Бушуев Радиоактивныы реакторныы графит 2015
.pdf
Описанная далее технология захоронения облученного графита в КОНРАД основывается на следующем допущении, отраженном в требованиях к отходам: «при цементировании отходов непосредственно в контейнере и/или ёмкостях, подлежащих размещению в контейнеры, допускается подмешивание в цемент жидких или измельченных РАО». Это допускает возможность подмешивать измельченный облученный графит в геополимер вместо песка, используемого в стандартной рецептуре заливки.
Первым шагом при разработке технологии являлось обоснование её экономической целесообразности и возможности технической реализации. Как видно из табл. 6.5, в каждом контейнере типа V, при выполнении ограничений, указанных в табл. 6.2, 6.3, возможно захоронение более 4 т графита вместе с бочками, заполненными РАО. При этом должны быть выполнены ограничения по предельному содержанию летучих соединений 14С (≤ 1 %) и мак-
симальному значению активности 14С в контейнере (1,8 1010 Бк).
Таблица 6.5
Количество подмешанного в геополимер графита
Количество 200 л бочек в контейнере. Тип V |
18 |
24 |
26 |
Свободный объём, м3 |
7,3 |
6,1 |
5,7 |
Масса заливки, кг |
12 410 |
10 370 |
8 840 |
Масса графита*, кг |
5 673 |
4 740 |
4 041 |
Рассмотрим возможность захоронения графитовых отходов AVR с применением данного подхода (табл. 6.6). Как можно видеть, более 90 % активности 14С приходится на неграфитированный углерод шаровых твэлов.
Условием отправки в КОНРАД данной категории графитовых отходов является разделение графита и топливных частиц, классифицируемых как отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) и в этой связи не подлежащих захоронению в КОНРАД. Рассматривается возможность отправки шаровых твэлов (без дополнительной пере-
______________
Для рецептуры образца № 4 (см. далее).
131
работки) в другие хранилища, например Горлебен, предназначенный для ОЯТ и высокоактивных РАО.
|
14С в графитовых отходах AVR |
Таблица 6.6 |
||||
|
|
|||||
|
|
А(14С), |
|
Общая |
Количе- |
Масса |
Графитовые |
|
Масса, |
ство |
графита |
||
отходы |
|
Бк/г |
т |
актив- |
контей- |
в контейнере, |
|
ность, Бк |
|||||
|
|
|
|
|
неров |
т |
Графит |
|
7,1·104 |
65 |
4,6·1012 |
256 |
0,254 |
Неграфитированный |
|
1,8·106 |
158 |
2,80·1014 |
15800 |
0,01 |
углерод |
|
|
|
|
|
|
Тепловая защита |
|
62 |
141,5 |
8,77·109 |
35 |
4,041 |
Всего: |
|
|
357,5 |
2,85·1014 |
16090 |
|
Следовательно, неграфитированный углерод твэлов можно исключить из списка подлежащих отправке в КОНРАД отходов, что позволит захоронить все графитовые отходы в КОНРАД в качестве наполнителя геополимера для заливки упакованных контейнеров. Тогда для захоронения всех графитовых отходов реактора AVR с активностью ниже 105 Бк/г в качестве наполнителя геополимера потребуется лишь около 300 контейнеров, содержащих бочки с РАО. Важное преимущество данного подхода состоит в том, что захоронение облученного графита обойдется практически бесплатно, оплачивается только транспортировка к месту переработки и измельчение (средняя цена размещения контейнера с РАО в КОНРАД составляет около 275 000 евро).
6.4.Возможность использования геополимера как матрицы для консервации радиоактивного графита ядерных реакторов
Разработка данного подхода требует оптимизации рецептуры изготовления геополимера с графитом, исследование его свойств для определения оптимальной степени размола графита и отношения графит/геополимер для обеспечения прочности не менее 10 МПа.
Для выполнения требований, предъявляемых при захоронении графитовых отходов в хранилище КОНРАД, требуется матричный
132
материал, обладающий, как говорилось выше, одновременно тремя качествами: легкий, текучий и имеющий в затвердевшем состоянии прочность не менее 10 МПа. Свойства геополимера позволяют при достаточно простой технологии приготовления и обращения с ним добиться выполнения необходимых норм.
Устойчивость к тепловому воздействию является важнейшим фактором при захоронении РАО. В соответствии с [72, 73] выполнение критерия «пожар при 800 °C в течение 1 ч и последующее остывание в течение 24 ч не должно приводить к выходу РАО из контейнера» является обязательным. Поэтому РАО, залитые битумом, необходимо дополнительно помещать в огнеупорные упаковки, в то время как геополимеры удовлетворяют требованиям этого критерия без дополнительной упаковки.
Устойчивость (резистентность) к воздействию кислот и сульфатов также является важнейшим фактором. Иммобилизующий материал образует матрицу, удерживающую облученный графит, растворение/разрушение которой может привести к выходу радионуклидов в окружающее пространство. Алюмосиликатная решетка геополимера обладает значительно более высокой химической стойкостью, чем даже у органических полимеров. Сравнение с другими иммобилизующими материалами отчетливо демонстрирует преимущество геополимера. При растворении трёх, наиболее часто используемых сортов цемента, и геополимера в 5 %-м растворе серной кислоты уже через 28 дн. цемент растворяется практически полностью, а геополимер – лишь на 10 % [76].
Исследовались также процессы коррозии металлов, залитых в геополимер [77]. Эксперименты проводились с цинком, алюминием, медью, сталью и нержавеющей сталью. Оказалось, что только цинк и алюминий заметно коррозируют в щелочной среде геополимера [76].
Таким образом, по ряду своих физико-химических характеристик геополимер является более предпочтительным для заливки/фиксации РАО, в том числе и графитовых, в контейнерах [76, 77, 78, 79]. При разработке технологии важной задачей является определение оптимального соотношения графит (крупный/мелкий помол)/геополимер [61].
Для изготовления тестовых образцов использовался стандартный геополимер марки «Tetra Opt» и рецептура, разработанная и
133
успешно применяемая компанией B.P.S. Engineering GmbH (Цвикау) [79]. Порошок-геополимер и отвердитель смешивались в соотношении 50 г/45 г, после чего в смесь добавлялся наполнитель.
В качестве контрольных в исследовании были использованы два образца – чистый геополимер и геополимер с песочным наполнителем (образцы № 1 и № 2, соответственно). Для образца № 3 в качестве наполнителя использовался тонко смолотый графит с размером частиц 2–10 мкм. Наполнителем в образце номер 4 являлся крупнозернистый графит с размером частиц 1,2–4,0 мм. Для образца номер 5 в геополимер добавлялась смесь тонко смолотого графита и песка (размер частиц порядка 3 мм) в пропорции 1:5. Для последнего образца (номер 6) в качестве наполнителя использовалась смесь слаборадиоактивного графита и крупного песка (1:4).
Полученные жидкие смеси заливались в полиэтиленовые цилиндрические формы и подвергались уплотнению на вибростенде. После выдержки изделий в течение 30 дн. из полученного геополимера нарезались цилиндрические образцы высотой около 11 мм. Торцевые поверхности образцов полировались алмазной пастой. Внешний вид образцов показан на рис. 6.6.
Рис. 6.6. Внешний вид исследованных образцов
134
Был проведен ряд экспериментов с целью изучения различных физико-механических свойств полученных образцов, в том числе их плотности, прочности и твердости (табл. 6.7).
Таблица 6.7 Физико-механические свойства исследуемых образцов геополимера
№ |
Состав образца |
|
ρ, г/см |
3 |
σcж, MПa |
HV *, |
|
Геополимер |
Графит |
Песок |
|
MПa |
|||
|
|
|
|
||||
1 |
100 |
– |
– |
1,56 ± 0,01 |
60 ± 10 |
320 ± 15 |
|
2 |
34 |
– |
66 |
2,12 ± 0,01 |
83 ± 12 |
410 ± 30 |
|
3 |
92 |
8 |
– |
1,56 ± 0,01 |
55 ± 20 |
280 ± 15 |
|
4 |
54 |
46 |
– |
1,71 ± 0,01 |
28 ± 10 |
340 ± 15 |
|
5 |
57 |
7 |
36 |
1,86 ± 0,01 |
63 ± 6 |
− |
|
6 |
54 |
9 |
37 |
1,89 ± 0,01 |
66 ± 5 |
− |
|
Прочность разрушения является одной из наиболее важных характеристик исследовавшихся материалов. Для захоронения забетонированных радиоактивных отходов в хранилище Конрад она должна быть не ниже 10 МПа.
Величины прочности на сжатие (σcж) вычислялись, исходя из значений силы нагружения (F), при которой происходит разрушение образца, по следующей формуле:
σсж = F
(πR2 ),
где R – радиус образца.
Для каждого типа образца вычислялись средние значения прочностных характеристик по 3–5 измерениям (см. табл. 6.7).
Как видно из таблицы, исходный геополимер характеризуется прочностью на разрушение 60 МПа. Меньшей прочностью на разрушение обладают образцы (номера 3, 4) геополимера с наполнителями в виде тонкого и крупного графита. Это объясняется тем, что графит обладает меньшей прочностью, чем геополимер, поэтому его добавки в смесь приводят к снижению прочностных характеристик. Для образца № 4 с наибольшим (почти 50 % по массе)
_________________
Значения микротвердости для геополимерной прослойки.
135
содержанием графита крупного помола плотность составляет около 1,7 г/см3, прочность – 28 МПа.
Образцы, в которых в качестве наполнителя использовалась смесь графита и песка показали более высокие, чем геополимер, значения прочности, хотя содержание графита в них, в среднем, в два раза выше, чем в образце № 3, а содержание песка по сравнению с контрольным образцом № 2 снижено в среднем в 3 раза. Следует отметить, что приведенные значения прочности на разрушение хорошо согласуются с другими литературными данными
[79].
Микротвердость (HV ) измерялась по методу Виккерса [80] и на
основе данных по микроиндентированию на установке Anton Paar MHT 10:
HV =1852 F
(2a)2 ,
где a – средняя длина полудиагонали индентора; F – сила нагружения.
Для каждого образца по десяти измерениям определялась среднее значение микротвёрдости. Для контрольного образца геополимера величина микротвёрдости равна 320 МПа. Результаты измерений для геополимерной прослойки приведены в табл. 6.7.
При наличии в образцах крупнозернистых наполнителей измерения микротвердости проводились отдельно как для наполнителей, так и для геополимерной прослойки. Например, для образца № 4 на рис. 6.7 1 показан отпечаток индентора в геополимерной прослойке, в углах фотографии ясно видны графитовые включения. Справа (см. рис. 6.7 2) представлена фотография отпечатка индентора на графитовом включении, на которой видно, что структура графита слоистая, мягкая, что затрудняет её полировку, в отличие от геополимера. Измеренная величина микротвёрдости для графита составила 110 МПа. Таким образом, графит обладает твёрдостью в три раза ниже, чем геополимер (320 МПа), то есть, является достаточно «мягким» материалом, что и определяет снижение прочностных характеристик образцов геополимера, содержащих графит в качестве наполнителя.
136
1 2
Рис. 6.7. Фотография индентора на геополимерной прослойке 1
играфитовом включении 2
Вданном исследовании наибольший интерес представляла величина микротвёрдости в геополимерной прослойке. В настоящее время является дискуссионным вопрос о влиянии различных добавок (наполнителей), вводимых в геополимерную матрицу, на её физико-механические, в частности прочностные, свойства. Большая часть перечисленных вопросов захоронения измельченного графита в смеси с геополимером рассмотрена с принципиальных (общих) позиций, без детализации. Исследования в настоящее время не завершены. Некоторые особенности предложенной технологии до конца не изучены, требуется дальнейшая проработка.
137
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Отработавший графит каждого УГР обладает важными особенностями, которые нужно учитывать при планировании мер по выводу из эксплуатации.
Загрязненность и физическое состояние облученного графита разных реакторов сильно различаются, что объясняется различием их конструкции, примененных материалов и историей эксплуатации. Поэтому для прямого переноса результатов, полученных при исследованиях графита одного реактора на другой реактор (с одного реактора ПУГР на другой, с ПУГР на РБМК и т.д.) требуются обоснования. Подробное исследование радиоактивной загрязненности отработавшего графита каждого УГР является необходимой частью процесса его вывода из эксплуатации.
Некоторые важные радионуклиды (14С, продукты деления) оказались внедренными в графитовую матрицу и не склонны к мигра-
ции. Время проведенных наблюдений (10−15 лет) мало по сравнению с планируемыми временами выдержки и хранения графита (100 лет и более). Поэтому целесообразно продолжить исследования, особенно связанные с дроблением графита, которое может являться этапом подготовки, как к хранению, так и к сжиганию.
Следует учитывать, что отработавший графит из разных частей реактора может иметь разную загрязненность: слабо загрязненные блоки отражателя УГР и втулки ПУГР, средне загрязненные блоки из активной зоны и сильно загрязненные из локальных аварийных зон. В этом случае для утилизации графита потребуются разные технологии и предварительная сортировка с применением неразрушающих измерений.
За время выдержки остановленных реакторов (100 лет и более) должны быть разработаны эффективные и экономичные технологии утилизации радиоактивного графита.
Для завершения рассмотрения проблемы радиоактивного реакторного графита следует ответить на три вопроса.
1. Будет ли в дальнейшем использоваться графит в качестве реакторного материала?
Ответ: в России продолжают работать 11 блоков АЭС с реакторами РБМК-1000. Была рассмотрены возможности продления их эксплуатации сверх запланированного ранее срока при условии
138
выполнения ремонтных работ [53]. В их число входят: блок № 1 ЛАЭС (пущен в 1973 г.), блок № 2 ЛАЭС (пущен в 1975 г.), блок № 1 КуАЭС (пущен в 1976 г.), блок № 2 КуАЭС (пущен в 1979 г.).
Продлен также срок эксплуатации четырех блоков Билибинской АЭС. До 2023 г. продолжена работа реакторов AGR в Великобритании [60].
Сохраняет особую привлекательность перспектива создания высокотемпературной ядерной энергетики. Только ВТГР обладают способностью нагревать теплоноситель (гелий) на выходе из реактора до 1000 °C и снабжать промышленность высокотемпературным теплом для производства водорода – универсального энергоносителя [81, 82]. Атомно-водородная энергетика нацелена на расширенное использование атомной энергии в химической, металлургической промышленности и на транспорте.
В ВТГР графит является основным конструкционным материалом, из которого изготавливают топливные элементы, фрагменты заменяемого и незаменяемого отражателя, опоры активной зоны и отдельные элементы направляющих стержней.
Графит используется для защиты внутренней поверхности вакуумной камеры термоядерного реактора от облучения быстрыми атомами и ионами [83]. Другие применения графита в токамаках: в Tore Supra использовали графитовый ламитер (внутрикамерный элемент конструкции с круглым сечением, ограничивающий плазменный шнур), в ИТЭР – дивертор (элемент установки с вытянутым сечением, принимающий на себя основную тепловую и корпускулярную нагрузку).
Исследуют возможность и совсем новых применений графита. Например, поток частиц графита предлагается использовать в качестве твердого теплоносителя [85]. Частицы должны иметь сферическую форму с диаметром 0,5–2 мкм. Для снижения трения используется покрытие из пиролитического графита.
2.Можно ли понизить уровень радиоактивности отработавшего
вреакторе графита?
Ответ: если бы стали снова строить графитовые реакторы, накопленный опыт эксплуатации позволил бы практически исключить опасность аварий с выходом топлива в графит.
139
Специальный отбор (и очистка) сырья на порядки уменьшит накопление радиоактивных примесных нуклидов в графите при его облучении нейтронами.
Применение гелия вместо азота для создания защитной атмосферы в графитовой кладке в несколько раз уменьшило бы загрязнение графита радиоуглеродом.
Витоге отработавший графит может оказаться слаборадиоактивным и сфера его повторного применения расширится.
3. Можно ли найти применение для уже накопленного облученного графита?
Внастоящее время ведется поиск областей применения отработавшего реакторного графита. При этом возможность повторного использования зависит от уровня его радиоактивной загрязненности и сохранности физических характеристик.
Вмеждународном проекте CARBOWASTE рассматривалась возможность использования слабоактивного графита в будущих высокотемпературных реакторах в качестве материала для отражателя нейтронов. Исследуется технология использования облученного графита для построения керамических матриц (на основе карбидов) для хранения высокоактивных отходов атомной промышленности [84]. Такая упаковка обладает преимуществами перед остекловыванием ВАО.
Результаты рассмотрения позволяют сделать общий вывод: графит в будущем останется не только проблемным, но и востребованным материалом для реакторостроения и других применений.
140