Національна Академія Наук України

Інститут ядерних досліджень

Вальковська Надія Іванівна

УДК 621.039.75

Переробка радіоактивної води та вплив на її стан мікродомішок

05.14.14 – теплові та ядерні енергоустановки

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

старший науковий співробітник,

Слісенко Василь Іванович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

завідувач відділу дослідницького ядерного реактору.

Офіційні опоненти: член-кореспондент НАН України,

доктор фізико-математичних наук, професор,

БУЛАВІН Леонід Анатолійович,

Київський національний університет ім. Т. Шевченка,

завідувач кафедри молекулярної фізики;

доктор фізико-математичних наук, професор

ГРИНІК Едуард Ульянович,

Інститут ядерних досліджень НАН України,

завідувач відділу радіаційного матеріалознавства.

Провідна установа: кафедра атомних електростанцій Одеського національного політехнічно-

го університету

Захист відбудеться 19.05. 2005 року о 1415 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.167.01 при Інституті ядерних досліджень НАН України за адресою: 03680, м. Київ, пр. Науки, 47.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту ядерних досліджень НАН України.

Автореферат розісланий 07.04. 2005 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д26.167.01

кандидат технічних наук С.П. Томчай

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Систему поводження з радіоактивними відходами (РАВ), що утворюються у ядерній енергетиці розглядають як деякий барєр для потенційно шкідливої дії на людину і навколишнє середовище. Проблеми поводження з РАВ з початком розвитку ядерної енергетики вирішувалися достатньо повно, але із зростанням уваги до питань забезпечення довготривалої безпеки і захисту навколишнього середовища ці проблеми загострюються з визнанням ядерної енергетики як глобального промислового джерела енергії. Належне поводження з РАВ за світовим досвідом входить до трійки головних проблем сучасної ядерної енергетики поряд з її економічними показниками та безпекою експлуатації. Це означає, що мінімізація радіоактивних відходів є одним із основних принципів сталого розвитку ядерної енергетики.

Дослідження процесів міграції радіонуклідів важливо як з точки зору виявлення шляхів їх проникнення в довкілля, так і з точки зору визначення засобів їх мобілізації з наступною іммобілізацією. Існуючі здобутки у цій галузі далекі від оптимальних, так як розвиток ядерно-енергетичного комплексу, як і промисловості в цілому, призводить до збільшення ризику забруднення довкілля і тому необхідно розвивати нові методи запобігання цього. Дослідницький ядерний реактор ВВР-М є складовою частиною ядерно-енергетичного комплексу України. Він може бути модельним обєктом для вивчення процесів утворення, міграції, мобілізації та іммобілізації радіонуклідів. З іншого боку як потужне джерело нейтронів, його можна використовувати для дослідження фундаментальних процесів, що відбуваються під впливом мікродомішок у воді. Цю унікальну можливість дослідницького реактора використано в цій роботі.

Вода – унікально важлива сполука для життєдіяльності людини. В природі і в живих організмах молекули води знаходяться в контакті з речовинами різної структури і походження. Стан води суттєво залежить від різних фізичних факторів і хімічних домішок. Переконливих науково-обгрунтованих даних про вплив стану води на життєво важливі біологічні процеси в організмі людини до цього часу немає, що і обумовлює підвищений інтерес дослідників до вивчення властивостей води. Тому для більш глибокого вивчення процесів, які відбуваються у водних системах, в тому числі при очищенні радіоактивної води, необхідно одержати інформацію про зміни її стану під впливом різних компонентів. Актуальність роботи полягає в тому, що зараз перед людством постала глобальна екологічна проблема – необхідність чистого оточуючого середовища, що є основою функціонування всього живого.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Інституті ядерних досліджень НАН України за темами ”Динаміка молекул сполук, здатних мобілізувати та іммобілізувати радіонукліди” (0100U5119), 2000-2002 рр. та ”Дослідження впливу факторів різної природи на динамічні властивості розчинів методом розсіювання нейтронів” (Ш 480/78), 2003-2005 рр. А також за планами розробки нормативних документів:

- Концепція зняття з експлуатації дослідницького ядерного реактора ВВР-М ІЯД НАНУ.

- Програма поводження з радіоактивними відходами на дослідницькому ядерному реакторі ВВР-М.

- Установка з переробки рідких радіоактивних відходів дослідницького ядерного реактора ВВР-М.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є одержання і аналіз інформації щодо можливих шляхів проникнення радіонуклідів в довкілля, визначення засобів їх мобілізації та іммобілізації для конкретного випадку дослідницького ядерного реактора ВВР-М. Дослідження динаміки і транспортних властивостей молекул води під дією різних мікродомішок і їх впливу на стан води.

Для цього потрібно було вирішити наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Об’єкти дослідження – утилізація і переробка радіоактивної води в ядерній установці.

Предмет дослідження – водоочищення, вплив мікродомішок на стан води.

Методи дослідження – нейтронна спектрометрія, гамма-спектрометрія.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі вперше отримані та пояснені:

1. Результати впливу атомів тритію на динаміку молекул води. Наявність тритію з характерною концентрацією для рідких радіоактивних відходів дослідницького ядерного реактора ВВР-М практично не впливає на стан води.

2. Результати впливу методів адсорбційного очищення водного розчину поверхнево-активних речовин (ПАР) на стан води. Спосіб очищення води суттєво впливає на її стан. В статичних умовах адсорбції частинки гідрофобного сорбенту (графітованої сажі) стають центрами міцелоутворення і екрануються оксиетильними групами молекул ПАР. Адсорбція в умовах фільтрування розчину через нерухомий шар гідрофобного сорбенту сприяє іншій структурі адсорбційного шару, що призводить до іншого стану води після очищення, ніж в попередньому випадку.

3. Результати досліджень системи вода-ПАР-твердий сорбент. Зміни в динаміці молекул води відбуваються не під дією дрібнодисперсних частинок гідрофобного сорбенту, а визначаються взаємодією молекул ПАР з водою та графітованою сажею. Присутність графітованої сажі у водному розчині ПАР спричиняє утворенню нестабільних гідрофобних частинок колоїдних і субколоїдних розмірів, а після певного часу частинки розчину стають переважно гідрофільними, що призводить до зміни молекулярно-динамічних характеристик води.

На основі аналізу шляхів міграції радіонуклідів на реакторі ВВР-М, складу та ступеню забруднення рідких радіоактивних відходів удосконалена технологія і введена в експлуатацію система очищення рідких радіоактивних відходів на дослідницькому ядерному реакторі та обґрунтована можливість використання очищеної води для технічних потреб реактора.

На виконання чинної нормативно-правової бази ядерної енергетики з використанням отриманих в дисертаційній роботі результатів, були розроблені важливі документи для подальшої експлуатації дослідницького ядерного реактора ВВР-М.

Практичне значення одержаних результатів. Результати досліджень можуть бути використані для розроблення новітніх технологій утилізації рідких радіоактивних відходів, а також техногенно забрудненої води. Результати досліджень були застосовані для удосконалення технології та модернізації установки з переробки рідких радіоактивних відходів дослідницького ядерного реактора ВВР-М, а також для створення важливих нормативних документів [11-15] для безпечної експлуатації реактора, які були погоджені у відповідних органах державного регулювання.

Особистий внесок здобувача. Автор безпосередньо зробила аналіз шляхів міграції радіонуклідів та стану поводження з РРВ на ядерному реакторі ВВР-М. Автор брала участь в удосконаленні технології очищення РРВ на ядерному реакторі ВВР-М, у постановці задач і в експериментах з квазіпружного розсіювання повільних нейтронів і гамма-спектрометричного аналізу, у підготовці нормативних документів, аналізі отриманих результатів, у підготовці рукописів статей до опублікування.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались й обговорювались на 7-й та 8-й Міжнародних конференціях “Молодь – ядерній енергетиці” (Севастополь, 2-3 липня 2003, 2004 рр.), на Міжнародному семінарі „Мікродомішки у воді” (м. Київ, 10-11 листопада 2003 р.), на 9-й робочій нараді з використання дослідницьких ядерних реакторів (м. Дімітровоград, Росія, 2003 р.), на Міжнародній конференції „Екологічні аспекти ядерних технологій” (м. Київ, 23-24 листопада 2004 р.), на 2-й Українській конференції з обліку і контролю ядерного матеріалу (м. Енергодар, 25-29 жовтня 2004 р.), на щорічних конференціях ІЯД НАНУ (2000-2004 рр.), на розширеному засіданні секції „Ядерна енергетика” та наукових семінарів відділу дослідницького ядерного реактора.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 15 робіт [1-15], з них 6 статей [1-6] 5 із яких в наукових реферованих журналах, 4 роботи в збірниках тез наукових конференцій [7-10], 5 робіт у вигляді нормативних документів [11-15]. Список публікацій наведений наприкінці автореферату.

Структура й обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаної літератури. Робота містить 120 сторінок, 17 рисунків, 12 таблиць. Наприкінці роботи на 9 сторінках наведений список використаних джерел із 118 найменувань.

зміст РОБОТИ

У вступі обгрунтовується актуальність теми і показано її зв'язок з науковими програмами, планами, темами; сформульовані мета і задачі дослідження; показана наукова новизна отриманих результатів та їх практичне значення, а також особистий внесок дисертанта.

Перший розділ дисертації містить відомості щодо системи поводження з радіоактивними відходами, нормативно-правової бази в галузі поводження з РАВ, методів переробки РАВ та способів дезактивації.

Будь-який вид діяльності людини разом з користю для суспільства несе з собою і негативні наслідки. Одним із таких негативних наслідків у сфері використання ядерної енергії є утворення радіоактивних відходів. Отже, мінімізація радіоактивних відходів актуальна і є одним із основних принципів сталого розвитку ядерної енергетики.

Україна є учасницею міжнародних угод, що стосуються регулювання ядерної та радіаційної безпеки, тому для зменшення ризику забруднення довкілля застосовують комплекс заходів, починаючи з приведення нормативно-законодавчої бази ядерної галузі до світового рівня.

Наступна і головна задача полягає в утилізації радіоактивних відходів. Зокрема для очищення рідких радіоактивних відходів (РРВ) на даний час існує і використовується достатньо велика кількість різних методів. Вибір того чи іншого з них для конкретних умов визначається радіонуклідним та хімічним складом забрудненої води, її кількістю, рівнем ступеня очищення. За звичай використовують комплекс методів у таких комбінаціях, які дозволяють при найменших витратах одержати найкращий ефект. При переробці рідких радіоактивних відходів найчастіше використовують такі методи, як хімічне осадження і коагуляція, іонний обмін, упарювання, фільтрація, електродіаліз та інші.

Спектр методів і технологій дезактивації, які використовуються на практиці, надзвичайно широкий, серед них можна назвати: миючі засоби, включаючи поверхнево-активні речовини; хімічні методи травлення і розчинення поверхневого шару (кислоти і луги); абразивні матеріали та заходи; термічні, гідравлічні та механічні заходи.

Накопичений світовий досвід засвідчує те, що проблема надійної ізоляції радіоактивних відходів, з метою захисту здоров’я і благополуччя не тільки нинішнього, але й майбутнього покоління, може бути вирішена з доступними для суспільства рівнями витрат.

В другому розділі розглянуто технологічну схему дослідницького реактора ВВР-М, проаналізовано процеси утворення радіонуклідів та можливі шляхи проникнення їх в довкілля, визначено засоби їх мобілізації та іммобілізації.

Теплоносій І-го контуру із бака реактора проходить зверху вниз через активну зону (рис.1) та оточуючий її берилієвий відбивач і по відвідному трубопроводу поступає на насоси, а після них проходить теплообмінники і повертається в бак реактора. Однією із особливостей водного режиму I-го контуру є контакт конструкційних матеріалів з теплоносієм. У зв’язку з цим ці матеріали піддаються корозійному впливу середовища, що призводить до переходу в теплоносій утворених продуктів корозії, які за рахунок наведеної активності погіршують радіаційний стан контуру.

Крім того, в теплоносії I-го контуру можуть знаходитися продукти поділу ядерного палива, які поступають в контур в результаті незначних забруднень поверхні оболонок твелів. Ці радіоактивні елементи знаходяться в теплоносії в розчиненому стані. Для виведення із І-го контуру радіоактивних елементів, створення буферної хімічної системи (і тим самим забезпечення радіаційної безпеки і нормальної роботи контуру) використовується система очищення води I-го контуру. В результаті витоків також може бути активованим ІІ-й контур реактора. Вода із насосної ІІ-го контуру по трубопроводу поступає в будівлю реактора, де розміщується вузол вводу ІІ-го контуру, звідки розподіляється на два теплообмінники, а потім збирається в зворотному трубопроводі, по якому повертається в градирню.

Вода, що витікає із басейну реактора, обладнання і трубопроводів I-го контуру при проведенні ремонтних робіт або що проникає через нещільності, утворені в процесі експлуатації, попадає в піддони під баком реактора і іонообмінним фільтром або в дренажний короб, проходить під теплообмінниками, насосами і вздовж траси трубопроводів. Потім стікає до дренажного трапу і далі по трубопроводу в скидні резервуари спецканалізації. Система спеціальної каналізації призначена для збору води, що містить радіоактивне забруднення. РРВ зливаються в спеціальні баки. Після річної витримки вода проходить очищення від радіонуклідів на спеціальній випарній установці. Очищена вода використовується для технічних потреб реактора.

В ядерних реакторах генерується до 600 радіонуклідів з масовими числами від 72 до 160 і біля 60 актиноїдів трансуранових та трансплутонієвих елементів. Внаслідок взаємодії нейтронів зі стабільними ядрами матеріалу систем реактора і теплоносія, за рахунок реакцій (n,), (n,p) та (n,) утворюються нові радіонукліди (наведена активність). Особливо важливе значення має наведена і корозійна активність теплоносія, активність корпусу реактора, внутрішньокорпусних пристроїв, захисту та повітряного міжреакторного простору. Радіоактивний склад і радіаційні характеристики продуктів поділу і актиноїдів в значній мірі залежать від типу реактора та його особливостей.

В системі теплоносія накопичуються радіонукліди, які утворюються при активації ядер теплоносія і його домішок та міжреакторного повітряного простору. Активність теплоносія викликається також корозією активованих матеріалів активної зони і активацією продуктів корозії конструкційних матеріалів І-го контуру в процесі їх міграції через активну зону. Радіоактивні домішки осідають в різних місцях контуру і тим перешкоджають обслуговування обладнання.

Наведена активність теплоносія в реакторі ВВР-М визначається газовою активністю та радіонуклідами, які розчинені у воді. Газова активність обумовлена утворенням радіонуклідів 19О, 41Аr, 17F, 13N, 16N. Розчинені і колоїдні речовини попадають у воду реактора при заповненні контуру підживлюючою водою та за рахунок корозії його матеріалів. Із продуктів корозії конструкційних матеріалів, які зазнали активації, найбільш небезпечні 60Со і 58Со. Кобальт попадає у воду разом з радіоактивними ізотопами нікелю, заліза, марганцю із сталі , а ізотопи міді і цинку – із латуні.

До систем реактора ВВР-М з радіоактивним забрудненням відносяться: активна зона реактора, берилієвий відбивач, бак реактора, система І-го контуру, коліматори і фільтри в горизонтальних каналах.

В третьому розділі представлено метод квазіпружного розсіювання повільних нейтронів (КРПН), за допомогою якого досліджено вплив розміру молекул ПАР, твердого сорбенту та методів очищення на динаміку молекул водного розчину.

В зливних резервуарах РРВ знаходяться продукти дезактивації, до складу яких входять поверхнево-активні речовини. Крім цього вода І-го контуру при експлуатації реактора проходить систему очищення, основану на сорбції мікродомішок. Тобто у водних розчинах радіоактивних відходів знаходяться мікродомішки сорбентів різної природи. Тому для розвитку наукових основ та новітніх технологій очищення води інтерес викликають дослідження впливу різних мікродомішок на її стан.

Для дослідження динаміки молекул рідин і розчинів використовуються різні експериментальні методи. Ми використали метод квазіпружного розсіювання повільних нейтронів. Специфіка цього методу полягає в тому, що енергія повільних нейтронів близька до енергії теплового руху молекул рідини, а час взаємодії (10-12с), впродовж якого нейтрони знаходяться в області флуктуацій, близький до часу релаксації останніх.

Для інтерпретації експериментальних даних нами була використана модель, запропонована Оскотським і в подальшому розвинута Булавіним, формули якої наведені нижче:

(1)

; (2)

Повний коефіцієнт самодифузії є сумою френкілевської (одночастинкової) та лагранжевої (колективної) складових:

D=DF + DL (3)

Характеристики процесу самодифузії молекул визначаються із експериментальних даних таким чином:

при ; (4)

при ; (5)

, (6) , (7)

де - стала Планка, W- фактор Дебая-Валлера, - експериментально визначена залежність розширення квазіпружного піку від квадрату переданого імпульсу (кута розсіювання), , - енергетичне уширення квазіпружного піку викликане лагранжевою та френкелівською складовими загального коефіцієнту дифузії .

В основі цієї моделі покладені такі уявлення: молекула (френкелівська частинка) впродовж часу ?0 коливається поблизу центру тимчасової рівноваги, який в складі лагранжових частинок (агрегатні утворення) переміщується внаслідок неперервної дифузії. Через час ?0 молекула після стрибка на відстань переміщується до іншого центру рівноваги (активаційний механізм дифузії) і продовжує коливатися і переміщуватися в іншому агрегатному утворенні (класична дифузія).

Для досліджень спектрів КРПН був використаний багатодетекторний нейтронний спектрометр за часом прольоту, встановлений на І-му горизонтальному каналі дослідницького ядерного реактора ВВР-М, функціональна схема якого показана на рис. 2.

Колімований “білий” пучок нейтронів із реактора падає на кристал-монохроматор. Монохроматичний пучок нейтронів перетворюється механічним переривачем в імпульсний. Розсіяні на зразку нейтрони реєструються під різними кутами системою детекторів Д1-Д8, які перекривають область кутів від 9,5о до 116,5о. Детектори розташовані на відстані 2,87 м від центра зразка. Як детектори використовуються лічильники, наповнені He3.

Слід зазначити, що різноманітний склад РРВ перешкоджає детальному дослідженню впливу мікродомішок на стан води. Тому, згідно світової практики це робиться за допомогою дослідження дії модельних об’єктів на динаміку молекул води. Таким модельним об’єктом ПАР у нас був тетраметилбутилфенол OcPh(OE)n, формула якого наведена на рис. 3. Беручи різні n (n=3, 5, 14, 16) ми збільшували розміри молекул ПАР (молекул ПАР було набагато менше, ніж молекул води, тому вони виступали у ролі мікродомішок). Результати наших досліджень, наведені на рис. 4. Як видно з рис. 4, загальний коефіцієнт самодифузії D молекул води зростає із збільшенням розміру молекул ПАР, в основному за рахунок зростання механізму одночастинкового руху DF, тобто механізму дифузії стрибком.

Подальшим нашим кроком були дослідження динаміки водних розчинів поверхнево-активних речовин та впливу на динаміку молекул таких систем домішок твердого сорбенту. Ці дослідження вкрай необхідні для розробки нових технологій водоочищення.

В якості ПАР ми брали тетраметилбутилфенол з n=10. Було досліджено п’ять зразків. Водні розчини ПАР 2-4 відрізнялися один від одного початком часу вимірювання нейтронних спектрів після відокремлення розчину ПАР від графітованої сажі з адсорбованим на ній тетраметилбутилфенолом. Так, зразок 2 було досліджено відразу ж після відокремлення рідкої фази від твердої. Зразок 3 – через 24 години, а зразок 4 – через 40 годин. Для порівняння були отримані нейтронні спектри для розчину тетраметилбутилфенолу (зразок 5), який не був у контакті з сорбентом. Зразок 6 являв собою водний розчин тетраметилбутилфенолу, який знаходився у контакті з графітованою сажею на протязі 24 годин, після чого був декантований від видимих частинок сажі.

Отримані нами спектри непружного та квазіпружного розсіювання нейтронів на цих зразках наведені на рис. 5, а характеристики досліджуваних зразків – в табл. 1 (для порівняння наведено дані щодо чистої води).

Таблиця 1. Характеристики процесу дифузії молекул у водних розчинах ПАР

до (5) і після контакту з графітованою сажею (2-4, 6)

№

зразка | D | DF | DL | l

1010, м | 0

1012, с

109, м2/c

Н2О | 2,23±0,17 | 1,77±0,13 | 0,46±0,03 | 1,72±0,13 | 2,80±0,21

2, 3, 6 | 1,68±0,13 | 1,46±0,11 | 0,22±0,02 | 1,34±0,10 | 2,05±0,15

4, 5 | 1,80±0,14 | 1,12±0,08 | 0,68±0,05 | 1,16±0,09 | 2,0±0,15

Аналіз отриманих результатів вказує на те, що зміни, які відбуваються в динаміці молекул розчинів після їх контакту з сорбентом, визначаються взаємодією молекул ПАР з водою та графітованою сажею. При цьому результат не залежить від того, чи була сажа у воді до внесення ПАР (зразок 6), або ж залишалась в системі після відокремлення розчину (зразки 2 і 3).

Аналізуючи непружну частину спектрів розсіювання нейтронів в низькоенергетичній області (рис. 5) та враховуючи результати, отримані в попередніх роботах Слісенка і Кармазіної при дослідженні утворення адсорбційних шарів молекул ПАР на силікагелі, можна зробити висновок, що в розчинах 2, 3 і 6, які були в контакті з графітованою сажею, а потім відокремлені, протягом певного часу відбувається адсорбція молекул ПАР на графітованій сажі як гідрофобною частиною так і гідрофільною. Тобто присутність сажі в розчині сприяє утворенню певною мірою нестабільних гідрофобних частинок колоїдних і субколоїдних розмірів. Протягом цього ж часу в розчині відбувається переорієнтація молекул ПАР, які спочатку були адсорбовані гідрофільною частиною, і через 40 годин гідрофобні частини молекул ПАР повністю видаляються з водного середовища, адсорбуючись графітованою сажею.

Результати дослідження впливу методів сорбційного очищення води від органічних речовин на її стан представлені в табл. 2. Використано два способи очищення: 1. в “статичних” умовах адсорбції розчин ПАР збовтували з сорбентом на спеціальному апараті; 2. в іншому випадку розчин ПАР пропускали через нерухомий шар сажі. В якості ПАР було обрано тетраметилбутилфенол з n=10 і використовувалися розчини двох концентрацій: 0,06 мМ/л та 0,24 мМ/л. Для порівняння наведено дані чистої води.

Таблиця 2. Характеристики молекулярно-динамічного стану води в розчинах ПАР

С, мМ | D 109,

м2с -1 | DL 109,

м2с-1 | DF 109,

м2с -1 | о 1012,

с | l,

нм

H2O | 2,230,17 | 0,460,03 | 1,770,13 | 2,800,21 | 0,170,01

0,06 | 1,800,14 | 0,680,05 | 1,120,08 | 2,00,15 | 0,120,01

0,06* | 1,800,14 | 0,210,02 | 1,590,11 | 1,60,12 | 0,120,01

0,06** | 1,110,10 | 1,110,10–––

0,24 | 2,300,17 | 0,690,05 | 1,340,10 | 1,90,14 | 0,120,01

0,24* | 2,500,18 | 0,080,006 | 1,970,15 | 2,10,16 | 0,160,01

0,24** | 0,650,05 | 0,600,05 | 0,050,006 | 1,230,12 | 0,020,01

Отримані результати досліджень стану води в розчині після сорбційного очищення в умовах фільтрування через нерухомий шар сорбенту (**) суттєво відрізняються від динаміки молекул води як в звичайному розчині ПАР з такою ж концентрацією, так і в розчині після сорбційного очищення в “статичних” умовах (*). Це можна пояснити тим, що в “статичних” умовах адсорбції частинки сажі стають центрами міцеллоутворення і екрануються оксиетильними групами молекул ПАР. Адсорбція в умовах фільтрування розчину через нерухомий шар вуглецевого сорбенту сприяє іншій структурі адсорбційного шару, що призводить до іншої поведінки молекул води.

Таким чином, отримані результати свідчать про те, що вода занадто чутлива до присутності мікродомішок та методів очищення. Тобто перед тим, як вирішується питання очищення радіоактивної води або техногенно-забрудненої води, треба знати з якою метою в подальшому буде використовуватися очищена вода, і відповідно до цього застосовувати ту чи іншу технологію очищення, враховуючи затрати й очікуваний ефект.

Четвертий розділ присвячений технології очищення рідких радіоактивних відходів на реакторі ВВР-М. Були зроблені вимірювання щодо складу і ступеню забруднення радіоактивної води та водного розчину після системи водоочищення.

Переробка рідких радіоактивних відходів на реакторі ВВР-М базується на екологічно чистому методі випарювання до отримання концентрату рис. 6.

Система охолодження ІІ-го контуру і установки |

Система газовидалення |

В атмосферу

Фільтри

Система водоочищення конденсату | Пароконденсатна система

Система подачі повітря-газу | Випарювальний апарат із зануреною газовою запальничкою і оснасткою АПГ |

Система подачі РРВ

Видалення кубового залишку

Рис.6. Схема переробки РРВ реактора.

Насосом із одного із скидного резервуару вихідний розчин РРВ подається через термоксидний фільтр механічного очищення в підживлюючий бачок. Звідси РРВ поступають в апарат-концентратор, де відбувається їх випарювання теплом продуктів згорання природного газу в зануреній газовій запальничці.

Із апарату-концентратора виходить суміш продуктів згорання і пари, яка через сепараційну колонку надходить до конденсатора-теплообмінника для фазового розділення. Як водоохолодження використовується діюча градирня реактора. В сепараційній колонці суміш проходить два ступеня вологовидалення, в результаті чого відбираються бризки і захоплені потоком краплі розчину. В конденсаторі-теплообміннику відбувається фазове розділення – пара води конденсуються, продукти згорання охолоджуються. Конденсат стікає в конденсатний бак, продукти згорання виводяться з нього витяжкою через газоочисник, де проходять чотири етапи аерозольного очищення. Після газоочисника продукти згорання потрапляють до збирача вентиляційного конденсату, де випадають в осад залишки вологи і через вентиляційну трубу вентцентра реактора, де проводиться радіаційний контроль, надходять в атмосферу.

Після заповнення конденсатного баку проводиться контроль вмісту як через штатний датчик радіаційного контролю, так і шляхом більш детального аналізу – взяттям проб через пробовідбірник. Залежно від результатів аналізу, конденсат або подається на доповнення запасів першого і другого контурів реактора, або зливається в скидні резервуари РРВ, або насосом подається для подальшого очищення іонообмінними фільтрами. Отримана дистильована вода накопичується в дистиляторному баці, де також проводиться контроль, як штатним датчиком радіаційного контролю, так і через фільтр з подальшим надходженням в оборотний цикл охолодження обладнання реактора і установки з переробки РРВ.

Концентрат, після накопичення в ємності апарата-концентратора, відбирається на вузол іммобілізації, де цементується в спеціальній тарі і в твердій фазі транспортується до тимчасового сховища твердих радіоактивних відходів реактора з наступним перевезенням на спеціалізований комбінат „Радон”.

У зв’язку з додатковими витратами природного газу і, в більшій мірі, забороною зберігати радіоактивні відходи в місцях, спеціально не призначених для цього було виключено довипарювач із попередньої схеми переробки РРВ.

За допомогою спектрометричної системи на базі детектора із надчистого германія було зроблено аналіз розчинів до і після очищення РРВ. Як видно із табл. 3, очищення РРВ від 60Co, 134Cs, 137Cs, 152Eu, 154Eu дуже ефективне. Для видалення тритію ця технологія не пристосована. Очищену воду можна використовувати для технічних потреб реактора лише при розбавленні чистою водою принаймні втричі.

Таблиця 3. Гамма-спектрометричний аналіз розчинів до і після очищення РРВ

Радіонукліди | Концентрація

радіонуклідів, Кі/л | Допустима

концентрація

радіонуклідів

Кі/л

До очищення | Після очищення

60Co | (6,39 0,007)·10-7 | (4,1 0,4)·10-10 | 9·10-8

134Cs | (2,27 1,4)·10-9 | (3,78 0,2)·10-11 | 8,6·10-9

137Cs | (9,26 0,01)·10-7 | (1,34 0,03)·10-9 | 1,5·10-8

152Eu | (2,06 2,8)·10-9 | <10-12 | 7,6·10-8

154Eu | (4,08 0,03)·10-9 | <10-12 | 2,3·10-8

Тритій | (8,3 0,3)·10-6 | (7,6 0,3)·10-6 | 4,0·10-6

ВИСНОВКИ

Складний характер дії мікродомішок на стан води перешкоджає на цей час створенню споруди для глибокого очищення радіоактивної води, але деякі нюанси взаємодії мікродомішок з молекулами води можна буде використовувати для отримання води з наперед вказаними властивостями. Це деякою мірою підтверджується отриманими нами результатами, які наведені нижче.

Методом нейтронної спектрометрії досліджені особливості трансляційного руху молекул води при наявності в ній мікродомішок. Нами вперше отримані наступні результати і зроблені висновки щодо зміни стану води:

1. Присутність дрібнодисперсних частинок гідрофобного сорбенту (графітованої сажі) не впливають на динамічні характеристики води. Зміни в стані води відбуваються лише у водних розчинах ПАР після їх контакту з графітованою сажею і обумовлюються взаємодією як гідрофобних, так і гідрофільних частин молекул ПАР з водою та графітованою сажею.

2. Присутність графітованої сажі у водному розчині ПАР сприяє утворенню нестабільних гідрофобних частинок колоїдних і субколоїдних розмірів, що приводить до зменшення ролі механізму неперервної дифузії та збільшення коефіцієнту дифузії молекул стрибком і часу життя молекул в коливному стані. Протягом часу частинки розчину стають переважно гідрофільними і ролі механізмів неперервної та одночастинкової дифузії змінюються на протилежні.

3. Стан води, тобто її молекулярно-динамічні характеристики, суттєво залежить від способу сорбційного очищення. В „статичних” умовах адсорбції частинки графітованої сажі стають центрами міцелоутворення і екрануються оксиетильними групами полярної частини молекул ПАР, що призводить до суттєвого зменшення ролі механізму неперервної дифузії молекул води. В умовах фільтрування розчину ПАР нерухомим вуглецевим сорбентом, утворюється інша структура адсорбційного шару, що призводить до інших молекулярно-динамічних характеристик води.

4. Із збільшенням розміру молекул оксиетильованих n - 1, 1, 3, 3 – тетрабутилфенолів OcPh(OE)n, де n=3, 5, 14 і 16, збільшується загальний коефіцієнт дифузії молекул води за рахунок одночастинкового руху. Це пояснюється збільшенням кількості атомів кисню в оксиетильній групі, що призводить до послаблення водневих звязків між молекулами води.

На основі аналізу шляхів міграції радіонуклідів на реакторі ВВР-М, складу та ступеню забруднення рідких радіоактивних відходів отримані такі результати:

- удосконалена технологія очищення рідких радіоактивних відходів на дослідницькому ядерному реакторі та обґрунтована можливість використання очищеної води для його технічних потреб;

- ведена в експлуатацію система переробки рідких радіоактивних відходів;

- установка з переробки рідких радіоактивних відходів ефективно очищає воду від радіоактивних і хімічних домішок, за винятком тритію, для зменшення концентрації тритію таку воду потрібно принаймні втричі розбавляти чистою водою та використовувати в системі другого контуру дослідницького реактора;

- установка розрахована на широке використання, а саме для очищення рідких радіоактивних, гальванічних, хімічних та біологічних відходів.

На виконання чинної нормативно-правової бази ядерної енергетики з використанням результатів дисертаційної роботи були розроблені і впроваджені важливі для подальшої експлуатації дослідницького ядерного реактора ВВР-М документи [11-15].

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Слісенко В.І., Вальковська Н.І., Липська А.І. Ядерно-енергетичний комплекс України. Перспективи розвитку // Ядерная и радиационная безопасности. – 2004. – №1. – С. 25-30.

2. Слісенко В.І., Вальковська Н.І., Домніков В.М., Прокопенко В.С., Стрюк Ю.С. Поводження з радіоактивними відходами на реакторі ВВР-М // Збірник наукових праць ІЯД НАНУ. – К.: 2002. – №1(7). – С. 68-72.

3. Слісенко В.І., Дзюблик О.Я., Кармазіна Т.В., Вальковська Н.І., Іваницький П.Г., Василькевич О.А., Прокопенко В.С., Кротенко В.В. Дослідження динаміки колоїдних систем за допомогою розсіяння повільних нейтронів // Збірник наукових праць ІЯД НАНУ. – 2000. – №2. – С. 123-127.

4. Кармазина Т.В., Слисенко В.И., Василькевич А.А., Швиденко О.Г., Вальковская Н.И. Влияние числа оксиэтильных групп в молекулах органических соединений на молекулярно-динамическое состояние воды // Химия и технология воды. – 2000. – Т. 24, №2. – С. 109-119.

5. Слисенко В.И., Вальковская Н.И., Кармазина Т.В., Макаровский В.Н. Утилизация жидких радиоактивных отходов на исследовательском реакторе ВВР-М // Збірник наукових праць ІЯД НАНУ. – 2004. – №1(12). – С. 50-55.

6. Слисенко В.И., Вальковская Н.И., Макаровский В.Н., Луференко Е.Д. Установка по переработке жидких радиоактивных отходов на исследовательском реакторе ВВР-М // Ядерні та радіаційні технології. – 2004. – Т.4, №2 – С. 26-34.

7. Слисенко В.И., Вальковская Н.И., Макаровский В.Н. Стратегический план использования исследовательского ядерного реактора ВВР-М Института ядерных исследований НАН Украины // Междунар. конф. RER/9/058. Dimitrovgrad, Russia, 2003. – С. 17.

8. Вальковская Н.И. Проблемы обращения с радиоактивными отходами // 7-я Междунар. конф. Весник украинского ядерного общества. №1-2. – Одесса, 2003. – С. 15.

9. Слисенко В.И., Вальковская Н.И., Демьяненко Г.Н. Проблемы перехода ядерного реактора ВВР-М на низкообогащенное топливо // II-ая украинская конференция по учету и контролю ядерного материала. Энергодар, 2004. – С. 20.

10. Кармазіна Т.В., Вальковська Н.І., Бабак Є.В., Петрачков А.А. Зміна молекулярно-динамічного стану води під впливом домішок // Праці міжнародного семінару “Мікродомішки у воді” ІКХХВ НАНУ. Київ, 2003. – С. 29-31.

11. Концепція зняття з експлуатації дослідницького ядерного реактора ВВР-М НЦ “ІЯД” НАН України / В.І. Слісенко, Ю.С. Стрюк, В.С. Прокопенко, В.М. Макаровський, В.М. Шевель, Н.І. Вальковська, П.І. Булан – К., 2001. – 46 с.

12. Програма поводження з радіоактивними відходами на дослідницькому ядерному реакторі ІЯД ВВР-М / В.І. Слісенко, В.М. Домніков, В.С. Прокопенко, Ю.С. Стрюк, В.М. Шевель, Т.Г. Луданова, Н.І. Вальковська. – К., 2001. – 30 с.

13. Отчет по анализу безопасности. Установка переработки жидких радиоактивных отходов исследовательского реактора ВВР-М / В.Н. Макаровский, Е.Д. Луференко, Д.В. Мулик, Н.И. Вальковская. – К., 2004. – 33 с.

14. Інструкція з радіаційної безпеки при виконанні робіт на установці з переробки рідких радіоактивних відходів №23 ВВР-М дослідницького ядерного реактора / В.І. Савчук, В.М. Макаровський, В.М. Шевель, Є.Д. Луференко, Ю.М. Федоров, Н.І. Вальковська. – К., 2004. – 9 с.

15. Технология очистки жидких радиоактивных отходов на исследовательском реакторе ВВР-М / В.Н. Макаровский, Е.Д. Луференко, Д.В. Мулик, Л.А. Школьная, Т.В. Есаулкова, Н.И. Вальковская. – К., 2004. – 15 с.

анотаціЯ

Вальковська Н.І. Переробка радіоактивної води та вплив на її стан мікродомішок. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.14 – теплові та ядерні енергоустановки. – Інститут ядерних досліджень, Київ. 2005.

Дисертація присвячена дослідженням впливу мікродомішок на стан води, які необхідні для розробок наукових основ і новітніх технологій утилізації рідких радіоактивних відходів. Одержано і проведено аналіз інформації щодо шляхів міграції радіонуклідів на реакторі. Досліджено склад радіонуклідів та їх концентрацію в рідких радіоактивних відходах. Удосконалено технологію системи переробки рідких радіоактивних відходів та обгрунтовано можливість використання очищеної радіоактивної води для технічних потреб реактора.

За допомогою методу квазіпружного розсіювання повільних нейтронів отримано експериментальні дані щодо впливу мікродомішок на стан води. Подано результати досліджень впливу розміру молекул поверхнево-активних речовин на динаміку молекул води. Наведені результати дослідження водних розчинів поверхнево-активних речовин та впливу на такі системи домішок твердого сорбенту. Отримано результати впливу методів сорбційного очищення води.

Ключові слова: дослідницький реактор, рідкі радіоактивні відходи, поверхнево-активні речовини, сорбенти, метод квазіпружного розсіяння повільних нейтронів.

Аннотация

Вальковская Н.И. Переработка радиоактивной воды и влияние на ее состояние микропримесей. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.14 – тепловые и ядерные энергоустановки. – Институт ядерных исследований НАН Украины, Киев. 2005.

Диссертация посвящена исследованиям влияния микропримесей на состояние воды, которые необходимы для разработок научных основ и новых технологий утилизации жидких радиоактивных отходов. Получен и проведен анализ информации относительно путей миграции радионуклидов на реакторе. Усовершенствована технология системы переработки жидких радиоактивных отходов и обоснована возможность использования очищенной радиоактивной воды для технических целей реактора.

Методом квазиупругого рассеяния медленных нейтронов получены экспериментальные данные влияния микропримесей на состояние воды. Впервые получены следующие результаты и сделаны выводы по изменению состояния воды под влиянием примесей: исследования влияния числа оксиэтильных групп молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ) на состояние воды показали, что общий коэффициент диффузии увеличивается с ростом числа оксиэтильных групп за счет увеличения механизма одночастичного движения; анализ влияния графитированной сажи на динамику молекул водного раствора ПАВ указывает на то, что изменения, которые проявляются в динамике молекул растворов после их контакта с сорбентом определяются взаимодействием молекул ПАВ с водой и графитированной сажей, при этом результат не зависит от того, была ли сажа в воде до внесения ПАВ, или оставалась в системе после отделения раствора; исследования влияния методов сорбционной очистки воды от органических веществ на ее состояние указывает на то, что в “статичных” условиях адсорбционной очистки частицы сажи стают центрами мицеллообразования и экранируются оксиэтильными группами молекул ПАВ, что приводит к значительному уменьшению роли непрерывной диффузии, в отличии от способа пропускания через неподвижный слой сорбента, где образуется другая структура адсорбционного слоя.

Ключевые слова: исследовательский реактор, жидкие радиоактивные отходы, поверхностные отходы, сорбенты, метод квазиупругого рассеивания нейтронов.

Annotation

Valkovska N.I. Reprocessing of radioactive water and its influence on the micromixture condition. – Manuscript.

Thesis for candidate’s degree (engineering) on the speciality 05.14.14 - thermal and nuclear energy installations. – Institute for Nuclear Research, Kyiv. 2005.

Dissertation is dedicated to study of micromixture effect on water conditions which are necessary for development of scientific base and newest technologies in liquid radioactive waste utilization. Information about radionuclide migration ways at reactor was abtained and analyzed. Radionuclide composition and its concentration in liquid radioactive wastes was studied. Technologic system for liquid radioactive waste reprocessing was modified and possibility of purified radioactive water use for reactor technical needs was based.

Miromixture influence on water quality experimental data were obtained with the help of quasi-elastic scattering of slow neutron method. Results of solid sorbent influence on such systems are presented. Results of water purification methods by sorbents are discussed.

Key words: research reactor, liquid radioactive wastes, surface-active substances, sorbents, method of slow neutron quasi-elastic scattering.

Вальковська Надія Іванівна

Переробка радіоактивної води та вплив на її стан мікродомішок. (Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук.)

Підписано до друку 17.03.2005 р. Формат 60х90/16. Папір офс.

Офс. друк. Умов. друк. арк. 1,125. Тираж 100 прим. Зам.

_____________________________________________________________

Інститут ядерних досліджень НАН України

03680, м. Київ-28, пр. Науки, 47.