) * 1998-12-23 2000-07-27 Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (МосНПО "Радон") Method for immobilizing radioactive wastes in ceramic matrix
RU2164716C1 (en) * 1999-11-15 2001-03-27 Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара Method and device for solidifying liquid radioactive wastes
RU2212069C2 (en) * 2001-04-17 2003-09-10 Производственное объединение "МАЯК" Method for solidifying solutions of long-living radionuclides

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4144186A (en) * 1976-03-06 1979-03-13 Gesellschaft Fur Kernforschung M.B.H Method and apparatus for processing aqueous radioactive wastes for noncontaminating and safe handling, transporting and final storage
DE2819085B2 (en) * 1978-04-29 1980-06-19 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh, 7500 Karlsruhe Process for the final disposal-ready, environmentally friendly solidification of and moderately radioactive and / or actinide-containing, aqueous waste concentrates or of fine-grained solid waste suspended in water
US4534893A (en) * 1982-04-17 1985-08-13 Kernforschungszentrum Karlsruhe Gmbh Method for solidifying radioactive wastes
RU2153717C1 (en) * 1998-12-23 2000-07-27 Московское государственное предприятие - объединенный эколого-технологический и научно-исследовательский центр по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (МосНПО "Радон") Method for immobilizing radioactive wastes in ceramic matrix
RU2164716C1 (en) * 1999-11-15 2001-03-27 Государственный научный центр РФ Всероссийский научно-исследовательский институт неорганических материалов им. акад. А.А. Бочвара Method and device for solidifying liquid radioactive wastes
RU2212069C2 (en) * 2001-04-17 2003-09-10 Производственное объединение "МАЯК" Method for solidifying solutions of long-living radionuclides

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4297304A (en) Method for solidifying aqueous radioactive wastes for non-contaminating storage
US4354954A (en) Method for solidifying aqueous radioactive wastes for noncontaminating storage
AU2023206234B2 (en) Composition and method for the processing of hazardous sludges and ion exchange media
JPH0452917B2 (en)
RU2790580C2 (en) Method for production of mineral-like matrix for immobilization of highly active waste
AU2023202069A1 (en) Process for treating fluid wastes
KR102067563B1 (en) Handling method of radioactive solution
GB2025685A (en) A process for solidifying radioactive fission products
JP2009115490A (en) Glassification processing method of radioactive waste liquid
Vance et al. Studies of pollucite
EP1088314A1 (en) High level nuclear waste disposal
GLASS VIII. IMMOBILIZATION OF SPECIAL RADIOACTIVE WASTES
Muromura et al. Solubility of simulated high-level radioactive wastes in CaO-stabilized zirconia
Platt FIXATION OF RADIOACTIVE RESIDUES. Research and Development Activities Quarterly Progress Report, November 1967--January 1968.
RU2575044C1 (en) Calcium silicate based composite granular sorbent
RU2522274C1 (en) Method for hardening liquid highly active wastes
RU2498430C2 (en) Silica-alumina filter for high-temperature chemical adsorption of caesium isotope vapours
Ebbinghaus et al. Process for making a ceramic composition for immobilization of actinides
Stegen et al. Simplified Melter System Proposed for Vitrification of INEEL High-Level Waste
Slansky et al. Technical Division Quarterly Progress Report, April 1--June 30, 1977
Platt Research and development activities waste fixation program. Quarterly progress report, October--December 1973
CN111684544A (en) Method for separating cesium and technetium
AU3921699A (en) High level nuclear waste disposal