Технологический процесс утилизации стекольного боя и других промышленных отходов
Дипломная работа - Разное
Другие дипломы по предмету Разное
µмя как для аморфных веществ в расплавленном состоянии она приблизительно равна 2,5.
Аморфные вещества при температурах выше Тg расплавлены и ведут себя как жидкости. Поэтому выше температуры стеклования в аморфном материале любая трещина, даже где-то возникнув, перемещается по слабым путям, т.е. разорванным межатомным связям, но поскольку пространство этих связей фрактально, то она быстро затухает, меняя направление и теряясь в необычной структуре фрактального типа. В стеклообразном состоянии вещества, хотя и топологически разупорядочены (как и жидкости), имеют трехмерную структуру связей, точно такую же, как кристаллы. Трещине, разрушающей материал, негде теряться - и она пронизывает материал от границы до границы. В стеклообразном состоянии вещества вместо пластичности приобретают хрупкость. Но все же, стекло ведет себя не точно так же, а почти как кристалл, потому что кристалл анизотропен и разрушается в преимущественных направлениях, а вот стекло изотропно, и трещины распространяются в нем под любым углом.
Очень важно, что вязкость, параметр, характеризующий текучесть материала, у аморфных веществ непрерывно увеличивается при уменьшении температуры, нигде не показывая никаких скачков, включая температуру стеклования Тg. Непрерывность изменения вязкости с температурой используется для формования изделий из стекла. Более того, это свойство используется и для формования кристаллических веществ, которые часто получают из расплава или путем направленной кристаллизации предварительно формованных стеклянных преформ. Стекло в принципе тоже течет, только вязкость его настолько высокая (выше 1012 Па с), что в обычных условиях это течение не наблюдается. Элементарный расчет показывает, что при комнатных температурах характерное время течения стекол намного превышает время жизни вселеной (1,5 1010 лет). Заключим поэтому этот раздел определением стекла, который дает академик М.М Шульц: Стекло - это аморфное вещество, обладающее механическими свойствами твердого тела.
Век XX нашел стеклам совершенно иное применение - изолировать от окружающей среды ядерные отходы. Чем же стекла так привлекательны для иммобилизации радиоактивных отходов? Своей стойкостью к коррозии в водных средах, прочностью, малой восприимчивостью к действию радиации и, конечно же, универсальностью к составам отходов, а значит малой чувствительностью к изменениям химического состава иммобилизуемых материалов. Если для кристаллических веществ соблюдение стехиометрии и ограничений на размеры замещаемых ионов в решетке синтезируемого вещества - головная боль, а малейшая вариация в составе приводит к синтезу нежелательных побочных материалов, то стекло прекрасно удерживает в своем составе почти все элементы таблицы Менделеева. В таблице 1 приведена приблизительная растворимость различных элементов в структуре силикатных стекол.
Таблица 1. Пределы растворения элементов в расплавах силикатных стекол
На самом деле стекла могут иммобилизовать и элементы с малой растворимостью (такие как Ag, Au, Br, Hg, I, N, Pd, Pt, Rh, Ru), вмещая их в виде дисперсной фазы, малых кристаллических или аморфных частичек, окруженных стекломатрицей.
Кроме сказанного выше, остекловывание ядерных отходов уменьшает, причем в несколько раз, их объем, следовательно, экономит дорогостоящее место в хранилищах. Стоимость захоронения очень высока: даже в его самом простом, так называемом приповерхностном варианте, применяемом только для низко- и среднеактивных короткоживущих ядерных отходов. Например, во Франции в приповерхностном хранилище Де-Ля Об стоимость хранения одного кубометра отходов составляет 2200 евро.
Для иммобилизации ядерных отходов в основном применяются два вида стекол - боросиликатные и фосфатные (таблица 2). Их точный состав в различных странах варьируется и определяется главным образом различием в составе отходов. Например, британцы, использующие реакторы на малообогащенном уране в оболочках из малоокисляющегося магниевого сплава Маgnox, в отходах получают большое содержание окиси магния.
Таблица 2. Составы стекол с ядерными отходами
Получаемые стекла с ядерными отходами, как боросиликатные, так и фосфатные - исключительно стойки. В таблице 3 показаны основные параметры боросиликатных и фосфатных стекол, иммобилизующих ядерные отходы. Один их наиболее важных параметров, характеризующих надежность иммобилизации радионуклидов из отходов - нормализованная скорость выщелачивания, NR. Измеряется NR в единицах веса (г) с единицы площади стекла (см2) в единицу времени (сутки) - г/см2 сутки. NR для стекол с отходами весьма мала. Реальная скорость выщелачивания на самом деле значительно меньше, поскольку определяется нормализованной скоростью умноженной на относительную концентрацию радионуклидов в стекле, которая значительно (на порядки величины) меньше единицы. На измерение NR существуют международные стандарты, среди которых наиболее часто применяется стандарт МАГАТЭ ISO6961.
Таблица 3. Свойства стекол с ядерными отходами
При варке стекла с ядерными отходами стеклообразующие добавки перемешивают с радиоактивными отходами. В результате варки получается конечный продукт, в основном в виде стеклянной матрицы с некоторым количеством включений нерастворившихся тугоплавких соединений или иных малорастворимых компонентов, микроликвационных выделений, а также и газовых пузырьков (рис. 3). Радиоактивное стекло - это не оптичес