Введение к работе
Актуальность проблемы. Одной из основных проблем ядерной энергетики и использования радиационных технологий являются радиоактивные отходы, которые в значительных количествах образуются при работе и выводе из эксплуатации АЭС, радиохимических производств, предприятий ядерного топливного цикла и атомного флота.
Проблема обращения с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО), являясь одной из самых сложных экологических проблем, считается особенно актуальной для современного развития атомной отрасли России. Если твердые отходы после компактирования можно хранить на специально оборудованных площадках, то для хранения ЖРО требуется создание специальных герметичных емкостей, а для их очистки, переработки и отверждения требуются специальные технологии и технические средства. Для исключения утечки радионуклидов в окружающую среду на всех этапах обращения с ЖРО (сбор, транспортировка, хранении) необходимо обеспечить их герметичность. Кроме того, объемы образующихся ЖРО во много раз превосходят объемы твердых. К настоящему времени в России по данным системы государственного учета и контроля радиоактивных веществ и радиоактивных отходов на предприятиях различных министерств и ведомств накоплено 415 млн м3 с активностью свыше 5,961019 Бк. Поэтому на всех объектах ядерной энергетики и предприятиях, перерабатывающих ЖРО производится их отверждение различными методами, например, цементированием, битумированием, остекловыва-нием и др. Существенные недостатки указанных методов - низкая наполняемость радиоактивными солями, высокая пожароопасность битумных компаундов, высокая энергоемкость при производстве стеклогранулята, требуют альтернативной технологии отверждения ЖРО.
Актуальность и научная значимость предлагаемой проблемы исследования заключается в проведении исчерпывающего системного анализа материалов и технологий, применяемых для иммобилизации радиоактивных отходов. Предлагаемые исследования физико-химических свойств материалов на основе минерального сырья позволят обосновать целесообразность применения различных добавок для иммобилизации конкретного вида радиоактивных отходов и в результате будет разработана новая технология кондиционирования кубовых остатков ЖРО в бетоны с использованием магнезиальных вяжущих, т.е. магнезиальные матрицы.
Диссертационная работа выполнялась в 2009 - 2012 гг. в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., по направлению «Атомная энергетика, ядерный топливный цикл, безопасное обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом» в рамках Государственного контракта № П1582 от 10.10.2009г.
Целью работы является разработка технологии получения композиционных материалов для иммобилизации высокосолевых жидких радиоактивных отходов спецпрачечных низкого и среднего уровня активности, содержащих до 30% органических веществ путем включения их в магнезиальные матрицы с целью обеспечения радиоэкологической безопасности при их длительном хранении.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить химический и радионуклидный состав кубовых остатков из емкостей
ХЖРО предприятия Ленинградский филиал СЗТО ФГУП «РосРАО».
Исследовать существующие технологии кондиционирования РАО, выявить их достоинства и недостатки;
-
Исследовать особенности технологических процессов сорбции и кристаллизации радионуклидов КО ЖРО, определить состав магнезиальной матрицы для получения механически устойчивых компаундов, произвести апробацию технологии изготовления компаундов на действующей установке цементирования;
-
Исследовать влияние на адсорбционные свойства сорбентов и скорость выщелачивания радионуклидов водородного показателя среды (рН среды) КО ЖРО и разработать составы магнезиальных матриц для удержания радионуклидов;
-
Разработать и обосновать способы оптимизации состава композиционного материала с использованием метода планирования эксперимента для исследования процессов выщелачивания радионуклидов и наполняемости сухими радиоактивными солями.
Научная новизна работы:
-
Разработан композиционный материал для иммобилизации в магнезиальные матрицы проблемных низких и среднеактивных кубовых остатков спецпрачечных от установки СХВО предприятия Ленинградский филиал СЗТО ФГУП «РосРАО», содержащих до 30 % органических соединений со степенью включения сухих радиоактивных солей 37% .
-
Исследованы адсорбционные свойства широкого спектра природных и искусственных неорганических материалов с точки зрения перспективности их использования в качестве адсорбентов в технологии иммобилизации РАО в магнезиальные матрицы. Обоснован выбор синтетического неорганического сорбента ферроцианида никеля-калия в качестве основного материала-адсорбента;
-
Установлено, что повышение степени наполняемости сухими радиоактивными солями магнезиальной матрицы в размере 37% и выше достигается за счет применения в составе композиционного материала в качестве отвердителей порошка магнезитового каустического вместо водных насыщенных растворов хлорида или сульфата магния твердых солей.
-
Установлена для нового композиционного материала зависимость механической устойчивости отвержденных компаундов от соотношения отверждающих кубовые остатки ингредиентов: порошка магнезитового каустического (ПМК-87) и хлорида (сульфата) магния (MgCl2, MgSO4). Механическая устойчивость магнезиальных компаундов в воде достигается при соотношении ПМК-87/MgCl2(MgSO4) не менее чем 4:1 (патент РФ №2483375).
-
Впервые разработана и применена методика оптимизации компонентного состава магнезиальной матрицы с использованием метода планирования эксперимента с применением статистических пакетов STATISTICA и EXCEL.
Основные защищаемые положения:
-
Композиционный материал, имеющий следующий состав, мас.%: порошок магнезитовый каустический 27-28, твердые соли 5-6, хлорид кальция (CaCl2) 0,1-6, каталитическая угле-родосодержащая добавка 0,1-0,2; раствор ферроцианида калия 0,05-0,1; раствор нитрата никеля 0,05-0,1, жидкие радиоактивные отходы - остальное.
-
Технология переработки высокосолевых ЖРО спецпрачечных, содержащих до 30 % органических веществ, позволяет получать компаунды, отвечающие основным требованиям их качества по ГОСТ Р 51883-2002 (достигнутая скорость выщелачивания радионуклидов - 210-5 г/см2сут.), с наполнением сухими радиоактивными солями до 37 % масс.
-
Результаты экспериментальных исследований, проведенных на реальных образцах, подтверждающие положительные свойства разработанного композиционного материала и технологии его получения.
-
Новая методика оптимизации компонентного состава магнезиальной матрицы с использованием метода планирования эксперимента с применением статистических пакетов STATISTICA и EXCEL.
Методика исследования.
В качестве основных методов исследования применялись:
- системный анализ результатов воздействия ЖРО спецпрачечных предприятия ЛФ
СЗТО ФГУП «РосРАО» на свойства магнезиальной матрицы;
- аналитические и экспериментальные работы в лабораторных условиях;
- системный анализ многолетних статистических данных о методах иммобилизации
ЖРО в минеральные матрицы на основе магнезиальных вяжущих.
- методы математической статистики, аналогового и численного моделирования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций
Полученные на основании лабораторных исследований выводы и рекомендации подтверждены результатами практического применения, сходимостью теоретических, модельных и экспериментальных результатов исследований.
Экспериментальные исследования выполнены с применением современных методов изучения радионуклидного и химического состава исследуемых веществ, структуры и свойств вяжущих материалов, природных и искусственных сорбентов. Результаты экспериментов получены при испытании необходимого числа образцов в сериях и оценки коэффициентов вариации на основании статистической обработки.
Практическая значимость работы:
Практическая значимость работы заключается в том, что на основании проведенных исследований и полученных результатов:
-
Разработана технология переработки высокосолевых жидких радиоактивных отходов спецпрачечных низкого и среднего уровня активности, содержащих до 30% органических веществ, путем включения их в магнезиальный цемент с наполнением сухими радиоактивными солями до 37 % масс., что позволяет значительно сократить объемы радиоактивных отходов, подлежащих окончательному захоронению, а включение органики в количестве до 30% в магнезиальную матрицу позволяет отказаться от проведения дорогостоящей и технологически трудной операции разрушения или удаления органики из водной фазы вследствие чего значительно повышаются и экономические показатели, и радиоэкологическая безопасность технологических процессов кондиционирования высокосолевых концентратов жидких радиоактивных отходов при их подготовке к захоронению.
-
Разработан композиционный материал и способ его применения, имеющий следующий состав, мас.%: порошок магнезитовый каустический 27-28, твердые соли 5-6, хлорид кальция (CaCl2) 0,1-6, каталитическая углеродосодержащая добавка 0,1-0,2; раствор ферроцианида калия 0,05-0,1; раствор нитрата никеля 0,05-0,1, жидкие радиоактивные отходы - остальное.
3. Разработано техническое предложение на опытную установку кондиционирования
РАО, параметры которой позволяют перерабатывать радиоактивные отходы на месте их обра
зования.
Основными сферами применения технологии являются предприятия госкорпорации «Ро-сатом», а также аналогичные предприятия зарубежных стран, имеющих атомную энергетику. Данная технология иммобилизации РАО в минеральные матрицы после соответствующей доработки под конкретный тип РАО может быть использована для:
иммобилизации ЖРО;
иммобилизации илового остатка, золы от сжигания ТРО, отработавших сорбентов;
иммобилизации ТРО;
консервации большеобъемных ядерно- и радиоопасных объектов с возможностью последующего заглубления в донный грунт.
На разработанный в результате исследований композиционный материал и технологию
его применения для отверждения жидких радиоактивных отходов сложного химического состава получен патент РФ № 2483375 «Композиционный материал для иммобилизации жидких радиоактивных отходов и способ его применения».
Личный вклад автора заключается в постановке цели, задач и разработке методологии исследования, в личном участии в проведении основной части комплекса исследований по выявлению степени влияния воздействующих факторов на скорость выщелачивания радионуклидов и величины наполняемости радиоактивными солями; в разработке рекомендаций по внедрению метода планирования эксперимента для оптимизации параметров магнезиальной матрицы.
Реализация работы:
-
Результаты диссертационной работы используются в НИОКР на тему: «Использование магнезиально-минерально-солевой композиции для кондиционирования высокосолевых концентратов ЖРО в целях подготовки их для передачи Национальному оператору по обращению с РАО», выполняемой ООО «ТВЭЛЛ» для Ленинградского отделения филиала «СевероЗападный территориальный округ ФГУП «РосРАО». Акт о внедрении № б/н от 19.12.2013г.
-
В научно-исследовательской работе на тему: "Разработка процессов иммобилизации радиоактивных отходов с использованием наноструктурных материалов на основе минерального сырья" выполненной в соответствии с Федеральной целевой программой «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., по направлению «Атомная энергетика, ядерный топливный цикл, безопасное обращение с радиоактивными отходами и отработавшим ядерным топливом» в рамках Государственного контракта № П1582 от 10.10.2009г.
-
Научные и практические результаты работы используются в учебном процессе на кафедре теплотехники и теплоэнергетики в Горном университете при подготовке специалистов, в частности, при проведении занятий по дисциплине «Природоохранные технологии в теплоэнергетике», при дипломном проектировании в качестве специальной части дипломного проекта.
Апробация работы. Основные и отдельные положения работы докладывались и обсуждались на международных, российских и иного уровня научных, научно-технических конференциях и симпозиумах, в том числе: на Научно-практической конференции «Радиоэкологическая безопасность атомной энергетики» в ГОУ ВПО «Северо-западный государственный заочный технический университет» (СПб, 2011г.), на Межвузовской интернет-конференции «Экологические проблемы минерально-сырьевого комплекса» НМСУ «Горный» (СПб, 2012 г.), на Международной научной практической конференции «ХХХ1 «Курчатовские чтения» (СПб, 2013 г.), на VIII Международном ядерном форуме «Безопасность ядерных технологий: Культу-
ра безопасности на объектах использования атомной энергии» (СПб, 2013 г.), на Научной конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика В.И. Вернадского «Развитие идей В.И. Вернадского в современной российской науке» (СПб, 2013 г.);
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных трудов, в том числе 4 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации, получен один патент.
Участие в международных конкурсах и выставках. Результаты диссертационной работы по разработке технологии иммобилизации РАО нашли признание на международных выставках, проходивших в 2013 году:
Авторы: Олег Муратов, Владимир Лебедев, Владимир Пискунов награждены золотыми медалями, призом и дипломами:
1. 24-я Международная выставка инноваций и новых технологий – «ITEX’13», прохо
дившая с 9 по 11 мая 2013 года в Куала-Лумпур, Малайзия
-Золотой медалью «ITEX’13» за разработку композиционного инновационного материала для иммобилизации РАО в магнезиальные матрицы и способ его применения;
- Призом «ITEX’13» за лучшее экологическое изобретение 2013 года.
2. 65-я Международная выставка «Идеи-Изобретения-Инновации» – «IENA-2013», про
ходившая с 31 октября по 3 ноября в городе Нюрнберг (Германия)
- Золотой медалью «IENA-2013» и дипломом за разработку «Наноструктурный компо
зиционный материал для утилизации жидких радиоактивных отходов».
3. Международная выставка «Seoul International Invention Fair», проходившая 29 ноября
- 02 декабря 2013 в г. Сеуле, Южная Корея
- Золотой медалью «SIIF 2013» и дипломом за разработку «Наноструктурный компози
ционный материал для утилизации жидких радиоактивных отходов».
Объем и структура работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Содержит 145 страниц машинописного текста, 19 рисунков, 29 таблиц, 7 приложений. Список литературы содержит 126 наименований.
Похожие диссертации на Разработка технологии иммобилизации радиоактивных отходов с использованием материалов на основе минерального сырья
