Laboratórium extrakčných a sorpčných metód

Doc. RNDr. Michal Galamboš, PhD.

RNDr. Martin Daňo

RNDr. Adrián Krajňák

RNDr. Pavol Suchánek

RNDr. Eva Viglašová

 

<output>

Na stránke sa stále pracuje ... ďakujeme za porozumenie.

</output>

 

 

Externá spolupráca


prof. RNDr. Pavol Rajec, DrSc.
Katedra jadrovej chémie,
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave

RNDr. Oľga Rosskopfová, PhD.
Katedra jadrovej chémie,
Prírodovedecká fakulta UK v Bratislave

Mgr. Matúš Pupák, 
PhD.
Katedra chemickej teórie liečiv,
Farmaceutická fakulta UK v Bratislave

RNDr. Vladimír Frišták,PhD.
Health and Environment Department,Environmental Resources and Technologies,,
AIT Austrian Institute of Technology GmbH

Mgr. Ivan Kajan
Department of Chemical and Biological Engineering, Nuclear Chemistry
Chalmers University of Technology
Göteborg, Sweden

Ing. Ivan Novák, CSc.
SAV Bratislava

 

Zameranie

Vedecká činnosť pracovnej skupiny je zameraná na zadnú časť palivového cyklu jadrovo-energetických zariadení a možno ju rozdeliť do dvoch oblastí. Prvá – materiálová chémia a geochémia – skúma sorpčné vlastnosti prírodných (bentonity, montmorillonit, zeolity, hydroxyapatit, chitosan) a syntetických (uhlíkové a titanátové nanomateriály, kompozity na báze hlinitokremičitanov) sorbentov, ktoré nachádzajú uplatnenie, buď ako molekulové sitá alebo ako tesniaci komponent v multibariérovom systéme hlbinných úložísk pre vyhoreté jadrové palivo a rádioaktívny odpad. Testovali sme rozsiahly súbor lokalít a ložísk slovenských bentonitov, ich vzoriek v rôznych formách, prakticky všetky perspektívne ložiská v Slovenskej republike. Práci venovanej radiačnej chémii bentonitov a poukázaniu na význam slovenských hornín a minerálov v praktických environmentálnych aplikáciách patrí mimoriadna pozornosť. Druhá oblasť – separačná a rádioanalytická chémia – zahŕňa syntézu a štúdium extrakčných vlastností tzv. zelených zlúčenín – iónových kvapalín, ktoré sú funkcionalizované na svojom skelete tak, aby plnili nielen úlohu rozpúšťadla, ale aj extrakčného činidla pre ekotoxicky významné rádionuklidy.


Zadná, záverečná časť palivového cyklu jadrových elektrární

Záverečným krokom v procese nakladania s VJP (skladovanie, manipulácia, prepracovanie, transmutácia, preprava) a VRAO (zber, triedenie, skladovanie, spracovanie, úprava, manipulácia, preprava) je jeho ukladanie, ktoré je v (Atómovom zákone) definované ako trvalé umiestnenie do úložiska. Základnou požiadavkou na úložisko je, aby pri prevádzke počas inštitucionálnej kontroly i po jej ukončení nedošlo k takému úniku rádionuklidov do životného prostredia, ktoré by spôsobilo radiačnú expozíciu vyššiu, ako sú hodnoty stanovené platnými zákonnými predpismi.

Radiačná charakteristika jadrovo-energetického zariadenia je výsledkom procesu kontaminácie a aktivácie materiálov. V priebehu prevádzky jadrového reaktora a pri vyraďovaní jadrových zariadení vzniká VJP a VRAO. Štiepením 235U tepelnými neutrónmi sa získava z ČJP v energetickom reaktore teplo, ktoré sa v turbogenerátore mení na elektrickú energiu. Schematické znázornenie štiepenia jadier 235U je uvedené na Obr. 1. Pôvodný neutrón, ktorý vyvolal štiepenie ťažkého jadra môže vzniknúť buď pri spontánnom štiepení alebo interakciou sekundárneho kozmického žiarenia (neutróny) so štiepnym materiálom.

Obr. 1 Schéma štiepenia jadier

Pri štiepení 235U vzniká až 62 rôznych primárnych fragmentov, ktoré v dôsledku svojej nestability podliehajú následnej rádioaktívnej premene. [12]. V priemere sa tieto jadrá stávajú stabilné po 2 – 3 postupných premenách β-. V aktívnej zóne pracujúceho jadrového reaktora sa pozoruje takto okolo 200 rôznych izotopov, ktoré sú rádioaktívne (Obr. 2).

Obr. 2 Výťažok produktov štiepenia v závislosti od hmotnostného čísla A

Po 3 až 5 rokoch sa v palivovej kazete rozštiepi väčšina 235U, pričom produktom štiepenia sú, tzv. štiepne produkty. Mení sa izotopové zloženie jadrového paliva, ktoré výrazne ovplyvňuje nasledujúce procesy v zadnej časti jadrového palivového cyklu.

Najvyššie radiačné riziko prvých sto rokov po vybratí ožiarených palivových článkov z aktívnej zóny jadrového reaktora predstavujú ŠP uránu 90Sr (a jeho dcérsky rádionuklid 90Y) a 137Cs (a jeho dcérsky rádionuklid 137mBa). Ich výťažok v štiepnej reakcii je relatívne vysoký, rovnako ako ich doba polpremeny. Rádioaktivita ŠP prvých sto rokov je veľmi vysoká práve kvôli prítomnosti týchto dvoch rádionuklidov. Okolo 60 % pochádza z páru 137Cs – 137Ba a okolo 40 % z páru 90Sr-90Y.

Obr. 3 Závislosť aktivity štiepnych produktov od doby polpremeny jednotlivých rádionuklidov v 1 tone vyhoretého jadrového paliva. (horizontálna čiara predstavuje počiatočnú aktivitu neožiareného JP)

Na Obr. 3 je uvedená závislosť aktivity ŠP v ožiarenom palive ako funkcia doby polpremeny. 90Sr má všetky predpoklady zhubného účinku na organizmus. Ako veľký výťažok štiepenia, dlhú dobu polpremeny, ľahkú rozpustnosť väčšiny zlúčenín, je nutričným analógom vápnika (z čoho pramení jeho dlhodobá depozícia v kostiach, kde ožaruje krvotvorné orgány β-časticami), vyskytuje sa v rôznych článkoch potravového reťazca. 137Cs z dlhožijúcich ŠP je jediným γ-žiaričom. 137Cs spolu so 90Sr sú hlavnými predstaviteľmi kontaminácie biosféry v dôsledku jadrových výbuchov. 137Cs sa silne koncentruje vo vodných rastlinách i semenách ostatných rastlín. Je významným povrchovým kontaminantom rastlinných listov. V pôde je však pomerne pevne viazané, preto odtiaľ relatívne málo prechádza do listov rastlín. Všetky zlúčeniny cézia sú dobre rozpustné. Z tráviaceho traktu sa Cs vstrebáva stopercentne. Z organizmu sa vylučuje močom (preto nie je nebezpečné pri vnútornej kontaminácii). Kritickým orgánom je sval, v ktorom sa pri inhalačnej kontaminácii zadrží až 36 %.

VJP je možné recyklovať v prepracovateľských závodoch (uzavretý palivový cyklus, Obr. 4), kde sa separuje na tri zložky: urán, plutónium a odpad. Urán a plutónium sa použijú do nového paliva obsahujúceho zmes štiepiteľných izotopov U a Pu (palivo MOX, z angl. mixed oxide). Proces prepracovania je však veľmi finančne i energeticky náročný, preto je na svete len niekoľko prepracovateľských závodov.

Obr. 4 Schéma palivového cyklu jadrových elektrární

VJP zo slovenských JE sa zatiaľ neprepracováva, ale len dočasne skladuje v medzisklade. V súčasnosti sa plánuje skladovanie VJP v medzisklade do roku 2050, po ktorom by malo nasledovať jeho konečné uloženie v hlbinnom geologickom úložisku (otvorený palivový cyklus). HÚ má byť umiestnené pod úrovňou zemského povrchu (cca 300 až 700 m), v stabilnej geologickej formácii, ktorá bude tvoriť jednu z najdôležitejších bariér multibariérového systému (Obr. 5) (kombinácia technických a prírodných bariér, tzv. geologickú bariéru. Úlohou geologickej bariéry, ako najdlhšie pôsobiacej v multibariérovom systéme ochrany úložiska, je izolovať okolité prostredie od škodlivých vplyvov radiácie. Jej izolačná a ochranná funkcia musí byť zachovaná
a postačujúca počas obdobia 100 000 rokov, pokiaľ úroveň radiácie nepoklesne na akceptovateľnú úroveň. Dôležitým a nami študovaným komponentom v multibariérovom systéme sú bentonitové horniny. Ich využitie v multibariérovom systéme si nevyhnutne vyžaduje posúdiť dlhodobú nemennosť správania sa bentonitovej bariéry, charakterizovať ju z rôznych geotechnických a fyzikálno-chemických hľadísk.

Obr. 5 Schéma multibariérového systému HÚ pre RAO (vľavo) a VJP (vpravo)

Bentonity predstavujú skupinu prírodných nanomateriálov zložených prevažne z kryštalických častíc minerálu zo skupiny dioktaedrických smektitov – montmorillonitu (Obr. 6). Kryštalochemický vzorec montmorillonitu:

Mx [Al2-x (Fe2+ Mg)]x Si4 O10 (OH)2 · nH2O

[I.]

M – predstavuje medzivrstvový katión

x – predstavuje vrstvový náboj (môže sa meniť od 0,2 do 0,6).

Uvedený vzorec vyjadruje osobitú vlastnosť montmorillonitu, ktorou
je neexistencia tetraedrického náboja. Celý náboj je sústredený na oktaedrickej sieti.

Montmorillonity sa podľa zastúpenia jednotlivých oktaedrických katiónov rozčleňujú na:
Al-montmorillonity, Mg-montmorillonity, Fe-montmorillonity.

Obr. 6 Štruktúra montmorillonitu

Na území SR sa nachádza niekoľko dôležitých ložísk bentonitov (Obr. 7), z ktorých by tieto horniny mohli nájsť využitie pri ukladaní RAO a VJP.

Obr. 7 Zjednodušená mapa Slovenskej republiky s vyznačením niektorých ložísk slovenských bentonitov a 5 prieskumných lokalít: 1 – Centrálna časť Tribeča.; 2 – Južná časť Veporských vrchov.; 3 – Juhozápadná časť Stolických vrchov; 4 – Západná časť Rimavskej kotliny; 5 – Východná časť Cerovej vrchoviny

 

Najznámejšie a dlhodobo ťažené ložisko bentonitu tvorené Al-Mg-montmorillonitom je v oblasti Slovenského stredohoria v lokalite Stará Kremnička: Jelšový potok. V tejto oblasti je ešte jedno čiastočne ťažené ložisko andezitového bentonitu tvorené Fe-montmorillonitom: Lieskovec. V oblasti východoslovenských neovulkanitov sú dve v súčasnosti ťažené ložiská ryolitových bentonitov: KuzmiceLastovce (Al-Mg-montnmorillonit). Okrem toho sa v tejto oblasti nachádzajú momentálne neťažené ložiská Nižný Hrabovec, Fintice, Nižný Žipov a Veľaty. Ložisko Dolná Ves (illit-smektit) je súčasťou Jastrabskej formácie.

Historický základ súčasnej koncepcie konečných etáp nakladania s VJP v SR určili (Uznesenia vlády č. 930/1992, č. 190/1994 a č. 5/2001 a Stratégia záverečnej časti mierového využívania jadrovej energie v SR, 2012). V poslednom z uvedených uznesení zobrala vláda na vedomie „Návrh koncepcie ekonomického, vecného a časového postupu riešenia nakladania s VJP a postupu riešenia likvidácie jadrovo-energetických zariadení“. V oblasti nakladania s VJP návrh odporúčal:

  • skladovať VJP z EBO v rekonštruovanom MS VJP Jaslovské Bohunice do roku 2037,

  • vybrať skladovaciu technológiu pre dlhodobé skladovanie VJP v lokalite Mochovce do roku 2002,

  • vybudovať MS VJP Mochovce do roku 2006 (termín neskôr preložený na rok 2009, ešte neskôr preložený
    v zmysle rozhodnutia vedenia SE, a. s. na obdobie v druhej polovici desaťročia),

  • pokračovať vo vývoji hlbinného úložiska s cieľom kvalitnej prípravy na národné i regionálne (medzinárodné) riešenie priameho uloženia VJP – do roku 2037,

  • ukončiť rokovania o alternatíve prepracovania VJP s návratom VRAO a produktov prepracovania.

S uvedenými uzneseniami sú vo veci prípravy hlbinného ukladania VJP (a RAO neuložiteľných v RÚ RAO Mochovce) v súlade uznesenia vlády SR č. 334/2002, ktorým vláda schválila koncepciu geologického výskumu
a prieskumu v SR na nasledujúce roky, a č. 1001/2007, ktoré túto koncepciu aktualizovalo na ďalšie obdobie (Stratégia záverečnej časti mierového využívania jadrovej energie v SR, 2012). Východiskom pre Stratégiu v tejto oblasti je vývoj a rozhodnutia prijaté v minulosti, ktoré ustanovili, že:

  • prevádzka jadrových reaktorov bude i naďalej v otvorenom palivovom cykle (v súčasnosti nie je možne aplikovať uzavretý palivový cyklus, pretože reaktory VVER-440 prevádzkované v SR nie sú licencované na použitie MOX-paliva),

  • pri nakladaní s VJP sa naďalej neuvažuje ani s možnosťou transportu VJP do zahraničia s následným dovozom produktov prepracovania (t. j. Pu, ktoré vyžaduje špeciálny režim skladovania, ochrany a medzinárodnej kontroly, U a vysokorádioaktívnych vitrifikovaných odpadov),

  • pre dlhodobé skladovanie VJP sa bude využívať MS VJP v Jaslovských Bohuniciach, a to podľa kapacitných možností zatiaľ aj paliva pochádzajúceho z EMO 1,2,

  • počíta sa s vybudovaním nového skladu VJP v Mochovciach,

  • ako konečná etapa nakladania s VJP sa uvažuje priame ukladanie VJP spolu s VRAO (odpadmi neuložiteľnými v RÚ RAO Mochovce) v hlbinnom geologickom úložisku vybudovanom na území SR,

  • uvažuje sa i o možnosti medzinárodného, resp. regionálneho riešenia ukladania.



Výber publikácií

  • Galamboš M., Kufčáková J., Rajec P.: Sorption of strontium on Slovak bentonites. J. Radioanal. Nucl. Chem. 281(3): 347 - 357 (2009).
  • Galamboš M., Paučová V., Kufčáková J., Rosskopfová O., Rajec P., Adamcová R.: Cesium sorption on Bentonites and Montmorillonite K10. J. Radioanal. Nucl. Chem. 284(1): 55 – 64 (2010).

  • Galamboš M., Rosskopfová O., Paučová V., Rajec P., Adamcová R.: Sorpčné vlastnosti bentonitových bariér. Bezpečnost jaderné energie 18(56) 1/2: 37 – 39 (2010).

  • Galamboš M., Rosskopfová O, Kufčáková J, Rajec P.: Utilization of Slovak bentonites in deposition of high-level radioactive waste and spent nuclear fuel. J . Radioanal. Nucl. Chem. 288(3): 765-777 (2011).

  • Galamboš M., Rosskopfová O., Rajec P.: Geotechnické požiadavky na bentonitové bariéry v hlbinných úložiskách pre rádioaktívny odpad a vyhoreté jadrové palivo. Bezpečnost jaderné energie 19(57) 7/8: 38 – 44 (2011).

  • Rosskopfová O., Galamboš M., Rajec P.: Distribution of strontium in milk component. J. Radioanal. Nucl. Chem. 290(3): 601-606 (2011).

  • Rosskopfová O., Galamboš M., Rajec P.: Study of sorption processes of strontium on the synthetic hydroxyapatite. J. Radioanal. Nucl. Chem. 287(3): 715-722 (2011).

  • Galamboš M., Suchánek P., Rosskopfová O.: Sorption of anthropogenic radionuclides on natural and synthetic inorganic sorbents. J. Radioanal. Nucl. Chem. 293(2): 613-633 (2012).

  • Galamboš M., Daňo M., Rosskopfová O., Šeršeň F., Kufčáková J., Adamcová R., Rajec P.: Effect of gamma-irradiation on adsorption properties of Slovak bentonites. J. Radioanal. Nucl. Chem. 292(2): 481-492 (2012).

  • Ometáková J., Rajec P., Csiba V., Leporis M., Štefečka M., Vlk P., Galamboš M., Rosskopfová O.: Automated production of 64Cu prepared by 18 MeV cyclotron. J. Radioanal. Nucl. Chem. 293(1): 217 – 222 (2012)

  • Jesenák K., Galamboš M., Daňo M., Kurek M., Rosskopfová O.: Stanovenie hydraulických vlastností bentonitových hornín. Bezpečnost jaderné energie. 21(59), 11/12:, s. 332-336 (2013).

  • Galamboš M., Krajňák A., Rosskopfová O., Viglašová E., Adamcová R., Rajec P.: Adsorption equilibrium and kinetic studies of strontium on Mg-bentonite, Fe-bentonite and illite/smectite. J. Radioanal. Nucl. Chem. 298(2): 1031-1040 (2013).

  • Daňo M., Galamboš M., Rosskopfová O.: Transportné proteíny a enzýmy v epiteli bachora ruminentov. Chem. Listy 107: 942 – 948 (2013).

  • Viglašová E., Krajňák A., Galamboš M..: Vznik a pôvod vyhoretého jadrového paliva a vysokorádioaktívneho odpadu na území Slovenskej republiky. Bezpečnost jaderné energie 22(60) 11/12: 329 – 337 (2014).

  • Krajňák A., Viglašová E., Galamboš M., Rosskopfová O.: Nakladanie, skladovanie a ukladanie vyhoretého jadrového paliva a vysokorádioaktívnych odpadov v Slovenskej republike. Bezpečnost jaderné energie 22(60) 5/6: 155 – 160 (2014).

  • Galamboš M., Krajňák A., Viglašová E.: Zadná časť jadrovej energetiky v Slovenskej republike. Bezpečnost jaderné energie 22(60) 7/8: 204 – 207 (2014).

  • Pivarčiová L., Rosskopfová O., Galamboš M., Rajec P.: Sorption of nickel on chitosan. J. Radioanal. Nucl. Chem. 300(1): 361 – 366 (2014).

  • Rajec P., Galamboš M., Daňo M., Rosskopfová O., Čaplovičová M., Hudec P., Horňáček M., Novák I., Berek D., Čaplovič Ľ.: Preparation and characterization of adsorbent based on carbon for pertechnetate adsorption. J. Radioanal. Nucl. Chem. 303(1): 277 – 286 (2015).