СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ АКТИВНОСТИ ПРОБЫ ВОДНОГО РАСТВОРА ПО Со И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G21F9/30 G01T1/178 

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использована для оценки и контроля радиационно-экологической обстановки на АЭС и радиохимических производствах, в ходе переработки радиоактивных отходов, а также в районах ядерных аварий на суше и на море.

На сегодняшний день в России накоплен огромный объем жидких радиоактивных отходов (ЖРО) ~210⁵ м³, емкости временного хранения ЖРО на ряде АЭС близки к заполнению. Например, на Ленинградской АЭС они заполнены ~ на 96%. Поэтому в ближайшее время намечается начать переработку ЖРО по малоотходной технологии, в ходе которой планируется удалять последовательно изотопы ⁶⁰Co и радиоактивного цезия. Для проверки эффективности удаления ⁶⁰Co необходимо устройство, позволяющее экспрессно определять его удельную активность на фоне значительно более высокой удельной активности изотопов цезия ¹³⁴Cs.

Известен способ определения радионуклидов в жидких средах и устройство для регистрации экзоэлектронной эмиссии. Способ заключается в предварительной обработке вещества детектора в бидистиллированной воде, сушке в вакууме с одновременным высвечиванием световым потоком с длиной волны от 260 нМ, но не более 300 нМ, экспонировании вещества детектора в радионуклидсодержащей жидкой среде с последующей вакуумной сушкой и световой обработкой вещества детектора сфокусированным световым потоком при постоянно меняющейся от 300 нМ до 600 нМ длине волны с одновременным проведением радиометрических измерений экзоэлектронной эмиссии. Устройство содержит баллон с инертным газом, проточный счетчик Гейгера-Мюллера, снабженный диафрагмой и световодом с встроенным в него многоигольчатым анодом, имеющим на конце порошкообразный наконечник, а также источник света, фокусирующую линзу и блок регистрации интенсивности экзоэлектронной эмиссии (RU 93028128, G01T 1/28, G01T 1/24, опубл. 20.04.1996).

Недостатком этого способа является невозможность определить количественный состав радиоактивных веществ, если их содержание незначительно на фоне большого количества других радионуклидов.

Известен способ очистки кубовых остатков жидких радиоактивных отходов от радиоактивного кобальта и цезия путем окисления кубового остатка и выделения активированных продуктов коррозии фильтрацией, отличающийся тем, что в кубовый остаток дозируют перекись водорода и пропускают его многократно в режиме циркуляции через трубчатый реактор, воздействуя на кубовый остаток жестким ультрафиолетовым излучением, процесс ведут при значении pH раствора 7÷10 и температуре 45÷98°C, после отделения микрофильтрацией шлама, содержащего радиоактивный кобальт, железо, марганец, в фильтрат одновременно вводят растворы диэтилдитиокарбаматов щелочных металлов и солей переходных металлов при тех же значениях pH и температуры с последующим выделением микрофильтрацией образовавшегося осадка диэтилдитиокарбаматов переходных металлов с радиоактивным кобальтом, а радиоактивный цезий выводят на ионоселективных сорбентах ступенчато противоточным методом с удалением отработавших сорбентов микрофильтрацией совместно с диэтилдитиокарбаматом кобальта (RU 2467419, G21F 9/30, опубл. 20.11.2012). Но в этом решении не предусмотрен оперативный контроль содержания радиоактивных веществ в кубовом остатке.

В основу изобретения положена задача создания способа измерения активности пробы водного раствора кубового остатка по Co₆₀, в котором за счет устранения эффекта измерения радиоактивности от интенсивных фракций радиоактивных веществ в кубовом остатке осуществляется возможность определения радиоактивности по ⁶⁰Co при условии его низкого содержания в растворе в процессе химической обработки раствора и его фильтрации и тем самым повысить эффективность и скорость измерения, что, в конечном итоге, приводит к ускорению переработки кубового остатка. Это связано с тем, что после завершения каждой стадии переработки кубового остатка, перед поступлением на следующую стадию, происходит проверка остаточного содержания ⁶⁰Co и, пока оно не установлено, следующая стадия не начинается.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что в способе измерения удельной активности пробы раствора кубового остатка по Co₆₀ с использованием очистки остатка от цезия путем ионоселективной сорбции и фильтрации кубовый остаток подают в измерительную емкость, затем в емкость подают ферроцианид калия и нитрат никеля и осуществляют процесс ионоселективной селекции, затем раствор подают на основной мембранный фильтр с размером пор не менее 0.2 мкм и затем подают отфильтрованный раствор обратно в емкость, при этом включают радиометрическое устройство, размещенное в емкости, и определяют значение радиоактивности; затем повторяют процесс, начиная со стадии фильтрации, до тех пор, пока значение радиоактивности не перестает уменьшаться по сравнению с первоначальным значением, затем измеренное значение радиоактивности проверяют при помощи подключения вместо основного мембранного фильтра контрольного с таким же размером пор и повторяют стадию фильтрации, и за истинное значение радиоактивности принимают меньшее значение, достигнутое при фильтрации на основном и контрольном мембранных фильтрах.

В системе измерения удельной активности пробы раствора кубового остатка по ⁶⁰Co, содержащей емкость для ионоселективной сорбции с электромагнитными клапанами, соединенными с трубопроводной системой для подачи исследуемой жидкости и реагентов, снабженную насосом и электромагнитными клапанами первую рециркуляционную трубопроводную систему и вторую рециркуляционную трубопроводную систему с мембранным фильтром, соединенную с емкостью, автоматическую систему промывки, дезактивации и очистки фильтров, блок управления, вторая рециркуляционная трубопроводная система снабжена третьей соединенной с емкостью рециркуляционной трубопроводной системой, снабженной дополнительным мембранным фильтром, в емкости размещено радиометрическое устройство для определения удельной активности, а в блок управления включен модуль сравнения показаний радиометрического устройства.

Достижение поставленной технической задачи в предлагаемом изобретении обеспечивается тем, что измерения проводят в режиме рециркуляции в трубопроводной системе, добиваясь того, чтобы показания радиоактивности перестали изменяться, что указывает на то, что из кубового остатка в процессе ионоселективной сорбции удален цезий, и тогда возможно определить значение удельной активности ⁶⁰Co, содержание которого в растворе исходно мало. Дополнительный фильтр обеспечивает проверку правильности дозировки реагентов для соосаждения цезия и степени загрязнения основного фильтра. Если достигнутый уровень радиоактивности после дополнительной фильтрации ниже уровня радиоактивности после основной фильтрации, то за истинный принимается более низкий уровень, и это является основанием для замены основного фильтра вследствие потери его работоспособности. Дополнительным техническим результатом является использование одной и той же емкости для ионоселективной сорбции и для определения удельной активности раствора по ⁶⁰Co, а также совмещение функций большей части трубопроводов и клапанов для процессов ионоселективной сорбции и фильтрации раствора, что приводит к тому, что до минимума сокращается количество застойных зон, где возможно накопление радиоактивных осадков, приводящих к ошибкам радиометрических измерений и, соответственно, к ошибкам измерений удельной активности, а также приводит к значительному удешевлению устройства.

Изобретение поясняется фиг.1, на которой показана принципиальная схема системы для измерения удельной активности пробы по ⁶⁰Co, если в пробе содержится ^137,134Cs с концентрацией примерно 1-3 мкг/литр.

Система измерения удельной активности пробы водного раствора кубового остатка по ⁶⁰Co содержит емкость A1, соединенную с трубопроводной системой для подачи исследуемой жидкости и реагентов, находящихся в емкостях A2 и A3, включающую насосы Н1, Н2 и Н3, клапаны Кл1-Кл6 и трубопроводы Т1-Т3; первую рециркуляционную трубопроводную систему, содержащую насос Н4, клапаны Кл8-Кл9, трубопровод Т4, и вторую рециркуляционную систему, содержащую клапаны Кл10, Кл11, Кл12, трубопровод Т5 и фильтр Ф1. Обе рециркуляционные системы соединены с емкостью A1.

Вторая рециркуляционная трубопроводная система снабжена дополнительной соединенной с емкостью A1 третьей рециркуляционной трубопроводной системой, содержащей клапан Кл15 и трубопровод Т6 и снабженной дополнительным мембранным фильтром Ф2.

Электромагнитные клапаны Кл5 и Кл6 для подачи реагентов соединены с устройствами Н2 и Н3, задающими дозу реагентов, подающихся из емкостей A2 и A3. В емкости А1 размещено радиометрическое устройство Д1 для определения удельной активности, а в блок управления включен модуль сравнения показаний радиометрического устройства (не показаны).

Автоматическая система промывки содержит клапан Кл7 и выполнена с возможностью запитки от магистрали. Система дезактивации включает емкость A4 с дезактивационным раствором и насос Н5. Система очистки фильтров содержит накопительную емкость A5 и клапаны Кл12-Кл16.

Способ измерения активности пробы водного раствора кубового остатка по ⁶⁰Co поясняется на основе работы приведенной на фиг.1 системы. На фиг.2 приведен алгоритм работы устройства измерения активности пробы по ⁶⁰Co.

Для отбора пробы через трубопровод Т1 отводящий раствор для измерения активности при помощи насоса Н1, через клапан Кл1, трехходовой клапан Кл3 (вход 1) и клапан Кл4 поступает в измерительную емкость A1 до момента срабатывания датчика верхнего уровня LA. При этом клапан Кл2 закрыт. По срабатыванию датчика верхнего уровня закрывается клапан Кл4. В клапане Кл8 вход 1 соединен с выходом 2. В клапане Кл9 вход 1 соединен с выходом 2. Таким образом заполняется также насос Н4 и трубопроводы, через которые происходит циркуляция раствора через емкость A1.

Загрузка реагентов осуществляется при помощи насосов Н2 и Н3 или самотеком через трубопроводы Т2 или Т3. При помощи насоса Н2 через клапан Кл5 в емкость A1 подается реагент ферроцианид калия. Дозировка реагента задается временем, на которое открывается клапан Кл5. Затем при помощи насоса Н3 или самотеком через клапан Кл6 в емкость A1 подается реагент нитрат никеля. Дозировка осуществляется так же, как и для ферроцианида калия.

Процесс ионоселективной сорбции производится следующим образом. Включается насос Н4. В течение 15 минут растворы циркулируют через емкость A1 по трубопроводу Т4 в первой рециркуляционной системе, где происходит химическая реакция между раствором кубового остатка и реагентами с целью получения нерастворимых соединений цезия.

Затем производится фильтрация во второй рециркуляционной трубопроводной системе, для чего в клапане Кл9 вход 1 переключается на выход 3 и содержимое емкости A1 при помощи насоса Н4 поступает через клапан Кл10 на мембранный фильтр Ф1, а после него через клапана Кл12 и Кл11 и трубопровод Т5 обратно в емкость A1.

Включается радиометрическое устройство, датчик которого Д1 находится внутри емкости A1. Процесс фильтрации продолжается до тех пор, пока уровень активности, определяемый радиометрическим устройством, не выйдет на постоянный уровень. Значение установившегося уровня позволяет измерить удельную активность раствора по ⁶⁰Co. Для проверки измеренного уровня удельной активности производится дополнительная фильтрация через фильтр Ф2 в третьей рециркуляционной трубопроводной системе. Для этого в клапане Кл10 вход 1 соединяется с выходом 3. Через выход 3 раствор подается на вход фильтра Ф2. С выхода фильтра Ф2 через клапан Кл15 (вход 1, выход 2), трубопровод Т6 и клапан Кл11 (вход 2, выход 3) раствор подается через трубопровод Т5 обратно в измерительную емкость A1.

По окончании фильтрации в клапане Кл9 вход 1 соединяется с выходом 2. Насос Н4 выключается.

Если уровень активности равен установившемуся при предыдущей фильтрации, то его значение принимается за истинное. Если уровень активности, установившийся после второй фильтрации, будет меньше, то его значение принимают за истинное. Уменьшение уровня активности после второй фильтрации свидетельствует о насыщении фильтра Ф1 и необходимости его промывки или замены.

Для слива анализируемого раствора из измерительной системы в клапане Кл8 соединяют вход 1 с выходом 3 и включают насос Н4. Раствор сливается в предназначенный для слива трубопровод. По окончании слива в клапане Кл8 вход 1 соединяется с выходом 2.

Все описанные выше процедуры выполняются автоматически под управлением блока управления.

Окончанием процедуры измерения является промывка и дезактивация оборудования измерительной системы.

Для промывки водой в системе предусмотрено соединение с магистралью воды при давлении 2-3 атм. Промывка осуществляется при соединении в клапане Кл7 входа 2 - с выходом 3, а в клапане Кл3 входа 2 с выходом 3. Через клапана Кл7 и Кл3 вода из магистрали поступает в емкость A1, прилегающие трубопроводы и насос Н4. Затем в клапане Кл3 вход 1 соединяется с выходом 3, включается насос Н4 и осуществляется циркуляция воды через емкость A1. Промывка осуществляется до снижения радиационного уровня, измеряемого датчиком Д1, ниже установленного. По окончании промывки вода сливается в предназначенный для слива трубопровод. Если промывка не дала положительного результата, в системе предусмотрено проведение дезактивации.

Дезактивация производится аналогично промывке, но вместо водяной магистрали подключается трубопровод, подводящий дезактивационный раствор из емкости A4. Раствор подается при помощи насоса Н5. При этом в клапане Кл7 вход 1 соединяется с выходом 3. По окончании дезактивации раствор сливается в предназначенный для слива трубопровод.

Промывка и дезактивация оборудования осуществляются по жесткому алгоритму автоматически. Управление процессом осуществляется блоком управления.

На этом процесс измерения активности пробы заканчивается.

В процессе работы мембранных фильтров в них происходит накопление соединений цезия, поэтому фильтры Ф1 и Ф2 необходимо периодически очищать. Для этого в системе предусмотрена система очистки фильтров обратной промывкой. Система состоит из накопительной емкости A5 и системы трехходовых и двухходовых клапанов Кл12, Кл15, Кл13, Кл14 и Кл16. Система работает следующим образом. В емкости A5 накапливается некоторый объем воды при давлении 2-3 атм. При закрытом сливном клапане (Кл13 или Кл14) вход фильтра соединяется через клапаны 12 или 15 с емкостью A5. Затем сливные клапаны (Кл13 или Кл14 в зависимости от промываемого фильтра) открываются. Производится импульсная промывка фильтра в обратном направлении. Накопленные в фильтре осадки вымываются током воды через сливной клапан в предназначенный для слива трубопровод. Процедура очистки фильтров работает следующим образом.

Для очистки фильтра Ф1 в клапане Кл10 вход 1 соединяют с выходом 3. В клапане Кл12 вход 1 соединяют с выходом 2. Открывается клапан Кл16. Клапан Кл13 закрыт. Емкость A5 и присоединенный к ней фильтр Ф1 заполняется водой при давлении 2-3 атм. Клапан Кл16 закрывается. Открывается клапан Кл13. Через образовавшийся проход вода из емкости A5 под давлением протекает через фильтр Ф1 в обратном направлении и попадает в предназначенный для слива трубопровод. При необходимости процедура проделывается несколько раз. Затем закрывается клапан Кл13. В клапане Кл12 вход 1 соединяется с выходом 3. Процедура очистки фильтра Ф1 закончена.

Для очистки фильтра Ф2 открывают клапан Кл16. Клапан Кл14 закрыт. В клапане Кл10 вход 1 соединен с выходом 2. В клапане Кл15 вход 1 соединяется с выходом 3. Емкость A5 и присоединенный к ней фильтр Ф2 заполняется водой при давлении 2-3 атм. Клапан Кл16 закрывается. Открывается клапан Кл14. Через образовавшийся проход вода из емкости A5 под давлением протекает через фильтр Ф2 в обратном направлении и попадает в предназначенный для слива трубопровод. При необходимости процедура проделывается несколько раз. Затем закрывается клапан Кл14. В клапане Кл15 вход 1 соединяется с выходом 2. Процедура очистки фильтра Ф2 закончена. Процедура промывки фильтров выполняется автоматически под управлением блока управления.

Предложенные способ и устройство опробованы на кубовом остатке радиоактивных отходов Ленинградской АЭС. Экспериментально установлено, что при осуществлении ионоселективной сорбции концентрация ферроцианида калия в растворе, подаваемом в кубовый остаток, должна составлять 200 грамм на литр (5 мл на 1 литр кубового остатка), а нитрата никеля - 500 грамм на литр (2 мл на 1 литр кубового остатка); время осуществления ионоселективной сорбции - 15 минут. Эти параметры были признаны оптимальными по результатам стендовых испытаний по выделению радиоактивного кобальта из кубового остатка на Ленинградской АЭС.

Изобретение относится к ядерной энергетике и может быть использовано для оценки и контроля радиационно-экологической обстановки на АЭС и радиохимических производствах в ходе переработки радиоактивных отходов, а также в районах ядерных аварий на суше и на море. В заявленном способе измерения активности пробы водного раствора кубового остатка по Co₆₀ после завершения каждой стадии переработки кубового остатка перед поступлением на следующую стадию предусмотрена проверка остаточного содержания ⁶⁰Co и, пока оно не установлено, следующая стадия не начинается. Техническим результатом является возможность определения радиоактивности по ⁶⁰Co при условии его низкого содержания в растворе в процессе химической обработки раствора и его фильтрации, повышение эффективности и скорости измерения, а также ускорение переработки кубового остатка. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения удельной активности пробы раствора кубового остатка по ⁶⁰Co с использованием очистки остатка от цезия путем ионоселектиной сорбции и фильтрации, отличающийся тем, что кубовый остаток подают в измерительную емкость, затем в емкость подают ферроцианид калия и нитрат никеля и осуществляют процесс ионоселективной селекции, затем раствор подают на мембранный фильтр с размером пор не менее 0.2 мкм и затем подают отфильтрованный раствор обратно в емкость, при этом включают радиометрическое устройство, размещенное в емкости, и определяют значение радиоактивности; затем повторяют процесс, начиная со стадии фильтрации, до тех пор, пока значение радиоактивности не перестает уменьшаться по сравнению с первоначальным значением, затем измеренное значение радиоактивности проверяют при помощи подключения вместо основного мембранного фильтра контрольного с таким же размером пор и повторяют стадию фильтрации и за истинное значение радиоактивности принимают меньшее значение, достигнутое при фильтрации на основном и контрольном мембранных фильтрах.

2. Система измерения удельной активности пробы раствора кубового остатка по ⁶⁰Co, содержащая емкость для ионоселективной сорбции с электромагнитными клапанами, соединенными с трубопроводной системой для подачи исследуемой жидкости и реагентов, снабженную насосом и электромагнитными клапанами первую рециркуляционную трубопроводную систему и вторую рециркуляционную трубопроводную систему с мембранным фильтром, соединенную с емкостью, автоматическую систему промывки, дезактивации и очистки фильтров, блок управления, отличающаяся тем, что вторая рециркуляционная трубопроводная система снабжена дополнительной соединенной с емкостью третьей рециркуляционной трубопроводной системой, снабженной дополнительным мембранным фильтром, в емкости размещено радиометрическое устройство для определения удельной активности, а в блок управления включен модуль сравнения показаний радиометрического устройства.