NGHIÊN cứu ổn ĐỊNH hóa CHẤT THẢI PHÓNG xạ BẰNG PHƯƠNG PHÁP gốm hóa tạo vật LIỆU DẠNG SYNROC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ***** NGUYỄN HOÀNG LÂN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HÓA CHẤT THẢI PHÓNG XẠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP GỐM HÓA TẠO VẬT LIỆU DẠNG SYNROC LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ***** NGUYỄN HOÀNG LÂN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH HÓA CHẤT THẢI PHÓNG XẠ BẰNG PHƢƠNG PHÁP GỐM HÓA TẠO VẬT LIỆU DẠNG SYNROC Chuyên ngành: Hóa vô Mã số: 60440113 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊNH NGỌC CHÂU PGS.TS LÊ BÁ THUẬN LỜI CẢM ƠN Trong khoảng thời gian từ nhận đề tài làm luận văn thạc sỹ nghiên cứu hoàn thiện luận văn, em tiếp thu nhiều kiến thức bổ ích nghiên cứu khoa học Có kết đó, em xin bày tỏ lòng cảm tạ sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn PGS.TS.Trịnh Ngọc Châu PGS.TS Lê Bá Thuận trực tiếp truyền đạt kinh nghiệm kiến thức suốt trình triển khai làm luận văn Bên cạnh đó, em xin gửi lời chân thành cảm ơn tới toàn thể quý thầy cô môn Hóa vô – khoa Hóa - Trường ĐH KHTN – ĐH QGHN Cuối cùng, xin gửi tới anh chị công tác Viện Công nghệ xạ lời cảm ơn trân trọng có nhiều tham gia đóng góp quí báu cho việc hoàn thành luận văn Hà Nội, tháng năm 2014 Học viên cao học Nguyễn Hoàng Lân DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các tính chất điển hình nhóm chất thải phóng xạ [IAEA, 1994] Bảng 1.2 Thành phần nhân phóng xạ chất thải phóng xạ hoạt độ cao Bảng 1.3 Sự phân bổ nhân phóng xạ bên synroc Bảng 1.4 Các thành phần thải SRP Bảng 1.5 Các thành phần hóa học synroc D Bảng 3.1 Các pha xuất hệ CaO-TiO2-ZrO2 Bảng 3.2 Các pha xuất từ ảnh hưởng Al2O3 BaO hệ CaO-TiO2ZrO2 Bảng 3.3 Bảng kết xác định độ co ngót mẫu hai nhiệt độ 1250 1300oC Bảng 3.4 Bảng kết đo tỉ trọng mẫu hai nhiệt độ 1250 1300oC Bảng 3.5 Bảng kết phân tích synroc sau nạp Sr Bảng 3.6 Bảng kết xác định độ co ngót synroc sau nạp Sr Bảng 3.7 Bảng kết xác định độ thấm nước synroc sau nạp strontri Bảng 3.8 Kết xác định tốc độ hòa tách mẫu Sr/synroc DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các bước quản lý chất thải phóng xạ Hình 1.2 Cấu trúc lập phương canxi titanat Hình 1.3 Cấu trúc pyrochlore florit khuyết zirconolite Hình 1.4 Cấu trúc hollandite dạng chuỗi đôi tạo kênh mở bát diện (Ti,Al)O6 định vị cation nặng Hình 1.5 Sự lưu biến bên cấu trúc đá Hình 1.6 Sự thay đổi hoạt độ chuyển hóa hạt nhân chất thải phóng xạ hoạt độ cao qua thời gian Hình 1.7 Thiết bị ép nóng đẳng tĩnh sử dụng chế tạo synroc Hình 2.1 Khuôn ép viên Hình 2.2 Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg Hình 2.3 Mô hình bố trí thực nghiệm kiểm tra độ hòa tách Hình 3.1 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M1 nhiệt độ 1250oC Hình 3.2 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M2 nhiệt độ 1250oC Hình 3.3 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M3 nhiệt độ 1250oC Hình 3.4 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M4 nhiệt độ 1250oC Hình 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M1 nhiệt độ 1300oC Hình 3.6 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M2 nhiệt độ 1300oC Hình 3.7 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M3 nhiệt độ 1300oC Hình 3.8 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu M4 nhiệt độ 1300oC Hình 3.9 Cân pha hệ CaO–TiO2–ZrO2 1450-1550oC theo Coughanour Hình 3.10 Cân pha hệ CaO – TiO2 – ZrO2 1300oC theo Figueiredo Hình 3.11 Ảnh SEM mẫu M3 1250oC (a-Độ phóng đại 20000 lần) 1300oC (b-Độ phóng đại 15000 lần) Hình 3.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fm1 nhiệt độ 1250oC Hình 3.13 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fm2 nhiệt độ 1250oC Hình 3.14 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu Fm3 nhiệt độ 1250oC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Synthesis rock Đá tổng hợp LLW Low Level Waste Chất thải phóng xạ hoạt độ thấp ILW Intermediate Level Waste Chất thải hoạt độ trung bình HLW High Level Waste Chất thải phóng xạ hoạt độ cao HIP Hot Isostatic Pressing Ép nóng đẳng tĩnh SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X EDS Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan lượng nguyên tử quốc tế PER Perovskite Perovskit ZIR Zirconolite Zirconolit Synroc HOL Hollandite Hollandit SRP Savannah River Plant Nhà máy Savannah River RE Rare earth Đất MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 10 1.1 Giới thiệu quản lý chất thải phóng xạ 11 1.1.1 Chất thải phóng xạ phân loại 11 1.1.2 Quản lý chất thải phóng xạ 13 1.1.3 Ổn định hóa chất thải phóng xạ 15 1.2 Ổn định hóa chất thải phóng xạ vật liệu synroc Error! Bookmark not defined 1.2.1 Giới thiệu vật liệu gốm ổn định hóa chất thải phóng xạ Error! Bookmark not defined 1.2.2 Các pha tinh thể ổn định hóa chất thải phóng xạ Error! Bookmark not defined 1.2.3 Vật liệu synroc Error! Bookmark not defined 1.3 Các tính chất vật liệu ổn định hóa synroc Error! Bookmark not defined 1.3.1 Tính chất vật lý vật liệu ổn định hóa synroc Error! Bookmark not defined 1.3.2 Tính chất hóa học vật liệu ổn định hóa synroc Error! Bookmark not defined 1.3.3 Tính chất phóng xạ vật liệu ổn định hóa synroc Error! Bookmark not defined 1.4 Các phương pháp tổng hợp vật liệu synroc Error! Bookmark not defined 1.4.1 Phương pháp sol-gel Error! Bookmark not defined 1.4.2 Phương pháp đồng kết tủa Error! Bookmark not defined 1.4.3 Phương pháp phân tán rắn - lỏng Error! Bookmark not defined 1.4.4 Quá trình ép nóng đẳng tĩnh (HIP) Error! Bookmark not defined 1.4.5 Phương pháp điều chế gốm truyền thống Error! Bookmark not defined 1.4.5.1 Giới thiệu trình thiêu kết vật liệu …………………………….29 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 2.1 Hóa chất dụng cụ nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.1.1 Hóa chất: Error! Bookmark not defined 2.1.2 Dụng cụ Error! Bookmark not defined 2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2.1 Đối tượng nghiên cứu Error! Bookmark not defined 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2.3 Phương pháp kỹ thuật phân tích đánh giá Error! Bookmark not defined CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED 3.1 Sự hình thành pha hệ CaO-TiO2-ZrO2 Error! Bookmark not defined 3.2 Ảnh hưởng Al2O3 BaO đến hình thành pha hollandite hệ CaO-TiO2-ZrO2 Error! Bookmark not defined 3.3 Khảo sát nạp strontri mạng synroc Error! Bookmark not defined 3.4 Đánh giá mức độ hòa tách Sr synroc Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TÀI LIỆU THAM KHẢO 19 MỞ ĐẦU Trong nhiều thập kỷ qua, nghiên cứu phát triển khoa học công nghệ hạt nhân nhiều lĩnh vực khác sản xuất điện, công nghiệp, dược học, nông nghiệp đem lại nhiều ứng dụng vào sống Tồn song song với lợi ích đem lại, trình ứng dụng lượng nguyên tử sinh lượng chất thải phóng xạ yêu cầu cần phải quản lý cách thích hợp an toàn Quản lý chất thải phóng xạ nhằm tiếp cận với chất thải phóng xạ theo tiêu chí bảo vệ sức khỏe người môi trường đồng thời giảm thiểu gánh nặng cho hệ tương lai Để quản lý chất thải phóng xạ hiệu quả, nhân phóng xạ thường ổn định chất tạo dạng bền nhằm che chắn chất phóng xạ với môi trường bên Sự áp dụng kỹ thuật ổn định hóa chất thải phóng xạ kể đến xi măng hóa bitum hóa Trong phương pháp xi măng hóa, xi măng với chất thải phóng xạ trộn đều, rót khuôn qua thời gian xi măng chất phóng xạ đóng rắn tạo khối đồng Còn với bitum hóa phương pháp có sử dụng kỹ thuật nhiệt, tác dụng nhiệt độ bitum làm nóng chảy sau trộn với chất thải phóng xạ theo tỉ lệ để nguội tạo khối Cả xi măng bitum áp dụng nhiều để cố định nhân phóng xạ Bên cạnh xi măng bitum, thủy tinh bo silicat sử dụng để đưa nhân phóng xạ dạng thủy tinh tạo sản phẩm có độ đặc để lưu giữ chôn cất Thủy tinh thể nhiều tính chất quí cho chất thải phóng xạ, nhiên yêu cầu mức đầu tư phải lớn Để phát triển kỹ thuật ổn định hóa, nhà nghiên cứu tiếp tục tìm kiếm vật liệu cố định chất phóng xạ theo hướng cân vật liệu – nhân phóng xạ - điều kiện môi trường Người ta thấy số khoáng chất tự nhiên chứa nhân phóng xạ U, Th khoáng tồn đến hàng trăm triệu năm mà không gây ô nhiễm môi trường Vật liệu đá synroc nghiên cứu tổng hợp với kết hợp số khoáng tự nhiên chứa nhân phóng xạ bên cấu trúc khoáng Synroc thể nhiều ưu điểm độ bền cơ, bền hóa cố định chất thải phóng xạ 11 Thời gian qua, việc nghiên cứu phương pháp ổn định hóa chất thải phóng xạ như: phương pháp xi măng bitum thực số đơn vị nghiên cứu, giải số vấn đề ổn định chất thải phóng xạ Tuy nhiên, mở rộng ứng dụng lượng nguyên tử cần có chuẩn bị biện pháp quản lý an toàn, bền vững với lượng chất thải phóng xạ để lại Với mục tiêu tìm loại vật liệu thích hợp để ứng dụng có nhu cầu đặt ra, lựa chọn luận văn: “Nghiên cứu ổn định hóa chất thải phóng xạ phương pháp gốm hóa tạo vật liệu dạng synroc” Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu quản lý chất thải phóng xạ 1.1.1 Chất thải phóng xạ phân loại [12] Chất thải phóng xạ vật liệu chứa bị nhiễm nhân phóng xạ nồng độ hoạt tính lớn mức xả thải miễn trừ quan pháp quy ban hành không dự tính sử dụng tiếp Chất thải phóng xạ tồn với vật liệu hóa chất độc hại vật liệu sinh học Chất thải phóng xạ hình thành trình vận hành, tháo dỡ sở hạt nhân, sản xuất, sử dụng vật liệu phóng xạ lĩnh vực nghiên cứu, y tế, công nghiệp, nông nghiệp, thương mại, khai thác, chế biến đốt cháy nguyên liệu chứa vật liệu phóng xạ tự nhiên Chất thải phóng xạ tồn nhiều dạng khác tính chất hóa học, vật lý nồng độ đời sống bán hủy nhân phóng xạ Chất thải phóng xạ tồn dạng:  Dạng khí, sinh từ sở sử dụng vật liệu phóng xạ, nhà máy điện hạt nhân  Dạng lỏng, từ dung dịch nhấp nháy sở nghiên cứu, sản xuất đồng vị chất thải lỏng hoạt độ cao từ trình tái chế nhiên liệu cháy 12  Dạng rắn, từ vật dụng nhiễm xạ bệnh viện, sở nghiên cứu, phòng thí nghiệm dược chất phóng xạ chất thải tái chế thủy tinh hóa nhiên liệu cháy từ nhà máy điện hạt nhân coi chất thải Chất thải phóng xạ phân loại theo nhiều cách khác như: theo nguồn gốc (từ nhà máy điện hạt nhân, chế biến quặng phóng xạ, chu trình nhiên liệu ), theo trạng thái vật lý (rắn, lỏng, khí) theo chu kỳ bán hủy Cách phân loại phổ biến sử dụng phân làm ba nhóm theo hoạt độ phóng xạ: chất thải hoạt độ thấp, trung bình cao [IAEA 1970] Đây cách phân loại có tính chất thực tế hoạt động có liên quan đến chất thải phóng xạ Thông thường có phân loại dựa kết hợp hoạt độ trạng thái vật lý sử dụng, ví dụ chất thải lỏng hoạt độ trung bình (ILLW), chất thải rắn hoạt độ thấp (LLSW) chất thải lỏng hoạt độ cao (HLLW) Cho đến năm 1994, IAEA đưa hệ thống phân loại trọng tâm vào tiêu chí chôn cất chất thải sau xem xét chỉnh lý hệ thống phân loại cũ Trong cách phân loại chất thải hoạt độ thấp trung bình kết hợp vào nhóm, nhóm tiếp tục chia thành hai nhóm nhỏ: chất thải đời sống ngắn chất thải đời sống dài Khoảng thời gian để chia hai nhóm ngắn dài 30 năm Bảng 1.1 đưa tính chất điển hình nhóm chất thải theo hệ thống phân loại Bảng 1.1 Các tính chất điển hình nhóm chất thải phóng xạ [IAEA, 1994] Nhóm chất thải Các tính chất điển hình Phương án chôn cất Chất thải miễn Các mức hoạt độ nhỏ mức Không trừ dựa suất liều hàng năm công khuyến cáo chúng < 0,01 mSv Chất thải hoạt Các mức hoạt độ lớn mức độ thấp trung công suất nhiệt < kWm-3 13 bình 2.1 Chất thải đời Giới hạn nồng độ hoạt độ nhân đời sống sống ngắn dài (các nhân rã alpha đời sống dài có nồng độ hoạt độ trung bình giới hạn mức 400Bq.g1 /1 cấu kiện chất thải nồng độ hoạt độ nhân rã anpha đến 4000Bq.g-1/ cấu kiện chất thải riêng lẻ Chôn cất nông chôn cất địa chất Nồng độ hoạt độ nhân phóng xạ đời sống dài vượt giới hạn chất thải đời 2.2 Chất thải sống ngắn đời sống dài Chôn cất địa chất Chất thải hoạt Công suất nhiệt > kWm-3 nồng độ hoạt Chôn cất địa độ cao độ nhân phóng xạ đời sống dài vượt qua giới chất hạn chất thải đời sống ngắn 1.1.2 Quản lý chất thải phóng xạ [13] Quản lý chất thải phóng xạ hiệu cần thiết phải có chiến lược phương pháp cụ thể với tham gia bên có trách nhiệm quản lý chất thải phóng xạ Quản lý chất thải phóng xạ định nghĩa toàn hoạt động vận hành quản lý hành phục vụ việc xử lý sơ bộ, xử lý, ổn định hóa, vận chuyển, lưu giữ, chôn cất chất thải Việc quản lý chất thải phóng xạ gồm có số bước từ phát sinh chất thải chôn cất sau (hình 1.1): 14 Hình 1.1 Các bước quản lý chất thải phóng xạ Trước hết, chất thải cần xác định tính chất đặc trưng vật lý, hóa học tính phóng xạ Việc xác định tính chất đặc trưng thải nhằm phân loại chất thải phóng xạ dạng miễn trừ, tái sử dụng để áp dụng biện pháp chôn cất, đóng gói chất thải đáp ứng yêu cầu bảo quản chôn cất Việc vận chuyển chất thải xảy bước quản lý chất thải Lưu giữ chất thải phóng xạ bao gồm trì chất thải phóng xạ như: tách biệt, bảo vệ môi trường, kiểm soát số hành động như: xử lý, ổn định hóa chôn cất Trong số trường hợp, lưu giữ chủ yếu mặt kỹ thuật bảo quản chất thải chứa nhân phóng xạ đời sống ngắn để phân rã thải môi trường giới hạn cho phép, bảo quản chất thải hoạt độ cao với lưu tâm nhiệt trước chôn cất Xử lý sơ chất thải bước đầu quản lý chất thải Quá trình xử lý sơ bao gồm việc thu gom, phân loại, điều chỉnh hóa học tẩy xạ bao gồm việc lưu giữ tạm thời Đây khâu quan trọng cách tốt để phân loại chất thải thực bước tiếp theo, ví dụ tái sử dụng chôn cất chất thải chất thải phóng xạ thông thường Xử lý chất thải sơ đưa phương án chôn cất nông chôn cất sâu Bước xử lý chất thải phóng xạ bao gồm trình làm tăng tính an toàn cách làm thay đổi tính chất chất thải phóng xạ Khái niệm xử lý 15 làm giảm thể tích, tách nhân phóng xạ thay đổi thành phần Ví dụ trình: đốt chất thải nén ép chất thải rắn khô (giảm thể tích); bay hơi, lọc trao đổi ion thải lỏng (tách nhân phóng xạ); kết tủa keo tụ hóa học (thay đổi thành phần) Thông thường trình sử dụng kết hợp để làm tăng tính hiệu việc xử lý chất thải lỏng số chất thải thứ cấp sinh (vật liệu lọc, nhựa trao đổi ion, bùn thải) Ổn định hóa chất thải phóng xạ hoạt động nhằm tạo cấu kiện chất thải thích hợp cho việc tiếp xúc, vận chuyển, lưu giữ chôn cất Sự ổn định hóa bao gồm việc cố định chất thải, chứa thải container chuyển thể rắn Các phương pháp ổn định hóa phổ biến bao gồm hóa rắn chất thải phóng xạ hoạt độ thấp trung bình xi măng bitum thủy tinh hóa chất thải phóng xạ hoạt độ cao thủy tinh Chất thải sau ổn định hóa chứa thùng thép thích hợp có độ dày tùy thuộc vào đặc trưng chất thải phóng xạ Trong nhiều trường hợp bước xử lý ổn định hóa có liên hệ chặt chẽ với Chôn cất bước cuối hoạt động quản lý chất thải phóng xạ Cơ sở chôn thải thiết kế đảm bảo an toàn việc bố trí chất thải bên Các chất thải ổn định hóa dạng thích hợp đặt tách biệt với môi trường sở chôn cất lớp che chắn xung quanh nhằm ngăn chặn rò rỉ nhân phóng xạ Lớp che chắn tự nhiên kỹ thuật hệ tách biệt có nhiều lớp che chắn Một hệ thống nhiều lớp che chắn có tính an toàn cao đảm bảo cho rò rỉ nhân phóng xạ môi trường giới hạn thấp chấp nhận 1.1.3 Ổn định hóa chất thải phóng xạ [3] Ổn định hóa chất thải phóng xạ khâu quan trọng quản lý chất thải trước đem thải lưu giữ, chôn cất Đối với loại thải khac người ta sử dụng kỹ thuật ổn định hóa khác Nhưng cách tổng quát kỹ thuật ổn định hóa chất thải nhằm mục đích cố định chất thải vật liệu hữu vô có xảy liên kết hóa học vật lý nhằm giảm thiểu tối đa phát tán nhân phóng xạ môi trường Theo định nghĩa IAEA ổn 16 định hóa chuyển dạng chất phóng xạ thành dạng bền phương pháp hóa rắn đóng gói Sau vật liệu chứa thải sau ổn định hóa đem lưu giữ chôn cất nhân phóng xạ phân rã đến giới hạn chấp nhận Các kỹ thuật ổn định hóa triển khai nhiều nước có ứng dụng công nghệ hạt nhân Đối với thải hoạt độ thấp trung bình nhắc đến kỹ thuật điển xi măng hóa, bitum hóa, chất thải trộn với xi măng, bitum với tỷ lệ thích hợp sau đóng rắn thành khối đem lưu giữ, cố định thải gắn kết vật lý thải lớp vật liệu sử dụng, số trình hóa học xảy sử dụng xi măng (quá trình xi măng hóa) Sự ổn định hóa chất thải có hoạt độ cao thực kết hợp hóa học nhân phóng xạ cấu trúc có thích hợp (điển hình thủy tinh gốm) tạo liên kết hóa học bền chặt để ngăn cản tối đa phát tán chất phóng xạ Một số yêu cầu vật liệu sử dụng để ổn định hóa chất thải phóng xạ sau: - Tải lượng chất thải cao: vật liệu phải có khả chứa lượng đáng kể chất thải (thường 20-35 %) để giảm thiểu khối lượng chất thải phóng xạ sau ổn định hóa, tiết kiệm không gian kho lưu giữ chôn cất - Tiến hành dễ dàng: trình ổn định hóa thực điều kiện không nghiêm ngặt nhiệt độ khí quyển, tạo môi trường làm việc linh hoạt, dễ thao tác, giảm thiểu liều lao động vốn chi phí đầu tư - Độ bền xạ lớn: chất thải ổn định hóa phải có khả chịu tác động xạ từ phân rã chất phóng xạ bên nhằm giảm thiểu chuyển pha (có thể gây ảnh hưởng đến độ bền chất thải ổn định hóa) phồng nở gây vết nứt - Độ linh hoạt hóa học: chất cần có khả chứa hỗn hợp nhân phóng xạ số chất gây ô nhiễm khác cạnh tranh đến hiệu suất ổn định hóa chất phóng xạ 17 - Độ bền môi trường: chất phải có khả chống chịu xâm thực môi trường điều kiện chôn cất thực tế để giảm phát tán chất phóng xạ môi trường 1.1.3.1 Phương pháp xi măng hóa [6] Xi măng ứng dụng để ổn định chất thải phóng xạ có hoạt độ thấp trung bình Cơ chế ổn định hóa là: tương tác hóa học sản phẩm hydrat hóa xi măng nhân phóng xạ, hấp phụ vật lý chất ô nhiễm bề mặt sản phẩm hydrat hóa, tính cách ly nhân phóng xạ khối xi măng hóa rắn với môi trường bên Có nhiều loại xi măng sử dụng để cố định chất thải như: xi măng Portland, xi măng Portland – natri silicat Việc lựa chọn loại xi măng cho việc cố định hóa chất thải xem xét dựa đặc tính chất thải như: khả tương thích xi măng với chất thải, độ ổn định hóa học nhân phóng xạ, tính cách ly vật lý dạng thải môi trường, độ bền dạng thải, hình thức chất thải hóa rắn chi phí - hiệu việc ổn định hóa Trong thực tế, chất phụ gia thường sử dụng để tăng tính đóng rắn chất thải phóng xạ sử dụng xi măng 1.1.3.2 Phương pháp bitum hóa [11] Bitum hợp chất polymer hữu cao phân tử, thường dùng làm nhựa trải đường bitum có số đặc tính hấp dẫn để cố định chất thải nguy hại, chất thải phóng xạ tính thấm nước, khả chống axit, kiềm, muối, độ nhớt thấp Phương pháp bitum hóa phương pháp có sử dụng nhiệt, có ưu điểm làm bay nước loại thải dạng bùn Chất thải sau làm bay nước để lại hạt rắn gắn kết khối bitum tạo sản phẩm cuối có độ đồng cao rót vào thùng chứa thép Thành phần tính chất vật lý sản phẩm thay đổi đáng kể theo mẻ sản xuất người ta thường sử dụng bitum để đóng gói chất thải có mật độ 1,01 g/cm3 nhiệt độ môi trường xung quanh, có điểm mềm 90°C, độ chớp cháy > 290°C Bitum sử dụng thực tế từ năm 1993 với 12 nhà máy vào hoạt động để cố định 18 chất thải phóng xạ hoạt độ thấp trung bình bao gồm bùn, tro lò đốt chất thải phóng xạ dung môi Tuy nhiên, phương pháp có sử dụng nhiệt bitum cháy nên cần có quy định an toàn cháy nổ trình vận hành 1.1.3.3 Phương pháp thủy tinh hóa [24] Thủy tinh vật liệu sử dụng để ổn định hóa chất thải hoạt độ cao công nghệ nấu thủy tinh Dạng thủy tinh phổ biến sử dụng bo silicat phốt phát Ưu điểm phương pháp thể tích dạng thải thủy tinh không lớn, kết hợp với nhiều loại nhân phóng xạ điều kiện nhiệt độ nóng chảy thấp (1050 đến 1150oC) có độ bền lớn Thủy tinh hóa công nghệ thương mại hóa vòng 40 năm qua số nước Pháp, Đức, Nhật Bản Mỹ Tổng sản phẩm tất nhà máy thủy tinh hóa tính đến cuối năm 2000 vào khoảng 10.000 thủy tinh phóng xạ chứa khoảng 20.000 thùng chứa Hiện nay, thủy tinh hóa ứng dụng mở rộng để cố định hóa chất thải có hoạt độ thấp trung bình (LILW) phát sinh từ trình vận hành tháo dỡ nhà máy điện hạt nhân Trong thực tế, dạng thải thủy tinh hóa không hoàn toàn dạng thủy tinh thể đồng chứa lượng nhỏ bọt, số chất không thủy tinh oxit vật liệu chịu lửa thành phần khác không hòa tan, dạng thải thủy tinh hóa coi tập hợp pha tinh thể pha thủy tinh, nhiên cấu trúc chủ yếu dạng thủy tinh hóa dạng vô định hình Thủy tinh hóa trình nấu nóng chảy chất thải phóng xạ với chất kết dính dạng thủy tinh để thu sản phẩm dạng thủy tinh nhân phóng xạ cố định liên kết hóa học vật lý Động học trình hình thành thủy tinh yêu cầu phải trì tốc độ làm lạnh đủ lớn để tránh kết tinh nhiệt độ cuối trình làm lạnh thấp nhiệt chuyển trạng thái thủy tinh Tg vật liệu Tuy nhiên, số vật liệu hình thành thủy tinh không thiết phải trì tốc độ làm lạnh nhanh vậy, ví dụ số oxit, chalogen muối Người 19 ta thường sử dụng loại thủy tinh phổ biến thủy tinh bo silicat, thủy tinh silicat hòa tan dải rộng nhân phóng xạ chất thải dễ dàng thay đổi điều kiện trình để tối ưu đặc tính thủy tinh, boric oxit sử dụng để biến tính silica, hạ thấp nhiệt độ trình trì độ ổn định tốt Công nghệ thủy tinh hóa có mức độ giảm thể tích lớn an toàn nhiên trình phức tạp tốn đòi hỏi vốn đầu tư tương đối cao tồn số hạn chế Ví dụ thủy tinh hóa không thích hợp với số thải chứa oxit chịu lửa (spinel, R2O3) chất thải phóng xạ chứa chất dễ bay (I, Cl), gây ăn mòn vật liệu chịu lửa tạo thành tinh thể ngưng tụ đáy nồi nấu trình thủy tinh hóa TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, NXB ĐHQG Hà Nội Nguyễn Đăng Hùng (2006), Công nghệ sản xuất vật liệu chịu lửa, NXB Bách khoa, Hà Nội Đỗ Quý Sơn (2006), Bài giảng chuyên đề: Nhiên liệu chất thải nhà máy điện hạt nhân, Viện Công nghệ xạ hiếm, Hà Nội Phan Văn Tường (2007), Các phương pháp tổng hợp vật liệu gốm, NXB Đại học quốc gia Hà Nội Phạm Xuân Yên, Huỳnh Đức Minh, Nguyễn Thu Thủy (1995), Kỹ thuật sản xuất gốm sứ, NXB Khoa học kỹ thuật 20 Tiếng Anh Batchelor B (2006), “Overview of waste stabilization with cement”, Waste Management, 26, pp 689–698 Coughanour L W, Roth R S, Marzullo S and Sennett F E, Res J (1955), Nat, Bur Stand, 54, pp 191 -199 Donald I.W, Metcalfe B.L, Taylor R.N.J (1997) “The immobilization of high level radioactive wastes using ceramics and glasses”, Journal of materials science, 32, pp 5851–5887 Donchev I, Dipchikov F, Petrov O, Zidarov N, Tarsov M (2002), “Synthesis of artifical rocks (synrock type)”, GEOLOGIE 10 Hart K P, Vance E R, Day R A, Begg B D, and Angel P J, “Immobilization of Separated Tc and Cs/Sr in Synroc”, Scien Basis for Nuclear Waste Management, XIX 11 IAEA Technical Reports, Bituminization Processes to Condition Radioactive Wastes, Series 352 12 IAEA Safety Standards, Classification of Radioactive Waste – General Safety Guide, No GSG – 13 IAEA Nuclear Energy Series, Policies and Strategies for Radioactive Waste Management, No NW-G-1.1 14 Lee W E, Ojovan M I, Stennett M C, Hyatt N C (2006), “Immobilisation of radioactive waste in glasses, glass composite materials and ceramics”, Advances in Applied Ceramics, Vol 105, No 15 Markus Winterer, Hand Book of Nanocrystalline Ceramics, synthesis and structure, Springer Sieries in Material Science 16 McHale J M, Coppa N V, “Instantaneous Formation of Synroc-B Phases at Ambient Pressure”, Scientific Basis for Nuclear Waste Management, XIX, eds 21 17 Munz D, Fett T, Hand book of Ceramics, Mechanical Properties, Failure Behaviour, Materials selection 18 Pena M A and Fieno J I.G (2001), “ Chemical structure and performance of perovskite oxides”, Chemical Reviews, Vol.101, No.7 19 Potdara H.S, Vijayanand S, Khaja Mohaideen K, Patil K.R, Joya P.A, Raja Madhavan R, Kutty K.V.G, Ambashta R.D, Wattal P.K (2010), “A simple chemical co-precipitation/calcination route for the synthesis of simulated synroc-B and synroc-C powders”, DOI: 10.1016/j.matchemphys, 2010.05.039 20 Ryerson F.J, Durham W B, Hoenig C.L, Tewhey J D, “The application of synroc to high level U.S defense wastes”, Lawrence Livermore Laboratory 21 Ringwood A E, Kesson S E, Reeve K D, Levins D M and Ramm E J (1988), “Radioactive Waste Forms for the Future”, edited by Lutze W and Ewing R.C, Science Publishers, New York, pp 233-334 22 Rossell H J (1992), Solid State Chem, 99, pp 38-51 23 Ruizhu Zhang et al (2010), “ Immobilization of radioactive wastes into CaTiO3 Synroc by the SHS Method”, Advanced Materials Research, Vol 152-153, pp 315-319 24 Sobolev I A, Dmitriev S A, Lifanov F A, Kobelev A P, Stefanovsky S V and Ojovan M I (2005), “Glass Technol”, Vol 46, pp 28-35 25 Vance E R (2002), “Synroc Ceramics for Nuclear Waste Immobilization”, Journal of Australasian Ceramic Society, Vol 38, No 1, pp 48-52 22 [...]... chất thải phóng xạ sẽ để lại đó Với mục tiêu tìm ra được một loại vật liệu thích hợp và để có thể ứng dụng được ngay khi có các nhu cầu đặt ra, chúng tôi lựa chọn luận văn: Nghiên cứu ổn định hóa chất thải phóng xạ bằng phương pháp gốm hóa tạo vật liệu dạng synroc Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về quản lý chất thải phóng xạ 1.1.1 Chất thải phóng xạ và phân loại [12] Chất thải phóng xạ là vật liệu. .. nguyên liệu chứa vật liệu phóng xạ tự nhiên Chất thải phóng xạ có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau về tính chất hóa học, vật lý như nồng độ và đời sống bán hủy của nhân phóng xạ Chất thải phóng xạ có thể tồn tại dưới dạng:  Dạng khí, sinh ra từ các cơ sở sử dụng vật liệu phóng xạ, nhà máy điện hạt nhân  Dạng lỏng, từ các dung dịch nhấp nháy ở các cơ sở nghiên cứu, sản xuất đồng vị cho đến chất thải. .. với chất thải phóng xạ theo tiêu chí bảo vệ sức khỏe con người và môi trường đồng thời giảm thiểu gánh nặng cho thế hệ tương lai Để quản lý chất thải phóng xạ hiệu quả, các nhân phóng xạ thường được ổn định trong các chất nền tạo một dạng bền nhằm che chắn chất phóng xạ với môi trường bên ngoài Sự áp dụng kỹ thuật ổn định hóa đối với chất thải phóng xạ có thể kể đến xi măng hóa và bitum hóa Trong phương. .. về độ bền cơ, bền hóa trong cố định chất thải phóng xạ 11 Thời gian qua, việc nghiên cứu đối với các phương pháp ổn định hóa chất thải phóng xạ như: phương pháp xi măng và bitum đã được thực hiện ở một số đơn vị nghiên cứu, đã giải quyết được một số vấn đề về ổn định chất thải phóng xạ Tuy nhiên, sự mở rộng về ứng dụng năng lượng nguyên tử hiện nay cần có sự chuẩn bị về các biện pháp quản lý an toàn,... hợp (điển hình là thủy tinh và gốm) tạo liên kết hóa học bền chặt để ngăn cản tối đa sự phát tán của các chất phóng xạ Một số yêu cầu đối với vật liệu sử dụng để ổn định hóa chất thải phóng xạ như sau: - Tải lượng chất thải cao: vật liệu nền phải có khả năng chứa một lượng đáng kể các chất thải (thường 20-35 %) để giảm thiểu khối lượng chất thải phóng xạ sau ổn định hóa, tiết kiệm không gian kho lưu... vận chuyển, lưu giữ hoặc chôn cất Sự ổn định hóa có thể bao gồm việc cố định chất thải, chứa thải trong các container và chuyển về thể rắn Các phương pháp ổn định hóa phổ biến bao gồm hóa rắn các chất thải phóng xạ hoạt độ thấp và trung bình trong xi măng hoặc bitum và thủy tinh hóa chất thải phóng xạ hoạt độ cao trên nền thủy tinh Chất thải sau khi được ổn định hóa được chứa trong các thùng thép thích... loại thải khac nhau người ta sử dụng kỹ thuật ổn định hóa khác nhau Nhưng một cách tổng quát thì các kỹ thuật ổn định hóa chất thải đều nhằm một mục đích là cố định chất thải trong một vật liệu nền hữu cơ hoặc vô cơ ở đó có xảy ra liên kết hóa học hoặc vật lý nhằm giảm thiểu tối đa sự phát tán các nhân phóng xạ ra ngoài môi trường Theo định nghĩa của IAEA thì ổn 16 định hóa là sự chuyển dạng các chất phóng. .. hết, chất thải cần được xác định các tính chất đặc trưng về vật lý, hóa học và tính phóng xạ Việc xác định các tính chất đặc trưng của thải nhằm phân loại chất thải phóng xạ về các dạng miễn trừ, tái sử dụng hoặc để áp dụng các biện pháp chôn cất, đóng gói chất thải đáp ứng các yêu cầu về bảo quản và chôn cất Việc vận chuyển chất thải có thể xảy ra trong các bước quản lý chất thải Lưu giữ chất thải phóng. .. định chất thải như: xi măng Portland, xi măng Portland – natri silicat Việc lựa chọn các loại xi măng cho việc cố định hóa chất thải được xem xét dựa trên các đặc tính của chất thải như: khả năng tương thích của xi măng với chất thải, độ ổn định hóa học của nhân phóng xạ, tính cách ly vật lý giữa dạng thải và môi trường, độ bền dạng thải, hình thức chất thải hóa rắn và chi phí - hiệu quả của việc ổn. .. quản lý chất thải phóng xạ Quản lý chất thải phóng xạ được định nghĩa là toàn bộ các hoạt động vận hành và quản lý hành chính phục vụ việc xử lý sơ bộ, xử lý, ổn định hóa, vận chuyển, lưu giữ, chôn cất chất thải Việc quản lý chất thải phóng xạ gồm có một số bước cơ bản từ khi phát sinh chất thải cho đến khi chôn cất như sau (hình 1.1): 14 Hình 1.1 Các bước cơ bản trong quản lý chất thải phóng xạ Trước