Современные технологии обращения с радиоактивными отходами | Статья в журнале «Молодой ученый»

Авторы: , ,

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №10 (90) май-2 2015 г.

Дата публикации: 18.05.2015

Статья просмотрена: 336 раз

Библиографическое описание:

Агзам Е. М., Кузнецов М. С., Семенов А. О. Современные технологии обращения с радиоактивными отходами // Молодой ученый. — 2015. — №10. — С. 114-116. — URL https://moluch.ru/archive/90/18931/ (дата обращения: 19.12.2018).

В данной статье рассмотрены проблемы обращения с РАО на сегодняшний день. Представлены ряд существующих и перспективных методов для иммобилизации твердых отходов. Проведен краткий обзор применения технологии СВС для получения матричных материалов.

Ключевые слова: радиоактивные отходы, СВС, матричные материалы.

 

В 20 веке человечество столкнулась с новыми проблемами и одна из них — радиоактивные отходы, образованные с АЭС. За период времени равный примерно 50 лет на земле образовалась около десятков миллиардов кюри радиоактивных отходов, и эти цифры растут с каждым годом. [1].

Под радиоактивными отходами понимают смесь стабильных химических элементов и радиоактивных осколков реакции деления, трансурановых элементов (за счет реакция нейтронного захвата ядерным топливом), представляющих наибольшую опасность для биосферы: Rb, Sr, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, I, Cs, Ba, La, Np, Pu, Am и Cm [2].

В настоящее время согласно существующим разработкам Международного агентства по атомной энергии основной задачей обращения с РАО является их безопасная утилизация, с минимальным воздействием на окружающую среду. Выделяют следящие принципы обращения:

а)     Изоляция — блокирование контакта радиоактивного отхода с окружающей средой.

б)     Рассеяние — минимизация активности отходов путем разбавления другими веществами.

в)     Применение химически устойчивых форм и соединений.

г)     Использование матричных технологий.

При использовании матриц материалы подбираются таким образом, чтобы радиоактивные включения в больших количествах надежно связывались и удерживались матричным материалом на протяжении всего периода обращения, при этом не вступая в химические контакты с другими материалами и соединениями, например, с водой. Кроме выше сказанного, предъявляется комплекс физико-механических свойств, таких как, механическая прочностью, высокая теплопроводность, вследствие саморазогрева радиоактивных отходов, повышенной радиационной стойкостью.

На сегодняшний день к наиболее перспективным материалам, используемых в качестве иммобилизационных матриц можно отнести боросиликатные и алюмофосфатные стекла, кристаллические минеральные соединения типа: синроки, титонаты, перовскиты, моноциты, иттрий-алюминиевый гранат и др. [3–5].

К существующим методикам производства отверждённых форм РАО относятся следующие технологии: плавление, твердофазный и гидротермальный синтез, получение материалов в режиме твердопламенного горения (СВС) [6–8].

Технология плавление в печи, наиболее простой, удобный и отработанный методом, предполагает получение относительно легкоплавких форм, что широко используется при производстве матричного стекла. Существенным недостатком данного метода в целом является высокая агрессивность стекольных расплавов (особенно фосфатных) по отношению к большинству конструкционных материалов, что предполагает использование дорогостоящих печей при производстве. Другой немаловажный недостаток — высокие энергетические затраты при плавлении стекла с радиоактивными компонентами в течении продолжительного времени и высоких температурах.

При твердофазном синтезе основными этапами являются получение порошков заданного состава, формирование заготовок и высокотемпературная консолидация. Для консолидации порошков применяют горячее прессование и холодное прессование с последующим спеканием.

В отличие от технологии плавления в печи, гидротермальный синтез осуществлять реакции между веществами при температурах до 800°С), однако важным препятствием к широкому использованию данной технологии является синтезирование продукта при довольно высоком давлении, достигающим нескольких тысяч атмосфер.

При самораспространяющемся высокотемпературном синтезе, или другими словами в режиме твердопламенного горения, происходит самопроизвольное распространение зоны твердофазной реакции в спрессвоанных в горючей смеси (горение предварительно смешанных реагентов) или распространение пламени с высокотемпературной волной горения. К преимуществам технологии СВС следует отнести простоту аппаратного исполнения, сравнительно малые энергозатраты и т. д. [9].

Кроме того, СВ-синтез характеризуется такой уникальной особенностью, как существование в течение протекания взаимодействия высокотемпературной среды, допускающей различные типы дополнительных внешних воздействий, посредством которых представляется регулирование структуры и свойств конечных продуктов, т. е. позволяет получать новые материалы с требуемым набором свойств.

Важной чертой СВС-технологии применительно к проблеме иммобилизации ВАО являются также высокие скорости процесса, что должно приводить к значительному снижению потерь легколетучих компонентов за счет уменьшения времени нахождения последних в зоне высоких температур.

Существует большое количество реакций для получения матриц требуемого состава. Отличаются они друг от друга составом исходной шихты, начальными соотношениями элементов, количеством стабилизирующих добавок, типом технологического процесса, в зависимости от этого процессы идут при разных условиях (температурах горения, тепловыделение, скорости распространения волны горения), а в итоге получаются различные минералы по составу, структуре и разными изоморфными свойствами по отношению к радиоактивным отходам.

В состав шихты включают энергообразующие компоненты: горючее в виде порошков металлов и кислородосодержащие окислители, в количестве, обеспечивающем полное окисление металла, а также не участвующие в энерговыделение оксидные добавки, позволяющие реализовать оптимальные режимы горения (например, для понижения температуры горения) и являющимся структурообразующим материалом. Металлокерамическую шихту готовят из компонентов ряда s-, p-, d-, f-элементов и их оксидов. Выбор конкретных компонентов и их количество определяется конечным составом продуктов металлотермического процесса и возможностью реализации синтеза металлокерамики в требуемом режиме. В приготовленную шихту, содержащую неорганические связующие, вводят высокоактивные отходы в виде оксидов, металлов или их смесей. Количество вводимых отходов определяется конечным составом металлокерамики и сохранением термичности шихты в пределах, обеспечивающих зажигание и горение в требуемом режиме. Все компоненты шихты содержат элементы, входящие в состав целевого продукта. Стартовый состав шихты следует выбирать так, чтобы компоненты были в соотношении близком к расчетному составу целевого продукта.

Первая работа, которую можно найти в литературе (Spector, 1968) основана на следующей реакции:

4Fe2O3 + 3Si → 3Fe2SiО4 + 2Fe,                                                                                  (1)

Результатом которой являлось получение полисиликатной системы, предназначенной для надежной иммобилизации отходов. РАО, используемы в данной эксперименте, представляли собой водные растворы, были подвержены выпариванию, сушке и денитрификация для перевода в оксидную форму. Далее, в соответствии с реакцией (1), к оксиду Fe2O3 добавлялся порошок Si и смесь подвергалась СВ-синтезу. Иногда в эту смесь вводился оксид кремния с целью управления скоростью реакции и составом продуктов синтеза.

Другим вариантом получения отвержденной формы радиоактивных отходов с использованием технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза является методика, описанная Spector с коллегами в 1968 г. Главным отличием, являлся перевод всех солей в сульфаты перед фиксацией радиоактивных элементов:

4Al2(SO4)3 + 9Si → 2Al2O3 + 9SiO2 + 6S,                                                                   (2)

с получением полисиликатная структура для иммобилизации отходов.

Российские ученые рассмотрели возможность прямого включение радиоактивных отходов в структуры цирконолита и перовскита с применением технологии СВС-компактирования [10]. Порошки оксидов титана, кальция, циркония и титана разбавлялись инертными добавками изотопов 90Sr и 137Cs — имитаторов радиоактивных отходов. В соответствии с реакциями:

2Ca(NO3)2 + 9Ti + 4CaO + ТiO2 → 6СаТiO3 + 4TiN,                                                 (3)

2Ca(NO3)2 + 9Ti + 4СаО + TiO2 + ZrO2 → 6CaZrTi2O7 + 4TiN,                                 (4)

в данную шихту вводились нитрид кальция, алюминия и оксида кремния. Исходная смесь подвергалась поджигу и одновременно компактировалась в специальных прессформах.

При синтезировании матрицы по реакции (3) образовывается персовскиетное соединение, замена ТiO2 в исходной смеси на ZrO2 приводит к образованию цирконолитных фаз, согласно реакции 4. Исследования показали возможность замещение изотопом 90Sr кальция в синтезируемой перовскитной керамике. С другой стороны, цезий остается включенным в некристаллическую фазу из оксидов кремния и алюминия.

Определение скоростей выщелачивания данных имитаторов радиоактивных нуклидов из синтезированных матриц показали более высокую химическую устойчивость по сравнению с широко используемыми технологиями обращения с РАО, например, включение радиоактивных отходов в различные стекла.

В настоящее время ученые Томского политехнического университета проводят исследования матричного материала для иммобилизации РАО, получаемого в режиме СВС на основе алюминида никеля. К достоинствам данного материала можно отнести высокую термическую и коррозионную стойкость, хорошую радиационную стойкость, повышающуюся с ростом температуры, способность протекания СВ-реакции при высоких степенях разбавления трансурановыми элементами (до 60 %). Кроме всего прочего, при использовании никель-алюминиевой матрицы, алюминий способен связываться с некоторыми актиноидами элементами, например, с плутонием, с образованием алюминидов, так же обладающими низкими скоростями выщелачивания и высокой коррозионной стойкостью.

 

Литература:

 

1.                  Скачек М. А. Обращение с отработавшим ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС. — М.: ИД МЭИ, 2007.

2.                  Дмитриев С. А., Стефановский С. В. Обращение с радиоактивными отходами. — 2000.

3.                  Соболев И. А., Ожован М. И., Щербатова Т. Д. Стекла для радиоактивных отходов. — М.: Энергоатомиздат, 1999.

4.                  Стефановский С. В. и др. Керамика для иммобилизации актиноидных отходов //Вопросы радиац. безопасности. — 2002. — №. 1. — С. 15–27.

5.                  Стефановский СВ., Князев О. А., Юдинцев СВ., Никонов Б.С, Омельяненко Б. И., Дей Р. А., Вэнс Е. Р. Синтез и характеристика материала Synroc, полученного индукционным плавлением в холодном тигле. // Перспективные материалы, 1997. № 2.

6.                  Петров Ю. Б. Индукционная плавка окислов.-Л.: Энергоатомиздат.-1983.

7.                  Sobolev LA., Lifanov F. A., Dmitriev S. A., et.al. Vitrification of Radioactive Wastes by Coreless Induction Melting in Cold Crucible// Proceeding of the International Topical Meeting on Nuclear and Hazardous Waste Management SPECTRUM'94, August 14–18, 1994, Atlanta, GA. ANS, La Grange Park.-1994.

8.                  Князев О. А., Лифанов Ф. А., Лопух Д. Б., и др. Синтез методом индукционной плавки в холодном тигле минералоподобных материалов, содержащих имитированные радиоактивные отходы// Физика и химия обработки материалов. — 1996.-№ 1.

9.                  Мержанов А. Г., Боровинская И. П. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений //Докл. АН СССР. — 1972. — Т. 204. — №. 2. — С. 366–369.

10.              Баринова Т. В. и др. Использование технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза для иммобилизации высокоактивных отдавив в минералоподобную керамику. Иммобилизация цезия в керамике на основе перовскита и цирконолита //Радиохимия. — 2008. — Т. 50. — №. 3. — С. 274–278.

Основные термины (генерируются автоматически): отход, оксид кремния, материал, реакция, твердопламенное горение, высокотемпературный синтез, окружающая среда, матричный материал, гидротермальный синтез, целевой продукт.


Ключевые слова

радиоактивные отходы, СВС, матричные материалы

Похожие статьи

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Аморфный диоксид кремния применяется в фармацевтике, парфюмерии, бытовой химии, для синтеза других соединений кремния [3]. Аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи служит исходным материалом для

Природные гидротермальные растворы. Золь-гель.

Гидротермальный синтез наноструктур оксида цинка

В данной статье описывается методика синтеза наноструктур оксида цинка на кремниевых подложках.

Оксид цинка ZnO является прямозонным полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны 3,37 эВ, большой энергией связи экситона (60 мэВ) при комнатной...

Синтез мезоструктурированного материала nCr2O3/SBA-15 и его...

Однако SBA-15 обычно представляет собой оксид кремния с менее активной поверхностью, для преодоления этого недостатка металлы и оксиды металлов вводят в сети. Цель настоящей работы — синтез мезоструктурированного материала nСr2О3/SBA-15 и их применение для...

Отходы — глобальная экологическая проблема. Современные...

Основные термины (генерируются автоматически): отход, окружающая среда, Вещество, бытовой мусор, продукт, мусор, материал, завод, дальнейшее использование, способ утилизации.

Экологическая оценка влияния медицинских отходов на окружающую среду.

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

В настоящее время углеродные материалы широко используются в промышленности.

При температуре 450 ºС оксид кремния SiO2 начинает взаимодействовать с В2О3 с

Синтез покрытий проведен по шликерно-обжиговой технологии на графите марки ГМЗ.

Молекулярное наслаивание, опыт применения в микроканальных...

 Воспроизводимый синтез, основанный на использовании необратимых в условиях синтеза реакций

Материал МКП — свинцово-силикатные стекла (ССС): основное (рабочее) стекло

Для решения задачи были сначала проведены синтезы пленок оксида алюминия методом МН...

Возврат в процесс пыли кремниевого производства

технический кремний, вид топлива, кремниевое производство, мировое производство, окружающая среда, попутный продукт, цех кремния, частица, чистый кремний. Похожие статьи. Новые технологии переработки отходов...

Формирование мембран на основе пористого оксида алюминия...

Нанопористые материалы, такие как пористый кремний, оксид алюминия и другие оксиды металлов, активно

ПАОА уже давно активно используется в качестве высокотемпературных микроэлектромеханических системах (МЭМС) и различных сенсоров окружающей среды.

Механизмы образования композитных наночастиц...

Уменьшение теплопроводности наполненных полыми диэлектрическими частицами материалов, увеличение их

Многие из путей синтеза матриц и полых структур основаны на растворных методах

Диффузия меди в диоксид кремния хорошо изучена, так как медные проводники в...

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Аморфный диоксид кремния применяется в фармацевтике, парфюмерии, бытовой химии, для синтеза других соединений кремния [3]. Аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи служит исходным материалом для

Природные гидротермальные растворы. Золь-гель.

Гидротермальный синтез наноструктур оксида цинка

В данной статье описывается методика синтеза наноструктур оксида цинка на кремниевых подложках.

Оксид цинка ZnO является прямозонным полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны 3,37 эВ, большой энергией связи экситона (60 мэВ) при комнатной...

Синтез мезоструктурированного материала nCr2O3/SBA-15 и его...

Однако SBA-15 обычно представляет собой оксид кремния с менее активной поверхностью, для преодоления этого недостатка металлы и оксиды металлов вводят в сети. Цель настоящей работы — синтез мезоструктурированного материала nСr2О3/SBA-15 и их применение для...

Отходы — глобальная экологическая проблема. Современные...

Основные термины (генерируются автоматически): отход, окружающая среда, Вещество, бытовой мусор, продукт, мусор, материал, завод, дальнейшее использование, способ утилизации.

Экологическая оценка влияния медицинских отходов на окружающую среду.

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

В настоящее время углеродные материалы широко используются в промышленности.

При температуре 450 ºС оксид кремния SiO2 начинает взаимодействовать с В2О3 с

Синтез покрытий проведен по шликерно-обжиговой технологии на графите марки ГМЗ.

Возврат в процесс пыли кремниевого производства

технический кремний, вид топлива, кремниевое производство, мировое производство, окружающая среда, попутный продукт, цех кремния, частица, чистый кремний. Похожие статьи. Новые технологии переработки отходов...

Молекулярное наслаивание, опыт применения в микроканальных...

 Воспроизводимый синтез, основанный на использовании необратимых в условиях синтеза реакций

Материал МКП — свинцово-силикатные стекла (ССС): основное (рабочее) стекло

Для решения задачи были сначала проведены синтезы пленок оксида алюминия методом МН...

Механизмы образования композитных наночастиц...

Уменьшение теплопроводности наполненных полыми диэлектрическими частицами материалов, увеличение их

Многие из путей синтеза матриц и полых структур основаны на растворных методах

Диффузия меди в диоксид кремния хорошо изучена, так как медные проводники в...

Методы синтеза пленок модифицированного диоксида олова и их...

Вклад каждого механизма определяется многими условиями – рабочей температурой, составом газовой среды, условиями синтеза, типом

Грачёва И.Е., Мошников В.А., Пронин И.А. Исследование материалов на основе диоксида кремния в условиях кинетики самосборки и...

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Аморфный диоксид кремния применяется в фармацевтике, парфюмерии, бытовой химии, для синтеза других соединений кремния [3]. Аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи служит исходным материалом для

Природные гидротермальные растворы. Золь-гель.

Гидротермальный синтез наноструктур оксида цинка

В данной статье описывается методика синтеза наноструктур оксида цинка на кремниевых подложках.

Оксид цинка ZnO является прямозонным полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны 3,37 эВ, большой энергией связи экситона (60 мэВ) при комнатной...

Синтез мезоструктурированного материала nCr2O3/SBA-15 и его...

Однако SBA-15 обычно представляет собой оксид кремния с менее активной поверхностью, для преодоления этого недостатка металлы и оксиды металлов вводят в сети. Цель настоящей работы — синтез мезоструктурированного материала nСr2О3/SBA-15 и их применение для...

Отходы — глобальная экологическая проблема. Современные...

Основные термины (генерируются автоматически): отход, окружающая среда, Вещество, бытовой мусор, продукт, мусор, материал, завод, дальнейшее использование, способ утилизации.

Экологическая оценка влияния медицинских отходов на окружающую среду.

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

В настоящее время углеродные материалы широко используются в промышленности.

При температуре 450 ºС оксид кремния SiO2 начинает взаимодействовать с В2О3 с

Синтез покрытий проведен по шликерно-обжиговой технологии на графите марки ГМЗ.

Молекулярное наслаивание, опыт применения в микроканальных...

 Воспроизводимый синтез, основанный на использовании необратимых в условиях синтеза реакций

Материал МКП — свинцово-силикатные стекла (ССС): основное (рабочее) стекло

Для решения задачи были сначала проведены синтезы пленок оксида алюминия методом МН...

Возврат в процесс пыли кремниевого производства

технический кремний, вид топлива, кремниевое производство, мировое производство, окружающая среда, попутный продукт, цех кремния, частица, чистый кремний. Похожие статьи. Новые технологии переработки отходов...

Формирование мембран на основе пористого оксида алюминия...

Нанопористые материалы, такие как пористый кремний, оксид алюминия и другие оксиды металлов, активно

ПАОА уже давно активно используется в качестве высокотемпературных микроэлектромеханических системах (МЭМС) и различных сенсоров окружающей среды.

Механизмы образования композитных наночастиц...

Уменьшение теплопроводности наполненных полыми диэлектрическими частицами материалов, увеличение их

Многие из путей синтеза матриц и полых структур основаны на растворных методах

Диффузия меди в диоксид кремния хорошо изучена, так как медные проводники в...

Наночастицы аморфного диоксида кремния | Статья в журнале...

Аморфный диоксид кремния применяется в фармацевтике, парфюмерии, бытовой химии, для синтеза других соединений кремния [3]. Аморфный диоксид кремния из рисовой шелухи служит исходным материалом для

Природные гидротермальные растворы. Золь-гель.

Гидротермальный синтез наноструктур оксида цинка

В данной статье описывается методика синтеза наноструктур оксида цинка на кремниевых подложках.

Оксид цинка ZnO является прямозонным полупроводниковым материалом с шириной запрещенной зоны 3,37 эВ, большой энергией связи экситона (60 мэВ) при комнатной...

Синтез мезоструктурированного материала nCr2O3/SBA-15 и его...

Однако SBA-15 обычно представляет собой оксид кремния с менее активной поверхностью, для преодоления этого недостатка металлы и оксиды металлов вводят в сети. Цель настоящей работы — синтез мезоструктурированного материала nСr2О3/SBA-15 и их применение для...

Отходы — глобальная экологическая проблема. Современные...

Основные термины (генерируются автоматически): отход, окружающая среда, Вещество, бытовой мусор, продукт, мусор, материал, завод, дальнейшее использование, способ утилизации.

Экологическая оценка влияния медицинских отходов на окружающую среду.

Жаростойкие покрытия на основе системы SiC-B4C: синтез...

В настоящее время углеродные материалы широко используются в промышленности.

При температуре 450 ºС оксид кремния SiO2 начинает взаимодействовать с В2О3 с

Синтез покрытий проведен по шликерно-обжиговой технологии на графите марки ГМЗ.

Возврат в процесс пыли кремниевого производства

технический кремний, вид топлива, кремниевое производство, мировое производство, окружающая среда, попутный продукт, цех кремния, частица, чистый кремний. Похожие статьи. Новые технологии переработки отходов...

Молекулярное наслаивание, опыт применения в микроканальных...

 Воспроизводимый синтез, основанный на использовании необратимых в условиях синтеза реакций

Материал МКП — свинцово-силикатные стекла (ССС): основное (рабочее) стекло

Для решения задачи были сначала проведены синтезы пленок оксида алюминия методом МН...

Механизмы образования композитных наночастиц...

Уменьшение теплопроводности наполненных полыми диэлектрическими частицами материалов, увеличение их

Многие из путей синтеза матриц и полых структур основаны на растворных методах

Диффузия меди в диоксид кремния хорошо изучена, так как медные проводники в...

Методы синтеза пленок модифицированного диоксида олова и их...

Вклад каждого механизма определяется многими условиями – рабочей температурой, составом газовой среды, условиями синтеза, типом

Грачёва И.Е., Мошников В.А., Пронин И.А. Исследование материалов на основе диоксида кремния в условиях кинетики самосборки и...

Задать вопрос