Модифіковані бетони для іммобілізації рідких радіоактивних відходів

Атомна енергетика займає одну з лідируючих позицій серед джерел енергозабезпечення життєдіяльності людства. Серед розвинених країн, Україна входить до першої десятки країн світу за кількістю діючих енергоблоків на атомних електростанціях (АЕС). Порівняно з іншими джерелами енергопостачання, природних запасів сировинних ресурсів для атомної енергетики за прогнозованими показниками вистачить на мільйони років.

Перспективність подальшого розвитку енергетики з використанням атомних електростанцій також пояснює той факт, що при діленні одного ядра виділяється близько 200 МеВ енергії, самі ж затрати на добування сировини, транспортування, виробництво електроенергії і утилізацію техногенних відходів потребують максимальних енергозатрат в обсязі до 50 МеВ. Разом з тим, широкомасштабне використання атомної енергії стримується як у зв’язку з забезпеченням високої надійності умов експлуатації АЕС, так і в зв’язку з недосконалими технологіями по зберіганню, переробці і захороненню радіоактивних відходів (РАВ).   

Постановка задач досліджень і шляхи їх вирішення

Радіоактивні відходи, які утворюються в процесі добування сировини, виготовлення промислових виробів, експлуатації ядерних установок і утилізації відпрацьованих елементів АЕС розподіляються на три основні групи: тверді РАВ, рідкі РАВ і газоподібні РАВ. Серед них найбільшої уваги, як під час експлуатації енергоблоків та і після виведення його з технологічного режиму, потребують рідкі РАВ. Значні обсяги таких токсичних відходів складають РАВ середньої активності (від 370 Бк/л до 37 Бк/л) та слабоактивні ( до 37 Бк/л), які накопичені в тимчасових сховищах і відстійниках. Технологія переробки таких відходів є досить складною і передбачає сортування, відстоювання, фільтрацію, коагуляцію, очищення стоків і компактування рідких радіоактивних залишків з переведенням їх в твердий агрегатний стан для подальшого зберігання та захоронення в сховищах. Проблемними завданнями цих складних процесів є  різноманітна фізико-хімічна природа таких токсичних матеріалів для кожної окремої АЕС, а також відсутність досконалих матричних матеріалів і технологій їх використання для забезпечення заданих параметрів фізико-механічної стійкості від впливів зовнішніх руйнівних факторів [1-3].  

Для переведення рідких РАВ в твердий агрегатний стан використовуються декілька різновидів технологічних процесів, найбільш поширеними методами і способами іммобілізації є бітумізація, цементація, силікатизація, полімеризація та включення рідких фаз у скляну матрицю. Використання того чи іншого методу залежить від агрегатного стану відходів, фізико-механічних параметрів стабільності кінцевого виробу, який підлягає подальшим транспортуванню і зберіганню в сховищі. Такі спеціальні технології потребують значних коштів і крім того призводять до збільшення об’ємів шкідливих відходів. У зв’язку з цим перед науковцями постає складне завдання по розробці ефективних технологій для іммобілізації рідких РАВ з концентрацією відходів в максимально-допустимих об’ємах, послідуючою фізико-хімічною іммобілізацією самих радіонуклідів у складі елементів матриці з отриманям стабільних твердих монолітних форм кінцевого виробу здатних протистояти будь-яким фізико-механічним, хімічним і біологічним впливам.

Іммобілізація рідких РАВ за технологією цементації набула популярності завдяки використанню традиційних сировинних матеріалів та обладнання і не потребує значних витрат коштів. Спеціальні матричні матеріали на основі мінеральних в’яжучих в переважній більшості  виготовляються у вигляді сухих сумішей,  що в свою чергу дозволяє застосування традиційних технологій їх виготовлення, а також використання існуючого обладнання і технологічних способів приготування робочих розчинів. Вченими Вінницького національного технічного університету (ВНТУ) розроблених новий різновид спеціальних бетонів – бетон електропровідний металонасичений (бетел-м). Бетел-м є новим різновидом модифікованих бетонів з широким спектром поліфункціональних властивостей. На основі бетелу-м отримано модифікований бетон з підвищеними радіаційно-захисними властивостями порівняно із традиційними спеціальними матеріалами при співрозмірній густині. Розроблено технологічні основи виготовлення монолітного і збірного спеціального покриття огороджуючих конструкцій всередині приміщень будівель і споруд з металонасиченого композиту для біологічного захисту від іонізуючих випромінювань. Завдяки набуванню ним струмопровідних властивостей товщина екрану радіаційного захисту від фотонних випромінювань зменшується у 1.8 - 2.4 рази порівняно із звичайним бетоном при співрозмірній густині. отриманий новий бетон з відходів промисловості, здатний поглинати проникаючі потоки іонізуючих випромінювань до заданих меж [4].

Згідно з приведеними в нормативному документі – ГОСТ 51883-2002 вимогами, композиційні матеріали з іммобілізованими в матриці мінеральних в’яжучих рідкими РАВ повинні відповідати наступним технологічним параметрам: міцність при стиску ³ 5,0 МПа; водостійкість ³ 90 діб; показник вилуговування по Cs £ 1´10-3 г/см2´діб. Крім того важливим параметром є показник збільшення остаточного об’єму замонолічених відходів. З метою обґрунтування можливості використання модифікованого бетону в технології іммобілізації рідких радіоактивних відходів нами проведено комплекс експериментальних досліджень. Графічна інтерпретація результатів приведена на рисунках 1 і 2.

На рисунку 1 приведені результати експериментальних досліджень впливу кількості металевого наповнювача у складі бетонної суміші на механічні та фізичні параметри зразків. Металевий наповнювач – шлами сталі ШХ-15 характеризуються високою гідрофільністю, а отже і водопотреби зразків із заданими реологічними параметрами зростатимуть по мірі збільшення у складі суміші важкого наповнювача. Збільшення кількості рідкої фази негативно відображатиметься на механічних характеристиках зразків і разом з тим позитивно впливатиме на кількість фізично і хімічно іммобілізованих речовин в структурі тіла дослідного зразка.

Приведені на рис. 1 результати досліджень підтверджують можливість використання модифікованого бетону для переведення в твердий агрегатний стан рідких токсичних відходів. Так при кількості води замішування до 48% мас робочого розчину отримано зразки з середнім значенням міцності 5.2 МПа, при цьому показник збільшення об’ємів дорівнює 1.48.

Після замішування сухих сумішей водою, в системі з’являються електроліти і агрегування складових компонентів відбувається також за рахунок стиснення подвійного електричного шару іонів на поверхні флокул або зниження потенціалу частинок.


Рис. 1. Динаміка зміни фізико-механічних характеристик зразків модифікованого бетону (рухливість П12):
1 – міцність при стиску; 2 – показник збільшення об’ємів


Рис. 2. Взаємозв’язок кількісних і якісних параметрів радіаційно-захисних властивостей дослідних зразків:
 1 – показник щільності структури; 2 – лінійний коефіцієнт послаблення гамма-випромінювань (Е=121 кЕв)

Наявність тонкої затверділої гелевої плівки в контактах металевого наповнювача забезпечує набування композиційним матеріалом нелінійних властивостей.

Графічна інтерпретація взаємозв’язку між рецептурними і фізичними та радіаційнозахисними властивостями дослідних зразків показує, що отриманий бетон може використовуватись для зниження потужності навколишнього випромінювання затверділого виробу з іммобілізованими РАВ.

Так ступінь наповнення матричних матеріалів рідкими токсичними відходами окрім нормативних вимог, приведених в ГОСТ 51883-2002, залежить і від сумарної дози опромінення на відстані 1.0 м від контейнера із замоноліченими відходами. В даному випадку послаблення дозових навантажень відбуватиметься за рахунок внутрішнього екранування потоків радіації в структурі композиційного матеріалу. Значення лінійного коефіцієнту послаблення гамма-випромінювань з енергією до 121 кЕв (слабо і середньоактивні РАВ) дорівнює 0,2 для зразків, міцність яких перевищує 5МПа, хоча показник щільності структури не перевищує значення 0,6.

 Для подальшого продовження досліджень технології іммобілізації рідких радіоактивних відходів необхідно розробити модельні склади РАВ з підвищеним вмістом електролітів, без вмісту радіоактивних елементів. На сьогодні вже розроблено комплексну програми пошукових досліджень, яка передбачає дотримання вимог ГОСТ 51883-2002, ГОСТ 29114-91 та стандарту ISO 6961-82.

Висновок

Експериментальними дослідженнями встановлено, що використання зразків сумішей модифікованого бетону дозволяє перевести в твердий агрегатний стан до 50 % мас рідкої речовини. При цьому забезпечуються задані параметри механічної стійкості (³ 5 МПа), екрануючої здатності радіоактивних випромінювань і незначне (до 50 %) збільшення об’ємів монолітної маси компаунду. Отримані результати досліджень підтверджують доцільність проведення подальших наукових робіт по розробці нового виду матричних матеріалів на основі модифікованого бетону для іммобілізації рідких токсичних відходів.

Список літератури

1. Корчагин П.А., Замостьян П.В., Шестопалов В.М. Обращение с радиоактивными отходами в Украине: опыт, проблемы, перспективы. – Киев, – 2000. – 178 с.
2. Обращение с радиоактивными отходами//Сборник трудов IV Международной научно-технической конференции. – Москва, 26-28 июня 2001 г.– 387 с.
3. Андронов О.Б., Стрихарь О.Л. Очистка жидких ражиоактивных отходов: обзор методов и технологий. – Чернобыль, 2001. – 356 с.
4. Сердюк В.Р., Христич О.В. Новий різновид спеціальних бетонів – бетел-м // Сучасні технології, матеріали і конструкції в будівництві: Зб. наук. праць. – Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. – С. 18 – 27.

УДК 691.328
Сердюк В. Р. Модифіковані бетони для іммобілізації рідких радіоактивних відходів [Електронний ресурс]  / [Сердюк В. Р., Христич О. В.] // Збірник наукових статей “ІІІ-го Всеукраїнського з’їзду екологів з міжнародною участю”. – Вінниця, 2011. – Том.2. – С.535–537. Режим доступу: http://eco.com.ua/

Скачати в форматі pdf:

Оцінка: 
0
No votes yet