Способ получения композиции для долговременного хранения изотопа йод-129

 

Использование: охрана окружающей среды, переработка отработавшего ядерного топлива, подготовка материалов, содержащих радионуклеиды, к долговременному захоронению. Сущность: способ получения композиции для долговременного хранения изотопа йод-129 заключается в том, что содержащийся в исходном азотнокислом растворе йод переводят в молекулярную форму, извлекают молекулярный йод в органический растворитель и в полученный раствор вносят избыток порошка металлической меди. Смесь интенсивно перемешивают до обесцвечивания раствора, а затем осадок отделяют и отправляют его на захоронение. Достигаемый по способу технический результат: исключение потерь йода-129 в процессе приготовления композиции для хранения.

Изобретение относится к обращению с долгоживущими радиотоксичными нуклидами, образующимися в ядерно-топливном цикле, и к области охраны окружающей среды. Предлагается использовать способ при переработке отработавшего ядерного топлива (ОЯТ).

В процессе переработки ОЯТ по принятой в настоящее время технологии йод-129 выводится в отдельную фракцию отходов при растворении топлива. Он переводится в газовую фазу, удаляется из раствора ОЯТ на 95-98% и количественно удерживается в регенерированной азотной кислоте, образующейся при улавливании оксидов азота. По принятой схеме йод-129 путем отдувки воздухом при температуре приблизительно 80^oC и содержании пероксидов водорода приблизительно 2 мас. переводится в устойчивую композицию, пригодную для долговременного контролируемого хранения или захоронения. /Орлова Э.К. Очистка отходящих газов при переработке облученного топлива. Вып.1 Улавливание йода. Обзорная информация АИФ 493. ЦНИИатоминформ, 1979 г. Поведение и улавливание йода в процессе переработки облученного топлива. Материалы по двустороннему сотрудничеству. Ленинград, 1982 г./.

Существующие в настоящее время разработанные конечные формы йода-129 и предлагаемые для долговременного хранения или захоронения этого радионуклида методы, обеспечивающие получение этих форм, не могут удовлетворять возрастающие экологические требования. К ним можно отнести химические формы HJO₃(J₂O₅)-Ba(JO₃)₂ образующиеся при использовании йодокс-процесса, Hg₂J₂ и HgJ₂, образующееся в случае использования Меркурекс-процесса. Все эти методы и соответственно конечные формы, подлежащие захоронению, обладают целым рядом недостатков, отмеченных в технической литературе.

Наиболее близкой к предлагаемому способу является технология, предложенная для завода РТ-2 и заключающаяся в переводе йода-129 из щелочного раствора в устойчивую композицию (CuJ + Cu). Технология состоит в следующем. Из регенерируемой азотной йодсодержащей кислоты йод-129 потоком воздуха при температуре 80^oC и содержании H₂O₂не менее 2 мас. выносится и улавливается раствором гидроксида натрия (4 М NaOH). Образующийся йодсодержащий щелочной раствор поступает на переработку с целью выделения йода-129 в химической форме CuJ + Cu. Для этого в щелочной раствор добавляют надстехиометрическое количество раствора гидразина азотнокислого для восстановления формы IO^-₃ в J^-, и раствор перемешивают приблизительно 30 мин. Затем после проведения анализа на присутствие в растворе химической формы IO^-₃ раствор подкисляют до pH приблизительно равного 2, вводят последовательно порошок металлической меди (рассчитанное количество с учетом конечного содержания в конечной композиции), а затем избыток (приблизительно 20% над стехиометрическим) концентрированного раствора азотнокислой меди Cu(NO₃)₂. Добавление раствора азотнокислой меди осуществляют постепенно, по каплям при интенсивном перемешивании всего раствора. После внесения осадителя Cu(NO₃)₂ и образования белого осадка оставляют раствор на 2-3 часа для созревания осадка, а затем путем фильтрации отделяют осадок. Подробное описание технологии получения осадка CuJ + Cu описано в работе: Отчет о НИР. Инв. N 1956-И. С.-Петербург, 1993 г. "Исследования по комплексной очистке газовых выбросов завода РТ-2".

Основные недостатки описанного способа заключаются в следующем: отдувка йода из регенерированной азотной кислоты длительный процесс, протекающий при температуре раствора не ниже 80^oC ( из этого вытекает большой расход энергии на нагревание кислоты); использование значительного количества химических операций: анализа на отсутствие IO^-₃ подкисление, введение осадителя; использование опасных реагентов (гидразина); потери йода на операции отдувки и последующего улавливания йода, при недостаточном восстановлении химической формы IO^-₃ осаждении J^- осадителем Cu(NO₃)₂ и возможном протекании реакции Cu⁺⁺+I^-_ 2CuI₂_ 2CuI+I₂. Это обстоятельство требует организации вторичных цепочек газоочистки: образование вторичных отходов, содержащих йод-129, теоретический выход йода-129 в осадок приблизительно 98-99% на практике удается перевести 95-97% Значит, необходимо дополнительно проводить переработку образующихся растворов, которые в последующем будут рассматриваться, в любом случае, как слабоактивные растворы; большие временные затраты на получение композиции.

Задача данного изобретения заключается в разработке способа, лишенного перечисленных недостатков.

Поставленная задача решается путем извлечения йода-129 из регенерируемой азотной кислоты экстракцией его в органический растворитель, например, бензол, трибутилфосфат (ТБФ), или разбавитель экстракционный деароматизированный (РЭД), или смесь РЭД и ТБФ. Полученный органический раствор йода-129 промывают небольшими порциями дистиллированной воды до нейтральной реакции. Затем в органическую фазу вводят количество порошка металлической меди, и раствор тщательно перемешивают до обеспечения органической фазы. Для ускорения протекания реакции раствор можно подогреть до 40-50^oC. При этом полностью исключается образование CuJ₂, а следовательно, исключается вторичный процесс выделения элементарного йода-129 из раствора в газовую фазу. Таким образом, на установке осаждения йода по данной технологии нет необходимости устанавливать локальную систему газоочистки от йода-129. Образовавшийся осадок отфильтровывается (декантируется), отжимается от остатков органики и загружается в контейнеры для хранения или захоронения. Промывать осадок нет необходимости, так как остающийся органический растворитель в присутствии избытка порошка металлической меди является дополнительным барьером на пути выхода йода-129 в газовую фазу по возможной схеме:
Освобожденный от йода растворитель вновь направляется на операцию экстракции йода-129 из регенерированной азотной кислоты. Таким образом не образуются вторичные жидкие отходы. Степень очистки органического растворителя от йода 95% при этом потери йода-129 исключаются полностью, так как все пути возможных потерь замкнуты (зациклованы).

Преимущества предложенной технологии заключаются в следующем:
полностью исключается потери йода-129 в процессе получения композиции;
исключается весьма длинная цепочка получения композиции и большой перечень необходимых химических реагентов, в том числе небезопасных (гидразина);
сокращается время получения осадка;
существенно упрощается аппаратурная схема установки для получения композиции;
отпадает необходимость разработки и создания локальных цепочек очистки воздуха от йода-129;
резко уменьшается вероятность возникновения аварийных ситуаций (кроме пролива и воспламенения органического раствора с йодом);
полностью исключается образование вторичных объемов жидких отходов йода-129.

С другой стороны, в композиции CuJ + Cu поступающей на длительное хранение (или захоронение), дополнительно создается еще один барьер, препятствующий возможному выходу элементарного йода в газовую фазу, за счет его растворения в остатках органической фазы и последующей реакции с порошком меди с образованием CuJ. Таким образом, йод-129 вводится в замкнутый химический цикл через посредство порошка металлической меди и остатков органического растворителя. Вероятность выхода йода-129 в газовую фазу сводится к нулю.

Пример 1. К 100 см³ 0,5 М HNO₃, содержащим 500 мг йода в окисленной форме, меченного изотопом йод-125, добавляют 30 см³ бензола, несколько капель концентрированной H₂O₂ и проводят экстракцию выделяющегося по реакции (J^- + H₂O₂ _ J₃) йода. Двукратная экстракция позволяет выделить 97-98% йода, т.е. 485 мг йода элементарного. К 60 см³ раствора бензола с йодом (485 мг) добавляют приблизительно 300 мг порошка металлической меди и энергично перемешивают до полного обесцвечивания органического раствора. Образовавшийся белый осадок отфильтровывается от бензола. В бензоле остается приблизительно 3% йода. Выход осадка составляет приблизительно 770 мг, т.е. 98% Накопление йода в органическом растворителе при повторном использовании бензола не наблюдается.

Пример 2. к 200 см³ 0,5 М HNO₃, содержащим 500 мг йода в окисленной форме, добавляют 50 мл трибутилфосфата, несколько капель H₂O₂ и дважды проводят экстракцию элементарного йода. Извлекается 98% йода, т.е. 490 мг. К 100 мл ТБФ с йодом добавляют приблизительно 300 мг порошка металлической меди м перемешивают до обесцвечивания органической фазы. Образовавшийся осадок отфильтровывают, трибутилфосфат вновь направляют на операцию экстракции. В органической фазе остается приблизительно 2% йода.

Пример 3. К 100 см³ 9,5 М HNO₃, содержащей 500 мг йода, добавляют 30 мл РЭД с 15% ТБФ, несколько капель концентрированной H₂O₂ и дважды проводят экстракцию элементарного йода. Далее проводят аналогичные как и в предыдущих примерах операции. Количество остающегося в органическом растворе йода составляет приблизительно 3%

Формула изобретения

Способ получения композиции для долговременного хранения изотопа йод-129 в форме йодида меди с распределенным в нем высокодисперсным порошком металлической меди, отличающийся тем, что композицию получают путем перевода содержащегося в азотнокислом растворе йода в молекулярную форму, извлечения J₂ в органический растворитель, внесения в него избытка порошка металлической меди, интенсивного перемешивания полученной тройной смеси и последующего отделения осадка после обесцвечивания раствора.