Введение к работе
Актуальность темы
Одной из наиболее актуальных задач радиохимического производства и ядерного топливного цикла в целом является безопасное обращение с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО), предполагающее их кондиционирование с переводом в нерастворимую матричную форму.
Создание системы безопасного обращения с ЖРО на ФГУП «ПО «Маяк» предполагает в первую очередь прекращение сбросов ЖРО среднего уровня активности (САО) в водоёмы-хранилища. Часть данных отходов предполагается отверждать методом цементирования с последующим хранением компаунда в отсеках большого объема.
Отвержденные отходы должны удовлетворять целому ряду нормативных требований, таких как низкая скорость выщелачивания радионуклидов, прочность на сжатие, водостойкость, морозостойкость и радиационная стойкость.
Кроме того, выбор способа хранения отвержденных отходов, предусматривающий заливку цементной смеси в отсеки большого объема, также предъявляет определенные требования к цементной смеси и компаунду. Так, для равномерного заполнения большого отсека необходима высокая подвижность цементной смеси при том, что водоотделение при ее схватывании должно быть минимальным. Также следует отметить возможность существенного разогрева цементных монолитов большого объема в ходе их твердения за счет затрудненного отвода гидратационного тепла. Значительный рост температуры компаунда может привести к нарушению структуры как самого матричного, так и конструкционных материалов хранилища. Проблема может быть решена либо организацией интенсивного теплоотвода (что нетехнологично и затратно), либо снижением тепловыделения при гидратации матричного материала.
Уровень активности отверждаемых ЖРО (для ФГУП «ПО «Маяк» - порядка 1 Ки/л) также накладывает дополнительные требования на всю технологию в целом - начиная с радиационной устойчивости матричного материала и заканчивая обеспечением дистанционности проведения всех процессов и повышенными требованиями к надежности работы оборудования.
Таким образом, к цементной смеси и отвержденному компаунду предъявляется широкий спектр разнообразных требований, зачастую противоположно влияющих на систему. Обеспечение всех указанных требований может быть достигнуто разработкой оптимального состава сухой смеси, сочетающей в себе как вяжущие, так и различные модифицирующие компоненты, а также предварительной подготовкой отверждаемых ЖРО и подбором соответствующих параметров смешения.
Цель работы
Целью настоящей работы является разработка технологии отверждения жидких солесодержащих САО методом цементирования с получением компаунда, пригодного для заливки в отсеки большого объема и удовлетворяющего нормативным требованиям.
Научная новизна работы
Установлена возможность использования зол уноса местных ТЭЦ в качестве модифицирующих добавок в сухие композиции и проведено их комплексное физико-химическое исследование с использованием методов рентгеновской дифракции, различных методов химического элементного анализа (спектрографический, рентгенофлуоресцентный, сканирующей электронной микроскопии), метода газовой адсорбции (удельная поверхность), ситового анализа.
Получены данные по влиянию состава отверждаемого раствора и сухой композиции на величину разогрева цементного компаунда при твердении. Установлено, что увеличение концентрации в отверждаемом растворе нитрата натрия приводит к снижению тепловыделения.
3. Методом калориметрии определено удельное тепловыделение при
твердении систем различного состава. На основании экспериментальных данных
рассчитана температура компаунда в центральной части отсека хранилища
объемом 300 м и на поверхности его стенок при варьировании параметров
процесса отверждения.
4. Проведена оценка величины радиационного разогрева отвержденного
материала при цементировании жидких САО с активностью до 1 Ки/л с
последующей заливкой цементной смеси в отсеки большого объема.
Установлена возможность увеличения прочности фиксации радионуклидов цезия, стронция и америция в компаунде введением в состав сухой смеси широкой номенклатуры сорбционных и кольматирующих добавок, а также путем предварительной сорбции их на синтезируемых в отверждаемом растворе осадках.
Проведены исследования реологических свойств разработанных цементных смесей (растекаемость и водоотделение), а также определены механическая прочность, водостойкость, морозостойкость и радиационная стойкость получаемых из данных смесей компаундов.
Установлен факт существенного снижения скорости радиолитического образования водорода при введении нитратов в цементную матрицу с отвержденными ЖРО.
Определено влияние разогрева компаунда в процессе его твердения на механическую прочность отвержденного материала.
Разработана технология цементирования жидких солесодержащих САО радиохимического производства с активностью до 1 Ки/л с заливкой цементной смеси в отсеки объемом 300 м3.
Научная новизна работы также подтверждается наличием патента и 2 заявок на патент, по которым получены положительные решения о выдаче. О практической применимости данных изобретений свидетельствуют отзывы с завода РТ-1, приведенные в приложениях А, Б и В.
Практическая значимость работы
В практическом отношении работа ориентирована на решение актуальной задачи радиохимического производства, связанной с локализацией ЖРО среднего уровня активности.
1. Разработаны сухие смеси на основе зол уноса местных ТЭЦ и
оптимизированы параметры отверждения ими жидких солесодержащих САО
радиохимического производства с активностью до 1 Ки/л.
2. Определены температурные характеристики режимов цементирования САО
в отсеках большого объема.
3. Достигнута необходимая прочность фиксации радионуклидов в компаунде.
4. Оптимизированы реологические свойства рекомендованных цементных
смесей.
5. Результаты работы использованы при проектировании комплекса
цементирования на радиохимическом заводе «ПО «Маяк» и будут включены в
технологический регламент.
Положения, выносимые на защиту
Способ регулирования тепловыделения компаунда при твердении за счет варьирования концентрации солей в отверждаемом растворе и введения инертных добавок в состав сухой смеси.
Способ увеличения прочности фиксации радионуклидов предварительным осаждением в отверждаемом растворе.
Состав сухой смеси и параметры отверждения ею ЖРО, обеспечивающие получение компаунда, соответствующего всему комплексу требований при цементировании солесодержащих САО с активностью до 1 Ки/л по n7Cs и 90Sr с заливкой в отсеки объемом 300 м3.
Результаты расчета разогрева отсека объемом 300 м3 при заполнении компаундом с учетом различных факторов (состав раствора и сухой смеси, радиационный разогрев, скорость заполнения отсека).
Апробация работы н публикации
Материалы диссертации представлены в виде устных и стендовых докладов на российских конференциях, в том числе на Четвертой молодежной научно-практической конференции «Научная сессия МИФИ-2005» (Москва, 2005), Третьей молодёжной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 2005), Пятой Российской конференции по радиохимии «Радиохимия-2006» (Дубна, 2006), Второй Российской школе по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, 2006), Четвертой молодёжной научно-практической конференции «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 2007), Третьей Российской школе по радиохимии и ядерным технологиям (Озерск, 2008), Пятой Юбилейной молодежной научно-практической конференции «Ядерно-
промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» (Озерск, 2009), Шестой Российской конференции по радиохимии «Радиохимия-2009» (Москва, 2009). Всего опубликовано 12 тезисов докладов.
Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 5 статьях в рецензируемом журнале «Вопросы радиационной безопасности» и трудах 4-го Международного форума «Актуальные проблемы современной науки», Самара, 2008 г.
Получен патент и поданы 2 заявки, по которым получено положительное решение о выдаче патентов.
Объем и структура диссертации
Диссертационная работа изложена на 163 страницах машинописного текста и состоит из введения, 3 глав, выводов, списка цитируемой литературы, 4 приложений. Работа содержит 52 таблицы и 69 рисунков. Список литературы включает 103 ссылки на работы отечественных и зарубежных авторов.
Работа была выполнена диссертантом в Центральной заводской лаборатории ФГУП «ПО «Маяк». Укрупненные испытания проведены на радиохимическом заводе ФГУП «ПО «Маяк». Отдельные экспериментальные данные были получены автором с привлечением специалистов кафедры химии твердого тела ННГУ им. Н.И. Лобаческого (г. Нижний Новгород) и института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина (г. Москва).
