Введение к работе
Постоянное производство опасных для окружающей среды продуктов стало непременным спутником научно-технического прогресса. Дальнейшее развитие без мощной индустрии переработки отходов невозможно. Особую озабоченность общества вызывают радиоактивные отходы. Они возникают в результате выполнения масштабных оборонных программ, при работе ядерно-энергетических установок, а также вследствие широкого использования радионуклидов в различных отраслях (промышленность, сельское хозяйство, медицина). Уже накоплено огромное количество чрезвычайно опасных для биосферы радиоактивных материалов.
Опасность радиоактивных отходов может быть значительно снижена в случае их переработки и надежного захоронения. При обращении с радиоактивными отходами общепринята многобарьерная концепция их изоляции, согласно которой на пути попадания радионуклидов в биосферу создаются несколько барьеров - экранов. Первый и самый важный барьер - это сама матрица, в которой радиоактивные отходы фиксируются. Отходные материалы, как правило, характеризуются широким спектром химического состава и возможными трудноконтролируемыми его вариациями. Конечный продукт их переработки должен быть достаточно стойким. В связи с этим, предпочтение отдается матричным материалам, обеспечивающих высокую стойкость конечного продукта и обладающих максимально возможной универсальностью к составу отходов. Перспективными для этой цели представляются композиционные материалы, в которых радиоактивные отходы фиксированы в виде обособленной фазы - радиофазы. К началу восьмидесятых годов отчетливо выявилась тенденция использования стеклянных матричных материалов, обладающих высокой стойкостью и универсальностью к составу отходов. Для отходов высокого уровня активности наиболее подходящими оказались металлические матрицы. Выявились и трудности на пути практического использования этих материалов. Неразрешенными оставались многие вопросы, среди них можно отметить отсутствие теоретических моделей фиксации отходов в матричных материалах, описывающих физико-химические свойства отвержденных отходов, которые учитывали бы неоднородный характер их распределения, слабая изученность физико-химических процессов на поверхности отвержденных отходов и внутренних неоднородностей, определяющих устойчивость блоков в процессе их долговременного хранения. Слабая изученность композиционных материалов на основе матриц из стекла и металлов и наполнителей в виде радиоактивных отходов, и явлений, протекающих на поверхности контакта с окружающей средой, являются препятствием на пути их практического использования. Между тем, нерешенность таких проблем, как надежная
иммобилизация радиоактивных отходов несовместимых по своему составу со стеклі или высокоактивных отработавших радионуклидных источников ионизирующе излучения, требует скорейшего создания теоретических основ и разработки hobj технологических способов переработки.
Таким образом, актуальность работы по исследованию поверхностных эффект при иммобилизации радиоактивных отходов с использованием стекло-металлокомпозиционных материалов определяется как практическими требованияк создания достаточно универсальных технологий надежной изоляции отходов і окружающей среды, так и необходимостью развития научных представлений свойствах композиционных материалов содержащих радиоактивные вещества.
Предмет и цель исследований
Настоящая работа посвящена развитию нового научного направления исследованию поверхностных эффектов при иммобилизации радиоактивных отходов помощью стекло- и металлокомпозиционных материалов, определяющи устойчивость блоков и выход радионуклидов в процессе длительного хранения. Целы работы было выяснение физико-химических пределов, ограничивающи применимость стекло- и металлокомпозиционных материалов для надежно иммобилизации радиоактивных отходов.
В практическом отношении основными задачами были решение проблемі иммобилизации сульфатсодержащих радиоактивных отходов среднего уровн активности и разработка технологии и оборудования для надежной изоляции о окружающей среды отработавших высокоактивных радионуклидных источников.
Научная новизна
-
Предсказаны поверхностные эффекты радиационно- и фото-индуцированноп спонтанного разрушения твердых частиц-включений в матричных материалах, а такжі разрушения твердых тел (матричных материалов) в мощных радиационных полях.
-
Создана теоретическая модель, описывающая процесс поверхностного вынос; радионуклидов из композиционных материалов, в которой учитывается возможное межфазного перераспределения радионуклидов в процессе их длительного хранения Предсказано и экспериментально подтверждено существование пороговогс наполнения матриц, выше которого стойкость композиционных материалов резко уменьшается. Построена модель, описывающая поверхностный вынос радионуклидои из композиционных материалов вблизи порогового наполнения. Экспериментально доказана фрактальная структура двухфазных композитов на малых масштабах, указывающая на неизбежный характер неоднородного распределения включений для
малых масштабов.. Для систем, состоящих из сферических частиц с двумя заданными размерами, впервые исследованы перколяционные явления и получены асимптотические выражения определяющие порог протекания. Впервые рассмотрено иерархическое заполнение матриц полидисперсными частицами и показано, что структура матричного материала описывается фракталом с размерностью меньше 3. Предложен новый способ распределения радиофазы в матричных материалах, позволяющий значительно увеличить их пороговое наполнение.
3. Впервые предложено использование методов эхо - спектроскопии для
одновременного определения спектрального состава размеров неоднородностей и их
пространственного распределения внутри матричного материала при наличии у
неоднородностей колебательных степеней свободы, связанных с их размерами.
4. Впервые предложен новый экспериментальный метод получения
стеклокомпозиционных материалов путем диспергирования или эмульгирования
компонентов в стеклорасплав и последующего быстрого небольшого уменьшения
температуры. С его использованием доказана практическая возможность
иммобилизации сульфатсодержащих отходов в сгеклокомпозиты с использованием
предварительно расплавленного боросиликатного стекла, а также радиоактивного
стекла, содержащего в своем составе до 20% отходов. Получены образцы композитов,
содержащих до 30% нерастворяющейся в расплаве радиофазы. Впервые предложено
использование явления стабильной ликвации для подавления улетучивания
радионуклидов в процессе варки стекла. Методами растровой электронной
микроскопии и авторадиографии изучена структура сульфатсодержащих
стеклокомпозиционных материалов и доказана фрактальность их структуры на мелких
масштабах. Получены численные значения коэффициентов межфазного
распределения радионуклидов внутри матричного материала.
5. Предложен новый безопасный метод изоляции от окружающей среды
радиоактивных отходов высокого уровня активности, представляющих собой
отработавшие радионуклидные источники, путем их включения в металлические
матричные материалы непосредственно в подземных резервуарах хранилищ. Для
подавления эффектов фазового разделения показана возможность использования
послойного заполнения резервуаров с последующей заливкой отходов расплавленным
металлом. Разработано технологическое оборудование для его реализации. Развит
новый метод определения эффективных теплофизических характеристик хранилищ -
скважин высокоактивных отходов путем обработки нестационарных температурных
полей. Обнаружена деградация свойств глинистых грунтов в мощных радиационных
полях.
6. Обнаружена экспериментально флуктуационная зависимость поверхности! выноса радионуклидов из остеклованных радиоактивных отходов, хранящихся естественных природных условиях. Предложен новый метод оценки потенциальи опасности отвержденных радиоактивных отходов, учитывающий создание барьеров пути распространения радионуклидов. Впервые определена фрактальная размержм глинистого грунта опытного полигона захоронения.
Методическая новизна состоит в использовании современных теоретических экспериментальных методов физики и физической химии (теории перколяци теории фрактальных множеств, методов когерентной спектроскопии, растров электронной микроскопии, лазерной масс-спектрометрии, авторадиографии и т., для исследования явлений, протекающих на поверхности межфазного разде отвержденных радиоактивных отходов.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Поверхность остеклованных радиоактивных отходов в интенсивнь
радиационных полях становится неустойчивой относительно дрейфові
диффузионного поверхностного перераспределения вещества. Твердые микрочастиц!
заряжаясь в полях радиации, теряют устойчивость и могут самопроизвольг
фрагментироваться. Радиационно-индуцированная неустойчивость поверхност
стеклоблоков и включений радиофазы ограничивает максимальное содержаш
радионуклидов в матричном материале.
-
Защитные свойства глинистого грунта в мощных полях радиации деградирую Структура пор глинистых формаций может быть описана однородным фракталом.
-
Эффективные теплофизические константы хранилищ могут быть найдені путем проведения кратковременного имитационного эксперимента и последующег численного моделирования процесса установления температурного поля.
4. Поверхностный вынос радионуклидов из двухфазных композиционны
материалов может быть описан с учетом межфазного распределения на основі
численной модели при малом объемном наполнении основной фазы (матрицы
наполнителем (радиофазой). Чем выше коэффициент межфазного распределения і
системе радиофаза - матрица, тем надежнее удерживаются радионуклидь
композиционным материалом. Существует пороговое наполнение матриць
радиофазой, превышение которого приводит к резкому увеличению поверхностногс
выноса радионуклидов.
5. На мелких пространственных масштабах структура двухфазных композитов
фрактальна. При полидисперсном наполнении матриц возможно значительное
увеличение порогового (перколяционного) наполнения. Для систем частиц с двумя заданными размерами порог протекания линейно зависит от содержания крупной фракции.
-
Когерентный сигнал эхо - отклика неоднородной системы нелинейных осцилляторов - включений наполнителя в матрице- несет информацию не только о их распределении размерам, но и пространственном распределении включений в матрице.
-
Устойчивые стеклокомпозиционные материалы могут быть получены путем диспергирования или эмульгирования радиофазы в расплав стекломатрицы и небольшого быстрого уменьшения температуры. Установки с механическими диспергаторами пропеллерного типа могут быть использованы для получения однородных стеклокомпозитов при иммобилизации отходов. Стеклокомпозиционные материалы для иммобилизации радионуклидов обладают достаточно высокой водоустойчивостью, даже в случае их непредвиденной фрагментации.
8. Поверхностный вынос радионуклидов из остеклованных отходов
(выщелачивание) в реальных условиях хранения носит флуктуирующий характер.
Путем фильтрации данных возможно одновременное определение факторов
выщелачивания и эффективных коэффициентов диффузии.
9. Потенциальная опасность отвержденных радиоактивных отходов значительно
уменьшается при их включении в матричные материалы, причем возможна численная
оценка этого эффекта.
10. Иммобилизация источников ионизирующего излучения с получением
металлокомпозиционных материалов возможна путем их послойной заливки
расплавленным металлом. Процесс иммобилизации источников можно проводить,
используя защитные свойства хранилищ, непосредственно в подземных резервуарах.
Передвижные установки модульного типа, стыкующиеся герметично с хранилищами,
позволяют безопасно проводить процесс иммобилизации высокоактивных
источников.
Практическая ценность
1. На примере сульфатсодержащих радиоактивных отходов среднего уровня
активности доказана принципиальная возможность использования
стеклокомпозиционных материалов для их надежной иммобилизации. Выяснены основные ограничения применимости новой формы отверждения отходов. Разработаны технологические приемы и установки для их реализации. Найденные решения могут быть использованы при разработке безопасных технологий
локализации радиоактивных или химически токсичных отходов варьирующей состава.
2. Впервые разработан и внедрен в производство новый безопасный мето;
обезвреживания радиоактивных отходов высокого уровня активности в вид*
отработавших радионуклидных источников ионизирующего излучения. Разработаны \
внедрены в производство установки модульного типа ("Москит"), позволяющж
проводить включение отработавших радионуклидных источников в металлически!
матрицы непосредственно в подземных резервуарах хранилищ. Использовани<
установок этого типа на пунктах захоронения радиоактивных отходов России уже дас
реальный экологический и, кроме того, экономический эффект.
3. Полученные результаты могут быть использованы при разработю
универсальных технологических процессов переработки опасных для окружающее
среды отходов разнообразного химического состава.
Апробация работы. Весь материал, изложенный в диссертации, опубликован в печати. Основньк результаты работы докладывались на заседаниях Всесоюзной школы-семинар; "Физика и химия твердого тела" (г. Благовещенск, 1985), 3-го Всесоюзной симпозиума по световому эхо и когерентной спектроскопии (г.Харьков, 1985), 1-і Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществол (г.Ленинград, 1988), Школы-семинара "Непериодические быстропротекающш явления в окружающей среде" (г.Томск, 1988), Отраслевой конференции молоды) ученых и специалистов по радиохимии и ядерной физики (г.Ленинград, 1989) Всесоюзном научно-техническом совещании "Вопросы эксплуатации установої спецводоочистки и переработки кубовых остатков" (г.Ленинград, 1988), 4-і. Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Нальчик, 1990) Симпозиуме при международной выставке "Экология-90" (г.Москва, 1990) Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы обращения < радиоактивными отходами и охрана окружающей среды" (Запорожская АЭС, 1991) Международной конференции "Атомная энергетика в топливно-энергетнческо\ комплексе" (г.Хабаровск, 1991), Ежегодной научной конференции Ядерного общестш СССР "Радиоактивные отходы : проблемы и решения" (г.Москва, 1991) Международном симпозиуме по биоиндикаторам и биомониторингу (г.Загорск, 1991) 16-м Международном конгрессе по стеклу (г.Мадрид, 1992), 10-й национальное научно-технической конференции с международным участием по стеклу и тонкої керамике (г.Варна, 1990), Международной конференции по обращению (
адиоактивными отходами и восстановлению окружающей среды (г.Прага, 1993). Фоме того, результаты работы докладывались на совместных научно-технических овещаниях специалистов СССР и ГДР (г.Дрезден, 1989), ФРГ (г.Москва, 1989), :ША (г.Загорск, 1990), Швеции (г.Загорск, 1991), Франции (г.Загорск, 1991), овещании экспертов МАГАТЭ (г.Карлсруэ, 1991, г.Вена, 1993).
Основные результаты опубликованы в 52 печатных работах. Они защищены 21 вторским свидетельством, значительная часть которых используется в производстве. Сроме того, часть результатов опубликованы в сборниках МАГАТЭ Waste Management Research Abstracts (1986, 1989, 1990, 1992).
Ряд результатов, полученных в диссертации подтвержден и получил дальнейшее іазвитие в работах других исследователей.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, 6 глав, Заключения и списка литературы из 72 названия. Объем работы: 226 стр., 49 рисунков и 12 таблиц.
