Дезактивация почв в среде сжиженных CO2 и неразрушающего

ДЕЗАКТИВАЦИЯ ПОЧВ В СРЕДЕ СЖИЖЕННЫХ СО2 И
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ОЗОН ФРЕОНА HFC-134a
Шадрин А.Ю., Мурзин А.А., Камачев В.А., Шафиков Д.Н.
НПО «Радиевый институт им. В.Г. Хлопина», С.-Петербург
E-mail: shadrin@atom.nw.ru
Введение
Удаление радионуклидов с поверхности твердых тел – одна из основных
проблем, возникающих при снятии с эксплуатации объектов ядерной энергетики и
реабилитации зараженных территорий. Традиционные методы дезактивации, как
правило, подразумевают использование органических или водных растворов
дезактивирующих реагентов, что приводит к образованию больших объемов
вторичных жидких радиоактивных отходов.
В последнее время активно ведется разработка метода сверхкритической
флюидной дезактивации (СФД) во Франции, Южной Корее, Японии, Нидерландах,
США [1-5], а также в России [6]. Данный метод основан на использовании в качестве
среды для дезактивации сжиженных газов или веществ, находящихся в
сверхкритическом состоянии (СК), т.е. при температуре и давлении выше критических
значений. В случае СФД дезактивирующие агенты растворяются в диоксиде углерода
или другом флюиде, что позволяет резко сократить объем вторичных радиоактивных
отходов, так как при изменении давления или температуры сверхкритический флюид
переходит в газообразное состояние, что позволяет легко удалять «растворитель» и
получать растворенные соединения в компактной форме. Наиболее часто
используемый флюид – сверхкритический диоксид углерода (СК-СО2), так как он не
токсичен, доступен, дешев и обладает относительно невысокими критическими
параметрами (температура >31 С, давление >7,2 МПа). Хотя, с точки зрения
радиохимической технологии давление 10…20 МПа является очень высоким.
Проведенные в НПО «Радиевый институт» исследования показали, что существует
возможность создания относительно не дорогой технологии дезактивации в среде
жидкого СО2 [7, 8] или в среде неразрушающего озон фреона HFC-134а (1,2…1,4 МПа,
20…40 С) [9]. Целью данной работы была демонстрация применимости данной
технологии для дезактивации почв.
1 Методы эксперимента
При проведении описанных выше исследований использовались лабораторный
комплекс со шприцевым насосом и пилотные установки с естественной циркуляцией
диоксида углерода с объемом экстрактора 0,2 и 5 дм3. Внешний вид последней
представлен на рисунке 1. Для проведения исследований были использованы пробы
грунтов, отобранные с глубины 0,1…0,2 метра от поверхности земли. Пробы грунта
были высушены при температуре 60 С в течение 4 часов и просеяны через сито с
размером ячеек 0,5 мм для отделения крупных фрагментов.
Эксперимент проводили по следующей методике. В ячейку лабораторного
комплекса или в экстрактор пилотной установки помещали дезактивируемые образцы и
комплексоны. Затем подавали в них сжиженный CO2 или фреон, термостатировали и
выдерживали в течение 20…60 мин., а затем в течение 60…120 мин. через ячейку
лабораторного комплекса пропускали сжиженный газ насосом, а через экстрактор
пилотных установок самотеком. Затем образцы извлекали из экстрактора, определяли
их конечную активность.
Степень дезактивации определяли по соотношению исходной и конечной α-, βи γ-активности образцов.
Рисунок 1 – Внешний вид укрупненной (Vэкстрактора = 5 дм3) пилотной установки с
естественной циркуляцией СО2
2 Результаты и их обсуждение
Исследования по дезактивации реальных радиоактивно загрязненных почв
растворами гексафторацетилацетона (ГФА) и трибутилфофсфата (ТБФ) или
перфторвалериановой кислоты (ПФВК), полиэтиленгликоля-600 (ПЭГ-600) и
октилового спирта (OctOH) в жидком диоксиде углерода и фреоне-134а были
выполнены с использованием лабораторного комплекса (таблицы 1, 2). В зависимости
от типа почвы при однократной обработке может быть удалено 20…50 % цезия и
30…90 % редкоземельных и трансплутониевых элементов (РЗЭ и ТПЭ). Двух-,
трехкратная обработка почвы в данных условиях позволяет удалять до 99 % Am
(наиболее трудно удаляемого из ТПЭ) и РЗЭ, но незначительно влияет на
эффективность удаления плутония. Аналогичные результаты были получены и с
использованием растворов перечисленных выше комплексонов в сжиженном
неразрушающем озон фреоне HFC-134a. Эксперименты, выполненные с
использованием укрупненной пилотной установки, подтвердили результаты
лабораторных исследований.
Было также показано, что использование углерода в качестве среды для
дезактивации почв позволяет достигать таких же извлечений цезия, америция и
плутония, как и обработка водными растворами, при этом продолжительность
обработки может быть сокращена как минимум в три раза, а объем радиоактивных
вторичных жидких отходов – в 60 раз.
Таблица 1 – Дезактивация реально-загрязненных образцов почв в сжиженных СО2 и
HFC-134a (500 мкл ПФВК, 500 мкл OctOH, 100 мкл H2O, 60 мг ПЭГ-600)
Образец почвы
Извлечение Сs, %
Сжиженный диоксид
Сжиженный фреон
углерода (7 МПа, 25 С)
HFC-134a (1,2 МПа, 25 С)
Суглинок, черный, запесоченный,
(почвенно-растительный слой)
Песок, светлый, кварцевый
21 ± 15
19 ± 12
58 ± 13
53 ± 8
Таблица 2 – Удаление радионуклидов из почв при обработке растворами ГФА в
сжиженных СО2 и HFC-134a, содержащим воду и модификатор (3 грамма почвы, 0,2 мл
ГФА, 0,2 мл Н2О, 0,2 мл ТБФ)
Образец почвы
Суглинок, черный, запесоченный,
(почвенно-растительный слой)
Песок, светлый, кварцевый
Сжиженный диоксид
углерода (7 МПа, 25 С)
Извлечение Извлечение
Am241, %
Pu239, %
Сжиженный фреон
HFC-134a (1,2 МПа, 25 С)
Извлечение Извлечение
Am241, %
Pu239, %
33
85
37
91
42
80
45
89
Заключение
С использованием образца реальных радиоактивно загрязненных почв было
продемонстрировано, что дезактивация растворами комплексонов в жидком диоксиде
углерода более эффективна, чем обработка почв растворами солей или кислот.
Использование растворов комплексонов в жидком CO2 позволяет при увеличении процента
извлечения Cs сократить объем вторичных радиоактивных отходов более чем в 50 раз.
Показана принципиальная возможность использования в качестве среды для дезактивации
не только диоксида углерода, но и неразрушающего озон фреона HFC-134a.
Список литературы
1 Perrut M., Perrut V., 5th Meeting on Supercritical Fluids, 23-25 March 1998, Nice,
France, Proceedings. – 1998. – Р. 171.
2 Park K., Koh M., Yoon C. et. al., Super Green 2003, Nagoya, Japan, November 912, 2003, Proceedings, Nagoya University. – 2003. – P. 88-95.
3 Meguro Y., Iso S., Yioshida Z. et. al., J. Supercritical Fluids. – 2004. – Vol. 31, № 2.
– P. 141.
4 Kersh C., Van Der Kraan M., Woerlee G.F. and Witkamp G.J., J. of Chem. Tech.
And Biotech. – 2001. – V. 77, № 3. – P. 256.
5 Lin Y., Wu H., Smart N.G. and Wai C.M., Separ. Sci. and Tech. – 2001. – V. 35, №
5, 6. – P. 1149.
6 Шадрин А.Ю., Мурзин А.А., Бабаин В.А. и др. // Радиохимия. – 2002. – Т. 44,
№ 4. – С. 373-377.
7 Пат. RU 2 274 486 C2. Бабаин В.А., Бондин В.В., Бычков С.И. и др. Опубл.
20.04.2006. Бюл. № 11.
8 Shadrin A., Murzin A., Kamachev V. et. al. 7th Meeting on Supercritical Fluids, 6-78 December 2000, Antibes / Juan-Les-Pins, France, Proceedings, INPL. – 2000. – P. 847-851.
9 Kamachev V., Shadrin A., Murzin A., Shafikov D., 10th Meeting on Supercritical
Fluids, 12-14 December 2005, Strasbourg/Colmar. – France: Book of abstracts. – P. 127.