КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОДЫ ОТ РАДИОАКТИВНОГО ЦЕЗИЯ

Полезная модель относится к области ядерной техники, в частности к хранению отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), и предназначена для снижения активности среды хранения в пеналах с отработавшими тепловыделяющими сборками (ОТВС).
Известно, что для снижения активности воды можно использовать ионообменные смолы, катиониты типа КУ-2-8 (Химическая технология теплоносителей ядерных энергетических установок. Под ред. В.М.Седова. М., Энергоатомиздат, 1985. 311 с.), сорбционные композиции на основе нетканых материалов, ионообменных волокнистых поли-амфолитов и углеродных волокон (Патент РФ №2086018, Бюл. №2 от 27.07.1997), или неорганических сорбентов на основе природных или искусственных цеолитов (Патент РФ на полезную модель №32631, Бюл. №26 от 20.09.2003).
Недостатками всех катионитов на основе ионообменных смол являются слабая радиационная стойкость таких сорбентов и низкая удельная сорбционная емкость по радиоактивным изотопам цезия. Недостатком нетканых ионообменных материалов и цеолитов является низкая удельная сорбционная емкость по изотопу цезию-137. Продукты коррозии железа, содержание которых не регулируется, снижают эффективность сорбции цезия-137 всех известных в настоящее время сорбентов. Кроме того, ионообменные полиамфолиты, как всякое органические вещество, подвержены старению и деградации и длительность их эксплуатации в статических условиях водной среды под действием ионизирующего излучения ограничено сроком от 2-6 месяцев до 2 лет. Длительность
хранения ОТВС в водозаполненных пеналах может достигать 30 -50 лет. Большое количество единиц хранения (до 7 тысяч) в одном бассейне выдержки и отсутствие в хранилищах ОЯТ инфраструктуры обращения со среднеактивными отходами (~ 37 кБк) ограничивает возможность извлечения и замены сорбционной композиции из пеналов в процессе хранения. Поэтому требования к удельным характеристикам сорбции наиболее долгоживущего радионуклида цезия-13 7 и надежности его удержания в сорбирующей композиции повышаются. Снижение количества радионуклидов в воде пеналов значительно уменьшает радиационный фон над бассейном хранилища от испарения воды.
Ближайшим аналогом предлагаемого технического решения является селективный сорбент цезия - сферогранулированный гидроксид циркония модифицированный ферроцианидом никеля - Термоксид-35 (Шарыгин Л.М., Муромский А.Ю. Новый неорганический сорбент для ионоселективной очистки жидких радиоактивных отходов. Атомная энергия, 2000, Т. 89, Вып.2, с.146-150).
3
Недостатком ближайшего аналога является снижение эффективности очистки водной среды от радионуклидов цезия Термоксидом в присутствии продуктов коррозии железа с концентрацией более 1 мг/дм в статических условиях.
Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании композиционного материала обеспечивающего повышение эффективности очистки водных сред от радионуклидов цезия-13 7, например, в воде пеналов хранения отработавших тепловыделяющих сборок РБМК-1000, минимизации объема вводимой в пенал сорбирующей композиции, обеспечении надежного удержания в течение длительного времени (до 30-50 лет) поглощенного сорбентом радионуклида цезия-137 и самого сорбента в пределах сорбирующей композиции, и как следствие
это должно обеспечить снижение радиационного фона над бассейном.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в композиционном материале для очистки воды от радиоактивного цезия на основе сферогранулированного гидроксида циркония модифицированного ферроцианидом никеля (Термоксид-35), основа размещена внутри двухслойной оболочки из сорбирующих нетканных материалов, причем ее внутренний слой выполнен из полиакрильного волокна модифицированного этилсиликонатом натрия (Крепан-С), а наружный из графитизированного полиакрилонитрильного волокна (Бусофит), при объемном соотношении между основой, внутренним и наружным слоем (30-50):(1-3):(1-3).
Выбор составных частей композиционного материала обусловлен их физико-химическими свойствами: сорбционной емкостью, селективностью к цезию, ионообменной емкостью по продуктам коррозии железа, степенью влияния рН раствора на процессы сорбции. Соотношение компонентов композиции между собой определяется необходимостью снижения активности изотопа цезия-137 в пенале на 2 порядка при длительности хранения не менее 30-50 лет.Термоксид-35 представляет собой сферогранулированный гидроксид циркония модифицированный ферроцианидом циркония. Выпускается в виде сферических гранул размером 0,4-1,0 мм. Гранулы обладают высокой механической прочностью и радиационной стойкостью. Термоксид-35 химически устойчив в щелочных и засоленных средах. Он обладает высокой селективностью к радионуклидам цезия, эффективность очистки -99%. Избирательность сорбции изотопов цезия Термоксид-35 основана на ионно-ситовом действии, что и объясняет прочное удержание поглощенного изотопа в течение длительного, до 50 лет, срока хранения. Волокнистый
ионообменный полиамфолит марки Крепан-С получают обработкой полиакрилонитрильного (ПАН) волокна этилсиликонатом натрия, а Бусофит-графитизацией ПАН волокна (Иванова Г.В. и др. Синтез и исследование термостойких и ионообменных волокон. Всб. "Теория и практика сорбционных процессов. Вып.16. ВГУ, Воронеж. 1983, с.26). Углеродные волокна сорбируют по ионообменному механизму цезий-13 7, радиоактивные продукты коррозии железа и галогениды. В присутствии продуктов коррозии железа эффективность сорбции цезия на Крепане-С и Бусофите снижается в 2 - 3 раза. Все указанные волокна радиационностойки до дозы 1,5-2,0 Гр. Продукты коррозии железа снижают эффективность сорбции после образовании отложений непосредственно на поверхности сорбирующего материала в результате создания дополнительного диффузионного барьера для ионов цезия, а также вследствие конкурирующей сорбции продуктов коррозии. Кроме того, продукты коррозии железа сами могут захватывать и некоторое время удерживать в гидратной оболочке ионы цезия. По мере старения ионы цезия выходят из гидратных оболочек продуктов коррозии в свободный объем. Предлагаемое техническое решение характеризуется: новой совокупностью и взаиморасположением сорбирующих материалов в композиционном материале, предназначенном для очистки воды пеналов с ОЯТ от радионуклидов цезия; новыми функциями, выполняемыми в сорбирующей композиции неткаными материалами. В результате заключения гранул Термоксида-35 в двухслойную оболочку волокнистых сорбентов в виде нетканого полотна создаются оптимальные условия поглощения радионуклида цезия-13 7 из воды пенала хранения ОТВС. При этом продукты коррозии железа задерживаются последовательно двумя слоями, сначала Бусофита, затем Крепана-С. Как Бусофит, так и Крепан-С могут фиксировать по ионообменному механизму радиоактивные изотопы цезия и
кобальта, что обеспечивает дополнительно высокую эффективность очистки загрязненной воды пеналов с ОТВС с коэффициентом очистки не менее 100. Высокая химическая и механическая прочность Бусофита обеспечивает удержание сорбирующей композиции в компактном состоянии, Термоксид-35 надежно удерживает радионуклиды цезия в течение возможного срока промежуточного хранения ОЯТ в водной среде пеналов не менее 30-50 лет. Результатом использования предлагаемой сорбирующей композиции для очистки воды пеналов с ОТВС является снижение активности воды пеналов на 2 порядка и улучшение радиационной обстановки в помещениях бассейнов выдержки ОЯТ.
На фиг.1 представлено поперечное сечение композиционного материала, где 1 - Термоксид - 35 (основа), 2 - Крепан - С, 3 - Бусофит. Изготавливается материал путем внесения основы 1 внутрь оболочки, сформированной из слоев 2 и 3.
Примеры конкретного выполнения.
ПРИМЕР 1. Обоснование соотношения компонентов композиционного материала, определенной последовательности расположения компонентов и сравнение с аналогом.
3
При выборе соотношения компонентов исходим из приоритетной необходимости достижения высокой степени очистки среды хранения ОТВС от радионуклидов цезия в присутствии продуктов коррозии железа и надежного удержания длительное время сорбирующей композиции с поглощенным радионуклидом в компактном виде. Испытания проводились в пробах, характеризующихся одними и теми же значениями активности по цезию-137 и содержания продуктов коррозии железа 2 мг/дм при отношении объемов раствора и Термоксида-35 равном 1:0,0015. Длительность испытаний в статических условиях - 30 суток. По результатам испытаний значение степени сорбции цезия-137 для композиции-аналога
(Опыт 1) равна 98%. В опыте 2 сорбенты Термоксид-35: Крепан-С: Бусофит находились в смеси друг с другом при объемном соотношении 15: 1: 1. При этом степень сорбции цезия-13 7 составила 98,7%. В опытах 3-5 волокнистые сорбенты образуют двухслойную оболочку для Термоксида-35 в последовательности: внутренний слой - Крепан-С, наружный - Бусофит. Объемные соотношения сорбентов Термоксид-35: Крепан-С:Бусофит следующее: 10:1:1 (опыт 3), 15:1:1 (опыт 4) и 30:1:1 (опыт 5). В опытах 3-5 зафиксирована степень сорбции цезия-137-99,8%. Данные испытаний свидетельствуют о том, что в присутствии продуктов коррозии железа степень сорбции неорганического сорбента-аналога ухудшается (опыт 1). Введение в композицию волокнистых материалов, сорбирующих продукты коррозии железа, повышают степень сорбции цезия-137 (опыт-2). Заключение гранул Термоксида-35 в оболочку из Крепана-С и Бусофита позволяет достичь максимально возможной степени сорбции (опыты 3-5). Минимальные значения количества волокнистых материалов (опыт 5) в предлагаемой композиции обусловлены возможностью формирования оболочки для гранул Термоксида-35. Увеличение количества используемых волокнистых материалов сверх апробированных в опыте 3 нецелесообразно, поскольку из сравнения результатов опытов 3-5 следует, что в условиях решаемой задачи достигнуто оптимальное соотношение компонентов сорбирующей композиции.