Спосіб дезактивації радіоактивних іонообмінних смол

Реферат: Винахід належить до галузі переробки радіоактивних відходів, зокрема іонообмінних смол, шляхом їх дезактивації, з накладенням на дезактиваційну систему ультразвукового поля. Спосіб дезактивації радіоактивних іонообмінних смол полягає у послідовному відмиванні відпрацьованих смол у трьох ваннах, інтенсифікований ультразвуком. Спосіб не вимагає відділення аніоніту від катіоніту, дозволяє здійснити дезактивацію суміші смол. При цьому як дезактивувальні розчини використовують розчини сполук натрію, рН розчинів кожної подальшої ванни підвищується. Технічним результатом винаходу є зниження кількості відходів, що підлягають похованню шляхом максимальної десорбції радіонуклідів. UA 101504 C2 (12) UA 101504 C2 UA 101504 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі переробки радіоактивних відходів, зокрема, іонообмінних смол, шляхом їх дезактивації, з накладенням на дезактиваційну систему ультразвукового поля. Іонообмінна сорбція, вживана для водоочистки і підтримки оптимального хімічного складу теплоносія ядерних енергетичних реакторів, а також в радіохімічному аналізі для виділення особливо чистих ізотопів, є одним з найважливіших процесів атомної технології. Застосування іонообмінних смол обмежується проблемою їх переробки. Після контакту з радіоактивними розчинами питома активність іонообмінних смол досягає десятків і сотень МБк/кг. Установки, що є на вітчизняних атомних електростанціях для переробки радіоактивних відходів, не можуть бути застосовані для іонообмінних смол через специфіку властивостей останніх. Відомий спосіб переробки радіоактивної іонообмінної смоли шляхом відмивання в кислому розчині натрію з подальшим очищенням десорбату від радіонуклідів методом селективної сорбції [1]. Через відпрацьований катіоніт пропускають дезактивувальний розчин, що має температуру від 30 до 100 °С і містить натрієву сіль і кислоту. Потім очищують отриманий десорбат на фільтрі з фероціанідним сорбентом, а за допомогою підлуговування розчину до величини рН, рівної 9,5-11,0, додатково осаджують з десорбату дво- і тривалентні радіонукліди [1]. Недоліками даного способу є необхідність коректування рН дезактивувального розчину в процесі обробки, громіздкість технологічної схеми, застосовність тільки для однієї групи іонітів. Задачею винаходу є зниження кількості відходів, що підлягають похованню, шляхом максимальної десорбції радіонуклідів з іонообмінних смол. Для вирішення даної задачі вибрано спосіб триванної дезактивації, інтенсифікованої ультразвуком. Спосіб не вимагає відділення аніоніту від катіоніту, дозволяє здійснити дезактивацію суміші смол. При цьому як дезактивувальні розчини використовують розчини сполук натрію, рН розчинів кожної подальшої ванни підвищується. Особливістю винаходу є застосування ультразвуку. Ультразвук є носієм високих енергій, що використовуються для вирішення даної технологічної задачі. Радіоактивні забруднювачі можуть знаходитися в іонообмінній смолі в різному стані: бути зв'язаними з іоногенними групами, знаходитися в міжпоровому просторі, заповнювати тріщини в зернах або входити до складу плівки на поверхні відпрацьованого іоніту [2]. Ефект ультразвукової дезактивації полягає у видаленні радіонуклідів з поверхні зерен, інтенсифікації масообміну між іонітом і дезактивувальним розчином, «розкритті» пор іоніту. Указані цілі досягаються за рахунок виникнення кавітації в рідкому середовищі при накладенні на систему ультразвукового поля. На поверхнях зерен іоніту є концентратори напружень у вигляді мікротріщин, нерівностей поверхні, на яких утворюються зародки кавітації. Під дією звукокапілярного ефекту й інтенсивних мікропотоків розчин проникає в пори і тріщини, де при захлопуванні бульбашок кавітації виникає могутня ударна хвиля, що сприяє руйнуванню матеріалів. Кумулятивні струминки руйнують поверхню зерна за рахунок кінетичної енергії рідини. Дрібні частинки, розміри яких сумірні з поперечним перерізом кумулятивних струменів, захоплюються ними і дають додатковий внесок до процесу руйнування крупніших частинок, що знаходяться в рідині [3]. Капілярний ефект сприяє також глибшому проникненню дезрозчину в пори іоніту [4, 5]. Як відомо, із збільшенням частоти ускладнюється утворення бульбашок кавітації, тому для проведення процесу використовувався генератор ультразвуку з наступними параметрами: 2 частота - 20 кГц, інтенсивність - 1,8 Вт/см . Як показали дослідження, найбільш ефективними дезактиваційними розчинами є: кислий розчин натрієвої солі, гексаметафосфат натрію, луг. Використання цих розчинів як дезактивувальних, дозволяє, по-перше, найповніше перевести радіонукліди Cs і Sr в розчин; по-друге, скоротити час озвучування; по-третє, добитися використання мінімальних об'ємів дезрозчинів. Схема реалізації способу показана на фіг. 1, де 1 - вмістилище для приготування дезрозчинів; 2 - дезактиваційна камера; 3 - генератор ультразвукових коливань; 4 - вмістилище скидних вод; 5 - вмістилище смол; 6 - установка центрифугування; 7 - вмістилище чистої смоли. 1 UA 101504 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пропонований спосіб дезактивації радіоактивних іонообмінних смол здійснюється таким чином. Дезактиваційні розчини подаються із вмістилища для приготування розчинів 1. Відпрацьовані смоли гідрозавантаженням поміщають в дезактиваційну камеру 2, до якої 2 увімкнено генератор ультразвукових коливань 3, інтенсивність якого близько 2 Вт/см . Оскільки спосіб стосується методу дезактивації в статичних умовах, то розчин не пропускають через відпрацьовані смоли, а заповнюють ним камеру 2 і через деякий час озвучування (не більше 15 хвилин) скидають у вмістилище скидних вод 4. Так відпрацьовані смоли проходять обробку послідовно в сильнокислому, близькому до нейтрального і сильнолужному середовищах трьох ванн. За кожним етапом дезактивації смол відбувається їх промив протягом 5 хвилин, інтенсифікований також ультразвуком. Промивальні води скидають у те ж саме вмістилище 4, що і відпрацьовані дезактиваційні розчини. Об'єми дезактиваційних розчинів залежать від об'єму завантаження відпрацьованого іоніту, але не більше 8:1. Об'єми промивальних вод складають 40-50 % від об'єму дезактиваційних розчинів. Промив здійснюють знесоленою водою. Після завершення всього циклу дезактивації відмиті смоли поміщають у вмістилище чистих смол 5, звідки відбирають пробу для гама-спектрометричного аналізу. У разі не перевищення норм активності ізотопів, установлених НРБУ-97/Д-2000, смолу можна вважати повністю відмитою і піддати промисловій утилізації. У іншому разі смолу дочищають в камері 2 за схемою, описаною вище. Дезактивовані смоли перед розміщенням на полігоні промислових відходів зневоднюють; для цього можна використовувати установку центрифугування 6. Зневоднену смолу скидають у вмістилище 7. Фугат скидають у вмістилище скидних вод 4. Відпрацьовані дезактиваційні розчини, змішані у вмістилищі скидних вод 4, піддають очищенню на будь-якому з відомих неорганічних селективних сорбентів, після чого утилізують як нерадіоактивні. Приклад 1. Наважка відпрацьованих іонообмінних смол (суміші КУ-2-8 і АВ-17-8) масою 5 г (у сухому стані) з питомою активністю β, γ) рівною 169 Бк/г поміщали в суміш розчинів 1Н Na2SO4 і 2 1Н H2SO4 об'ємом 40 мл. Озвучували протягом 15 хвилин (Jyз=1,8 Вт/см ). Далі промивали дистильованою водою (30 мл) при ультразвуковій обробці протягом 5 хв. Відбирали проби для радіометричного і гамма-спектрометричного аналізів (маса проби - 0,15-0,20 г). За усередненими даними від двох паралельних початкових проб, питома активність смоли (β, γ) після ультразвукової обробки склала 58 Бк/г, за гаммами - 50 Бк/г. Приклад 2. Оброблені за п. 1 наважки (суміш КУ-2-8 і АВ-17-8) з питомою активністю (β, γ), рівною 58 Бк/г, поміщали в 2 %-й розчин гексаметафосфату натрію об'ємом 40 мл. Озвучували 2 протягом 15 хвилин (Jyз=1,8 Вт/см ). Промивали дистильованою (30 мл) при ультразвуковій обробці протягом 5 хв. Відбирали проби для радіометричного і гамма-спектрометричного аналізів (маса проби - 0,15-0,20 г). За усередненими даними від двох паралельних початкових проб, питома активність смоли (β, γ) після ультразвукової обробки склала 25 Бк/г, за гаммами 20 Бк/г. Приклад 3. Оброблені за п. 2 наважки (суміш КУ-2-8 і АВ-17-8) з питомою активністю (β, γ) рівною 25 Бк/г поміщали в 4 %-й розчин їдкого натру об'ємом 40 мл. Озвучували протягом 15 хвилин (Jyз=1,8 Вт/см). Промивали дистильованою водою (30 мл) при ультразвуковій обробці протягом 5 хв. Відбирали проби для радіометричного і гамма-спектрометричного аналізів (маса проби - 0,15-0,20 г). За усередненими даними від двох паралельних початкових проб, питома активність смоли (β, γ) після ультразвукової обробки склала 1 Бк/г, за гамма-випромінювачами менше 1 Бк/г. Спосіб є промислово застосовним, оскільки не потребує спеціальної обробки іоніту перед дезактивацією, короткий час дезактивації і проста технологічна схема роблять його економічно доцільним. Джерела інформації: 1. Патент Российской Федерации № 2224310, кл. G21F 009/12 G21F 009/28. 2. Очистка фильтрующих материалов / Л.М. Блянкман, В.Г. Пономарев, Н.Л. Смирнова. - М.: Энергоатомиздат, 1992. 3. Timothy J. Mason, John Philip Lorimer «Applied Sonochemistry: Uses of Ultrasound in Chemistry and Processing». Coventry: Wiley-VCH, 314 (2002). 4. Ультразвуковая технология / Б.А. Агранат, В.И. Башкиров, Ю.И. Китайгородский, Н.Н. Хавский. - М.: Металлургия, 1974. 5. Келлер O.K., Кратыш Г.С., Лубянский Г.Д. Ультразвуковая очистка. - Л.: Машиностроение, 1977. 2 UA 101504 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 Спосіб дезактивації відпрацьованих радіоактивних іонообмінних смол, що включає послідовне відмивання, який відрізняється тим, що процес дезактивації суміші катіоніту й аніоніту проводять під дією ультразвуку послідовно в трьох ваннах з підвищенням рН. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3