КОЩЕЕВА Александра Михайловна, к.х.н., начальник участка экспериментальных исследований безопасности объектов использования атомной энергии
107140, г. Москва, ул. Малая Красносельская, 2/8, корп. 5
Aleksandra M. KOSCHEEVA, Cand. Sci. (Chem.), Head of the Laboratory for Experimental Research, Division for Safety of Fuel Cycle Facilities
Malaya Krasnoselskaya st., 2/8 5, Moscow, 107140
ШЕЛАМОВ Кирилл Владимирович, младший научный сотрудник
107140, г. Москва, ул. Малая Красносельская, 2/8, корп. 5
Kirill V. SHELAMOV, junior researcher
Malaya Krasnoselskaya st., 2/8 5, Moscow, 107140
ПОНИЗОВ Антон Владимирович, к.т.н., заместитель директора
107140, г. Москва, ул. Малая Красносельская, 2/8, корп. 5
Anton V. PONIZOV, Cand. Sci. (Eng.), deputy director
Malaya Krasnoselskaya st., 2/8 5, Moscow, 107140
Введение. На объектах использования атомной энергии широко применяются ионообменные смолы (ИОС). При эксплуатации смол в азотнокислых средах не исключено их саморазложение при повышенных температурах, что может приводить к аварийным ситуациям. Известно, что анионообменные смолы в нитратной форме разлагаются при температурах выше 220 °С с тепловыделением, превышающим 300 Дж/г, что может представлять потенциальную опасность для технологий извлечения, разделения и очистки радионуклидов.
Цель и задачи. Целью данной работы является оценка граничных условий пожаровзрывобезопасного применения анионита АВ-17-8 в сорбционной колонне. Задачи включают исследование термической стабильности анионита методом дифференциально-сканирующей калориметрии, оценку кинетических параметров протекающих реакций окисления, моделирование процесса тепловыделения в сорбционной колонне. С учетом полученных данных проведена оценка граничных условий возникновения теплового взрыва в оборудовании с АВ-17-8.
Методическая часть. При изучении термической стабильности образцов нагрев проводили в синхронном термическом анализаторе STA 449 F3 Jupiter. Последующую обработку данных осуществляли с использованием программного комплекса Arks фирмы ЗАО «Химинформ», этапы которой включали первичную обработку (вычитание базовой линии, восстановление данных, определение величин тепловых эффектов) и последующее моделирование тепловыделения в колонне, заполненной сорбентом, с определенными геометрическими и теплофизическими параметрами.
Результаты и обсуждение. Методом ДСК установлено, что смола АВ-17-8 в нитратной форме разлагается в две стадии в диапазоне температур 100–200 и 200–320 °С с тепловыделением 148 ± 13 и 425 ± 43 Дж/г соответственно. Для двух экзотермических эффектов оценены кинетические параметры разложения анионита, с помощью которых определены граничные температуры возникновения теплового взрыва в сорбционной колонне в зависимости от ее геометрии.
Выводы. Программный комплекс Arks позволяет моделировать условия возникновения теплового взрыва в технологическом оборудовании. С учетом оцененных параметров представляется возможным спрогнозировать развитие неуправляемых экзотермических реакций, которые определяют пожаровзрывобезопасность применения анионообменных смол.
Introduction. Ion exchange resins are widely used at nuclear fuel cycle facilities. During the exploitation of resins in nitric acid solutions, its self-decomposition at high temperatures is not excluded, which can lead to accidental situations. It is known that anion exchange resins in nitrate form decompose with heat release with the value higher than 300 J/g at the temperatures above 220 °С, which may pose a potential danger to technologies of extraction, separation and purification of radionuclides.
Aims and objectives. In this study, the problem was set to assess boundary conditions of fire and explosion safe use of AV-17-8 anion exchange resins in a sorption column. The objectives included the following steps: investigation of thermal stability of the anionite by differential scanning calorimetry; assessment of the kinetic parameters of the ongoing oxidation reactions; modeling of the process of the heat release in a sorption column. Based on the data obtained, the assessment of the boundary condition for a thermal explosion occurrence in equipment with AV-17-8 was carried out.
Methodology. For the investigation of the samples under study thermal stability, the heating was conducted in synchronous thermal analyzer STA 449 F3 Jupiter. Subsequent data analysis was performed in the Arks specialized software CJSC “Khiminform”, the stages of which included primary processing (base line subtraction, deconvolution of the heat flow signal, determination of thermal effects values), and modeling of the heat release in the column filled with sorbent with certain geometric and thermophysical parameters.
Results and discussion. It was determined by differential scanning calorimetry that the AV-17-8 resin in nitrate form decomposes in two stages at the temperature ranges of 100–200 and 200–320 °С with the heat release values of 148 ± 13 and 425 ± 43 J/g respectively. For these two exothermic effects, the kinetic parameters of the anionite decomposition, with the use of which the boundary temperatures of a thermal explosion in the sorption column depending on its radius are determined.
Conclusion. The Arks software provides an opportunity to simulate conditions for a thermal explosion occurrence in technological equipment. Considering the estimated parameters, it is possible to predict the development of uncontrolled exothermic reactions which determine fire and explosion safety of anion exchange resins application.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.