КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ДОЛГОВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ ЙОДА - 129 Российский патент 1997 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к области обращения с долгоживущими радиоактивными отходами автономной энергетики и охране окружающей среды. Оно предлагается к использованию при переработке отработавшего ядерного топлива /ОЯТ/. В процессе переработки ОЯТ йод-129 выделяется из жидких и газовых технологических продуктов как самостоятельная и специфическая фракция отходов.

В зависимости от применяемого способа удержания йода-129 образуются различные химические формы йода-129 /от йодидов до йодатов/, но не все они могут служить конечной формой, пригодной для длительного хранения или захоронения. Из большого числа технологических растворов йод-129 может быть выделен в форме устойчивых труднорастворимых соединений различными путями. Однако особенности химического поведения йода-129 в составе его соединений не позволяют гарантировать надежность их при длительном хранении или в аварийных ситуациях, например при затоплении образцов водой. Создание на основе этих соединений различных композиций, например введение их в цементы, битумы, стекла и т.д. приводит к дополнительным трудностям и материальным издержкам, увеличению объема отходов и пр.

Поскольку характер метода улавливания йода-129 при переработке ОЯТ в большинстве случаев предопределяет конечную форму йода, предлагаемую для хранения /захоронения/, то недостатки и сложности метода улавливания распространяются и на заключительную операцию. Так, например, в "Iodox"-методе конечной формой йода является HI₃O₈(I₂O₅)-гидроскопический продукт, непригодный для хранения. Его предполагается переводить дополнительно в Ba(IO₃)₂ /Орлова Э. К. Очистка отходящих газов при переработке облученного топлива. Вып. 1. Улавливание йода. Обзорная информация АИФ 493. ЦНИИатоминформ, 1979, с.41/.

Учитывая, что все эти процессы протекают в сильнокислой среде, начиная от промывки газового потока дымящей азотной кислотой /20 22М) при кипении и кончая конечной стадией осаждением Ba(IO₃)₂ в 1M HNO₃, то становятся очевидными все трудности. Кроме того, конечная форма Ba(IO₃)₂ неустойчивая, начинает разлагаться при ≈300^oC.

Аналогичные сложности возникают и при другом методе улавливания йода и последующем обращении с образовавшимися отходами это меркурекс-процесс с использованием раствором азотнокислой ртути [Hg₂(NO₃)₂-Hg(NO₃)] и образованием конечной химической формы йода в виде Hg₂I₂ и HgI₂ /Орлова Э.К. Очистка отходящих газов при переработке облученного топлива, вып.1. Улавливание йода. Обзорная информация. АИИФ 493. ЦНИИатоминформ, 1079, с.27/.

Наиболее близким к изобретению является способ улавливания йода из газовых потоков, заключающийся в том, что радионуклиды йода осаждают в форме нерастворимой соли йодида меди /US, патент, N4370306, кл.B01D 53/34, 1983/. Недостатком известного способа является то, что при возникновении аварийной ситуации, в условиях доступа окислителей и влаги, йодиды меди неустойчивы и разлагаются с выделением в газовую фазу элементарного йода.

В работе /Н.Н.Калинин, А.Е.Елизарова и др. "Исследование выщелачивания йода из цементных и битумных компаундов на основе различных соединений йода.

"Радиохимия", N4, 1983, 537 543/ авторы приводят данные по устойчивости различных химических форм йода от йодидов до параперйодата натрия, заключенных в цементные и битумные компаунды. Исходя из приводимых результатов, можно заключить, что выщелачиваемость йода из компаундов для портландцементов достаточно высока на первых этапах /50 суток/ и понижается при последующем хранении. Для компаундов на основе битумов она выше. Однако увеличение объемов отходов /9 и 50% солей йода, остальное портландцемент и битум соответственно/, невозможность прогнозирования устойчивости этих композиций на неопределенно длительное время, чрезвычайная горючеопасность и др. делают эти композиции малопригодными для практического применения.

Задача данного изобретения заключается в разработке композиции, включающей долгоживущий радионуклид йод-129, лишенный перечисленных выше недостатков. В данном случае исходным является йодсодержащий раствор, образующийся при щелочном методе выделения йода-129 из газовых выбросов перерабатывающих предприятий. Промежуточным продуктом для получения конечной формы является щелочной концентрат йода, в котором йод-129 находится в двух химических формах, а именно йодид и йодат-анионов в отношении 5:1. Из этого раствора после предварительного переведения IO-3

в J^- прибавлением гидразина йод выделяется в форме йодида меди.

Поставленная задача решается путем введения в композицию, содержащую йод-129 в форме йодида меди, дополнительного компонента мелкодисперсного порошка металлической меди. Для повышения устойчивости и уменьшения объема полученную смесь подвергают виброуплотнению или прессованию. Полученная композиция, предназначенная для долговременного хранения, содержит йодид меди и металлическую медь в следующем соотношении, мас. йодид меди 40 85, металлическая медь 15 60. Увеличение массового процента добавки благоприятствует повышению устойчивости композиции, но повышает стоимость и увеличивает вес и объем конечного отхода. При содержании меди меньше 15% увеличивается выщелачиваемость йода.

Предложенная композиция обладает высокой устойчивостью к выщелачиванию йода-129 по следующей причине.

Йодид меди неустойчив при хранении в воздушной влажной среде. При этом необходимо учитывать влияние света. Воздействие этих факторов приводит к реакции:

Однако присутствие рядом металлической меди препятствует выделению свободного йода по реакции:
2Cu + I₂ _→ 2CuI
/приведены конечные продукты реакции/. В данном случае более важным является присутствие металлической меди, и поскольку скорости реакций этих двух процессов сопоставимы, йод из композиции не выделяется даже при хранении в открытом виде. Так, например, три образца /два CuI и один CuI+Cu /81,1+18,9/ вес./, приготовленные в совершенно одинаковых условиях, были исследованы на выщелачиваемость. При этом получены следующие результаты:
у первых двух:
R г/см² сут. составляла в среднем ≈ 5 6•10^-6 на 200 сут.

а для медьсодержащего образца
R г/см² сут. 6,6•10^-8 на 50 сут.

Различие в выщелачиваемости составляет ≈ 2 порядка. Особенно важно это при долговременном хранении долгоживущего изотопа йод-129, когда вероятно разрушение таблеток.

Порошок меди следует распределять равномерно с осадком CuI, преимущественно его вносят в композицию в процессе получения йодида меди.

Композиция предлагаемого состава позволяет:
существенно снизить выщелачиваемость йода-129;
устранить выделение йода при дальнейшем обращении и хранении отходов йода, в том числе и при аварийных ситуациях;
уменьшить объем отходов за счет отказа от включения их в дополнительную матрицу /цемент, битум/;
уменьшить последствия радиационного процесса;
упростить весь цикл операций по обращению с отходами, содержащими йод-129.

Пример.

100 мл исходного раствора состава:
C_NaOH ≃ 0,5 Моль/дм³;
C_йода /5I^- + IO-3

) 30 г/дм³;
80 г/дм³;
25 г/дм³
помещают в реактор с мешалкой и к нему при перемешивании добавляют 2 - 2,5- кратный избыток требующегося по реакции:
раствора азотнокислого гидразина /53%/. После контрольного анализа на полное отсутствие химической формулы IO-3 раствор подкисляют концентрированной азотной кислотой до pH 2,5 3,0 и вносят половину навески металлического порошка меди. В первом случае /при требующемся конечном соотношении CuI: Cu, равном 40:60/ добавляют 3,3 г порошка металлической меди, во втором для достижения соотношения CuI:Cu, в конечном продукте равном 85:15, вносят 0,4 г порошка меди. Затем при интенсивном перемешивании добавляют концентрированный раствор азотнокислой меди в полуторакратном избытке от требуемого по стехиометрии. После внесения всего раствора осадителя в реактор добавляют вторую половину навески порошка меди, в первом опыте 3,4 г, во втором 0,4 г. После перемешивания в течение 5 10 мин раствор оставляют на 1 2 ч до созревания осадка. После этого раствор декантируют, осадок промывают 2 3 раза небольшим количеством 5 10 мл дистиллированной воды. Полученный осадок высушивают до постоянного веса при температуре 100^oC. Выход осадка 99,6 от теоретического. В первом эксперименте 10,8 г, во втором 5,24 г. Осадок после высушивания подвергают виброуплотнению или прессованию.

Полученные таким образом таблетки композиции CuI + Cu_(мет) подвергали исследованиям по выщелачиванию и термической обработке при температурах 200, 300, 400, 800 и 1100^oC. Полученные результаты свидетельствуют о значительно более высокой устойчивости композиции. Так, выщелачиваемость композиции, спрессованной в таблетки на лабораторном прессе с усилием 200 кг/см², более чем в 10 раз ниже аналогичных таблеток из чистого CuI.

Использование: обработка материалов с радиоактивным заражением, а именно подготовка к захоронению йодсодержащих отходов. Сущность: композиция для долговременного хранения йода-129 содержит йодид меди и металлический порошок меди в следующем соотношении, мас.%: йодид меди - 40 - 85, металлическая медь - 15 - 60. Композиция может быть дополнительно подвергнута прессованию или виброуплотнению. Достигаемый технический результат: порошкообразная металлическая медь, находясь в непосредственном контакте с йодидом, препятствует протеканию реакции выделения газообразного йодида при длительном хранении на воздухе в условиях повышенной влажности.

Композиция для долговременного хранения йода-129 в форме йодида меди, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит металлическую медь при следующем соотношении компонентов, мас.

Йодид меди 40 85
Металлическая медь 15 60о