Предотвращение биогенной деструкции и повышение качества цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы Горбунова, Ольга Анатольевна

Введение к работе

Актуальность работы. Специфика обращения с радиоактивными отходами (РАО), обеспечение радиоэкологической безопасности хранилищ РАО связана с необходимостью оперировать временными интервалами в сотни и тысячи лет, что приводит к ситуации, когда нынешняя технологическая деятельность заведомо проецируется на ряд последующих поколений. Так, проектный срок эксплуатации приповерхностных хранилищ кондиционированных РАО низкой и средней активности (НАО и САО) рассчитывается в ряде случаев на срок до 300 лет, на период радиационного контроля до снижения радиоактивности до безопасного уровня.

Для кондиционирования НАО и САО наиболее распространенным в России и других странах является цементирование, позволяющее при простоте технологического процесса, доступности матричного материала и невысоких капитальных и эксплуатационных затратах получать конечный продукт, удовлетворяющий требованиям нормативных документов.

В настоящее время контроль качества цементированных радиоактивных отходов не учитывает возможную микробиологическую деструкцию цементной матрицы. Однако в составе НАО и САО преобладают вещества (концентраты минеральных солей - нитраты, сульфаты, хлориды и др., отработанные минеральные масла и органические жидкости, целлюлозосодержащие материалы и др.), потенциально являющиеся при долговременном хранении в факультативно-анаэробных условиях приповерхностных хранилищ питательной средой для развития микроорганизмов. Это делает возможным биогенное нарушение микроструктуры цементной матрицы (появление микропор, трещин, полостей). Микробиологическая деструкция может выступать фактором разрушения цементной матрицы и наряду с действием влаги и перепадов температур снижать безопасность долговременного хранения кондиционированных РАО.

Своевременное предотвращение биодеструкции цементной матрицы для обеспечения надежного и безопасного хранения кондиционированных РАО, совершенствование методов защиты от всех потенциальных агрессивных факторов и повышение качества цементных компаундов с РАО остается в настоящее время актуальным.

Целью работы является установление закономерностей процессов микробиологической деструкции цементной матрицы, оценка значимости данного фактора и разработка научно обоснованных технических решений по его предотвращению для повышения надежности и безопасности хранения кондиционированных форм РАО.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Определить наличие, численность, родовую принадлежность и тип метаболизма ассоциаций микроорганизмов в цементных компаундах приповерхностных хранилищ с НАО и САО после 40 лет хранения.

2. Провести многолетние (до 10 лет) натурные испытания и на основании полученных экспериментальных данных установить механизм биогенных деструктивных процессов, влияющих на изменение микроструктуры и физико-химических свойств цементной матрицы.

3. С помощью программно-математического анализа по экспериментальным данным натурных испытаний оценить величину биогенной деструкции и значимость этого фактора для сохранения цементной матрицей свойств надежной иммобилизации

радионуклидов Cs, Sr в течение длительной эксплуатации хранилищ РАО.

4. Определить функциональные свойства ряда биоцидных добавок по отношению к микроорганизмам хранилищ кондиционированных РАО, а также совместимость добавок с компонентами цементного компаунда на основе жидких (ЖРО) и твердых (ТРО) радиоактивных отходов; выбрать биоцидные химические добавки, обеспечивающие цементными компаундам эффективную пролонгированную защиту в условиях приповерхностных хранилищ низко- и среднерадиоактивных отходов.

5. Разработать и опробовать новые методы цементирования отдельных видов ЖРО и ТРО с применением выбранных биоцидных добавок, улучшающих параметры технологического процесса и качество конечных цементных компаундов.

6. Обосновать экономическую целесообразность применения предложенных технических решений по биоцидной защите и повышению качества цементных компаундов с НАО и САО.

Связь работы с научными программами, планами, темами Работа выполнялась в соответствии с планом НИОКР ГУП МосНПО «Радон» на 2000-2010 г.г. по «Программе совершенствования и повышения качества, безопасности, надежности технологии и средств производства при обезвреживании РАО, обеспечения радиоэкологической безопасности населения и охраны окружающей среды Московского региона» (темы 2.06.01, 2.03.01) на основании постановлений Правительства Москвы, а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Гос. контракт № П755 от 20.05.2010, ГЕОХИ РАН).

Основными методами исследований при решении поставленных задач были: систематическая обработка полученных данных натурных испытаний - результатов физико-химических, микробиологических, микроструктурных исследований с помощью радиометрических, хроматографических, электронно-микроскопических (СЭМ), рентгенофазовых (РФА), петрографических, физико-механических, химических методов анализа; программно-математическая обработка экспериментальных графических данных (микрофотографий СЭМ) и прогнозирование; аналитические, лабораторные исследования на основе стандартных и специальных методик подготовки проб, выполнения измерений, количественного анализа, проведения испытаний; а также опытно-промышленные натурные испытания новых добавок и методов при цементировании реальных ЖРО и ТРО.

Объектами исследований были:

6. 1. пробы кернового материала, отобранные при экспериментальном бурении цементного монолита приповерхностных хранилищ РАО 1960-х годов консервации (возраст цементных компаундов более 40 лет);

   2. модельные цементные образцы, содержащие биоцидные добавки и компоненты РАО - потенциальные субстраты для развития микробного сообщества, после

   1, 2,5, 4,5, 8,5, 10 лет натурных испытаний в условиях приповерхностных хранилищ;

   6. 3. чистые культуры микроорганизмов, изолированные из проб керна и модельных цементных образцов с РАО в различные сроки натурных испытаний;

      4. цементные компаунды с нитратсодержащими водными солевыми ЖРО, маслосодержащими ЖРО, сыпучими мелкозернистыми ТРО в возрасте твердения до 1 года, полученные при лабораторных и опытно-промышленных испытаниях методов цементирования с биоцидными добавками.

      Предметом исследований являлись: 1- процесс биогенного разрушения микроструктуры цементной матрицы при долговременном хранении кондиционированных форм РАО; 2- свойства биоцидных добавок; 3- методы биоцидной защиты и повышения качества цементных компаундов с РАО при цементировании ЖРО и ТРО.

      Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждаются представительным объемом комплексных многоплановых экспериментальных исследований, полученных с помощью аттестованных методик в специализированных аккредитованных испытательных лабораториях; согласующимися микробиологическими, физико-химическими и микроструктурными данными многолетнего мониторинга состояния цементных компаундов с РАО в приповерхностных хранилищах; соответствием расчетных данных и натурных испытаний, полученных при различных условиях на реальных объектах.

      Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

      1. установлено и экспериментально подтверждено наличие в цементных компаундах с РАО денитрифицирующих и бродильных микроорганизмов родов Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Alcaligenes, Micrococcus, Mycobacterium, Arthrobacter, Flavobacterium, что способствует ухудшению состояния цементной матрицы, иммо- билизирующей радиоактивные отходы в приповерхностных хранилищах в период хранения до 40 лет;

      2. рассмотрен и экспериментально подтвержден механизм биогенной деструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах РАО, заключающийся в том, что бактерии используют в качестве питательной среды компоненты радиоактивных отходов (нитратные соли, масла и органические жидкости, целлюлозные включения), в процессе метаболизма выделяют газы и кислоты в установленных концентрациях, способствующих поро- и трещинообразованию в цементной матрице, что при длительном хранении ведет к снижению иммобилизационных свойств компаунда и ухудшению радиоэкологической безопасности хранилищ кондиционированных РАО;

      3. количественно определена значимость биодеструкции цементной матрицы при длительном хранении: установлена численность микроорганизмов, концентрации кислых и газообразных метаболитов, скорость разрушения кристаллов гидратных новообразований цементной матрицы, скорость образования локальных участков биогенной деструкции цементной матрицы, объемы приповерхностных хранилищ, потенциально подверженных биогенной деструкции по температурному лимитирующему фактору;

      4. установлено функциональное действие ряда биоцидных препаратов по отношению к микроорганизмам, развивающимся в условиях хранилищ кондиционированных низко- и среднерадиоактивных отходов. Экспериментально подтверждена эффективность действия биоцидных добавок в условиях гамма-излучения. Показана возможность пролонгированной биоцидной химической защиты цементных компаундов на стадии цементирования радиоактивных отходов;

      - показана эффективность модифицирующего влияния полимерного препарата класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ) на реологические, водоудерживающие и пенетрационные свойства цементных растворов, а также на формирование микроструктуры, прочность и химическую стойкость цементных компаундов с различными видами жидких и твердых радиоактивных отходов. Определены параметры технологических процессов цементирования РАО с добавкой ПГМГ; реализация разработанных процессов в промышленных условиях способствует увеличению доли радиоактивных отходов в конечном компаунде, снижению расхода цемента, сокращению радиационно опасных стадий и вторичных жидких радиоактивных отходов.

      Практическая ценность работы заключается в том, что на основании результатов исследований разработаны и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» новые материалы и технологии, позволяющие повысить надежность и безопасность долговременного хранения кондиционированных форм РАО, а именно:

      4. 5. Комплексная добавка проникающего и защитного действия для бетонов и растворов «БИЗОН-БПл» (ТУ 5743-159-46854090-2003), содержащая биоцидный препарат ПГМГ, успешно примененная при повторной герметизации «исторических» приповерхностных хранилищ РАО в ГУП МосНПО «Радон» в 2000-2005 г.г.

         6. Специальный портландцемент с композиционной добавкой «СПЦК» (ТУ 5734-001-56873527-2006), содержащий биоцидную добавку ПГМГ, используемый для цементирования ЖРО и ТРО в ГУП МосНПО «Радон» в 2006-2011 г.г.

         7. Технологический процесс и установка цементирования мелкозернистых ТРО методом пропитки (ТП Рад Х-06.00/2002, Патенты РФ №2142657, № 2199164, № 2301468), внедренный в ГУП МосНПО «Радон» с 2003 года.

         8. Технологический процесс цементирования водных солевых ЖРО с повышенным Р/Ц=0,75-1,2 (ТП Рад Х-12.01/2003, Патент РФ № 2197760) и блок предварительного суспензирования солевых и маслосодержащих ЖРО (ТП Рад Х-12.03/2008, Патент РФ № 2317605), внедренные в ГУП МосНПО «Радон» в 2002 -2008 годах.

         Научные и практические результаты исследований вошли в учебные пособия по лекционным курсам «Переработка радиоактивных отходов» для студентов Озерского технологического института Национального исследовательского ядерного университета (ОТИ НИЯУ «МИФИ», ЗАТО Озерск, ФГУП «ПО «Маяк», с 2010 г.) и «Утилизация техногенных отходов в подземном пространстве» для студентов Московского государственного горного университета (МГГУ, Москва, с 2005 г).

         Личный вклад автора. Все научные результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором. Автором осуществлена постановка цели и задач исследования, планирование работы. Автор лично разрабатывала методики натурных испытаний; осуществляла постановку и научное сопровождение экспериментов, принимала непосредственное участие в отборе проб и выполнении анализов, лично обрабатывала и обобщала материалы многолетних наблюдений и результатов анализов, принимала участие в создании программных продуктов для математической обработки графических данных, а также непосредственно участвовала в разработке, испытаниях и внедрении новых цементных биоцидных материалов, технологий и установок цементирования ЖРО и ТРО.

         Положения, выносимые на защиту:

         4. 8. 1. Наличие и причины биогенной деструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах отвержденных РАО: субстраты в составе РАО, род и численность микроорганизмов, развивающихся в цементных компаундах с НАО и САО, вид и концентрации агрессивных метаболитов, продуцируемых данными микроорганизмами.

               2. Механизм и величина биогенной деструкции: количественные характеристики снижения надежности иммобилизации радионуклидов цементной матрицей за различные периоды (1, 8,5, ~40 лет).

               3. Эффективность биоцидной защиты цементных компаундов препаратами класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ) в условиях долговременного хранения в приповерхностных хранилищах НАО и САО.

               4. Влияние биоцидного полимера ПГМГ на технологические параметры цементирования ЖРО и ТРО и повышение качества конечного компаунда с РАО.

               Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на 16 российских и 17 международных научно-технических конференциях: "Радиационное наследие ХХ века и восстановление окружающей среды" (Москва, РАН, 2000); Научно-техн. конф. "Свердловскому ядерному научному центру - 35 лет" (Заречный, 2001); 4-я, 5-я, 6-я Межд. научно-практ. конф. "Обращение с радиоактивными отходами" (Москва, ГП ВНИИАЭС, 2001, 2006, 2008); Межд. научно-техн. конф., посв. 60-летию СвердНИИхиммаша (Екатеринбург, 2003); 5-я, 6-я Росс. конф. по радиохимии "Радиохимия" (Дубна, 2006, Москва, 2009); 1-я, 2-я, 3-я, 4-я Росс. конф. молодых учёных и специалистов "РАДУГА. Обращение с РАО. Проблемы и решения" (Сергиев Посад, 2006, 2008, 2010, 2011); 2-ой Межд. ядерный форум (СПб, 2007), 7-я Межд. конф. «Экология человека и природа» (Москва-Плес, 2008); Отраслевая науч- но-практ. конф. молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: наука и производство» (г. Северск, СХК, 2007); 11-я, 12-я Всеросс. конф. молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2010, Новосибирск, 2011); 6-ой Московский межд. конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011); Молодежная научная конф. «Современные проблемы радиохимии и радиоэкологии. К 25-летию аварии на ЧАЭС» (ГЕОХИ РАН, Москва, 2011); Межд. молодежный форум «Ядерное будущее» (Голицыно, 2011); 11-я Всеросс. выставка научно-технич. творчества молодежи НТТМ-2011 (Москва, ВВЦ, 2011); 3-ий Всеросс. симпоз. «Разделение и концентрирование в аналит. химии и ра- диохмии» (Краснодар, 2011); Росс. конф. с межд. участием, посв. 60-летию кафедры радиохимии УГТУ-УПИ «Актуальные проблемы радиохимии и радиоэкологии» (Екатеринбург, 2011); "Spectram'98" (Denver, Colorado, USA, 1998); ICEM' 99, '01, '03,'05: 7^th, 8^th, 9^th, 10^th "International Conference on Radioactive Waste Management and Environmental Remediation" (Nagoya, Japan, 1999; Bruges, Belgium, 2001; Oxford, England, 2003; Glasgow, Scotland, 2005); WM' 99, '03, '05, '11: "International Conference on Waste Management, Energy Security and a Clean Environment HLW, TRU, LL/ILW, Mixed Hazardous Wastes and Environmental Management" (Tucson, Arizona, USA, 1999, 2003, 2005, 2011); KONTEC'2011: 10^th International Symposium „Conditioning of Radioactive Operational & Decommissioning Wastes" (Dresden, Germany, 2011).

               Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, в том числе 9 научных статей в российских изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография (в соавторстве), 5 Патентов РФ, 2 Свидетельства о регистрации программных продуктов, материалы российских и международных конференций.

               Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, экспериментальной части, изложенной в 5 главах, общих выводов, библиографии и 5 приложений. Работа изложена на 307 страницах машинописного текста, включающего 84 рисунка и 47 таблиц, список литературы из 299 наименований.

               Похожие диссертации на Предотвращение биогенной деструкции и повышение качества цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы

               

               Энергосбережение и повышение качества цементного клинкера с использованием шлако-мело-известкового компонентаШилова Ирина Александровна

               Энергосбережение и повышение качества магнийсодержащего цемента с использованием баритового отходаНовоселова, Инна Николаевна

               

               Повышение качества токарной обработки полимерных материалов посредством предварительной механической деструкции поверхностного слоя Ковальчук Светлана Анатольевна

               Иммобилизация органических жидких радиоактивных отходов методом пропитки пористых цементных матрицГерманов, Александр Владимирович

               Изучение влияния термической и деформационной обработки на деструкцию конструкционной стали с целью повышения эксплуатационных свойств изделийТронза, Елена Ивановна

               

               Повышение стойкости полипропилена к термоокислительной деструкцииКуксенко Елизавета Сергеевна

               

               Методы повышения качества многоцелевых авиационных системГлухов Вадим Анатольевич

               

               Совершенствование организационной работы калийного предприятия по повышению качества и конкурентоспособности выпускаемой продукцииПрушак Марина Викторовна

               Технологическое обеспечение повышения качества и безопасности процесса виброударного упрочнения деталей на однокоординатных станкахШамшура Сергей Александрович

               Разработка мобильной технологии повышения качества поверхностного слоя деталей для повышения их износостойкостиГречкин Данил Николаевич