Working with Radioactive Waste - Chemistry and Chemists № 1 2026

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Radioactive Waste Evaporation - Part 1
Работа с радиоактивными отходами
Выпаривание радиоактивных отходов - Часть 1

A colleague came into the laboratory, brought a 0.5-liter bottle of brown liquid, and asked:

"Is there any way to precipitate it? I mean, reduce the turbidity."

The bottle contained radioactive waste. Humic acids gave it its brown color. At first, I thought my colleague wanted me to clarify the water by precipitating or destroying the organic matter responsible for the coloration.

"I can add iron(III) chloride, followed by sodium carbonate or calcium hydroxide. This will lead to the formation of an iron hydroxide precipitate, which absorbs the organic contaminants."

"Do you have these substances?"

I had the necessary reagents; the problem was locating them. They were stored in the unheated laboratory. In winter, the temperature there dropped below freezing, and now the room was cold and damp. Consequently, I rarely visited that laboratory.

Trying to recall where the jar of iron(III) chloride was, I couldn't help but picture a large industrial water treatment plant used to process water from the Dnipro River. Then I realized that the bottle did not contain natural water that needed to be treated with a coagulant, filtered, and disinfected to make it potable - it contained radioactive waste. I asked my colleague a few more questions.

It turned out that he was not interested in clarifying the water, but in transferring radioactive isotopes into a solid phase - a process he referred to as "precipitation." The goal was to measure the activity of cesium-137 in the contaminated water. To do this, the cesium had to be brought into a solid phase.

Thus, the cesium needed to be precipitated, along with any other radioactive isotopes that might be present in the sample. The question was which method would be most suitable. The precipitation needed to be as complete as possible - ideally quantitative. My colleague was not a chemist but a materials scientist, so he could not offer any guidance.

The chemical composition of the waste was unknown, so I decided that the safest approach would be to evaporate the solution, converting both dissolved substances and suspended particles into a solid residue. My colleague did not object.

I brought a porcelain evaporating dish. I did not dare place it directly on the hotplate, as the heat could be excessive, causing the liquid to boil violently and splash. Instead, I set up a sand bath and placed the dish on it, pouring in a small amount of the brown liquid. I plugged in the hotplate and waited. A long time passed, but the solution did not boil - the heating was too weak. I then placed the dish directly on the hotplate, but this did not help; the heat was still insufficient.

Eventually, I figured out how to connect the hotplate to a different electrical circuit - and the liquid immediately began to boil. The original circuit simply did not supply enough power. As the liquid evaporated, I added more. Judging by the appearance of the resulting solid, the solution contained a high concentration of inorganic salts. When I mentioned this, my colleague replied:

"I think you're right. The original solution contained a lot of nitric acid; I neutralized it with sodium hydroxide."

This response concerned me. I recalled an incident that had occurred in our laboratory before I began working at the institute. The staff had treated peat with perchloric acid, then with potassium hydroxide, and finally rinsed it with water. While the peat was drying in a drying oven, an explosion occurred. The cause was clear: the reaction of perchloric acid with potassium hydroxide produced poorly soluble potassium perchlorate. During rinsing, only a small portion dissolved, leaving the compound in the peat.

As is well known, perchlorates can form explosive mixtures with organic substances. Perchlorates containing organic cations are particularly dangerous.

In our case, sodium nitrate and organic matter were present in the solution. After evaporation, a substance with properties similar to those of gunpowder (black powder) would form. If overheated, the dry residue would most likely not explode but could ignite. Such a fire would be impossible to extinguish, since both the oxidizer and the fuel are contained within the same material. I would have to wait for the sample to burn out, ensuring that the combustion did not spread to surrounding objects.

To avoid overheating, I evaporated the sample only to a viscous slurry and then turned off the heat. The remaining water evaporated due to the residual heat of the hotplate, leaving behind a light-brown mass in the form of soft lumps.

My colleague then measured the activity of the sample. It turned out to be only 4 Bq (approximately 8 Bq/L). I checked the drinking water standards: the recommended limits were no more than 0.1 Bq/L for alpha-emitting isotopes and no more than 1 Bq/L for beta-emitting radionuclides. In other words, the activity of the waste was quite low.

Photos/Video

Работа с радиоактивными отходами
Выпаривание радиоактивных отходов - Часть 1

В лабораторию пришел коллега, принес 0.5 л бутылку с бурой жидкостью и спросил:

- Нельзя ли как-то осадить? Я имею в виду уменьшить мутность.

В бутылке были радиоактивные отходы. Бурый цвет им предавали гуминовые кислоты. Сначала я подумал, что коллега хотел, чтобы я осветлил воду, осадив или разрушив органические вещества, которые предавали воде окраску.

- Можно добавить хлорид железа (III), а затем прибавить карбонат натрия или гидроксид кальция. Образуется осадок гидроксида железа, который сортирует органические загрязнители.

- А эти вещества у тебя есть?

Необходимые вещества у меня были, проблема была в том, чтобы их найти. Реактивы хранились в лаборатории, где не было отопления. Зимой в помещении температура упала ниже нуля, сейчас там было холодно и сыро. Следовательно, я редко бывал в той лаборатории.

Пытаясь вспомнить, где находится банка с хлоридом железа (III), я мимо воли представил огромную промышленную установку водоподготовки, на которой проводится обработка речной воды из Днепра. И тут я осознал, что в бутылке ведь не содержится природная вода, в которую следует добавить коагулянт, профильтровать и провести обеззараживание, чтобы вода стала питьевой. В бутылке находились радиоактивные отходы. Я задал коллеге несколько дополнительных вопросов.

Оказалось, что его интересовало не осветление воды, а переведение радиоактивных изотопов в твердую фазу - процесс, который он называл "осаждение". Задача была измерить активность цезия-137, содержащегося в загрязненной воде. Для этого было необходимо перевести цезий в твердую фазу.

Итак, следовало осадить цезий, а также другие радиоактивные изотопы, которые могли содержаться в жидком образце. Вопрос, каким методом это лучше сделать? Необходимо было как можно более полное осаждение, в идеале - количественное. Коллега был не химиком, а материаловедом, поэтому он не мог мне помочь советом.

Химический состав отходов был неизвестен, поэтому я решил, что надежнее всего будет упарить раствор, в результате растворенные вещества и взвешенные частицы превратятся в твердый материал. Коллега не возражал против такого подхода.

Я принес фарфоровую выпарную чашку. Напрямую поместить чашку на плитку не решился, поскольку плитка давала слишком сильный нагрев, это могло вызвать бурное кипение и разбрызгивание отходов. Поместил на плитку песчаную баню, а на баню поставил чашку, налив в нее немного коричневой жидкости. Включил плитку в розетку, ждал. Прошло много времени, а раствор в чашке не закипел. Нагрев оказался слишком слабым. Поставил чашку напрямую на плитку, но и это не помогло - нагрев все равно был недостаточным.

Тогда догадался подключить плиту к другому электрическому щитку - сразу же началось кипение жидкости. Значит, в первой сети просто не хватало мощности. По мере испарения жидкости добавлял новые порции. Судя по внешнему виду образовавшейся твердой фазы, раствор имел высокую концентрацию неорганических солей. Когда я сказал об этом коллеге, тот ответил:

- Думаю, что ты прав. Исходный раствор содержал много азотной кислоты, я нейтрализовал его гидроксидом натрия.

Такой ответ меня обеспокоил. Я вспомнил случай, который произошел в нашей лаборатории еще до того, как я начал работать в институте. Сотрудники обработали торф сначала хлорной кислотой, затем гидроксидом калия, после чего промыли водой. Во время сушки торфа в сушильном шкафу произошел взрыв. Причина была очевидна: в результате реакции хлорной кислоты с гидроксидом калия образовался малорастворимый перхлорат калия. При промывке торфа водой лишь небольшая часть этого вещества растворилась. В результате в торфе остался перхлорат калия.

Как известно, перхлораты образуют взрывчатые смеси с органическими веществами. Особенно опасны перхлораты, которые содержат в своем составе органические катионы.

В нашем случае в растворе одновременно присутствовали нитрат натрия и органические вещества. Следовательно, после испарения воды образуется аналог черного пороха. В случае перегрева, сухой остаток, скорее всего, не взорвется, зато загорится. Огонь не удастся потушить, поскольку окислитель и топливо содержатся в одном материале. Придется ждать, пока образец сгорит и следить, чтобы пламя не перекинулось на окружающие предметы.

Чтобы избежать перегрева, я упарил образец до состояния вязкой кашицы и выключил нагрев. Оставшаяся вода испарилась за счет остаточного тепла электрической плитки. Образовалась светло-коричневая масса в виде непрочных комков.

Коллега провел измерение активности образца. Оказалось, что активность составляла целых 4 Bq (или около 8 Bq/L). Посмотрел нормы для питьевой воды. Оказалось, что ориентировочные цифры - не более 0.1 Bq/L для альфа-активных изотопов и не более 1 Bq/L для бета-активных радионуклидов. Другими словами, радиоактивные отходы оказались довольно низкоактивными.

Having noticed a mistake in the text, allocate it and press Ctrl-Enter

Uranium Soup (Radioactive Waste Evaporation) - Part 2
Урановый суп (выпаривание радиоактивных отходов) - Часть 2

The results of the previous experiment were unsatisfactory - the activity of the waste was too low. I did not delve into the details of the study, as I was working on a completely different topic.

The next day, my colleague brought two one-liter bottles and one six-liter bottle containing a brown liquid. There were about seven liters in total. He explained that these were uranium enrichment tailings - the activity of this waste should be significantly higher. The goal remained the same: to evaporate the water so that the activity of the dry residue could be measured.

I placed the evaporating dish on an electric hotplate, poured in the first portion of the waste, and turned on the heat. After some time, the liquid began to boil. As the water evaporated, I added more portions of the waste to the dish. Initially, the new sample behaved similarly to the previous one and caused no issues during evaporation. However, as it became more concentrated, the liquid began to foam, like boiling milk. Soon, the foam splashed onto the hotplate. I immediately removed the evaporating dish from the hotplate and turned off the heat. The spilled liquid quickly evaporated, forming a brown crust on the surface. Would it ignite?

The previous waste sample had contained a high concentration of sodium nitrate along with organic matter. If the water had completely evaporated and the residue had overheated, this mixture could easily have ignited. The current sample contained far fewer dissolved salts - this was clearly visible during evaporation. Did it contain nitrates? I had forgotten to ask my colleague. Fortunately, the residue did not ignite.

I scraped the solid crust off the hotplate and placed it on a porcelain plate. I also transferred the semi-liquid mass from the evaporating dish onto the same plate. Then I poured a new batch of waste into the dish and continued the process. This time, I carefully controlled the heating to prevent excessive foaming. At the end of the day, I turned off the hotplate but left the dish in place so that the residual heat could continue evaporating the remaining water.

The next day, I found that the waste had spread over the entire hotplate and dried, forming a hard crust. I began cleaning the surface. Another colleague arrived and saw what I was doing. Shortly afterward, he brought in a large porcelain evaporating dish - over 30 centimeters in diameter. I had never seen one like it.

"Look what I found in my laboratory!"

"But that evaporating dish isn't suitable for my purposes."

"You're right."

"Then why did you bring it?"

"Well, maybe you'll find it useful someday..."

Imagine this: you are served a bowl of soup in a restaurant, but instead of a spoon, you are given a laser rangefinder, a vacuum gauge, or a neutron detector. Any of these instruments is far more expensive and far less accessible than a spoon - yet none of them will help you eat your soup. My colleague behaves in much the same way: he collects not the equipment or reagents we actually need, but whatever happens to interest him. Moreover, he later suggests using these items in practice. For example, imagine a situation in which I need to weigh something but have no balance. Instead, a colleague might bring a precision thermometer, a hygrometer, and a barometer, arguing: "What if you need to monitor temperature, pressure, and humidity during the weighing?" He fails to take into account that weighing requires a balance, not a thermometer. But I digress.

I remembered that there were several saucepans in the laboratory. My predecessors had cooked food in them - right there in the chemistry laboratory. They had left behind a considerable amount of kitchenware and even food products. The fact that uranium and thallium compounds had previously been handled in this room did not seem to bother them in the least.

I had been using these pots as water baths, so I was reluctant to evaporate radioactive waste in them. However, there were no other suitable vessels available. I suspect my predecessors would not have appreciated the "soup" I was about to "cook" in their cookware.

I poured the waste into a tall pot, placed it on the hotplate, and turned on the heat. At first, the liquid boiled gently, but then it began to foam, forcing me to reduce the heating from time to time. Had the pot been shallower, the liquid would have overflowed onto the hotplate much earlier.

The evaporation process took two days. After most of the water had evaporated, a wet salt crust formed on the surface. I transferred it to a plate using a sturdy steel spoon. Beneath this crust, a layer of gray material had formed, resembling solid concrete. With considerable effort, I managed to pierce it with a metal spatula. It turned out that this layer was not adhered to the bottom of the pot; a gap had formed between them.

After a prolonged effort with a hammer, I managed to dislodge the gray mass from the pot. Only then did I notice that my gloves and clothes were heavily soiled. Six months earlier, I had used the same hammer to compact a thermite mixture containing soot.

I collected the dry residue in a porcelain dish and placed it in a drying oven for three hours at a temperature above 100°C to remove any remaining moisture.

Finally, I brought the dried residue to my colleague. He measured its activity: 42 Bq (approximately 6 Bq/L). The new waste sample also had low activity. My colleague promised to bring another sample.

Photos/Video

Урановый суп (выпаривание радиоактивных отходов) - Часть 2

Результат предыдущего эксперимента получился неудовлетворительным - активность отходов была слишком низкой. В суть исследования я не вникал, поскольку работаю над совсем другой тематикой.

На следующий день коллега принес две литровые и одну шестилитровую бутылку, содержащие коричневую жидкость. Всего было около семи литров. Он объяснил, что это хвосты обогащения урана - активность данных отходов должна быть значительно выше. Задача была та же - упарить воду, чтобы можно было измерить активность сухого остатка.

Поставил выпарную чашку на электрическую плитку, налил первую порцию отходов, включил нагрев. Со временем жидкость закипела. По мере испарения воды добавлял в чашку новые порции отходов. Сначала новый образец вели себя аналогично предыдущему, не создавая проблем при упаривании. Однако, по мере концентрирования жидкость стала пениться, словно кипящее молоко (старшее поколение поймет аналогию). Потом пена выплеснулась на горячую плитку. Я сразу же снял выпарную чашку с плиты и выключил нагрев. Разлитая жидкость быстро испарилась, образовав коричневую корку поверх горячей плитки. Сейчас загорится?

Предыдущий образец отходов содержал много нитрата натрия в комбинации с органическими веществами. В случае полного испарения воды и перегрева твердого остатка такая смесь могла легко воспламениться. Текущий образец содержал гораздо меньше растворенных солей - это было хорошо видно в процессе упаривания. Содержал ли он нитраты? Об этом я забыл спросить у коллеги. К счастью, твердый остаток не загорелся.

Отскреб твердую корку с поверхности электроплитки и поместил твердую массу в фарфоровую тарелку. Сюда же переместил полужидкую массу из выпарной чашки. Налил в чашку новую порцию отходов, продолжил процесс. В этот раз я тщательно регулировал нагрев, чтобы предотвратить образование слишком большого количества пены. В конце дня выключил электрическую плиту, но не снял с нее выпарную чашку, чтобы испарение воды продолжилось за счет остаточного тепла электроплитки.

На следующий день обнаружил, что отходы залили всю плиту и высохли, образовав твердую корку. Стал чистить плитку. Пришел другой коллега, увидел, чем я занимаюсь. Чуть позже он принес огромную фарфоровую выпарную чашку. Она была больше 30 сантиметров в диаметре - я таких никогда не видел.

- Вот, смотри, что я нашел в своей лаборатории!

- Но ведь эта выпарная чашка для моих целей не подходит.

- Ты прав.

- Зачем же ты ее принес?

- Ну, может, когда-то она тебе пригодится....

Представьте себе ситуацию. В ресторане вам принесли тарелку супа, а вместо ложки дали лазерный дальномер или вакуумметр, или детектор нейтронов. Любой из перечисленных предметов стоит гораздо дороже, чем ложка и намного менее доступен, чем ложка. Однако, данные вещи вам не помогут съесть суп. Примерно так поступает и мой коллега: он собирает не то оборудование и не те реактивы, которые нужны для нашей работы, а все вещи, которые ему нравится. Однако, обычным коллекционированием дело не ограничивается. Позже коллега предлагает использовать эти вещи для работы. Например, представим гипотетическую ситуацию: мне нужно провести взвешивание, но весы отсутствуют. Вместо весов коллега может принести прецизионный термометр, гигрометр и барометр. В качестве обоснования коллега скажет: "А вдруг тебе понадобится контролировать температуру, давление и влажность во время взвешивания?" Тот факт, что для взвешивания нужны весы, а не термометр, коллега не учитывает. Но я слишком отвлекся.

Вспомнил, что в лаборатории есть несколько кастрюль. Мои предшественницы варили в них пищу - прямо в химической лаборатории. После них осталось много кухонной посуды и даже пищевых продуктов. То, что раньше в этом помещении люди работали с соединениями урана и таллия, предшественниц ничуть не пугало.

Я использовал эти кастрюли в качестве водяных бань, поэтому упаривать радиоактивные отходы в них не хотелось. Однако, других подходящих сосудов в лаборатории не было. Думаю, что "суп", который я собирался "варить" в их кастрюле, моим предшественницам бы не понравился.

Налил отходы в высокую кастрюлю, поставил на плиту, включил нагрев. Сначала жидкость кипела спокойно, потом стала пениться - время от времени приходилось уменьшать нагрев. Если бы кастрюля была низкой, жидкость давно выплеснулась бы на плитку.

Процесс упаривания занял два дня. После испарения воды сверху образовалась влажная корка солей, которую я перенес в тарелку с помощью прочной стальной ложки. Под этой коркой образовался слой серого материала, который напоминал прочный бетон. С большим трудом мне удалось проткнуть его прочным металлическим шпателем. Оказалось, что этот слой материала не прилегал к дну кастрюли, между ними образовалась прослойка воздуха.

Потратив много времени, выбил серую массу из кастрюли ударами молотка. Затем обнаружил, что перчатки и одежда были сильно испачканы. Полгода назад этим молотком я утрамбовывал термитную смесь, содержащую сажу.

Собрал сухой остаток в фарфоровую тарелку и поместил ее в сушильный шкаф на 3 часа при температуре более 100°С, чтобы удалить остатки воды.

Наконец, отнес сухой остаток коллеге. Он измерил его активность, которая оказалась равной 42 Bq (или 6 Bq/L). Новый образец отходов также был малоактивным. Коллега пообещал принести следующий образец.