СПОСОБ УЛАВЛИВАНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ЛЕТУЧИХ ФОРМ РАДИОАКТИВНОГО ЙОДА ИЗ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЫБРОСОВ Российский патент 2014 года по МПК G21F9/02 

Изобретение относится к атомной энергетике и экологии. Оно направлено на предупреждение возможных загрязнений окружающей среды и отравления населения радиоактивными веществами.

При авариях на ядерно-энергетических установках (ЯЭУ), сопровождающихся нарушением целостности защитной оболочки и самого реактора, в окружающее воздушное пространство происходит выброс газообразной фазы, содержащей воздух, пары воды, водорода и летучих продуктов деления.

Основными летучими продуктами деления ядерного горючего являются благородные газы, йод, цезий и йод в виде соединения C_sI. Особую опасность представляет долгоживущий йод-129 с периодом полураспада 1,5·10⁷ лет. Такие выбросы создают экологические катастрофы глобального масштаба (аварии на АЭС в гг. Чернобыль, Фукусима). Общая площадь радиационного загрязнения на Украине в результате катастрофы составляет 50 тысяч квадратных километров в 12 областях.

Известен способ улавливания летучих форм радиоактивного йода и сорбционный материал для улавливания радиоактивного иода (патент RU №2174722, от 05.07.1999). Способ осуществляется путем пропускания газового потока через сорбционный материал на углеродной или неорганической основе, пропитанный комплексным соединением йодидциклоамина двухвалентного металла.

К недостаткам данного способа относится необходимость локализации радиоактивного потока и пропускание его через фильтрующие устройства, что при аварийных ситуациях крайне затруднительно, учитывая быстротечность аварии и большие объемы выбросов.

Известен способ кондиционирования радиоактивного йода, в частности йода-129, с использованием апатита в качестве удерживающей матрицы (патент RU №2160993 от 06.11.1995). Способ осуществляется путем пропускания газового потока, содержащего йод-129, через композиционные твердые материалы, изготовленные на основе апатита и гидроксиапатита с целью улавливания йода-129.

Недостатками данного способа является то, что газовый поток необходимо уловить и пропускать через фильтры из данного сорбента, сложность приготовления многокомпозиционного сорбента, высокая стоимость, стационарность конструкции.

Известен способ улавливания радионуклидов из газовой фазы (патент RU №2084027 от 16.09.1993).

Способ заключается в том, что в газовую фазу вводят смесь аммиака, галогеноводорода и сернистого газа в мольном отношении 1,1:1,0:0,05, при этом объемное отношение смеси этих газов к газовой фазе составляет 1:120 - 1:80. В загрязненной газовой фазе образуется осадок галогенида аммония и сульфита аммония, который захватывает радионуклиды из газовой фазы, преимущественно цезий и йод.

Недостатком данного процесса являются многостадийность, длительность и необходимость улавливания загрязненного сорбента в фильтрующих устройствах.

Известен способ осаждения вредных аэрозолей - патент RU №2231146, который принят за прототип.

Способ осуществляется следующим образом. Образуют аэрозольное облако реагента, включая генерацию аэрозоля реагента и электрическую зарядку аэрозоля реагента, формируют несущий поток заряженного аэрозоля реагента и направляют его с возможностью образования облака заряженного реагента, накрывающего перемещающийся объем вредных аэрозолей, с электростатическим осаждением вредных аэрозолей.

Недостатки способа:

- нет вещественного состава аэрозольного облака;

- способ технически сложно осуществим;

- требуется сложное аппаратурное обеспечение (СВЧ-генераторы и др.) и большой объем оборудования;

- стационарность конструкции;

- высокая стоимость работ.

Задача предлагаемого способа - защита окружающей среды от возможных радиоактивных выбросов путем улавливания и локализации их летучих форм.

Поставленная задача достигается тем, что улавливание и локализация летучих форм радиоактивного йода из газообразных выбросов производится ультрадисперсным сорбентом, поглощающим йод. Ультрадисперсный сорбент представляет собой частицы технического углерода, образующиеся непосредственно в очаге газового выброса путем сжигания органических материалов, дающих коптящее пламя. Полученный радиоактивный сорбент осаждается и локализуется на прилегающей к очагу аварии территории путем орошения газового выброса мелко распыленной водой.

На фиг.1 показана схема установки для нанесения технического углерода на подложку - путанку из измельченной алюминиевой фольги.

На фиг.2 показана схема установки для сорбции фиолетовых паров йода техническим углеродом, нанесенным на измельченную фольгу из алюминия.

В Таблице отражены результаты опытов определения количества йода, сорбированного техническим углеродом.

Установка для нанесения технического углерода на подложку из измельченной алюминиевой фольги (Фиг.1) содержит стакан 1, выполненный из термостойкого стекла, подложку 2 из измельченной фольги алюминия, укрепленной в стакане проволочной подвеской 3, и кусочков из подожженной резины 4.

Последовательность проведения операций по нанесению технического углерода на подложку из алюминиевой фольги

1. Куски резины из автомобильной камеры весом 20 г поджигаются и опускаются на дно стакана 1.

2. Подложку из алюминиевой фольги весом 2-3 г на проволочной подвеске 3 опускают в стакан, наполненный клубами черного дыма - частицами технического (ТУ) углерода.

Через 1-2 минуты подложку из алюминиевой фольги, покрытую слоем ТУ, извлекают из стакана 1, охлаждают и взвешивают. По разности весов подложки после нанесения ТУ и до нанесения определяют вес ТУ, находящегося на подложке.

Установка для определения количества йода, сорбированного техническим углеродом (Фиг.2), содержит сосуд 5, выполненный из термостойкого стекла, подложку 6 из измельченной алюминиевой фольги с нанесенным слоем технического углерода, расположенную на проволочной подвеске 7, и навески йода 8, расположенной на дне сосуда 5.

Последовательность проведения операций по определению количества йода, сорбированного ТУ

1. Навеску кристаллического йода 2-3 г помещают в стакан 5.

2. Стакан помещают на нагреватель 9.

3. Навеску йода нагревают до температуры интенсивной сублимации - температуру йода контролируют термопарой 10.

4. После заполнения стакана 5 фиолетовыми парами йода в стакан на проволочной подвеске 7 опускают подложку 6 из измельченной алюминиевой фольги с нанесенным слоем технического углерода.

5. После одной минуты выдержки подложку 6 вынимают из стакана, охлаждают и взвешивают. По разности весов подложки после сорбции йода на технический углерод и до сорбции определяется количество йода, сорбированное техническим углеродом. Результаты опытов сведены в Таблицу.

Технический углерод (ТУ) - сажа - высокодисперсный продукт термического или термоокислительного разложения углеводородов содержится в природе и промышленных газах, нефтяных и каменноугольных маслах. Плотность 1,76-1,95 г/см³. Состоит главным образом из углерода (не менее 90%), содержит до 5% хемосорбированного O₂, до 0,8% - H₂, до 1,1% - S и до 0,45% - минеральных примесей. За исключением кислорода примеси равномерно распределены в объеме частиц ТУ. Кислород находится преимущественно на поверхности частиц, входя в состав функциональных групп (COOH, C=O и т.д.), связанных с углеродным скелетом сажи.

Дисперсные единицы ТУ первичные агрегаты - гроздевые образования сферических частиц представляют собой единую «параграфитовую структуру», включающую углеродные полимерные соли различной степени упорядоченности (от двухмерных полицикличных образований до относительно крупных графитоподобных кристаллитов).

Основные характеристики ТУ, определяемые качеством сырья и способом получения: средний диаметр частиц 40-50 нм; удельная адсорбционная поверхность до 1000 м²/г, число частиц до 10⁸ частиц/см³.

Твердые частицы ТУ за счет своей ультрадисперсности обладают колоссальной сорбирующей способностью (Химическая энциклопедия, т. 4, М. 1995, с.1114-1115).

Реализация изобретения

В нижнюю отметку очага аварии с помощью летательных аппаратов, кранов, роботов и др. средств дистанционно вводят источники ТУ - горящие отработанные резино-технические изделия, например шины, емкости с горящим мазутом, гудроном и др. Образующийся черный дым - частицы ТУ - входят в контакт с газовым шлейфом выброса, при этом частицы ТУ, обладая высокой удельной сорбирующей способностью, сорбируют радионуклиды, в частности йод, и сами становятся радиоактивными.

Для осаждения частиц радиоактивного ТУ шлейф выброса орошается мелко распыленной водой, желательно холодной.

За счет воды температура и объем газов шлейфа снижаются, частицы ТУ, смоченные водой, утяжеляются и осаждаются на территории, прилегающей к очагу аварии. Происходит процесс, подобный грязевым дождям в природе.

Преимущества предлагаемого способа - сорбент - мелкодисперсные частицы ТУ вводятся непосредственно в объем газового выброса простым способом, не требующим сложного оборудования. Для проведения улавливания и локализации радионуклидов не требуются фильтры, а используемые материалы доступны, с низкой себестоимостью.

В Таблице отражены результаты опытов по сорбции йода на ТУ.

Принятые обозначения:

G₁=вес подложки до нанесения ТУ, г;

G₂=вес подложки с нанесенным ТУ, г;

G₃=(G₂-G₁) - вес нанесенного на подложку ТУ, г;

G₄=вес подложки с ТУ и сорбированным йодом, г.;

G₅=(G₄-G₂) - вес поглощенного йода ТУ, г;

G₆=G₅/G₃ - удельная емкость ТУ по йоду, г/г.

Таблица № опыта G₁ G₂ G₃ G₄ G₅ G₆ 1 2,8252 2,8299 0,0047 2,8864 0,0565 12,0 2 1,6400 1,6425 0,0025 1,6716 0,0291 11,6 3 3,4422 3,4480 0,0058 3,5215 0,0735 12,7

Среднее значение сорбционной емкости ТУ по йоду 12,1 г/г.

Полученные результаты указывают на то, что сорбция йода на ТУ проходит успешно.

Изобретение относится к атомной энергетике и экологии и может быть использовано при авариях на АЭУ, сопровождающихся нарушением целостности защитной оболочки и самого реактора, когда в окружающее воздушное пространство происходит выброс радионуклидов, продуктов деления ядерного топлива, когда особую опасность представляет йод-129 с периодом полураспада 1,5-10⁷ лет. В заявленном способе радиоактивный йод улавливают на сорбенте - техническом углероде, который образуется путем сжигания органических материалов (шин, гудрона, мазута и т.д.) и появления в очаге аварии коптящего пламени. Затем технический углерод, сорбировавший радиоактивный йод из газообразных выбросов, орошают мелко распыленной водой. Технический углерод осаждается на территории, прилегающей к очагу аварии. Техническим результатом является повышение эффективности локализации летучих форм радиоактивного иода из газообразных выбросов. 2 ил., 1 табл.

Способ улавливания и локализации летучих форм радиоактивного йода из газообразных выбросов, в котором частицы технического углерода - твердый ультрадисперсный сорбент, получаемый сжиганием органических материалов, дающих коптящее пламя в очаге выброса, сорбируют радиоактивный йод, осаждаются и локализуются на прилегающей к очагу аварии территории путем орошения газообразных выбросов мелко распыленной водой.