Способ приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида

Изобретение относится к области обращения с газообразными радиоактивными отходами на атомных электростанциях и других ядерных установках, а более конкретно к способам приготовления твердого гранулированного реактива с радиоактивным изотопом йода для получения газообразного радиоактивного метилиодида с целью его применения при проведении испытаний йодных фильтров «на месте» в системах вентиляции, важных для безопасности атомных станций. В гранулы непористого электроплавленного корунда добавляют раствор в этаноле Na¹³¹I или K¹³¹I без носителя до образования пастообразной массы с выдержкой её в течение одного-двух часов и последующим высушиванием при температуре в диапазоне (90–110)°С до сыпучего состояния. Изобретение позволяет равномерно распределить радиоактивный изотоп на поверхности гранул корунда. 6 з.п. ф-лы.

 

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к области обращения с газообразными радиоактивными отходами на атомных электростанциях и других ядерных установках, а более конкретно к способам приготовления твердого гранулированного реактива с радиоактивным изотопом йода для получения газообразного радиоактивного метилиодида с целью его применения при проведении испытаний йодных фильтров «на месте» в системах вентиляции, важных для безопасности атомных станций.

В данной работе используются следующие термины.

АС – атомная станция – предприятие, вырабатывающее электроэнергию и/или тепловую энергию;

Ядерные установки – исследовательские ядерные реакторы и другие объекты применения атомной энергии;

Йодный сорбент – гранулированный импрегнированный или неимпрегнированный йодпоглощающий материал;

Йодный фильтр – аппарат, заполненный йодным сорбентом;

Газообразные радиоактивные отходы (ГРО) – воздух или газовые смеси, объемная активность радиоактивных веществ в которых превышает допустимые уровни, установленные правовыми актами;

Тестирующий агент – газообразный радиоактивный метилиодид, содержащий в своём составе радиоактивный изотоп йод-131.

Иод-131, также называемый далее радиоиодом, — радиоактивный нуклид химического элемента иода с атомным номером 53 и массовым числом 131.

Уровень техники.

Информация о способности йодных фильтров выполнять свои функции как при нормальных условиях, так и в случае возникновения аварий имеет очень важное значение для гарантированной эксплуатации вентиляционных систем, особенно тех, которые ответственны за ограничение распространения радиоактивных веществ и выброс их в окружающую среду.

В качестве тестирующего агента при оценке эффективности очистки от органических форм радиоактивного йода Международное агентство по атомной энергии рекомендует применять радиоактивный метилиодид, содержащий йод-131.

Известны способы получения радиоактивного метилиодида в жидкой среде путем взаимодействия йодида калия, меченного изотопом йод-131, с диметилсульфатом, описанный в «Testing and monitoring of off-gas cleaning systems at nuclear facilities». Technical Rep., Series №243, IAEA, Vienna, 1984

Причём в этом методе применяется диметилсульфат, который является высокотоксичным веществом.

Радиоактивный метилиодид получают также при комнатной температуре в жидкой фазе с помощью реакции изотопного обмена стабильного метилиодида с иодидом натрия, содержащим йод-131. Однако, это очень медленно протекающий процесс, см, «Method and apparatus for manufacturing radioactive methyl iodide tracer». JPS 490057 B2, 2012

Описан способ получения радиоактивного метилиодида в гомогенной реакционной среде при температуре (18 ÷ 35)°С в течение 10-40 минут, см. «Method for preparing radioactive methyl iodide in homogeneous reaction system». CN 103896 719 A, 2 July 2014.

Недостатком способа является многостадийность процесса с применением нескольких реактивов.

Предложен способ приготовления радиоактивного метилиодида, состоящий из пяти стадий, с применением в процессе нескольких химических соединений см. патент США «Method and device for synthesizing radioactive methyl iodide tracer». Patent №: US 8642039 B2, Apr. 8, 2014

Общим недостатком этих методов является получение и применение радиоактивного метилиодида в жидком виде, что, в случае неаккуратного обращения с ним, связано с риском возможного загрязнения атмосферы помещения, в котором проводятся работы.

Существует способ получения радиоактивного метилиодида с помощью реакции изотопного обмена в жидкой фазе. Недостатком этого метода является очень медленная скорость реакции процесса, протекающего в жидкой фазе при комнатной температуре, необходимость перевода радиоактивного метилиодида в газообразное состояние, что связано с риском возможного загрязнения атмосферы помещения в случае неаккуратного обращения с ним. Кроме того, прототип не может обеспечить оперативное применение радиоактивного метилиодида при испытаниях йодных фильтров на месте, учитывая многостадийность процесса его получения, необходимость выделения его в чистом виде и перевода в газообразное состояние.

Известен способ получения радиоактивного метилиодида, при котором радиоактивный метилиодид, содержащий радиоактивный изотоп йода, получают в газообразном виде непосредственно в местах его применения при проведении испытаний йодных фильтров, установленных в системах вентиляции АС и других ядерных установок.

См. описание к патенту №2599776, опубликован в 2016 году. Данный уровень техники является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран прототипом предлагаемого изобретения.

Однако в нем не раскрыт очень важный фактор, а именно, каким образом можно осуществить приготовление твердого гранулированного реактива, применение которого позволяет непосредственно получать газообразный радиоактивный метилиодид.

Раскрытие изобретения.

Настоящее изобретение главным образом имеет целью предложить способ приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида.

Для достижения этой цели в гранулы непористого электроплавленного корунда добавляют раствор в этаноле Na¹³¹I или K¹³¹I (без изотопного носителя) с заданной активностью до образования пастообразной массы с выдержкой её в течение одного – двух часов и последующим высушиванием приготовленной массы при температуре в диапазоне (90 – 110) °С до сыпучего состояния.

В результате достигается равномерное распределение радиоактивного изотопа на поверхности гранул корунда.

Существует также вариант изобретения, в котором для приготовления раствора Na¹³¹I или K¹³¹I используют смесь этанол-вода с содержанием этанола не менее 70 % об.

Благодаря выгодной характеристике указанных вариантов появляется возможность обеспечить: приготовление гранулированного реактива в широком диапазоне удельной активности; доступность Na¹³¹I или K¹³¹I для реакции изотопного обмена вследствие отсутствия пористой структуры в гранулах; быстрое протекание процесса массообмена между молекулами стабильного метилиодида в газовой фазе и йодом-131, находящимся на поверхности гранул.

Существует также преимущественный вариант изобретения, в котором для увеличения содержания иодид ионов йода-131 в растворе в него перед обработкой гранул корунда добавляют вещество, обладающее восстанавливающими свойствами, в качестве которого преимущественно используют сульфид натрия (Na₂S).

Существует еще и такой вариант изобретения, в котором в качестве восстанавливающего вещества используют гидразингидрат.

Благодаря данной выгодной характеристике применения восстановителей появляется возможность повысить степень изотопного обмена и скорость его протекания.

Существует также еще один возможный вариант изобретения, в котором реактив готовят с удельной активностью не более 2·10⁶ Бк/г и общей активностью в фасовке не более 10⁸ Бк.

Благодаря данной выгодной характеристике обеспечивается гарантия непревышения допустимого суточного выброса йода в атмосферу при проведении испытаний йодных фильтров в вентсистемах АС с использованием газообразного радиоактивного метилиодида.

Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения как способа. Также совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения не следует явным образом из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень» для изобретения.

Осуществление изобретения.

Способ приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида реализуют следующим образом. Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения, имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.

Этап 1. В гранулы непористого электроплавленного корунда добавляют раствор в этаноле Na¹³¹I или K¹³¹I без носителя до образования пастообразной массы.

Этап 2. Выдерживают её в течение одного-двух часов.

Этап 3. Высушивают ее при температуре в диапазоне (90-110)°С до сыпучего состояния.

Этап 4. Для приготовления раствора Na¹³¹I или K¹³¹I используют смесь этанол-вода с содержанием этанола не менее 70 % об.

Этап 5. Для увеличения содержания иодид ионов йода-131 в растворе в него перед обработкой гранул корунда добавляют вещество, обладающее восстанавливающими свойствами.

При этом в качестве восстанавливающего вещества используют сульфид натрия или гидразингидрат.

Этап 6. Реактив готовят с удельной активностью не более 2·10⁶ Бк/г и общей активностью в фасовке не более 10⁸ Бк.

Последовательность этапов является примерной и позволяет переставлять, убавлять, добавлять или производить некоторые операции одновременно без потери возможности обеспечивать возможность приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида.

Промышленная применимость.

Предлагаемый способ приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.

В соответствии с предложенным изобретением произведены испытания способа приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида.

Измерение удельной активности выборки образцов из пяти приготовленных реактивов показало, что при трёх измерениях (замерах) активность в самих образцах, а также в разных реактивах различалась незначительно (лишь несколько процентов).

В процессе осуществления контакта газового потока, содержащего газообразный метилиодид, с реактивом на основе крупнопористого Кизельгура (с общим объемом пор размером 2,58 нм 0,39 см³/г) при 120°С через 60 мин из K¹³¹I в метилиодид перешло около 60 % йода-131. При таких же условиях из непористого корунда с K¹³¹I перешло более 68 % йода-131, т.е. изотопный обмен происходит более эффективно.

В результате контакта газообразного метилиодида с реактивом на основе корунда МПК F-120 с K¹³¹I при 120°С за первые 20 мин обменялось 41,5 % йода-131, в то время как за последующие 40 мин – только 26,5 %. Это указывает на участие в изотопном обмене еще какого-то соединения йода, предположительно йодата калия (K¹³¹IО₃), с которым процесс изотопного обмена происходит с более медленной скоростью.

Добавление в пропитывающий раствор восстановителя (Na₂S или гидразингидрата (от 2,5·10^-5 % до 3,0·10^-5 % из расчета на 1 г готового реактива) за 60 мин увеличило выход СН₃¹³¹I до (95 ± 3) %.

Таким образом испытания показали, что такое решение обеспечивает возможность:

- прямого образования газообразного радиоактивного метилиодида, минуя промежуточные стадии обращения с ним;

- непосредственного определения «на месте» степени готовности фильтров выполнять свои функции в системах вентиляции, важных для безопасности АС;

- использовать штатные системы контроля объемной активности йода-131, применяемые в соответствии с действующими инструкциями на АС, а не использовать какие-либо другие средства контроля;

С помощью специального устройства осуществить простой и безопасный способ проведения испытаний йодных фильтров на АС.

1. Способ приготовления твердого гранулированного реактива для получения газообразного радиоактивного метилиодида, отличающийся тем, что в гранулы непористого электроплавленного корунда добавляют раствор в этаноле Na¹³¹I или K¹³¹I без носителя до образования пастообразной массы с выдержкой её в течение одного-двух часов и последующим высушиванием при температуре в диапазоне (90-110)°С до сыпучего состояния.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для приготовления раствора Na¹³¹I или K¹³¹I используют смесь этанол-вода с содержанием этанола не менее 70 % об.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения содержания иодид ионов йода-131 в растворе в него перед обработкой гранул корунда добавляют вещество, обладающее восстанавливающими свойствами.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве восстанавливающего вещества используют сульфид натрия.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве восстанавливающего вещества используют гидразингидрат.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что используют другие вещества, обладающие восстанавливающими свойствами.

7. Способ по п. 1-5, отличающийся тем, что реактив готовят с удельной активностью не более 2·10⁶ Бк/г и общей активностью в фасовке не более 10⁸ Бк.