СПОСОБ ОТВЕРЖДЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ РАСТВОРОВ ЦЕЗИЯ Российский патент 2001 года по МПК G21F9/16 

Изобретение относится к области переработки радиоактивных растворов цезия, образующихся при регенерации облученного ядерного топлива, и может быть использовано в радиохимической промышленности.

Известен способ отверждения радиоактивных растворов цезия с использованием стеклянной алюмофосфатной матрицы /1/.

Недостатками этого способа являются высокая температура и длительное время варки стекла (1100^oC и 3 ч), что ведет к значительному уносу цезия с газовой фазой.

Известен способ (утверждения жидких радиоактивных растворов, используемый при приготовлении цезиевых источников гамма-излучения /2/, выбранный в качестве прототипа и включающий следующие стадии:
насыщение силикагеля цезием до 500 мг/г во время упаривания досуха цезиевого раствора с исходным содержанием 1 моль/л азотной кислоты в присутствии силикагельной матрицы,
обработка насыщенного цезием силикагеля боросодержащим раствором,
прокалка насыщенного цезием и бором силикагеля при 800-1000^oC и продолжительности 15-60 мин.

Недостатком данного способа является невысокое насыщение силикагеля цезием при переработке водного раствора нитрата цезия (максимальное насыщение силикагеля цезием из водного раствора его нитрата составляет 350 мг цезия на 1 г силикагеля), который получают при фракционировании жидких радиоактивных растворов радионуклидов краун-эфирами, что не позволяет достигнуть высокой удельной активности конечной матрицы по цезию как при приготовлении цезиевых источников гамма-излучения, так и при (утверждении радиоактивных растворов цезия в процессе утилизации жидких высокоактивных отходов (ВАО).

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании такого способа (утверждения водного раствора нитрата цезия, который позволяет:
повысить удельную активность конечной матрицы по цезию при утилизации фракционированных жидких ВАО и приготовлении цезиевых источников гамма-излучения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при насыщении силикагеля цезием в исходный водный раствор нитрата цезия вводят добавки, что позволяет:
увеличить насыщение матрицы цезием в 1,2-1,7 раза,
при использовании в качестве добавки нитрата стронция (утвердить фракцию этого радионуклида при утилизации фракционированных ВАО совместно с фракцией цезия без увеличения объема конечного продукта.

Поставленная задача осуществляется по следующей схеме:
- в исходный водный раствор нитрата цезия вводят добавку, которая повышает сорбируемость цезия за счет увеличения растворимости его нитрата (в качестве добавки используют: азотную кислоту с такой концентрацией в исходном растворе, чтобы на конец упаривания получить ее концентрацию от 5 моль/л до концентрации азеотропной смеси; или нитрат стронция при массовом отношении Cs/Sr = 1/0,1 - 1/0,4; или нитрат цезия при массовом отношении Cs/Ce = 1/0,2 - 1/0,6),
- операции упаривания досуха водного раствора нитрата цезия с добавкой в присутствии силикагеля (т.е. насыщение силикагеля цезием), введения бора и прокалки насыщенного силикагеля остаются без изменений.

Примеры осуществления способа.

Условия проведения (утверждения цезиевых радиоактивных растворов для повышения сорбируемости цезия и получения повышенного содержания цезия в конечной матрице определяют по интервалу повышенного насыщения силикагеля - свыше 500 мг/г - при использовании различных добавок.

Пример 1. Интервал повышенного насыщения силикагеля цезием при использовании в качестве добавки азотной кислоты определяют в зависимости от исходной и конечной концентрации азотной кислоты следующим образом.

Навески силикагеля марки КСКГ с массой по 2 г помещают в тигли с порцией раствора, содержащего нитрат цезия с концентрацией цезия 50 г/л и азотную кислоту с разной концентрацией. Раствор упаривают за несколько операций досуха (для всех опытов количество цезия в растворе и объем раствора одинаковы). После насыщения цезий смывают со стенок тигля, десорбируют водой из силикагеля; силикагель растворяют в щелочи. Анализируют содержание цезия во всех растворах и определяют насыщение силикагеля цезием. Кроме того, в параллельной серии опытов, определяют концентрацию азотной кислоты на конец упаривания. Результаты представлены на фиг. 1.

Таким образом, интервал повышенного насыщения силикагеля цезием получают при концентрации азотной кислоты на конец упаривания от 5,0 моль/л до концентрации азеотропной смеси (для чего исходная концентрация кислоты должна превышать величину 1 моль/л). При конечной концентрации азотной кислоты ниже 5 моль/л насыщение составляет величину менее 500 мг/г, а концентрацию азотной кислоты свыше концентрации азеотропной смеси в условиях проведения операции получить невозможно. Максимальное насыщение силикагеля цезием в этих условиях составляет 600 мг/г при конечной концентрации азотной кислоты ≈ 12,4 - 12,9 моль/л (т.е. концентрации азеотропной смеси в системе азотная кислота - вода, конкретное значение которой может несколько различаться в зависимости от условий проведения операции), что в 1,2 раза превышает насыщение из раствора прототипа.

Пример 2. Интервал повышенного насыщения силикагеля цезием при использовании в качестве добавки нитрата стронция определяют в зависимости от исходного массового отношения Cs/Sr следующим образом.

Опыт проводят аналогично примеру 1, только вместо азотной кислоты в водный раствор нитрата цезия вводят нитрат стронция при разном массовом отношении Cs/Sr. Результаты приведены на фиг. 2.

Таким образом, интервал повышенного насыщения силикагеля цезием получают при исходном массовом отношении Cs/Sr = 1/0,1 - 1/0,4. При исходном массовом отношении Cs/Sr < 1/0,1 и Cs/Sr > 1/0,4 насыщение составляет величину менее 500 мг/г. Максимальное насыщение силикагеля цезием в заявляемом интервале составляет 860 мг/г при массовом отношении 1/0,356, что в 1,7 раза превышает максимальное насыщение из раствора прототипа (и в 2,4 раза - из водного раствора нитрата цезия).

Для значения 1/0,356 провели контрольный опыт, в котором также определили насыщение силикагеля отдельно цезием и отдельно стронцием из водных растворов их нитратов. Результаты приведены в таблице.

Увеличение насыщения силикагеля цезием за счет добавки именно стронция очень важно еще по одной причине. При фракционировании жидких ВАО краун-эфирами кроме водной фракции нитрата цезия получают водную фракцию нитрата стронция, и массовое отношение Cs/Sr находится в интервале 1/0,25 - 1/0,375. Поэтому, при одновременном отверждении обеих фракций, кроме повышения насыщения силикагеля цезием и, соответственно, повышении удельной активности и уменьшении объема получаемых отвержденных отходов, можно дополнительно утилизировать стронций.

Пример 3. Интервал повышенного насыщения силикагеля цезием при использовании в качестве добавки нитрата церия определяют в зависимости от исходного массового отношения Cs/Sr следующим образом.

Опыт проводят аналогично примеру 1, только вместо азотной кислоты в водный раствор нитрата цезия вводят нитрат цезия при разном массовом отношении Cs/Ce. Результаты приведены на фиг. 3.

Таким образом, интервал повышенного насыщения силикагеля цезием получают при исходном массовом отношении Cs/Ce = 1/0,2 - 1/0,6. При исходном массовом отношении Cs/Ce < 1/0,2 и Cs/Ce > 1/0,6 насыщение составляет величину менее 500 мг/г. Максимальное насыщение силикагеля цезием в заявляемом интервале составляет 700 мг/г при массовом отношении 1/0,35 - 1/0,4, что в 1,4 раза превышает максимальное насыщение из раствора прототипа (и в 2 раза - из водного раствора нитрата цезия).

Литература
1. Алой А. С., Вишневский А.С., Кузнецов Б.С. и др. Включение концентратов цезия и мелкодисперсных пульп в стеклоподобные и керамические материалы // Атомная энергия, 1991, т. 70, вып. 2, с. 85- 88.

2. Патент RU N 2111563 C1, G 21 F 9/16, G 21 G 4/04, 1998, БИ N 14, 20.05.98.

Использование: радиохимическая промышленность при переработке отработанного ядерного топлива. Технический результат: увеличение удельной активности отвержденной формы цезия на основе силикагельной матрицы. Сущность изобретения: способ включает насыщение силикагеля цезием, обработку и прокаливание насыщенного силикагеля. Перед насыщением силикагеля цезием в исходный водный раствор нитрата цезия вводят добавки: азотную кислоту с исходной концентрацией, обеспечивающей получение на конец упаривания ее концентрации от 5 моль/л до концентрации азеотропной смеси, или нитрат стронция при массовом отношении Cs/Sr = 1/0,1 - 1/0,4, или нитрат церия при массовом отношении Cs/Ce = 1/0,2 - 1/0,6. Вышеперечисленные добавки повышают сорбируемость цезия за счет увеличения растворимости его нитрата. Насыщение силикагеля цезием увеличивается в 1,2-1,7 раза. 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ отверждения радиоактивных растворов цезия, включающий насыщение силикагеля цезием, обработку и прокаливание насыщенного силикагеля, отличающийся тем, что в исходный раствор нитрата цезия вводят добавки, способствующие повышению сорбируемости цезия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве добавки используют азотную кислоту с исходной концентрацией, достаточной для достижения ее концентрации на конец упаривания от 5 моль/л до концентрации азеотропной смеси. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве добавки используют нитрат стронция при исходном массовом отношении цезий/стронций = 1/0,1 - 1/0,4. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве добавки используют нитрат церия при исходном массовом отношении цезий/церий = 1/0,2 - 1/0,6.