СПОСОБ УЛАВЛИВАНИЯ РАДИОАЭРОЗОЛЕЙ И ПАРОГАЗОВОЙ ФАЗЫ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/02 

Изобретение относится к области атомной энергетики и предназначено для предотвращения выброса легколетучих продуктов деления ядерного горючего в окружающую среду при тяжелых авариях на ядерных реакторах АЭС, а также при переработке ядерного горючего и радиоактивных отходов.

При тяжелых авариях на ядерных реакторах, сопровождающихся плавлением ядерного горючего, и при переработке ядерного горючего и радиоактивных отходов образуется газовая фаза, содержащая как истинные, так и псевдоаэрозоли. При этом наибольшую экологическую опасность представляют аэрозоли радиоактивного цезия, имеющие различный дисперсный и химический состав.

Для отделения из парогазовой фазы продуктов деления, находящихся в виде аэрозолей, используют различные фильтрационные системы: сухие волокнистые фильтры [1] смоченные волокнистые фильтры [2] бумажные фильтры [3] зернистые фильтры (песок, гравий), фильтры из металлических сеток и стружек [4] электрофильтры [5] импинджеры [5] инерционные осадители (импактор, циклон), электростатические преципитаторы [4] Общим недостатком фильтрационных систем является то, что они не обеспечивают улавливание из парогазовой фазы мелкодисперсных частиц (менее 0,3 мкм).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ улавливания радионуклидов из газовой фазы, включающий формирование в газовой фазе нерадиоактивной дисперсной фазы путем введения газообразных аммиака и галогеноводорода [7] В результате реакции между аммиаком и галогеноводородом в парогазовой фазе в первый момент времени образуется аэрозоль галогенида аммония, агрегирующий затем во времени. В процессе образования дисперсной фазы галогенида аммония на ней происходит сорбция радиоаэрозолей цезия. Образующуюся дисперсную фазу галогенида аммония отделяют от парогазовой фазы одним из известных способов. Факторы очистки газовой фазы от радиоактивного цезия составляют величину 100 200.

Недостатком приведенного известного способа является, прежде всего, недостаточно высокая эффективность очистки парогазовой фазы от радиоцезия. Кроме того, поскольку улавливание аэрозолей происходит за счет процесса сокристаллизации, то наилучший эффект достигается при улавливании веществ, изоморфных с хлористым или бромистым аммонием (Cs, CaOH).

Целью данного изобретения является повышение эффективности очистки парогазовой фазы от радиоаэрозолей цезия.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе улавливания радиоаэрозолей из парогазовой фазы формирование нерадиоактивной дисперсной фазы осуществляют при взаимодействии газообразного аммиака и органической кислоты в парообразном состоянии при мольном соотношении от 1,2 1,0 до 3,0 1,0 в присутствии радиоаэрозолей цезия при объемном отношении реагентов и парогазовой фазы от 1 20 до 1 130 с последующим отделением дисперсной фазы известными способами. В качестве органической кислоты используют, например, муравьиную или уксусную кислоты. При этом необходимо отметить, что использование органической кислоты значительно снижает коррозионную активность среды.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в начальный момент взаимодействия аммиака и органической кислоты, находящихся в парообразном состоянии, создается пересыщение в каждой точке объема, что стимулирует образование нано- и микрокристаллов данной соли. Затем происходит укрупнение образовавшихся кристаллов в агрегаты с размерами более 0,3 мкм. В процессе укрупнения нано- и микрокристаллов аммонийной соли органической кислоты одновременно происходит процесс захвата радиоаэрозолей цезия образующимися агрегатами. В результате происходит дальнейшая агломерация, причем неожиданным результатом является то, что в процессе образования дисперсной фазы принимают участие и частицы, неизоструктурные с солью аммония. Именно это явление позволяет эффективно улавливать частицы радиоаэрозолей, в том числе и тонкодисперсные частицы размерами менее 0,3 мкм.

Примеры выполнения способа.

Пример 1. (по прототипу)
В камеру объемом 1,5 л, содержащую паровоздушную смесь, вводят 0,1 мг CsI, меченного радионуклидом ¹³⁷Cs, путем его испарения с лодочки из нержавеющей стали при температуре 1200^oC. При этом происходит образование радиоаэрозолей цезия. В полученную таким образом парогазовую фазу вводят 1,13 мМ аммиака путем упаривания его водного раствора из кварцевого сосуда, расположенного в реакционной камере. Затем в систему вводят хлористый водород путем упаривания раствора соляной кислоты из кварцевого сосуда, расположенного в реакционной камере, в соотношении NH₃ HCl 3 1. При этом объемное отношение смеси вводимых реагентов к парогазовой фазе составляет 1 50. В результате взаимодействия газо- и парообразных продуктов образуется дисперсная фаза, содержащая хлорид аммония в количестве примерно 20 мг, которая захватывает радиоаэрозоли цезия. Дисперсную фазу отделяют от газовой фазы путем откачивания содержимого камеры с помощью форвакуумного насоса через барботеры с раствором Na₂S₂O₃ и фильтры Петрянова, с оранжевой полосой, и бумажный, с белой полосой. По содержанию цезия во всей системе и на фильтрах определяют фактор очистки, который составляет 50±10.

Пример 2.

Эксперимент осуществляют так же, как и в примере 1, с той разницей, что в паровоздушную смесь вместо хлористого водорода вводят 0,3 мМ муравьиной кислоты путем упаривания последней из кварцевого сосуда, расположенного в реакционной камере, при отношении NH₃ HCOOH 3 1. Объемное отношение смеси вводимых аммиака и муравьиной кислоты к парогазовой фазе составляет 1 56, причем количество формиата аммония составляет 18 мг. Образовавшуюся дисперсную фазу, содержащую формиат аммония с захваченными радиоаэрозолями цезия, отделяют от газовой фазы тем же путем, что и в примере 1, и определяют фактор очистки от цезия, который составляет 450±75. Таким образом, эффективность очистки парогазовой фазы от радиоцезия возрастает более, чем в 9 раз по сравнению с прототипом.

Пример 3.

Эксперимент осуществляют таке, как и в примере 1, с той разницей, что в паровоздушную смесь вместо хлористого водорода вводят примерно 0,3 мМ уксусной кислоты путем упаривания последней из кварцевого сосуда, расположенного в реакционной камере, при отношении NH₃ CH₃COOH 3 1. Объемное отношение смеси вводимых аммиака и уксусной кислоты к парогазовой фазе составляет 1 60, при этом количество ацетата аммония в системе составляет примерно 23 мг. Образовавшуюся дисперсную фазу, содержащую ацетат аммония с захваченными радиоаэрозолями цезия, отделяют от газовой фазы тем же путем, что и в примере 1, и определяют фактор очистки парогазовой фазы от радиоцезия возрастает более, чем в 15 раз по сравнению с прототипом.

Пример 4.

Эксперимент осуществляют так же, как и в примере 2, с той разницей, что в опыт вводят 1,12 мМ муравьиной кислоты при отношении NH₃ HCOOH 2 1 и объемное отношение смеси вводимых аммиака и муравьиной кислоты к парогазовой фазе составляет 1 20, при этом количество формиата аммония составляет примерно 70 мг. Образовавшуюся дисперсную фазу, содержащую формиат аммония с захваченными радиоаэрозолями цезия, отделяют от газовой фазы тем же путем, что и в примере 1, и определяют фактор очистки от цезия, который составляет 2000±400. Таким образом, эффективность очистки парогазовой фазы от радиоцезия возрастает более, чем в 40 раз по сравнению с прототипом.

Пример 5.

В камеру объемом 20 л, содержащую парогазовую смесь с 3,7 мМ аммиака, вводят 1,0 мг CsI, меченного радионуклидом ¹³⁷Cs, путем его испарения с микролодочки из нержавеющей стали, нагретой до 1200^oC. Затем вводят 3,2 мМ муравьиной кислоты путем упаривания из кварцевого сосуда, расположенного в реакционной камере, при этом отношение NH₃ HCOOH составляет 1,2 1,0. Объемное отношение вводимой смеси реагентов к парогазовой фазе составляет 1 130. В результате взаимодействия аммиака и муравьиной кислоты образуется дисперсная фаза, содержащая около 200 мг формиата аммония с сорбированными на ней радиоаэрозолями цезия. Дисперсную фазу отделяют от газовой фазы так же, как и в примере 1, с той разницей, что в барботерах вместо растворов Na₂S₂O₃ используют воду. По содержанию цезия во всей системе и на фильтрах определяют фактор очистки, который составляет величину более 2•10³. В аналогичных условиях фактор очистки для прототипа составляет 870±30. Таким образом, эффективность очистки от цезия возрастает более, чем в 2 раза.

Пример 6.

Эксперимент осуществляют так же, как и в примере 5, с той разницей, что в паровоздушную смесь вместо муравьиной кислоты вводят уксусную кислоту в количестве 3,2 мМ путем упаривания последней из кварцевого сосуда, расположенного в реакционной камере. При этом соотношение NH₃ CH₃COOH 1,2 1, а объемное отношение вводимой смеси реагентов к парогазовой фазе 1 130. Образовавшуюся дисперсную фазу, содержащую ацетат аммония с захваченными радиоаэрозолями цезия, отделяют от газовой фазы тем же путем, что и в примере 5, и определяют фактор очистки от цезия, который составляет более 3•10³. Таким образом, эффективность очистки парогазовой фазы от радиоцезия возрастает более чем в 3 раза по сравнению с прототипом.

Уменьшение соотношения (аммиак) (органическая кислота) менее чем 1,2 1,0, приводит к ухудшению гидрофилизации дисперсной фазы, что снижает эффективность очистки парогазовой фазы от радиоцезия. В то же время увеличение соотношения (аммиак) (органическая кислота) более чем 3,0 1,0, не приводит к дальнейшему повышению эффективности очистки парогазовой фазы от радиоцезия и поэтому нецелесообразно.

При объемном отношении вводимой смеси реагентов к парогазовой фазе более чем 1 20, происходит резкое повышение количества дисперсной фазы без существенного увеличения степени очистки и увеличение трудоемкости дальнейшей переработки образующейся дисперсной фазы. Поэтому представляет нецелесообразным использовать соотношение менее чем 1 20. В то же время при объемном отношении вводимой смеси реагентов к парогазовой фазе менее чем 1 130, эффективность очистки парогазовой фазы от радиоцезия снижается.

Таким образом, из приведенных выше примеров следует, что эффективность очистки парогазовой фазы от радиоаэрозолей цезия при использовании солей аммония с органическими кислотами возрастает в 2 40 раз по сравнению с прототипом. При этом важным преимуществом использования солей аммония с органическими кислотами в качестве дисперсной фазы, захватывающей радиоаэрозоли, является их способность локализовывать неизоструктурные с солями аммония соединения, а также их низкая коррозионная активность.

Источники информации
1. Silverman L. Chem. Eng. Progr. 1951, v. 47, p. 462.

2. First M.V. Moschella R. Silverman L. Berly E. Ind. Eng. Chem. 1951, v. 43, p. 363.

3. Particulate filtration in nuclear facilities, IAEA Techn. reports series, 1991, no. 325.

4. Кучерук В.В. Очистка от пыли вентиляционных и промышленных выбросов в атмосферу. М. Госстройиздат, 1955.

5. Severe accidents in nuclear power plants, Proc. Symp. Sorrento, 21 - 25 March 1988, v. 2, IAEA, Vienna, 1988, p. 639.

6. Опурный К. Йех Ч. Седлачек Б. Шторх О. Аэрозоли. М. Атомиздат, 1964, с. 306.

7. Михеев Н.Б. Кулюхин С.А. Каменская А.Н. Румер И.А. Казакевич М.З. Новиченко В.Л. // Радиохимия. 1994. Т. 36, вып. 4, С. 340 345.

Использование: обработка газообразной среды 6 загрязненной радионуклидами, а именно: улавливание радиоаэрозолей цезия из парогазовой фазы для предотвращения выбросов цезия и других радионуклидов в окружающую среду при тяжелых авариях на АЭС. Сущность: способ включает введение газообразного аммиака и органической кислоты в парообразном состоянии в парогазовую фазу, при этом мольное отношение аммиак : органическая кислота составляет от 1,1 : 1,0 до 3,0 : 1,0, а объемное отношение смеси этих реагентов к парогазовой фазе находится в интервале 1 : 20 - 1 : 130. Образующаяся дисперсная фаза аммонийной соли органической кислоты захватывает радиоаэрозоли, обеспечивая извлечение цезия из парогазовой фазы с фактором очистки 500 - 3000. Достигаемый по способу технический результат: высокая эффективность очистки парогазовой фазы от радиоаэрозолей цезия и других радионуклидов, снижение коррозионной активности среды. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ улавливания радиоаэрозолей из парогазовой фазы, включающий формирование радиоактивной дисперсной фазы путем введения в парогазовую фазу компонентов нерадиоактивной дисперсной фазы в газообразном состоянии в присутствии радиоаэрозолей и последующее отделение радиоактивной дисперсной фазы известными способами, отличающийся тем, что в качестве компонентов нерадиоактивной дисперсной фазы используют газообразный аммиак и органическую кислоту в парообразном состоянии в мольном отношении 1,2 1,0 3,0 1,0, причем объемное отношение смеси реагентов к парогазовой фазе составляет 1 20 1 130. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органической кислоты используют муравьиную кислоту. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органической кислоты используют уксусную кислоту.