ВЫВОД ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯДЕРНЫХ И РАДИАЦИОННООПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ПРИМЕРЕ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 541.15

А.А. Персинен1, И.Н. Мельникова2 Н.И. Александров3, П.Л. Лямин4

Введение

Проблема обращения с радиоактивными отходами (РАО) приобрела в настоящее время большое значение для сохранения среды обитания человека. В результате деятельности в области военного и мирного использования атомной энергии накоплено большое количество различных видов РАО, которые представляют потенциальную угрозу для людей и окружающей среды.

Радиационно-техническое состояние судов атомно-технического обслуживания (АТО), интенсивно эксплуатируемых в течение более 40 лет, в настоящее время крайне тяжелое. Все эти суда были построены в то время, когда был разрешен сброс жидких радиоактивных отходов (ЖРО) в море. В результате перемешивания в цистернах судов ЖРО различного физико-химического состава образовались осадки. Осадки, осаждаясь на стенках и дне цистерн, сорбировали радионуклиды, стали высокоактивными и практически, не удаляемыми, а в смежных помещениях сложилась тяжелая радиационная обстановка. Кроме того, прием в одну и ту же цистерну кислых и щелочных вод привел к сильнейшей коррозии цистерн. Специальные системы, оборудование и приборы вышли из строя, и заменить их сегодня нечем, т.к. все они давно сняты с производства. Провести дезактивацию помещения, системы и оборудование, практически, невозможно, т.к. эффект от дезактивации будет незначительным. При этом образуется большое количество вторичных ЖРО, которые необходимо будет переработать, а персонал при выполнении дезактивации получит большие, ничем не оправданные, дозовые нагрузки.

Положение усугубляется еще и тем, что к настоящему времени прошло около 50-ти лет с начала промышленного использования ядерной энергетики и многие объекты, созданные в начале этого периода, уже

ВЫВОД ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЯДЕРНЫХ

И РАДИАЦИОННООПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ПРИМЕРЕ ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА

Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет) 190013, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 26

ФГУП «Центр технического судостроения» 198095, Санкт-Петербург, Промышленная ул., д. 7

Выбран оптимальный вариант технологического процесса, связанного с переводом нефтесодержащих жидких радиоактивных отходов в твердое состояние. Наиболее целесообразным техническим решением, направленным на предотвращение выхода повышенной активности за пределы судна в окружающую среду даже при форс-мажорных обстоятельствах (несанкционированное затопление судна) может быть связывание этой активности с помощью известных консервантов, создающих иммобилизационные барьеры на путях возможной миграции радионуклидов за пределы судна.

Ключевые слова: радиоактивные отходы, эпоксиакриловая композиция, атомный подводный флот

выведены из эксплуатации или находятся в аварийном состоянии. Среди них следует выделить следующие достаточно большие группы объектов:

- атомные подводные лодки (АПЛ) с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ);

- надводные корабли (НК) с ЯЭУ;

- суда атомно-технологического обслуживания;

- прочие вспомогательные суда (ВС);

При выводе из эксплуатации вспомогательных судов типа «ЛЕПСЕ» необходимо решить следующие задачи [1]:

• ликвидировать ядерную опасность - извлечь отработанное топливо - на атомном подводном флоте (более 100 реакторов стоят у пирсов) и на атомных электростанциях (вывоз топлива);

• нормализовать радиационную обстановку за счет создания иммобилизационных барьеров на пути возможной миграции радионуклидов;

• обеспечить экологическую безопасность населения, передав радиоактивные отходы на длительное хранение или захоронение.

В качестве положительного примера при утилизации АПЛ, следует отметить начало функционирования пункта сухого долговременного хранения одноот-сечных реакторных блоков в губе Сайда. Однако вопрос о сухом хранении утилизированных АПЛ на Тихоокеанском флоте ещё далек от решения и реакторные блоки (как правило, трехотсечные) по-прежнему стоят на воде у пирсов. Вопросу же утилизации судов атомного технологического обслуживания, из-за сложности проблемы, вообще не уделялось внимания.

Позитивным в этом отношении следует считать опыт, накопленный НПП «Экоатом» по выгрузке ОЯТ на Тихоокеанском флоте на плавбазах ПМ-32 и ПМ-80 [2]. Удаление дефектного топлива позволило ликвидировать ядерную опасность в этом регионе.

2 Персинен Анатолий Александрович, д-р хим. наук, профессор, заведующий .каф. радиационной технологии СпбГТИ(ТУ), е-таИ: [email protected]

3 Мельникова Ирина Николаевна, канд. хим. наук ,зав. лабораторией каф. радиационной технологии СпбГТИ(ТУ), е-таН: [email protected]

4 Александров Николай Иванович, зам.начальника научно-технического центра «Судспецатом» ФГУП «Центр технического судостроения» Лямин Павел Леонидович, начальник научно-технического центра «Судспецатом» ФГУП «Центр технического судостроения»

Дата поступления - 15 сентября 2010 года

Для полной нормализации радиационной обстановки необходимо было провести комплекс нетрадиционных мероприятий, связанных с иммобилизацией оставшихся средне- и высокоактивных ЖРО, остатков коррозионных и иловых отложений, вплоть до просы-пей топлива.

Требования, предъявляемые к твердеющим консервантам для утилизации отработавших транспортных сборок и активных зон:

1. Технологические характеристики жидкого консерванта и их соответствие конструкционным особенностям утилизируемых изделий:

- текучесть и вязкость должны обеспечивать полноту заполнения изделия;

- хорошая адгезия и не агрессивность к металлическим поверхностям;

- минимальная усадка, отсутствие трещин, пор и других дефектов структуры.

2. Показатели работоспособности консервантов после отверждения, соответствие их условиям сроку хранения изделий (ресурсная надежность не менее 100 лет):

- радиационная и химическая стойкость (в том

числе и в условиях затопления);

- тепло- и морозостойкость, стойкость к теп-лосменам в диапазоне от -25°С до +35°С;

- механическая прочность и сохранение плотной структуры в период хранения;

- - минимальное газовыделение, не создающее взрывопожароопасных ситуаций, и изолирующая способность выхода активных ионов.

3. Экономические показатели:

- стоимость и дефицитность ингредиентов;

- стоимость технологического исполнения и требования техники безопасности при выполнении работ.

Одним из направлений повышения безопасности обращения с радиоактивными растворами является создание технологий, позволяющих перерабатывать перечисленные отходы и получать продукты в твёрдом виде, не представляющие угрозы для персонала и окружающей среды.

Для решения поставленной задачи могут быть использованы различные методы, в том числе с использованием полимерных материалов, способных от-верждать ЖРО с образованием химически устойчивых продуктов.

Таблица. Физико-механические свойства матриц для иммобилизации РАО

Свойства

Тип композиции и условия обработки £ О о? Радиационная стойкость, Гр со <-< Предел прочности при сжатии, МРа Предел прочности при изгибе МРа Ударная вязкость, Дж/м2 Твердость по Бринеллю, МПа ^Содержание нерастворимой части, Водопоглощение за 24 час, % Теплостойкость по Вика, К Отверждаемые РАО Недостатки метода

Цементирование 10-3-10-2 105 0,1-0,2 100-200 Низкоактивные Эрозия блока, необходимость гидроизоляции

Битумирование 10-5-10-4 107 0,1-0,3 - - - - - - - Среднеак-тивные Пожароопасное

Остекловывание 10-3-10-7 109 0,8-1,5 5001500 Высокоактивные Высокая температура отверждения

Заключение РАО 10-7-10-5 103 0,1-1,0 150-250 400- 1,4 200 72-94 0,05 470 Среднеак- Длительное

в эпоксидноакри- 1200 -0.1 - тивные время отвер-

ловую компози- 550 ждения

цию

Рисунок. Схема формирования барьера

контура А., поперечный разрез.

Основными преимуществами переработки отходов путём их изоляции внутри полимерной матрицы являются следующие обстоятельства:

1. Возможности для осуществления процесса иммобилизации отходов непосредственно в контейнерах и возможности экстренной локализации радиоактивных отходов в аварийных ситуациях на различных предприятиях ядерно-химических отраслей.

2. Предлагаемая технология не требует никаких специальных разработок оборудования или дополнительной подачи энергии.

3. Сокращение количества технологических операций в сравнении с традиционными методами и большие возможности для варьирования характеристиками составов растворов.

Полимеры, не представляют опасности, так как они не токсичны и не подвержены биохимическому разложению. Среди прочих преимуществ полимерных материалов следует отметить их химическую и радиационную стабильность, а также возможность применения полимеров без выполнения предварительных процедур перед отверждением

Проведя анализ различных видов консервантов по их защитным свойствам, технологичности, простоте приготовления, дефицитности компонентов и стоимости, мы предложили 3-х барьерную защитную систему, формируемую в местах повышенной активности, из следующих консервантов:

■ эпоксиакриловая композиция (в местах возможных просыпей ОЯТ) по ТУ 40-2-262-91(СПбГТИ(ТУ);

■ смеси бетонные мелкозернистые по ТУ 5745042-07502259-98 (ЦНИИ ТС);

■ неснимаемые полимерные композиции по рецептуре ФГУП «НИКИМТ».

Основные свойства эпоксиакриловой композиции:

- эпоксиакриловая композиция отверждается под действием ионизирующего излучения самих радиоактивных отходов при температуре 15^20°С, на воздухе;

- эпоксиакриловая композиция имеет показатель выщелачиваемое™ по 137Сб в пределах 10"7^10"5 г/(см2 .сут).

- радиационная стойкость эпоксиакриловой композиции составляет 108 Гр;

- прочность на сжатие эпоксиакриловой композиции в затвердевшем состоянии не менее 30 МПа;

- динамическая вязкость эпоксиакриловой композиции при температуре 22°С - 1,12^ 1,1б Пах, т.е. материал обладает хорошей жидкотекучестью.

Полости контура А заполняются эпоксиакрило-вой композицией. Заполнение каждого пенала происходит на 700 мм от его дна для фиксации возможных просыпей отработавшего ядерного топлива с учетом высоты, соответствующей ТВЭЛ-ной части отработавших тепловыделяющих сборок.

Полость контура Б заполняется бетонной смесью до высоты, ограниченной неподвижной плитой бака. Барьер контура Б надежно изолирует друг от друга полости пеналов контура А. Одновременно, при его укладке отверждаются оставшиеся там ЖРО.

Полость контура В заполняется бетонной смесью до высоты 700 мм. Эта высота определена с учетом отверждения имеющихся в контуре В жидких радиоактивных отходов. Кроме этого этот барьер является дополнительной фиксацией от сдвигов одного бака относительно другого.

Неснимаемые полимерные композиции надежно фиксируют на всех видах поверхностей помещения хранилища отработавших топливных каналов радиоактивные загрязнения при дезактивации пола, стен и потолочных конструкций. Толщина этих покрытий может достигать нескольких миллиметров.

Основным преимуществом предлагаемого метода является его технологичность. Процесс замоноличи-вания остатков жидких радиоактивных отходов (шла-мов, просыпей) может быть осуществлен непосредственно на объекте, что особенно важно для военно-морского флота, без дополнительных капитальных затрат, как, например, при битумировании или остек-ловывании.

Выводы

1. Динамическая вязкость эпоксиакриловых композиций при температуре 22°С - 1,12^1,16 Па", следовательно она обладает хорошей текучестью (на уровне глицерина), которая обеспечивает полноту заполнения полостей.

2. Эпоксиакриловая композиция не агрессивна к металлическим поверхностям, и обладает хорошей адгезией, высокой радиационной устойчивостью.

3. Скорость выщелачиваемости 10"7^10"5 г/ (см2-сут), что свидетельствует об отсутствии в отвер-жденных образцах из эпоксиакриловой композиции трещин, пор и других дефектов структуры/3/

4. Эпоксиакриловая композиция обладает хорошей химической стойкостью к органическим растворителям, к концентрированным соляной и азотной кислотам.

5. Экспериментально установлено, что эпоксиа-криловая композиция обладает хорошей тепло- и мо-розостой костью высокими физико-механическими характеристиками, так, например, прочность на сжатие составляет не менее 30 МПа.

6. С учетом требований, предъявляемых к консервантам, можно рекомендовать использование ЭАК для иммобилизации РАО среднего и повышенного (10 Ки/л) уровня активности.

Заключение

На основании экспериментальных данных, полученных ранее на кафедре радиационных технологий, и анализа физико-механических свойств, химической стойкости, водостойкости эпоксиакриловая композиция может быть рекомендована в качестве консерванта для создания первого иммобилизационного барьера на судне временного хранения отработавших тепловыделяющих сборок.

Литература

1. Довгуша В.В., Тихонов М.Н. О потенциальной ядерной и радиационной опасности при комплексной утилизации атомных подводных лодок и судов с ядерными энергетическими установками // Экология промпроизводства. 2002. № 2. С. 9-21.

2. Александров Н.И., Булыгин В.К., Колосенцев С.Д. [и др]. Создание иммобилизационных барьеров при подготовке радиационно-опасных объектов к длительному хранению или захоронению. Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом: сб. научн. докл. СПбГТИ(ТУ). СПб: СПбГТИ(ТУ), 2007. С. 122-124

3. ГОСТ Р 52126-2003. Отходы радиоактивные. Определение химической устойчивости отвер-жденных высокоактивных отходов методом длительного выщелачивания. М., 2003. 36 с.