Высокотемпературная обработка кальцинатов спеканием

Получаемые в результате обезвоживания и кальцинации продукты обладают недостаточной химической устойчивостью, тепло­проводностью и механической прочностью, чтобы использовать их для захоронения радиоактивных отходов. Свойства кальцината могут быть улучшены спеканием при температуре, превышающей температуру кальцинации. На первой стадии термической обработки кальцината поверхность частиц уменьшается без изменения их массы. Это может быть связано с переходом некоторой части атомов или ионов с поверхности внутрь решетки. При определенных температуре и давлении отдельные частицы могут превращаться в прочные конгломераты.

Как показали исследования, проведенные с кальцинатами радиоактивных отходов, термическая обработка их даже при температуре 950 °С не позволила получить достаточно химически устойчивый материал: за 17 сут в воду перешло около 20 % смеси радионуклидов, выщелачиваемость цезия за 1 сут составила более 90 %. Повышению степени закрепления радионуклидов в твердом материале способствует высокотемпературный обжиг кальцината в присутствии различных добавок, например, различных глинистых минералов.

При температурной переработке смеси отходов с глиной после удаления воды происходит несколько процессов. Первичная стадия взаимодействия — поверхностная адсорбция соединений, входящих в состав отходов, на частицах глины. Между ними преобладают ван-дер-ваальсовы связи, которые не позволяют прочно фиксировать компо­ненты отходов, в том числе и радионуклиды. При дальнейшем нагрева­нии может происходить диффузия сорбированного иона в глубь кристаллической решетки глины, скорость которой тем больше, чем выше заряд и меньше радиус диффундируемого иона. Процесс может сопровождаться химическими реакциями с образованием силикатов, алюмосиликатов и других соединений.

Для глин типа монтмориллонита, по всей вероятности, диффузия начинает играть превалирующую роль при температуре выше 800-850 °С, когда наблюдаются изменения в кристаллической решетке глины. Для силикатов, атомы кристаллической решетки которых обладают сравнительно небольшой подвижностью, химическое взаимодействие возможно при температуре, составляющей приблизительно 0,8-0,9 T_k, где Т_k — абсолютная температура плавления системы. Так, при температуре плавления смеси кальция и двуокиси кремния 1000 °С силикат кальция образуется уже при 800 °С. Радионуклиды, находя­щиеся в растворе в трехвалентном и более состоянии, имеющие склонность к образованию соединений с ковалентными связями, образуют в результате взаимодействия с глинами труднорастворимые соединения и достаточно хорошо фиксируются таким образом уже при 350 °С. Щелочные и щелочноземельные элементы, склонные к ионной связи, значительно труднее перевести в нерастворимые формы.

Выше было показано, что соединения цезия в процессе термической обработки легко образуют силикаты и поверхностные соединения на окиси алюминия, обладающие высокой термической устойчивостью. Однако растворимость этих соединений достаточно высока, поэтому прочной фиксации цезия не удается добиться даже при температуре выше 1000 °С.

Для закрепления радионуклидов используют специальные добавки. Хорошие результаты получают при фиксации цезия, если в результате добавки к отходам SiO₂ и А1₂О₃ образуется соединение типа поллуцита СаА1SiO₂О₆ (температура обжига 1200 °С, продолжительность обжига 1-2 ч) или нефелина (Сs, Nа)А1Si₂О₆ (1100-1300 °С). Для закрепления стронция необходимо получить алюмосиликат типа SrА1₂Si₂О₈ или титанат, церий достаточно прочно закрепляется в присутствии фосфат-иона.

Температура процесса получения стабильного керамического материала может быть значительно снижена при использовании метода горячего прессования. Известно, что для осуществления реакции в твердом состоянии частицы реагирующих веществ должны находиться в тесном контакте с тем, чтобы могли возникнуть силы притяжения, в результате которых атомные силовые поля частиц взаимно перекрещиваются. Так, в интервале давлений 180-350 МПа уже при температуре 150-400 °С можно получить при включении отходов в специальный цемент на основе алюмината кальция материал, отличающийся низкой скоростью выщелачивания радионуклидов, в том числе и цезия, не­смотря на высокое содержание соединений натрия в отходах. Еще более стабильные материалы получают при использовании ме­тода изостатического прессования (температура выше 1500 °С, давление выше 1000 МПа).