Российские ученые создали новую технологию изготовления сорбционного материала для трудноуловимой формы радиоактивного йода. Новый фильтр с сорбентом эффективнее и дешевле действующих, утверждают разработчики. Он предназначен для очистки воздуха помещений атомных станций и выбросов в окружающую среду. Также его можно использовать на других производствах, работающих с летучими соединениями радиойода. При катастрофах в Чернобыле и на «Фукусиме-1» именно такие летучие соединения (конкретнее — радиоактивный йод-131) нанесли наибольший ущерб биологическим объектам.
На порядок дешевле
На атомных станциях сейчас используются два типа йодных фильтров. Один из них предназначен для улавливания изотопов из производственных помещений. Через такой фильтр проходят большие объемы воздуха с относительно малой удельной активностью радиойода. Второй тип предназначен для «газовых сдувок» с оборудования станции. Здесь, наоборот, небольшие объемы, но высокая удельная активность радиоизотопов. Ученые Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева усовершенствовали материал для первого типа фильтров.
Как правило, они представляют собой цилиндрические аппараты с плоскими крышками габаритами приблизительно метр на метр. Эти фильтры наполнены реагентами — гранулированным активированным углем, сырьем для которого часто служит скорлупа кокосового ореха. В состав угля добавляют триэтилендиамин — вещество, которое может вступать в химические реакции с наименее улавливаемой формой йода — метилйодидом. Для одного сменного картриджа, гарантийный срок работы которого три года, требуется около 170 кг активированного угля, пропитанного 4-процентным раствором триэтилендиамина.
Ученые смогли на порядок сократить количество реагентов в готовом йодном сорбенте, при этом сохранив его эффективность. Статья об этом опубликована в Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. На разработку уже есть патент РФ.
— Вместо гранулированного активированного угля мы использовали порошковый, который нанесли на подложку из химически стойкого пенополиуретана. Уголь также пропитывается триэтилендиамином, а подложка может зигзагообразно складываться в фильтрующем аппарате либо сворачиваться в рулон, — сообщил «Известиям» доцент кафедры химии высоких энергий и радиоэкологии РХТУ им. Д.И. Менделеева и первый автор статьи о разработке Александр Обручиков.
По словам ученого, в результате расход и активированного угля, и триэтилендиамина сокращается на порядок, а эффективность фильтра остается прежней — он улавливает 99,5% радиоактивного метилйодида, как и требуют правила эксплуатации атомных станций.
— Мы добиваемся снижения общей активности радиойода в выбросах за счет снижения количества сорбирующего вещества и затрат на закупки самого сорбента, — сказал Александр Обручиков.
Он также пояснил, что активированный уголь в паре с триэтилендиамином работают по механизму как физического, так и химического взаимодействия. Если активированный уголь собирает на своей поверхности молекулярный йод-131, то его органическая форма метилйодид связывается путем химического взаимодействия с молекулами триэтилендиамина. В результате получается четвертичное аммониевое основание (вещество, близкое по свойствам к едким щелочам, часто применяется как основное действующее вещество дезинфицирующих средств).
Острая потребность
Потребность в удешевлении йодных сорбентов возникла после аварии на японской атомной станции «Фукусима-1» 11 марта 2011 года, уточнил Александр Обручиков.
— Сырье для активированного угля (скорлупа кокосового ореха), а также триэтилендиамин после аварии стали очень востребованы на рынке и резко пошли вверх в цене, — пояснил он.
Экономическая потребность подстегнула научный поиск ученых РХТУ. Найденное решение позитивно воспринято коллегами.
— С точки зрения экономики разработка довольно перспективна, так как ее применение ведет к уменьшению эксплуатационных расходов АЭС, а в конечном итоге — к снижению себестоимости электроэнергии, — отметил в беседе с «Известиями» директор Высшей школы атомной и тепловой энергетики Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) Александр Калютик.
Опасный йод-131
Йодные фильтры на АЭС нужны, чтобы предотвратить разрушительные последствия для экологии в регионе работы станции. Особую опасность представляет изотоп йод-131. Это один из радиоактивных изотопов йода, которые образуются на атомных станциях в результате деления ядер урана и плутония. Другие изотопы (йод-128, йод-129, йод-130, йод-133, йод-135 и так далее) являются либо короткоживущими, либо не обладают такой высокой удельной активностью. Органические производные йода-131 легко проникают не только в воздух, почву и воду, но и в организм человека, где разносятся клетками крови по всем органам и тканям.
Йод, существующий в природе, не разрушается, как радиоизотоп. Он входит в состав гормонов, которые вырабатываются щитовидной железой. Распространенный на планете йододефицит приводит к тому, что живые организмы буквально охотятся на йод и поглощают его из воздуха даже в форме радиоактивных изотопов. Затем, как отметил Александр Обручиков, радиоактивный йод встраивается в структуру молекулы гормонов и при последующем распаде разрушает ее.
— Кроме того, за счет бета-излучения йод-131 воздействует на клетки организма, вызывая мутации и онкозаболевания, — отметил эксперт.
При катастрофах в Чернобыле и на «Фукусиме-1» именно радиоактивный йод-131 нанес наибольший ущерб биологическим объектам.
Впрочем, опасность радиоизотопа ограничена во времени.
— Период полураспада йода-131 составляет 8,04 суток. Однако активность изотопа до минимальных пределов снижается в течение примерно двух месяцев после образования, — отметил заведующий кафедрой химии высоких энергий и радиоэкологии РХТУ Эльдар Магомедбеков. — На протяжении этого периода он продолжает представлять опасность.
Для сравнения: период полураспада изотопа йод-129 составляет 15 млн лет, но из-за малой удельной активности он не представляет той опасности, что йод-131, добавил эксперт.