Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОБРАБОТКИ РАДИОАКТИВНЫХ РАСТВОРОВ И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретения относятся к области обработки материалов, содержащих радиоактивные вещества, а именно к средствам обработки радиоактивных растворов, а также водных растворов электрохимическими способами, и могут найти применение в атомной промышленности и при очистке сточных вод.

Известен способ очистки жидких отходов от ионов тяжелых металлов и их радиоактивных изотопов, описанный в одноименном патенте РФ №2127459 по кл. G21F 9/06, заявл. 25.12.97, опубл. 10.03.99.

Известный способ включает электрохимическую обработку отходов путем окисления комплексных соединений тяжелых металлов и их радиоактивных изотопов на электродах с использованием в качестве катода газодиффузионного электрода, а в качестве анода - нерасходуемого электрода, последующее осаждение изотопов тяжелых металлов и их радиоактивных ионов с коллекторами и отделение шламовой фазы от раствора.

Недостатком известного способа является необходимость использования газодиффузионного электрода сложной конструкции.

Известен способ обработки сернокислых аммонийных радиоактивных растворов, описанный в патенте РФ №2271587 по кл. G21F 9/16, 9/20, заявл. 06.11.2003, опубл. 10.03.2006.

Известный способ включает гальванокоагуляционную обработку, при которой радиоактивные растворы пропускают через виброожиженную гальванопару железо-кокс, корректировку рН радиоактивных растворов в две ступени с отделением осадка после каждой ступени, при этом осадок первой ступени корректировки pH смешивают с монтмориллонитовой глиной, прессуют гранулы, проводят их сушку и последующую прокалку с получением стеклокерамики, в которой осуществляют иммобилизацию осадка, содержащего радионуклиды, а фильтрат вначале обрабатывают в пенном слое для отдувки аммиака и затем пропускают через природный ионообменник.

Недостатком известного способа является сложность его осуществления из-за его многоступенчатости и большого числа операций.

Известны способ и установка для обработки жидких радиоактивных отходов, описанные в патенте РФ №2116680 "Установка для дезактивации жидких радиоактивных отходов" по кл. G21F 9/06, заявл. 24.06.94, опубл. 27.07.98.

Известный способ заключается в том, что в полость камеры обработки с размещенной в ней емкостью-фильтром загружают полимерный полиэлектролитный гидрогель, создают между стенками камеры и емкости-фильтра электрическое поле напряженностью 0,001-0,0001 В/м, используя их как электроды, подают жидкие радиоактивные отходы (ЖРО) на обработку, облучая их световым излучением в инфракрасном диапазоне и распыляя их дождеванием на полимерный полиэлектролитный гидрогель, до его контролируемого по весу насыщения до 1:50-1:100, где 1 - вес гидрогеля, затем подвергают обрабатываемый объем ЖРО облучению акустическими волнами в диапазоне 25-45 кГц при температуре от 0 до 10°C для интенсификации процесса разделения ЖРО на воду и радиоактивные отходы, которые при их оседании в бункер подвергают локальному площадному нагреву для снижения содержания в них влаги и отводят в контейнер для дальнейшей обработки.

Известная установка содержит корпус, в котором расположена камера для обработки, имеющая перфорированные стенки, электроды для создания электрического поля, полость камеры соединена с емкостью для слива очищенной воды, при этом в камере размещена перфорированная емкость-фильтр, а установка снабжена также излучателями акустических волн, излучателями световых волн и теплообменником, причем камера заполнена полимерным полиэлектролитным гидрогелем, а перфорированная емкость-фильтр расположена в среде этого гидрогеля, также соединена магистралью с емкостью для слива очищенной воды, в верхней части корпуса расположен патрубок, оснащенный перфорированными насадками для распыления ЖРО на поверхность камеры обработки, а полость камеры обработки и полость корпуса соединены с вакуум-установкой посредством патрубка. При этом в качестве акустических излучателей используют излучатели ультразвуковых волн, а в качестве электродов для излучения электрического поля используют стенку камеры и стенку перфорированной емкости-фильтра.

Недостатком известного способа является сложность процесса обработки, обусловленная использованием светового облучения, распыления, акустической обработки, подогрева и т.д., что усложняет и конструкцию установки.

Известны способ и установка для обработки радиоактивных растворов, описанные в патенте РФ №2319237, заявл. 13.06.2006, опубл. 10.03.2008 и выбранные в качестве прототипа.

Известный способ заключается в том, что в радиоактивный раствор при подаче на обработку добавляют химические элементы и вещества для управления процессом обработки, подогревают раствор и распыляют, затем подвергают его воздействию электрического поля в камере обработки одновременно с облучением раствора однополярными электромагнитными импульсами мощностью более 1 МВт и длительностью менее 1 нс, частотой повторения не менее 1 кГц.

Известная установка содержит корпус с размещенными в нем электродами для создания электрического поля, одним из которых служит корпус, излучатель электромагнитного излучения, устройство подогрева, устройство для распыления радиоактивного раствора, расположенное в верхней части корпуса, размещенный вне корпуса и соединенный с ним генератор однополярных электромагнитных импульсов мощностью более 1 МВт, длительностью менее 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц, при этом устройство подогрева соединено через насос и патрубок с устройством распыления, представляющим собой форсуночный блок, второй электрод выполнен в виде стержня с иглами, расположенного в центральной части корпуса, служащего излучателем и соединенного с генератором.

Известные средства обеспечивают высокое качество обработки, однако являются весьма сложными, что обусловлено в способе необходимостью подогрева, распыления с тщательной фильтрацией раствора, а в устройстве - наличием соответствующих устройств: устройства подогрева, а также устройства распыления, требующим для работы использования фильтра.

Задачей является упрощение средств обработки с сохранением высокого качества очистки.

Поставленная задача решается тем, что:

- в способе обработки радиоактивных растворов, заключающемся в том, что радиоактивный раствор заливают в емкость, добавляют в него химические элементы и вещества для управления процессом обработки, затем подвергают его облучению однополярными электромагнитными импульсами мощностью более 1 МВт и длительностью менее 1 нс, частотой повторения не менее 1 кГц, согласно изобретению облучение раствора проводят с помощью электрода, выполненного в виде горизонтальной пластины, перед заполнением емкости раствором в ее нижнюю часть помещают дополнительную емкость из тонкой диэлектрической пленки, затем заливают раствор с химическими элементами и веществами для управления процессом обработки, обрабатывают его в течение 10-30 минут, выдерживают в емкости в течение 1-4-х суток, после чего обработанный раствор сливают и удаляют дополнительную емкость, которую подвергают захоронению;

- в установке для обработки радиоактивных растворов, содержащей корпус с размещенными в нем электродами, одним из которых служит корпус, излучатель электромагнитного излучения, размещенный вне корпуса и соединенный с ним генератор однополярных электромагнитных импульсов мощностью более 1 МВт, длительностью менее 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц, при этом второй электрод выполнен в виде стержня, расположенного в центральной части корпуса, служащего излучателем и соединенного с генератором, согласно изобретению корпус выполнен из токопроводящего материала, электрод выполнен в виде горизонтальной пластины, повторяющей форму сечения корпуса и имеющей размеры 20-30% от площади сечения корпуса, который выполнен с возможностью размещения в его нижней части на время обработки и удаления после обработки дополнительной емкости из тонкой диэлектрической пленки.

Использование в способе плоского излучателя, повторяющего форму сечения корпуса, но меньшей площади, позволяет более эффективно обрабатывать очищаемый раствор, что в совокупности с использованием в способе обработке дополнительной емкости из тонкой диэлектрической пленки в нижней части корпуса, проведением обработки в течение 10-30 минут и последующего выдерживания раствора в емкости в течение 1-4-х суток обеспечивает осаждение в дополнительной емкости образующихся в процессе обработки осадков, которые затем удаляются вместе с дополнительной емкостью и подвергаются захоронению, и дает возможность упростить процесс обработки при высоком качестве очистки.

Выполнение в установке электрода в виде пластины, повторяющей форму сечения корпуса, но имеющей размеры 20-30% от площади сечения корпуса, дает возможность увеличить площадь и эффективность обработки, что в совокупности с выполнением корпуса установки с возможностью размещения в его нижней части на время обработки и последующего ее извлечения после обработки дополнительной емкости из тонкой диэлектрической пленки позволяет при более простой конструкции установки получить высокое качество очистки.

Технический результат - упрощение средств обработки радиоактивных растворов при обеспечении высокого качества очистки.

Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как использование электрода в виде плоской пластины, повторяющей форму сечения корпуса и имеющей размеры 20-30% от площади сечения корпуса, размещение в нижней части корпуса установки перед заполнением его раствором дополнительной емкости из тонкой диэлектрической пленки, последующий залив раствора с химическими элементами и веществами для управления процессом обработки, обработка его в течение 10-30 минут, выдерживание в корпусе в течение 1-4-х суток, слив обработанного раствора и удаление дополнительной емкости, которую подвергают захоронению, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявляемая установка обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками, как выполнение электрода в виде плоской пластины, повторяющей форму сечения корпуса, но имеющей размеры 20-30% от площади его сечения, выполнение корпуса с возможностью расположения в его нижней части на время обработки дополнительной емкости из тонкой диэлектрической пленки и ее удаления после обработки, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.

Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными выше существенными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемые способ и установка для обработки радиоактивных растворов соответствуют критерию «изобретательский уровень».

Заявляемые средства для обработки радиоактивных растворов могут найти широкое применение в атомной промышленности, а потому соответствуют критерию «промышленная применимость».

Изобретения иллюстрируются чертежом, где показана функциональная схема установки.

Заявляемый способ обработки радиоактивных растворов заключается в следующем.

Перед заполнением емкости раствором в ее нижнюю часть помещают дополнительную емкость из тонкой диэлектрической пленки. Затем радиоактивный раствор заливают в емкость, добавляют в него химические элементы и вещества для управления процессом обработки. После этого раствор подвергают облучению однополярными электромагнитными импульсами мощностью более 1 МВт и длительностью менее 1 нс, частотой повторения не менее 1 кГц. Раствор обрабатывают в течение 10-30 минут, выдерживают в емкости в течение 1-4-х суток, после чего обработанный раствор сливают и удаляют дополнительную емкость, которую подвергают захоронению.

Заявляемая установка содержит токопроводящий корпус 1, в центральной части которого размещен электрод 2, выполненный в виде в виде горизонтальной пластины, повторяющей форму сечения корпуса, но имеющей размеры 20-30% от площади сечения корпуса, и расположенный вне корпуса генератор 3 однополярных электромагнитных импульсов мощностью более 1 МВт, длительностью менее 1 нс и частотой повторения не менее 1 кГц. При этом электрод 2 соединен с одним из выводов генератора 3, а корпус 1 - со вторым выводом генератора 3. На время обработки в нижней части корпуса 1 размещена дополнительная емкость 4 из тонкой диэлектрической пленки.

Заявляемые способ и установка используются для обработки радиоактивных растворов следующим образом.

В корпус 1 помещают дополнительную емкость 4 из диэлектрической тонкой пленки, например, из полиэтилена. Заливают в корпус 1 обрабатываемый раствор, добавляют химические реагенты, такие как кислоты или щелочи либо их соли. Затем раствор подвергают с помощью электрода 2 облучению в течение 10-30 минут однополярными электромагнитными импульсами мощностью более 1 МВт и длительностью менее 1 нс, частотой повторения не менее 1 кГц, получаемыми от генератора 3.

Облучение раствора мощными короткими импульсами при большой площади электрода приводит к радиолизу воды, в результате которого образуется очень активный реагент - гидратированные электроны e_aq. Взаимодействие гидратированных электронов с радиоактивными химическими элементами, содержащимися в самом растворе, и с введенными в него химическими реагентами вызывает изменение химического состава раствора и выпадение осадка. Во время выдерживания раствора в установке в течении 1-4 суток образовавшиеся в результате процесса осадки осаждаются в дополнительной емкости 4, которую после этого извлекают из корпуса 1 и подвергают захоронению вместе с радиоактивными осадками-отходами.

В качестве примера работы установки можно привести следующий опыт. В корпус цилиндрической формы диаметром 120 и высотой 190 мм, выполненный из фольгированного стеклотекстолита, был помещен дополнительный сосуд из пластика диаметром 110 и высотой 160 мм. В него был залит водный раствор радиоактивного ¹³⁷Cs объемом 1 литр.

В раствор была добавлена щелочь NaOH в количестве необходимом для получения pH раствора, равного 10.

В качестве электрода использовалась медная пластина диаметром 30 мм. К корпусу и электроду подключили генератор импульсов с параметрами: мощность в импульсе 2 МВт, длительность импульса 1 нс, частота повторения импульсов 1 кГц. Время обработки 15 мин. После обработки замечено выпадение осадка.

Измеренное значение активности водного раствора в сосуде до обработки составило 125 кБк/л, после обработки спустя 2 суток 80 кБк/л.

В сравнении с прототипом заявляемые средства обработки являются более простыми и позволяют уменьшить активность водного раствора.