Способ рециклинга борной кислоты

Изобретение относится к переработке борсодержащих радиоактивных растворов, образующихся при эксплуатации атомных электростанций (АЭС). Способ рециклинга борной кислоты, использованной на АЭС для управления интенсивностью цепной ядерной реакции, заключается в том, что борную кислоту очищают от радионуклидов металлов с использованием ионообменных смол. Затем раствор борной кислоты доочищают от анионных комплексов радионуклидов сурьмы и/или серебра селективными сорбентами. Из полученного радиохимически чистого раствора борной кислоты изготавливают товарный боратный продукт. Изобретение обеспечивает рециклинг борной кислоты после ее использования в технологических процессах работы АЭС, а именно изготовление из нее товарных боратных продуктов, соответствующих всем критериям, предъявляемым к боратным материалам, используемым в промышленности. 5 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к переработке борсодержащих радиоактивных растворов, образующихся при эксплуатации атомных электростанций (АЭС).

Борную кислоту применяют в первом контуре АЭС с реакторами типа ВВР для управления интенсивностью цепной ядерной реакции. Для создания замкнутой системы ввода и вывода бора из реактора АЭС оборудованы специальной системой регенерации борной кислоты, предназначенной для переработки и возврата получаемого концентрата в технологический цикл станции. Ядерная технология / В.П.Шведов и др.- М.: Атомиздат, 1979, стр.200.

При эксплуатации АЭС в теплоноситель первого контура, содержащий борную кислоту, поступают радиоактивные изотопы - продукты деления ядерного топлива и активированные продукты коррозии конструкционных материалов, находящиеся в катионных и анионных формах и комплексах. Поэтому, перед повторным использованием борсодержащих растворов в работе АЭС их очищают от радионуклидов на ионообменных фильтрах / Спецводоочистка на атомных электростанциях станциях. - М.: Высшая школа, 1988, стр.186.

Известен способ очистки раствора борной кислоты с использованием фильтров загруженных ионообменными смолами (катионитами и анионитами) / Оборудование атомных электростанций. - М.: Машиностроение, 1982, стр.292. Недостатком данного способа является низкая эффективность очистки борной кислоты от радионуклидов сурьмы и серебра, которые образуются в теплоносителе первого контура АЭС при активации продуктов коррозии спецсплавов. Изотопы сурьмы и серебра находятся в данной среде в виде анионных комплексов в сверхмалых количествах и на фоне граммовых количеств борной кислоты они практически не задерживаются ионообменными смолами.

Известен способ очистки борсодержащего концентрата в системе регенерации борной кислоты на АЭС (патент № RU2594420, опуб.20.08.2016), выбранный в качестве прототипа, заключающийся в последовательной фильтрации борного концентрата, поступающего с выпарного аппарата при температуре 60-80°С, на ионообменных фильтрах, загруженных водородной формой карбоксильного катионита на основе сшитого полиакрилата, водородной формой сульфокатионита и формой свободного основания низкоосновного анионита с группами типа бензилдиметиламина.

Недостатки данного способа:

- низкая эффективность очистки борсодержащих растворов от изотопов сурьмы и серебра;

- накапливание в теплоносителе первого контура АЭС гамма-излучающих радионуклидов, приводящее к увеличению дозовой нагрузки на персонал;

- необходимость периодического выведения борсодержащих радиоактивных растворов из технологического цикла работы АЭС для упарки и перевода в состояние среднеактивных отходов, требующих строительства и содержания капиталоемких и дорогостоящих хранилищ жидких радиоактивных отходов (ЖРО) на территориях действующих АЭС;

- невозможность использования борной кислоты, обработанной по данному способу, для получения товарных продуктов, готовых к их использованию в различных отраслях промышленности.

В настоящее время на территориях АЭС накоплены и хранятся сотни тысяч тонн радиоактивных борсодержащих растворов очень сложного состава, поскольку использованная на АЭС борная кислота смешивается с многочисленными радиоактивными растворами, образующимися при работе АЭС (дезактивирующие растворы, регенераты ионообменных фильтров, жидкие технологические среды, трапные воды и т.п.). Эти жидкости, после энергозатратного концентрирования на выпарных установках, сливают в хранилища жидких радиоактивных отходов и периодически допаривают и перепаривают их с целью снижения объема т.к. переполнение этих хранилищ может привести к остановке работы АЭС. Содержание борат-ионов в упаренных растворах достигает 10-12%. Извлечь бораты из этих сложных по составу радиоактивных сред очень сложно и дорого.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении рециклинга борной кислоты после ее использования в технологических процессах работы АЭС, а именно, изготовление из нее товарных боратных продуктов, соответствующих всем критериям, предъявляемым к боратным материалам, используемым в промышленности.

Для достижения указанного технического результата предлагается способ рециклинга борной кислоты, использованной на АЭС для управления интенсивностью цепной ядерной реакции, заключающийся в том, что борную кислоту очищают от радионкулидов металлов с использованием ионообменных смол, а затем раствор борной кислоты доочищают от анионных комплексов радионуклидов сурьмы и/или серебра селективными сорбентами, после чего, из полученного радиохимически чистого раствора борной кислоты, изготавливают товарный боратный продукт.

Сущность заявляемого изобретения заключается в следующем.

После использования в технологическом цикле работы АЭС борсодержащие растворы доочищают от радионуклидов сурьмы и/или серебра селективными сорбентами, после чего, из полученного радиохимически чистого раствора, изготавливают товарный боратный продукт, используя процессы упарки, осаждения, фильтрации и сушки с целью получения готового товарного боратного продукта соответствующего всем критериям, предъявляемым к боратным материалам, используемым в промышленности.

Очистку борной кислоты от анионных комплексов сурьмы и/или серебра производят в емкостях, при перемешивании с селективными сорбентами.

Борсодержащие растворы могут быть доочищены селективными сорбентами на основе сульфидов, гидроксидов, фосфатов, ферроцианидов, силикатов или их смесями.

Борная кислота может быть дополнительно очищена, при необходимости, от анионных комплексов сурьмы и/или серебра в фильтрах, загруженных гранулированными селективными сорбентами.

В результате реализации заявленного способа могут быть получены такие товарные боратные продукты, как борная кислота, боракс, бораты или пербораты, готовые к промышленному использованию.

Технических решений, совпадающих с совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения, не выявлено, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».

Заявляемые существенные признаки, предопределяющие получение указанного технического результата, явным образом не следуют из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Условие патентоспособности «промышленная применимость» подтверждается следующими примерами конкретного выполнения.

ПРИМЕР 1.

Борную кислоту, использованную в качестве теплоносителя первого контура АЭС с реактором типа ВВР и содержащую радионуклиды цезия, кобальта, марганца и сурьмы, пропустили через фильтры, загруженные ионообменными смолами, и получили раствор с содержанием 14,8 г/л борат-ионов и 1240 Бк/л изотопа сурьма-125. В 1 л данного раствора внесли 1 г порошкового селективного сорбента на основе сульфида цинка и перемешивали его на магнитной мешалке в течении 5 часов, после чего сорбент отделили от раствора на бумажном фильтре, а раствор упарили до образования осадка борной кислоты. Полученный осадок борной кислоты высушили до постоянного веса и исследовали на наличие радиоактивных изотопов и химических примесей. Анализы показали, что полученная по заявляемому способу борная кислота полностью соответствует требованиям, предъявляемым к борной кислоте, используемой для стекловарения.

ПРИМЕР 2.

Борную кислоту, использованную в качестве теплоносителя первого контура АЭС с реактором типа ВВР и содержащую радионуклиды цезия, кобальта, марганца, сурьмы и серебра, сконцентрировали на выпарных аппаратах, пропустили через фильтры, загруженные ионообменными смолами, и получили раствор, с содержанием 38,2 г/л борат-ионов, 3110 Бк/л сурьмы-125 и 1670 Бк/л серебра-110. В 1 л данного раствора внесли 1 г порошкового селективного сорбента на основе сульфида цинка и 1 г селективного сорбента на основе ферроцианида железа и перемешивали его на магнитной мешалке в течении 3 часов, после чего сорбент отделили от раствора на бумажном фильтре, а раствор упарили до образования осадка борной кислоты. Полученный осадок борной кислоты высушили до постоянного веса и исследовали на наличие радиоактивных изотопов и химических примесей. Анализы показали, что полученная по заявляемому способу борная кислота полностью соответствует требованиям, предъявляемым к борной кислоте, используемой для изготовления керамических материалов.

ПРИМЕР 3.

Борную кислоту, использованную в качестве теплоносителя первого контура АЭС с реактором типа ВВР и содержащую радионуклиды цезия, кобальта, марганца, сурьмы и серебра, сконцентрировали на выпарных аппаратах, пропустили через фильтры, загруженные ионообменными смолами, и получили раствор, с содержанием 28,2 г/л борат-ионов, 2416 Бк/л сурьмы-125 и 1124 Бк/л серебра-110. В 1 л данного раствора внесли 1 г порошкового селективного сорбента на основе фосфата цинка и 1 г селективного сорбента на основе гидроксосиликата циркония и перемешивали его на магнитной мешалке в течении 3 часов, после чего сорбент отделили от раствора на бумажном фильтре, а в раствор добавили едкий натр и упарили его до образования осадка боракса (буры). Полученный осадок высушили до постоянного веса и исследовали на наличие радиоактивных изотопов и химических примесей. Анализы показали, что полученный по заявляемому способу боракс полностью соответствует требованиям, предъявляемым к боратам, используемым в качестве флюсов в металлургии.

ПРИМЕР 4.

Борную кислоту, использованную в качестве теплоносителя первого контура АЭС с реактором типа ВВР и содержащую радионуклиды цезия, кобальта, марганца и сурьмы, пропустили через фильтры, загруженные ионообменными смолами, и получили раствор с содержанием 15,2 г/л борат-ионов и 1730 Бк/л изотопа сурьма-125. Затем 2 л данного раствора пропустили через колонку, загруженную 2-мя граммами гранулированного сорбента на основе сульфида цинка, со скоростью 300 мл раствора в час, после чего раствор упарили до образования осадка борной кислоты. Полученный осадок борной кислоты высушили до постоянного веса и исследовали на наличие радиоактивных изотопов и химических примесей. Анализы показали, что полученная по заявляемому способу борная кислота полностью соответствует требованиям, предъявляемым к борной кислоте, используемой для стекловарения.

ПРИМЕР 5.

Борную кислоту, использованную в качестве теплоносителя первого контура АЭС с реактором типа ВВР и содержащую радионуклиды цезия, кобальта, марганца, сурьмы и серебра, пропустили через фильтры, загруженные ионообменными смолами, и получили раствор с содержанием 17,1 г/л борат-ионов и 1832 Бк/л изотопа сурьма-125 и 1178 Бк/л изотопа серебро-110. Затем 3 литра этого раствора за три часа профильтровали через колонку, загруженную 2-мя граммами гранулированного сорбента на основе сульфида цинка и 2-мя граммами гранулированного ферроцианида железа, после чего раствор упарили до образования осадка борной кислоты. Полученный осадок борной кислоты высушили до постоянного веса и исследовали на наличие радиоактивных изотопов и химических примесей. Анализы показали, что полученная по заявляемому способу борная кислота полностью соответствует требованиям, предъявляемым к борной кислоте, используемой для бактерицидной обработки древесины.

ПРИМЕР 6.

Борную кислоту, использованную в качестве теплоносителя первого контура АЭС с реактором типа ВВР и содержащую радионуклиды цезия, кобальта, марганца, сурьмы и серебра, пропустили через фильтры, загруженные ионообменными смолами, и получили раствор с содержанием 7,1 г/л борат-ионов и 897 Бк/л изотопа сурьма-125 и 1872 Бк/л изотопа серебро-110. Затем 3 литра этого раствора за три часа профильтровали через колонку, загруженную 2-мя граммами гранулированного сорбента на основе гидроксосиликата циркония и 2-мя граммами гранулированного фосфата цинка, раствор упарили до образования осадка борной кислоты. Полученный осадок борной кислоты высушили до постоянного веса и исследовали на наличие радиоактивных изотопов и химических примесей. Анализы показали, что полученная по заявляемому способу борная кислота полностью соответствует требованиям, предъявляемым к борной кислоте, используемой для получения пербората натрия.

Таким образом, использование в системе спецводоочистки борных растворов на АЭС селективных сорбентов, полностью удаляющих из боратных растворов изотопы сурьмы и/или серебра, позволяет получить радиохимически чистые товарные боратные продукты.

1. Способ рециклинга борной кислоты, использованной на АЭС для управления интенсивностью цепной ядерной реакции, включающий очистку борной кислоты от радионуклидов металлов с использованием ионообменных смол, отличающийся тем, что после очистки ионообменными смолами раствор борной кислоты дополнительно очищают от анионных комплексов радионуклидов сурьмы и/или серебра селективными сорбентами, после чего из полученного радиохимически чистого раствора борной кислоты изготавливают товарный боратный продукт.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве селективных сорбентов для доочистки борной кислоты от анионных комплексов сурьмы и/или серебра используют сульфиды, гидроксиды, фосфаты, ферроцианиды, силикаты металлов или их смеси.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что доочистку борной кислоты от анионных комплексов сурьмы и/или серебра производят в фильтрах, загруженных гранулированными селективными сорбентами.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что доочистку борной кислоты от анионных комплексов сурьмы и/или серебра производят в емкостях, при перемешивании с селективными сорбентами.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что товарный боратный продукт получают из радиохимически чистого раствора борной кислоты, используя процессы упарки, осаждения, фильтрации и сушки.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что товарный боратный продукт получают в виде борной кислоты, боракса, боратов или перборатов, готовых к промышленному использованию.