防辐射用活性炭-放射性碘的捕集

放射性碘的捕集

原子能的和平利用，就是在人工控制下取得²³⁵U、²³⁹Pu等核分裂的能量。为此，在原子能设施中，必 须开发防止核裂变放射性物质逸出的技术。放射性碘、氪、氙等挥发性元素容易通过泄漏而进入环境。所以除去这些元素成了原子能发展中的重要研究课题。在原子能设施中所要处理的放射性物质浓度与通常化学工业中所要处理的浓度差不多，但是对放射性物质捕集或除去效率却要求非常高。所以要求用于原子能设施中捕集放射性物质的活性炭需要具有独特的性质。

1．碘化物

碘是人体重要的生理元素之一。气态放射性碘易通过呼吸系统进入人体

后，会蓄积于甲状腺中，并产生辐射危害。

碘共有26种同位素，自然界中仅存在稳定同位素¹²⁷I和放射性同位素¹²⁹I，其余均为人工放射性核素，且多数半衰期很短。就其用途或对人体的危害而言，¹²⁵I（T_1／2＝60d）、¹²⁹I（T_1／2＝1.57x10⁷a）、¹³⁷I（T_1／2＝8.05d）和¹³²I（T_1／2＝2.3h）是主要的，其中以¹³¹Izui为重要，因此，在对含碘的放射性废气进行净化、监测和评价时，一般都以¹³¹I为代表。

碘具有多原子价并且化学性质非常活泼，因此，在气相中的放射性碘的化学形态复杂多变，并可以和大气中的许多物质发生氧化还原反应，生成多种价态的化合物。气态碘中zui具有代表性的无机碘为I₂，有机碘为CH₃I。当受到气体介质及放射线量的影响时，碘的化学形态会发生变化。由于其化学状态不同，气态放射性碘的沉降速度、进入人体的途径以及对人体的危害程度也都有所不同。如元素碘（l₂）平均沉积速度大约为有机碘的2x10²～10⁴倍，为放射性碘气溶胶的5倍。关于原子能设施中碘的化学形态，仍是现有研究必 须要解决的问题。

为了对从燃料中放出来的碘的化学形态进行研究，有人在水蒸气或者水蒸气-空气系统中加热经过照射的二氧化铀，并测定了从燃料中放出的放射性碘的化学形态，结果表明，大部分的碘是元素状态，但据推测还存在一部分（3％以下）有机碘化物，如甲基碘（CH3I）等。另有报道指出，在轻水型反应堆的燃料破损模拟试验中，在从燃料放出的¹³¹I（半衰期8.14d）为0.12％的条件下，推测所生成的甲基碘等碘化物为碘放出总量的2.5％。关于元素态的碘在安 全外壳内放出时的化学形态的变化情况的研究也有很多，一般地说，元素碘被安 全外壳壁等吸附后含量急剧减少，会变为非反应性的化学形态和气溶胶状而飘浮着。据报道，甲基碘和次碘酸（HIO）主要以碘化物形式存在。在放射线场中，由于碘和甲烷会反应而生成甲基碘，所以有必要考虑关于空气受到106拉德以上吸收量的场所。

据报道，通过分析¹³¹I制造厂泄潮至气相中的放射性碘的成分，结果发现除甲基确外，有时还存在H1O₃、HIO₄等碘酸。从以上可以看出，原子反应堆用活性炭不仅要具有捕集元素碘的性能，而且还要具有捕集甲基碘等以挥发性化合物形式存在的放射性碘的性能。利用细孔活性炭甚至可从湿空气中ji容易地清除单质碘蒸气，但甲基碘却恰恰相反，由于它具有较高的蒸气压力，以至于用吸附方法都不可能获得较为满意的净化效果（表8-5）。另外，关于利用浸渍活性炭在同位素交换或者化学结合过程中清除放射性甲基碘的方法也早有报道。

表8-5甲基碘蒸气压力随温度变化的关系

（1）同位素交换 同位素交换是指利用没有放射性和不挥发的无机碘化物浸渍交换活性物的方法（例如碘化钾）。当放射性甲基碘在炭材层中短暂停留时，会在吸附剂上发生碘同位素的交换，由于无放射性碘的大量过剩，所以交换效率较高。过滤装置是指在相对湿度为99％～100％条件下，能保证净化程度大于99％、炭层长度不小于20cm矩形截面的特殊结构的过滤器。悬浮微粒过滤器一般设置在用活性炭制成的过滤器之后以防止放射性炭尘埃的放出。在原子能发电站中，空气需要不断地循环经过活性炭过滤器。因为在这种情况下，浸渍活性炭的吸附能力会有所降低，吸附能力的降低是由于其吸收了在过滤器操作期间内必 须严格控制的有机蒸气。

（2）化学结合 在利用叔胺浸渍的活性炭时，甲基碘可与其化合而生成季铵盐：

同其他胺相比，环胺-1,4-重氮二环［2,2,2］辛烷（三亚乙基二胺TQIIA）具有较小的挥发性和较强的碱性，因此具有明显的效果：

然而由于胺类物质易挥发，且能降低活性炭的燃点温度，因此在联邦德国和许多其他国家均不使用像这样的浸渍组成。

在气相中，碘的浓度包括直接从燃料中放出的碘和天然存在的碘。在发生如燃料中碘泄漏等重大事故时气相中碘的浓度，可以按反应堆燃料中碘的积蓄量与安 全外壳体积的比值来计算。功率为3600MW的原子反应堆中，若装载的燃料连续运转三年，¹²⁷I（稳定）为2.9kg，¹²⁹I（半衰期1.7x10⁷年）为21kg，¹³¹I（半衰期8.05d）为0.7kg等，总积蓄量为25kg。假定其1％放至在体积5x10⁴㎡的安 全外壳内，并且均匀分散的话，那么气相浓度为5mg／m³。据报道，在美国天然气体中碘的浓度为1～10ng／m³，英国为100～1000ng／㎡．因此，在原子能设施中碘的初期浓度一般在10^-8～10²mg／m³。处理这样的气相浓度的碘就对吸附剂有高的捕集效率的要求。

3．甲基碘的捕集

与吸附元素态碘相比较，用活性炭对甲基碘的吸附受相对沉降速度的影响更为显著。为解决这个问题，可以通过把希望和甲基碘直接反应的物质（三亚乙基二胺），和甲基碘进行同位素交换反应的物质（碘，碘化钾），或者进行两种反应的物质（碘化亚锡）载于活性炭表面来解决。

由于大气中飘浮着二氧化硫、二氧化氮、机械室的润滑油、建筑物的油漆溶剂等比甲基碘更易被活性炭吸附的物质，因此必 须每隔一定时期进行更换用于保护载体炭的活性炭过滤器的装置和深层载体炭装置，或者采取措施以减少活性炭与通常大气的接触。