СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ ТРИТИЯ В КОНТЕЙНЕРЕ С РАДИОАКТИВНЫМИ ОТХОДАМИ Российский патент 2004 года по МПК G01T1/167 

Область техники
Изобретение относится к области радиохимии и, в частности, к способу определения активности трития в контейнере с радиоактивными отходами.

Уровень техники
Тритий - это радионуклид, присутствующий в радиоактивных отходах. Он является неустойчивым изотопом водорода. Его распад с образованием ³гелия сопровождается излучением отрицательно заряженных β-частиц, соответствующих электрону. Расстояния, которые могут проходить β-частицы, значительно сокращаются в различных средах. Они не превышают 6 μм в воде и 5.7 мм в воздухе. Это свойство делает невозможным определение излучения трития через стенки контейнера или внутри твердых или жидких отходов.

Для определения количества трития в радиоактивных отходах должны быть применены другие способы, основанные на основных характеристиках трития, позволяющих обнаружить его присутствие. Атомная масса трития делает возможным его выделение методами масс-спектрометрии и хроматографии, если он находится в газовой фазе. β-излучение позволяет использовать методику сцинтилляционного счета, особенно широко применяемую для жидкой среды. Поглощение β-излучения окружающей средой сопровождается выделением тепла. Этот тепловой поток может быть определен методами калориметрии.

В большинстве случаев именно эти физические и химические свойства используются для определения трития. Область отходов, загрязненных тритием, не является исключением из этого общего правила. Однако для использования указанных выше методов часто оказывается необходимым включить стадии приготовления загрязненных тритием образцов. Эти предварительные стадии, иногда весьма сложные, зависят от физических и химических условий нахождения трития и матрицы, в которой он находится. Уровень определяемой активности, химическая форма трития и матрицы определяют, таким образом, критерии выбора метода определения, который должен быть использован.

Тритий также присутствует в органических твердых отходах, например в полиэтиленвинилацетате (ПЭВА) или в поливинилацетате, или ПВХ, которые образуются при производстве калош, перчаток, подкладок перчаток и т.п. Разнообразие этих отходов значительно затрудняет определение их характеристик. Одновременно наблюдалась высокая степень гетерогенности в распределении активности. При смешивании всех типов этой продукции вероятность того, что несколько граммов будут представлять собой характерный образец, очень невелика. Тем не менее сжигание образца, вес которого находится в пределах от 0,1 до 1 г, в потоке водорода позволяет оценить активность некоторых проб на уровне нескольких Бк/г.

Определение трития в газовой или жидкой фазе позволяет применять традиционные методики, которые оправдали себя, при этом наиболее распространенным является сцинтилляционный счет. В случае однородной среды простой отбор образцов позволяет получить надежный количественный результат в пределах максимального диапазона концентраций.

Однако определение активности отходов, относительно слабо загрязненных тритием, все еще остается особенно трудным. Именно в этом случае использование разрушающих аналитических методов не позволяет получить удовлетворительные результаты, поскольку не ясно, насколько репрезентативным окажется каждый конкретный образец. До настоящего времени не существует простого надежного способа для тестирования технологических отходов, загрязненных тритием.

Для того чтобы надежно и эффективно утилизировать отходы, загрязненные тритием, необходимо определить количество трития в контейнере. Персоналу, которому придется работать с этими отходами, должно быть гарантировано, что активность трития составляет менее определенного порога, например 10⁹ Бк (0,027 Ки) в двухсотлитровом контейнере. В настоящее время не существует экономически приемлемых и надежных способов, которые бы отвечали этому требованию. Калориметрический анализ может быть проведен с двухсотлитровыми контейнерами, однако этот метод не позволяет измерять активность трития менее 1,8•10¹⁴ Бк (5000 Ки).

Слабо загрязненные тритием отходы очень трудно охарактеризовать, если только они не находятся в жидкой или газообразной форме, особенно органические отходы, в отношении которых не ясно, насколько репрезентативным является каждый конкретный образец. Эту проблему можно попытаться решить гомогенизацией отходов путем измельчения. Недостаточная чувствительность калориметрического анализа не позволяет его использовать. С этой точки зрения аналитические методы обладают значительными недостатками. Решение этой проблемы может заключаться в разработке способа анализа контейнера, который не был бы разрушающим и не образовывал бы отходов.

Раскрытие сущности изобретения
Для решения поставленной задачи в настоящем изобретении предложен способ, неразрушающий, надежный и экономичный и позволяющий определять активность загрязненных тритием отходов, помещенных в пакеты, например поливинилхлоридные (ПВХ) мешки, или в контейнеры, имеющие неизвестный свободный объем и неизвестную степень утечки.

Предложенный способ основан на определении количества ³гелия, образующегося при распаде трития, в образце газообразной атмосферы, окружающей отходы. Количество образовавшегося гелия пропорционально активности присутствующего трития, например отходы с активностью 10⁹ Бк (0,027 Ки) приводят к образованию в течение одного года ³гелия с концентрацией 0,0055 млн^-1 (ррm) в объеме 200 литров.

Тритий β-радиоктивен. Он распадается с образованием ³гелия, электрона и антинейтрино в соответствии с реакцией
T _→ ³He+e^-+υ.
Период полураспада трития составляет 12,34±0.02 года. Число образовавшихся атомов ³гeлия пропорционально числу присутствующих атомов трития согласно уравнению
N_3He = Nт•(1-e^-λt),
где N_3He - количество ³гелия, образовавшегося за время t,
Nт - количество первоначально присутствующего трития,
λ - радиоактивная постоянная трития.

Таким образом, предметом изобретения является способ определения активности трития в контейнере с радиоактивными отходами, содержащем некоторое количество радиоактивных отходов и свободный объем. Способ включает определение количества ³Не, образующегося в результате распада трития, находящегося в радиоактивных отходах, в течение определенного периода времени, и вычисление на основании этих данных активности трития, содержащегося в радиоактивных отходах. Количество образующегося ³Не может быть с успехом определено с помощью детектора утечек.

Загрязненные тритием отходы, помещенные в мешки, в целом представляют собой источник ³гелия, который выделяется в свободный объем контейнера. Парциальное давление присутствующего газа является функцией интенсивности потока ³гелия от источника трития (следовательно, активности), свободного объема, герметичности уплотнения контейнера (часть образующегося газа будет выходить из него) и времени нахождения в контейнере.

В соответствии с изобретением определение включает три стадии: калибровка и определение концентрации ³гелия, определение свободного объема контейнера и степени его герметичности.

Способ в соответствии с изобретением может поэтому включать следующие стадии:
а) взятие образца газа, содержащегося в контейнере, и определение количества ³Не, содержащегося в образе, с использованием детектора утечки,
б) определение свободного объема контейнера,
в) определение степени герметичности контейнера для определения интенсивности утечки из него,
г) вычисление интенсивности потока ³Не с использованием данных, полученных на стадиях а), б), в),
д) вычисление активности трития в контейнере на основе интенсивности потока ³Не, вычисленного на стадии г).

При выполнении стадии а) перед определением количества ³Не из образца предпочтительно удаляются паразитные газы. На этой стадии определение количества ³Не может представлять собой сравнение анализируемого образца с газом, находящимся при таком же давлении и имеющим известную концентрацию ³Не.

Стадия б) может быть осуществлена путем введения известного количества ⁴Не в контейнер, последующего измерения парциального давления ⁴Не в контейнере и, наконец, определения свободного объема контейнера на основании известного количества ⁴Не и измерения парциального давления ⁴Не. Парциальное давление ⁴Не можно определить путем взятия образца газа, содержащегося в контейнере, и определения количества ⁴He, содержащегося в этой пробе, с использованием детектора утечки.

Стадия в) может быть проведена путем введения известного количества ⁴Не в контейнер, первого определения парциального давления ⁴Не в контейнере и затем, через некоторый промежуток времени после первого определения, второго определения парциального давления ⁴Не в контейнере. Затем на основе парциального давления ⁴Не и промежутка времени между определениями парциального давления вычисляют степень утечки из контейнера.

В случае, когда утечка ³Не из контейнера оценивается как равная количеству ³Не, образующегося в результате распада трития, содержащегося в радиоактивных отходах, измерение количества образующегося ³Не может быть проведено просто путем помещения контейнера в емкость, предназначенную для сбора ³Не, просачивающегося из контейнера, и определения количества ³Не с использованием детектора утечки.

Лучшее понимание изобретения, а также другие его преимущества и признаки будут очевидны при чтении описания, приведенного ниже в качестве примера, не являющегося ограничительным, со ссылкой на прилагаемый чертеж, который иллюстрирует способ определения активности трития в контейнере с радиоактивными отходами в соответствии с настоящим изобретением.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На прилагаемом чертеже изображен контейнер 1, закрытый крышкой 6 и содержащий радиоактивные отходы 2, помещенные в ПВХ мешки так, чтобы в контейнере оставалось свободное пространство 3. Цифрой 4 обозначен детектор утечки, снабженный масс-спектрометром. Трубка 5 для отбора образцов имеет емкость порядка 2 литров и позволяет отбирать образцы газа из свободного пространства 3 контейнера через крышку 6.

Сигнал, подаваемый детектором утечки, зависит, наряду с другими факторами, от величины расхода изотопного газа и давления изотопного газа, находящегося перед местом утечки.

Величину концентрации ³Не в трубке 5 получают после калибровки, используя трубки с известными концентрациями ³Не при одинаковых условиях.

Концентрация ³Не в трубках для отбора образцов является низкой, порядка миллиардных долей. Однако после удаления всех газов, кроме ³Не, ⁴He и Ne, из этой трубки с использованием активированной угольной ловушки в ней может быть достигнуто давление порядка 10 миллибар (1 кПа). В этих условиях концентрация ³Не для отбора образцов умножается на 100.

На прилагаемом чертеже трубка 5 показана отсоединенной от контейнера 1 и подсоединенной к ловушке 7 из активированного угля, погруженной в жидкий азот. После того как ловушкой 7 были захвачены все газы, кроме ³Не, ⁴Не и Ne, трубка 5 соединяется с детектором утечки через микрометрический клапан 8. Анализируемый образец затем помещают перед откалиброванным местом утечки для детектора 4.

Калибровка осуществляется путем замещения отобранного газа газом, находящимся под тем же давлением и имеющим известную концентрацию ³Не.

Свободный объем (который является объемом, который может быть занят ³Не, иначе говоря объемом, окружающим мешки с отходами, и объемом в мешках, в которые ³Не может диффундировать) контейнера 1 определяют путем введения в него известного количества ⁴Не. После диффузии этого газа в объем контейнера парциальное давление ⁴Не определяют так же, как и для ³Не. Величину свободного объема вычисляют согласно уравнению
.

Для определения герметичности контейнера парциальное давление ⁴Не еще раз определяют через три месяца после первого определения. Степень утечки Q_кон из контейнера является функцией изменения давления в свободном объеме. Эта функция изменяется по закону диффузии для гелия через полимеры:
.

Программа вычисления позволяет получить значение интенсивности потока от источника ³Не в функции концентрации ³Не, свободного объема, герметичности контейнера и времени нахождения отходов в контейнере.

Активность трития вычисляют на основе величины интенсивности потока от источника ³He.

При заданном порядке величины герметичности контейнеров с отходами (10^-3 Па•м³/с) после нескольких лет нахождения их в контейнере парциальное давление ³Не внутри контейнера таково, что система сама стабилизирует себя. Очевидная утечка из контейнера (³Не, который покидает контейнер) равна интенсивности потока от источника трития (³Не, который образуется). В этих условиях отбор образцов из барабана уже не нужен. Достаточно определить очевидную утечку из контейнера, чтобы знать активность трития в нем. Это определение можно осуществить, поместив двухсотлитровый контейнер примерно на 200 часов в емкость, имеющую немного большие размеры, так чтобы ограничить незанятный объем примерно двадцатью литрами и, как описано выше, определить концентрацию ³Не.

Предложенный способ был использован для определения активности трития в двух стальных контейнерах, содержащих источник трития (представляющий собой 0,1 литра тритиевой воды) и имеющих свободный объем 12,7 литра. Активности источников, заключенных в эти контейнеры, составляли 4,55•10⁸ Бк (12,3 мКи) для первого контейнера и 4,55•10⁹ Бк (123 мКи) для второго контейнера. Окружающий газ, содержащийся в этих контейнерах, анализировали через равные промежутки времени согласно изобретению.

В таблице I (для первого контейнера) и в таблице II (для второго контейнера) приведены теоретические значения ожидаемых концентраций ³Не и экспериментальные значения концентраций, полученные в результате определений в зависимости от числа дней, прошедших со дня помещения источников в контейнеры. Также показана разница между теоретическим и экспериментальными значениями концентрации.

Результаты, полученные для источника 0,455•10⁹ Бк (12,3 мКи), показывают, что при использовании способа настоящего изобретения удалось определить активность источника ниже порогового значения, составляющего 10⁹ Бк (27 мКи).

Использование: на предприятиях по утилизации радиоактивных отходов. Способ определения активности трития в контейнере с радиоактивными отходами, содержащем некоторое количество радиоактивных отходов и свободный объем, заключается в определении количества ³Не, образующегося в результате распада трития, содержащегося в радиоактивных отходах, в течение определенного периода времени, и вычислении на основании этого активности трития, содержащегося в радиоактивных отходах. Технический результат: повышение чувствительности анализатора, возможность неразрушающего исследования. 8 з.п.ф-лы, 1 ил., 2 табл.

1. Способ определения активности трития в контейнере (1) с радиоактивными отходами, содержащем некоторое количество радиоактивных отходов (2) и имеющем свободный объем, включающий определение количества ³Не, образующегося в результате распада трития, содержащегося в радиоактивных отходах (2), в течение определенного периода времени, и вычисление на основе этих данных активности трития, содержащегося в радиоактивных отходах.2. Способ по п.1, в котором количество образующегося ³Не определяют с помощью детектора утечки (4).3. Способ по п.2, включающий стадии:

а) отбор образца газа, содержащегося в контейнере (1), и определение количества ³Не, содержащегося в образце, с использованием детектора утечки (4),

б) определение свободного объема контейнера (1),

в) определение степени герметичности контейнера (1) для определения степени утечки из него,

г) вычисление степени утечки ³Не на основе данных, полученных при выполнении стадий а), б) и в),

д) вычисление активности трития в контейнере (1) на основе интенсивности утечки ³Не, вычисленной на стадии г).