Введение к работе
Актуальность темы. До аварии на Чернобыльской АЭС были известны только две аварии на реакторах, которые привели к заметному облучению населения: на АЭС "Три-майл-айленд" в Соединенных Штатах в марте 1977 года и на военном реакторе в Уиндскейле в Великобритании в октябре 1957 года. Чернобыльская авария является единственной в истории атомной энергетики аварией, которая привела к полному разрушению активной зоны реактора.
На момент аварии в реактор было загружено более 210 тонн UO2. В результате взрьшов, более 7 тонн топлива было диспергировано и выброшено за пределы станции, образовав так называемые "горячие частицы". Тепловыделение оставшегося внутри 4-го блока топлива привело к его взаимодействию с конструкционными материалами -серпентинитом плиты основания реактора, песком, бетоном, сталью, с образованием расплавов, которые растеклись по подреакторным помещениям. Эти топливосодержащие массы получили название "Чернобыльских лав".
Исследования, проведенные в Радиевом институте в 1990-1993 гг., показали, что в основной массе "лавы" представляют собой силикатное стекло с многочисленными включениями, среди которых были идентифицированы циркон, оксиды урана, а также включения цирконий-уранового состава. Исследования горячих частиц проводились с 1986 года. Было выяснено, что значительную долю макрочастиц составляют частицы цирконий-уранового состава.
Большинство цирконий-урановых фаз в горячих частицах и Чернобыльских лавах являются продуктами застывания расплавов, возникших при взаимодействии ядерного топлива с циркалоевой оболочкой. Анализ процессов образования данных расплавов является актуальной задачей не только для определения сценария аварии, но и в целях повышения безопасности ядерных реакторов.
Как матрица для актинидов, циркон впервые был синтезирован среди второстепенных фаз в составе стекло-керамической формы разработанной для высокоактивных отходов химического завода в Айдахо (Harker, 1988). После находки высокоуранового циркона в Чернобыльских лавах было предложено создание на его основе кристаллических матриц для захоронения трансурановых отходов (Бураков, 1992). В настоящее время рассматривается возможность использования циркона в составе керамики для иммобилизации редкоземельно-актинидной фракции отходов от переработки ядерного топлива, а также для захоронения избытков оружейного плутония (Anderson et al.,1993,95; Burakov et al.,1993,95,96; Ewing et.al.,1995,96,97).
Химическая устойчивость циркона хорошо известна. Процессы радиационных повреждений циркона изучены достаточно детально на природных и синтетических образцах. Для обоснования возможности иммобилизации актинидов в цирконовые матрицы необходимы экспериментальные данные по пределам изоморфного вхождения актинидов в структуру циркона и их влиянию на условия синтеза. Это определяет актуальность проведенных экспериментальных исследований по синтезу циркона, допированного церием (как имитатором плутония), а также ураном и торием.
Цель работы заключалась в определении условий образования цирконий-урановых расплавов в ходе Чернобыльской аварии и в экспериментальном синтезе циркона как перспективной матрицы для иммобилизации плутония и других радионуклидов.
Основные задачи исследования. В соответствии с поставленными целями основными задачами работы являлись:
Обобщение и анализ опубликованных и фондовых материалов по результатам исследования Чернобыльских новообразований;
Исследование морфологии, химического и фазового состава включений в Чернобыльских лавах и цирконий-урановых горячих частиц;
Корреляция состава исследованных фаз с существующими фазовыми диаграммами;
Анализ опубликованных материалов по твердофазному синтезу циркона и пределам вхождения актинидов в его структуру;
Твердофазный синтез циркона в системах Si02-Zr02-Ce02, S1O2-Zr02-U02, Si02-Zr02-Th02 с целью определения пределов изоморфного вхождения Се, U и Th в его структуру и их влияния на условия образования циркона.
Фактические материалы и методика исследований. Характеристика включений в Чернобыльских лавах проводилась автором главным образом на основании исследования концентратов, полученных путем растворения образцов лав в холодной плавиковой кислоте. Отбор образцов и приготовление концентратов производились на 4-ом блоке ЧАЭС В.А. Цирлиным и Л.Д. Николаевой (Радиевый институт).
Большинство исследовавшихся горячих частиц было выделено из проб, отобранных Б.Е. Бураковым и СИ. Шабалевым в 1990-1991 гг. в ближней зоне ЧАЭС. Исследования включений в Чернобьшьских лавах и горячих частиц выполнены методами рентгенофазового анализа, сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального энергодисперсионного микроанализа.
Твердофазный синтез циркона осуществлялся прокаливанием в вакууме и воздухе с использованием золь-гель метода приготовления
шихты. Изучение процессов образования циркона проводилось на основании полуколичественного рентгенофазового анализа образцов после прокаливания и их исследования методом высокоразрешающей дифракционной электронной микроскопии. Оценка изоморфной емкости циркона по отношению к Се, U и Th была выполнена на основании результатов прецизионного определения параметра ячейки синтезированных образцов. Измерения проводились дифрактометри-ческим методом с использованием внутреннего стандарта.
Новые научные результаты. 1. Проведена оценка условий образования цирконий-урановых расплавов в ходе Чернобыльской аварии. 2. Предложена генетическая классификация исследованных включений в основных типах Чернобыльских лав и температурные интервалы их образования. 3. Определены условия синтеза и пределы (Zr,Ce)Si04 твердых растворов. 4. Получены данные о пределах растворимости USi04 и ThSi04 в цирконе для температур 1400-1500С. Защищаемые положения.
-
В начальный момент Чернобыльской аварии температура в локальной части активной зоны превысила 2400С, что привело к плавлению циркалоевых оболочек топлива и их взаимодействию с 1Юг с образованием двух несмешиваемых расплавов с различным U/Zr соотношением. В большем объеме активной зоны температура превысила 2000 С, что привело к возникновению цирконий-урановых расплавов и растворению ими топлива с образованием фаз (U,Zr)Ox.
-
Цирконий-урановые расплавы подверглись быстрому застыванию в результате окисления и падения температуры после разрушения активной зоны реактора взрывами. Продукты их застывания сохранились в виде "горячих" частиц и включений в стекле коричневой лавы и пемзы. В черной лаве они встречаются в виде включений в новообразованном высокоурановом цирконе.
-
Твердофазный синтез циркона с изоморфными примесями актинидов может осуществляться прокаливанием, при использовании золь-гель метода подготовки шихты. Добавка церия и размол гелей могут применяться для снижения температуры синтеза.
-
Установлена изоморфная ёмкость циркона в отношении урана и тория для температур 1400-1500 С. Впервые определен предел изоморфного вхождения церия в циркон (5±0,5 мол.% "CeSi04" при 1300С).
Практическая ценность. Изученные процессы взаимодействия 1Юг с циркалоевой оболочкой в ходе Чернобыльской аварии являются ключевыми при анализе безопасности ядерных реакторов (не только типа РБМК). Часть исследований по синтезу циркона, как матрицы для иммобилизации плутония, была выполнена в рамках контрактов
Радиевого института с департаментом энергетики США. Полученные экспериментальные данные о пределах растворимости ThSi04 и USiQ» в цирконе также могут иметь практическое применение в цирконовой геохронологии.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на международных симпозиумах "Scientific Basis for Nuclear Waste Management XX", США, Бостон, 1996 г.; "Scientific Basis for Nuclear Waste Management XXI", Швейцария, Давос, 1997 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 203 стр. состоит из введения, 8 глав, заключения и двух приложений. Основная часть работы содержит 18 таблиц и 40 рисунков. Список литературы включает 110 наименований.
Автор глубоко благодарен за помощь научному руководителю профессору В.Г. Кривовичеву. Данная работа также вряд ли могла бы быть выполнена без всесторонней поддержки сотрудников лаборатории прикладной минералогии и радиогеохимии Радиевого института: канд. геол.-мин. наук Б.Е. Буракова, вед. инж. СИ. Шабалева, инж. В.М. Гарбузова, канд. физ. наук М.В. Заморянской, Е.Е. Стрыкано-вой, СВ. Парфенова и начальника лаборатории докт. геол.-мин. наук Е.Б. Андерсона. Отдельно автор хотел бы поблагодарить за помощь М.А. Яговкину (АО "Механобр-Аналит"). Ценными были консультации доктора В.Ф. Лутца (Университет Нью-Мексико) и канд. геол.-мин. наук СВ. Юдинцева (ИГЕМ РАН).
