RU2100858C1

RU2100858C1 - Radioactive waste treatment technique

Info

Publication number: RU2100858C1
Application number: RU95113662A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Рыбасов; В.А. Рыжков; Н.А. Лень; А.С. Сулакшин
Original assignee: Научно-исследовательский институт ядерной физики при Томском политехническом университете
Priority date: 1995-07-31
Filing date: 1995-07-31
Publication date: 1997-12-27

Abstract

FIELD: treatment of radioactive materials. SUBSTANCE: wastes are irradiated with microwave rays having energy flux density of $$$ J/sq.cm. Decay-constant after such treatment of wastes increases by about 1% compared to decay constant before irradiation. EFFECT: reduced half-decay period of long-living radioactive isotopes.

Description

Одна из проблем ядерной энергетики обращение с долгоживущими отходами высокой удельной активности. Основной существующий метод их обезвреживания - отверждение и захоронение в глубинных могильниках, не исключает опасности, так как активность отходов снижается лишь за счет естественного распада и остается высокой в течение длительного времени (от 28 лет для ⁹⁰Sr до 10⁸ лет для трансурановых элементов).One of the problems of nuclear energy is the management of long-lived waste of high specific activity. The main existing method of their disposal - curing and burial in deep burial sites, does not exclude danger, since waste activity decreases only due to natural decay and remains high for a long time (from 28 years for ⁹⁰ Sr to 10 ⁸ years for transuranic elements).

В последние годы разработан метод снижения радиационной опасности таких отходов путем их трансмутации, т.е. превращения в элементы с более коротким периодом полураспада или стабильные нуклиды под действием нейтронного, протонного или γ-облучения. In recent years, a method has been developed to reduce the radiation hazard of such wastes by transmuting them, i.e. transformations into elements with a shorter half-life or stable nuclides under the influence of neutron, proton or γ-radiation.

При использовании для трансмутации протонов энергией 600 мЭВ [1, с. 16-17] для заметного (≈ 11%) уменьшения количества ⁹⁰Sr или ¹³⁷Cs необходима плотность потока протонов ф 10¹⁷ см^-2/с^-1, а такое значение является пока лишь гипотетическим.When used for transmutation of protons with an energy of 600 meV [1, p. 16-17] for a noticeable (≈ 11%) decrease in the amount of ⁹⁰ Sr or ¹³⁷ Cs, the proton flux density f 10 ¹⁷ cm ^-2 / s ^{-1 is} required, and this value is only hypothetical so far.

Использование фотоядерных реакций трансмутации [1, с. 17-20] под действием g-квантов энергией 10-20 мЭВ требует для заметного уменьшения количества ядер ⁹⁰Sr высокую плотность потока g квантов Ф ≈ 10¹⁹ см^-2/с^-1. Получение такого потока требует создания ускорителей электронов с энергией ≈ 20 МэВ и мощностью во много мегаватт. Этот способ по большинству существенных признаков выбирают за прототип.The use of photonuclear transmutation reactions [1, p. 17-20] under the action of g-quanta with an energy of 10-20 meV, for a noticeable decrease in the number of ⁹⁰ Sr nuclei, a high flux density of g quanta Φ ≈ 10 ¹⁹ cm ^-2 / s ^-1 . Obtaining such a flow requires the creation of electron accelerators with an energy of ≈ 20 MeV and a power of many megawatts. This method, for most of the essential features, is chosen as the prototype.

Трансмутация с помощью нейтронов (сообщение ОИЯИ N 18-92-303, К.Д. Толстов. Моделирование электроядерного способа получения атомной энергии и трансмутации активных отходов, Дубна, 1992) требует интенсивных пучков, так как в противном случае слишком велико необходимое время. Однако, в действующих реакторах на тепловых нейтронах интенсивность нейтронных потоков ограничена величиной 10¹⁵ см^-2/с^-1, а поток ≈ 10¹⁶ см^-2/с^-1 в проекте требует создания сильноточного ускорителя тяжелых частиц (протонов, дейтронов и др.) с энергией около 1 ГэВ.Neutron transmutation (JINR report N 18-92-303, KD Tolstov. Simulation of the nuclear method for producing atomic energy and transmutation of active waste, Dubna, 1992) requires intense beams, because otherwise the required time is too long. However, in operating thermal neutron reactors, the intensity of neutron fluxes is limited to 10 ¹⁵ cm ^-2 / s ^-1 , and the flux ≈ 10 ¹⁶ cm ^-2 / s ^-1 in the project requires the creation of a high-current accelerator of heavy particles (protons, deuterons, etc. ) with an energy of about 1 GeV.

Известна другая методика, позволяющая почти в 10 раз снизить энергию ускоренных частиц при увеличении выхода нейтронов [2] По этому варианту нейтронный поток генерируется в циклическом накопителе на внутренней мишени из легкого вещества при многократном ее пересечении пучком дейтронов энергией 100 МэВ. Расчетный поток нейтронов на углеродной мишени превышает 10¹⁷ с^-1 при плотности до 10¹⁶ c^-1/см^-2.Another technique is known, which makes it possible to reduce the energy of accelerated particles by a factor of 10 with an increase in neutron yield [2]. According to this option, the neutron flux is generated in a cyclic storage ring on an internal target from light matter when it is repeatedly crossed by a 100 MeV deuteron beam. The calculated neutron flux on the carbon target exceeds 10 ¹⁷ s ^-1 at a density of up to 10 ¹⁶ s ^-1 / cm ^-2 .

Все описанные процессы различаются темпом трансмутации (количеством переработанных ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs), а также энергетической эффективностью (т.е. долей электроэнергии АЭС, затрачиваемой на трансмутацию), и находятся в стадии проектов. Поэтому остается актуальной задача поиска других физических процессов воздействия на долгоживущие изотопы с целью их превращения в стабильные или короткоживущие радионуклиды.All the described processes differ in the rate of transmutation (the amount of processed ⁹⁰ Sr and ¹³⁷ Cs), as well as in energy efficiency (i.e., the share of nuclear power spent on transmutation), and are in the project stage. Therefore, the task of searching for other physical processes of influence on long-lived isotopes with a view to their transformation into stable or short-lived radionuclides remains relevant.

Эта задача решается тем, что, как и в прототипе, радиоактивные отходы облучают электромагнитным излучением. В отличие от прототипа обработку отходов проводят электромагнитным излучением СВЧ-диапазона с плотностью потока энергии более 5•10^-3 Дж/см².This problem is solved in that, as in the prototype, radioactive waste is irradiated with electromagnetic radiation. In contrast to the prototype, waste treatment is carried out by microwave electromagnetic radiation with an energy flux density of more than 5 • 10 ^-3 J / cm ² .

В целом способ осуществляется следующим образом. Радиоактивный образец, в данном случае таблетка ⁵¹Cr, запакованная в полиэтиленовую кювету, облучалась СВЧ-излучением с плотностью потока энергии >5•10^-3 Дж/см². В качестве генератора СВЧ-колебаний был использован релятивистский триод с виртуальным катодом (Артюх И.Г. Сандалов А.Н. Сулакшин А.С. и др. Релятивистские СВЧ-устройства сверхбольшой мощности. Обзоры по электронной технике, серия 1, Электроника СВЧ, 1989, выпуск 17).In general, the method is as follows. A radioactive sample, in this case, a ⁵¹ Cr tablet, packed in a polyethylene cuvette, was irradiated with microwave radiation with an energy flux density of> 5 • 10 ^-3 J / cm ² . As a generator of microwave oscillations, a relativistic triode with a virtual cathode was used (Artyukh I.G. Sandalov A.N. Sulakshin A.S. et al. Relativistic microwave devices of extra high power. Reviews on electronic technology, series 1, Microwave electronics, 1989, issue 17).

Его параметры:
Длина волны излучения 10 см
Длительность импульса 300 нс
Импульсная мощность 3 кВт/см²
Для изменения плотности потока энергии использовались две схемы эксперимента (фиг.1 и 2). На фиг.1 и 2 обозначено: 1 СВЧ генератор (в данном случае релятивистский триод с виртуальным катодом; 2 диэлектрическая линза; 3 согласующий рупор; 4 волноводный тракт; 5 рупорная антенна; 6 - радиоактивный образец.Its parameters:
Radiation wavelength 10 cm
Pulse Duration 300 ns
Pulse power 3 kW / cm ²
To change the energy flux density, two experimental schemes were used (Figs. 1 and 2). Figures 1 and 2 indicate: 1 microwave generator (in this case, a relativistic triode with a virtual cathode; 2 dielectric lens; 3 matching horn; 4 waveguide path; 5 horn antenna; 6 - radioactive sample.

По схеме, изображенной на фиг.1, образец 6 расположен на выходе волноводного тракта 4 и рупорной антенны 5, и плотность потока СВЧ-энергии на образце составляла 10^-3 Дж/см².According to the scheme shown in figure 1, the sample 6 is located at the output of the waveguide path 4 and the horn antenna 5, and the flux density of microwave energy on the sample was 10 ^-3 J / cm ² .

Во втором случае образец 6 размещен в фокусе диэлектрической линзы 2 и плотность потока СВЧ-энергии на нем значительно выше ≈2,4•10^-2 Дж/см².In the second case, sample 6 is placed at the focus of the dielectric lens 2 and the microwave energy flux density on it is much higher ≈2.4 • 10 ^-2 J / cm ² .

Облучение проводили также на специально разработанном сравнительно малогабаритном СВЧ-генераторе на мощном металлокерамическом триоде ГИ-39Б. Irradiation was also carried out on a specially developed relatively small-sized microwave generator using the powerful metal-ceramic triode GI-39B.

В этом случае при импульсной мощности генератора ≈10 кВт и длительности импульса ≈ 3 мкс плотность потока энергии на радиоактивном образце 5 составляла 5•10^-3 Дж/см². Измерялись постоянные радиоактивные распада образца до и после СВЧ обработки. Время СВЧ обработки составляло 5-10 ч, время выдержки образцов после обработки ≈1 сут.In this case, with a generator pulse power of ≈10 kW and a pulse duration of ≈ 3 μs, the energy flux density on the radioactive sample 5 was 5 • 10 ^-3 J / cm ² . The radioactive decay constants of the sample were measured before and after microwave processing. The microwave treatment time was 5–10 h; the exposure time of the samples after processing was ≈1 days.

При плотности потока энергии < 10^-3 Дж/см² в серии на нескольких параллельных экспериментов отношение скоростей распада до и после СВЧ обработки в пределах ошибки эксперимента не превышало 1. При плотности потока энергии W > 5•10^-3 Дж/см² постоянная распада увеличилась ≈ 0,65% а при W 2,4•10^-2 Дж/см² увеличилась на 1%
Таким образом, налицо эффект увеличения постоянной распада под действием мощного СВЧ-излучения, причем с увеличением плотности потока энергии этот эффект также увеличивается. Следовательно, имеет место новый метод воздействия на ядерные константы радиоактивных элементов, позволяющий уменьшать время жизни долгоживущих радиоактивных изотопов. Увеличение плотности потока СВЧ-энергии на образце увеличивает эффективность трансмутации, поэтому предлагаемый способ может быть положен, также как и известные, в основу проектов установок по пережиганию радиоактивных отходов. Ограничения на верхний предел плотности СВЧ-энергии в настоящее время накладываются существующей СВЧ техникой. Известные в настоящее время СВЧ-генераторы (J. Benford, J. Swegle. High-Power Microwaves; Artech House, 1992) позволяет достичь уровень выходной мощности до 10-20 ГВт, что позволяет обеспечить на объекте воздействия плотности энергии до 10 Дж/см². Имеющиеся на сегодняшний день успехи в области когерентного сложения мощностей релятивистских СВЧ регенераторов (A. S. Sulakshin, N. M. Filipenko, G.P. Fomenko et al. The coherent operation of two relativistic magnetrons in the nonsymmetrical system, Proc. of int. Symp. on Electromagnetic Environments and Consequences, Bordeaux, France, May 30 June 4, 1994) позволяют прогнозировать возможности получения импульсных СВЧ мощностей порядка терраватт с соответствующим увеличением плотности потока энергии.When the energy flux density <10 ^-3 J / cm ² in a series of several parallel experiments, the ratio of the decay rates before and after microwave processing within the experimental error did not exceed 1. At an energy flux density W> 5 • 10 ^-3 J / cm ² decay increased ≈ 0.65% and at W 2.4 • 10 ^-2 J / cm ² increased by 1%
Thus, the effect of increasing the decay constant under the influence of high-power microwave radiation is obvious, and this effect also increases with an increase in the energy flux density. Therefore, there is a new method of influencing the nuclear constants of radioactive elements, which allows to reduce the lifetime of long-lived radioactive isotopes. An increase in the flux density of microwave energy on the sample increases the efficiency of transmutation, therefore, the proposed method can be used, as well as well-known, as the basis for projects of installations for burning radioactive waste. Restrictions on the upper limit of the density of microwave energy are currently imposed by existing microwave technology. Currently known microwave generators (J. Benford, J. Swegle. High-Power Microwaves; Artech House, 1992) can achieve output power levels of up to 10-20 GW, which allows providing an energy density of up to 10 J / cm at the facility ² . Current successes in the field of coherent power addition of relativistic microwave regenerators (AS Sulakshin, NM Filipenko, GP Fomenko et al. The coherent operation of two relativistic magnetrons in the nonsymmetrical system, Proc. Of int. Symp. On Electromagnetic Environments and Consequences, Bordeaux, France, May 30 June 4, 1994) make it possible to predict the possibility of obtaining pulsed microwave power of the order of a terravatt with a corresponding increase in the energy flux density.

По сравнению с проектами пережигателей отходов на нейтронах и протонах, которые требуют создания гигантских и сложнейших ускорителей, предложенный способ требует для своего осуществления значительно более простой, экологической и уже освоенной техники. Compared with the projects of waste burners using neutrons and protons, which require the creation of gigantic and sophisticated accelerators, the proposed method requires much simpler, more ecological and already mastered technology for its implementation.

Claims

A method of processing radioactive waste by converting it into shorter-lived ones under the influence of electromagnetic radiation, characterized in that the waste is irradiated with microwave radiation with an energy flux density exceeding 5 • 10 ^- ³ J / cm ² .