СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/00 

Одна из проблем ядерной энергетики обращение с долгоживущими отходами высокой удельной активности. Основной существующий метод их обезвреживания - отверждение и захоронение в глубинных могильниках, не исключает опасности, так как активность отходов снижается лишь за счет естественного распада и остается высокой в течение длительного времени (от 28 лет для ⁹⁰Sr до 10⁸ лет для трансурановых элементов).

В последние годы разработан метод снижения радиационной опасности таких отходов путем их трансмутации, т.е. превращения в элементы с более коротким периодом полураспада или стабильные нуклиды под действием нейтронного, протонного или γ-облучения.

При использовании для трансмутации протонов энергией 600 мЭВ [1, с. 16-17] для заметного (≈ 11%) уменьшения количества ⁹⁰Sr или ¹³⁷Cs необходима плотность потока протонов ф 10¹⁷ см^-2/с^-1, а такое значение является пока лишь гипотетическим.

Использование фотоядерных реакций трансмутации [1, с. 17-20] под действием g-квантов энергией 10-20 мЭВ требует для заметного уменьшения количества ядер ⁹⁰Sr высокую плотность потока g квантов Ф ≈ 10¹⁹ см^-2/с^-1. Получение такого потока требует создания ускорителей электронов с энергией ≈ 20 МэВ и мощностью во много мегаватт. Этот способ по большинству существенных признаков выбирают за прототип.

Трансмутация с помощью нейтронов (сообщение ОИЯИ N 18-92-303, К.Д. Толстов. Моделирование электроядерного способа получения атомной энергии и трансмутации активных отходов, Дубна, 1992) требует интенсивных пучков, так как в противном случае слишком велико необходимое время. Однако, в действующих реакторах на тепловых нейтронах интенсивность нейтронных потоков ограничена величиной 10¹⁵ см^-2/с^-1, а поток ≈ 10¹⁶ см^-2/с^-1 в проекте требует создания сильноточного ускорителя тяжелых частиц (протонов, дейтронов и др.) с энергией около 1 ГэВ.

Известна другая методика, позволяющая почти в 10 раз снизить энергию ускоренных частиц при увеличении выхода нейтронов [2] По этому варианту нейтронный поток генерируется в циклическом накопителе на внутренней мишени из легкого вещества при многократном ее пересечении пучком дейтронов энергией 100 МэВ. Расчетный поток нейтронов на углеродной мишени превышает 10¹⁷ с^-1 при плотности до 10¹⁶ c^-1/см^-2.

Все описанные процессы различаются темпом трансмутации (количеством переработанных ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs), а также энергетической эффективностью (т.е. долей электроэнергии АЭС, затрачиваемой на трансмутацию), и находятся в стадии проектов. Поэтому остается актуальной задача поиска других физических процессов воздействия на долгоживущие изотопы с целью их превращения в стабильные или короткоживущие радионуклиды.

Эта задача решается тем, что, как и в прототипе, радиоактивные отходы облучают электромагнитным излучением. В отличие от прототипа обработку отходов проводят электромагнитным излучением СВЧ-диапазона с плотностью потока энергии более 5•10^-3 Дж/см².

В целом способ осуществляется следующим образом. Радиоактивный образец, в данном случае таблетка ⁵¹Cr, запакованная в полиэтиленовую кювету, облучалась СВЧ-излучением с плотностью потока энергии >5•10^-3 Дж/см². В качестве генератора СВЧ-колебаний был использован релятивистский триод с виртуальным катодом (Артюх И.Г. Сандалов А.Н. Сулакшин А.С. и др. Релятивистские СВЧ-устройства сверхбольшой мощности. Обзоры по электронной технике, серия 1, Электроника СВЧ, 1989, выпуск 17).

Его параметры:
Длина волны излучения 10 см
Длительность импульса 300 нс
Импульсная мощность 3 кВт/см²
Для изменения плотности потока энергии использовались две схемы эксперимента (фиг.1 и 2). На фиг.1 и 2 обозначено: 1 СВЧ генератор (в данном случае релятивистский триод с виртуальным катодом; 2 диэлектрическая линза; 3 согласующий рупор; 4 волноводный тракт; 5 рупорная антенна; 6 - радиоактивный образец.

По схеме, изображенной на фиг.1, образец 6 расположен на выходе волноводного тракта 4 и рупорной антенны 5, и плотность потока СВЧ-энергии на образце составляла 10^-3 Дж/см².

Во втором случае образец 6 размещен в фокусе диэлектрической линзы 2 и плотность потока СВЧ-энергии на нем значительно выше ≈2,4•10^-2 Дж/см².

Облучение проводили также на специально разработанном сравнительно малогабаритном СВЧ-генераторе на мощном металлокерамическом триоде ГИ-39Б.

В этом случае при импульсной мощности генератора ≈10 кВт и длительности импульса ≈ 3 мкс плотность потока энергии на радиоактивном образце 5 составляла 5•10^-3 Дж/см². Измерялись постоянные радиоактивные распада образца до и после СВЧ обработки. Время СВЧ обработки составляло 5-10 ч, время выдержки образцов после обработки ≈1 сут.

При плотности потока энергии < 10^-3 Дж/см² в серии на нескольких параллельных экспериментов отношение скоростей распада до и после СВЧ обработки в пределах ошибки эксперимента не превышало 1. При плотности потока энергии W > 5•10^-3 Дж/см² постоянная распада увеличилась ≈ 0,65% а при W 2,4•10^-2 Дж/см² увеличилась на 1%
Таким образом, налицо эффект увеличения постоянной распада под действием мощного СВЧ-излучения, причем с увеличением плотности потока энергии этот эффект также увеличивается. Следовательно, имеет место новый метод воздействия на ядерные константы радиоактивных элементов, позволяющий уменьшать время жизни долгоживущих радиоактивных изотопов. Увеличение плотности потока СВЧ-энергии на образце увеличивает эффективность трансмутации, поэтому предлагаемый способ может быть положен, также как и известные, в основу проектов установок по пережиганию радиоактивных отходов. Ограничения на верхний предел плотности СВЧ-энергии в настоящее время накладываются существующей СВЧ техникой. Известные в настоящее время СВЧ-генераторы (J. Benford, J. Swegle. High-Power Microwaves; Artech House, 1992) позволяет достичь уровень выходной мощности до 10-20 ГВт, что позволяет обеспечить на объекте воздействия плотности энергии до 10 Дж/см². Имеющиеся на сегодняшний день успехи в области когерентного сложения мощностей релятивистских СВЧ регенераторов (A. S. Sulakshin, N. M. Filipenko, G.P. Fomenko et al. The coherent operation of two relativistic magnetrons in the nonsymmetrical system, Proc. of int. Symp. on Electromagnetic Environments and Consequences, Bordeaux, France, May 30 June 4, 1994) позволяют прогнозировать возможности получения импульсных СВЧ мощностей порядка терраватт с соответствующим увеличением плотности потока энергии.

По сравнению с проектами пережигателей отходов на нейтронах и протонах, которые требуют создания гигантских и сложнейших ускорителей, предложенный способ требует для своего осуществления значительно более простой, экологической и уже освоенной техники.

Использование: обработка радиоактивно зараженных материалов. Сущность изобретения: для снижения периода полураспада радиоактивных долгоживущих изотопов отходы облучают СВЧ-излучением с плотностью потока энергии более 5•10^-3 Дж/см². Достигаемый результат: постоянная распада после обработки отходов СВЧ-излучением указанной плотности потока энергии увеличилась на величину около 1% по сравнению с постоянной распада до облучения. 2 ил.

Способ обработки радиоактивных отходов путем их превращения в более короткоживущие под действием электромагнитного излучения, отличающийся тем, что отходы облучают излучением СВЧ-диапазона с плотностью потока энергии, превышающей 5 • 10^- 3 Дж/см².