пушкарев 20.10.2017

1. ГУ «Институт геохимии окружающей среды НАН Украины»
Минералого-геохимические
аспекти защиты окружающей
среды от тритиевого загрязнения
Пушкарев А.В.
Руденко И.М.

2. Тритий (Т) — β - радиоактивный изотоп водорода с периодом
полураспада 12,3 года, что соответствует скорости распада
примерно 5,5% в год. Распад происходит до стабильного 3Не
с испусканием электрона (β - частицы) и антинейтрино.
Максимальная энергия β - частиц Eβ равна 18,6 кэВ, средняя
— около 5,7 кэВ

3. 14 1 3 12
7 0 1 6
N n H C  
14 1 3
7 1 1
N H H осколки  
2 2 3 1
1 1 1 1
H H H H  
В природных условиях тритий образуется в тропосфере в
результате столкновения высокоэнергетичных частиц
солнечного ветра (быстрых протонов, нейтронов и
дейтронов) с атомами азота по реакциям:
со скоростью образования (3 – 4) ×104 ТБк за год.
В биосфере сформировался динамичный баланс трития
с природной концентрацией в воде -
1 атом трития на 1018 атомов протия (1H).
И общим содержанием трития в биосфере около 3 кг.

4. По данным МАГАТЭ по состоянию на 2017 год в 31 стране
мира эксплуатируется 191 АЭС с 448 энергоблоками.
Еще 57 энергоблоков находится в стадии строительства.
[The Database on Nuclear Power Reactors. IAEA, PRIS (Power Reactor Information System). 2017].

5. На территории Украины находится:
5 АЭС с 15 действующими блоками, 2 исследовательских
реактора, объект «Укрытие», 6 МСК УкрГО «РАДОН»,
5 горнодобывающих комбинатов, 2 гидрометаллургических завода
по переработке урана, около 7000 предприятий, которые
используют РАВ, радиоизотопные приборы и источники
ионизирующего излучения общим количеством около 100 тыс.
единиц.

6. Тритий, образованный в ядерном реакторе, может находиться в формах
НТО, DТО, НТ, Т2, тритидов металлов.
Штатная эксплуатация ядерно-промышленных объектов приводит к
ежегодному поступления в окружающую среду около
Из реакторов и установок по переработке отработанного топлива тритий может
выделяться частично в газовой форме (HT), но главным образом в виде жидких сбросов
дейтерий-тритиевой (DТО) или прото-тритиевой воды (HTO).
Круговорот трития
в биосфере
[Galeriu D., Davis P., Raskob
W. and Melintescu A.
Tritium Radioecology and
Dosimetry – Today and
Tomorrow ]
2*104 – 4*105 ТБк трития

7. Период полувыведения трития из организма человека Тэф
НТО ОСТ
12 суток 450 – 650 суток (до 5 лет)
Накопление ОСТ
белки, липиды,
нуклеокислоты, ДНК
головной мозг, сердце, почки, печень,
селезенка
Нарушение функций организма человека
Эндокринные и кроветворные органы, сосудистая система, радиационно
индуцированные генетические дефекты, разрывы углеродных связей в
хромосомах при Т → 3Не превращениях
Тритий поступает в организмы живых существ с водой (НТО)
и пищей в органично связанной форме (ОСТ).

8. This action should assess technologies to minimise tritium permeation at source and to capture and
store tritium from treatment of metallic waste and liquid and gaseous effluents, e.g. using
photosynthesised polymers. This action should also include:
(i) an assessment of the tritium inventory in both fission and fusion systems using state-of-the-art
modelling tools for tritium migration studies, e.g. from primary to secondary systems between
which tritium may pass,
(ii) refinement of the knowledge on outgassing and release mechanisms, radiotoxicity, radioecology,
radiobiology, dosimetry and metrology of tritium,
(iii) engineering solutions for detritiation techniques (metals, liquids and gasses) and waste
management to meet the stringent regulations in force in the EU, and
(iv) tritium permeation control (anti-permeation techniques).
Horizon 2020
Euratom Research and Training Programme 2014-2018
Cross-cutting support to improved knowledge on tritium
management in fission and fusion facilities.
«Комплексная поддержка исследований по проблеме обращения с тритием
в ядерном и термоядерном энергокомплексе».

9. В результате проведении радиоэкологического мониторинга в зонах
влияния пунктов складирования радиоактивных отходов (ПСРО) нами
был установлен эффект адсорбирования и аккумулирования трития
глинистыми минералами.
Схема гидрогеофильтриции
на Киевском ДМСК
При фильтрации протечек из хранилищ РАО через толщу глинистых
лессовидных суглинков удельная активность трития снизилась от
миллионов Бк/дм3 до 50 – 100 Бк/ дм3 в зоне дренажа.
Глинистые минералы извлекают тритий из водных растворов при
нормальных термодинамических условиях (р= 103,1 КПа, t = 298°K).

10. Схема взаимодействия тритированной воды с глинистой
породой: (А) – макроструктура; (В) – микроструктура

11. Молекулы НТО заполняют поры в породе и на межфазовой
границе формируется двойной электрический слой (ДЭС).
1 - межслоевая вода с
обменными катионами;
2 - двойной электрический
слой (ДЭС);
3 - распределение зарядов
во внешней поровой воде
Динамический процесс «адсорбции – десорбции» (время
адсорбционной задержки поляризованных частиц τ = 10-13 с)
приводит к удержанию более тяжелых молекул НТО на
поверхности минеральных частичек и формированию
адсорбированной формы трития.

12. Меньшая часть трития участвует в 2-х стадийном обмене «НТО→Н2О» в
структуре минералов и далее в замещении структурных ОН-групп
минералов ОТ- группами из диссоциированных молекул НТО.
Каолинит (тип 1:1)
1 слой кремне-кислородных тетраэдров
соединен с одним слоем алюмо-
кислородных октаэдров
Тритоны из диссоциированных молекул
НТО свободно перемещаются при
«вибрационных перескоках» по сплошным
сеткам ОН-групп в структурных пакетах и
таким образом, обмениваются со
структурными протонами.
Протон - тритонный обмен на
краевой поверхности частицы
глинистого минерала.

13. В монтмориллоните и сапоните (тип 2:1) – в структурном
пакете один слой алюмо-кислородных октаэдров соединен с
двумя слоями кремне-кислородных тетраэдров. Между
пакетами слой поляризованных молекул Н2О и обменные
катионы (Na+ , K+ , Ca2+ , Mg2+ и др.)
Структура и механизм
тритий-протиевого обмена
в минералах типа 2:1

14. В палыгорските трехэтажные ленты чередуются с
цеолитными каналами. В каналах находятся молекулы воды
двух типов: цеолитная вода, Н2О и координационно
связанная вода, ОН2 .

15. Клиноптилолит, обладающий свойствами молекулярного сита
участвует в адсорбционном процессе, обеспечивает возможность
доступа НТО к реакционным позициям в минеральной массе. Такие
композиты эффективны при очистке тритированной воды, несущей
комплексное загрязнение.
Элементарная ячейка
клиноптилолита.
Проекция структуры
клиноптилолита на плоскость ab.
Показано положение катионов Na
в каналах структуры, в окружении
молекул воды W.
Снижение удельной активности НТО после фильтрации через
минеральные адсорбенты составило от 15 до 54%.

16. После термической обработки глинистых минералов улучшаются
адсорбционные свойства композитов, созданных на их основе.
Qm – запас трития в
минеральном адсорбенте,
Бк/г,
Qw – запас трития в
обеъеме «НТО», которая
взаимодействовала с
минеральним адсорбентом,
Бк/мл.
Индексы глинистых минералов: Ц – цеолит, К- каолинит, Сап – сапопит,
П – палыгорскит, М – монтмориллонит, Сеп – сепиолит.
0
10
20
30
40
50
60
Ц К Сап П М Сеп
Необработанные
минералы
42 19 30 27 36 42
Термически
обработанные
минералы
20 23 32 41 52 53
Kac%
Коэффициент аккумуляции трития

17. Такие композиты могут быть использованы для фракционирования
изотопов водорода в водных растворах (α = от 0,93 до 1,16).
Коэфициент фракционирования изотопов водорода
1
*m wT T


Tm - концентрация атомов трития в воде, экстрагированной из структурных позиций минерала,
атом*мл-1; Tw - концентрация атомов трития в воде после достижения равновесного сотояния в
системе «минеральный адсорбент – тритированная вода», атом*мл-1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Сап К П Сеп М Ц
Необработанные
минералы
0.83 0.83 1.02 1.18 1.2 1.01
Термически
обработанные
минералы
0.93 1.05 1.11 1.13 1.14 1.16
α
Коэффициент фракционировани изотопов водорода

18. На основе проведенных экспериментальных исследований
подготовлены рекомендации по созданию минеральных
адсорбентов трития на основе клиноптилолита и глинистых
минералов структурных типов 2:1 (монтмориллонит и
сапонит) и с ленточно-канальной структурой (палыгорскит
и сепиолит)

19. Результаты экспериментальных исследований
защищены несколькими патентами Украины
(№№ 103033, 103050, 113348).

20. Благодарю за внимание!
Thank you for attention!
Докладчик:
Пушкарев Александр Васильевич