Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Павленко В.И. 1 Ястребинский Р.Н. 1 Павленко З.В. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Авторами разработаны способы переработки и утилизации жидких радиоактивных отходов посредством их включения в бетонные матрицы с железооксидными наполнителями с последующей контейнеризацией твердых радиоактивных отходов. Использование железооксидной матрицы обеспечивает снижение мощности экспозиционной дозы объекта переработки, снизит альфа-загрязненность поверхности компаунда и обеспечивает минимизацию объема вторичных отходов за счет переводы жидких радиоактивных отходов в твердые. Для прогнозирования возможных изменений в железооксидной матрице изучены механизмы и кинетика взаимодействия высокоэнергетических пучков различной физической природы на структуру и свойства полученных материалов. Изучены защитные свойства железобетонных материалов при воздействии на них точечных и объемных гамма-источников. Подтверждена адекватность разработанных физических моделей геометрии радиационной защиты контейнеров с консервированными в них твердыми радиоактивными отходами.

Статья в формате PDF

2414 KB

радиоактивные отходы

переработка

оксиды железа

утилизация

контейнеры

композиты

излучение

1. Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В., Ястребинская А.В. Нанонаполненные полимерные композиционные радиационно-защитные материалы авиационно-космического назначения // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 6. – С. 128.

2. Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 2. – С. 25–27.

3. Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 2. – С. 27–29.

4. Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Композиционный материал для радиационной защиты // Патент РФ №2470395, 20.12.2010.

5. Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. – 2005. – Т. 48, № 4. – С. 140.

6. Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана // Строительные материалы. – 2005. – № 9. – С. 82–87.

7. Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В. Структурообразование и свойства легированных эпоксидных композитов // Строительные материалы. – 2004. – № 8. – С. 48–49.

8. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Полимерные радиационно-защитные композиты / Монография.– Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009.– 199 с.

9. Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н., Куприева О.В. Термопластичные конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты // Перспективные материалы. – 2010. – № 6. – С. 22–28.

10. Павленко В.И., Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 113–116.

11. Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки. – 2010. – № 2. – С. 99–103.

12. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская  А.В. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2009. – № 3. – С. 62–66.

13. Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский  Р.Н. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит // Инженерно-физический журнал. – 2004. – Т. 77, № 1. – С. 12–15.

14. Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы. – 2006. – № 3. – С. 22.

15. Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья // Известия высших учебных заведений. Строительство. – 2007. – № 4. – С. 40–42.

16. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Смоликов А.А., Дегтярев С.В., Воронов Д.В. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы. – 2006. – № 2. – С. 47–50.

17. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений // Строительные материалы. – 2007. – № 8. – С. 48–49.

18. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением // Инженерно-физический журнал. – 2008. – Т. 81, № 4. – С. 661–665.

19. Павленко В.И., Смоликов А.А., Ястребинский Р.Н., Дегтярев С.В., Панкратьев Ю.В., Орлов Ю.В. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2004. – № 8. – С. 66.

20. Павленко В.И., Куприева О.В., Черкашина Н.И., Ястребинский Р.Н. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015. – Т. 58, № 5. – С. 125–129.

21. Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Куприева О.В., Самойлова Ю.М. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. – С. 320–330.

22. Соколенко И.В., Ястребинский Р.Н., Крайний А.А., Матюхин П.В., Тарасов Д.Г. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2013. – № 6. – С. 145–148.

23. Ястребинская А.В., Огрель Л.Ю. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики // Современные наукоемкие технологии. – 2004. – № 2. – С. 173.

24. Ястребинская А.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства // Перспективы развития строительного комплекса. – 2012. – Т. 1. – С. 243–247.

25. Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Ястребинская  А.В., Матюхин П.В. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2012. – № 2. – С. 121–123.

26. Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В., Павленко З.В., Самойлова Ю.М. Конструкционные радиационно-защитные композиционные материалы на основе модифицированных железорудных пород КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области. – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. – С. 491–499.

27. Ястребинская А.В., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2009. – № 3. – С. 74–77.

28. Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Четвериков Н.А. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. – 2011. – № 3. – С. 17–20.

29. Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004. – 19 с.

30. Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Ястребинская А.В., Черкашина Н.И. Модифицированные железооксидные системы – эффективные сорбенты радионуклидов // Перспективные материалы. – 2013. – № 5. – С. 39–43.

31. Ястребинский Р.Н., Бондаренко Г.Г., Павленко В.И. Транспортный упаковочный комплект для радиоактивных отходов на основе радиационно-защитной полимерной матрицы / Перспективные материалы. – 2015. – № 6. – С. 25–31.

32. Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Kuprieva O.V., Epifanovskii I.S. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection // Inorganic Materials: Applied Research. – 2011. – Т. 2, № 2. – Р. 136–141.

33. Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Lipkanskii V.M. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste // Russian Physics Journal. – 2003. – Т. 46, № 10. – Р. 1062–1065.

34. Pavlenko V.I., Yastrebinskij R.N., Degtyarev S.V. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites // Электромагнитные волны и электронные системы. – 2005. – Т. 10, № 1–2. – Р. 46–51.

В настоящее время наиболее актуально создание единой технологии переработки и кондиционирования радиоактивных отходов, обеспечивающей химическую, тепловую и радиационную устойчивость, пониженную радиационную активность, взрывобезопасность, механическую прочность получаемого продукта, концентрирование радионуклидов в меньшем объеме, отсутствие газовыделения, а также высокие экономические показатели [1–16].

Для сбора, переработки и долговременной локализации радиоактивных отходов в России создана централизованная система, включающая территориальные спецкомбинаты и пункты захоронения (ПЗРО). Однако для реакторов типа РБМК АЭС учет поступающих на долговременное хранение отходов, оценка качества их подготовки и захоронению на большинстве ПЗРО не отвечают современным научно-техническим требованиям. В связи с этим возникает необходимость разработки новых научно-технических подходов не просто к захоронению твердых радиоактивных отходов (ТРО), а переводу их из класса повышенной радиоактивности к малоактивным или даже нерадиоактивным объектам путем их консервирования в универсальные безопасные высокопрочные контейнеры [17–34].

Авторами предлагается использование безопасной технологии кондиционирования, переработки и утилизации РАО посредством включения их в бетонные матрицы с железооксидными наполнителями с последующей контейнеризацией твердых радиоактивных отходов.

Цель исследования

Разработать технологию, позволяющую минимизировать и кондиционировать жидкие радиоактивные отходы АЭС путем переводы их в твердые радиоактивные отходы пониженной активности с соблюдением действующих норм и правил по обращению с радиоактивными или токсичными промышленными отходами.

Материалы и методы исследования

Радиационно-защитные компаунды с включенными в них жидкими радиоактивными отходами получены с использованием природных высокожелезистых магнетитовых концентратов и цементного вяжущего марки М500 методом полусухого прессования с последующей термовлажностной обработкой прессованного композита. В качестве исходного железорудного сырья использовали высококачественные магнетитовые концентраты КМА с содержанием общего железа 68,5 % масс.

Контейнеры для радиоактивных отходов получены на основе магнетитового концентрата и кремнийорганического связующего, подвергнутых совместной механоактивации в струйной мельнице с последующим прессованием и термической обработкой в атмосфере водяного пара. Оболочка контейнера выполнена из высокопрочной ферритной стали 400 серии.

Исследование радиационно-защитных свойств разработанных материалов моделировалось методом Монте-Карло.

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные методом полусухого прессования бетонные композиты на основе железооксидного минерального сырья с включенными в них радиоактивными отходами обладают следующими характеристиками: предел прочности на сжатие после 28 суток твердения 140 кг/см²; плотность материала 2900 кг/м³; водопоглощение 8 масс %; ослабление мощности экспозиционной дозы 12,0 крат.; выщелачиваемость по 137Сs (среднегодовая) не более 0,0001 (г/см²)/сут; альфа-загрязненность поверхности материала не более 2 (расп/см)/мин; содержание сухого ила в 1 м³ при кратности ослабления МЭД равной 2 находится в пределах 900–1100 кг.

Разработанный универсальный защитный контейнер обладает следующими физико-механическими и радиационно-защитными характеристиками: плотность бетона 3800 кг/м³; предел прочности на сжатие 120 МПа; предел прочности на изгиб 65 МПа; марка бетона по водонепроницаемости W12; марка бетона по морозостойкости F300; линейный коэффициент ослабления γ-излучения по 137-Cs (Е = 0,66 МэВ) 0,28 см^-1, по 60-Co (Е = 1,2 МэВ) 0,20 см^-1.

Изучены защитные свойства железооксидных материалов при воздействии на них точечных (ТГИ) и объемных (ОГИ) гамма-источников.

Теоретически рассчитанные значения линейных коэффициентов ослабления для ТГИ, выполненные по методу Монте-Карло в исследованном энергетическом интервале (табл. 1) близки к экспериментальным, что дает основание использовать их на практике.

Значения линейного коэффициента ослабления m (см-¹) для ОГИ показано в табл. 2.

Таблица 1

Линейный коэффициент ослабления (m) ТГИ защитного контейнера

Таблица 2

Линейный коэффициент ослабления (m) ОГИ защитного контейнера

Таблица 3

Кратность ослабления и числовой фактор накопления защитного контейнера для ТГИ и ОГИ с Е ≈ 60 кэВ

Практический интерес представляло исследование защитных характеристик контейнера по отношению к двум типам источников: на базе ТГИ и ОГИ с примерно с одинаковыми энергиями (60 кэВ). Установлено, что кратность ослабления ОГИ больше кратности ослабления ТГИ (табл. 3), что связано с числовым фактором накопления который в случае ОГИ больше 1 (числовой фактор накопления B_N равен K_ОГИ/K_ТГИ для данного фиксированного значения Еg).

Таким образом результаты анализа радиационно-защитных свойств защитного контейнера на основе магнетитового концентрата и кремнийорганического связующего на базе двух типов источников: точечного и объемного, практически совпадают, т.е. не зависят от применяемого g-источника. Использование ОГИ – это моделирование реальной ситуации взаимодействия g-излучения с защитными стенками контейнера с РАО.

Заключение

Таким образом, разработаны способы переработки и утилизации жидких радиоактивных отходов посредством включения их в бетонные матрицы с магнетитовым наполнителем и последующей контейнеризацией твердых радиоактивных отходов. Изучены защитные свойства железобетонных материалов при воздействии на них точечных (ТГИ) и объемных (ОГИ) гамма-источников. Установлено, что кратность ослабления ОГИ больше кратности ослабления ТГИ. Использование ОГИ – это моделирование реальной ситуации взаимодействия g-излучения с защитными стенками контейнера с РАО.

Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект. № 14-41-08067.

Библиографическая ссылка