六低中放废物固化技术.ppt
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1、放射性废物处理与处置李全伟西南科技大学国防科技学院核废物与环境安全国防重点学科实验室1.目录一n课程安排:48/36学时8/6周n第一章 放射性废物管理内容和原则 n第二章 放射性废物的分类 n第三章 放射性废物的产生和废物最小化 n第四章 气载和液体低中放废物的处理 n第五章 废物的减容处理焚烧和压实n第六章 低中放废物固化技术n第七章 高放废液的固化与分离2.目录二n课程安排:48/36学时8/6周n第八章 放射性污染的去污 n第九章 核设施的退役 n第十章 低、中放和极低放废物的处置 n第十一章 高放废物处置n第十二章 核电站废物的处理n第十三章 核技术利用废物和废旧放射源的管理 3.放
2、射性废物处理与处置内容提要n6、低中放废物固化技术(p103126)n6.1水泥固化n6.2沥青固化n6.3塑料固化n6.4改进的低中放废物固化处理技术n6.5水力压裂法n6.6大体积浇注法4.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n固化的定义:在危险废物中添加固化剂,使其转变为不可流动固体或形成紧密固体的过程。n放射性蒸发残渣、泥浆和废树脂等湿固体和焚烧炉灰等干固体,都是弥散性物质,需要固化处理。n通常,固化的途径是将放射性核素通过化学转变,引入到某种稳定固体物质的晶格中去,或者通过物理过程把放射性核素直接掺入到惰性基材中。5.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n固化的目
3、标是使废物转变成适宜于最终处置的稳定的废物体。n固化材料及固化工艺的选择应保证固化体的质量,应能满足长期安全处置的要求,应满足进行工业规模生产的需要,对废物的包容量要大,工艺过程及设备应简单、可靠、安全、经济。n理想的废物固化体要具有阻止所含放射性核素释放的特性,其一般要求如下:6.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术(1)低浸出率:这种特性使放射性污染的扩散减至最小,固化体可长时间的存放在地下处置库甚至水中。n浸出率为确定固化产品中放射性核素在水或其他溶液中析出情况的一项指标。国际原子能机构(IAEA)于1969年加以确定,并定义为:7.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技
4、术nRin在第n浸出周期中第i组分的浸出率,/d;nain 在第n浸出周期中浸出的第i组分的活度Bq或g;nAi0在浸出实验样品中第i组分的初始活度Bq或g;nF样品与浸出剂接触的几何表面积,2;nV样品的体积,3;ntn第n浸出周期的持续天数,d;8.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术nPit在时间t时第i组分的累积浸出分数,cm;nAin在第n浸出周期中浸出的第i组分的活度Bq或g;nAi0在浸出实验样品中第i组分的初始活度Bq或g;nF样品与浸出剂接触的几何表面积,2;nV样品的体积,3;9.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术(2)高导热率:这种特性,使得整个固化
5、体因内部温度过高而损坏的可能性减至最小,因而容许固化高浓度的放射性废物,而又不致产生过高的内部温度。(3)高的耐辐射性:这种特性保证了固化体不致由于放射性废物产生的辐射而损坏。10.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术(4)高化学稳定性和耐腐蚀性:具有良好的化学、生物稳定性;这种特性保证了固化体不致由于周围环境介质的腐蚀或本身所含有的化学物质的腐蚀而损坏。(5)高的机械强度:具有足够的机械强度;这种特性保证了固化体在装卸、运输、处置期间的结构完整性,而不致出现破裂或粉碎。11.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术(6)高的减容比:最终的固化物体积应尽可能小于掺入的废物体积,
6、减容比的大小实际上取决于能嵌入固体中的废物和可以接受的水平。减容比是鉴别固化方法和衡量最终处置成本的一项重要指标。其定义为:CRV1/V2 nCR固化减容比;nV1固化前废物体积;nV2固化后产品体积;12.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术(7)对固化工艺的一般要求:对中、低放废物的固化,操作过程应简单,处理费用应低廉。高放废物的固化应能进行远距离控制和维修。n中、低放废物常采用水泥固化、沥青固化及塑料固化工艺进行固化,高放废物常采用玻璃或陶瓷固化工艺进行固化。13.项目水泥固化沥青固化塑料固化玻璃固化陶瓷固化干废物包容量(质量百分数)5403060306010301530浸出率
7、(gcm2d)10-110-4 10-310-6 10-310-610-410-7 10-510-8 抗压强(MPa)1030塑性20100(或塑性)脆性高耐辐照(Gy)10-810-710-710-910-9操作和维修简单中等中等复杂复杂投资 低中中高高适用性低、中放废物 低、中放废物低、中放废物高放、废物高放、废物 应用状况工业规模 工业规模工业应用工业应用研究开发几种主要固化方法的比较 14.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n6.16.1水泥固化n水泥固化原理:水泥是一种无机胶结剂,经水化反应后可形成坚硬的水泥块,能将砂、石等骨料牢固地凝结在一起。水泥固化放射性废物就是利用
8、水泥的这一特性。n不适合水泥固化的废物:n放射性水平高n含易挥发核素 n金属腐蚀或辐射分解产生气体等15.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n优缺点:抗压强度高,自屏蔽能力强,耐辐射和耐热性能好,工艺设备简单,投资少。增容1.52倍,放射性核素的浸出率较高。n水泥:普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥,高铝水泥等,可根据废物的种类、性质进行选择。n添加剂:沸石(Cs)、硅灰(Sr)、粉煤灰(流动性)等(见表6-2)。16.水泥固化样品17.水泥固化试验现场18.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n水泥固化特性(1)水灰比:掺入的放射性废水与水泥质量之比,0
9、.40.5;(2)盐灰比:废物干盐分与水泥质量之比,0.10.3;(3)流动性:坍落度,稠度,100300mm;19.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术(4)凝结时间:从和水可塑状态到失去流动性。初凝时间大于1.5h,终凝时间小于48h;缓凝剂和促凝剂。(5)泌水性:水泥浆中泌出部分回流水,游离水应小于1%;(6)水化热:凝固过程发生水合放热反应,可达到160,导致水分强烈蒸发,固化体出现气孔和裂缝,破坏固化体结构,使固化体表面产生盐析。20.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n水泥的凝结硬化(水化反应)n硅酸盐水泥是多矿物、多组分的物质,水泥加水拌和后的凝结和硬化是一
10、个连续复杂的物理化学过程。n与水拌和后,立即发生化学反应,各组分开始溶解,水泥间的水很快变成多种离子的溶液,主要有钙离子,钾离子、钠离子和硅酸根离子、铝酸根离子、硫酸根离子。21.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n根据目前的认识,铝酸三钙立即发生反应,硅酸三钙和铁铝酸四钙也很快水化,而硅酸二钙反应较慢。n硅酸盐水泥与水作用后生成的主要水化物有:水化硅酸钙和水化铁铝酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。22.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n水化反应过程n在水泥浆体中,未水化的水泥颗粒其表面的水泥熟料先溶解于水然后与水反应或直接与水反应,形成相应的水化物。n由
11、于水化物的溶解度很小,水泥颗粒周围的溶液很快成为水化物的过饱和溶液,先后析出水化硅酸钙、水化硫铝酸钙、氢氧化钙和水化铝酸钙等水化产物,包覆在水泥颗粒表面。23.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n凝结硬化机理n在水化初期,水化物不多,包有水化物膜层的水泥颗粒之间还是分离着的,水泥浆具有可塑性。n随着时间的推移,新生水化物的增多,水化物膜层增厚,颗粒间的空隙逐渐缩小,而包有凝胶体的颗粒则逐渐接近,以至相互接触,在接触点借助于范德华力凝结成多孔的空间网络,形成凝聚结构,此时水泥初凝,失去可塑性,但不具有强度。24.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n随着水化物的不断增多,颗
12、粒间的接触点数目增多,结晶体和凝胶体相互贯穿凝聚的结晶网状体结构不断加强,固体颗粒之间的空隙不断减小,结构逐渐紧密。n水泥浆体完全失去可塑性,达到一定强度,水泥表现为终凝,并进入硬化阶段。随后水化速度逐渐减慢,水化物随着时间逐渐增加,扩展到毛细孔中,使结构更趋致密,强度相应提高。25.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n水泥强度和稳定性n水化硅酸钙(C-S-H)是决定水泥强度的主要因素;C-S-H是水泥熟料硅酸三钙和硅酸二钙的水化产物,其组成不固定,统称为C-S-H凝胶,C-S-H凝胶尺寸很小(10-410-1m)n由于C-S-H具有巨大的比表面积和刚性凝胶的特性,凝胶离子间存在范
13、德华力和化学组合键,因此具有较高的强度,在充分水化的水泥石中,C-S-H凝胶约占70%,为水泥的强度和结构稳定作出最大的贡献。26.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n影响水泥强度的因素nCa(OH)2是随硅酸三钙和硅酸二钙的水化而产生的六方体晶体,数量约占水泥石的20%,通常只起填充作用。因Ca(OH)2具有层状结构,层间结合较弱,在受力较大时影响固化体强度,是裂缝的策源地。Ca(OH)2过多是降低水泥固化体强度的重要因素。n试验表明,加入添加剂可以将一部分Ca(OH)2转化为(C-S-H)。27.放射性废物处理与处置第六章 低中放废物固化技术n水泥固化体性能要求n水泥水化过程会
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