5.2.2 Отверждение жидких радиоактивных отходов

Для отверждения жидких радиоактивных отходов используют связующие материалы, которые разделяют на три группы:

- термореактивные – полиэфирные и карбамидные смолы;

- неорганические – гипс, цемент;

- термопластичные – битум.

Связующие материалы из неорганической и термопластичной групп не были специально созданы для целей отверждения жидких отходов, а были позаимствованы из строительства, где используются как изолирующие или строительные материалы [24].

Для связующих материалов установлены определенные требования: дешевизна, недефицитность, прочность, биостойкость, хорошая совместимость с химическими элементами концентратов, радиационная стойкость. Поэтому во многих странах с развитой атомной энергетикой получили широкое распространение такие связующие, как битум и цемент [24].

5.2.2.1 Битумирование

Наибольшее распространение в практике в качестве связующего компонента получил битум. Битум представляет собой продукт перегонки нефти или угля. Причиной широкого применения битума является его термопластичность, которая позволяет при его нагревании включать в него концентраты радиоактивных отходов с получением гомогенного материала, обладающего хорошими показателями гидростойкостью. Также битум характеризуется низкой чувствительностью к составу включаемого объёма жидких отходов [24].

При контакте компонентов отходов с битумом свойства последнего изменяются из-за их химического взаимодействия. По характеру химического взаимодействия солевых компонентов с битумом данные компоненты выделяют в три группы:

- инертные соли сильных кислот и оснований (в условиях битумирования) – хлорид натрия, нитрат натрия;

- азотнокислые соли, которые при битумировании проявляют окислительные свойства, неустойчивые, например, нитрат железа, нитрат аммония, нитрат алюминия;

- соли сильных оснований и щёлочи – гидроксид натрия, карбонат натрия, фосфат натрия [24].

Соли первой группы с битумом не реагируют, соли второй группы окисляют битум и делают его крайне хрупким (большое количество таких солей в отходах при битумировании не допустимо), компоненты из третьей группы вызывают омыление органики битума, в результате чего образуются органические кислоты, которые эмульгируют битум, уменьшая его водостойкость.

В жидких радиоактивных отходах российских атомных электростанций гидратообразующи солей в общем объёме достаточно мало (2÷3)%; у таких солей плохая совместимость с битумом.

Концентраты отходов содержат некоторое количество влаги, которая в процессе битумирования удаляется при температуре кипения, в результате чего идёт частичная или полная дегидратация солей. Гидратация солей же может проявиться после охлаждения системы, что создаёт условия для движения остатков влаги вглубь смеси. От этого происходит разбухание смеси и ухудшение гидроизоляции. В результате всего этого в отдельных случаях уменьшают степень наполнения битума. Такой же эффект вспучивания наблюдается при включении в битум различных ионообменных смол [24].

Содержащиеся в концентратах детергенты нарушают целостность битума и делают его более текучим, вследствие чего ухудшаются гидроизолирующие свойства. Поэтому перед битумированием рекомендуется их удалять до определённых показателей.

Чтобы уменьшить вымываемость опасных радионуклидов из системы, необходимо их переводить в нерастворимую форму или же «закрепить» на сорбенте. Для связывания ¹³⁷Cs в смесь битум-концентрат вводят ферроцит никеля, для ⁶⁰Co используют сульфат кобальта, для ⁹⁰Sr – сульфат бария, что существенно снижает вымываемость данных веществ. Следует отметить, что скорость вымывания зависит от времени контакта с водой [24].

Не смотря на все меры стабилизации радионуклидов, в битумных компаундах идёт излучения элементарных частиц. Под действием такого излучения одновременно идёт скрепление углеродных цепей и их деструкция, при этом происходит выделение водорода, метана, угарного газа и тепла.

При образовании газов происходит набухание компаунда, а их выделение в месте хранения компаунда приводит к образованию взрывоопасных смесей. Выделение тепла может приводить к разогреву компаунда и его расплавлению, что требует организации системы отвода тепла, но расплавление характерно для содержащихся в концентратах радионуклидов высокой активности, которые не характерны для отверждённых концентратов атомных станций. Битумные смеси хранят в специальных бочках в железобетонных полостях или же наливом в подземных полостях [24].

При перевозке и хранении смесей установлены требования по температуре, которая не должна превышать (100÷125)°С. Данное требование исключает расслаивание битумной смеси из-за увеличения содержания солей [24].

При определённых условиях или ненадлежащем выполнении техники безопасности (например, хранение блоков в незащищённом грунте) при хранении битумные смеси могут быть подвергнуты биокоррозии вследствие поедания смеси почвенными бактериями. Биокоррозия приводит к нарушению целостности блоков и попадании радионуклидов в почву [2].

В качестве заменителя битума можно использовать отходы и продукты нефтеперегонки и различных производств. На эту роль хорошо подходит асфальт деасфальтизации гудрона и диметилтерефталат. По основным характеристикам они ничуть не уступают битуму, к тому же имеют стоимость гораздо ниже [21].

Для улучшения свойств битума рекомендуется использовать так называемое «зелёное» масло (продукт пиролиза керосина). Данная добавка уменьшает вязкость битума, позволяя экономить некоторые его объёмы [24].