СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОДЫ ИЛИ ВОДНОГО РАСТВОРА, СОДЕРЖАЩИХ ТРИТИЙ
METHOD OF CONDITIONING WATER OR WATER SOLUTION CONTAINING TRITIUM

Предлагаемый способ относится к области охраны окружающей среды от радиоактивного загрязнения и может быть использован для обезвреживания жидких радиоактивных отходов (ЖРО), в т.ч. высокоактивных отходов (ВАО). В установках технологического цикла по обращению с материалами, содержащими тритий, в результате окислительных процессов в газовой фазе, осаждения паров на различные поглотители, регенерации адсорберов, изотопного обмена и так далее, возможно накопление воды или водных растворов, содержащих тритий. Согласно пункту 14.9 действующих санитарных правил «Радиационная безопасность при работе с тритием и его соединениями» СП 2.6.1. 05-04, вода или водные растворы, содержащие тритий, не подлежащие дальнейшему использованию, относятся к жидким радиоактивным отходам. ЖРО перед транспортировкой, хранением или захоронением должны подвергаться кондиционированию, конечной целью которого является перевод ЖРО в твердые радиоактивные отходы (ТРО). Одним из направлений кондиционирования ЖРО является отверждение (омоноличивание), путем смешивания ЖРО с различными отвердителями, которое и рассматривается в предлагаемом способе. В соответствии с пунктом 28 НП-093-14 «Критерии приемлемости радиоактивных отходов для захоронения», компаунд (матричный материал с включенными в него РАО), образующийся в результате отверждения (омоноличивания) ЖРО, является удаляемыми ТРО, подлежащими хранению/захоронению в соответствии с федеральными нормами и правилами в области использования атомной энергии.
Для перевода радиоактивной воды или водных растворов в твердое состояние можно использовать различные отвердители. При выборе отвердителя необходимо учитывать следующие параметры:
- процентное соотношение связанной воды и массы конечного компаунда;
- парциальное давление паров воды над поверхностью конечного компаунда;
- инертность используемых компонентов отвердителя по отношению к материалам технологического оборудования и упаковке конечного блока;
- стойкость полученного конечного блока к негативным воздействиям в условиях долгосрочного хранения;
- время отверждения и формирования конечного блока;
- образование вторичных ЖРО.
2
Наиболее важным фактором при проведении работ с водой или водными растворами, содержащими тритий, является высокая радиационная опасность. В воде или водных растворах тритий находится преимущественно в связанном состоянии, в виде однозамещенных (НТО) или двузамещенных (ТO) молекул. В связи с этим, при отверждении воды или водных растворов, содержащих тритий, необходимо исключить возможность проникновения паров воды в окружающую среду в результате испарения, диффузии, изотопного обмена. Исходя из этого соблюдение необходимых мер безопасности при отверждении воды или водных растворов, содержащих тритий, возможно при обеспечении герметичности оборудования, недопущении контакта тритиевой воды с окружающей средой, как на этапе подготовки, так и на протяжении процесса отверждения, последующей транспортировки и длительного хранения/захоронения.
Существующие способы отверждения водных ЖРО, как правило, предполагают их предварительное выпаривание и последующее смешивание с отвердителем, в качестве которого могут использоваться фосфат циркония (патент RU 2432631, G21F 9/16, публ. 27.10.2011), жидкое натриевое стекло (патент RU 2046410, G21F 9/16, публ. 20.10.1995), комбинация серы и жидкого натриевого стекла (патент RU 2059309, G21F 9/16, публ. 27.04.1996) и т.д. На последующих стадиях отверждения ЖРО проводят сушку или отжиг полученного компаунда. Например, авторы патента (RU 2190890, G21F 9/16, публ. 10.10.2002), для отверждения ЖРО предлагают использовать стеклокристаллические микросферы, сформированные в блоки. Блоки поглощают ЖРО, далее проводятся испарение воды и спекание полученных блоков при повышенных температурах. Необходимо отметить, что удаляемая вода при реализации описанных способов не является радиоактивной и ее попадание в окружающую среду не представляет опасности. Очевидно, что подобные подходы неприемлемы при утилизации воды или водных растворов, загрязненных тритием, поскольку на разных этапах реализации вышеописанных способов присутствует сушка или термическая обработка, при которых тритиевая вода будет попадать в окружающую среду.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ отверждения ЖРО (патент RU 2115181, G21F 9/16, публ. 10.07.1998), при реализации которого подачу цемента и ЖРО в емкость, герметизацию ее и перемешивание компаунда путем вращения емкости осуществляют дистанционно, в герметичной камере. Дозировка ЖРО и цемента осуществляется при помощи автоматизированных дозаторов. После подачи ЖРО проводят дезактивацию подающих патрубков. Перемешивание компаунда осуществляют путем вращения емкости в вертикальной плоскости. Для обеспечения необходимой гомогенизации компаунда перед подачей цемента в емкость добавляют щебень фракцией 10-12 мм в количестве 10-20% от веса цемента. Далее емкость дезактивируют и помещают в транспортировочный герметичный контейнер, который направляется на дальнейшее хранение/захоронение.
Недостатками данного способа являются:
- реализация этого способа возможна только в специальной герметичной камере в условиях специализированного производства;
- для отверждения ЖРО по данному способу, исходя из его особенностей, возможно использование в качестве отвердителя только цемента с наполнителем в виде щебня;
- в связи с необходимостью дезактивации дозаторов, подающих патрубков, смесительной емкости и герметичной камеры образуются вторичные РАО, которые также необходимо утилизировать;
- по данному способу невозможно проводить отверждение ЖРО на месте их образования, в связи с чем возникает необходимость транспортировки ЖРО в жидком виде к месту переработки, что является трудоемким и небезопасным для персонала и окружающей среды.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение безопасности при отверждении ЖРО воды или водного раствора, содержащих тритий.
При использовании заявляемого способа достигается следующий технический результат:
- отверждение ЖРО воды или водных растворов, содержащих тритий, можно проводить на месте образования, без транспортировки ЖРО к месту кондиционирования, что снижает опасность работ и трудозатраты;
- отверждение ЖРО воды или водных растворов, содержащих тритий, возможно без использования дорогостоящего высокотехнологичного оборудования (специализированных герметичных камер), дополнительных мер по обеспечению радиационной безопасности, что снижает трудоемкость способа и затраты на его реализацию;
- заявляемый способ позволяет применять различные отвердители, при условии соответствия получаемого при их использовании конечного компаунда требованиям нормативных документов;
- при реализации заявляемого способа отсутствует необходимость дезактивации каких либо технологических элементов и узлов, в результате чего вторичные РАО не образуются;
- процессы подготовки и внесения воды или водных растворов, содержащих тритий, в контейнер, перемешивания и последующего отверждения производятся в герметичных емкостях, что исключает любую возможность проникновения трития в окружающую среду в результате диффузии, изотопного обмена или испарения;
- размеры контейнеров, применяемых для отверждения ЖРО воды или водных растворов, содержащих тритий, не регламентируются и подбираются исходя из количества подготовленных к утилизации ЖРО, вида отвердителя, имеющейся оснастки для перемешивания и возможности обеспечения норм радиационной безопасности;
- применение предлагаемого способа отверждения ЖРО воды или водных растворов, содержащих тритий, обеспечивает максимальный уровень защиты окружающей среды, оборудования, помещений и персонала от вредных воздействий ионизирующего излучения, источников радиационного загрязнения и соответствует всем действующим нормативным документам в области обращения с материалами, содержащими тритий.
Для решения указанной задачи и достижения технического результата заявляется способ отверждения ЖРО воды или водного раствора, содержащих тритий, включающий перемешивание воды или водного раствора, содержащих тритий, с отвердителем в контейнере при его вращении, в котором, согласно изобретению, воду или водный раствор, содержащие тритий, предварительно локализуют в стеклянной герметичной ампуле, которую помещают в контейнер с отвердителем и элементами для разрушения ампулы, контейнер герметизируют и осуществляют вращение до разрушения ампулы и перемешивания образовавшейся смеси с последующей выдержкой до полного отверждения.
Для равномерного перемешивания воды или водных растворов, содержащих тритий, и отвердителя при необходимости увеличивают время отверждения смеси ЖРО и отвердителя, например, путем предварительного охлаждения ЖРО и/или отвердителя или добавления компонента, снижающего скорость отверждения.
Предлагаемый способ отличается от известного тем, что воду или водный раствор, содержащие тритий, предварительно локализуют в герметичной стеклянной ампуле. В контейнере в необходимом количестве подготавливается отвердитель. В подготовленный отвердитель добавляются компактные объекты (например, металлические шары), необходимые для разрушения ампулы. Герметичная стеклянная ампула с водой или водным раствором, содержащими тритий, помещается в контейнер. Контейнер закрывается, герметизируется и вращается вокруг горизонтальной оси или с использованием смесителя типа "пьяная бочка" или другим применимым образом, в результате чего ампула разрушается и происходит перемешивание содержимого контейнера. При использовании отвердителей с высокой скоростью отверждения увеличивают время отверждения смеси ЖРО и отвердителя, например, путем предварительного охлаждения ЖРО и/или отвердителя или добавления компонента, снижающего скорость отверждения.
Пример конкретного выполнения.
По большинству своих физических и химических свойств тритиевая вода очень близка к дейтериевой и протиевой воде. Для проверки возможности отверждения ЖРО воды, содержащей тритий, заявленным способом были проведены два эксперимента, в которых для моделирования тритиевых ЖРО использовалась дистиллированная вода, а в качестве отвердителя использовались: гипс ГОСТ 125-79 и цемент ГОСТ 10178-81. Для имитирования процесса локализации тритиевой воды были использованы стеклянные пробирки, соединенные между собой с помощью шлифовых соединений. В одну из пробирок наливалась дистиллированная вода, другая помещалась в термостат с жидким азотом. Пробирка с водой имитировала технологическую установку, в которой произошло накопление тритиевой воды, подлежащей отверждению для последующей утилизации. В результате разницы равновесных давлений паров воды при комнатной температуре и температуре жидкого азота происходила перекачка воды в охлаждаемую пробирку. После накопления ~100 г воды процесс прерывался. Навеска цемента (во втором эксперименте - гипса) массой ~100 г помещалась в металлический контейнер, туда же переносили пробирку с водой и 5 стальных шаров диаметром 10 мм. Контейнер герметизировали и вращали с использованием смесителя типа "пьяная бочка" в течение 5 минут. В результате механических воздействий пробирка с водой разрушалась. Через 24 часа, после вскрытия контейнеров, было отмечено, что полученные образцы представляли собой твердый компаунд, достаточно прочно связанный с содержащимися в нем осколками стекла и стальными шарами, без видимого расслоения, имеющий хорошее сцепление со стенками контейнера. Следов воды в жидком виде на стенках контейнера не обнаружено. Полученные образцы выдерживались при температуре 30°С и относительной влажности 4% в течение 10 суток, с целью определения количества фиксируемой воды. Получено, что потеря веса составила для гипса ~1% вес., для цемента ~0,5% вес.
8
11
При отверждении ЖРО воды или водных растворов, содержащих тритий, по предложенному способу, полученные ТРО при начальной удельной активности ЖРО от 10 до 10 Бк/г будут относиться к 3 классу, а при начальной удельной активности ЖРО от 10 до 10 Бк/г будут относиться к 4 классу удаляемых ТРО в соответствии с требованиями «Критериев классификации удаляемых радиоактивных отходов» (утв. постановлением Правительства РФ от 19.02.2012 г. №1069). Хранение и окончательная изоляция полученных ТРО осуществляется в соответствии с федеральными нормами и правилами в области использования атомной энергии.