СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2025 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при дезактивации радиоактивных отходов. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован для дезактивации твердых радиоактивных отходов (ТРО), в частности отходов среднего (САО) и низкого (НАО) уровней активности, а также очень низкого уровня активности (ОНАО).

Известен способ обработки радиоактивных металлических отходов способом удаления с их поверхности твердых радиоактивных отложений, (патент RU 2417467 (Россия)//МПК G21F 9/34, 24.11.2009), включающий следующее: МРАО предварительно выдерживают в растворе хлорида натрия в течение 50÷400 часов, затем осуществляют их электрохимическую дезактивацию в этом же растворе в анодном режиме. Далее отходы выдерживают в течение 50÷100 часов в водном растворе кислоты, выбранной из группы: серная кислота, ортофосфорная кислота, азотная кислота или в водном растворе смеси ортофосфорной, азотной и угольной кислот, с последующей электрохимической дезактивацией соответственно в том же растворе в анодном режиме.

Недостатками известного способа являются высокая длительность процесса дезактивации и сложность дальнейшей переработки отработавших дезактивирующих растворов.

Известен способ дезактивации радиоактивных отходов (патент RU 2214013 (Россия)//МПК G21F 9/00, 13.07.2003), включающий помещение жидких и/или твердых радиоактивные отходов в жидкую среду, в качестве которой возможно использование собственно жидких отходов, и активизируют их путем воздействия кавитацией, генерируемой любым известным способом. При этом кавитацию осуществляют изменением объема жидкой среды путем приложения к ней циклической знакопеременной нагрузки в вибрационном режиме с частотой не менее 1 Гц. Степень активации отходов регулируют изменением интенсивности кавитационного процесса, регулируя амплитуду изменения объема жидкой среды. Процесс активации отходов ведут в режиме рециркуляции жидкой среды с ее постоянным охлаждением. Для регулирования процесса активации в жидкую среду вводят радиоактивные вещества (изотопы) с меньшим периодом полураспада, чем у отходов, или графит в виде порошка. В качестве жидкой среды возможно использование расплавленного металла, например, лития.

Недостатками известного способа являются низкая эффективность процесса дезактивации радиоактивных отходов, образование большого количества вторичных радиоактивных отходов и сложность дальнейшей переработки отработавшего дезактивирующего раствора из-за присутствия в нем органических соединений (например, графита).

Известен способ переработки радиоактивно загрязненных металлов (патент RU 2560083 (Россия)//МПК G21F 9/00, 09.01.2014), включающий дезактивацию металлических отходов электрохимическим методом с использованием раствора серной кислоты с исходной концентрацией 15÷20 г/л с доведением ее концентрации в конце процесса до 1÷2 г/л, затем осуществляют нейтрализацию и подщелачивание до рН 10,0÷11,0 отработавшего дезактивирующего раствора с использованием дисперсного оксида кальция с размерами частиц 0,05÷0,5 мм. Далее отделенный от осадка раствор доукрепляют серной кислотой до достижения концентрации 15÷20 г/л и направляют на стадию дезактивации. Жидкие радиоактивные отходы, являющиеся суспензией гидроксидов металлов, сульфата и оксида кальция подлежат цементированию.

Недостатками известного способа являются низкая эффективность процесса дезактивации радиоактивных отходов в результате использования только химической дезактивации и большое количество образующихся вторичных жидких радиоактивных отходов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу дезактивации радиоактивных отходов является способ дезактивации радиоактивных отходов (патент RU 2752240 (Россия)//МПК G21F 9/28, G21F 9/00 23.07.2021), включающий электрохимическую обработку радиоактивно загрязненных изделий с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний в среде электролита, в качестве дезактивирующего раствора используют смесь растворов азотной и плавиковой кислот в соотношении от 2,5:1 до 100:1, при этом концентрация азотной кислоты составляет от 5 до 10% и плавиковой кислоты от 0,1 до 2%, температура электролита поддерживается в интервале от 18 до 50°С, дезактивация проводится с мощностью ультразвукового поля 20-40 2-3 Вт/л и плотности тока 0,5-20 А/дм².

Недостатками известного способа являются:

- использование при дезактивации высоко агрессивных реагентов - азотной и плавиковой кислот, что делает необходимым применение специальных дорогостоящих стойких к разрушающему воздействию конструктивных материалов для изготовления оборудования, трубопроводов и другого оборудования, использующихся в процесс дезактивации;

- высокая стоимость оборудования и изделий, применяемых в технологическом процессе, из-за необходимости использовать специальных материалов, стойких к особо агрессивному воздействию дезактивирующих растворов реагентов;

- сложность переработки отработавших дезактивирующих растворов в результате применения агрессивных веществ.

Задачей изобретения является разработка способа дезактивации радиоактивных отходов, позволяющего очистить материалы от радиоактивного загрязнения для дальнейшего использования и снижения объемов, отправляемых на хранение вторичных РАО.

Поставленная задача решается за счет того, что радиоактивные отходы, также, как и в прототипе, подвергают ультразвуковой обработке с одновременным или периодическим электрохимическим воздействием. Предварительно твердые радиоактивные отходы подвергаю дефрагментации до размеров, пригодных для их размещения в ультразвуковой и электрохимической ванне. Измельченные фрагменты РАО размещают в специальной корзине в объеме ультразвуковой и электрохимической ванны. Ванну заполняют дезактивирующим раствором (электролитом) на основе раствора серной кислоты с концентрацией 5-15%. При заполнении ванны уровень дезактивирующего раствора должен быть выше очищаемых изделий (отходов) не менее чем на 5 см. После чего выполняют нагрев дезактивирующего раствора. Процесс дезактивации радиоактивных отходов проводят при температуре дезактивирующего раствора от 40°С до 80°С. В процессе дезактивации выполняют электрохимическую обработку при этом радиоактивные изделия (отходы) выступают в качестве анода (анодов), а катодами являются отдельно выделенные электроды. Электрохимическую обработку твердых радиоактивных отходов проводят при плотности тока 5-30 А/дм². Одновременно выполняют наложение ультразвукового воздействия с мощностью ультразвукового поля 10-50 Вт/л рабочего электролита.

При этом, дезактивирующий раствор может быть использован многократно для очистки некоторого числа радиоактивно загрязненных изделий до момента необходимости его вывода из технологического процесса дезактивации по радиационным критериям (безопасность персонала) или выработки дезактивирующим раствором своих технологических параметров.

Применение электрохимической и ультразвуковой очистки твердых радиоактивных отходов с указанными технологическими параметрами в дезактивирующем растворе смеси азотной и плавиковой кислот при температуре среды от 40 до 80°С повышает эффективность очистки РАО по сравнению с прототипом, снижает время процесса дезактивации.

В предлагаемом способе возможно выполнение дезактивации радиоактивных отходов при периодической переполюсовке электрического поля на электродах. Это позволяет активировать процесс электрохимической дезактивации.

При очистке диэлектрических радиоактивных отходов в процессе дезактивации не используют электрохимическую обработку, а очистку радиоактивных отходов выполняют только при воздействии ультразвукового поля в среде дезактивирующего раствора. Это позволяет расширить сферу применения предлагаемого способа и повысить эффективность очистки диэлектрических радиоактивных изделий.

Преимуществами заявляемого способа дезактивации радиоактивных отходов являются:

- повышенная эффективность процесса очистки радиоактивных отходов, достигаемая за счет высоких значений коэффициента дезактивации;

- повышенная эксплуатационная и экономическая эффективность дезактивации за счет снижения образования объемов вторичных радиоактивных отходов и использования недорогих дезактивирующих реагентов;

- техническая и технологическая простата применения способа дезактивации, обеспечиваемые применением стандартизованного оборудования и использования широко применяемых конструктивных материалов для изготовления оборудования;

- расширенная область применения, распространяющаяся на дезактивацию не только ОНАО, но и НАО и САО, обусловленная высокой эффективностью и избирательностью дезактивирующего раствора.

Указанные преимущества обеспечиваются тем, что процесс дезактивации включает:

- комплексное воздействие на очищаемые изделия электрохимическим и ультразвуковым полями, при химическом воздействии компонентами дезактивирующего раствора в диапазоне температур от 40 до 80°С, что позволяет значительно повысить коэффициент дезактивации выше значения 1000;

- оптимальный подбор состава дезактивирующего раствора и параметров процесса дезактивации, что позволяет значительно снизить образование вторичных радиоактивных отходов и материальных затрат на их окончательную локализацию.

Пример осуществления изобретения приведен ниже.

В качестве объекта дезактивации выбраны радиоактивные фрагменты паровых труб ядерного реактора РБМК. Паровые трубы предварительно подвергались фрагментации до размеров не более 600 мм в длину. Радиоактивное загрязнение изделий по β-излучению составляло от 90000 до 150000 част/см^{2 м}ин по γ-излучению от 22 до 60,5 мкЗв/ч.

Предварительно фрагментированные паровые трубы размещались в внутри ванны дезактивации в специальной корзине. К «телу» труб подводился электрод - «анод». В качестве катода в ванне были размещены дополнительные электроды.

Опыт 1. Ванна заполнялась дезактивирующим раствором на 10% раствора серной кислоты. Дезактивирующий раствор нагревался до температуры 40°С. После этого радиоактивные изделия подвергались одновременному электрохимическому и ультразвуковому воздействию. При этом плотность тока составляла 10 А/дм², а мощность ультразвукового поля 10-20 Вт/л рабочего электролита. Время дезактивации составляло от 30 до 60 мин. Результаты выполненной дезактивации представлены в таблице 1.

Опыт 2. Ванна заполнялась дезактивирующим раствором на 5% раствора серной кислоты. Дезактивирующий раствор нагревался до температуры 80°С. После этого радиоактивные изделия подвергались одновременному электрохимическому и ультразвуковому воздействию. При этом плотность тока составляла 30 А/дм², а мощность ультразвукового поля 40-45 Вт/л рабочего электролита. Время дезактивации составляло до 60-80 мин. Результаты выполненной дезактивации представлены в таблице 2.

Опыт 3. Ванна заполнялась дезактивирующим раствором на 15% раствора серной кислоты. Дезактивирующий раствор нагревался до температуры 50-60°С. После этого радиоактивные изделия подвергались одновременному электрохимическому и ультразвуковому воздействию. При этом плотность тока составляла 15-20 А/дм², а мощность ультразвукового поля 20-35 Вт/л рабочего электролита. Время дезактивации составляло до 80 мин. Результаты выполненной дезактивации представлены в таблице 3.

Средний коэффициент дезактивации во всех проведенных опытах составил К_д =3184.

В процессе дезактивации переход металла (растворение) в электролит (вместе с радиоизотопами) не превышал значения 1% от исходного веса изделия.

Отработавший электролит направлялся на нейтрализацию и осаждение с применением раствора NaOH. Значение рН электролита доводили до значений от 4,5 до 11. При этом происходило осаждение гидроксида железа, вместе с которым соосаждались радионуклиды в количестве от 95 до 98% от исходной концентрации в электролите.

Затем выполнялась разделение электролита на жидкую фазу и водонасыщенный осадок. Осадок подвергался дополнительному осушению до полного удаления свободной воды. После чего, осадок, содержащий радионуклиды, кондиционировался в цементную матрицу.

Изобретение относится к атомной энергетике и может быть использовано при дезактивации радиоактивных отходов (РАО). Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован для дезактивации твердых РАО, в частности отходов среднего и низкого уровней активности, а также очень низкого уровня активности. Техническим результатом является очистка материалов от радиоактивного загрязнения для дальнейшего использования и снижения объемов, отправляемых на хранение вторичных РАО. Упомянутый технический результат достигается тем, что при дезактивации РАО, включающей ультразвуковую обработку радиоактивно загрязненных изделий с одновременным электрохимическим воздействием в среде электролита, в качестве дезактивирующего раствора используют раствор серной кислоты с концентрацией 7-15%, при этом температура электролита поддерживается в интервале от 40 до 80°С, а электрохимическую обработку твердых радиоактивных отходов проводят при плотности тока 5-30 А/дм² с одновременным наложением ультразвукового воздействия с мощностью ультразвукового поля 10-50 Вт/л рабочего электролита. 3 табл.

Способ дезактивации радиоактивных отходов, включающий ультразвуковую обработку радиоактивно загрязненных изделий с одновременным электрохимическим воздействием в среде электролита, отличающийся тем, что в качестве дезактивирующего раствора используют раствор серной кислоты с концентрацией 7-15%, при этом температура электролита поддерживается в интервале от 40°С до 80°С, а электрохимическую обработку твердых радиоактивных отходов проводят при плотности тока 5-30 А/дм² с одновременным наложением ультразвукового воздействия с мощностью ультразвукового поля 10-50 Вт/л рабочего электролита.