Application of processes stimulated by nonequilibrium plasma for large-tonnage decontamination of soils

Станіслав Володимирович Петров; Сергій Григорович Бондаренко; Masato Homma

doi:10.15587/2706-5448.2023.274688

Автор(и)

Станіслав Володимирович Петров Інститут газу Національної академії наук України, Україна https://orcid.org/0000-0003-0373-8003
Сергій Григорович Бондаренко Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна https://orcid.org/0000-0001-9590-4747
Masato Homma Global Energy Trade Co. LTD, Японія https://orcid.org/0009-0008-4975-6577

DOI:

https://doi.org/10.15587/2706-5448.2023.274688

Ключові слова:

електричний розряд, водний розчин, електрогідравлічна резонансна дезактивація ґрунту, радіонукліди, плазмова комірка, активні частинки

Анотація

Об'єктом дослідження є новий, потенційно ефективний та практичний процес дезактивації радіоактивного ґрунту, заснований на поєднанні плазмової гідросепарації та плазмової активації. Ефект очищення забезпечується руйнуванням зв'язків радіонуклідів із частинками ґрунту за рахунок серії електрофізичних розрядів, при яких виникають активні частинки та ударні хвилі. У розробленій установці процес плазмохімічної обробки реалізується в плазмовій комірці з самопідтримуючимся пульсуючим режимом горіння електричного розряду, що відбувається у водному розчині. В установці реалізовано резонансне збільшення інтенсивності ударних хвиль, турбулентність та багаторазове розширення активної зони так, що розширення межі розділу плазма-рідина стає реальною основою для масштабування установки. Незалежно від матеріалу електродів і в широкому діапазоні електропровідності (вимірюється від 100 до 5000 мкс/см) перебудова режиму горіння супроводжується збільшенням розміру та стабілізацією зони, що світиться, дробленням бульбашок, і збільшенням швидкості їх евакуації із зони розряду. Основними факторами такої перебудови є розміри каналу та температура розчину. Випробовувалися різні матеріали стінок плазмохімічного реактора: оргскло, кераміка та іржостійка сталь завтовшки 2 мм. Максимальне збільшення амплітуди резонансних коливань залежить від радіусу комірки. Динамічний тиск, який в окремому розряді становить близько 5–15 мм водного стовпа в гирлі розряду, в резонансі збільшується до 150–200 мм водяного стовпа на дні плазмової комірки. Підвищення ефективності досягається оптимальним вибором тривалості струмової фази та відстані між електродами, яка становить 15–30 мм. Падіння напруги становить 70–80 % на іскровому розряді, решту посідає розчин. Виявлено перехід розряду в періодичний пульсуючий струмовий режим у разі підвищення температури розчину. Випробування на мобільній плазмохімічній установці процесу плазмового співосадження радіонуклідів ¹³⁷Cs, ¹³⁴Cs і ⁹⁰Sr з фероціанідними сорбентами в реальних умовах гідросепарації забрудненого ґрунту полів навколо АЕС Фукусіма-даіті показали зниження вмісту органічних речовин у воді у 40 разів, а радіоактивності у 75 разів.

Спонсор дослідження

Presentation of research in the form of publication through financial support in the form of a grant from SUES (Support to Ukrainian Editorial Staff).

Біографії авторів

Станіслав Володимирович Петров, Інститут газу Національної академії наук України

Доктор технічних наук, провідний науковий співробітник

Відділ плазмових технологій

Сергій Григорович Бондаренко, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра технології неорганічних речовин, водоочищення та загальної хімічної технології

Посилання

Andriushin, I. A., Iudin, Iu. A. (2010). Obzor problem obrashcheniia s radioaktivnymi otkhodami i otrabotavshim iadernym toplivom. Saratov: FGUP «RFIaTc–VNIIEF», 119.
Seida, V. A., Tcivun, A. P. (2012). Problemnye voprosy obrashcheniia s radioaktivnymi otkhodami na ChAES. Problemy Chernobylskoi zony otchuzhdeniia, 10, 40–53.
Evrard, O., Laceby, J. P., Nakao, A. (2019). Effectiveness of landscape decontamination following the Fukushima nuclear accident: a review. SOIL, 5 (2), 333–350. doi: https://doi.org/10.5194/soil-5-333-2019
Strategies and Practices in the Remediation of Radioactive Contamination in Agriculture (2016). Report of a Technical Workshop Vienna, 194.
The Fukushima Daiichi accident (2015). Vienna: International Atomic Energy Agency, 5, 218.
Greenpeace | Fukushima Daiichi 2011–2021 (2021). The decontamination myth and a decade of human rights violations, 47.
Fujiwara, H., Kuramochi, H., Nomura, K., Maeseto, T., Osako, M. (2017). Behavior of radioactive cesium during incineration of radioactively contaminated wastes from decontamination activities in Fukushima. Journal of Environmental Radioactivity, 178–179, 290–296. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2017.08.014
IAEA: Radioactive Waste Management Glossary (2003). Vienna: IAEA, 54.
IAEA: Application of Thermal Technologies for Processing of Radioactive Waste (2006). IAEA TECDOC 1527, Vienna, 90.
Decontamination guidelines (2013). Japanese Ministry of the Environment. Available at: http://josen.env.go.jp/en/policy_document/pdf/decontamination_guidelines_2nd.pdf Last accessed: 14.04.2019
Japanese Ministry of the Environment: Webpage on Environmental Remediation. Available at: http://josen.env.go.jp/en/framework/pdf/basic_principles.pdf Last accessed: 14.04.2019
Nakao, A., Ogasawara, S., Sano, O., Ito, T., Yanai, J. (2014). Radiocesium sorption in relation to clay mineralogy of paddy soils in Fukushima, Japan. Science of The Total Environment, 468-469, 523–529. doi: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.08.062
Nishikiori, T., Suzuki, S. (2017). Radiocesium decontamination of a riverside in Fukushima, Japan. Journal of Environmental Radioactivity, 177, 58–64. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2017.06.005
Parajuli, D., Kitajima, A., Takahashi, A., Tanaka, H., Ogawa, H., Hakuta, Y. et al. (2016). Application of Prussian blue nanoparticles for the radioactive Cs decontamination in Fukushima region. Journal of Environmental Radioactivity, 151, 233–237. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2015.10.014
Sakai, M., Gomi, T., Nunokawa, M., Wakahara, T., Onda, Y. (2014). Soil removal as a decontamination practice and radiocesium accumulation in tadpoles in rice paddies at Fukushima. Environmental Pollution, 187, 112–115. doi: https://doi.org/10.1016/j.envpol.2014.01.002
Yasutaka, T., Naito, W. (2016). Assessing cost and effectiveness of radiation decontamination in Fukushima Prefecture, Japan. Journal of Environmental Radioactivity, 151, 512–520. doi: https://doi.org/10.1016/j.jenvrad.2015.05.012
Nakayama, S., Kawase, K., Hardie, S., Yashio, S., Iijima, K., Mckinley, I. et al. (2015). Remediation of Contaminated Areas in the Aftermath of the Accident at the Fukushima Daiichi Nuclear Power Station: Overview, Analysis and Lessons Learned. Japan Atomic Energy Agency. JAEA-Review, 60.
Comans, R. N. J. (1997). Kinetics and reversibility of radiocaesium solid/liquid partitioning in sediments. ECN report number: ECN-RX--97-044, 20.
Liu, C., Zachara, J. M., Smith, S. C., McKinley, J. P., Ainsworth, C. C. (2003). Desorption kinetics of radiocesium from subsurface sediments at Hanford Site, USA. Geochimica et Cosmochimica Acta, 67 (16), 2893–2912. doi: https://doi.org/10.1016/s0016-7037(03)00267-9
Kim, J.-H., Kim, S.-M., Yoon, I.-H., Yang, H.-M., Kim, I. (2021). Novel two-step process for remediation of Cs-contaminated soil assisted by magnetic composites. Chemical Engineering Journal, 424, 130554. doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.130554
Nikolaevskii, V. B., Poluektov, P. P., Arustamov, A. E. (2011). Perspektivy razvitiia tekhnologii dezaktivatcii gruntov. Bezopasnost iadernykh tekhnologii i okruzhaiushchei sredy, 4, 114–117.
Petrov, S. V., Zabulonov, Y. L., Homma, M. (2021). Study on Plasma-Stimulated Remediation of Radioactively Contaminated Soil. New Approaches in Engineering Research, 3, 103–115. doi: https://doi.org/10.9734/bpi/naer/v3/10209d
Petrov, S. V. (2013). Plazmennaia ochistka vody i grunta ot tiazhelykh metallov i radionuklidov. Energotekhnologii i resursosberezhenie, 5, 38–46.
Petrov, S. V., Katircioğlu, T. Y. (2020). Technological Aspects of Steam and Water Plasma. OmniSkriptum Publishing Group, 481.
Koarashi, J., Nishimura, S., Atarashi-Andoh, M., Muto, K., Matsunaga, T. (2019). A new perspective on the 137Cs retention mechanism in surface soils during the early stage after the Fukushima nuclear accident. Scientific Reports, 9 (1). doi: https://doi.org/10.1038/s41598-019-43499-7
Rezaei, F., Vanraes, P., Nikiforov, A., Morent, R., De Geyter, N. (2019). Applications of Plasma-Liquid Systems: A Review. Materials, 12 (17), 2751. doi: https://doi.org/10.3390/ma12172751
Šimečková, J., Krčma, F., Klofáč, D., Dostál, L., Kozáková, Z. (2020). Influence of Plasma-Activated Water on Physical and Physical–Chemical Soil Properties. Water, 12 (9), 2357. doi: https://doi.org/10.3390/w12092357
Barjasteh, A., Dehghani, Z., Lamichhane, P., Kaushik, N., Choi, E. H., Kaushik, N. K. (2021). Recent Progress in Applications of Non-Thermal Plasma for Water Purification, Bio-Sterilization, and Decontamination. Applied Sciences, 11 (8), 3372. doi: https://doi.org/10.3390/app11083372
Foster, J. E. (2017). Plasma-based water purification: Challenges and prospects for the future. Physics of Plasmas, 24 (5), 055501. doi: https://doi.org/10.1063/1.4977921
Kosenkov, V. M. (2011). Rezonansnye kolebaniia tcilindricheskoi stenki razriadnoi kamery v rezultate elektricheskogo razriada v vode. Prikladnaia mekhanika i tekhnicheskaia fizika, 52 (4), 43–51.