CC BY
32
УДК 543.053
Мосеева В.С., Букин А.Н., Пак Ю.С., Марунич С.А., Викулов Д.Д.
ОПТИМИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ ПРОБООТБОРА СЛЕДОВЫХ КОЛИЧЕСТВ ТРИТИЯ ИЗ ВОЗДУХА РАБОЧИХ ПОМЕЩЕНИЙ НА ОСНОВЕ ФАЗОВОГО ИЗОТОПНОГО ОБМЕНА ВОДЫ
Мосеева Валерия Сергеевна, вед. инж, кафедра технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: [email protected];
Букин Алексей Николаевич, с.н.с, кафедра технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: [email protected];
Пак Юрий Самдорович, в.н.с, кафедра технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: [email protected];
Марунич Сергей Андреевич, с.н.с, кафедра технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: [email protected];
Викулов Дмитрий Дмитриевич, инж. 1 кат., кафедра технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: [email protected];
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
В настоящей работе представлены результаты испытаний автоматического пробоотборника трития МТ-1. Показано, что он обладает существенными преимуществами перед серийно выпускаемыми приборами с использованием барботеров. Разработана методика пробоотбора тритий содержащих паров воды из воздуха рабочих помещений.
Ключевые слова: метод отбора проб, пары тритированной воды, фазовый изотопный обмен, пробоотборник трития.
OPTIMIZATION OF SAMPLING METHOD OF TRITIUM TRACES FROM THE AIR OF WORKING PREMISES BASED ON PHASE ISOTOPE EXCHANGE OF WATER
Moseeva V.S., Bukin A.N., Pak Yu. S. Marunich S.A., Vikulov D.D. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
This paper presents the test results of the tritium sampler. It is shown that it has significant advantages over commercially devices using bubblers. A technique for sampling tritium-containing water vapor from the air of working premises has been developed.
Key words: sampling method, tritiated water vapor, phase isotopic exchange, tritium sampler.
Радиоактивный изотоп водорода тритий образуется на многих предприятиях атомной отрасли. Опасность данного радионуклида заключается в его мутагенных свойствах и инертности относительно стандартных систем газоочистки. Сложность улавливания молекулярного трития не исключает того факта, что в мире происходит постоянное ужесточение норм радиационной безопасности по выбросам трития: в России допустимая концентрация трития в питьевой воде составляет 7700 Бк/л, а в воздухе рабочих помещений - 1900 Бк/м3[1]. В сложившейся ситуации актуальной становится задача определения содержания трития в воздухе рабочих помещений и газовых выбросах АЭС.
Для постоянного мониторинга трития на предприятиях ЯТЦ в области низких концентраций (менее 104 Бк/м3 газа) применяются методы извлечения трития из газовой фазы путем его последовательного окисления и барботирования через слой жидкого поглотителя с дальнейший
измерением активности на жидкостном сцинтилляционном счетчике. Коммерчески реализованным продуктом на основе данной методики является прибор фирмы Overhoff Technology. Данное устройство является достаточно простым в конструкции и надёжным в эксплуатации. Однако на практике данное устройство имеет ряд существенных недостатков. Самым основными из них являются низкая степень извлечения трития (98%) и продолжительное время отбора (не менее 24 часов), что делает этот метод анализа практически неприменимым для изучения закономерностей изменения концентрации трития в динамичных процессах, а так же при возникновении внештатных ситуаций. Например, для накопления активности на уровне НРБ (1900 Бк/м3) потребуется около 6 суток непрерывной работы пробоотборника.
В качестве альтернативы существующей технологии, на кафедре технологии изотопов и водородной энергетики было разработано автоматического устройство пробоотбора трития из
воздуха рабочих помещений на основе фазового изотопного обмена (ФИО) воды МТ-1. Технология ФИО изначально была разработана как метод детритизации вентиляционных сбросов и технологических газовых потоков на предприятиях и в организациях, имеющих дело с заметными количествами трития. В частности, этот метод [2] рассматривается как основной элемент системы детритизации ADS (Atmosphere Detritiation System) строящегося реактора ITER (г. Кадараш, Франция). Предварительные исследования метода фазового изотопного обмена воды для пробоотбора трития из воздуха рабочих помещений показали его перспективность и в малых масштабах [3-4].
Суть метода состоит в многократно повторяющемся процессе фазового изотопного обмена воды между жидкой водой и её парами. Процесс осуществляется в двух противоточных колонках, заполненных высокоэффективной спирально-призматической насадкой. На первой колонне происходит извлечения паров тритированной воды, а для улавливания молекулярного HT используется каталитический блок окисления водорода до паров воды с последующим их улавливанием на второй колонке. Внутренне устройство прибора представлено на рисунке 1.
Рис. 1. Вид устройства пробоотборника на основе ФИО
Испытание опытного образца при отборе проб насыщенного воздуха (0=100^500 л/час, RH=100% при T=20°C) с меткой тритий содержащей воды показали эффективность и стабильность его работы, полученные данные приведены на рисунке 2.
Рис. 2. Определение степени извлечения трития
Из представленных на рисунке 2 данных видно, что степень детритизации газа (отношение, концентраций трития в воде, выходящей из первой и второй колонок) составляет 2915. Таким образом, степень извлечения трития из воздуха составляет не менее 99,97%, что значительно выше, чем у барботажного метода. Важным также является тот факт, что для выхода устройства в стационарное состояние (постоянства концентрации трития в жидкой пробе на выходе из колонок) требуется не более 60 мин. То есть время отбора трития, по сравнению с аналогичным значением для прибора фирмы Overhoff может быть сокращено минимум в 24 раза.
Для подтверждения эффективности прибора в рабочих условиях (G=100 л/час, RH=35% при T=22°C) были определены методические погрешности при независимом отборе проб тритированного пара из воздуха.
Воспроизводимость результатов по пробоотбору трития в форме паров HTO исследовалась в трёх областях концентраций: на контрольном уровне для персонала категории А (455 кБк/м3), на уровне 25 % от этой величины (99,6 кБк/м3), а также на уровне ниже допустимой объёмной активности для населения (1,01 кБк/м3). Для проверки сходимости материального баланса по устройству параллельно производился отбор проб посредством вымораживания паров воды в ловушке, охлаждаемой сухим льдом. Анализ полученных данных показал, что относительные погрешности определения концентрации трития варьируются от 3 % в области концентраций на уровне ДОА для персонала категории А и до 16 % на уровне ДОА для населения. Столь значимый рост ошибки в основном обусловлен аналитическими возможностями применяемого в работе жидкостного сцинтилляционного спектрометра Tricarb 2810.
Для демонстрации возможности селективного извлечения трития, на прибор подавалась модельная смесь, включающая в себя пары тритированной воды и тритированный электролитический водород в соотношении один к двум. Суммарная активность полученного газа равнялась приблизительно 25% от предельно допустимой объемной активности трития в воздухе для персонала категории А. Концентрация трития в водороде предварительно была измерена путем сжигания выходящего из электролизера водорода в пламенной горелке и последующего
измерения полученной пробы жидкостным сцинтилляционным методом.
Конечным этапом работы стало измерение «эффекта памяти» пробоотборника. Для этого при скачкообразном (не менее 100 раз) изменении концентрации в отбираемой пробе проводилось 6 последовательных измерений. Результаты представлены на рисунке 3.
12 3 4 5 6
М измерения
Рис. 3. Измерение «эффекта памяти» пробоотборника
Как видно из данных рисунка 3, объёмная активность принимает приблизительно постоянное значение спустя 5-6 последовательных операций пробоотбора, при этом, согласно разработанной методике, последние 3 значения усредняют.
На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы:
1. Разработан новый метод селективного и экспрессного извлечения трития из газовых потоков;
2. Получена база экспериментальных данных для создания методики отбора на исследуемом приборе;
3. Определен эффект «памяти» при последовательном измерении проб с разным содержанием трития;
4. Показано, что максимальная погрешность пробоотбора не превышает 16% во всем исследованном диапазоне концентраций (от 1 кБк/м3 до 455 кБк/м3).
Работа выполнена в рамках гранта по программе «УМНИК» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, договор 13097ГУ/2018
Список литературы
1. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009): санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора. 2009. 100 с.
2. Перевезенцев А.Н., Розенкевич М.Б., Пак Ю.С., Марунич С.А., Букин А.Н. Фазовый изотопный обмен воды как метод детритизации газов // Теоретические основы химической технологии. 2013. Т. 47. № 1. С. 54-61.
3. Букин А.Н., Иванова А.С., Розенкевич М.Б., Пак Ю.С., Марунич С.А. ^особ отбора проб тритированной воды методом фазового изотопного обмена. // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2017. Т. 83. № 7. С. 27-31.
4. Букин А.Н., Мосеева В.С., Марунич С.А., Пак Ю.С., Розенкевич М.Б., Долженкова Т.Ю. Монитор концентрации трития в газовых потоках на основе фазового изотопного обмена // материалы XV Курчатовской междисциплинарной молодежной научной школы. Москва: НИЦ «Курчатовский институт». 2017. С 43.
