Оценка пожаровзрывобезопасного применения анионообменной смолы АВ-17-8 в нитратной форме в сорбционной колонне

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.

1. Brook B.W., Alonso A., Meneley D.A., Misak J., Blees T., van Erp J.B. Why nuclear energy is sustainable and has to be part of the energy mix // Sustainable Materials and Technologies. 2014. Vol. 1–2. Pp. 8–16. DOI: 10.1016/j.susmat.2014.11.001

2. Rodríguez-Penalonga L., Moratilla Soria B.Y. A review of the nuclear fuel cycle strategies and the spent nuclear fuel management technologies // Energies. 2017. Vol. 10. No. 8. P. 1235. DOI: 10.3390/en10081235

3. Глебов А.П. Развитие атомной энергетики в России и мире с реакторами поколений 3+ и 4 // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. 2020. № 1. С. 77–93. DOI: 10.55176/2414-1038-2020-1-77-93. EDN NZSJEN.

4. Адамов Е.О., Асмолов В.Г., Большов Л.А., Иванов В.К. Двукомпонентная ядерная энергетика // Вестник российской академии наук. 2021. Т. 91. № 5. С. 450–458. DOI: 10.31857/S0869587321050029. EDN OXNFZF.

5. Оленин Ю.А., Игоревич И.В. Актуальные научно-технические проблемы атомной энергетики // Вестник Российской академии наук. 2019. Т. 89. № 4. С. 335–342. DOI: 10.31857/S0869-5873894335-342. EDN DLNNXZ.

6. Пензин Р.А., Свитцов А.А. Развитие технологий обращения с жидкими радиоактивными отходами АЭС // Радиоактивные отходы. 2020. № 4 (13). С. 90–98. DOI: 10.25283/2587-9707-2020-4-90-98. EDN BVKZTV.

7. Адамов Е.О., Мочалов Ю.С., Рачков В.И., Хомяков Ю.С., Кащеев В.А., Хаперская А.В. и др. Переработка отработавшего ядерного топлива и рециклирование ядерных материалов в двухкомпонентной ядерной энергетике // Атомная энергия. 2021. Т. 130. № 1. С. 28–34. EDN QSPXSB.

8. Abdel Rahman R.O., Metwally S.S., El-Kamash A.M. Life cycle of ion exchangers in nuclear industry: application and management of spent exchangers // Handbook of Ecomaterials. 2019. Vol. 5. Pp. 3709–3732. DOI: 10.1007/978-3-319-68255-6_108. EDN TRIGLR.

9. Wang J., Wan Z. Treatment and disposal of spent radioactive ion-exchange resins produced in the nuclear industry // Progress in Nuclear Energy. 2015. Vol. 78. Pp. 47–55. DOI: 10.1016/j.pnucene.2014.08.003. EDN URURSH.

10. Calmon C. Explosion hazards of using nitric acid in ion-exchange equipment // Chemical engineering. 1980. Vol. 87. No. 23. Pp. 271–274.

11. Тулупов П.Е., Полянский Н.Г. Термическая устойчивость анионообменных смол // Успехи химии. 1973. Т. 42. № 9. С. 754–771. DOI: 10.1070/RC1973v042n09ABEH002730

12. Осташкина Е.Е., Савкин А.Е. Научно-технологическое обоснование выбора способа кондиционирования отработавших радиоактивных ионообменных смол // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Материаловедение и новые материалы. 2020. № 3 (104). С. 37–50. EDN CWAYAN.

13. Андреева Е.В., Костов М.А., Наземцева Г.И., Чупрынин С.А. Анализ и обобщение опыта методов переработки отработавших ионообменных смол // Энергетические установки и технологии. 2015. Т. 1. № 1. С. 71–77. EDN VPNTTR.

14. Wang J., Wan Z. Treatment and disposal of spent radioactive ion-exchange resins produced in the nuclear industry // Progress in Nuclear Energy. 2015. Vol. 78. Pp. 47–55. DOI: 10.1016/j.pnucene.2014.08.003. EDN URURSH.

15. Li J., Wang J. Advances in cement solidification technology for waste radioactive ion exchange resins : a review // Journal of hazardous materials. 2006. Vol. 135. No. 1–3. Pp. 443–448. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2005.11.053. EDN KJXFMF.

16. Chun U.K., Choi K., Yang K.H., Park J.K., Song M.J. Waste minimization pretreatment via pyrolysis and oxidative pyrolysis of organic ion exchange resin // Waste Management. 1998. Vol. 18. No. 3. Pp. 183–196. DOI: 10.1016/S0956-053X(98)00020-8

17. Сорокин В.Т., Дёмин А.В., Прохоров Н.А., Великина С.А., Гатауллин Р.М., Меделяев И.А. Хранение отработавших ионообменных смол низкого и среднего уровня удельной активности в контейнерах типа НЗК без включения в матрицу // Ядерная и радиационная безопасность. 2009. № 4 (54). С. 19–22. EDN KXSFXF.

18. Петров С.С., Гоменюк И.В., Корнюшкина О.В., Матвеенко А.В., Родин А.В., Шкурыгин Д.М. и др. Оценка безопасности применения технологии кондиционирования ОИОС методом их осушки (обезвоживания) // Радиоактивные отходы. 2024. № 3 (28). С. 7–18. DOI: 10.25283/2587-9707-2024-3-7-18

19. Родин А.В., Шеламов К.В., Гёзалян Л.В., Понизов А.В., Шарафутдинов Р.Б. Оценка условий самовозгорания анионообменных смол в нитратной форме в осушенном виде // Ядерная и радиационная безопасность. 2023. № 3 (109). С. 5–19. DOI: 10.26277/SECNRS.2023.109.3.001. EDN PZPUJI.

20. Бенин А.И. Программный комплекс «Тепловой взрыв» (TSS). Научные основы и методология. СПб : Литео, 2017. 672 с. EDN KSKSTT.