СПОСОБ ОЧИСТКИ ОБЛУЧЕННОГО БЕРИЛЛИЯ ОТ РАДИОАКТИВНЫХ ПРИМЕСЕЙ Российский патент 2014 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при утилизации, захоронении и рефабрикации облученных изделий из бериллия, таких как, например, отражатель нейтронов ядерных и термоядерных реакторов.

Изделия из бериллия после исчерпания эксплуатационного ресурса выгружают из реактора и перемещают в хранилище высокоактивных отходов. Однако хранилище высокоактивных отходов, в основном предназначенное для захоронения облученных тепловыделяющих сборок с ядерным топливом, имеет ограниченный объем и высокую стоимость захоронения. Кроме того, стоимость самого бериллия достаточно высока (~1500 $/кг). Поэтому целесообразнее проводить очистку облученного бериллия от радиоактивных примесей для того, чтобы повторно его использовать.

В настоящее время известен способ переработки облученного бериллия, заключающийся в снижении радиоактивности изделий из облученного бериллия химическим способом с помощью следующих операций: удаление поверхностных загрязнений, удаление трития, растворение в соляной кислоте, добавление азотнокислого лантана и едкого натра, удаление осажденных радиоактивных примесей и добавление аммиака для осаждения бериллия из раствора [пат. РФ №2363060 от 08.10.07].

Однако данный способ не обеспечивает эффективного удаления радиоактивных примесей из облученного бериллия, поскольку экспериментально показано, что за каждый цикл очистки удельная гамма-активность облученного бериллия уменьшается примерно в 2 раза.

Задачей заявляемого способа является снижение радиоактивности высокоактивных отходов бериллия до необходимой степени чистоты для его рефабрикации и повторного использования.

Для решения поставленной задачи способ очистки облученного бериллия от радиоактивных примесей включает удаление трития, растворения бериллия в кислоте, добавляют в раствор комплексообразователь, затем добавляют раствор аммиака до образования осадка, переводят аморфную форму осадок гидроокиси бериллия в кристаллическую альфа- или бета-форму, отделяют и промывают осадок.

В качестве комплексообразователя используют диэтилентриаминпентауксусную кислоту (ДТПА) или этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА) с концентрацией до 0,02 моль на 1 моль облученного бериллия.

Вводят водный раствор аммиака в раствор облученного бериллия до pH≥7.

Перевод гидроокиси бериллия в кристаллическую форму осуществляют в растворе аммиака старением в течение более 6 месяцев или кипячением раствора в течение ≈24 ч.

Для растворения бериллия используется кислота, например соляная или серная.

Введение в раствор комплексообразователя до концентрации 0,02 моль на 1 моль облученного бериллия позволяет образовывать устойчивые растворимые комплексы с радиоактивными элементами, находящимися в растворе. Указанное соотношение концентрации комплексообразователя наиболее оптимально с точки зрения процесса образования комплексов с радиоактивными примесями. При концентрации комплексообразователя менее 0,02 моль/1 моль облученного бериллия процесс образования комплексов происходит не полностью, часть примесей остается несвязанной, при концентрации его более 0,02 моль/1 моль облученного бериллия все примесные элементы в растворе оказываются связанными, поэтому дальнейшее увеличение концентрации является нецелесообразным.

При введении раствора аммиака до pH≥7 в раствор бериллия последний выпадает в осадок в форме гидроокиси (Be(OH)₂) в виде аморфной структуры. При pH<7 часть бериллия остается в растворенном состоянии.

Перевод гидроокиси бериллия в кристаллическую модификацию необходим потому, что в этой форме гидроокись бериллия обладает значительно меньшей адсорбционной способностью по сравнению с аморфной. Кристаллическую модификацию гидроокиси бериллия получают из аморфной выдержкой в растворе аммиака при комнатной температуре в течение более 6 месяцев, которую можно ускорить кипячением раствора в течение ~24 часа.

Далее производят отделение осадка гидроокиси бериллия от раствора с помощью центрифугирования или фильтрования. После этого осадок промывают дистиллированной водой объемом, более чем в 3 раза превышающим объем осадка гидроокиси бериллия. При меньшем объеме промывки эффективность удаления оставшегося после центрифугирования или фильтрования радиоактивного раствора от кристаллов бериллия недостаточна.

При необходимости повторно растворяют полученный осадок гидроокиси в кислоте и проводят через указанные выше этапы очистки. Процедура повторного прохождения полного цикла очистки может быть проведена необходимое количество раз до получения бериллия требуемой чистоты.

Таким образом, способ обеспечивает эффективную очистку облученного бериллия с высокой удельной активностью до низкой удельной активности.

Заявляемый способ реализован следующим образом.

Данный способ был использован для очистки фрагмента бериллиевого отражателя реактора СМ, отработавшего свой ресурс в исследовательском реакторе СМ. Накопленный флюенс нейтронов составил 6·10²² см (Е>0.1 МэВ). Удельная гамма-активность фрагмента составляла 3.4·10⁷ Бк/г, что является высокоактивными отходами по классификации ОСПОРБ-99/2010. Фрагмент загружали в емкость из термостекла, имеющего герметично закрываемую крышку с выводом для газов и вводом для подачи реактивов. Вывод для газов соединяли с жидкостью для улавливания трития (гидрозатвор), выделяющегося при растворении. Вводили раствор соляной кислоты до полного растворения бериллиевого фрагмента и рН 1. Затем с помощью подачи малого количества аммиака доводили pH раствора до ~3. После этого вводили комплексообразователь ДТПА до концентрации 0,02 моль/1 моль облученного бериллия. Далее добавляли раствор аммиака (концентрация 13%) в объеме, в 2 раза превышающем объем, необходимый для доведения раствора до рН 7. После этого проводили выдерживание полученного раствора в течение 24 ч при температуре ~73°C для перевода аморфной формы осадка гидроокиси бериллия в кристаллическую форму. Затем проводили отделение осадка гидроокиси бериллия от аммиачного раствора с помощью центрифуги. Далее отделенный осадок гидроокиси бериллия промывали дистиллированной водой объемом, в 10 раз превышающим объем осадка. Отделение осадка гидроокиси бериллия от промывного раствора также проводили на центрифуге. В результате очистки была получена гидроокись бериллия с удельной гамма-активностью 7.9·10⁴ Бк/г (коэффициент очистки порядка 4·10²), т.е. на уровне среднеактивных отходов по классификации ОСПОРБ-99/2010.

Осадок гидроокиси бериллия из примера был растворен в соляной кислоте и повторно проведен через все этапы очистки. Данную процедуру повторили дважды. В результате за 3 цикла очистки была получена гидроокись бериллия с удельной активностью ~1·10³ Бк/г (коэффициент очистки порядка 3·10⁴), т.е. на уровне низкоактивных отходов по классификации ОСПОРБ-99/2010.

Таким образом, заявляемый способ очистки облученного бериллия от радиоактивных примесей позволяет снизить его радиоактивность до необходимой степени чистоты, что дает возможность его рефабрицировать и использовать повторно.

Заявленное изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано при утилизации, захоронении и рефабрикации облученных изделий из бериллия, таких как, например, отражатель нейтронов ядерных и термоядерных реакторов. В заявленном способе из облученного бериллия удаляют тритий, растворяют бериллий в кислоте, добавляют комплексообразователь (преимущественно диэтилентриаминпентауксусную кислоту (ДТПА) или этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА)), добавляют аммиак для выпадения осадка гидроокиси бериллия, переводят аморфную форму осадка гидроокиси бериллия в кристаллическую, например, продолжительным нагреванием в растворе аммиака, отделяют аммиачный раствор от осадка гидроокиси бериллия центрифугированием или фильтрованием. Отделенный осадок гидроокиси бериллия может быть повторно растворен в кислоте и проведен через данные этапы очистки до получения необходимой степени чистоты. Техническим эффектом является снижение радиоактивности высокоактивных отходов бериллия, что позволяет его рефабрицировать и использовать повторно. 3 з.п. ф-лы.

1. Способ очистки облученного бериллия от радиоактивных примесей, характеризующийся тем, что удаляют тритий, после чего растворяют бериллий в кислоте, добавляют комплексообразователь, затем добавляют раствор аммиака до образования осадка гидроокиси бериллия, переводят аморфную форму осадка гидроокиси бериллия в кристаллическую альфа- или бета-форму, отделяют и промывают осадок.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что для образования гидроокиси бериллия используют водный раствор аммиака, который добавляют до pH≥7

3. Способ по п.1, характеризующийся тем, что добавляют комплексообразователь диэтилентриаминпентауксусную кислоту (ДТПА) или этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА) с концентрацией до 0,02 моль на 1 моль облученного бериллия.

4. Способ по п.1, характеризующийся тем, что перевод гидроокиси бериллия в кристаллическую форму осуществляют в растворе аммиака выдержкой в течение более 6 месяцев или кипячением раствора в течение ≈24 ч.