Введение к работе
Актуальность работы. Высокоактивные отходы (ВАО) содержат значительные количества радиоактивного Cs-137, являющегося основным гамма-излучающим изотопом. Удаление Cs-137 из ВАО позволит использовать меньшую биологическую защиту и облегчит обращение с отходами на конечных операциях ядерного топливного цикла (ЯТЦ) В Айдахской Национальной Лаборатории (INL) США хранятся около 4 млн. литров жидких азотнокислых ВАО в емкостях из нержавеющей стали. В соответствии с действующим законом Министерство энергетики (МЭ) США должно до 2012 года произвести обработку и стабилизацию этих отходов, обеспечив тем самым возможность их длительного хранения. В настоящее время МЭ изучает 3 различных варианта обращения с жидкими отходами, одним из которых является удаление Cs из ВАО с помощью ионообменной технологии, цементирование оставшихся жидких отходов, содержащих трансурановые элементы (ТУЭ) и требующих дистанционного обращения, и дальнейшее захоронение их в США (завод WIPP). В соответствии с решением МЭ США были проведены детальные исследования по технико-экономическому обоснованию выбора технологии обращения с отходами. В ходе этих исследований были изучены два новых сорбента: аммониймолибдофосфат (AMP) на полиакрилонитрильной (PAN) матрице (AMP-PAN) и кристаллический силикотитанат (CST). Эти сорбенты ранее не проверялись на модельных и реальных отходах, поэтому необходимо было провести их физико-химические испытания. Другой аспект обращения с кислыми отходами Айдахо связан с аналитическими методиками определения количества содержащихся в них актинидов. Для оперативного получения результатов методика проведения химического анализа должна быть простой и доступной Один из методов, применяющихся в настоящее время, заключается в химическом выделении актинидов с помощью ТВЭКСов - органических матриц, насыщенных различными экстрагентами, с последующим анализом проб методом альфа- или гамма-спектроскопии Существующие в настоящее время сорбенты для распределительной хроматографии характеризуются низкой ёмкостью и относительно низкой скоростью сорбции Предложен новый тип ТВЭКСа для экстракции актинидов, синтезированный на основе известных
органических экстрагентов в сочетании с полиакрилонитрильной (PAN) матрицей. ТВЭКСы на основе PAN представляют практический интерес, а их изучение необходимо для определения потенциальных возможностей их применения.
Основные цели работы
Данная диссертация направлена на разработку и проверку новьж сорбционных
методов удаления цезия и актинидов из кислых сред.
Основными целями представленной диссертации являются:
Разработка методов получения новьж типов ТВЭКСов на основе полиакрилонитрила для выделения радионуклидов из кислых сред. Изучение физико-химических свойств новьж сорбентов для выделения Cs и актинидов из кислых сред.
Проведение испытаний этих сорбентов с использованием реальных и модельных ВАО Айдахской Национальной Лаборатории. Подготовка исходньж данньж для проведения технико-экономических исследований (ТЭИ) по заказу Министерства энергетики США для выбора технологии переработки ВАО INL.
Научная новизна:
Впервые продемонстрирована возможность использования двух новьж гранулированных сорбентов для выделения Cs из реальных и модельных жидких азотнокислых ВАО INL.
Разработан простой метод получения новьж типов ТВЭКСов на основе полиакрилонитрила (PAN) и органических экстрагентов.
Изучены физико-химические свойства новьж ТВЭКСов на основе карбамоилфосфиноксида (CMPO-PAN) и алкиламмония (Аликват-336-PAN) для выделения актинидов из кислых сред.
Показано, что сорбент CMPO-PAN извлекает актиниды из кислых сред примерно в 10 раз эффективнее, чем применяемая для этих целей промышленная смола «TRU-Spec».
Практическая значимость работы связана с демонстрацией возможности использования новьж сорбентов и ТВЭКСов для выделения цезия и актинидов из кислых сред и заключается в следующем:
1. Продемонстрирована возможность использования двух новьж сорбентов для выделения Cs из кислых ВАО, что уменьшает потребности в защите от гамма-излучения в ходе последующей переработки ВАО и обеспечивает более надежную иммобилизацию Cs.
-
Синтезированы новые ТВЭКСы с содержанием экстрагента до 30 вес. %, что существенно выше, чем в применяемых хроматографических сорбентах. Разработанные сорбенты на основе PAN позволяют усовершенствовать аналитические процедуры выделения актинидов.
-
Показано, что ТВЭКС CMPO-PAN имеет более высокие экстракционные характеристики и емкость по отношению к Am и Ри, чем промышленная смола «TRU-Spec», используемая для выделения ТУЭ. ТВЭКС на основе Аликват-336-PAN эффективно разделяет Am и Ри, а также извлекает Тс из растворов в широком интервале рН.
На защиту выносятся:
1. Метод введения органических экстрагентов в полиакрилонитрильную матрицу, использованный для получения двух новьж ТВЭКСов на основе СМРО и Аликват-336. Разработанный метод может быть использован для получения ТВЭКСов на основе различных экстрагентов. На способ получения ТВЭКСов и их использование получен патент США.
2. Результаты микроскопического исследования структуры сорбента и
изучения экстракции актинидов сорбентом CMPO-PAN в зависимости от
концентрации азотной кислоты и содержания металлов. Результаты
испытаний процесса выделения актинидов из кислых ВАО сорбентом
CMPO-PAN, продемонстрировавшие его более высокие, по сравнению с
промышленной смолой «TRU-Spec», сродство и емкость по отношению к
Am и Ри.
3. Обоснование возможности использования двух новьж гранулированных
сорбентов на основе олибдофосфата аммония (AMP-PAN) и кристал-
личсского силикотитаната (CST) для выделения Cs из кислых ВАО INL, а
также экспериментальные данные о сорбции цезия, Am, Pu и Hg и влиянии
стабильных металлов на процесс сорбции цезия.
4. Результаты испытаний сорбентов AMP-PAN и CST для извлечения цезия из модельных и реальных ВАО INL, проведенных с использованием 1,5 л реального и 450 л модельного ВАО. Емкость до проскока сорбента AMP-PAN составила 1500 к.о., а для CST - 1000 к.о. Компьютерное моделирование позволило предсказать характеристики процесса сорбции с погрешностью менее 10%. Результаты испытаний сорбентов AMP-PAN и CST были использованы при проведении ТЭИ по программе переработки ВАО INL. Принято решение МЭ США рассматривать извлечение Cs на этих сорбентах как один из перспективных методов переработки ВАО INL.
Апробация работы. Основные результаты этой работы были доложены в 13 докладах на 10 научньж конференциях в США и других странах: "11-th Symposium on Separation Science and Technology for Energy Applications" (Gatlinburg, USA, 1999), "American Chemical Society 217-th National Meeting" (Anaheim, USA, 1999), "Fifth International Symposium on Environmental Contamination in Central and Eastern Europe" (Czech Republic, 2000), "American Chemical Society 219-th National Meeting" (San Francisco, USA, 2000), "Intermountain Conference on the Environment" (Pocatello, USA, 2000), "25-th Actinide Separations Conference" (Boise, USA 2001), "9-th International Conference on Separation of Ionic Solutes" (Slovakia 2001), "26-th Actinide Separations Conference" (Berkeley, USA, 2002), "14-th Radiochemical Conference" (Czech Republic, 2002), "10-th International Conference on Separation of Ionic Solutes" (Slovakia, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных статей в реферируемых журналах, 13 докладов на международных и национальных конференциях, получен 1 патент США и подано 3 заявки на патенты.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, литературного обзора, 4 экспериментальных глав с обсуждением результатов, заключения, приложений и списка литературы из 154 ссылок. Работа представлена на 116 страницах печатного текста, содержит 31 рисунок и 15 таблиц.
