Способ приготовления цезиевых источников гамма-излучения

 

Использование: в радиохимической промышленности при переработке отработанного ядерного топлива. Сущность изобретения: способ приготовления состоит в том, что насыщение силикагеля цезием проводят при упаривании раствора цезия при температуре выше 85^oC и ниже температуры кипения раствора цезия. После достижения заданного насыщения по цезию силикагель обрабатывают борсодержащим раствором до достижения массового содержания бора не более 10 мг бора на грамм силикагеля. Полученный силикагель прокаливают при температуре 800 - 1000^oC. Конденсат (раствор после упаривания) получают очищенным от цезия более чем в 30000 раз. Данный способ позволяет увеличить удельную активность цезиевых источников гамма-излучения, увеличить химическую устойчивость и уменьшить количество отходов. 1 ил., 4 табл.

Изобретение относится к области производства радиоизотопных источников и может быть использовано в радиохимической промышленности.

Известен способ приготовления источников гамма-излучения из хлорида цезия [1].

Недостатками этого способа являются хорошая растворимость хлорида цезия в воде, возможность коррозии ампулы.

Известен способ приготовления цезиевых источников гамма-излучения с использованием стеклянной алюмофосфатной матрицы [2].

Недостатками этого способа являются большие температуры и время варки стекла (до 1100^oC и 2 - 3 ч), что ведет к значительному уносу цезия с газовой фазой; технологические сложности, связанные с заливкой требуемого количества стекла в ампулу.

Известен способ приготовления цезиевых источников гамма-излучения с использованием цеолитной или силикагельной матрицы, применяемый для получения изотопных источников с малой удельной активностью [3], выбранный в качестве прототипа и включающий следующие стадии: погружение в цезиевый раствор цеолитной или силикагельной матрицы, выдержка в течение 42 ч при температуре 30 - 40^oC, промывка водой, повторение предыдущих трех операций, сравнение с контрольными источниками, снижение активности до требуемого уровня путем многократных (7 - 8 раз) кислотных промывок, прокаливание при температуре 1150^oC в течение 20-30 мин.

Недостатками данного способа являются: небольшая удельная активность источников (максимально возможное насыщение 100 мг цезия на грамм матрицы), большое количество растворов, в том числе и остатки исходного, требующие утилизации, высокая температура прокалки.

Техническая задача изобретения состоит в создании такого способа получения цезиевых источников гамма-излучения на основе силикагельной матрицы, который позволяет: повысить удельную активность цезиевых источников гамма-излучения; уменьшить количество жидких радиоактивных отходов при приготовлении источников; снизить унос цезия с газовой фазой при прокалке; повысить химическую устойчивость получаемых источников.

Решение поставленной задачи достигается тем, что приготовление цезиевых изотопных источников гамма-излучения осуществляют при упаривании цезиевого раствора досуха, затем осуществляют обработку борсодержащим раствором и проводят прокаливание насыщенного силикагеля при 800 - 1000^oC, что позволяет: увеличить насыщение матрицы цезием в 4 - 5 раз (максимальное насыщение в заявляемых условиях составляет 500 мг цезия на грамм силикагеля), а активность полученного источника в 8 - 15 раз (при таком насыщении силикагеля цезием происходит уменьшение объема матрица, она "сжимает" в 2 - 3 раза), при упаривании получить конденсат, очищенный от цезия более чем в 30000 раз, причем конденсат является единственным жидким отходом, снизить унос цезия с газовой фазой за счет уменьшения температуры прокалки насыщенного силикагеля до 800 - 1000^oC (цезий является стеклообразующим элементом, причем при увеличении его содержания происходит уменьшение температуры, требуемой для оплавления силикагеля), повысить химическую устойчивость источника за счет получения стеклогранул, поскольку цезий является стеклообразующим элементом, и за счет введения бора, также стеклообразующего элемента.

Поставленная задача осуществляется по следующей схеме:
силикагель контактируют с цезиевым раствором и упаривают последний при температуре от минимальной температуры, равной 85^oC до максимальной температуры, соответствующей началу закипания используемого водно-солевого раствора;
после упаривания первой порции цезиевого раствора силикагель контактируют с новой порцией цезиевого раствора и доводят насыщение силикагеля цезием до величины не более 500 мг цезия на грамм силикагеля;
после упаривания цезиевого раствора проводят обработку насыщенного силикагеля борсодержащим раствором (операция пропарки) при этом содержание бора должно быть не более 10 мг на грамм силикагеля,
насыщенный силикагель прокаливают при температуре 800 - 1000^oC для получения стеклообразной поверхности гранул.

Пример 1. Температурный режим ведения процесса упаривания определяют следующим образом.

Нижний предел получают по совокупности достигаемого насыщения и времени процесса упаривания. Один грамм силикагеля марки КСКГ помещают в тигель с раствором, содержащим 1 моль/л HNO₃ и 20 г/л Cs, и раствор упаривают при различной температуре (по мере упаривания раствор подливают для достижения максимального насыщения). Результаты опыта приведены на чертеже.

Таким образом, нижний температурный предел упаривания цезиевого раствора 85^oC.

Верхний предел температуры упаривания определяют по уносу цезия с парогазовой фазой (конденсатом). Два грамма силикагеля марки КСКГ помещают в колбу с 50 мл раствора, содержащего 1 моль/л HNO₃ и 20 г/л Cs, и раствор упаривают досуха при 98 - 99^oC. Аналогичным образом проводят эксперимент с упариванием раствора при умеренном кипении раствора. Результаты анализа полученного конденсата приведены в табл. 1.

Таким образом, верхний предел температуры ведения процесса должен быть ниже температуры кипения раствора, поскольку в противном случае унос цезия с парогазовой фазой увеличивается более чем на порядок.

Пример 2. Температурный режим и время прокалки определяют по совокупности химической устойчивости и коэффициенту уменьшения объема получаемого продукта.

Пригодность твердой матрицы для фиксации радионуклидов определяется ее химической устойчивостью, которую определяют по скорости выщелачивания элементов в дистиллированную воду [4]. В табл. 2 приведены результаты по определению химической устойчивости насыщенных цезием и прокаленных образцов силикагеля, которые хранились в контакте с водой в течение длительного периода времени.

Для получения конечной матрицы, пригодной для длительного безопасного хранения (величина скорости выщелачивания цезия менее 1,0 · 10^-6 г/см² · сут), температура прокалки должна быть не менее 800^oC при времени прокалки не менее 15 мин.

Результаты по уменьшению объема насыщенного силикагеля в зависимости от температуры прокалки приведены в табл. 3 (условия опыта аналогичны предыдущему опыту, время прокалки 15 - 60 мин).

Таким образом, температура прокалки должна быть в интервале 800 - 1000^oC.

Пример 3. Необходимое массовое содержание бора, вводимого для повышения химической устойчивости изотопного источника, определяют следующим образом.

Силикагель марок КСКГ и АСКГ (фракционный состав и массовое соотношение марок как в примере 2) насыщают цезием до 500 мг/г, обрабатывают (проводят "пропарку") доведенным до кипения борсодержащим раствором, например, раствором борной кислоты с различной концентрацией бора, и прокаливают при температуре 1000^oC в течение 60 мин.

При содержании бора более 45 мг на грамм силикагеля (исходного силикагеля, т.е. ненасыщенного и непрокаленного) происходит расплавление силикагеля и увеличение объема за счет пенообразования, что делает затруднительным расфасовку продукта по ампулам. При содержании бора 15-45 мг/г силикагеля К уменьшения объема составляет величину, большую чем 0.7, что дает незначительный эффект повышения удельной активности изотопного источника. При содержании бора менее 10 мг/г увеличивается скорость выщелачивания цезия, при этом уменьшение объема составляет величину 0,33 - 0,7. После прокалки получаются сыпучие, стеклоподобные гранулы. Для интервала содержания бора 0 - 15 мг/г скорость выщелачивания цезия после 7 суток выдержки приведена в табл. 4.

Таким образом, оптимальное содержание бора соответствует 10 мг на грамм исходного силикагеля.

Литература.

1. Химия долгоживущих осколочных элементов. / Под ред. акад. А.В. Никольского. -М.: Атомиздат, 1970.

2. Аллой А.С., Вишневский А.С., Кузнецов Б.С. и др. Включение концентратов цезия и мелкодисперсных пульп в стеклоподобные и керамические материалы // Атомная энергия. -т. 70. - вып. 2, 1991. с. 85-88.

3. Технологическая инструкция по изготовлению изделий. ТИ 45. Т.2.5. Ц-82.

4. Отходы радиоактивные. Метод измерения химической устойчивости отвержденных радиоактивных отходов посредством длительного выщелачивания. ГОСТ 29114-91.

Формула изобретения

Способ приготовления цезиевых источников гамма-излучения, включающий насыщение силикагеля цезием, прокаливание насыщенной матрицы, отличающийся тем, что насыщение ведут при температуре от 85^oС и до температуры кипения раствора цезия с упариванием цезиевого раствора досуха, проводят пропарку насыщенного силикагеля борсодержащим раствором с получением массового содержания бора в матрице не более 10 мг на 1 г, а прокаливание проводят при 800 - 1000^oС.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2