Предлагаемое изобретение относится к неорганической химии и к химической технологии, которую применяют для получения смеси из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксида алюминия, которую используют в процессе дезактивации жидких отходов атомных электростанций (АЭС), содержащих ионы цезия-137 ( ^l37 Cs) и/или стронция-90 ( ⁹⁰ Sr) путем коагулирования последних.

Известен способ получения ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида алюминия, основанный на сжигании в полости реактора порошков металлического алюминия в воздушной или кислородной плазме ВЧ- или СВЧ- разрядов [Получение тугоплавких соединений в плазме / Ю.Н.Краснокутский, В. Г. Верещак. - Киев: Вища школа. Головне видавництво. 1987, с.57, 63].

Недостатками такого способа являются высокая себестоимость продукта а также неполное окисление металлического алюминия, зарастание реактора и отводных трасс установки спекшимся и слипшимся продуктом из-за невозможности организовать отвод большого количества тепла.

Наиболее близким к предлагаемому по количеству существенных признаков является способ получения смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия для ее использования в качестве коагулянтов при дезактивации жидких радиоактивных отходов атомных электростанций, при котором заполняют полость сосуда-реактора водой, размещают в полости сосуда-реактора слой металлических гранул и выполняют их электроэрозионное диспергирование (ЭЭД) в воде, для чего воздействуют на слой гранул электрическими импульсами через электроды, одни концы которых размещают в полости реактора с возможностью касания металлических гранул, а вторые концы подключают к соответствующим выходам генератора импульсов, выполняют постепенное разрушение гранул под действием искровых разрядов между ними и образование мелкодисперсного порошка - коагулянта, накапливаемого на дне реактора [Международная заявка PCT/UA2012/000107 от 03.12.2012, Международная публикация WO/2014/058407 от 17.04.2014, МПК C02F 1/463 (2006.01), C02F 1/48 (2006.01 ), C02F 1/58 (2006.01 )]. В соответствии с указанным способом полость реактора заполняют порцией водного раствора жидких радиоактивных отходов атомных электростанций. Образовавшийся в процессе ЭЭД порошок вступает в реакции с ионами цезия- 137 ( Cs) и/или стронция- 90 ( ⁹⁰ Sr) до образования нерастворимого в воде осадка, который удаляют из реактора, а очищенную порцию воды сливают либо в канализацию, либо в поверхностный водоем.

Поскольку в соответствии с описанным способом очищаемую порцию водного раствора жидких отходов АЭС, которым заполняют реактор, необходимо подвергать обработке ЭЭД многократно для достижения требуемого значения предельно допустимой концентрации (ПДК) радиоактивных веществ в водном растворе, затраты и продолжительность процесса оказываются не всегда приемлемыми. Кроме того, отмечены случаи образования в процессе ЭЭД жидких радиоактивных отходов комплексных соединений, растворимых в воде, концентрацию которых можно уменьшить только путем выпаривания. Поэтому описанный способ недостаточно эффективен для дезактивации жидких радиоактивных отходов АЭС.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача создания такого способа получения смеси из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксида алюминия, используемых для дезактивации жидких отходов атомных электростанций, содержащих ионы цезия-137 ( ^{l 37} Cs) и/или стронция-90 ( ⁹⁰ Sr). себестоимость которого была бы меньше, а эффективность выше, чем у прототипа. Поставленная задача решается за счет создания условий для получения коагулянта заранее определенного состава и в количестве, достаточном для очистки требуемой порции (объема) жидких отходов АЭС за один цикл очистки, путем применения для получения смеси порошков, активность которых в отношении ионов цезия- 137 ( ^{l 37} Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr) превышает активность порошков оксида и гидроксида алюминия, полученных традиционными методами. Повышение активности полученных порошков можно объяснить, например тем, что в моменты искровых разрядов в воде возникают высокие температуры и, как следствие, кавитационные процессы, которые приводят к образованию высоких давлений взрывного характера, разрушающих молекулы воды и катализирующих процессы получения оксида и гидроксидов алюминия, и позволяющих создать структуры получаемых соединений алюминия, обладающих такой высокой активностью к радиоактивным цезию- 137 и стронцию-90. Согласно предлагаемому способу, как и известному способу получения смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия для ее использования в качестве коагулянтов при дезактивации жидких радиоактивных отходов АЭС, заполняют полость сосуда-реактора водой, размещаю! в полости сосуда-реактора слой металлических гранул, выполняют их электроэрозионное диспергирование в воде, для чего воздействуют на слой гранул электрическими импульсами через электроды, одни концы которых размещают в полости реактора с возможностью касания металлических гранул, а вторые концы подключают к соответствующим выходам генератора импульсов, постепенно разрушают гранулы под действием искровых разрядов между ними до образования мелкодисперсного порошка - коагулянта, накапливаемого на дне реактора, я, в соответствии с изобретением, полость реактора заполняют предварительно очищенной водой и выполняют ЭЭД в воде гранул металлического алюминия через электроды, изготовленные из металлического алюминия, а накопленный на дне реактора коагулянт в виде смеси из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия извлекают из сосуда-реактора и используют в качестве коагулянтов при дезактивации жидких радиоактивных отходов атомных электростанций, содержащих ионы цезия- 137 ( ¹³⁷ Cs) и/или стронция-90 ( ⁹⁰ Sr).

Особенностью предлагаемого способа является и то, что гранулы металлического алюминия обрабатывают импульсами электрического тока в воде с частотой 100 - 1000 Гц и амплитудой 100 - 1000 В.

Авторами экспериментально установлено, что смесь из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксидов и гидроксидов алюминия, полученная электроэрозионным диспергированием в воде гранул металлического алюминия, может быть использована для коагуляции радиоактивных ионов цезия-137 ( ^{l 37} Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr) в процессе дезактивации жидких радиоактивных отходов АЭС. Жидкими радиоактивными отходами на АЭС являются: продувочные воды реактора, организованные и неорганизованные протечки теплоносителя реакторного контура, вода бассейнов выдержки и перегрузки, дренажи, трапные и обмывочные воды, дезактивационные растворы, воды прачечных и душевых, продувочная вода парогенераторов. Жидкие радиоактивные отходы подразделяются на высокоактивные (с активностью выше 10-4 Ки/л) и слабоактивные (менее 10-4 Ки/л). Жидкие радиоактивные отходы протечек, дренажей, трапных и обмывочных вод и другие собираются в баках «грязного» конденсата. Для их обработки используются одноступенчатые выпарные аппараты с дополнительной очисткой полученного конденсата на ионообменных фильтрах [Монахов А. С. Атомные электрические станции и их технологическое оборудование.— Москва: Энергоатомиздат, 1986. С.26- 38]. Однако, одноступенчатые выпарные аппараты и ионообменные фильтры - очень дорогое оборудование, для обслуживания которого требуются специалисты высокой квалификации. Поэтому идет непрерывный процесс совершенствования методов дезактивации жидких радиоактивных отходов, направленный на создание более простых и менее затратных методов.

Предлагаемый способ позволяет получить вещество для дезактивации жидких радиоактивных отходов путем коагуляции и удаления из раствора радиоактивных соединений цезия-137 ( ¹³⁷ Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr), себестоимость которого существенно ниже стоимости традиционных методов дезактивации жидких радиоактивных отходов АЭС.

Процесс получения смеси из ультрадисперсных и нано дисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия, получаемого в результате использования предлагаемого способа, может быть описан общей формулой:

А1 + Н ₂ 0 + Q - А10 + АЮОН + АЮ(ОН) ₃ + Н ₂ † ,

где Q— энергия, которая возникает в момент электроэрозионного диспергирования в воде гранул металлического алюминия.

Как показали эксперименты, при обработке жидких радиоактивных отходов из баков «грязного» конденсата АЭС смесью из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия, полученной предлагаемым способом, полученная смесь вступает в реакции с ионами цезия-137 ( ^{l 37} Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr), в результате которых образуются нерастворимые в воде комплексные соединения, выпадающие в осадок, а потому легко удаляемые из очищаемых растворов.

Авторами экспериментально установлены оптимальные параметры импульсов, генерируемых в процессе ЭЭД гранул металлического алюминия. Так, для ЭЭД используют импульсы электрического тока в воде с частотой 100 - 1000 Гц и амплитудой 100 - 1000 В. Выход за указанные диапазоны существенно удорожает процесс ЭЭД.

В процессе проведения патентно-информационных исследований при подготовке настоящей заявки авторами не обнаружены способы получения смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия для ее использования в качестве коагулянтов при дезактивации жидких радиоактивных отходов АЭС с указанной выше совокупностью существенных признаков, что доказывает соответствие заявляемого технического решения критерию изобретения "новизна".

Технический результат, полученный в результате осуществления предлагаемого изобретения, состоит в создании условий для получения коагулянта заранее определенного состава и в количестве, достаточном для очистки требуемой порции жидких отходов АЭС за один цикл очистки, путем применения для получения смеси из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия, активность которых в отношении ионов цезия-137 ( ¹³⁷ Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr) превышает активность порошков оксида и гидроксида алюминия, полученных традиционными методами.

Указанный технический результат в известных технических решениях, которые вошли в уровень техники, авторами не выявлен, поэтому предлагаемый способ может быть признан соответствующим критерию изобретения "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ состоит из известных на сегодняшний день технологических приемов, средств и материалов. Он может быть использован в различных отраслях народного хозяйства, где необходима дезактивация жидких радиоактивных отходов, поэтому можно сделать вывод о том, что предлагаемое решение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».

Сущность предлагаемого изобретения объясняется при помощи схематического чертежа (фиг.1), на котором показана схема установки для получения смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия в соответствии с предлагаемым способом.

Установка для получения смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия в соответствии с предлагаемым способом содержит сосуд-реактор 1 из диэлектрического материала. В полости сосуда- реактора 1 установлена горизонтальна сетчатая перегородка 2 из диэлектрического материала, на которой равномерным слоем 3 размещают гранулы из металлического алюминия в виде таблеток диаметром 8 - 10 мм. Через перегородку 2 проходят два вертикальных электрода 4 разной полярности, изготовленные из металлического алюминия. Сосуд-реактор 1 на 80-85% объема полости заполняют очищенной водой, соответствующей требованиям ГОСТ Р 51232-98 "Вода питьевая". Объем гранул металлического алюминия и электродов 4, которые находятся в очищенной воде, составляет 20 - 25 % от общего объема полости сосуда-реактора 1. Каждый электрод 4 имеет форму прямоугольного параллелепипеда, большее ребро которого расположено вертикально. Свободный конец каждого электрода 4 касается гранул металлического алюминия, а второй конец - подключен к соответствующему выходу генератора импульсов - анода или катода /не показано/. В нижней части сосуда-реактора 1 установлен штуцер 5 для подачи в полость сосуда-реактора 1 очищенной воды под давлением в проточном режиме с напором снизу для создания «псевдокипящего» слоя 3 гранул с помощью соответствующего насоса /не показано/. В нижней части полости сосуда-реактора 1 под сетчатой перегородкой 2 горизонтально расположен поддон 6 - для накопления и выемки из сосуда-реактора 1 осадка - смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия, которая образуется во время ЭЭД гранул металлического алюминия. В верхней части сосуда-реактора 1 установлен штуцер 7 с задвижкой, предназначенной для регулирования уровня воды в полости сосуда-реактора 1 путем задания задвижкой скорости слива воды в проточном режиме. В качестве штуцера 7 с задвижкой может быть использован электроклапан, подключенный к системе управления /не показано/. В верхней части сосуда-реактора 1 установлен клапан 8, предназначенный для подачи новых гранул алюминия на перегородку 2 в полости сосуда-реактора 1, а также трубка, связывающая верхнюю часть полости сосуда-реактора 1, которая не заполнена водой, с атмосферой, и предназначенная для выхода водяного пара в процессе ЭЭД гранул /не показано/. Установка снабжена системой управления, оборудованной персональным компьютером с соответствующим программным обеспечением для работы установки и датчиками температуры воды, уровня воды и объема порошка, который накапливается на поддоне 6. Соответствующие входы компьютера соединены с датчиками, а соответствующие выходы - с насосом и с генератором импульсов /не показано/. Компьютер предназначен для поддержания стабильности параметров электрических импульсов при ЭЭД гранул, уровня воды в полости сосуда-реактора 1 и для регистрации данных.

Пример. В полость сосуда-реактора 1 , изготовленного из диэлектрического материала, в которой установлена горизонтальная сетчатая перегородка 2 из диэлектрического материала, загружали гранулы из металлического алюминия в виде таблеток диаметром 8 - 10 мм. Гранулы располагали равномерным слоем 3 на горизонтальной сетчатой перегородке 2 и подавали в полость сосуда-реактора 1 через штуцер 5 очищенную воду таким образом, чтобы во время работы установки она полностью покрывал слой 3 гранул. Через перегородку 2 проходили два вертикально расположенных электрода 4 из металлического алюминия разной полярности, расположенные на расстоянии 200 - 250 миллиметров в полости сосуда-реактора 1. Объем гранул и электродов 4 из металлического алюминия составлял приблизительно 25 % от общего объема полости сосуда-реактора 1. Каждый электрод 4 имел форму прямоугольного параллелепипеда и был подключен к выходу генератора импульсов соответствующей полярности. В полость сосуда-реактора 1 снизу вверх через штуцер 5 подавали очищенную воду. На электроды 4 подавали прямоугольные импульсы с частотой 800 Гц и амплитудой 400 В. Во время пропускания импульсов между отдельными гранулами и электродами 4 возникали искровые разряды. С увеличением температуры воды и уменьшения количества гранул компьютер корректировал параметры ЭЭД. В процессе разрядов в слое 3 гранул в жидкости синтезировали нерастворимые в воде оксид АЮ и гидроксиды алюминия АЮОН, АЮ(ОН) ₃ , которые в виде смеси из ультрадисперсных и нанодисперсных порошков образовывались при ЭЭД слоя 3 из алюминиевых гранул в очищенной воде. Благодаря созданию «псевдокипящего» слоя 3 из алюминиевых гранул существенно увеличилась интенсивность контактирования как гранул между собой, так и гранул с электродами 4, и, как следствие, увеличилось число электрических контактов между ними за единицу времени, что повысило производительность процесса производства смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия. Очищенную воду подавали в полость сосуда-реактора 1 в проточном режиме с напором снизу через штуцер 5 для создания «псевдокипящего» слоя 3 гранул, а нагретую во время ЭЭД воду через штуцер 7 с задвижкой сливали из сосуда-реактора 1 , поддерживая заданный уровень воды в полости сосуда-реактора 1.

По мере разрушения гранул слоя 3 в полости сосуда-реактора 1 через клапан 8 загружали новые порции гранул металлического алюминия для сохранения соотношения 25-26% объема гранул и электродов 4 к объему воды.

После получения требуемого объема смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия на поддоне 6 ес выгружали из сосуда-реактора 1 и использовали в качестве коагулянтов жидких радиоактивных отходов, накопленных в баках «грязного» конденсата АЭС.

Благодаря возможности использования оптимального количества смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков оксида и гидроксидов алюминия, рассчитанного для определенного объема (дозы) «грязного» конденсата - жидких отходов АЭС, содержащих ионы цезия-137 ( ¹³⁷ Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr), процесс коагуляции последних можно было проводить за один цикл - без дополнительного введения в раствор новых порций смеси, что позволило уменьшить затраты и время на очистку заданной порции «грязного» конденсата. Случаи образования комплексных растворимых в воде радиоактивных соединений в процессе обработки жидких радиоактивных отходов полученной по предлагаемому способу смесью порошков не зафиксированы, а степень снижения активности дозы «грязного» конденсата за один цикл (8-10 часов при вращении мешалки) составляла не менее 20% от исходной активности.

Учитывая изложенное, описанный способ является более эффективным и менее затратным по сравнению с прототипом и может быть использован в составе технологического процесса дезактивации жидких радиоактивных отходов АЭС' содержащих ионы цезия-137 ( ¹³⁷ Cs) и стронция-90 ( ⁹⁰ Sr). Перечень позиций на схематическом чертеже:

1 - сосуд-реактор из диэлектрического материала;

2 - горизонтальная сетчатая перегородка из диэлектрического материала;

3 - гранулы из металлического алюминия;

4 - электрод из металлического алюминия;

5 - штуцер для подачи в полость сосуда-реактора 1 очищенной воды;

6 - поддон для накопления и выемки из сосуда-реактора 1 осадка - смеси ультрадисперсных и нанодисперсных порошков;

7 - штуцер с задвижкой для слива воды из сосуда-реактора 1 ;

8 - клапан для подачи новых гранул алюминия в полость сосуда-реактора 1.