СПОСОБ ХИМИЧЕСКОЙ ДЕЗАКТИВАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для дезактивации и очистки радиоактивно загрязненного оборудования и конструкционных элементов на атомных электрических станциях (АЭС), промышленных и медицинских предприятиях, в научных и учебных учреждениях, деятельность которых связана с радиоактивными материалами.

Из уровня техники к настоящему времени известно достаточно большое количество способов химической дезактивации радиоактивных материалов с использованием жидких реагентов. Наиболее часто в отечественной и зарубежной практике дезактивации внутренних поверхностей трубопроводов и оборудования АЭС используют химические способы дезактивации. При этом для коагуляции и сорбции радиоактивных отложений разработаны многочисленные рецептуры растворов химических реагентов и технологии их применения (Н.И.Ампелогова, Ю.М.Симановский, А.А.Трапезников. Дезактивация в ядерной энергетике. М.: Энергоатомиздат, с.135, 183-186. 1982).

Недостатком известных из уровня техники способов химической дезактивации радиоактивных материалов является их недостаточная эффективность и опасность загрязнения окружающей среды отходами дезактивации и компонентами используемых химических реагентов.

Наиболее близким решением из уровня техники по назначению и технической сути является способ химической дезактивации оборудования атомных электрических станций, заключающийся в двухванной окислительно-восстановительной обработке зараженных конструкционных элементов раствором химических реагентов, содержащим следующие компоненты, (мас.%): водный раствор перманганата калия с уксусной и азотной кислотами при весовом соотношении компонентов от 1:9:1 до 1:1:9 соответственно.

Согласно этому способу обработку поверхностей оборудования проводят водными растворами химических реагентов в режиме их принудительного перемешивания при заданной температуре и времени, с последующим образованием жидких радиоактивных отходов. (Патент РФ №2338278, G21F 9/28, G21F 9/30, 2008 г.).

Недостатком известного технического решения является трудоемкость и недостаточная эффективность процесса дезактивации, а также опасность загрязнения окружающей среды радиоактивными отходами и компонентами химических реагентов с малым периодом полураспада и большим значением энергии поляризации.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка более простого, эффективного и экологически чистого способа химической дезактивации радиоактивно загрязненных материалов с использованием экологически безопасного состава химических реагентов.

Технический результат, соответствующий поставленной технической задаче, достигается за счет того, что в способе химической дезактивации радиоактивных материалов, включающем поверхностную обработку материалов водным раствором химических реагентов, согласно изобретению в качестве водного раствора химических реагентов используют раствор, содержащий в своей основе гидроокись натрия, гидроокись калия, фосфорноватистокислый кальций, канифоль сосновую и воду в следующем соотношении компонентов (мас.%):

гидроокись натрия 4,14-4,16 гидроокись калия 1,15-1,17 фосфорноватистокислый кальций 0,16-0,18 канифоль сосновая 0,87-0,89 вода до 100.

Сущность заявленного способа химической дезактивации радиоактивных материалов заключается в следующем.

Поверхностная обработка водными растворами химически активных реагентов для дезактивации радиоактивных материалов необходима для преобразования поверхностных радиоактивных загрязнений в иные вещества, безопасные для человека и биосферы. Поэтому при обработке РАО согласно заявленному способу в результате авторадиолиза радиоактивных загрязнений под действием собственного излучения радионуклидов: альфа-частиц, протонов, нейтронов, бета-частиц, гамма-лучей, разрываются атомные связи в молекулах, входящих в состав РАО, и они превращаются в иные соединения, отличные от исходных, в результате чего долгоживущие изотопы превращаются в короткоживущие. При этом общая активность изотопов существенно снижается. Поэтому, непрерывно изменяющийся изотопный состав РАО приводит к колебаниям мощности радиоактивного излучения в сторону его непрерывного уменьшения.

Заявленное весовое соотношение компонентов мас.%, необходимо для создания критического состава раствора, при котором взаимная растворимость компонентов стремится к коэффициенту растворимости, равному 1. Согласно заявленному способу такие условия создаются специально, чтобы радиоактивные загрязнения взаимодействовали с высокомолекулярной массой и смогли раствориться в растворе критического состава с образованием устойчивых, радиоактивно нейтральных и экологически чистых комплексов. При этом образовавшиеся комплексы обладают свойством не только фиксировать (запечатывать) изотоп, но и ограничивать его дальнейшее распространение в окружающей среде. Процесс омыления и дезактивации при этом становится более надежным и безопасным для человека и окружающей среды. Высокую эффективность и стабильность сформированных комплексом можно объяснить их внутренним изотопным составом, когда полураспад матрицы, удерживающей нуклон вблизи поверхности ядра, из-за поляризации нуклонной жидкости увеличивается в 3-4 раза. Данный процесс - это следствие нарушения трансляционной зависимости амплитуд коротко живущего взаимодействия связи с таковыми долго живущими. Общая энергия при этом тратится на поляризацию возбужденного ядра. Воссоздается картина образования виртуальных α-кластеров на поверхности ядра и α-распада. Отсюда возникают нуклоны с колебаниями циклической моды и последующего взаимодействия частиц с дочерним ядром, но тогда ротор дивергенции обратного потока излучения с малым периодом полураспада, а также большими значениями активности являются индикатором моды, при положительном дефекте массы изотопа и укорочении амплитуды.

Таким образом, радиоактивные изотопы, помещенные в водную среду химических реагентов экологически чистого критического состава, оказываются связанными ионными и катионными связями абиетиновой кислоты, что приводит к активации РАО, индуцирующей ускоренный распад радиоактивных изотопов, что ведет к снижению уровня радиации от радиоактивных загрязнений без каких-либо вредных последствий для окружающей среды.

Под активацией подразумевается снижение энергетического барьера реакции, вызванное определенным воздействием на нуклиды, участвующие в элементарном акте реакции. При этом активация оказывает такое влияние на электронно-ядерную структуру молекулы, чтобы молекула смогла перестроиться энергетически наиболее выгодным образом для ее дальнейшего распада.

Более подробно заявленный способ химической дезактивации радиоактивных материалов раскрывается и поясняется на примерах реализации способа.

Был проведен ряд экспериментов для определения соотношения компонентов (мас.%), при котором наблюдается полная растворимость компонентов раствора, что свидетельствует о достижении раствором критического состояния. Результаты экспериментов приведены в табл.1.

Таблица 1 № п/п опыта Состав раствора, мас.% Результат 1 - гидроокись натрия - 4,10-4,11 Химическая реакция с выпадением осадка. - гидроокись калия -1,10-1,12 Раствор несовершенен - фосфорноватистокислый кальций -0,12-0,13 - канифоль сосновая - 0,85-0,86 - вода - до 100. 2 - гидроокись натрия - 4,12-4,13 Химическая реакция с выпадением осадка. - гидроокись калия -1,13-1,14 Раствор несовершенен - фосфорноватистокислый кальций - 0,14-0,15 - канифоль сосновая - 0,86-0,865 - вода - до 100. 3 - гидроокись натрия - 4,14-4,16 Полная растворимость компонентов раствора. - гидроокись калия -1,15-1,17 Критическое состояние р-ра - фосфорноватистокислый кальций - 0,16-0,18 - канифоль сосновая - 0,87-0, 89 - вода - до 100. 4 - гидроокись натрия - 4,17-4,18 Химическая реакция с выпадением осадка. - гидроокись калия -1,18-1,19 Раствор несовершенен - фосфорноватистокислый кальций - 0,19-0,20   - канифоль сосновая -0,87-0,89   - вода - до 100. 5 - гидроокись натрия - 4,19-4,22 Химическая реакция с выпадением осадка. - гидроокись калия -1,20-1,22 - фосфорноватистокислый кальций - 0,21-0,22 - канифоль сосновая - 0,9-0,91 - вода - до 100. Раствор несовершенен

Эксперимент №3 из табл.1 наглядно демонстрирует, что найденный состав химических реагентов находится в так называемой критической точке растворимости, где взаимная растворимость компонентов раствора становится неограниченной. Причем, как показали эксперименты, критическая точка максимальной растворимости компонентов находится в достаточно узком диапазоне.

Найденный критический состав химических реагентов был протестирован согласно заявленному способу при химической дезактивация изотопов на заводе по переработке термоядерного горючего. При измерениях естественный фон радиации составлял от 13,3 до 19,7 мкР/ч или от 0,133 до 0,197 мкЗв/ч, т.е. находился в пределах нормы. В качестве исследуемых РАО были взяты вещества, изотопный состав которых был не известен. Эффективная мощность дозы излучения этих РАО выступала в качестве контрольной. Обработку образцов проводили при нормальных условиях.

После завершения химической обработки образцы дважды промывали дистиллятом и измеряли его радиоактивность, а образовавшийся комплекс жидких отходов закачивали в специальную полиэтиленовую емкость, после чего также измеряли радиоактивность жидких отходов.

Результаты дезактивации радиоактивных образцов и жидких отходов согласно заявленному способу в сравнении со способом-прототипом представлены в таблицах 2 и 3.

В таблице 2 представлен коэффициент дезактивации образцов, обработанных по заявленному способу и по способу-прототипу.

Таблица 2         Способ дезактивации Ванна 1 Ванна 2 Коэффициент дезактивации           KMnO₄ - 5 г/кг       СН₃СООН - 30 г/кг     Прототип-способ НNО₃ - 10 г/кг   7,6 рН 1,2                         ОЭДФК 8,5     N₂H₄ - 5 г/кг 9,9     рН 3,7 10,4   - гидроокись натрия - 4,14-4,16       - гидроокись калия - 1,15-1,17     Заявленный способ - фосфорноватистокислый
кальций - 0,16-0,18   6   - канифоль сосновая - 0,87-0,89       - вода - до 100                                        

Зависимость активности радиоактивных отходов от обработки заявленным способом и способом-прототипом представлены в таблице 3.

Таблица 3 Обработка заявленным способом Обработка способом-прототипом № п/п α,β,γ фон мкР/ч Контрольный образец, мкР/ч Заявленный, мкР/ч № п/п α,β,γ фон мкР/ч Контрольный образец, мкР/ч Способ-прототип, мкР/ч 1 15,7 92,7 85,0   15,7 90,2 92,1 1 2 14,7 91,7 66,0   3 14,7 81,3 65,0   16,0 85,7 88,3 2 4 15,3 90,7 65,3   5 14,8 79,3 64,3   14,7 87,2 86,1 3 6 13,9 78,6 56,0   7 16,0 80,7 63,3   14,0 91,1 88,3 4 8 15,7 81,7 66,3   9 16,0 88,9 65,3   14,5 83,4 87,4 5 10 16,0 90,3 61,0   11 15,7 90,0 64,3   15,1 87,4 83,0 6 12 15,3 92,7 51,6   Σ/т 15,3 86,5 64,4 Σ/т 15 87,5 87,5

Из таблицы 3 видно, что изменение мощности излучения РАО, обработанных заявленным способом, релаксирует в соответствии с контрольным образцом, хотя и с разной скоростью, что указывает на снижение и возрастание мощности излучения одновременно. В то же время мощность излучения РАО, обработанных заявленным способом, снижается приблизительно на 30%. Радиоактивные материалы, обработанные заявленным способом, оказываются связанными в комплексы, а дополнительная активация РАО индуцирует их ускоренный распад, что ведет к снижению уровня радиации без каких-либо вредных последствий для окружающей среды.

Результаты экспериментов по дезактивации радиоактивных материалов, приведенные в таблице 2 и таблице 3, свидетельствуют, что предлагаемый способ дезактивации образцов в сравнении с прототипом обладает существенными преимуществами:

- не только дезактивирует радиоактивный объект, но и понижает радиационный фон жидких отходов;

- уровень радиации закрепленных в комплексы изотопов понижается уже при одноразовой обработке заявленным способом, при этом мощность излучения РАО снижается приблизительно на 25%-30%;

- радиоактивные изотопы, помещенные в жидкую среду заявленного состава и обработанные по заявленному способу, оказываются связанными, при этом дополнительная активация РАО индуцирует их ускоренный распад, что ведет к снижению уровня радиации без каких-либо вредных последствий для окружающей среды.

Таким образом, результаты сравнительных экспериментов по очистке и дезактивации радиоактивных материалов, приведенные в таблицах 2 и 3, свидетельствуют о том, что предлагаемый способ дезактивации радиоактивных материалов в сравнении со способом-прототипом обладает существенными преимуществами, а именно заявленный способ является более простым и технологичным, повышает эффективность дезактивации обрабатываемых материалов при сохранении экологических показателей в пределах нормативных значений для процесса химической обработки за счет использованием экологически безопасного состава химических реагентов.

Изобретение может быть использовано для химической дезактивации радиоактивных материалов практически любого назначения: конструкционные материалы, оборудование, топливо, отходы, спецодежда и т.п.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении может быть использован для дезактивации и очистки радиоактивно загрязненного оборудования и конструкционных элементов на атомных электрических станциях (АЭС), промышленных и медицинских предприятиях, в научных и учебных учреждениях, деятельность которых связана с радиоактивными материалами;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета способов, средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект: «Способ химической дезактивации радиоактивных материалов», соответствует требованиям условий патентоспособности «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для дезактивации радиоактивно загрязненного оборудования и конструкционных элементов на атомных электрических станциях (АЭС), промышленных и медицинских предприятиях, в научных и учебных учреждениях, деятельность которых связана с радиоактивными материалами. Способ химической дезактивации радиоактивных материалов включает поверхностную обработку материалов водным раствором химических реагентов. В качестве водного раствора химических реагентов используют раствор, содержащий в своей основе гидроокись натрия, гидроокись калия, фосфорноватистокислый кальций, канифоль сосновую и воду в следующем соотношении компонентов масс (мас.%): гидроокись натрия - 4,14-4,16, гидроокись калия - 1,15-1,17, фосфорноватистокислый кальций - 0,16-0,18, канифоль сосновая - 0,87-0,89, вода - до 100. Изобретение позволяет разработать более простой, эффективный и экологически чистый способ химической дезактивации радиоактивных загрязненных материалов с использованием экологически безопасного состава химических реагентов. 3 табл.

Способ химической дезактивации радиоактивных материалов, включающий поверхностную обработку материалов водным раствором химических реагентов, отличающийся тем, что в качестве водного раствора химических реагентов используют раствор, содержащий в своей основе гидроокись натрия, гидроокись калия, фосфорноватистокислый кальций, канифоль сосновую и воду в следующем соотношении компонентов, мас.%:
гидроокись натрия 4,14-4,16
гидроокись калия 1,15-1,17
фосфорноватистокислый кальций 0,16-0,18
канифоль сосновая 0,87-0,89
вода до 100