Кинетика выделения трития из матриц портландцемента при контакте с влажным воздухом

9

С 1h 6 X Uz в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 7

УДК 621.039.7 + 504.064.47

Т.М. Овчинникова, Е Мьинт Лат, И.Л. Растунова

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

КИНЕТИКА ВЫДЕЛЕНИЯ ТРИТИЯ ИЗ МАТРИЦ ПОРТЛАНДЦЕМЕНТА ПРИ КОНТАКТЕ С ВЛАЖНЫМ ВОЗДУХОМ

The searching results of tritium containing water vapour emission rate from the surface of blocks made of portland cement during the contact with vapour-gaseous phase are presented. The dependence of tritium emission rate from cement matrix on gas humidity and the water content in the cement matrix are shown. It is shown that the separation of tritium in the vapor medium in proportion to the water content in the cement matrix.

Представлены результаты исследования скорости выделения тритийсодержащих паров воды с поверхности цементных блоков из портландцемента при контакте с парогазовой средой. Приведены зависимости скорости выделения трития из цементной матрицы от влагосодержания воздуха и содержания воды в цементной матрице. Показано, что выделение трития в парогазовую среду пропорционально содержанию воды в матрице цемента.

Развитие ядерной энергетики связано с необходимостью решения экологических проблем, в частности, улавливания и переработки радиоактивных отходов (РАО), образующихся на предприятиях ядерной индустрии. Следует отметить, что на предприятиях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) кроме отходов, содержащих «классические» радионуклиды, образуются тритийсодержащие отходы, переработка и локализация которых является отдельной задачей. В частности, необходимо, чтобы все технологические процессы проходили при невысокой (комнатной) температуре [1]. В настоящее время в качестве одного из возможных способов утилизации тритийсодержащих водных отходов рассматривается отверждение путем включения в цементные матрицы. В настоящей работе исследована возможность использования для локализации тритийсодержащей воды цементных матриц на основе портландцемента марки 400.

В работе испытывали цементные блоки, изготовленные в ГУЛ Мос-НПО «Радон» с использованием тритийсодержащей воды с концентрацией трития 1,42-106 Бк/кг при соотношении массы воды к массе сухого цемента равном 0,7 и 0,5. Отверждение матриц поводилось без температурной обработки и контакта с окружающей средой. Блоки имели цилиндрическую форму диаметром 30 мм и высотой ~112 мм, и их геометрическая поверхность принималась равной 120 см .

Исследования проводились на экспериментальном стенде, принципиальная схема которого представлена на рис. 1. Основным элементом установки является термостатируемая колонна (6) с внутренним диаметром 34 мм и высотой 250 мм, в которую помещается цементный образец (7). В нижнюю часть колонны подается поток воздуха, предварительно насыщенного парами воды природного изотопного состава в термостатируемой колонне (2) высотой 30 мм и внутренним диаметром 25 мм, заполненной спирально-призматической насадкой диаметром 0,2 мм. На выходе из колонны (6) парогазовая смесь попадает в холодильник-сепаратор (8), где происходит

9

С fb в % II в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. № 7

конденсация паров воды. Далее поток воздуха осушается в ловушке с сили-кагелем (9) и сбрасывается в окружающую среду. Изотопный анализ проб конденсата из сепаратора (8) проводился методом жидкостной сцинтилляции на приборе СЖС-04К. Все эксперименты данной серии проводились при потоке воздуха, равном 720 л/ч (н.у.) и температуре в реакторе (43,6+0,5) °С.

Рис. 1. Принципиальная схема установки: 1 - компрессор; 2-насытительная колонна; 3- ротаметр; 4 - емкость с природной водой; 5 - расходомер жидкости; 6 - реакционная колонна; 7 - образец; 8 - холодильник-сепаратор; 9 - силикагелевая ловушка; TCI, ТС2 - термостаты; Tl, Т2 - термометры.

С использованием результатов анализа по уравнениям (1, 2) рассчитывали количество трития, выделившееся из блока за промежуток времени между отборами проб At (А0бм, Бк) и удельную скорость выделения трития (Гуд, Бк/ч-см2).

Лбм =GH,o -Л^-At

у _ ^обм

уд "A t-S

где Сто - поток пара в пересчета на конденсированное состояние (л/ч); Апр - активность пробы (Бк/л); А* - промежуток времени между отборами проб (ч); площадь блока, см2.

На первом этапе были проведены эксперименты, направленные на определение воспроизводимости результатов для образцов одной партии в сопоставимых условиях.

Исследования проводили с использованием четырех образцов (ПЦ-1, ПЦ-2, ПЦ-6 и ПЦ-9), при изготовлении которых отношение массы воды к

9

С Яг в X № в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. №7

массе сухого цемента составляло 0.7, что соответствует массовой доле воды в образце £=0,41. Температуру процесса поддерживали на уровне (40,6±2)°С, влажность (95,8+5)%. На рис. 2 представлены зависимости скорости выделения трития из образцов от времени эксперимента в полулогарифмических координатах.

Рис. 2. Зависимость удельной скорости обмена тритийсодержащей воды

в матрицах портландцемента с парами воды от времени эксперимента

Согласно данному рисунку, зависимость логарифма удельной скорости выделения трития от времени контакта образца с паровоздушной смесью хорошо описывается двумя прямыми линиями с точкой излома, лежащей для образцов первой партии в 2,5 часах от начала эксперимента, для второй партии в 3 часах. При этом выделяется «высокоскоростная» и «низкоскоростная» области с соответствующими значениями тангенса угла наклона прямых, описывающих данную зависимость. Это подтверждает сделанное ранее предположение о наличии в матрице цемента воды, находящейся в слабосвязанном состоянии и в виде кристаллогидрата [2, 3]. Следует отметить, что в «высокоскоростной» области для всех блоков значение тангенса угла наклона составляет величину (0,2016+0,0302), а в «низкоскоростной» - (0,0241+0,0101). За 6 часов эксперимента для исследованных образцов доля выделившегося трития составила (8,69+1,33). Таким образом, можно сделать вывод о том, что в пределах одной партии при проведении экспериментов в сопоставимых условиях наблюдается воспроизводимость результатов.

На следующем этапе было исследовано влияние состава парогазовой смеси на скорость выделения трития из образцов ПЦ-5 и ПЦ-3, при изготовлении которых отношение массы воды к массе сухого цемента составляло 0.5, что соответствует массовой доле воды в образце £=0,33. Эксперименты проводили в условиях, аналогичных предыдущим опытам, а изменение влажности газа-носителя достигалось путем изменения температуры насыщения в насытителе (2). Из рисунка 3 видно, что полу-

9

G И в Où to в химии и химической технологии. Том XXIV. 2010. Nb 7

ченные данные хорошо описываются одной кривой. За 6 часов эксперимента доля выделившегося трития в среднем составило величину (2,65+0,35)%. Таким образом, снижение степени насыщения парогазового потока не влияет на скорость выделения трития из образцов.

Рис. 3. Влияние влагосодержания воздуха на удельную скорость выделения трития

В заключение представляется интересным сравнить влияние содержания воды в цементной матрице на ее способность удержания трития. Из сравнения результатов, полученных при температуре (40,6±2)°С, и влажности (95,8+5)%, представленных на рис. 2 и 3 можно заметить, что образец портландцемента ПЦ-5 (доля воды в блоке £,=0,33), обладает наилучшей фиксацией тритийсодержащей воды по сравнению с образцами ПЦ-1, ПЦ-2, ПЦ-6 и ПЦ-9, для которых удельное содержание тритийсодержащей воды в готовом блоке составляет £=0,41. Таким образом, снижение доли воды в блоках с 0,41 до 0,33 приводит к уменьшению выделения трития примерно в 2 раза.

Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009 - 2013 годы» грант П1583.

Библиографические ссылки

1. Дмитриев С.А., Стефановский C.B. Обращение с радиоактивными отходами: Учеб. пособие/ С.А. Дмитриев, C.B. Стефановский/РХТУ; / М.: РХТУ им Д.И.Менделеева, 2000. 125с.

2. A.M. Невилль. Свойства бетона/ A.M. Невилль. / пер. с англ. В.Д. Парфенова и Т.Ю. Якуб; М.: Стройиздат, 1972. 344с.

3. Овчинникова Т.М. Выделение трития из цементных матриц при отверждении тритийсодержащих водных отходов./ Т.М. Овчинникова, Е Мьинт Лат, C.B. Прокунин, И.Л. Растунова // Перспективные материалы, 2010. Специальный выпуск № 8. С. 320 - 323.