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). Задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в создании композиционного материала обеспечивающего повышение эффективности очистки водных сред от радионуклидов цезия-137, 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).
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).
Недостатком ближайшего аналога является снижение эффективности очистки водной среды от радионуклидов цезия Термоксидом в присутствии продуктов коррозии железа с концентрацией более 1 мг/дм3 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.
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/дм3 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.
Композиционный материал для очистки воды от радиоактивного цезия на основе сферогранулированного гидроксида циркония модифицированного ферроцианидом никеля, отличающийся тем, что основа размещена внутри двухслойной оболочки из сорбирующих нетканных материалов, причем ее внутренний слой выполнен из полиакрильного волокна модифицированного этилсиликонатом натрия, а наружный из графитизированного полиакрилонитрильного волокна, при объемном соотношении между основой, внутренним и наружным слоем (30-50):(1-3):(1-3).
