RU2637811C1 - Method of processing liquid radioactive wastes - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: method of processing liquid radioactive wastes containing a dispersed phase consists in separating the dispersed phase. Before the disperse phase is separated into the initial liquid radioactive waste, a liquid insoluble in the initial liquid radioactive waste and exceeding them in density is added. Separation of the dispersed phase is carried out by centrifugation.

EFFECT: increasing the level of safety of processing liquid radioactive waste.

1 cl

Description

Изобретение относится к области охраны окружающей среды, в частности к способам переработки и кондиционирования жидких радиоактивных отходов.The invention relates to the field of environmental protection, in particular to methods for processing and conditioning liquid radioactive waste.

На производствах и в исследовательских лабораториях, где проводятся работы с радиоактивными материалами, нарабатываются жидкие радиоактивные отходы (ЖРО), Согласно действующим санитарным правилам (ОСПОРБ 99/2010 пункт 3.12.10), ЖРО следует концентрировать и переводить в твердые радиоактивные отходы (ТРО) на объекте, где они образуются, или в организациях по обращению с радиоактивными отходами. В ряде случаев ЖРО содержат нерастворимые мелкодисперсные твердые компоненты, находящиеся во взвешенном состоянии. При этом радиационную опасность могут представлять как дисперсионная среда, так и находящаяся в ней нерастворимая дисперсная фаза. В ряде случаев требуется проведение предварительного разделения компонентов ЖРО для проведения последующей утилизации. Необходимость разделения фаз становится особенно очевидной в случаях, когда твердая фаза содержит радиоактивные элементы, обладающие высокоэнергетичным излучением, вызывающим значительный радиолиз жидкой фазы, сопровождающийся выделением водорода при хранении. Основными способами разделения жидкости и распределенных в ней нерастворимых примесей являются фильтрование и химическое связывание дисперсной фазы с последующим отделением образовавшегося осадка. Одним из часто встречающихся случаев рассматриваемых ЖРО являются отходы минеральных масел или водно-масляных эмульсин, содержащих в своем составе нерастворимые механические примеси. ЖРО минеральных масел часто образуются в вакуумных насосах при работе на технологическом оборудовании с порошками радиоактивных материалов. ЖРО эмульсий образуются при механической обработке радиоактивных материалов.In factories and research laboratories where radioactive materials are handled, liquid radioactive waste (LRW) is generated. According to the current sanitary rules (OSPORB 99/2010 clause 3.12.10), LRW should be concentrated and converted into solid radioactive waste (SRW) on the facility where they are formed, or in radioactive waste management organizations. In some cases, LRW contain insoluble finely divided solid components in suspension. In this case, both the dispersion medium and the insoluble dispersed phase located in it can be a radiation hazard. In some cases, a preliminary separation of LRW components is required for subsequent disposal. The need for phase separation becomes especially apparent in cases where the solid phase contains radioactive elements having high-energy radiation, causing significant radiolysis of the liquid phase, accompanied by hydrogen evolution during storage. The main methods for the separation of liquid and the insoluble impurities distributed in it are filtration and chemical bonding of the dispersed phase, followed by separation of the precipitate formed. One of the most common cases of LRW under consideration is the waste of mineral oils or water-in-oil emulsins containing insoluble solids. LRW of mineral oils are often formed in vacuum pumps when working on technological equipment with powders of radioactive materials. LRW emulsions are formed during the mechanical processing of radioactive materials.

Существует много способов переработки и кондиционирования ЖРО минеральных масел. Можно выделить целое направление способов, при реализации которых для отверждения масла используются смеси, содержащие в различных пропорциях сорбенты и связующие материалы: гипс, цемент, и др. Например, авторы [Knieper J., Printz Н., Wolfe R. A contribution to the problem of solidification of medium and low radioactive liquid wastes. - Atomkernenegrie. 1977, Bd 30, N 1. S. 11] предлагают использовать смесь гипса и пемзы в объемном соотношении 1:1 как в чистом виде, так и с добавлением воды в различных пропорциях. Существенным недостатком данного способа является то, что вакуумное масло не растворяется в отвердителе, а заполняет поры сорбента, в которых по-прежнему будет находиться в жидком состоянии. Наличие в масле мелкодисперсных радиоактивных частиц будет определять выделение из конечного блока водорода, образующегося при радиолизе масла в процессе хранения.There are many ways to process and condition LRW mineral oils. A whole line of methods can be distinguished, in the implementation of which mixtures containing sorbents and binders in various proportions are used for oil curing: gypsum, cement, etc. For example, the authors [Knieper J., Printz N., Wolfe R. A contribution to the problem of solidification of medium and low radioactive liquid wastes. - Atomkernenegrie. 1977, Bd 30, N 1. S. 11] suggest using a mixture of gypsum and pumice in a volume ratio of 1: 1 both in pure form and with the addition of water in various proportions. A significant disadvantage of this method is that the vacuum oil does not dissolve in the hardener, but fills the pores of the sorbent, in which it will still be in a liquid state. The presence of finely dispersed radioactive particles in the oil will determine the release of hydrogen from the final block of hydrogen generated during the radiolysis of the oil during storage.

При реализации другого подхода переработки и кондиционирования ЖРО минеральных масел проводится отделение твердой фазы. Например, авторы работы (патент RU 2560407, G21F 9/04, опубл. 20.08.2015) предлагают способ, заключающейся в том, что в жидкие радиоактивные отходы добавляют сорбент, в качестве которого используют слоистый титанат гидразина и/или синтетический титаносиликат иванюкит, перемешивают, отстаивают до образования стабильного осадка и прозрачного раствора, фильтруют или декантируют, контролируют гамма- и/или бета-активность полученного раствора, проводят термическую обработку осадка, насыщенного радионуклидами, с получением керамической матрицы.When implementing another approach to the processing and conditioning of mineral oil LRW, the solid phase is separated. For example, the authors of the work (patent RU 2560407, G21F 9/04, publ. 08/20/2015) propose a method, which consists in the fact that sorbent is added to liquid radioactive waste, which is used as layered hydrazine titanate and / or synthetic ivanukite titanosilicate, mixed they are defended until a stable precipitate and a clear solution are formed, filtered or decanted, the gamma and / or beta activity of the resulting solution is controlled, the precipitate saturated with radionuclides is heat treated to obtain a ceramic matrix.

Сущность другого способа дезактивации эксплуатационных масел от радиоактивных загрязнений (патент RU 2125745, G21F 9/12, опубл. 27.01.1999) состоит в последовательном введении в нагретое до 80°С масло щелочного перманганата калия и ферроцианидного коллектора при объемном соотношении последнего и масла 0,5:5,0 с образованием коагулянта и последующем отделении радиоактивного осадка декантацией. Обработанное данным способом масло можно возвращать в производственный цикл.The essence of another method of decontamination of operational oils from radioactive contamination (patent RU 2125745, G21F 9/12, publ. 01/27/1999) consists in the sequential introduction of potassium alkaline permanganate and ferrocyanide collector into oil at a temperature of 80 ° C with a volume ratio of the latter and oil of 0. 5: 5.0 with the formation of a coagulant and the subsequent separation of the radioactive residue by decantation. The oil processed in this way can be returned to the production cycle.

Авторы (патент RU 2069394, G21F 9/12, опубл. 20.11.1996) предлагают способ очистки эксплуатационных масел от радионуклидов, заключающийся в том, что в масло вводят раствор щелочного перманганата, затем добавляют к нему раствор ферроцианидной смеси. Ферроцианидную смесь готовят путем смешивания 0,5-1% раствора K₄[Fe(CN)₆]⋅3H₂O и 0,5-1% раствора Ni(NO₃)₂⋅6H₂O, с последующим отделением осадка.The authors (patent RU 2069394, G21F 9/12, publ. 11/20/1996) propose a method for purifying operational oils from radionuclides, which consists in introducing an alkaline permanganate solution into the oil, then adding a solution of the ferrocyanide mixture to it. A ferrocyanide mixture is prepared by mixing a 0.5-1% solution of K ₄ [Fe (CN) ₆ ] ⋅ 3H ₂ O and a 0.5-1% solution of Ni (NO ₃ ) ₂ ⋅ 6H ₂ O, followed by separation of the precipitate.

Недостатки известных способов:The disadvantages of the known methods:

- предложенные в известных способах химические реагенты для связывания и осаждения дисперсной фазы из ЖРО возможно использовать только для кондиционирования конкретных видов ЖРО;- chemical agents proposed in the known methods for binding and precipitation of the dispersed phase from LRW can only be used for conditioning specific types of LRW;

- при реализации данных способов не происходит полного выделения дисперсной фазы из ЖРО, а осуществляется концентрирование;- when these methods are implemented, there is no complete separation of the dispersed phase from LRW, but concentration is carried out;

- использование фильтров ограничено их пропускной способностью и появляются проблемы с дальнейшей утилизацией этих фильтров, содержащих помимо отфильтрованных твердых частиц и жидкую фазу первоначальных ЖРО.- the use of filters is limited by their throughput and there are problems with the further disposal of these filters, which contain, in addition to filtered solid particles, the liquid phase of the initial LRW.

Наиболее близким по назначению к заявляемому является способ, описанный в патенте [JP 3129841 В2, G21F 9/14, опубл. 31.01.2001]. Авторы предлагают высокоактивную смазочно-охлаждающую жидкость для шлифования или высокоактивное минеральное масло, например масло из роторного насоса, пропускать сквозь стеклянный фильтр, задерживающий радиоактивные вещества. Полученное низкоактивное отработанное масло отверждают по методу отверждения пищевых жиров, например с использованием 1,2-гидроксистеарина в качестве отвердителя. Масло, отвержденное таким методом, устойчиво при комнатной температуре и при температурных колебаниях как во время транспортировки вне помещения, так и при длительном хранении в открытом помещении. Как полагают авторы, отвержденное масло можно сжигать в печи, чтобы сократить его объем, без образования вредных газов и без повреждения печи.The closest to the intended use is the method described in the patent [JP 3129841 B2, G21F 9/14, publ. 01/31/2001]. The authors propose a highly active cutting lubricant for grinding or a highly active mineral oil, such as oil from a rotary pump, to pass through a glass filter that traps radioactive substances. The resulting low-active waste oil is cured by the method of curing edible fats, for example using 1,2-hydroxystearin as a hardener. Oil cured by this method is stable at room temperature and during temperature fluctuations both during transportation outdoors and during prolonged storage in an open room. According to the authors, the cured oil can be burned in the furnace to reduce its volume, without the formation of harmful gases and without damaging the furnace.

Предлагаемый способ имеет ряд недостатков:The proposed method has several disadvantages:

- при его реализации не удается полностью выделить мелкодисперсные частицы радиоактивных материалов из ЖРО - размер удаляемых частиц определяется пропускной способностью используемого фильтра;- during its implementation, it is not possible to completely isolate the fine particles of radioactive materials from LRW - the size of the removed particles is determined by the throughput of the filter used;

- при проведении работ образуются ЖРО, которые не всегда можно сжигать, следовательно, возникает необходимость их отверждения для последующей утилизации;- during the work, LRW is formed, which can not always be burned, therefore, there is a need for their curing for subsequent disposal;

- возникает потребность в дополнительной утилизации отработанных стеклянных фильтров, пропитанных маслом, при этом необходимо учитывать образование водорода в результате процесса радиолиза масла;- there is a need for additional disposal of waste glass filters soaked in oil, it is necessary to take into account the formation of hydrogen as a result of the process of radiolysis of oil;

- фильтры имеют ограниченный ресурс работы и не подлежат регенерации;- filters have a limited service life and cannot be regenerated;

- процесс проводится на технологической установке, обеспечивающей перепад давления на фильтре, после проведения работ требуется дезактивация элементов установки, при этом дополнительно образуются РАО и увеличиваются радиационные риски для персонала.- the process is carried out at a technological installation that provides a differential pressure across the filter, after the work, decontamination of the elements of the installation is required, while radioactive waste is additionally formed and the radiation risks for personnel increase.

Задачей заявляемого изобретения является повышение безопасности проведения способа отверждения ЖРО, содержащих дисперсную фазу, сокращение времени, уменьшение затрат и упрощение технологии его реализации.The objective of the invention is to increase the safety of the method of curing LRW containing the dispersed phase, reducing time, reducing costs and simplifying the technology for its implementation.

При использовании изобретения достигается следующий технический результат:When using the invention, the following technical result is achieved:

- кондиционирование ЖРО по заявленному способу может проводиться в любых лабораторных или производственных условиях без использования высокотехнологичного специализированного оборудования;- LRW conditioning according to the claimed method can be carried out in any laboratory or production conditions without the use of high-tech specialized equipment;

- исключается необходимость хранения жидких радиоактивных отходов на местах их образования и транспортировки к месту переработки и/или захоронения, что повышает радиационную безопасность производства;- eliminates the need for storage of liquid radioactive waste at the places of their formation and transportation to the place of processing and / or disposal, which increases the radiation safety of production;

- после отделения твердой фазы жидкая фаза ЖРО может быть возвращена в технологический цикл, в результате чего уменьшаются объемы отходов производства, подлежащих захоронению;- after separation of the solid phase, the liquid phase of LRW can be returned to the production cycle, as a result of which the volume of production waste to be disposed of is reduced;

при реализации заявленного способа объемы водорода, образующегося в результате радиолиза при хранении отходов, сводятся к минимуму, что освобождает от необходимости принятия дополнительных мер безопасности;when implementing the inventive method, the volumes of hydrogen generated as a result of radiolysis during storage of waste are minimized, which eliminates the need for additional safety measures;

- процесс проводится в герметичных емкостях, после разделения жидкая фаза, содержащая твердые радиоактивные частицы, отверждается непосредственно в рабочей емкости, что сводит к минимуму образование вторичных ЖРО.- the process is carried out in sealed containers, after separation, the liquid phase containing solid radioactive particles is cured directly in the working tank, which minimizes the formation of secondary LRW.

Для решения указанной задачи и достижения технического результата предлагается способ переработки ЖРО, содержащих дисперсную фазу, заключающийся в выделении дисперсной фазы, отличающийся тем, что перед выделением дисперсной фазы в исходные жидкие радиоактивные отходы добавляют жидкость, нерастворимую в исходных жидких радиоактивных отходах и превышающую их по плотности, а выделение дисперсной фазы проводят центрифугированием.To solve this problem and achieve a technical result, we propose a method for processing LRW containing a dispersed phase, which consists in separating the dispersed phase, characterized in that before the separation of the dispersed phase in the initial liquid radioactive waste, liquid is added that is insoluble in the initial liquid radioactive waste and exceeds their density and the selection of the dispersed phase is carried out by centrifugation.

После добавления в исходные жидкие радиоактивные отходы нерастворимой в них жидкости и превышающей их по плотности осуществляют центрифугирование, в результате происходит разделение жидкостей (исходной и добавленной) из-за разности плотностей, а дисперсные частицы радиоактивных материалов из исходной жидкой фазы перемещаются в добавленную жидкость и происходит их концентрирование в жидкости с большей плотностью. Жидкость, добавляемую в исходные ЖРО, выбирают таким образом, чтобы из нее можно было легко выделить радиоактивную компоненту, например, выпариванием жидкости или отвердить для перевода в ТРО с использованием доступных технологий. Жидкую фазу исходных ЖРО, очищенную от дисперсных частиц, при сохранении ей эксплуатационных характеристик возвращают в технологический цикл. В противном случае по результатам радиационного контроля утилизируют или кондиционируют и переводят в ТРО согласно заранее выбранной схеме.After adding an insoluble liquid in them and exceeding their density in the initial liquid radioactive waste, centrifugation is carried out, as a result, the liquids (initial and added) are separated due to the difference in density, and dispersed particles of radioactive materials from the original liquid phase move into the added liquid and occur their concentration in a liquid with a higher density. The liquid added to the initial LRW is selected so that it can be easily separated from it by the radioactive component, for example, by evaporation of the liquid or hardened for conversion to SRW using available technologies. The liquid phase of the initial LRW, purified from dispersed particles, while maintaining its operational characteristics, is returned to the technological cycle. Otherwise, according to the results of radiation monitoring, they are disposed of or conditioned and transferred to SRW according to a pre-selected scheme.

Предлагаемый способ можно применять при переработке широкой номенклатуры различных РАО. Для реализации предлагаемого способа не требуется специализированное высокотехнологичное оборудование (специальные сепараторы, многоступенчатые фильтры и т.д.). Переработку ЖРО по предлагаемому способу можно проводить в герметичных емкостях, что позволяет полностью исключить контакт ЖРО с окружающей средой и существенно повысить уровень безопасности проводимых работ. В ходе проведения работ по переработке не происходит радиационного загрязнения основного технологического оборудования, а значит, отпадает необходимость периодической дезактивации или замены всего технологического оборудования или отдельных элементов. Компоненты, получаемые в результате переработки РАО по предлагаемому способу, можно безопасно утилизировать с использованием известных технологий. Реализация предлагаемого способа возможна в лабораторных условиях на месте образования ЖРО. В результате не требуются затраты на перевозку ЖРО в специализированные предприятия по переработке ЖРО. Процесс проводится с соблюдением всех норм радиационной безопасности и не требует значительных капитальных вложений и больших затрат на эксплуатацию и обслуживание.The proposed method can be used in the processing of a wide range of various radioactive waste. To implement the proposed method does not require specialized high-tech equipment (special separators, multi-stage filters, etc.). Processing of LRW by the proposed method can be carried out in sealed containers, which completely eliminates the contact of LRW with the environment and significantly improves the level of safety of the work. During the processing, radiation contamination of the main technological equipment does not occur, which means that there is no need for periodic decontamination or replacement of all technological equipment or individual elements. The components obtained as a result of RW processing by the proposed method can be safely disposed of using known technologies. Implementation of the proposed method is possible in laboratory conditions at the place of formation of LRW. As a result, the costs of LRW transportation to specialized LRW processing enterprises are not required. The process is carried out in compliance with all radiation safety standards and does not require significant capital investments and high costs of operation and maintenance.

Практическая отработка способаPractical development of the method

Для проведения модельных испытаний по отработке технологии, предназначенной для обращения с радиоактивными отходами, согласно [Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии «Критерии приемлемости радиоактивных отходов для захоронения» НП 093-14.] использовались нерадиоактивные материалы. Для проведения модельных испытаний использовали вакуумное масло ВМ-1С (ТУ 38.1011187-88). В качестве добавляемой жидкости была выбрана дистиллированная вода, как материал, удовлетворяющий предъявляемым требованиям (имеет большую, чем масло плотность и практически не растворяется в ней). Далее, в пробу масла массой 50 г добавили 0,1 г порошка гидрида титана и тщательно перемешали. Полученная смесь имела темно-серый цвет и являлась визуально непрозрачной при толщине слоя ~1 см. От полученной пробы отобрали две пробы массой по 3 г и поместили их в пластиковые пробирки объемом 10 cм³. Далее в пробирки добавили по 3 мл дистиллированной воды и перемешали встряхиванием. Пробирки с полученной смесью центр и фугировали в центрифуге ЦЛС - 3 при 5000 об/мин в течение 5 мин. После этого при визуальном осмотре было выявлено, что произошло разделение масла и воды, а порошок гидрида титана перешел из масла в воду и сконцентрировался в донной части пробирок. Следует отметить, что масло приобрело прозрачность, визуально сопоставимую с первоначальной. Далее, из каждой пробирки отобрали по 2/3 частей масла в отдельную емкость, добавляли новую порцию масла, смешанного с порошком гидрида титана, и проводили центрифугирование по описанной ранее схеме. После перевода порошка гидрида гитана в воду из всей предварительно подготовленной масляной пробы были проведены работы по финальному разделению воды и масла. Для этой цели пробирки, в которых находилась вода с порошком гидрида титана и остатки очищенного масла, выдерживали при температуре минус 15°С в течение 20 мин до полного перехода воды в состояние льда и иммобилизации в нем выделенного из масляной смеси порошка. Масло, оставшееся в жидком состоянии, было удалено из пробирок. После нагрева до комнатной температуры водная фракция, полученная в результате разделения, была отверждена непосредственно в пробирке. Воду отвердили с использованием порошков MgO и KН₂РО₄, взятых в соотношении, необходимом для образования кристаллогидрата состава KMgPO₄×6H₂O. Очищенное масло отвердили с помощью парафина (ГОСТ 23683-89) в соответствий с [патент РФ 2589040, G21F 9/16, опубл. 10.07.2016].Non-radioactive materials were used to conduct model tests to develop a technology designed for radioactive waste management, in accordance with [Federal norms and rules in the field of atomic energy use “Acceptance criteria for radioactive waste for disposal” NP 093-14.]. To conduct model tests used a vacuum oil VM-1C (TU 38.1011187-88). Distilled water was chosen as the added liquid, as a material that meets the requirements (it has a density higher than oil and practically does not dissolve in it). Next, 0.1 g of titanium hydride powder was added to a 50 g oil sample and mixed thoroughly. The resulting mixture had a dark gray color and was visually opaque at a layer thickness of ~ 1 cm. Two samples weighing 3 g each were taken from the obtained sample and placed in 10 cm ³ plastic tubes. Next, 3 ml of distilled water was added to the tubes and mixed by shaking. Tubes with the resulting mixture were centered and centrifuged in a TsLS-3 centrifuge at 5000 rpm for 5 min. After this, a visual examination revealed that there was a separation of oil and water, and the titanium hydride powder passed from oil to water and concentrated in the bottom of the tubes. It should be noted that the oil has acquired transparency that is visually comparable to the original. Next, 2/3 parts of oil were taken from each tube in a separate container, a new portion of oil mixed with titanium hydride powder was added, and centrifugation was performed according to the previously described scheme. After transferring the powder of hydride of hydride into water from the entire previously prepared oil sample, work was done on the final separation of water and oil. For this purpose, the tubes containing water with titanium hydride powder and the remains of purified oil were kept at minus 15 ° С for 20 min until the water completely turned into ice and the powder separated from the oil mixture was immobilized in it. The oil remaining in the liquid state was removed from the tubes. After warming to room temperature, the aqueous fraction obtained by separation was solidified directly in a test tube. Water was hardened using MgO and KH ₂ PO ₄ powders, taken in the ratio necessary for the formation of crystalline hydrate of the composition KMgPO ₄ × 6H ₂ O. The purified oil was hardened with paraffin (GOST 23683-89) in accordance with [RF patent 2589040, G21F 9 / 16, publ. 07/10/2016].

Claims (1)

Способ переработки жидких радиоактивных отходов, содержащих дисперсную фазу, заключающийся в выделении дисперсной фазы, отличающийся тем, что перед выделением дисперсной фазы в исходные жидкие радиоактивные отходы добавляют жидкость, нерастворимую в исходных жидких радиоактивных отходах и превышающую их по плотности, а выделение дисперсной фазы проводят центрифугированием.A method of processing liquid radioactive waste containing a dispersed phase, which consists in separating the dispersed phase, characterized in that before the separation of the dispersed phase in the original liquid radioactive waste add liquid insoluble in the original liquid radioactive waste and exceeding them in density, and the separation of the dispersed phase is carried out by centrifugation .