Возможные соединения йода в свинцовом теплоносителе реактора БРЕСТ-ОД-300

атомыМиграция продуктов деления внутри реакторных установок зависит как от состояния физических барьеров, так и от физико-химических свойств продуктов деления. Большинство продуктов деления не склонно к распространению даже в условиях разрушения физических барьеров. Например, нелетучие радиоактивные продукты деления (молибден, палладий и др.) остаются в объеме топлива в виде твердых вторичных фаз [1], а шинство продуктов активации конструкционных материалов (изотопы кобальта, железа, марганца и пр.) остаются в стали.

Наиболее важными с точки зрения радиационной опасности являются радионуклиды, обладающие высокой миграционной способностью. Выделяют сующие группы продуктов деления: инертные газы (ксенон, криптон), летучие радионуклиды (йод, цезий, тритий). Миграция летучих радионуклидов во многом определяется их физико-химическими свойствами.

Йод с точки зрения радиационной опасности является одним из важных элементов из-за высокой миграционной способности, а его изотоп 131I наиболее опасен, так как имеет относительно большой период полураспада (8,02 сут.). Его источниками в свинцовом теплоносителе реакторной установки БРТ-ОД-300 являются:

  • негерметичные твэлы, из которых в свинцовый теплоноситель поступают продукты деления ядерного топлива; ▪ реакция активации примесного теллура в свинцовом теплоносителе;
  • деление примесных актинидов в свинцовом теплоносителе;
  • деление ядерного топлива, являющегося технологическим загрязнением оболочек твэлов.

В работе анализируются результаты имеющихся теоретических и экспериментальных исследований с целью выявления возможности образования различных соединений йода и процессов их поведения в свинцовом теплоносителе при температурах, близких к имеющим место в реакторной установке БРЕСТ-ОД-300 [2].

Анализ исследований в системе «свинец – йод»

Процессы, происходящие с йодом после поступления в свинцовый теплоноситель, во многом зависят от форм его химических соединений. Известны некоторые экспериментальные и теоретические исследования, посвященные формам соединений йода в свинце и свинцово-висмутовой эвтектике.

В работах [3, 4] приведены результаты экспериментальных исследований по взаимодействию йода и свинца при температурах до 679 К. Получено, что при молярных долях йода до 67 % и температуре выше 600 К в системе «свинец – йод» («Pb – I») есть области, в которых, помимо PbI2 , существуют другие соединения (L1 , L2 , L3 на рис. 1), а при температуре ниже 600 К наблюдаются только соединения PbI2 [3].

Рис. 1. Фазовая диаграмма системы «свинец – йод»

В работе [5] также представлены результаты термодинамического анализа в системе паров «Pb – I2 ». В результате исследований были сделаны следующие выводы:

▪ в диапазоне от 700 К до 1 100 К доминирующим соединением является PbI2 ;

▪ давление насыщенных паров PbI сравнивается с давлением насыщенных паров PbI2 лишь при температуре 1500 К.

Вывод о том, что PbI2 является доминирующим соединением при температурах ниже 1200 К, подтверждается расчетами, представленными в [6].

Как видно из рис. 2, при температурах ниже 1200 К основной формой йода в системе «Pb – I» и над поверхностью системы является PbI2, причем, чем ниже температура, тем ниже содержание I2 [6].

Рис. 2. Зависимость от температуры отношения равновесных парциальных давлений PbI2 и молекулярного йода (I2 ) над поверхностью жидкого свинца

Из представленных результатов исследований [6] можно сделать вывод, что преобладающим соединением для системы «свинец – йод» при температурах, соответствующих температурам свинцового теплоносителя реакторной установки БРЕСТ-ОД-300, является PbI2 . Образование других соединений возможно при температурах от 1500 K, а также при относительно больших молярных долях йода в растворе.

Несмотря на важность результатов указанных исследований с точки зрения анализа возможных химических соединений в системе «свинец – йод», непосредственное их использование для анализа поведения йода в условиях работы реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 затруднительно из-за следующих факторов:

  • йод после разгерметизации твэла может поступать в свинцовый теплоноситель уже в виде какого-либо соединения (например, CsI);
  • помимо свинца и йода в свинцовом теплоносителе будут присутствовать другие элементы (продукты деления, продукты коррозии и пр.);
  • концентрация йода в свинцовом теплоносителе реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 будет близка к нулевой, то есть намного меньше по сравнению с областями концентраций, наиболее подробно исследуемых в [3 и 4].

Результаты экспериментов на экспериментальных устройствах в условиях, приближенных к условиям реакторной установки БРЕСТ-ОД-300

Для исследования процессов массопереноса радионуклидов из свинца в газ в условиях, приближенных к условиям эксплуатации реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 (температура свинцового теплоносителя около 540 °С), в АО «ИРМ» был создан комплекс свинцово-газовых экспериментальных устройств, описание которых представлено в [7, 8]. При описании экспериментов далее температура будет представлена в градусах Цельсия. Несмотря на стремление создать условия реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 (поддержание аналогичных температур в свинцовом и газовом контурах, поддержание необходимой концентрации кислорода в свинце и пр.), процессы, происходящие с исследуемыми изотопами йода, отличались, что связано со спецификой каждого экспериментального устройства, способами ввода радионуклидов и другими параметрами проведения каждого конкретного эксперимента.

  Цены на топливо подзамерзнут до весны

Отметим, что во время исследований в экспериментальных устройствах находились: продукты активации (сурьма, теллур, серебро, цинк и пр.), продукты коррозии, продукты деления (на реакторном экспериментальном устройстве). Анализ результатов показал взаимодействие йода с этими примесями, а также влияние изменения их концентрации в свинце на массоперенос йода. Поэтому далее в статье рассматриваются изменения параметров массопереноса йода в зависимости от наличия окислов свинца в устройстве, а также наличия цезия в свинце.

Эксперимент на экспериментальном устройстве № 1

Экспериментальное устройство № 1 включало в себя свинцовый и газовый контуры и имело сравнительно небольшие размеры (высота рабочей емкости не превышала 15 см, диаметр составлял 13 см). Результаты, полученные на экспериментальном устройстве № 1, можно считать предварительными, так как на нем отрабатывались методики загрузки радионуклидов, отбора проб, измерения активности и пр. Загрузка исследуемого изотопа 131I (который нарабатывался в результате обл на 130Te в канале исследовательского реактора) проводилась через верхнюю крышку рабочей емкости. Радионуклид попадал в свинец, после чего начинались циклы эксперимента с обдувом и барботажем свинца. Между циклами эксперимента отбирались пробы свинца, активность в которых измерялась в спектрометре с полупроводниковым детектором.

Барботаж свинца в рабочей емкости экспериментального устройства (газовой смесью аргона с водородом) способствовал интенсивному выходу йода из свинца. Во время эксперимента практически не регулировалось содержание кислорода в свинце, что приводило к образованию окислов свинца в некоторых циклах эксперимента. По результатам измерения активности в пробах свинца были сделаны следующие выводы:

  • йод, загруженный в свинец, равно растворялся во всем его объеме;
  • в случае образования окислов свинца, которые всплывали на поверхность, йод имел тенденцию к скапливанию в них;
  • осаждение йода на поверхностях свинцового контура экспериментального устройства отсутствовало.

Эксперимент на экспериментальном устройстве № 2

Экспериментальное устройство № 2 имело относительно большие размеры рабочей емкости (высота около 2 м), а также большие размеры свинцового и газового контуров. Масса свинца составляла около 162 кг. Всего на нем было проведено 27 циклов эксперимента, в 11-ти из которых в свинцовом контуре присутствовал 131I. Йод загружался в экспериментальное устройство дважды: перед циклами № 14 и 17. Во время экспериментов обеспечивался контроль необходимой концентрации кислорода в свинце с проведением мероприятий по «раскислению».

Для оценки растворения 131I в свинце во время эксперимента осуществлялся отбор проб свинца с помощью специального пробоотборника, расположенного на трубопроводе свинцового контура. Результаты измерений активности проб позволяли определить удельную активность и полную (Асв) 131I в свинце.

Активности 131I в свинце (Асв) и в загруженном образце (Азагр), с ом распада 131I, совпадали в пределах погрешности, что свидетельствует о полном растворении загруженного йода в свинцовом контуре.

Эксперимент на экспериментальном устройстве № 3 (без цезия)

Экспериментальное устройство № 3 имело меньшие размеры по сравнению с устройством № 2. Масса свинца составляла 45 кг. Во время эксперимента обеспечивался контроль необходимой концентрации кислорода, лючающей образование окислов свинца в контуре. Отличительной особенностью исследований на устройстве № 3 являлось то, что эксперимент проводился в диапазоне температур от 420 до 680 °С. Также в отличие от других экспериментальных устройств в контуре отсутствовала принудительная циркуляция свинца. Циркуляция обеспечивалась конвекцией, которая возникала при создании разности (около 100 °С) температур на определенных участках контура.

Всего на экспериментальном устройстве № 3 были проведены восемь циклов эксперимента (без цезия), во время каждого из которых в свинцовом контуре присутствовал йод.

Отношение активности 131I (Асв/Азагр) в контуре для различного времени после загрузки йода представлено в табл. 1.

  Сечин подтвердил слухи о слиянии двух энергетических госкомпаний

Таблица 1. Отношение активности 131I в контуре экспериментального устройства № 3 (без цезия) и полной активности 131I, первоначально загруженного в установку

Из табл. 1 можно сделать вывод, что отношение активности 131I находится в диапазоне от 0,36 до 1,29. Причем видно, что наибольшее расхождение наблюдается в первые и последние дни эксперимента. Расхождение для первых дней эксперимента можно объяснить, прежде всего, относительно медленным растворением облученных образцов, находящихся в твердом состоянии ввиду плохого перемешивания в объеме свинца на момент отбора проб. Малое значение отношения в конце эксперимента связано со значительной погрешностью измерения активности 131I в последней отобранной пробе. Также необходимо учитывать, что в последние дни эксперимента температура экспериментального устройства поддерживалась на уровне 680 °С, и в свинец могли поступать продукты коррозии, которые, всплывая на границу раздела фаз «свинец – газ», могли частично сорбировать йод.

Тем не менее, несмотря на различия активностей 131I, определенных двумя способами, можно считать, что практически на всем протяжении эксперимента йод был равномерно растворен в объеме свинцового контура. Этот факт с учетом параллельно получаемых данных о скорости испарения йода из свинца в газ подтверждает то, что йод во время эксперимента находился в виде соединения PbI2 .

Эксперимент на экспериментальном устройстве № 3 (с цезием)

Во время эксперимента с цезием и йодом было проведено 18 циклов, при этом исследуемый изотоп 131I был загружен в контур экспериментальной установки перед 11 циклом. Эксперимент проводился при температуре от 420 до 680 °С.

К моменту загрузки 131I в контуре находилось большое количество цезия (количество ядер 133Cs и 134Cs превышало количество ядер 131I в тысячи раз). Основная часть цезия во время эксперимента находилась на поверхности контура. Также по результатам разделки рабочей емкости экспериментального устройства № 3 после проведения эксперимента было обнаружено, что существенная часть цезия скапливалась на границе раздела фаз «свинец – газ».

После загрузки 131I во время эксперимента было отобрано восемь проб свинца, первая из которых была отобрана через 1 ч после загрузки. Отношение активности 131I (Асв/Азагр) в контуре установки представлено в табл. 2.

Таблица 2.Отношение активности 131I в контуре экспериментального устройства № 3 (с цезием) и полной активности 131I, первоначально загруженного в установку

Как видно из табл. 2, активность 131I, определенная по отобранным пробам свинца, на несколько порядков ниже активности, оцененной по измерениям загружаемого образца. Это означает, что йода в объеме свинца практически не оставалось. Учитывая, что большое количество цезия осело на поверхности контура, можно предположить, что основная часть йода связалась с ним, образовав соединение CsI.

Результаты измерений спектра радионуклидов около поверхности свинцового контура показали, что йод в виде соединения CsI осаждался на поверхностях контура, причем интенсивность осаждения CsI на участках контура с наименьшей температурой была несколько выше.

Стоит отметить, что после повышения температуры экспериментального устройства до 680 °С (на тринадцатые сутки после загрузки йода), активность 131I в свинце выросла. Также было зафиксировано, что количество отложений на участках трубопровода уменьшилось примерно в два раза. Этот эффект, вероятно, связан с тем, что температура контура превысила температуру плавления CsI (634 °С), и часть йода поступила в объем свинца.

Исследования скорости выхода йода из свинца в газ показали, что часть йода находилась не внутри свинцового контура (в объеме свинца и на стальных поверхностях), а на зеркале свинца – границе раздела фаз «свинец – газ». Сравнение полученных скоростей испарения 131I с результатами предыдущего эксперимента (без цезия) показало, что выход йода из свинца в газ стал несколько ниже. Однако однозначного вывода о виде соединения йода (PbI2 или CsI) невозможно было сделать.

Эксперимент на реакторном свинцово-газовом экспериментальном устройстве

На реакторном экспериментальном устройстве наработка изотопов йода проходила в топливной таблетке облучательного устройства со свинцом, который был загружен в канал исследовательского реактора ИВВ-2М. Топливная таблетка находилась в нижней части экспериментального устройства в потоке свинца, который циркулировал в устройстве. Длительность эксперимента составила около месяца, его результаты частично представлены в [9]. Температура топливной таблетки во время эксперимента была не более 700 °С, поэтому процессы диффузии в топливе практически не происходили, и продукты деления поступали в свинец только в виде осколков после деления тяжелых ядер.

  РАО отстояло авторские права

Во время проведения эксперимента были отобраны три пробы свинца, в которых обнаружены изотопы 131I, 132I, 133I, 134I и 135I, при этом других продуктов деления и коррозии обнаружено не было.

После завершения эксперимента крышка рабочей емкости экспериментального устройства была срезана для измерения активности радионуклидов на поверхности свинца: первый образец был покрыт пленкой черно-коричневого цвета, второй был без пленки. Было обнаружено, что образовывающаяся поверхностная пленка обладает способностью к сорбированию йода, так как удельная активность 131I в первом образце была на несколько порядков больше, чем во втором. Также в нем были обнаружены радиоактивные продукты коррозии (во втором образце их обнаружено не было).

Заключение

В условиях работы реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 на мощности при анализе возможных соединений йода в свинцовом теплоносителе необходимо учитывать присутствие примесей, которые могут находиться в объеме свинца, осаждаться на поверхностях конструкционных материалов контура и на границе раздела «свинец – защитный газ». С учетом большего выхода цезия, чем йода, при делении тяжелых ядер (приблизительно 9 к 1) возможно образование CsI, которое может влиять на образование PbI2 .

Из теоретических данных в системе «свинец – йод» следует, что образование молекулярного йода при температурах, соответствующих температурам нормальной эксплуатации реакторной установки БРЕСТ-ОД-300, не происходит. Поэтому при расчетном обосновании радиационной безопасности реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 со свинцовым теплоносителем для обеспечения консервативного подхода следует принимать, что йод находится в соединении PbI2 , так как он обладает большей летучестью по сравнению с соединением CsI.
Авторы

Дубенков Н. Е., Васюхно В. П., Хачересов Г. А.

Литература

  •  Долгодворов А. П. Моделирование поведения продуктов деления в нитридном топливе: дис. на соискание уч. степени канд. техн. наук / А. П. Долгодворов; ИБРАЭ . – М., 2017.
  •  Драгунов Ю. Г., Лемехов В. В., Смирнов В. С., Чернецов Н. Г. Технические решения и этапы разработки реакторной установки БРЕСТ-ОД-300 // Атомная энергия. 2012. Том 113. Вып. 1. С. 58–64.
  • Zhu X. H. et al. Synthesis and Characterization of PbI2 Polycrystals. Crystal Research and Technology, 2006, vol. 41 (3), pp. 239–242.
  • Konings R. J. M., Kok-Scheele A. and Cordfunke E. H. P. On the Phase Diagrams of the Systems Pb – PbI2 , PbI2 – NaI and PbI2 – ZnI2 . Thermochimica Acta, 1995, no. 261, pp. 221–225.
  • Rybak O. V. and Kurilo I. V. Equilibrium Vapor Composition in the PbI2 System. Inorganic Materials, 2002, 38, pp. 735–737.
  • Handbook on Lead-bismuth Eutectic Alloy and Lead Properties, Materials Compability, Thermal-hydraulics and Technologies. OECD 2015, NEA № 7268.
  • Дубенков Н. Е. Экспериментальные исследования скоростей выхода продуктов деления из свинца в газ при условиях эксплуатации РУ БРЕСТ-ОД-300 / Н. Е. Дубенков, М. С. Моркин, В. В. Лемехов, Г. А. Хачересов, В. П. Васюхно, А. В. Барыбин и др. // Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики: сб. тезисов докладов V Международной научно-технической конференции (2–5 октября 2018 г.). – М.: НИКИЭТ, 2018. – С. 238–239.
  • Васюхно В. П. Исследование процессов массопереноса продуктов деления топлива и продуктов активации примесей свинцового теплоносителя на комплексе свинцово-газовых петлевых установок / В. П. Васюхно, Н. Е. Дубенков, В. В. Лемехов, М. С. Моркин, Г. А. Хачересов и др. // Инновации в атомной энергетике: сб. докладов Конференции молодых специалистов (23–24 мая 2017 г.). – М.: НИКИЭТ 2017. – С. 322–330.
  • Барыбин А. В., Рычков В. С., Шушлебин В. В., Дубенков Н. Е., Моркин М. С., Хачересов Г. А. Исследование выхода и миграции продуктов деления топлива в системе « – тяжелый жидллический теплоноситель – газ» // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. 2019. Вып. 2 (98). С. 110–118.

Источник:  Журнал «Ядерная и радиационная безопасность» №1 2021

Источник

Читайте также: Носледние новости России и мира сегодня.

Pin It

Добавить комментарий