СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к ядерной технике и технологии, преимущественно к дезактивации материалов от радиоактивного загрязнения.

Дезактивация поверхности материалов основана, как правило, на растворении поверхностных загрязнений и отложений в электролитах (водных растворах кислот и щелочей), а также на процессах экстракции элементов, загрязняющих поверхность, различными экстрагентами.

Известны способы сверхкритической экстракции различных металлов (Wai С.М., Smart N.G., Phelps С. US Patent 5606724 А. Опубл. 25 Feb., 1997; Beckman Е.J., Russel A. J. US Patent 5641887 А. Опубл. 24 Июня 1997 г.; Wai C.M. Patent PCT International, WO 9533541 Al. Опубл. 14 декабря 1995 г.), позволяющие проводить сверхкритическую экстракцию различных металлов, таких как уран, редкоземельные элементы, а также железо, ртуть и кобальт. По предлагаемым способам матрицу, содержащую металлы (песок, бумага, поверхность нержавеющей стали и т.п.), обрабатывают комплексоном, растворенным в сверхкритическом флюиде, как правило, в сверхкритическом диоксиде углерода. В качестве комплексонов использовали различные органические соединения, наилучшие результаты наблюдали для фторированных β-дикетонов.

Известен малоотходный способ сверхкритической флюидной экстракции цезия и трансурановых элементов (ТУЭ) с помощью смеси краун-эфиров и ди-2-этилгексилфосфорной кислоты (Мурзин А.А., Старченко В.А., Smart N.G. etc. Доклад "Decontamination of Real World Contaminated Stainless Steel Using Supercritical CO₂" Spectrum′98, Denver, Colorado, USA, September 13-18, 1998, Proceedings, American Nuclear Society Inc., USA, 1998, p.94-98), выбранный нами в качестве прототипа. По этому способу матрица с высокой удельной поверхностью, содержащая цезий (песок, бумага, поверхность нержавеющей стали и т.п.) обрабатывается смесью краун-эфира и ди-2-этилгексилфосфорной кислоты, растворенной в сверхкритическом углекислом газе. Способ позволяет экстрагировать ТУЭ и частично цезий с различных матриц.

Его недостатком является использование для экстракции дорогих и во многих случаях токсичных краун-эфиров.

Общим недостатком всех предлагавшихся ранее способов является то, что используются в них растворители в сверхкритическом состоянии при сверхвысоких рабочих давлениях (например, углекислый газ при давлении выше 71,6 МПа), а также с их помощью не удается количественно экстрагировать такие металлы, как цезий и стронций, особенно из прочнофиксированных отложений. Экстракция этих металлов очень важна, т.к. их изотопы - цезий-137 и стронций-90 - дают основной вклад в радиоактивность отработавшего ядерного топлива и загрязненность поверхностей оборудования, которое необходимо дезактивировать. В отличие от классической жидкостной экстракции использование в сверхкритической экстракции в качестве модификаторов селективных экстрагентов на стронций или цезий - различных краун-эфиров - не приносит ожидаемого эффекта и не обеспечивает эффективной экстракции и дезактивации. Для повышения эффективности и уменьшения времени дезактивации зачастую необходимо повышать температуру дезактивируемой поверхности, однако при использовании сверхкритической экстракции и органических растворителей это сделать сложно, т.к. происходит значительное увеличение рабочего давления и деструкция органических комплексообразователей и растворителей.

Наиболее близким по своей сущности и назначению к заявляемому, является способ дезактивации материалов (патент 2168779 G21F 9/28), основанный на том, что загрязненную радионуклидами матрицу выдерживают в камере высокого давления в среде сверхкритического растворителя в присутствии воды, органической кислоты и комплексона. После выдержки проводят прокачку камеры сверхкритическим углекислым газом для обеспечения полноты экстракции и собирают экстрагированный металл в раствор.

Недостатком данного прототипа является низкая эффективность дезактивации по отношению к прочнофиксированным и «застарелым» загрязнениям, а также большая продолжительность дезактивации.

Цель изобретения - разработка эффективного малоотходного способа, позволяющего дезактивировать материалы с высокой удельной поверхностью ипрочнофиксированными радиоактивными загрязнениями при давлениях ниже критических для используемых в процессе дезактивации растворителей.

Цель достигается тем, что поверхность дезактивируемого материала предварительно обрабатывают активированным химическими реагентами паром, а затем органическими растворителями и комплексообразователями, растворенными в сжиженных газах или низкокипящих растворителях при давлениях ниже критических.

От прототипа изобретение отличается тем, что дезактивируемую поверхность предварительно обрабатывают активированным химическими реагентами паром при этом:

1. увеличивается эффективность процесса дезактивации за счет одновременного воздействия на дезактивируемую поверхность нагретых химических реагентов и растворения отложений в сконденсировавшейся парогазовой фазе;

2. появляется возможность постоянного поддерживания повышенной температуры дезактивирующего раствора на дезактивируемой поверхности, вплоть до его температуры кипения;

3. осуществляется непрерывная смена дезактивирующего раствора на поверхности дезактивируемого материала;

4. повышается химическая активность парогазовой фазы и дезактивирующего раствора, образующегося при конденсации парогазовой фазы;

5. увеличиваются коэффициенты дезактивации в 4-30 раз по сравнением с прототипом;

6. сокращается время дезактивации в 1,5 раза

7. упрощается требования и улучшается безопасность применения способа в производстве.

Применение для дезактивации сначала активированного пара, а затем органических растворителей и комплексообразователей в сжиженных газах или низкокипящих растворителях позволяет не только повысить эффективность дезактивации, но и удалить и сконцентрировать в небольшом объеме удаленные с обрабатываемой поверхности радионуклиды.

На фиг.1 показана схема устройства дезактивации различных материалов.

Устройство для дезактивации различных материалов, загрязненных радионуклидами, включает камеру дезактивации 1, смеситель 2, емкость для дезактивирующих растворов 3, 6, ресивер сжатого воздуха 4, конденсатор 5, смотровое окно 7, испаритель 8, адсорбер 9.

Порядок использования предложенного способа заключается в следующем: в паровом смесителе 2, куда поступает химический реагент из емкости 3 в виде концентрированного водного раствора, происходит одновременно его диспергирование и разбавление за счет конденсации пара на поверхности дисперсий. Объединенная смесь поступает в камеру -дезактивации 1, предварительно разогретую до 110°С, на дезактивируемый материал. Поверхность материала нагревается паром, а дисперсии дезактивирующего раствора конденсируются на дезактивируемой поверхности. Камера дезактивации охлаждается до 8-10°С и заполняется смесью сжиженного газа из конденсатора 5, смешанного с органическими растворителями и/или комплексообразователями из емкости 6. Визуальное наблюдение за процессом заполнения смесью и циркуляцию процесса осуществляют через смотровое окно 7. Отработавшие дезактивируемые растворы и CO₂ (на регенерацию) поступают в испаритель 8 и далее на регенерацию. Сброс газообразной фазы осуществляется через адсорбер 9.

Примеры конкретного выполнения способа дезактивации.

1 Дезактивация образцов нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т по способу прототипа и предлагаемому способу

Характеристика радиоактивного загрязнения образцов нержавеющей стали с прочнофиксированным загрязнением представлена в таблице 1.

Таблица 1 Характеристика радиоактивного загрязнения образцов нержавеющей стали Образец Удельная активность, Бк/см² Pu²³⁹ Am²⁴¹ Sb¹²⁵ Eu¹⁵⁵ Cs¹³⁷ Се¹⁴⁴ Co⁶⁰ Ru¹⁰⁶ Сталь марки 12Х18Н10Т 3300 8110 15100 654 347000 110000 750 265000

Дезактивацию по способу прототипа проводили комплекеообразователем - полиэтиленгликоль с содержанием 8 г на литр жидкого диоксида углерода. Дезактивацию по предлагаемому способу проводили путем обработки образца нержавеющей стали на стадии дезактивации активированным растворами перманганата калия и азотной кислоты паром с содержанием 0,79 г/л пара и 0,35 г/л пара, соответственно. Дезактивацию в среде сжиженных газов и низкокипящих растворителей проводили составом ГФА - пиридин - вода, растворенными в диоксиде углерода. Значения коэффициентов дезактивации по контролируемым элементам для дезактивации по способу прототипа и предлагаемому способу представлены в таблице 2.

Таблица 2 Результаты опыта по дезактивации образцов нержавеющей стали Образец Коэффициент дезактивации образца Pu²³⁹ Am²⁴¹ Sb¹²⁵ Eu¹⁵⁵ Cs¹³⁷ Се¹⁴⁴ Co⁶⁰ Ru¹⁰⁶ Сталь марки 12Х18Н10Т (по способу прототипа) 960 20,4 - - 7,3 36,9 45,2 5,9 Сталь марки 12Х18Н10Т (по предлагаемому способу) 29000 612 - - 29,3 147,8 226 59

Показано, что дезактивация по предлагаемому способу протекает наиболее эффективно для редкоземельных элементов, а также для Pu²³⁹, Am²⁴¹, Со⁶⁰. Причем значения коэффициентов дезактивации от всех контролируемых радионуклидов выше в 4-30 раз, чем по способу прототипа.

2 Дезактивация по предлагаемому способу образцов латуни, загрязненных радионуклидами

Характеристика загрязненных образцов приведена в табл.3.

Таблица 3 Характеристика радиоактивного загрязнения образцов латуни Образец Удельная активность, Бк/см² Pu²³⁹ Am²⁴¹ Sb¹²⁵ Eu¹⁵⁵ Cs¹³⁷ Се¹⁴⁴ Со⁶⁰ Ri¹⁰⁶ латунь 460 11300 831 509 20300 64200 14,6 16000

Образцы латуни обрабатывали растворами, содержащими щавелевую кислоту 0,72 г/л пара и лимонную кислоту - 1,73 г/л пара. Дезактивацию в среде сжиженных газов и низкокипящих растворителей проводили составом ГФА - Пиридин - Вода, растворенным в диоксиде углерода. Значения суммарных коэффициентов дезактивации по контролируемым элементам для дезактивации по предлагаемому способу, приведены в таблице 4.

Таблица 4 Результаты опыта по дезактивации образцов латуни Образец Коэффициент дезактивации образца Pu²³⁹ Am²⁴¹ Sb¹²⁵ Eu¹⁵⁵ Cs¹³⁷ Се¹⁴⁴ Со⁶⁰ Ru¹⁰⁶ латунь 5,2 5,5 2,3 3,7 3,2 4,4 16,2 9,3

3 Дезактивация пористых материалов

В качестве высокопористого материала были использованы реально загрязненные образцы лавсановой ткани. Величины радиоактивного загрязнения образца представлены в таблице 5.

Таблица 5 Величины радиоактивного загрязнения образца ткани Образец Удельная активность образца, Бк/см² Pu²³⁹ Am²⁴¹ Sb¹²⁵ Eu¹⁵⁵ Cs¹³⁷ Се¹⁴⁴ Co⁶⁰ Ru¹⁰⁶ ткани 473 11600 621 385 19100 58900 не опеределяли 14500

Обработку ткани из лавсана на стадии дезактивации активированным паром проводили растворами щавелевой кислоты с содержанием 0,72 г/л пара и лимонной кислоты - 0,35 г/л пара. Дезактивацию образцов в среде сжиженных газов проводили смесью комплексонов ГФА-пиридин - вода, растворенной в CO₂.

Таблица 6 Дезактивация образцов лавсановой ткани Образец Коэффициент дезактивации образца Pu²³⁹ Am²⁴¹ Sb¹²⁵ Eu¹⁵⁵ Cs¹³⁷ Се¹⁴⁴ Co⁶⁰ Ru¹⁰⁶ ткани 185 39,1 1,9 73,3 4,1 34,6 6,1 3,2

Для повышения коэффициентов дезактивации можно проводить обработку дезактивируемой поверхности в среде активированного пара и в растворах комплексообразователей в сжиженных газах и растворителях циклично: чередуя обработку в паре и в сжиженных растворителях.

Общее количество жидких отходов, образующихся при дезактивации комбинированным методом, составило 0,5-0,8 мл на 1 дм² площади поверхности дезактивируемого материала. Количество отходов, образующихся на стадии паровой дезактивации, составило 8-19% от общего количества отходов. Органическая и водная фазы в жидких отходах находятся приблизительно в соотношении 1:3. Органические отходы образуются только на стадии дезактивации в среде жидкого диоксида углерода. Полученное количество жидких радиоактивных отходов позволяет отнести комбинированный метод дезактивации к маловодным технологиям.

Изобретение относится к ядерной технике и технологии, к дезактивации различных материалов, загрязненных радионуклидами. В заявленном способе дезактивацию проводят в две стадии: на первой стадии в разогретую до 110°C камеру дезактивации с загрязненными материалами подают пар, активированный химическими реагентами, на второй стадии охлаждают камеру дезактивации и проводят обработку дезактивируемого материала растворами органических растворителей и комплексообразователей в среде сжиженных газов или низкокипящих растворителей. Способ может включать использование последовательно нескольких циклов обработки, чередуя первую и вторую стадии. Технический результат изобретения заключается в повышении эффективности дезактивации, увеличении коэффициентов очистки в 4-30 раз по сравнению с одностадийным способом дезактивации в сверхкритических флюидах, в уменьшении рабочего давления, объема жидких радиоактивных отходов и сокращении времени дезактивации в 1,5 раза. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 6 табл.

1. Способ дезактивации различных материалов от радиоактивного загрязнения, включающий выдержку дезактивируемого материала в камере высокого давления в среде сжиженного газа или низкокипящего растворителя, отличающийся тем, что дезактивацию проводят в две стадии, где на первой проводят дезактивацию материала активированным химическими реагентами паром, а на второй - в среде органических растворителей и комплексообразователей, растворенных в сжиженных газах или низкокипящих растворителях.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что рабочее давление при проведении дезактивации ниже критического для используемых при дезактивации растворителей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что повышение коэффициентов дезактивации достигается за счет цикличного использования обеих стадий.