Стекло для активной части источников ионизирующего излучения на основе цезия-137 и способ его изготовления

Стекло для активной части источников ионизирующего излучения на основе цезия-137 и способ его изготовления

Реферат

Изобретение относится к области изготовления источников ионизирующего излучения (ИИИ) на основе изотопов цезия, а также может быть использовано в технологии остекловывания радиоактивных отходов.

Основные области применения ИИИ:

- решение экологических проблем (водоподготовка, дезинфекция муниципальных отходов и сточных вод, отходов медицинских учреждений, морских и авиалайнеров, обработка дымовых газов для удаления оксидов серы и азота);

- промышленное применение (радиографическая аппаратура, приборы для измерения толщины, плотности, вязкости, блокирующая аппаратура, сшивание пластмасс, деструкция целлюлозы, крекинг нефти, стабилизация природного и синтетического каучука перед вулканизацией, обработка красок и полимерных покрытий, снятие статического электричества);

- радиационная обработка продуктов пищевой промышленности и сельского хозяйства для их сохранности (стерилизация, пастеризация, дезинфекция). Основные требования, предъявляемые к цезиевым ИИИ, - высокое содержание цезия-137, химическая, термическая и радиационная устойчивость, технологичность в изготовлении.

В настоящее время широко применяется технология изготовления цезиевых ИИИ с использованием в качестве активной части хлорида цезия [«Химия долгоживущих осколочных элементов» под редакцией А.В.Николаева. - М.: Атомиздат, 1970]. Хлорид цезия обладает высокой концентрацией по цезию (79,4 мас.%), что позволяет достичь удельной γ-активности ИИИ до 80 Ки/см³. Однако при его производстве используются концентрированные растворы соляной кислоты, выделяющие крайне агрессивные газы. Это приводит к быстрому коррозионному износу оборудования и образованию большого количества вторичных отходов. Хлорид цезия хорошо растворим в воде (186,5 г CsCl в 100 мл Н₂О при 25°С) и поэтому не удовлетворяет требованиям экологической безопасности. Кроме того, отработавшие свой срок ИИИ на основе хлорида цезия-137 не подлежат окончательному захоронению без дополнительной переработки.

Вышеперечисленные недостатки отсутствуют при использовании в качестве активной части цезиевых ИИИ стекла и керамики, однако их удельная активность меньше, чем у хлорида цезия-137, высокотемпературный синтез сопровождается летучестью паров цезия-137.

Известна технология изготовления ИИИ с активной частью из насыщенных цезием и прокаленных цеолитов, из синтетического поллуцита (CsAlSi₂O₆) и из цезийсодержащей керамики. Процессы изготовления этих материалов технически сложны и многостадийны (измельчение, смешение, «холодное» прессование с последующим спеканием). Кроме того, эти материалы обладают удельной γ-активностью не более 25-42 Ки/см³ [В.П.Сытин, Ф.П.Теплов, Г.А.Череватенко «Радиоактивные источники ионизирующих излучений» М., Энергоиздат, 1984].

Однофазная цезиймагнийфосфатная керамика (CsMgPO₄) также изготавливается в несколько стадий, одна из которых горячее прессование [Патент РФ №1389563, Бюл. №12, 1994]. Концентрация оксида цезия в этой керамике составляет 56.0 мас.%, а расчетная удельная γ-активность - 30,7 Ки/см³. Недостатком этой керамики является ее чувствительность к технологическим примесям, обязательно присутствующим в исходном высокоактивном концентрате цезия-137. Даже небольшие количества примесей натрия, железа, хрома, никеля и др. приводят к образованию дефектной структуры керамики и ухудшению ее характеристик.

Стекло в отличие от керамики имеет аморфную структуру и потому гораздо менее чувствительно к химическому составу концентрата цезия-137.

Известны силикатные и боросиликатные стекла с высокой концентрацией цезия-137, требующие высоких температур варки (1250-1450°С), которые приводят к значительной летучести паров цезия (более 10%). Кроме того, скорость выщелачивания цезия-137 в дистиллированную воду при 20°С из лучших боросиликатных стекол, содержащих до 45 мас.% оксида цезия, выше 10^-5 г/см²·сут [D.M.Strachan. Report Atlantic Richfield Hanford Co., ARH-SA-246, 1976].

Перспективными матрицами для включения значительных количеств цезия-137 являются алюмофосфатные стекла, содержащие оксиды лития, натрия, калия и железа [Р.А.Абакумова, А.С.Алой, А.В.Трофименко и др. «Водостойкость алюмофосфатных стекол с повышенным содержанием цезия» Физика и химия стекла, т.22, №2, 1996]. Концентрация оксида цезия в этих стеклах составляет 42,7-55,3 мас.%, а расчетная удельная γ-активность 42-50 Ки/см³. Составы этих стекол и их основные характеристики представлены в таблице 1.

Таблица 1
Составы цезийалюмофосфатных стекол аналога и их основные характеристики
Состав стекла, мас.%		Равновесная скорость выщелачивания Cs, (20°C) г/см2·сут
							Плотность, г/см3
Cs2O	Li2O	Na2O	K2O	Al2O3	P2O5	Fe2O3
42,7	0,7	1,6	0,5	18,0	35,0	1,5	3,21	0,9·10-5
47,9	0,6	1,6	0,3	16,7	31,9	1,1	3,25	1,8·10-5
52,6	0,5	1,2	0,2	15,0	29,8	0,8	3,33	4,0·10-5
55,3	0,2	0,6	0,2	13,7	29,4	0,5	3,41	2,0·10-3

Температура варки этих стекол не превышает 1100°С, а летучесть паров цезия при выдержке расплава стекломассы в течение 2 ч около 0,5%, а равновесные скорости выщелачивания цезия в дистиллированную воду при 20°С находятся в пределах 10^-6-10^-3 г/см²·сут. Недостатком этих стекол является то, что при увеличении концентрации оксида цезия до ~55 мас.% скорость выщелачивания цезия из них увеличивается в 50 и более раз (до 2,0·10^-3 г/см²·сут). Это ограничивает их применение в качестве активной части для ИИИ вместо хлорида цезия-137.

В качестве прототипа можно использовать цезийалюмофосфатные стекла с добавлением или без добавления оксидов кремния, лантана, циркония [Патент US 3161601 от 15.12.1964]. Эти стекла получали упариванием до сухого остатка смешанного раствора хлорида цезия, нитрата алюминия и фосфорной кислоты с добавлением или без добавления нитратов лантана, циркония и силикагеля в необходимых концентрациях и последующим нагреванием сухого остатка со скоростью 10°С/мин до температуры варки стекла (1200-1375°С) с выдержкой расплава стекломассы в течение 4 ч. Стекла отливали в виде таблеток, отжигали и выщелачивали в кипящей воде в течение 4 ч. Составы полученных стекол и их растворимости в кипящей воде приведены в табл.2.

Таблица 2
Составы цезийалюмофосфатных стекол прототипа и их растворимости в кипящей дистиллированной воде
Состав стекла, мас.%	Растворимость в воде (100°С, 4 ч), мас.%
Cs2O	Al2O3	P2O5	SiO2	La2O3	ZrO2
42,5	12,0	30,2	-	-	15,4	0,60
45,2	12,7	30,4	-	11,6	-	0,65
53,7	15,0	30,1	1,2	-	-	22
54,3	15,3	30,4	-	-	-	21
61,4	11,3	27,6	-	-	-	Стекла полностью разрушились
62,5	11,3	26,3	-	-	-

Химически устойчивыми оказались стекла, содержащие 42,5 мас.% Cs₂O с добавлением оксида циркония или оксида лантана. Эти стекла позволяют достичь расчетной удельной γ-активности до 45 Ки/см³. Увеличение концентрации оксида цезия в стекле до 53,7 и 54,3 мас.% привело к увеличению его растворимости в кипящей воде до 22 и 21 мас.% соответственно. Стекла, содержащие 61,4 и 62,5 мас.% Cs₂O, непригодны для использования в качестве активной части ИИИ из-за их полного разрушения в кипящей воде.

Основными недостатками цезийалюмофосфатных стекол прототипа являются высокие температуры варки (1200-1375°С), которые неизбежно приведут к значительной летучести паров цезия и использованию в качестве исходной соли хлорида цезия-137, приводящее к выделению коррозионно-активных хлора и хлористого водорода.

Задачами настоящего изобретения являются разработка составов химически устойчивых стекол для активной части ИИИ на основе цезия-137 с концентрацией оксида цезия от 55,0 до 62,5 масс.% и способа их изготовления.

Для решения поставленных задач:

1. Предложены составы стекол (табл.3), содержащие помимо основных компонентов (оксиды цезия, алюминия и фосфора) дополнительные компоненты (оксиды лития, натрия, титана и бора) в следующих концентрациях, мас.%: Cs₂O 55,00-62,50; Li₂O 0,25-0,55; Na₂O 0,20-0,50; Al₂O₃ 14,75-15,50; P₂O₅ 21,30-25,95; В₂О₃ 0,50-1,25; TiO₂ 0,50-1,25.

Таблица 3
Предлагаемые составы цезийалюмофосфатных стекол
№ стекла	Состав стекла, мас.%
Cs2O	Li2O	Na2O	Al2O3	P2O5	B2O3	TiO2
I	55,00	0,55	0,50	15,50	25,95	1,25	1,25
II	57,00	0,45	0,40	15,25	24,90	1,00	1,00
III	60,00	0,35	0,30	15,00	22,85	0,75	0,75
IV	62,50	0,25	0,20	14,75	21,30	0,50	0,50

Введение в состав стекол оксидов лития, натрия, титана и бора позволяет снизить температуру варки стекол до 1150°С.

2. Предложен следующий способ изготовления стекол:

- Смешение концентрата цезия-137 (раствор нитрата цезия) и фосфорной кислоты с последующим нагреванием полученного раствора до 500°С со скоростью 2,5°С /мин, приводящее к образованию фосфатов цезия, термически более устойчивых в отличие от нитрата цезия. Проведение этой операции позволяет снизить летучесть паров цезия при варке стекла на 25-30%.

- Добавление к сухому остатку нитратов лития, натрия, алюминия, титанила и борной кислоты с последующим трехступенчатым нагреванием полученной многокомпонентной смеси до 700°С со скоростью 5°С/мин (первая ступень) до 900°С со скоростью 2,5°/мин (вторая ступень) и до температуры варки стекла 1150°С со скоростью 10°/мин с выдержкой расплава стекломассы в течение 2 ч (третья ступень). Трехступенчатая варка стекла в указанном температурно-временном режиме по сравнению с одноступенчатой позволяет уменьшить вспучивание многокомпонентной смеси (первая ступень), интенсивное пенообразование непроваренной стекломассы (вторая ступень), способное привести к ее выбросу, и снизить летучесть паров цезия при варке стекломассы (третья ступень).

Предлагаемый трехступенчатый температурно-временной режим является оптимальным. При более высоких скоростях нагрева в результате вспучивания и пенообразования происходит разбрызгивание и выброс реакционной смеси из тигля, а при более низких скоростях нагрева значительно увеличивается продолжительность изготовления стекла.

Преимуществом предполагаемого изобретения по сравнению с прототипом является получение химически устойчивого цезийалюмофосфатного стекла для активной части ИИИ с высокой концентрацией оксида цезия при относительно невысоких температурах варки.

Обоснования предполагаемого изобретения представлены в примерах и в табл.4.

Пример 1

Предлагаемые составы стекол и способ их изготовления испытывали в лабораторных условиях. Для изготовления стекла состава I (табл.3) в платиновом тигле смешивали кислый (0,25М HNO₃) модельный концентрат цезия-137 (200 г/л CsNO₃), допированный ¹³⁷CsNO₃, и концентрированную фосфорную кислоту в необходимом соотношении. Полученный раствор нагревали до 500°С со скоростью 2,5°С/мин. К сухому остатку добавляли смесь нитратов лития, натрия, алюминия, титанила и борной кислоты в необходимых количествах для изготовления стекла состава I (табл.3). Многокомпонентную смесь ступенчато нагревали до 700°С со скоростью 5°С/мин, затем до 900°С со скоростью 2,5°С/мин и, наконец, до температуры варки стекла 1150°С со скоростью 10°С/мин, с последующей выдержкой расплава стекломассы в течение 2 ч. Расплав выливали на нагретую стальную плиту для отжига полученного стекла.

Основные характеристики стекла состава I и способа его изготовления:

- фазовый состав - аморфная стеклофаза (метод рентгенофазового анализа);

- растворимость стекла в кипящей дистиллированной воде в течение 4 ч - 0,07 мас.% (методика прототипа), а равновесная скорость выщелачивания в дистиллированную воду при 20°С-2,5·10^-5 г/см²·сут (стандартная методика МАГАТЭ);

- плотность - 3,42 г/см³ (метод гидростатического взвешивания);

- вспучивание и пенообразование при изготовлении стекла - незначительные;

- летучесть паров цезия - 0,47% (метод γ-спектрометрии);

- расчетная удельная γ-активность - 49,4 Ки/см³.

Пример 2

Предлагаемый состав стекла II (табл.3) и способ его изготовления испытывали, как описано в примере 1, только после термообработки смешанного раствора модельного концентрата цезия-137 и фосфорной кислоты к сухому остатку добавляли смесь нитратов лития, натрия, алюминия, титанила и борной кислоты в количествах, необходимых для изготовления стекла состава II (табл.3).

Основные характеристики стекла состава II и способа его изготовления:

- фазовый состав - аморфная стеклофаза;

- растворимость стекла в кипящей дистиллированной воде в течение 4 ч - 0,19 мас.%, а равновесная скорость выщелачивания в дистиллированную воду при 20°C - 6,2·10^-5 г/см²·сут;

- плотность - 3,46 г/см³;

- вспучивание и пенообразование при изготовлении стекла - незначительные;

- летучесть паров цезия - 0,56%;

- расчетная удельная γ-активность (с учетом уноса паров цезия) - 52,0 Ки/см³.

Пример 3

Предлагаемый состав стекла III (табл.3) и способ его изготовления испытывали, как описано в примере 1, только после термообработки смешанного раствора модельного концентрата цезия-137 и фосфорной кислоты к сухому остатку добавляли смесь нитратов лития, натрия, алюминия, титанила и борной кислоты в количествах, необходимых для изготовления стекла состава III (табл.3).

Основные характеристики стекла состава III и способа его изготовления:

- фазовый состав - аморфная стеклофаза;

- растворимость стекла в кипящей дистиллированной воде в течение 4 ч - 0,29 мас.%, а равновесная скорость выщелачивания в дистиллированную воду при 20°C - 8,7·10^-5 г/см²·сут;

- плотность - 3,51 г/см³;

- вспучивание и пенообразование при изготовлении стекла - незначительные;

- летучесть паров цезия - 0,68%;

- расчетная удельная γ-активность - 54,5 Ки/см³.

Пример 4

Предлагаемый состав стекла IV (табл.3) и способ его изготовления испытывали, как описано в примере 1, только после термообработки смешанного раствора модельного концентрата цезия-137 и фофорной кислоты к сухому остатку добавляли смесь нитратов лития, натрия, алюминия, титанила и борной кислоты в количествах, необходимых для изготовления стекла состава IV (табл.3).

Основные характеристики стекла состава IV и способа его изготовления:

- фазовый состав - аморфная фаза;

- растворимость стекла в кипящей дистиллированной воде в течение 4 ч - 2,6 мас.%, а равновесная скорость выщелачивания в дистиллированную воду при 20°С - 8,1·10^-4 г/см²·сут;

- плотность - 3,56 г/см³;

- вспучивание и пенообразование при изготовлении стекла - незначительные;

- летучесть паров цезия - 0,85%;

- расчетная удельная γ-активность - 56,9 Ки/см³

В табл.4 представлены величины летучести паров цезия при варке стекол составов I-IV по прототипу (А) и по предлагаемому способу (Б).

Таблица 4
Летучесть паров цезия при варке стекол составов I-IV по прототипу (А) и по предлагаемому способу (Б)
Состав стекла	I-A	I-Б	II-А	II-Б	III-A	III-Б	IV-A	IV-Б
Летучесть паров цезия,%
0,63	0,47	0,76	0,56	0,96	0,68	1,21	0,85

Как видно из примеров и табл.4 по сравнению с прототипом предлагаемые составы цезийалюмофосфатного стекла для активной части ИИИ с концентрацией оксида цезия 55,0-62,5 мас.% могут быть изготовлены при более низкой температуре варки стекломассы 1150°С (на 50-225°С ниже, чем в прототипе) и обладают более высокой химической устойчивостью (в 300 раз и выше, чем в прототипе, см. табл.2), а предлагаемый способ изготовления стекла уменьшает вспучивание и пенообразование при варке стекломассы и снижает летучесть паров цезия на 25-30%.

Расчетные удельные γ-активности предлагаемых составов стекла (49,4-56,9 Ки/см³) позволяют рекомендовать их для использования в качестве маловыщелачиваемой активной части цезиевых ИИИ.

1. Стекло для активной части источников ионизирующего излучения на основе цезия-137, включающее основные компоненты: оксиды цезия, алюминия и фосфора, отличающееся тем, что в качестве дополнительных компонентов стекло содержит оксиды лития, натрия, титана и бора в следующем соотношении, мас.%:

Cs2O	55,00-62,50
Li2O	0,25-0,55
Na2O	0,20-0,50
Al2O3	14,75-15,50
P2O5	21,30-25,95
В2О3	0,50-1,25
TiO2	0,50-1,25

2. Способ изготовления стекла по п.1, включающий смешение концентрата цезия, фосфорной кислоты, нитрата алюминия и дополнительных компонентов, нагревание полученного раствора до сухого остатка и варку стекла, отличающийся тем, что предварительно смешивают только концентрат цезия и фосфорную кислоту, полученный раствор нагревают до 500°С со скоростью 2,5°/мин, к сухому остатку добавляют дополнительные компоненты, полученную многокомпонентную смесь ступенчато нагревают до 700°С со скоростью 5°/мин, до 900°С со скоростью 2,5°/мин, а затем до температуры варки стекла 1150°С со скоростью 10°/мин с выдержкой расплава стекломассы в течение 2 ч.