CC BY
24
УДК 621.039.7 + 504.064.47
Е Мьинт Лат, С. Г. Ерошкин, Т. М. Овчинникова, И. JI. Растунова Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ВЫДЕЛЕНИЕ ТРИТИЯ ИЗ МАТРИЦ ВЫСОКОПРОНИКАЮЩЕГО ЦЕМЕНТА ПРИ ОТВЕРЖДЕНИИ ТРИТИЙСОДЕРЖАЩИХ ВОДНЫХ ОТХОДОВ
The searching results of tritium containing water vapour emission rate from the surface of blocks made of high-permeable cement during the contact with vapour-gaseous phase are presented. The dependence of rate of tritium emission from cement matrix on temperature and gas humidity are shown.
Представлены результаты исследования скорости выделения трнтийсодержащих паров воды с поверхности цементных блоков из .высокопроникающего цемента при контакте с парогазовой средой. Приведены зависимости скорости выделения трития из цементной матрицы от температуры и влагосодержания воздуха.
Развитие ядерной энергетики связано с необходимостью решения экологических проблем, в частности, улавливания и переработки радиоактивных отходов (РАО), образующихся на предприятиях ядерной индустрии. Особое место среди РАО занимает тритий — радиоактивный изотоп водорода, мягкий [¡-излучатель с периодом полураспада т,д = 12,35 года, который, занимает особое место среди низкоэнергетических излучателей. Повышенная опасность трития обусловлена тем, что он, являясь изотопом водорода, способен обмениваться с водородом воды и других соединений, входящих в состав организма (в частности, может быть усвоен молекулами ДНК) [1]. В настоящее время на предприятиях ЯТЦ накоплены значительные количества низкоактивных трнтийсодержащих водных отходов, которые необходимо перевести в безопасные формы для долговременного хранения. Одним из традиционных способов переработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО) является их отверждение путем включения в твердую матрицу [2]. В настоящей работе исследована возможность использования для локализации тритийсодержащей воды цементных матриц на основе высоколроникающе-го цемента марки 400 (ВП).
В работе испытывали цементные блоки, изготовленные в ГУЛ Мое-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. Таким образом, расчетное удельное содержание радионуклида в отвержденных образцах составляло .5,8-10 Бк/кг. Блоки имели цилиндрическую форму диаметром 30 мм и высотой ~112 мм, и их геометрическая поверхность принималась равной 120 см".
Исследование скорости выделения трнтийсодержащих паров воды из цементных блоков проводилось 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 насыщен-
ного парами воды природного изотопного состава в термостатируемой колонне (2) высотой 30 мм и внутренним диаметром 25 мм, заполненной спирально-призматической насадкой диаметром 2x2x0,2 мм. На выходе из колонны (6) парогазовая смесь попадает в холодильник-сепаратор (8), где происходит конденсация паров воды. Далее поток воздуха осушается в ловушке с силикагелем (9) и сбрасывается в окружающую среду.
тег ;"л
! тчрч
ТС1
_
ги
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 - енликагелевая ловушка; ТСI, ТС2 - термостаты; Т1, Т2 - термометры.
Изотопный анализ проб конденсата из сепаратора (8) проводился методом жидкостной сцинтилляции на приборе СЖС-04К. С использованием результатов анализа по уравнениям (1, 2) рассчитывали количество трития, выделившееся из блока за промежуток времени между отборами проб А1 (Аойи. Бк) и удельную скорость выделения трития (Ум> Бк/ч-см ).
Лом = С//20 " Атр ■Л/ (!)
V = А2$Х- (2)
>л А/-Я
поток пара в пересчета на конденсированное состояние (л/ч); А,ф - активность пробы (Бк/л); А/ - промежуток времени между отборами проб (ч); 5 - площадь блока, см".
где Ото
Все эксперименты данной серии проводились при потоке воздуха, равном 1,03 м3/ч. На первом этапе исследовали влияние температуры на скорость выделения трития из блоков при влажности воздуха, равной 100%. В работе использовали следующие образцы: при температуре 40°С - блок ВП-1 массой теш,са=144,0 г, начальная активность А|1га=83520 Бк; при 30"С -блок ВП-2 тбжжа= 136,5 г, Ансх=79054 Бк и при 10°С » ВП-3 т6шк8=142,0 г, А„м=82244 Бк. Результаты исследования представлены на рис. 2.
ирсшп, -1
Рис. 2. Влияние температуры на удельную скорость выделения трития из блоков ВП
Из представленных данных видно, что для всех температур зависимость логарифма удельной скорости выделения трития от времени контакта с паровоздушной смесыо хорошо описывается двумя прямыми линиями с точкой излома, лежащей: в интервале 3-4 часа после начала опыта. При этом явно выделяется «высокоскоростная» и «низкоскоростная» области с различными значениями тангенса угла наклона прямых, описывающих данную зависимость. Такой характер изменения скорости обмена позволяет предположить наличие двух механизмов выделения радионуклида с поверхности контакта. Можно предположить, что на начальном участке происходит обмен пара с водой, находящейся на поверхности блока в слабосвязанном состоянии, а затем с водой, содержащейся в порах материала или в связанном состоянии в приповерхностном слое блока, что хорошо согласуется с литературными данными [3]. При этом наблюдается изменение угла наклона прямых - при снижении температуры от 40°С до 10°С для «высокоскоростной» области наблюдается уменьшение этого параметра от 0,24 до 0,13, а для «низкоскоростной» - увеличение от 0,014 до 0,051. Следует также отметить, что при снижении температуры при снижении температуры скорость выделения тритийсодержащей воды из образцов уменьшается. Так, за первые б часов эксперимента из цемента выделилось 5,2 % трития, при 30°С -4,0 %, а при 10°С - 2,1%. Таким образом, снижение температуры с 40°С до 10°С приводит к уменьшению выделения трития примерно в 2,5 раза.
С использованием блока ВП-4 (масса 136,0 г, исходная активность 78880 Бк) был проведен эксперимент при 40°С и насыщении воздуха парами воды при температуре 31°С, т.е влажность воздуха составляла около 60%. На рис, 3 представлены результаты эксперимента в сопоставлении с данными, полученными при 100% влажности воздуха (блок ВП-1).
1,8 1,6 1,4 1.2
•г 1 >
0,8 0,6 0,4 0,2 О
0 2 4 6 8 10
Время, ч
Рис. 3. Влияние влажности воздуха на удельную скорость выделения трития из цементных блоков ВП-1 и ВП-4 при температуре 40°С
Из рисунка видно, что уменьшение влатосодержания паровоздушной смеси приводит к уменьшению времени протекания «высокоскоростной» области. При этом тангенс угла наклона прямых, соответствующих двум областям протекания реакции, не зависит от влажности и равен для «высокоскоростной» области (0,235±0,005), а для «низкоскоростной» (0,026±0,003). Однако, следует отметить, что выделение трития в «низкоскоростной» области при малом влагосодержании происходит более интенсивно, что, вероятно, связано с протеканием процесса испарения тритийсодер-жащей воды из цемента. При этом за 9 часов эксперимента из блока ВГ1-4 выделилось около 6 % трития.
На основании проведенных исследований можно предположить, что снижение доли свободной воды в отвержденных РАО с использованием высокопроникающего цемента марки 400 может привести к уменьшению выделения трития при контакте с влажным воздухом. Перспективным направлением работ в данном направлении, на наш взгляд может являться изготовление комбинированных матриц на основе цемента и содержащих водо-удерживающие сорбенты (силикагель, цеолиты).
Библиографические ссылки
1. Андреев Б.М., Зельвенский Я.Д., Катальников С.Г. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. М.: ИздАТ, 2000. 340 с.
2. Дмитриев С.А., Стефановский C.B. Обращение с радиоактивными отходами: Учеб. пособие / РХТУ им Д.И.Менделеева. М.: Изд-во РХТУ им Д.И.Менделеева, 2000. 125 с.
3. А. М. Невилль. Свойства бетона [Пер. с англ. В.Д. Парфенова и Т.Ю. Якуб]. М.: Стройиздат. 1972. 344 с.
УДК 66.081.6+544.015.5
О. А. Натурный, С. Г. Третьякова, С. В. Прокунин, И. Л. Растунова, М. Б. Розенкевич
Российский химико-техиологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАТИОНООБМЕННОЙ МЕМБРАНЫ МФ-4СК С ВОДНЫМИ РАСТВОРАМИ СОЛИ Fe3+
The interaction between iluorocarbon cation exchange membrane has studied in the work. As well as ion-exchange the irreversible implication (implantation) of iron ions into the membrane film is found to happen during the contact of the membrane wit FeCIj water solutions, that is probably due to partially hydrolyzed molecules being distributed in water clusters inside the membrane film. As membrane is placed into nitric acid water solution iron is completely removed from membrane.
Исследовано взаимодействие фторуглеродной катионообменной мембраны МФ-4СК с растворами солей железа. Найдено, что при контакте мембраны с водными растворами FeCl3, наряду с ионным обменом, происходит необратимое внедрение ионов железа в тело мембраны, предположительно за счет распределения частично парализованных молекул в кластеры воды в теле мембраны. При помещении мембраны в водный раствор азотной кислоты железо из нее полностью удаляется.
Введение. Фторуглеродная катионообменная мембрана МФ-4СК (российский аналог мембраны, известной под торговой маркой Nafion) применяется в разрабатываемых в РХТУ в настоящее время контактных устройствах мембранного типа (КУМТ), предназначенных для осуществления реакций каталитического изотопного обмена между водой и водородом (разделение изотопов водорода) или водой и углекислым газом (разделение изотопов кислорода) [1]. Основная идея использования КУМТ заключается в отделении катализатора активации молекул РЬ или ССЬ от жидкой воды. В этом случае каталитическая стадия процесса проходит на катализаторе между активируемыми молекулами и парами воды, а через мембрану осуществляется процесс фазового изотопного обмена паров воды с жидкой водой с другой стороны мембраны. При использовании достаточно активных катализаторов определяющее влияние на массообменные характеристики КУМТ и, следовательно, объем разделительных установок, оказывает проницаемость мембраны по воде. Поскольку процесс разделения ведется в металлической ап-паратуре, в результате ее коррозии в воде появляются ионы металлов, которые замещают протоны в сульфогруппах мембраны, обуславливающих ее
