Способ производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора и устройство для реализации способа

Изобретение относится к производству радионуклидов и может быть использовано для производства стронция-90 без носителя. Устройство для производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора включает: ядерный водно-растворный реактор 23 с расположенной над его активной зоной 1 компенсационной камерой 9, подводящий трубопровод 15, компрессор 10, аппарат 2 для выдержки газообразной среды, отводящий трубопровод 14, установленные в линию циркуляции газообразной среды. Компенсационная камера 9, предназначенная для компенсации температурных расширений топливного раствора, во время работы ядерного водно-растворного реактора 23 заполнена газообразной средой, в состав которой входят газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов. В аппарате 2 для выдержки газообразной среды газообразную среду прокачивают вместе с находящимся в нем растворителем стронция. В процессе прокачки газообразной среды через аппарат 2 для выдержки газообразной среды накапливают стронций-90 без носителя в растворителе стронция. В состав аппарата 2 для выдержки газообразной среды входят гидравлический насос 5 для прокачки растворителя стронция, напорный сосуд 12, трубопровод 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция и расширительный сосуд 17 с компенсационной камерой 8 в его верхней части. При этом компенсационная камера 9 ядерного водно-растворного реактора 23 соединена с напорным сосудом 12 подводящим трубопроводом 15, напорный сосуд 12 соединен с газовой камерой 8 расширительного сосуда 17 трубопроводом 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция, компенсационная камера 8 расширительного сосуда 17 соединена с компенсационной камерой 9 ядерного водно-растворного реактора 23 отводящим трубопроводом 14. Результат изобретения: получение готового продукта в виде раствора стронция-90 без носителя, отсутствие фильтра для улавливания газообразных частиц рубидия и стронция. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к производству радионуклидов и может быть использовано для производства стронция-90 без носителя.

Аналогом изобретения является способ извлечения стронция-90 из радиоактивных отходов, содержащих продукты деления ядерного топлива [Левин В.И. "Получение радиоактивных изотопов", М., Атомиздат, 1972, стр.87, 88]. Для извлечения стронция-90 используют повторяющиеся осаждения его в виде нитрата из 15 н. HNO₃.

Недостатки способа заключаются в его значительной трудоемкости, присутствии в получаемом стронции-90 стабильного стронция и примесей.

Наиболее близким по технической сущности является способ выделения криптона-90 из газообразной среды, находящейся в компенсационной камере работающего ядерного водно-растворного реактора [Абалин С.С., Верещагин Ю.И., Григорьев Г.Ю., Павшук В.А., Пономарев-Степной Н.Н., Хвостионов В.Е., Чувилин Д.Ю. "Способ производства стронция-89", Патент США №6456680 В1, 24.09.2002 г.]. Способ заключается в том, что газообразную среду, образующуюся в активной зоне работающего ядерного водно-растворного реактора и выходящую в его компенсационную камеру, компонентами которой являются газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов, прокачивают через аппарат для выдержки газообразной среды, представляющий собою трубопровод определенной конструкции и предназначенный для выдержки газообразной среды в течение времени распада содержащегося в ней криптона-90 в рубидий-90. В процессе прокачки газообразной среды стронций-90 без носителя, образующийся из рубидия-90, оседает внутри трубопровода для выдержки газообразной среды и в установленном за ним фильтре.

Целью способа является производство стронция-89 без носителя, не загрязненного примесями стронция-90.

Недостаток способа заключается в том, что в нем не предусмотрено производство стронция-90 без носителя.

Технический результат, относящийся к способу, заключается в получении готового продукта в виде раствора стронция-90 без носителя.

Известно устройство для извлечения стронция из радиоактивных отходов, содержащих продукты деления ядерного топлива [Левин В.И. "Получение радиоактивных изотопов", М., Атомиздат, 1972, стр. 87, 88], посредством повторяющегося осаждения его в виде нитрата из 15 н. HNO₃, состоящее из сосудов и оборудования для работы с концентрированной HNO₃.

Недостаток устройства заключается в том, что оно состоит из дорогостоящих сосудов и оборудования для работ с концентрированной азотной кислотой.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для выделения криптона-90 из газообразной среды, находящейся в компенсационной камере работающего ядерного водно-растворного реактора [Абалин С.С., Верещагин Ю.И., Григорьев Г.Ю., Павшук В.А., Пономарев-Степной Н.Н., Хвостионов В.Е., Чувилин Д.Ю. "Способ производства стронция-89", Патент США №6456680 В1. 24.09.2002 г.]. В состав устройства входят ядерный водно-растворный реактор с расположенной над его активной зоной компенсационной камерой, аппарат для выдержки газообразной среды, представляющий собой трубопровод определенной конструкции, фильтр для улавливания газообразных частиц рубидия и стронция и компрессор, установленные в линию циркуляции газообразной среды. По мере накопления газообразных частиц стронция в фильтре его надо будет или менять на новый фильтр, или промывать растворителем стронция.

Недостаток устройства заключается в наличии в составе устройства фильтра для улавливания газообразных частиц рубидия и стронция.

Технический результат, относящийся к устройству, состоит в отсутствии фильтра для улавливания газообразных частиц рубидия и стронция.

Для достижения технического результата в способе производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора, заключающемся в том, что газообразную среду, образующуюся в активной зоне работающего ядерного водно-растворного реактора и выходящую в его компенсационную камеру, компонентами которой являются газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов, прокачивают через аппарат для выдержки газообразной среды, предлагается:

- в аппарате для выдержки газообразной среды газообразную среду прокачивать вместе с находящимся в нем растворителем стронция;

- в процессе прокачки газообразной среды через аппарат для выдержки газообразной среды накапливать стронций-90 без носителя в растворителе стронция;

- сливать растворитель стронция с накопленным количеством стронция-90 без носителя в систему кондиционирования готового продукта. В частных случаях реализации способа предлагается:

- в качестве растворителя стронция использовать водный, по меньшей мере, 0,1 М раствор азотной кислоты;

- газообразную среду выдерживать в аппарате для выдержки газообразной среды в течение, по меньшей мере, одного периода полураспада криптона-90;

- стронций-90 без носителя накапливать в растворителе стронция в течение, по меньшей мере, семи суток;

- регулировать расход растворителя стронция при его совместной прокачке с газообразной средой.

Для достижения технического результата в устройстве для производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора, в состав которого входят ядерный водно-растворный реактор с расположенной над его активной зоной компенсационной камерой, подводящий трубопровод, компрессор, аппарат для выдержки газообразной среды и отводящий трубопровод, установленные в линию циркуляции газообразной среды, предлагается:

- в состав аппарата для выдержки газообразной среды ввести гидравлический насос для прокачки растворителя стронция, напорный сосуд, трубопровод для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция и расширительный сосуд с компенсационной камерой в его верхней части;

- при этом компенсационную камеру ядерного водно-растворного реактора соединить с напорным сосудом подводящим трубопроводом, напорный сосуд соединить с компенсационной камерой расширительного сосуда трубопроводом для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция, компенсационную камеру расширительного сосуда соединить с компенсационной камерой ядерного водно-растворного реактора отводящим трубопроводом.

В частных случаях осуществления устройства предлагается:

- трубопровод для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция оснастить регулирующим вентилем и расходомером;

- подводящий трубопровод оснастить мановакуумметром, обратным клапаном и диспергатором газообразной среды.

Сущность изобретения поясняется представленной на чертеже одной из возможных технологических схем устройства для производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора.

На чертеже и по тексту приняты следующие обозначения:

1 - активная зона ядерного водно-растворного реактора; 2 - аппарат для выдержки газообразной среды; 3 - вакуумный насос; 4 - вытяжная вентиляция; 5 -гидравлический насос; 6 - диспергатор газообразной среды; 7 - запорный вентиль; 8 - компенсационная камера расширительного сосуда; 9 - компенсационная камера ядерного водно-растворного реактора; 10 - компрессор; 11 - мановакуумметр; 12 - напорный сосуд; 13 - обратный клапан; 14 - отводящий трубопровод; 15 - подводящий трубопровод; 16 - расходомер; 17 - расширительный сосуд; 18 - регулирующий вентиль; 19 - сливной трубопровод для растворителя стронция со стронцием-90 без носителя; 20 - сосуд для растворителя стронция; 21 - трубопровод для заполнения растворителем стронция аппарата для выдержки газообразной среды; 22 - трубопровод для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция; 23 - ядерный водно-растворный реактор.

На чертеже представлено устройство для производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора, в состав которого входят ядерный водно-растворный реактор 23 с расположенной над его активной зоной 1 компенсационной камерой 9, подводящий трубопровод 15, компрессор 10, аппарат 2 для выдержки газообразной среды, отводящий трубопровод 14, установленные в линию циркуляции газообразной среды.

Компенсационная камера 9, предназначенная для компенсации температурных расширений топливного раствора, во время работы ядерного водно-растворного реактора 23 заполнена газообразной средой, в состав которой входят газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов. Компрессор 10 предназначен для прокачки газообразной среды через оборудование, установленное в линию ее циркуляции.

В аппарате 2 для выдержки газообразной среды газообразную среду прокачивают вместе с находящимся в нем растворителем стронция. В процессе прокачки газообразной среды через аппарат 2 для выдержки газообразной среды накапливают стронций-90 без носителя в растворителе стронция.

В состав аппарата 2 для выдержки газообразной среды входят гидравлический насос 5 для прокачки растворителя стронция, напорный сосуд 12, трубопровод 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция и расширительный сосуд 17 с компенсационной камерой 8 в его верхней части. При этом компенсационная камера 9 ядерного водно-растворного реактора 23 соединена с напорным сосудом 12 подводящим трубопроводом 15, напорный сосуд 12 соединен с газовой камерой 8 расширительного сосуда 17 трубопроводом 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция, компенсационная камера 8 расширительного сосуда 17, соединена с компенсационной камерой 9 ядерного водно-растворного реактора 23 отводящим трубопроводом 14.

В качестве растворителя стронция может быть использован водный, по меньшей мере, 0,1 М раствор азотной кислоты.

Газообразная среда может быть выдержана в аппарате 2 для выдержки газообразной среды в течение, по меньшей мере, одного периода полураспада криптона-90. Нижняя граница времени выдержки выбрана потому, что при выдержке менее одного периода полураспада криптона-90 большая его часть будет распадаться за аппаратом 2 для выдержки газообразной среды. Верхняя граница времени выдержки может быть выбрана равной трем периодам полураспада криптона-90. За три периода полураспада криптона-90 распадется 87,5% его количества в газообразной среде, прошедшей через аппарат 2 для выдержки газообразной среды. Выдерживать газообразную среду более трех периодов полураспада криптона-90 может быть нецелесообразно.

Время накопления стронция-90 без носителя в растворителе стронция может быть выбрано равным, по меньшей мере, семи суткам. Активность стронция-90, накопленного в растворителе стронция за семь суток, может быть достаточной для поставок готового продукта потребителям.

Сосуд 20 для растворителя стронция и трубопровод 21 с запорным вентилем 7 предназначены для заполнения аппарата 2 для выдержки газообразной среды растворителем стронция. Сливной трубопровод 19 с запорным вентилем 7 предназначены для слива растворителя стронция с накопленным в нем стронцием-90 без носителя в систему кондиционирования готового продукта. Для измерения давления на напоре гидравлического насоса 5 установлен мановакуумметр 11. Отводящий трубопровод 14 соединен посредством запорного вентиля 7 с входом в вакуумный насос 3. Выход вакуумного насоса 3 соединен с вытяжной вентиляцией 4. Вакуумный насос 3 предназначен для создания разрежения в компенсационной камере 9 ядерного водно-растворного реактора 23.

В частных случаях осуществления устройства для производства стронция-90 без носителя с использование ядерного водно-растворного реактора:

1. Трубопровод 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция оснащен регулирующим вентилем 18 и расходомером 16. Регулирующий вентиль 18 и расходомер 16 предназначены для регулировки и измерения расхода растворителя стронция через трубопровод 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция.

2. Подводящий трубопровод 15 оснащен мановакуумметром 11, обратным клапаном 13 и диспергатором 6 газообразной среды. Мановакуумметр 11, установленный на напоре компрессора 10, предназначен для измерения давления газообразной среды на входе ее в растворитель стронция, находящийся в напорном сосуде 12. Обратный клапан 13 предназначен для исключения возможности попадания растворителя стронция из напорного сосуда 12 в компрессор 10. Диспергатор 6 газообразной среды предназначен для того, чтобы газообразная среда поступала в растворитель стронция в виде мелких пузырьков. Чем мельче пузырьки газообразной среды, тем больше площадь контакта газообразной среды с растворителем стронция и растворимость ее компонентов.

Данное устройство применяют для производства стронция-90 без носителя, заключающегося в том, что газообразную среду, образующуюся в активной зоне 1 работающего ядерного водно-растворного реактора 23 и выходящую в его компенсационную камеру 9, компонентами которой являются газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов, прокачивают через аппарат 2 для выдержки газообразной среды.

В аппарате 2 для выдержки газообразной среды газообразную среду прокачивают вместе с находящимся в нем растворителем стронция. В процессе прокачки газообразной среды через аппарат 2 для выдержки газообразной среды накапливают стронций-90 без носителя в растворителе стронция. Растворитель стронция с накопленным в нем стронцием-90 без носителя представляет собой готовый продукт стронция-90 без носителя.

Сливают готовый продукт стронция-90 без носителя в систему кондиционирования готового продукта.

В частных случаях реализации способа производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора:

1. В качестве растворителя стронция используют водный, по меньшей мере, 0,1 М раствор азотной кислоты.

2. Газообразную среду выдерживают в аппарате 2 для выдержки газообразной среды в течение, по меньшей мере, одного периода полураспада криптона-90.

3. Стронций-90 без носителя накапливают в растворителе стронция в течение, по меньшей мере, семи суток.

4. Регулируют расход растворителя стронция при его совместной прокачке с газообразной средой.

Пример конкретного выполнения устройства для производства стронция-90 без носителя.

1. Мощность ядерного водно-растворного реактора 23 равна 50 КВт.

2. Топливный раствор - водный раствор уранилсульфата.

3. Обогащение топлива ураном-235 - 90%.

4. Объем активной зоны 1 ядерного водно-растворного реактора 23 равен 22 литрам.

5. Температура топливного раствора 80°С.

6. Активность стронция-90 без носителя, накопленного в растворителе стронция за семь суток равна примерно 3,7×10⁸ Бк (0,01 Ки).

7. Объем растворителя стронция в аппарате 2 для выдержки газообразной среды и другие характеристики линий циркуляции газообразной среды и растворителя стронция определяют расчетом и экспериментально.

Пример конкретного применения способа производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора.

Заполняют активную зону 1 ядерного водно-растворного реактора 23 топливным раствором. Включают в работу вакуумный насос 3, открывают на его входном трубопроводе запорный вентиль 7 и откачивают в вытяжную вентиляцию 4 компенсационную камеру 9 ядерного водно-растворного реактора 23 и оборудование линии циркуляции газообразной среды до разрежения 30 мм вод. ст. по мановакуумметрам 11. Заполняют, по меньшей мере, 0,1 М раствором азотной кислоты аппарат 2 для выдержки газообразной среды из сосуда 20 для растворителя стронция через трубопровод 21 с запорным вентилем 7.

Выводят ядерный водно-растворный реактор 23 на определенный уровень мощности. Газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов, образующиеся в активной зоне 1 во время работы ядерного водно-растворного реактора 23, выходят из топливного раствора и заполняют компенсационную камеру 9. Включают в работу компрессор 10 и по подводящему трубопроводу 15 откачивают газообразную среду из компенсационной камеры 9.

Включают в работу гидравлический насос 5 аппарата 2 для выдержки газообразной среды и прокачивают растворитель стронция по линии его циркуляции через напорный сосуд 12, трубопровод 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция и расширительный сосуд 17. Регулируют обратный клапан 13 на давление срабатывания, больше давления на напоре компрессора 10 по показаниям мановакуумметров 11. При равенстве давления газообразной среды в подводящем трубопроводе 15 на напоре компрессора 10 давлению растворителя стронция в напорном сосуде 12 по мановакуумметрам 11 газообразная среда поступает через диспергатор 6 в напорный сосуд 12 и смешивается с находящимся в нем растворителем стронция. Далее растворитель стронция, содержащий диспергированную газообразную среду, поступает по трубопроводу 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция в компенсационную камеру 8 расширительного сосуда 17. В компенсационной камере 8 не распавшиеся и не растворившиеся компоненты газообразной среды выходят из растворителя стронция и поступают далее по отводящему трубопроводу 14 обратно в компенсационную камеру 9. Скорость движения газообразной среды в трубопроводе 22 при ее прокачке вместе с растворителем стронция замедляется до скорости движения растворителя. Расход растворителя стронция при его совместной прокачке с газообразной средой может быть отрегулирован регулирующим вентилем 18 по показаниям расходомера 16.

Газообразную среду выдерживают в аппарате 2 для выдержки газообразной среды в течение, по меньшей мере, одного периода полураспада криптона-90.

Длина трубопровода 22 для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция может быть рассчитана на любое время выдержки газообразной среды. При совместной прокачке газообразной среды и растворителя стронция накапливают стронций-90 без носителя в растворителе стронция и получают готовый продукт - раствор стронция-90 без носителя. Время накопления стронция-90 без носителя может быть выбрано равным семи суткам. После накопления стронция-90 без носителя открывают запорный вентиль 7 на сливном трубопроводе 19 и сливают готовый продукт стронция-90 без носителя в систему его кондиционирования. Снова заполняют аппарат 2 для выдержки газообразной среды растворителем стронция и снова накапливают в нем стронций-90 без носителя.

Технический результат изобретения состоит в получении готового продукта в виде раствора стронция-90 без носителя.

1. Способ производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора, заключающийся в том, что газообразную среду, образующуюся в активной зоне работающего ядерного водно-растворного реактора и выходящую в его компенсационную камеру, компонентами которой являются газообразные продукты деления ядерного топлива и летучие соединения радионуклидов, прокачивают через аппарат для выдержки газообразной среды, отличающийся тем, что в аппарате для выдержки газообразной среды газообразную среду прокачивают вместе с находящимся в нем растворителем стронция, в процессе прокачки газообразной среды через аппарат для выдержки газообразной среды накапливают стронций-90 без носителя в растворителе стронция, сливают растворитель стронция с накопленным количеством стронция-90 без носителя в систему кондиционирования готового продукта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве растворителя стронция используют водный, по меньшей мере, 0,1 М раствор азотной кислоты.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что газообразную среду выдерживают в аппарате для выдержки газообразной среды в течение, по меньшей мере, одного периода полураспада криптона-90.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что стронций-90 без носителя накапливают в растворителе стронция в течение, по меньшей мере, семи суток.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что регулируют расход растворителя стронция при его совместной прокачке с газообразной средой.

6. Устройство для производства стронция-90 без носителя с использованием ядерного водно-растворного реактора, в состав которого входят ядерный водно-растворный реактор с расположенной над его активной зоной компенсационной камерой, подводящий трубопровод, компрессор, аппарат для выдержки газообразной среды и отводящий трубопровод, установленные в линию циркуляции газообразной среды, отличающееся тем, что в состав аппарата для выдержки газообразной среды входят гидравлический насос для прокачки растворителя стронция, напорный сосуд, трубопровод для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция и расширительный сосуд с компенсационной камерой в его верхней части, при этом компенсационная камера ядерного водно-растворного реактора соединена с напорным сосудом подводящим трубопроводом, напорный сосуд соединен с компенсационной камерой расширительного сосуда трубопроводом для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция, компенсационная камера расширительного сосуда соединена с компенсационной камерой ядерного водно-растворного реактора отводящим трубопроводом.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что трубопровод для совместной прокачки газообразной среды и растворителя стронция оснащен регулирующим вентилем и расходомером.

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что подводящий трубопровод оснащен мановакуумметром, обратным клапаном и диспергатором газообразной среды.