Введение к работе
На территории Российской Федерации еще имеются радиоактивно-загрязненные участки и мероприятия по их реабилитации включены в федеральную программу «Обеспечение ядерной радиационной безопасности России на 2008 г. и на период до 2015 г». Значительную часть твердых радиоактивных отходов ежегодно поступающих на специализированные предприятия, составляют низкоактивные грунтовые материалы, изъятые при проведении дезактивационных работ. Среди загрязняющих грунты радионуклидов особо опасны долгоживущие а—излучатели, такие как 226Ra, 238240pu и 241Am. Прямое размещение низкоактивных грунтов в хранилищах приводит к неэффективному использованию объема этих сооружений. В связи с этим актуальной задачей является разработка технологий и способов переработки поступающих отходов для уменьшения объемов хранения (И.А. Соболев, В.В. Куличенко, С.А. Дмитриев, и др.). Различные варианты технологии уменьшения объема загрязненной почвы разрабатываются в России (проект «Реабилитация»), США (программы VORCE, TRUclcan), Великобритании (ARTDECON) и в других странах.
Сокращение объема радиоактивных отходов возможно за счет удаления загрязняющих радионуклидов из грунта с помощью обработки его растворами реагентов (реагентная дезактивация). Радионуклиды, перешедшие в технологический раствор, выделяют с помощью известных технологий очистки ЖРО (В.М. Гелис, В.В. Милютин, Ю.В. Карлин, Д.В. Адамович и др.) в концентрат, направляемый на долговременное хранение, что сокращает объём отходов от 5 до 50 раз. Очищенные грунты можно выводить из-под регулирующего контроля или размещать на специализированном полигоне, если их можно отнести к категории очень низкоактивных отходов (ОНАО) в соответствии с новым «Законом об обращении с РАО». Критерии отнесения к ОНАО для отходов атомных станций определены в СП 2.6.6.-2010, для других отходов народного хозяйства находятся в стадии разработки (В. Ахунов, Н. Архангельский, 2006, Н.К. Шандала, И.П. Коренков, Т.Н. Лащенова, 2010, 2011). Очистку грунтов необходимо проводить до этого уровня и в данной работе рассматривается метод реагентной дезактивации, используемый для этой цели. Исследования российских ученых касаются удаления из загрязненных грунтов изотопов I37Cs (Д.Э Чиркст., К.Н. Чалиян, 1998; И.А. Соболев и др, 1997-2000) и ""Sr (О.В.Черемисина, 2010). Очистка грунтов от 226Ra, 238-241 и "^'Агп в основном разрабатывались в США (Abel А.Е. 1994-2000, Grant D.C 1992-1998).
При разработке технологии реагентной дезактивации важным условием является обоснованный выбор состава дезактивирующего раствора и определение условий перехода радионуклидов в жидкую фазу. Для 226Ra, 239'2АОРи, 24,Ага эти
вопросы изучены недостаточно, поэтому актуальной задачей является проведение физико-химических исследований, направленных на изучение основных закономерностей процесса выщелачивания радионуклидов из грунтов, что необходимо для определения основных технологических стадий и параметров процесса реагентной дезактивации.
Цель работы - физико-химическое обоснование реагентной дезактивации грунтов, загрязненных а-излучателями (226Ra, 239,240Pu, ^'Am), на основе исследования закономерностей процесса выщелачивания радионуклидов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
оценить прочность связи радионуклидов с компонентами грунта путем определения их форм нахождения;
изучить процесс выщелачивания радионуклидов из грунтов растворами на основе солей, кислот и их смесей и выбрать реагент, обеспечивающий максимальную степень очистки грунтов от 226Ra, ^9,24. 241Am;
определить оптимальные технологические параметры реагентной дезактивации: соотношение контактирующих фаз, температуру и продолжительность процесса;
определить метод очистки вторичных технологических растворов от 226Ra,
239,240рии241дт.
предложить принципиальную технологическую схему реагентной очистки грунтов, загрязненных радионуклидами. Научная новизна работы:
-
На основе изучения прочности связи радионуклида в загрязненных грунтах и исследования поведения 226Ra, 239^4 и ^'Ат при обработке фунтов растворами солей, кислот и их смесей обоснованы составы дезактивирующих растворов, обладающих наибольшей выщелачивающей способностью. Показано, что введение иона аммония в раствор кислоты (соляной или азотной) позволяет повысить степень очистки грунтов от 226Ra на 20-25 %, коэффициент дезактивации в 2-3 раза и снизить концентрацию кислоты в составе дезактивирующего раствора.
-
Установлено положительное влияние восстановительных условий на процесс реагентной дезактивации грунта, загрязненного 239,240Ри, проявляющееся в повышении степени очистки грунта на 20 % и основанное на расчете граничных потенциалов соединений, пригодных для восстановления Pu(IV) в кислых средах.
-
Выявлены кинетические закономерности выщелачивания и лимитирующие стадии реагентной дезактивации грунтов, загрязненных 226Ra, 239-240pu и 241Am, определена величина энергии активации процесса.
Практическая значимость работы. Экспериментально доказана возможность глубокой (95-98 %) очистки грунтов, загрязненных 2~6Ra, " Pu и 241Am. На основании полученных физико-химических закономерностей выщелачивания радионуклидов из загрязненных грунтов определены основные технологические параметры процесса. Полученные данные использованы при разработке принципиальной технологической схемы, включающей агитационное или фильтрационное выщелачивание 226Ra, ^9,240 и 241Ат из загрязненного материала, их концентрирование из технологических растворов в продукт, направляемый на захоронение, и возврат очищенного раствора в технологический цикл. Дезактивированный грунт можно перевести в категорию ОНАО и удалить на специализированный полигон. Проведенные укрупненные испытания показали возможность снижения объемов РАО, направляемых на захоронение до 20 раз. Полученные параметры могут быть использованы в качестве рекомендаций по расчету оборудования и применению конструкционных материалов для создания блочных мобильных установок реагентной дезактивации грунтов, загрязненных Ra, '" Pu и M1Am.
На защиту выносятся:
Обоснование составов и концентраций компонентов кислотно-солевых растворов для дезактивации песчаных и супесчаных грунтов, загрязненных 226Ra, 7 9'-ЛРи и 241 Am, обладающих наибольшей выщелачивающей способностью.
Обоснование использования восстановительных условий для удаления связанной формы загрязнения ^9,24. позволяюще повысить степень очистки грунта.
Обоснование лимитирующей стадии выщелачивания 226Ra, 239,240Pu и 241Am при реагентной очистке загрязненных грунтов, основанное на изучении кинетических закономерностей процесса выщелачивания радионуклидов выбранными дезактивирующими растворами;
Обоснование оптимальных режимов применения выбранных дезактивирующих растворов, основанное на изучении влияния технологических факторов (концентрации, температуры, соотношения контактирующих фаз) на показатели реагентной дезактивации и позволяющее достичь степени очистки грунтов 95-98 % и коэффициента дезактивации 30-50.
Принципиальные технологические схемы очистки грунтов, загрязненных " Ra, 239,240pu и 241Am, позволяющие сократить объем РАО, направляемых на долговременное хранение до 20 раз.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на российских и международных конференциях: конференция молодых ученых, аспирантов и студентов, посвященная 45-летию ГУП
МосНПО «Радон», 15 сентября 2006г., Сергиев Посад; VI молодежная Научно-практическая конференция «Ядерно-промышленный комплекс Урала: проблемы и перспективы» 18-20 апреля 2007г. г. Озерск; международная конференция по проблеме «Радиоэкология: итоги, современное состояние и перспективы», Москва, 3-6 июня 2008г; II Российская конференция молодых ученых и специалистов РАДУГА-2008 «Обращение с радиоактивными отходами. Проблемы и решения» Сергиев Посад, 6-Ю октября 2008г; Шестая Российская конференция по радиохимии «Радиохимия-2009»; 32th, 34^-38111 International Conference Slovak Society of Chemical Engineering, Tatranske Matliare, Slovakia 2008-2010; 18th International Congress of Chemical and Process Engineering. Praha, Czech Republic, 24-28 August 2008.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 14 печатных работах, включая 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ и 11 публикаций в сборниках трудов и тезисов докладов на российских и международных конференциях.
Личный вклад автора состоит в проведении экспериментальных исследований, интерпретации и обобщении полученных результатов, формулировке выводов, публикации полученных результатов. При подготовке диссертации использован фактический материал, собранный в результате работ, проведенных с участием автора в качестве исполнителя, в рамках плановой темы 7.04.04 «Разработка и испытания технологии реагентной очистки грунтовых техногенных материалов от радиоактивного загрязнения» Научно-исследовательского центра геоэкологии и реабилитации территорий ГУП МосНПО «Радон» в 2004-2010 годах.
Достоверность и обоснованность выводов и рекомендаций подтверждена представительным объемом экспериментов, применением современных методов обработки и интерпретации результатов, сопоставимостью экспериментальных результатов с данными, полученными при проведении укрупненных испытаний. Статистическую обработку результатов экспериментов проводили общепринятыми методами с использованием программы Microsoft Excel (надстройка «Анализ данных»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы из 150 наименований. Диссертация изложена на 140 страницах машинописного текста, включающего 49 рисунков и 39 таблиц.
