一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法發(fā)明內(nèi)容

一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法專利目的

《一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法》的目的是提供一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法。

一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法技術(shù)方案

《一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法》是按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥、沸石、礦渣、硅粉、粉煤灰、UNF-5減水劑混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、放射性廢樹脂和水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；

（3）將漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％。

所述放射性廢樹脂、硫鋁酸鹽水泥、沸石、礦渣、硅粉、粉煤灰、UNF-5減水劑與水的用量比例為：（0.9～1.1）升:（1240～1580）克:（65～185）克:（180～200）克:（150～200）克:（60～150）克:（2～6）克:（100～150）毫升。

一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法有益效果

《一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法》使用硫鋁酸鹽水泥并摻加沸石固化廢樹脂，體積包容量可達(dá)40％以上，固化體核素浸出率低。該發(fā)明的方法操作簡單，成本低，所得固化體抗壓強(qiáng)度較高、漿料流動度適當(dāng)。

核設(shè)施在運(yùn)行、檢修及廢液處理過程中產(chǎn)生大量放射性離子交換樹脂。廢樹脂中含有大量水分，具有彌散性，輻解或熱解時(shí)會產(chǎn)生燃爆性氣體，必須以合適的方式固化，以便于貯存、運(yùn)輸和處置。水泥固化技術(shù)因固化體性能穩(wěn)定、設(shè)備簡單、易于操作、成本較低的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于中、低放廢物的固化。2011年5月前核電站實(shí)際使用的放射性廢樹脂水泥固化配方存在包容量低、固化體核素浸出率高等不足。

硫鋁酸鹽水泥的主要熟料礦物是無水硫鋁酸鈣（3CaO·3Al₂O₃·CaSO₄），硫鋁酸鹽水泥具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗凍、抗?jié)B、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可以作為固化放射性廢物的主要材料。為了在固化過程中保證必需的操作性以及使固化體獲得良好的機(jī)械性能和抗浸出性能，水泥固化配方中也可以摻加一種（單摻）或幾種（雙摻或復(fù)摻）礦物混合材，如沸石粉、礦渣粉、硅灰、粉煤灰、膨潤土、高嶺土等。各種礦物混合材的摻加可以改善水泥固化體中核素的抗浸出性能，降低水泥水化熱，沸石可以提高混合漿料的保水性，礦渣、硅灰、粉煤灰等可以在一定程度上提高固化體抗壓強(qiáng)度。使用硫鋁酸鹽水泥并摻加沸石固化廢樹脂，體積包容量可達(dá)40％以上。在硅酸鹽水泥中摻加絲光沸石水泥固化廢液，固化體強(qiáng)度、鈾浸出率均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。利用硅酸鹽水泥，雙摻礦渣、硅灰可以有效固化含Cd² 和Na 的低放廢液，雙摻硅灰、沸石可固化陽樹脂。使用硅鋁酸鈣化合物，摻加火山灰、頁巖灰、爐渣、硅灰、硅藻土、膨潤土、沸石、高嶺土中的一種或幾種，可以在液固比0.5～0.8之間固化放射性廢液。

《一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法》屬于放射性廢物水泥固化技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法。

1.《一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法》特征在于，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥、沸石、礦渣、硅粉、粉煤灰、UNF-5減水劑混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、放射性廢樹脂和水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；

（3）將漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法，其特征在于，所述放射性樹脂、硫鋁酸鹽水泥、沸石、礦渣、硅粉、粉煤灰、UNF-5減水劑與水的用量比例為：（0.9～1.1）升:（1240～1580）克:（65～185）克:（180～200）克:（150～200）克:（60～150）克:（2～6）克:（100～150）毫升。

采用混合樹脂為模擬放射性廢樹脂，混合樹脂中陰陽樹脂的體積比為3:2。使用硫鋁酸鹽水泥作為主要基材，復(fù)合摻加一定比例的沸石、礦渣、硅粉和粉煤灰，固化混合樹脂。

• 實(shí)施例1

硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥1440克、沸石100克、礦渣200克、硅粉180克、粉煤灰80克、UNF-5減水劑2克混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、1升混合樹脂和125毫升水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；

（3）將漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％。

測定固化體7天抗壓強(qiáng)度為13.1兆帕。

• 實(shí)施例2

硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥1470克、沸石100克、礦渣200克、硅粉170克、粉煤灰60克、UNF-5減水劑2.4克混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、1升混合樹脂和110毫升水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；在水泥膠砂流動度測定儀臺面中央放置流動度試模，將在攪拌機(jī)中拌好的漿料分兩層迅速裝入流動度試模，測定漿料的流動度；

（3）將在攪拌機(jī)中拌好的漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％。

測定固化體7天抗壓強(qiáng)度為12.6兆帕。漿料的流動度為216毫米。

• 實(shí)施例3

硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥1440克、沸石100克、礦渣200克、硅粉180克、粉煤灰80克、UNF-5減水劑2克混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、1升含4克Cs 的混合樹脂和125毫升水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；

（3）將漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％，然后進(jìn)行核素浸出試驗(yàn)，浸出劑為1.5升去離子水，溫度為25℃，分別在第1、3、7、10、14、21、28、35和42天時(shí)取樣并更換新的浸出劑。

Cs 在第42天的浸出率和累積浸出分?jǐn)?shù)分別為8.4×10^-7厘米/天和7.1×10^-5厘米。

• 實(shí)施例4

硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥1240克、沸石65克、礦渣180克、硅粉150克、粉煤灰150克、UNF-5減水劑2克混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、0.9升混合樹脂和100毫升水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；

（3）將漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％。

測定固化體7天抗壓強(qiáng)度為12.1兆帕。

• 實(shí)施例5

硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法，按照如下步驟進(jìn)行：

（1）將硫鋁酸鹽水泥1580克、沸石185克、礦渣190克、硅粉200克、粉煤灰100克、UNF-5減水劑6克混合均勻，制成混合物料；

（2）將混合物料、1.1升混合樹脂和150毫升水在攪拌機(jī)中攪拌3分鐘，制成漿料；

（3）將漿料轉(zhuǎn)移至Φ50毫米×50毫米的模具內(nèi)，抹平后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)7天，養(yǎng)護(hù)溫度為25±5℃，相對濕度≥90％。

測定固化體7天抗壓強(qiáng)度為12.9兆帕。

2016年12月7日，《一種硫鋁酸鹽水泥復(fù)摻混合材固化放射性廢樹脂的方法》獲得第十八屆中國專利優(yōu)秀獎。 2100433B

放射性廢樹脂的處理和處置是長期困擾核工業(yè)發(fā)展的一大難題。水泥固化是經(jīng)濟(jì)而安全的固化方法，但是目前的水泥固化配方存在包容量低、核素浸出率高、固化體體積增容比大等缺點(diǎn)。核電站因?yàn)橐褂门鹚醽碚{(diào)節(jié)反應(yīng)性，因而所產(chǎn)生的放射性廢樹脂吸附有大量的硼，硼對水泥漿的緩凝作用給廢樹脂的水泥固化帶來了更大的困難。.本項(xiàng)目將在對水泥固化機(jī)理以及硼對水泥漿的緩凝機(jī)理進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上對含硼樹脂水泥固化的配方進(jìn)行優(yōu)化，將水泥固化含硼樹脂的包容量從目前的305L/C1桶提高到大于400L/C1桶，從而減小需要處置的廢物體積，降低處置成本。通過添加沸石等輔助材料來減小固化體中放射性核素的浸出率，通過選擇添加劑來調(diào)節(jié)水泥漿凝結(jié)時(shí)間，防止樹脂和水泥漿的分層。并對固化過程的操作工藝進(jìn)行深入研究，針對固化體的微觀結(jié)構(gòu)和長期穩(wěn)定性開展研究，為該技術(shù)的工程應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)，為配方應(yīng)用于工程實(shí)踐創(chuàng)造條件。 2100433B

放射性廢樹脂的處理是放射性廢物處理的難點(diǎn)之一，中、低放射性廢樹脂水泥固化體在處置場300年的存放過程中會由于自身和周圍環(huán)境的輻照而對固化體的性能產(chǎn)生影響。廢樹脂水泥固化體經(jīng)輻照后機(jī)械性能會發(fā)生變化，樹脂在長期輻射過程中會逐漸分解釋放出H2等可燃?xì)怏w，同時(shí)輻照也會對核素浸出率產(chǎn)生影響。為了確保放射性廢樹脂水泥固化體的安全處置亟需對其輻照穩(wěn)定性開展研究。本項(xiàng)目擬采用鈷源對放射性廢樹脂水泥固化體進(jìn)行輻照，研究輻照對固化體機(jī)械強(qiáng)度、核素浸出率的變化規(guī)律。并通過微觀分析探索輻照對固化體性能的影響機(jī)理。測量不同輻照劑量率和總劑量時(shí)固化體輻解氣體的產(chǎn)生量，建立輻解氣體產(chǎn)、擴(kuò)散和釋放模型，為輻解氣體產(chǎn)生量的計(jì)算提供方法。建立放射性廢樹脂水泥固化體輻照穩(wěn)定性的評價(jià)體系，為我國放射性廢樹脂的最終安全處置提供保障，項(xiàng)目開展對于我國放射性廢樹脂的安全儲存有重要意義。

廢樹脂是最難處理的放射性廢物之一。目前，水泥固化因?yàn)槠湓弦椎?、設(shè)備工藝成熟、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于放射性廢樹脂的處理。放射性廢樹脂的水泥固化體要在廢物處置場存放300-500年，因此其性能要求具有極端長期性、不可維修性等特點(diǎn)。放射性廢樹脂在進(jìn)入處置場后，來自于周圍廢物以及樹脂自身的輻照會對固化體性能產(chǎn)生一定的影響。為了確保固化體在處置期間的安全性需要對輻照對固化體的性能進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以獲得輻照對固化體性能的影響變化規(guī)律，并從微觀上解釋固化體結(jié)構(gòu)的變化，從而為保證固化體長期處置安全提供理論依據(jù)。 利用60Co輻照裝置研究了不同配方的模擬放射性廢樹脂水泥固化體在輻照條件下抗壓強(qiáng)度和輻解產(chǎn)物。樹脂體積為50%的固化體其抗壓強(qiáng)度在累積受照劑量106Gy的輻照下，其性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。對于樹脂本身當(dāng)累積劑量達(dá)105Gy時(shí)，其氫氣量已達(dá)到3.5%。因此樹脂長期貯存和高整體容器處置時(shí)，應(yīng)限制樹脂放射性活度。計(jì)算分析表明，我國現(xiàn)有的放射性廢樹脂水泥固化不會產(chǎn)生輻照穩(wěn)定性問題。 研究了輻照對放射性廢樹脂特種水泥固化體的影響。重點(diǎn)比較了樹脂固化體經(jīng)過不同劑量的γ射線輻照前后固化體抗壓強(qiáng)度、凍融試驗(yàn)后強(qiáng)度以及核素浸出率的變化規(guī)律，并通過掃描電鏡比較了輻照前后水泥固化體的微觀結(jié)構(gòu)變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：輻照會使固化體抗壓強(qiáng)度降低，在相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間下，輻照引起的水泥固化體抗壓強(qiáng)度損失隨劑量的增加而增大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間相同時(shí)吸收劑量為105Gy和106Gy的γ輻照后固化體抗壓強(qiáng)度損失分別為13%和26%；水泥固化體經(jīng)過輻照，在凍融實(shí)驗(yàn)中固化體穩(wěn)定性影響會因輻照的介入而加??；研究得到，SAC固化體的核素浸出率大小為Cs > Sr2 > Co2 ，輻照后固化體對浸出離子的吸附能力降低，同樣浸出時(shí)間下，各核素浸出率出現(xiàn)不同程度的升高；SEM照片和EDX能譜圖顯示，在微觀結(jié)構(gòu)中γ射線輻照后固化體中鋁膠膠團(tuán)含量相對減少，輻照可能引起其水化產(chǎn)物中高鋁凝膠的分解，從而導(dǎo)致對核素滯留降低而浸出率的升高。 同時(shí)研究結(jié)果表明，已經(jīng)研發(fā)得到的水泥固化配方在處置期間內(nèi)結(jié)構(gòu)不會破壞，浸出率升高幅度可以接受，因此廢物的處置是安全的。 2100433B