Остекловывание

Промышленное остекловывание ЖРО в РФ осуществляется в одну стадию в керамических плавителях прямого нагрева. Аппарат – огнеупорная печь прямого электронагрева переменным током, электроды погружены непосредственно в стекло.
Температура расплава может варьироваться от 1000 до 2000 0С.
Простейшее стекло может быть получено нагреванием SiO2 выше температуры его плавления и последующим быстрым охлаждением для затвердевания. Чтобы снизить температуру плавления, а заодно и вязкость расплава, рекомендовано добавлять модификаторы структуры, например, соединения щелочных металлов (чаще всего Na2CO3) . Это снижает энергозатраты, но вместе с тем понижается и химическая устойчивость стекла, что несколько корректируется добавками соединений щелочноземельных металлов (например, СаО) [1].
В России также разработан и внедрен процесс остекловывания упаренных растворов ВАО с добавкой фосфорной кислоты, как стеклообразователя, что позволяет эффективно гомогенизировать расплав [1].
Метод остекловывания удобен тем, что может проводиться непосредственно на месте образования ЖРО, что исключает проблемы транспортировки отходов к месту кондиционирования.
1.2.3 Включение в керамическую матрицу
Как указано выше, при подборе фиксирующей матрицы для ВАО приоритетна механическая прочность. Этому требованию отвечают керамические композиты. Однако при непосредственном сплавлении концентрированных ВАО с керамическими материалами продукт получается пористый (из-за выхода легколетучих и газообразных компонентов ВАО), имеет низкий коэффициент теплопроводности и высокую степень выщелачивания. Поэтому процесс проводится в две стадии, первая и которых – получение кальцината (см. п. 1.2.1).
В стремлении получить материалы со свойствами близкими к природным материалам, которые были бы высокостабильны в сравнении со стеклами при захоронении в геологических породах, внимание разработчиков технологии было обращено на кристаллические алюмосиликаты. Так, более стабильные материалы по сравнению с фосфатной керамикой получены при добавлении к ВАО окислов кремния, алюминия, кальция с последующим прокаливанием кальцината и получением прочного связанного соединения, например, CsAlSi2O6 [1].
1.3 Методы отверждения НАО и САО
Аналогично технологиям кондиционирования ВАО, низко- и среднеактивные ЖРО предварительно также концентрируются упариванием, либо могут сжигаться (преимущественно НАО). При сжигании ЖРО всегда имеет место выделение радиоактивных газообразных продуктов, что требует дополнительного применения оборудования газоочистки

. Кроме этого, образующаяся зола также содержит радионуклиды и требует дальнейшего кондиционирования.
При кондиционировании отверждением достигаются следующие цели:
- снижение общего объема отходов;
- создание устойчивой твердой формы отходов, пригодных для временного хранения и захоронения, другими словами – фиксация радионуклидов, позволяющая максимально уменьшить распространение радиоактивных продуктов на последующих стадиях обращения с РАО.
1.3.1 Цементирование
Фиксация ЖРО в цементе в настоящее время – один из основных методов их отверждения во всех развитых странах мира. Цементирование применяется для отверждения ЖРО с удельной активностью до 3,7·106 Бк/л (10-4 Ки/л) [3]. Захоронение цементных блоков с удельной активностью выше 10-5 Ки/л уже требует гидроизоляции и герметизации хранилища.
Достоинства цементной матрицы: отсутствие пластичности, негорючесть, химическая и радиационная устойчивость, простота организации смешивания концентрата ЖРО с цементом [27].
Недостатком цементирования ЖРО является малое сокращение объема конечного продукта по сравнению с исходным объемом ЖРО, подаваемым на цементирование. Это обусловлено, во-первых, невысокой степенью включения радиоактивных компонентов в матрицу, что закономерно приводит к необходимости увеличения объема цемента. Во-вторых, для получения цемента с необходимой вязкостью требуется большое количество воды. Таким образом, максимальный коэффициент сокращения объема составляет 1,3 при удовлетворительном качестве конечного продукта [31].
Еще одним недостатком цементированных ЖРО можно отметить существенную вымываемость (вышелачиваемость) из цемента включенных в него компонентов при контакте с водой. Скорость выщелачивания для цементных блоков составляет 10-3-10-2г/(см2·сут) [31]. Для сравнения: для остеклованных материалов скорость составляет 10-5-10-6 г/(см2·сут); для битумных блоков – 10-4-10-5г/(см2·сут)) [3]. Также неприятный момент при цементировании – снижение устойчивости цемента к раскалыванию про высоком солесодержании ЖРО.
Уменьшению вымываемости способствует введение полимерных добавок, снижающих пористость цементного камня.
Известны различные композиции на основе цементов для отверждения ЖРО, в состав которых входит собственно вяжущее вещество (портландцемент, шлакопортландцемент, доменные шлаки) в количестве не менее 70% от массы сухой смеси, сорбционные добавки (обычно это природные алюмосиликатные материалы, например, бентонит, вермикулит, каолин) - до 20%, необходимые для фиксации радионуклидов, а также прочие модифицирующие добавки [7].
При простейшем отверждении ЖРО цементированием представляет собой ЖРО и портландцемент в соотношении 1:(1,3-2,0), что обеспечивает получение монолитных блоков с прочностью при сжатии не менее 5 МПа, что соответствует требованиям ГОСТ Р 518832002 [7].
1.3.2 Битумирование
Фиксация ЖРО в материал на основе асфальтенов имеет практически такое же широкое распространение, как цементирование