Ushbu tadqiqot nurlangan yadroviy grafitda mavjud bo'lgan metall radionuklidlarni grafit massasini katta darajada saqlab qolgan holda ajratib olish maqsadida xolin xlorid-mochevina asosidagi chuqur evtektik erituvchida (DES) qo'llaniladigan siklik elektrokimyoviy jarayonni o'rganadi. Tadqiqotchilar dastlab sirtidan taxminan 20 nm chuqurlikda kobalt ionlari joylashtirilgan IG-110 grafit model (surrogate) namunalaridan foydalanib jarayonni optimallashtirdilar, so'ngra ushbu usulni Wylfa, Oldbury va Dungeness Magnox reaktorlaridan olingan haqiqiy neytron bilan nurlangan PGA grafitlariga tatbiq etdilar. Xolin xlorid-mochevina muhitida 150 °C da musbat va manfiy tok impulslaridan iborat 10 sikllik va jami 30 daqiqalik ishlov berish sirtga yaqin implantatsiya qilingan kobaltning %95 dan ortig'ini chiqarib tashladi. Haqiqiy Magnox grafitida esa ⁶⁰Co ning ajratib olinishi ko'p namunalarda %15-25 oralig'ida bo'lib, eng yuqori ko'rsatkichlar taxminan %30 ga yetdi.

SEM, Raman, TEM, HRTEM, XRD, XPS va ToF-SIMS natijalari ajratish grafitning butunlay erishi hisobiga emas, balki sirtidagi taxminan 1-2 µm qalinlikdagi qatlamning nazoratli tarzda eksfoliatsiyasi (qatlam-qatlam ajralishi) orqali sodir bo'lishini ko'rsatadi. Anod impulsida xlorid ionlari grafit qatlamlari orasiga kirishi (interkalyatsiya), katod impulsida esa qisman orqaga chiqishi yoki qayta taqsimlanishi; bu paytda xolindan hosil bo'lgan kichik kationik turlar kengaygan qatlamlar orasiga kira olishi ilgari surilmoqda. Takroriy interkalyatsiya va deinterkalyatsiya lokal panjara zo'riqishi hamda mikroyoriqlarni hosil qilib, ifloslangan sirt qatlamining ko'chib tushishiga olib keladi.

Usul grafit massasida o'lchanadigan yo'qotish hosil qilmagan holda sirtga yaqin ayrim radionuklidlarni ajratib olishga muvaffaq bo'ldi. Shunga qaramay, haqiqiy chiqindidagi ⁶⁰Co, ¹⁴C va ³H ning ajralishi kobalt implantatsiya qilingan model namunaga qaraganda ancha past bo'ldi. Buning asosiy sababi shundaki, model namunada kobalt 20-40 nm chuqurlikda to'plangan bo'lsa, haqiqiy reaktor grafitida radionuklidlar g'ovaklar va grafit hajmi bo'ylab ancha chuqurroq va geterogen tarzda taqsimlangan. Tadqiqot ushbu usulning chiqindi hajmini kamaytirish va grafitni qayta ishlashni qo'llab-quvvatlash salohiyatini namoyon etadi; ammo to'liq dekontaminatsiyalash, qayta foydalanish xavfsizligi, ikkilamchi chiqindilarni boshqarish va sanoat miqyosida qo'llash imkoniyati hali to'liq isbotlanmagan.

Tadqiqotning asosiy muammosi nimadan iborat?

Yadro grafiti grafit moderatorli reaktorlarda ham neytron moderatori, ham konstruksion material sifatida qo'llanilgan. Tadqiqotda dunyo bo'ylab 100 dan ortiq energetik reaktorlar grafitdan foydalangani va taxminan 300 000 tonna nurlangan yadroviy grafit chiqindisi uzoq muddatli boshqaruvni talab qilishi qayd etilgan.

Ushbu grafit shunchaki katta hajmdagi qattiq chiqindi emas. Reaktordagi neytron nurlanishi, xom ashyo aralashmalari, po'lat qismlardan ko'chib o'tgan korroziya mahsulotlari va reaktorning ishchi muhiti tufayli grafitda ⁶⁰Co, ¹⁴C, ³H hamda turli bo'linish yoki faollashuv mahsulotlari mavjud bo'lishi mumkin. Buyuk Britaniyada Magnox grafiti o'rta faollikdagi radioaktiv chiqindi sifatida tasniflanadi.

Hozirgi yondashuv qisqa umrli izotoplarning yemirilishini kutish uchun grafitni vaqtinchalik omborlarda saqlash va keyinchalik geologik ko'mish inshootlariga yuborishdan iborat. Biroq grafitning katta hajmi, ko'mish maydoniga bo'lgan ehtiyoj va yuqori xarajatlar grafit massasini yo'qotmasdan radioaktivlikni kamaytira oladigan usullarni tadqiq qilishni dolzarb qilib qo'ymoqda.

Mavjud dekontaminatsiyalash usullarida qanday muammolar bor?

Tadqiqotda uchta asosiy yondashuv taqqoslangan:

• Termik ishlov berish: Sirtga bog'langan ayrim ¹⁴C turlarini yo'qotishi mumkin; ammo yuqori harorat, katta energiya sarfi va grafitning oksidlanish xavfi mavjud.
• Kislotali yoki oksidlovchi ishlov berish: Grafitning kukunlanishiga, erishiga yoki jiddiy massa yo'qotishiga olib kelishi mumkin.
• Erigan tuzlar elektrokimyosi: O'zgaruvchan anod-katod sikllari orqali yuqori darajada tozalashni ta'minlay oladi; biroq taxminan 500 °C ishchi harorat, murakkab saqlash sharoitlari va uzoq vaqt talab qiladi.

Tadqiqotning maqsadi erigan tuzlar beradigan interkalyatsiya va eksfoliatsiyaga ancha past haroratlarda erisha oladigan elektrolit yaratishdan iborat.

Chuqur evtektik erituvchi (DES) nima?

Chuqur evtektik erituvchilar (deep eutectic solvents, DES) odatda vodorod bog'i akseptori bilan vodorod bog'i donorining ma'lum nisbatda aralashtirilishidan hosil bo'ladigan va komponentlarning alohida erish nuqtalaridan ancha past haroratda suyuqlanadigan aralashmalardir.

Tadqiqotda vodorod bog'i akseptori sifatida xolin xlorid, donor sifatida esa mochevina, etilen glikol yoki shovul (oksalat) kislotasi ishlatilgan. Komponentlar 1:2 molyar nisbatda aralashtirilib, 60 °C da bir jinsli shaffof suyuqlik hosil bo'lguncha qizdirilgan.

Ushbu erituvchilarning asosiy afzalliklari:

• Metallarni eritish va elektrokimyoviy tashish qobiliyati,
• Ionli o'tkazuvchanlik,
• Grafit sirti bilan faol o'zaro ta'sirlashish,
• Erigan tuzlarga nisbatan pastroq haroratlarda ishlash imkoniyati,
• Tarkibida xlorid ioni bo'lgani sababli grafit qatlamlari orasiga ionlar kirishini ta'minlash.

Xolin xlorid-mochevina tizimi o'rganilgan erituvchilar ichida eng keng elektrokimyoviy darchaga va eng yuqori o'tkazuvchanlikka ega ekanini ko'rsatdi.

Kobalt implantatsiya qilingan grafit nima uchun ishlatildi?

Haqiqiy reaktor grafitida radionuklidlar turli xil kimyoviy shakllarda, har xil g'ovaklarda va turlicha chuqurliklarda joylashganligi sababli mexanizmni to'g'ridan-to'g'ri haqiqiy chiqindida o'rganish juda qiyin. Shu sababli tadqiqotchilar sirtga yaqin, nazorat qilinadigan va aniq o'lchash mumkin bo'lgan metal taqsimotini yaratish uchun IG-110 markali yadroviy grafitga kobalt ionlarini implantatsiya qildilar.

Kobalt implantatsiyasi quyidagi sharoitlarda bajarilgan:

• Ion: Co⁺,
• Energiya: 25 keV,
• Flyuens: 1,27 × 10¹⁶ ion/sm²,
• Namuna nishon burchagi: 7°,
• SRIM modeli bo'yicha maksimal zichlik: taxminan 20 nm chuqurlikda,
• Implantatsiyalangan qatlamning umumiy chuqurligi: taxminan 40 nm gacha.

Haqiqiy nurlangan grafit namunalari qanday tanlangan?

Optimallashtirilgan usul Wylfa, Oldbury va Dungeness Magnox reaktorlaridan olingan neytron bilan nurlangan Pile Grade A (PGA) grafitiga tatbiq etildi. PGA boshlang'ich holatida %20 gacha g'ovaklikka ega bo'lgan polikristall grafitdir.

Namunalar taxminan 6 dpa nurlanish dozasiga va taxminan 270 °C nurlanish haroratiga duchor bo'lgan. Diametri 12 mm bo'lgan silindrsimon namunalar 6 ± 1 mm qalinlikda kesib olingan va real sharoitni aks ettirish uchun oldindan tozalanmasdan ishlatilgan.

Elektrokimyoviy yacheyka qanday tuzilgan?

Jarayon 40 mL DES saqlovchi uch elektrodli silindrsimon yacheykada amalga oshirildi:

• Ishchi elektrod: Tozalanadigan grafit namunasi,
• Yordamchi (qarshi) elektrod: Grafit tayoqcha,
• Yarim solishtirish elektrodi: Kumush sim.

Grafit namunasi yuqori haroratga chidamli o'tkazuvchan uglerod pastasi bilan ushlagichga mahkamlangan. Faqat namunaning old yuzasi erituvchiga ochiq qoldirilgan. Haroratni nazorat qilish uchun yacheyka moy vannasiga joylashtirilgan.

Gaz tutish tizimi nimani o'lchadi?

Yacheykadan chiquvchi gazlar yopiq tutish tizimiga yuborildi. Chiqindi gazlar CuO katalizatorli pechda oksidlandi, ³H 0,1 M HNO₃ eritmasida, ¹⁴C esa maxsus uglerod yutuvchi muhitda tutib qolindi. Tutib olish samaradorligi ³H uchun %95 ± 5, ¹⁴C uchun %90 ± 5 bo'ldi.

Nima uchun faqat musbat tok yetarli bo'lmadi?

Tadqiqotchilar dastlab doimiy musbat tok bilan anodli eritishni sinab ko'rdilar. Xolin xlorid-mochevinada 100, 200 va 500 mA tokning 60 daqiqa davomida qo'llanilishi sezilarli kobalt ajralishini bermadi. Faqat musbat tok grafit qatlamlarini yetarlicha kengaytira olmagan va sirtni eksfoliatsiya qilmagan.

Eng samarali ishlov berish tartibi qaysi?

Xolin xlorid-mochevina erituvchisida musbat va manfiy toklar navbatma-navbat berilgan 10 sikllik jarayon implantatsiya qilingan kobaltning %95 dan ortig'ini 30 daqiqa ichida ajratib oldi. Har bir sikl:

• 2 daqiqa anod impulsi,
• 1 daqiqa katod impulsini

o'z ichiga oladi. Jami 10 ta sikl 30 daqiqa davom etadi.

ToF-SIMS natijalari kobalt ajralishini qanday ko'rsatdi?

2-rasmda kobaltning chuqurlik profillari ko'rsatilgan. Bir qutbli ishlovlardan so'ng Co profili o'zgarishsiz 20 nm atrofida cho'qqi hosil qilgan. Xolin xlorid-mochevinadagi 10 sikldan keyin esa Co signali keskin pasayib, dastlabki qiymatning %5 idan ham past darajaga tushgan.

Sirt eksfoliatsiyasi qanday kuzatildi?

SEM tasvirlarida 10 sikldan keyin sirtda yaqqol qatlam-qatlam ajralish (eksfoliatsiya) ko'rindi. Eksfoliatsiya asosan g'ovaklar, qatlam chetlari, donalar chegaralari va implantatsiyadan zararlangan joylardan boshlanib, mikroyoriqlar hosil qilgan. Sirtqi 1-2 µm li ifloslangan qatlamning ko'chishi kobaltning ajralib chiqishiga asosiy sabab bo'lgan.

Raman spektrlari nimani ko'rsatadi?

Eksfoliatsiya bo'lmagan sohada Raman D va G chiziqlari kengaygan va bir-biriga qo'shilib ketgan bo'lsa, eksfoliatsiya bo'lgan sohada D va G chiziqlari aniq ajralgan. Bu esa zararlangan yuqori qatlam ko'chib tushib, ostidagi nisbatan tartibli grafit ochilganini tasdiqlaydi.

HRTEM o'lchovlari grafit qatlamlari kengayganini ko'rsatdimi?

Dastlabki ishlov berilmagan grafitda qatlamlararo masofa 3,35 ± 0,02 Å bo'lgan. Ishlov berilgan namunaning xloridga boy zonalarida bu masofa 3,63 ± 0,06 Å gacha (taxminan %7 ga) kengaygan.

Bragg qonuni va Scherrer tenglamasi natijalari

Bragg qonuni bo'yicha:

\[ d = \frac{\lambda}{2\sin\theta} \]

XRD da (002) piki 26,41° dan 26,35° ga siljib, o'rtacha d₀₀₂ masofasi 3,37 Å dan 3,38 Å ga o'zgargan.

Scherrer tenglamasi bo'yicha:

\[ L_c = \frac{K\lambda}{\beta\cos\theta} \]

kristallitlar balandligi L_c 18,95 nm dan 15,50 nm ga tushgan (taxminan %18 kamayish), bu esa qatlamlar tartibsizligi ortganini bildiradi.

ToF-SIMS xolindan hosil bo'lgan qanday turlarni aniqladi?

10 sikllik jarayondan so'ng quyidagi kationik bo'laklar topilgan:

• Xolin⁺: C₅H₁₄NO⁺, m/z 104,107,
• Trimetilammoniy⁺: C₃H₁₀N⁺, m/z 60,081,
• Aminiy/iminiy turi: C₃H₈N⁺, m/z 58,065.

Bu turlar taxminan 100 nm chuqurlikkacha aniqlangan bo'lib, katod zarbasida kengaygan qatlamlar orasiga kirishi mumkinligini ko'rsatadi.

Tavsiya etilgan dekontaminatsiya mexanizmi qanday ishlaydi?

1. Anod zarbasi: Musbat tok grafitdagi nuqsonli qirralar va g'ovaklarni faollashtiradi.
2. Xlorid interkalyatsiyasi: Cl^- ionlari sirtga yaqin qatlamlar orasiga kiradi.
3. Qatlam kengayishi: Qatlamlararo masofa oshadi va panjara zo'riqishi yuzaga keladi.
4. Katod zarbasi: Xlorid qisman chiqadi yoki qayta taqsimlanadi; xolindan hosil bo'lgan kichik kationlar kengaygan joylarga kiradi.
5. Zo'riqish sikli: Ionlarning kirib-chiqishi qatlamlararo siljish va nomutanosiblikni keltirib chiqaradi.
6. Mikroyoriqlar rivojlanishi: Zo'riqish g'ovaklar va donalar chegarasida jamlanadi.
7. Eksfoliatsiya: Sirtqi 1-2 µm qatlam ko'chib tushadi.
8. Radionuklidlar ajralishi: Ifloslantiruvchi moddalar erituvchiga o'tadi yoki ko'chgan qatlam bilan birga ajraladi.

Dekontaminatsiya koeffitsiyenti (DF) qanday hisoblandi?

\[ DF = \frac{A_0-A}{A_0}\times100 \]

• DF: Dekontaminatsiya foizi,
• A₀: Dastlabki faollik,
• A: Qoldiq faollik.

Haqiqiy Magnox grafitida ⁶⁰Co qanchalik tozalandi?

Haqiqiy nurlangan Magnox grafitlarida ⁶⁰Co tozalanish koeffitsiyenti ko'pchilik namunalarda %15-25 oralig'ida bo'ldi. Ayrim alohida namunalarda bu ko'rsatkich %30 ga yetdi. Reaktorlar bo'yicha o'rtacha tozalanish: Oldbury uchun taxminan %18, Dungeness uchun %14, Wylfa uchun %20 ni tashkil etdi.

Model namunada %95, haqiqiy grafitte nega %15-30 tozalanish olingan?

Model IG-110 grafitida kobalt faqat 20-40 nm chuqurlikda joylashgan bo'lib, eksfoliatsiya bo'ladigan 1-2 µm qatlam ichida to'liq qolgan edi. Haqiqiy reaktor grafitida esa ⁶⁰Co o'nlab yillar davomida grafitning chuqur g'ovaklariga va hajmiga tarqalgan. Yuzaki 1-2 µm qatlamning ko'chirilishi faqat sirtga yaqin radionuklidlarni olib tashlay oladi.

¹⁴C va ³H natijalari nimani ko'rsatdi?

¹⁴C ning tozalanishi barcha namunalarda %10 dan past bo'ldi (Wylfa da %6-7, Oldbury da %1-2). ³H (tritiy) tozalanishi esa %1 dan ham past bo'ldi. Bu tritiy va uglerod-14 ning asosiy qismi sirtda emas, balki grafitning ichki hajmida bog'langanligini ko'rsatadi.

Boshqa gamma taratuvchi radionuklidlar natijalari

Ayrim tajribalarda ²⁴¹Am, ¹³³Ba va ¹⁵⁵Eu uchun %60 ga yaqin tozalanish qayd etildi. ¹³⁷Cs va ¹⁵⁴Eu tozalanishi esa asosan %10-25 oralig'ida bo'ldi. Ayniqsa ochiq g'ovakligi yuqori bo'lgan Oldbury namunalarida ba'zi radionuklidlarning tozalanishi yuqoriroq kechgan.

Grafitning asosiy strukturasi saqlanib qoldimi?

XRD va mikroskopiya tahlillari grafitning asosiy kristall fazasi saqlanib qolganini va sezilarli umumiy massa yo'qotilmaganini ko'rsatdi. O'zgarishlar faqat yuqori 1-2 µm li sirt qatlamining eksfoliatsiyasi, lokal qatlamlar kengayishi va sirtda oz miqdorda xlorid hamda organik qoldiqlar qolishi bilan chegaralangan.

Tadqiqotning kuchli tomonlari qanday?

• Model kobalt implantatsiyasi va haqiqiy reaktor grafitlari birgalikda o'rganilgan.
• Uch xil chuqur evtektik erituvchi qiyoslangan.
• ToF-SIMS yordamida kobalt profili chuqurlik bo'yicha aniq o'lchangan.
• SEM, TEM, Raman, XRD va XPS orqali sirt eksfoliatsiyasi va xlorid interkalyatsiyasi har tomonlama isbotlangan.
• Wylfa, Oldbury va Dungeness kabi 3 ta real reaktor chiqindisida sinov o'tkazilgan.
• Gamma spektrometriyasi va suyuqlik ssintillyatsiyasi yordamida radionuklidlar balansi aniqlangan.

Tadqiqotning cheklovlari qanday?

• Tadqiqot taqrizdan o'tmagan preprintdir.
• Tajribalar 40 mL li kichik laboratoriya yacheykasida o'tkazilgan; yirik bloklar tekshirilmagan.
• Haqiqiy ⁶⁰Co tozalanishi atigi %15-25, ¹⁴C < %10 va ³H < %1 bo'lgan.
• DES erituvchisini necha marta qayta ishlatish mumkinligi va radionuklidlarni erituvchidan ajratib olish usullari ko'rsatilmagan.
• Ikkilamchi suyuq chiqindilarni utilizatsiya qilish masalasi o'rganilmagan.
• Energiya va iqtisodiy xarajatlar tahlili qilinmagan.

Tadqiqot nimani tasdiqlaydi?

• Xolin xlorid-mochevinada davriy anod-katod impulslari sirtga yaqin kobaltni samarali ajratadi.
• Xlorid ionlari grafit qatlamlari orasiga kirib, lokal kengayish va zo'riqish hosil qiladi.
• Davriy impulslar sirtqi 1-2 µm qatlamning nazoratli eksfoliatsiyasiga olib keladi.
• Usul grafitning asosiy massasini buzmasdan sirtiy radionuklidlarni tozalay oladi.

Tadqiqot nimani isbotlamaydi?

• Grafit tozalangandan so'ng uni to'g'ridan-to'g'ri qayta ishlatish mumkinligini isbotlamaydi.
• Chiqindi toifasini pasaytirish yoki erkin chiqarish darajasiga yetkazish kafolatlanmagan.
• Barcha ⁶⁰Co, ¹⁴C yoki ³H to'liq yo'qotilishini ko'rsatmaydi.
• Sanoat miqyosida jarayonning tejamkorligini isbotlamaydi.

Tadqiqotning metodologiyasi va natijalari

Namunalar va tajriba sxemasi

Xarakterizatsiya usullari

Asosiy strukturaviy natijalar

Asosiy dekontaminatsiya natijalari

Manba va metodologiya bo'yicha izoh

Tadqiqotning to'liq asl nomi: Electrochemical Decontamination of Nuclear Graphite in Deep Eutectic Solvents

PDF dagi mualliflar: F. S. Altamimi; E. Aradi; B. F. Spencer; S. Sheraz; N. P. Lockyer; A. N. Jones; C. A. Sharrad.

Mas'ul muallif: F. S. Altamimi (Fa.altamimi@outlook.sa)

Tashkiliy mansubliklar

1. Department of Chemical Engineering, The University of Manchester, Manchester M13 9PL, Buyuk Britaniya.
2. The Nuclear Graphite Research Group, Henry Royce Institute, The University of Manchester, Buyuk Britaniya.
3. Dalton Nuclear Institute, The University of Manchester, Buyuk Britaniya.
4. Department of Chemical Engineering, The University of Hail, Hail 55476, Saudiya Arabistoni.
5. Photon Science Institute, Department of Materials, The University of Manchester, Buyuk Britaniya.
6. Photon Science Institute, Department of Chemistry, The University of Manchester, Buyuk Britaniya.

Preprint DOI: 10.2139/ssrn.6946187

Nashr platformasi: SSRN

Nashr sanasi: 15-iyun 2026-yil

Rasmiy havola:https://ssrn.com/abstract=6946187

Taqriz holati: Tadqiqot ilmiy taqrizdan o'tmagan preprint hisoblanadi.

Moliyalashtirish: University of Hail doktorantura granti, Henry Royce Institute, EPSRC va Buyuk Britaniya Milliy Yadroviy Foydalanuvchilar Markazi (NNUF).

Manfaatlar to'qnashuvi: Mualliflar moddiy yoki shaxsiy manfaatlar to'qnashuvi yo'qligini bildirganlar.

Ushbu o'zbekcha maqola yuklangan preprintning barcha matni, jadvallari, grafiklari va mikroskopiya tahlillari asosida tayyorlandi. PDF dan tashqari yangi da'volar qo'shilmadi.

Ushbu tadqiqot taqrizdan o'tmagan preprintdir; natijalar mazkur cheklovlar hisobga olingan holda o'qilishi lozim.