Использование композиционных материалов на основе слюды для захоронения радиоактивных отходов

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

Оригинальная статья / Original article УДК 539.1

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЛЮДЫ ДЛЯ ЗАХОРОНЕНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ

© Т.И. Шишелова*, В.Г. Житов*

Иркутский национальный исследовательский технический университет, Российская Федерация, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

РЕЗЮМЕ. ВВЕДЕНИЕ. Приводятся результаты исследования линейных коэффициентов ослабления |j от y-излучения микалексов различного состава после бомбардировки их потоками электронов с энергией 5 МэВ, 10 МэВ, 25 МэВ. Использовались: цезиевый источник Y-излучения с Е = 0,661 МэВ и кобальтовый с Е = 1,25 МэВ. Цель работы: изучить возможности использования композиционных материалов на основе слюды для захоронения радиоактивных отходов. МЕТОДЫ. Объектом исследования выбраны образцы композиционного материала на основе слюды и стекла (микалекс) с различным содержанием компонент. Методом регистрации ионизирующего излучения проведены исследования изменения линейного коэффициента ослабления образцов микалекса под воздействием Y-излучения. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Проведенные исследования показали, что бомбардировка потоком электронов увеличивает проникающую способность Y-излучения в микалексе. Выявлена четкая зависимость коэффициента линейного ослабления от состава микалекса: вида использованной слюды, процентного соотношения наполнителей и связующего, введения модифицирующих добавок. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Рекомендуется новая область использования композиционных материалов на основе слюды (микалекса) - в качестве радиационно-стойких материалов и материалов захоронения радиоактивных отходов. Ключевые слова: слюдосодержащие композиционные материалы, радиационная стойкость, Y-излучение, коэффициент линейного ослабления.

Формат цитирования: Шишелова Т.И., Житов В.Г. Использование композиционных материалов на основе слюды для захоронения радиоактивных отходов // XXI век. Техносферная безопасность. 2017. Т. 2. № 1. С. 86-92.

USE OF MICA-BASED COMPOSITE MATERIALS FOR RADIOACTIVE WASTE DUMPING T.I. Shishelova, V.G. Zhitov

Irkutsk National Research University,

83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation.

ABSTRACT. INTRODUCTION. The paper represents research results for a linear Y-radiations ratio of micalexes of various composition after bombing by electron streams at an energy of 5 MeV, 10 MeV, 25 MeV. A caesium Y-radiation source with E = 0,661 MeV and cobalt radiation source with E = 1,25 MeV were used. PURPOSE. The paper aims to study usage of mica-based composite materials for radioactive waste dumping. METHODS. The research object is samples of mica-based and glass-based composite materials. The analysis of changes in linear easing ratio for micalex samples under Y-radiation was carried using ionizing radiation registration. RESULTS AND DISCUSSION. The research showed that electron bombing increases the penetration of Y-radiation of micalex. The accurate dependence of a linear loosening ratio on micalex composition (a type of mica, a percentage ratio of fillers and binding materials, modifying components) was identified. CONCLUSION. The authors suggest a new field for using mica-based composite materials - as radiation-stable materials and materials of radioactive waste dumping. Keywords: mica-based composite materials, radiation stability, Y-radiation, linear easing ratio

For citation: Shishelova T.I., Zhitov V.G. Use of mica-based composite materials for radioactive waste dumping. XXI century. Technosphere Safety. 2017, vol. 2, no. 1, pp. 86-92 (In Russian).

*Шишелова Тамара Ильинична, доктор технических наук, профессор кафедры физики, e-mail: tamara.Shishelova@gmail.com

Tamara I. Shishelova, Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Physics, e-mail: tamara.Shishelova@gmail.com

*Житов Владлен Георгиевич, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, e-mail: info@istu.edu Vladlen G. Zhitov, Candidate of Engineering Sciences, Associate Professor of Physics, e-mail: info@istu.edu

Том 2, № 1 2017 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 2, no. 1 2017 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ISNN 2500-1582

Введение

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

шм

к/

За ближайшие десятилетия накопилось огромное количество радиоактивных отходов (РО), увеличивающееся с каждым годом. Особенно обострилась проблема по утилизации и захоронению РО атомных электростанций, когда наступает время их демонтажа.

Непрерывный рост производства, энергетики, повышение численности средств транспорта и т.д. - создают условия, в которых человек подвергается технологическим опасностям, попадая в зону их действия. Нужно срочно принимать меры по сохранению среды обитания и развитию различных технологических процессов, снижающих нарушение экологической среды обитания. В данной работе основное внимание уделено радиоактивной безопасности как составной часть экологической безопасности. В настоящее время нет такой области хозяйства, где бы в той или иной степени не использовались радиоактивные материалы. В связи с этим проблема безопасной изоляции РО является актуальной темой.

Использование мировых энергетических ресурсов имеет определенный предел. В настоящее время почти все государства разрабатывают вопрос об альтернативных источниках энергии, располагающих пока низким КПД. На современном этапе развития общества ядерная энергетика - энергетика будущего. Известно, что Россия является мировым лидером по использованию ядерной энергетики, поэтому необходимо обеспечить радиационную безопасность, взяв под контроль выполнение закона об охране окружающей среды при использовании радиоактивных материалов. Статьей 50 Закона об охране окружающей среды предприятия граждане обязаны соблюдать правила пользования, хранения, утилизации и захоронения РО. Захоронение радиоактивных отходов производится по разрешению Минэкологии и

Госсанэпиднадзора на специально отведенных для этой цели полигонах. Суммарная доза радиоактивного воздействия на человека складывается из 95% дозы от природных и 5% искусственных источников.

Немалые трудности возникают с захоронением радиоактивных отходов: они должны помещаться в нерастворимое химически стойкое вещество, которое заключают в герметический контейнер и погребают в сухом стабильном грунте. Обычно для этих целей применяют боросиликатные стекла и боросиликатную керамику. Но керамика имеет много недостатков, и основной из них - пониженная химическая стойкость.

Перспективной является утилизации радиоактивных отходов и разработка новых радиационно-стойких материалов и материалов для их захоронения на основе слюды [1].

Во-первых, слюда - химически стойкий минерал, не подверженный действию всех агрессивных кислот, за исключением плавиковой кислоты. Слюда эластична, не дорога, обладает высокими механическими и электрическими характеристиками. Но самое основное: слюда и материалы на ее основе обладают высокой радиационной стойкостью. При облучении слюды потоком быстрых нейтронов ее электроизоляционные свойства сохраняются до дозы 5*1018 нейтр./см2. В работах [2-7] было изучено влияние облучения нейтронами и гамма-квантами на характер структурно-фазовых превращений в минералах, содержащих слюду, установлен механизм дефектообразования и перестройки их структуры. В [2], например, авторы методом спектроскопии и кристаллооптического анализа провели исследования структуры и фазового состава биотита и роговой обманки при облучении электронами. Ими установлено, что в результате происходит разупорядочение кристаллической решетки

ISNN 2500-1582

Том 2, № 1 2017 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 2, no. 1 2017 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

биотита вследствие потери структурных гидроксильных групп. Показано, что на этой стадии чешуйки слюды не разрушаются.

Работы [8-11] подтвердили радиационную стойкость минералов, входящих в состав гранитоидов. Основные составляющие гранитоидов - кварц и слюда, поэтому они могут быть защитными материалами для безопасной изоляции радиоактивных отходов.

По нашему мнению, для захоронения РО особенно перспективен композиционный микалекс. Получается он методом горячего прессования мелкоразмерной

слюды и легкоплавкого стекла [12, 13]. Следует отметить, что компоненты, из которого изготавливается микалекс (стекло и слюда), сами по себе имеют хорошие показатели по радиационной стойкости. В процессе спекания и горячего прессования образуется монолит с хорошими механическими и электрофизическими свойствами: он не подвержен воздействию влаги, выдерживает сложную технологическую обработку, запрессовку и как следствие - может быть рекомендован для захоронения радиационных отходов.

Методы исследования

Вопрос о радиационной стойкости микалекса не рассматривался ранее.

Основная цель данной работы -определение возможности использования композиционного материала микалекс для захоронения радиоактивных отходов. Были проведены исследования по изменению линейных коэффициентов ослабления под действием Y-излучения. По своей физической природе Y-излучение представляет собой электромагнитное излучение ядерного происхождения длиной волны менее 10-10м и диапазоном от 100 КэВ до 30 МэВ. При радиоактивном распаде наиболее проникающим является гамма-излучение.

Естественно, для уменьшения воз-

действия радиации необходимо ослабить ее интенсивность. Для этой цели применяются различные материалы. Ослабление зависит от толщины материала, но в большей степени от вещества, которое используется для защиты.

Ослабление интенсивности излучения можно представить так:

I = 0 е*

где 10 - интенсивность падающего излучения; I - прошедшее через вещество толщиной б; у - линейный коэффициент ослабления.

Результаты и их обсуждение

В данной работе приводятся результаты исследования линейных коэффициентов ослабления /-излучения микалексов различного состава после бомбардировки их потоками электронов: /-излучения цезия, с энергией Е = 0,661 МэВ; и кобальта, с Е = 1,25 МэВ. Относительная погрешность в определении - 1,5%.

На рис. 1 представлены экспериментальные данные коэффициента ослаб-

ления /-излучения после бомбардировки электронами различных энергией: цезиево-го источника, с Е = 0,661 МэВ - а; и кобальтового источника, с Е = 1,25 МэВ - Ь; для мусковитого микалекса, изготовленного с различным содержанием слюды и стекла. Кривая 5 характерна для композита с содержанием 85% тонко измельченной слюды и 15% легкоплавкого стекла 203.

Том 2, № 1 2017 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 2, no. 1 2017 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ISNN 2500-1582

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

ß

ß

Рис. 1. Изменение коэффициента ослабления у для Y-излучения в мусковите

и в композиционном материале на его основе в зависимости от энергии излучения: а - цезиевый источник, b - кобальтовый источник электронов. 1 - слюда-мусковит; 2 - микалекс с содержанием 35% стекла; 3 - микалекс с содержанием 40% стекла; 4 - микалекс с содержанием 35% стекла + 5% вулканического пепла; 5 - микалекс с содержанием 15% стекла Fig. 1. Easing у ratio change for Y-radiation in muscovite and mica-based composite materials depending on the radiation energy: а - a caesium source, б - a cobalt source of electrons. 1 - muscovite; 2 -micalex with 35% of glass; 3 - micalex with 40% of glass; 4 - micalex with 35% of glass + 5% of volcanic ash; 5 -micalex with 15% of glass

Из рис. 1 видно, что коэффициент ослабления у значительно уменьшается с увеличением энергии электронов радиационного источника. Лучшие показатели радиационной стойкости наблюдаются у образцов с процентом соотношения: слюды -60; 35 - стекла и 5% вулканического пепла

(кривая 4). Это можно объяснить химическим составом пепла; положительный эффект также достигается влиянием модифицирующей добавки на растворимость слюды в стекле, что обеспечивает получение более плотного материала с повышенным значением коэффициента ослабления у.

Том 2, № 1 2017 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 2, no. 1 2017 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ISNN 2500-1582

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

шж

Особой разницы между цезиевым и кобальтовым источниками не наблюдается.

Аналогичные исследования были проведены для композиционного материала микалекс на основе триоктаэдрической слюды-флогопит. Можно отметить, что микалекс на основе слюды-флогопит имеет гораздо лучшие показатели по радиационной стойкости. Значительно повышает коэффициент ослабления во флогопитовом микалексе добавление вулканического пепла; добавка оксида магния практически не влияет на ослабление /-излучения.

На рис. 2 приведены изменения коэффициента ослабления у от /-излучения электронов различных энергий в зависимо-

сти от процентного содержания стекла во флогопитовом микалексе.

Как видно из рис. 2, флогопитовый микалекс с 35%-м содержанием стекла более радиационно-стоек по сравнению с му-сковитовым. Наблюдается уменьшение коэффициента ослабления у с увеличением энергии электронов. Такую разницу в радиационной стойкости триоктаэдрической слюды (флогопит) и диоктаэдрической (мусковит) можно объяснить структурными особенностями этих минералов. Дегидрок-силация триоктаэдрических слюд по сравнению с диоктаэдрическими происходит при более высоких температурах, так как они более термостойкости [14].

Рис. 2. Зависимость изменения линейного коэффициента ослабления у от Y-излучения электронами различных энергий в соответствии от процентного содержания стекла во флогопитовом (1, 2, 3,4) и мускавитовом (1', 2', 3', 4') микалексе: 1/1' - до бомбардировки электронами; 2/2' - после бомбардировки электронами с энергией 10 МэВ; 3/3' - с энергией 15 МэВ; 4/4' - с энергией 25 МэВ

Fig. 2. Linear easing у ratiochange dependence on y-radiation of electrons of various energy in compliance with the percentage of glass in phlogopite (1, 2, 3,4) and muscovite (1', 2', 3', 4') micalex: 1/1' - before electron bombing; 2/2' - after electron bombing at an energy of 10 MeV; 3/3' - at an energy of 15 MeV; 4/4' - at an energy of 25 MeV

f9f

Том 2, № 1 2017 Vol. 2, no. 1 2017

XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

Процентное содержание стекла (35%) в микалексе обеспечивает образование более плотного композита с улучшен-

ными механическими характеристиками, что является следствием улучшения радиационной стойкости материала.

Заключение

1. Методом регистрации ионизирующего излучения проведены испытания микалексов различного состава на радиационную стойкость.

2. Выявлена четкая зависимость линейного коэффициента ослабления от вида использованной слюды, от процентного со-

держания наполнителей связующего и от введения модифицирующих добавок.

3. Предлагается новая область использования композиционных материалов на основе слюды - в качестве радиацион-но-стойких материалов и материалов захоронения радиоактивных отходов.

1. Алексеенко В.А., Иванов А.Б. Геологические и гидрологические аспекты проблемы захоронения жидких радиоактивных отходов: материалы III Меж-дунар. симпозиума по вопросам захоронения РО. Екатеринбург, 1995. С. 16-19.

2. Березняк Е.П., Саенко Л.А., Шевякова Э.П. Радиационная стойкость темноцветных минералов, входящих в состав гранитов // Вестник ХНУ. 2010. № 915. С. 44-47.

3. Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. М.: Стройиздат, 1997. 256 с.

4. Гусев Н.Г., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Т. 1. М.: Атомиздат, 1980. 623 с.

5. Иваницкий В.П., Калиниченко А.М., Матяш И.В. ДАН УССР. M.: 1977. 593 c.

6. Иваницкий В.П., Калиниченко А.М., Матяш И.В. Геохимия. Москва, 1997. 1073 c.

7. Неклюдов И.М., Шевякова Э.П., Березняк Е.П. Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение. М.: 2006. 60 с.

кии список

8. Мецик М.С. Физика расщепления слюды. Иркутск: Вост.-Сиб. изд-во, 1967. 256 с.

9. Поваренных А.С. Кристаллохимическая классификация минеральных видов. К.: Наукова думка, 1966, 547 с.

10. Подплетнев В.И., Подплетнева Э.А. Неорганизованные материалы // Известия АН СССР. 1979. Т. 15. № 9. 1661 а

11. Соботович Э.В. Радиоактивные отходы Украины: состояние, проблемы, решения. К.: Друк, 2003. 400 с.

12. Шишелова Т.И. Слюдосодержащие композиционные материалы. Л., 1990. 350 с.

13. Шишелова Т.И., Шульга В.В. Физико-химические основы производства композитных материалов на основе слюд // Фундаментальные исследования. 2016. № 3-3. С. 538-541.

14. Неклюдов И.М. Ядерная энергетика. Обращение с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами. К.: Наукова думка, 2006. 253 с.

References

1. Alekseenko V.A., Ivanov A.B. Geologicheskie i gidro-logicheskie aspekty problemy zakhoroneniya zhidkikh radioaktivnykh otkhodov: materialy III Mezhdunar. sim-poziuma po voprosam zakhoroneniya RO [Geological and hydrological aspects of liquid radioactive waste dumping: materials the Third International symposium on radioactive waste dumping]. Ekaterinburg, 1995, pp. 16-19. (In Russian).

2. Bereznyak E.P., Saenko L.A., Shevyakova E.P. Ra-diatsionnaya stoikost' temnotsvetnykh mineralov, vkhodyashchikh v sostav granitov [Radiation firmness of the dark-colored minerals in granites]. Vestnik KhNU [Bulletin of KhNU]. 2010, no. 915, pp. 44-47. (In Russian).

3. Dubrovskii V.B. Radiatsionnaya stoikost' stroitel'nykh materialov [Radiation firmness of construction materials]. Moscow, Stroiizdat Publ., 1997. 256 p. (In Russian).

4. Gusev N.G., Mashkovich V.P., Suvorov A.P. Zash-chita ot ioniziruyushchikh izluchenii. T. 1. [Protection against ionizing radiation. V. 1.]. Moscow, Atomizdat Publ., 1980, 623 p. (In Russian).

5. Ivanitskii V.P., Kalinichenko A.M., Matyash I.V. DAN USSR. Moscow Publ., 1977, 593 p.

6. Ivanitskii V.P., Kalinichenko A.M., Matyash I.V. Geokhimiya [Geochemistry]. Moscow Publ., 1997. 1073 p. (In Russian).

7. Neklyudov I.M., Shevyakova E.P., Bereznyak E.P.

Том 2, № 1 2017 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 2, no. 1 2017 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ISNN 2500-1582

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ И ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ENVIRONMENTAL SAFETY AND PROTECTION

Fizika radiatsionnykh povrezhdenii i radiatsionnoe ma-terialovedenie [Physics of radiation damages and radiation materials science]. 2006, Moscow Publ., 60 p. (In Russian).

8. Metsik M.S. Fizika rasshchepleniya slyudy [Physics of mica splitting]. Irkutsk, Vost.-Sib. izd-vo Publ., 1967. 256 p. (In Russian).

9. Povarennykh A.S. Kristallokhimicheskaya klassi-fikatsiya mineral'nykh vidov [Cristal and chemical classification of mineral types]. Kiev, Naukova dumka Publ., 1966, 547 p. (In Russian).

10. Podpletnev V.I., Podpletneva E.A. Neorgani-zovannye materialy [Unorganized materials]. Izvestiya AN SSSR [News of Academy of Sciences of the USSR]. 1979, no. 9, 1661 p. (In Russian).

11. Sobotovich E.V. Radioaktivnye otkhody Ukrainy: sostoyaniye, problemy, resheniya [Radioactive waste of

Критерий авторства

Шишелова Т.И., Житов В.Г. обладают равными авторскими правами и несут равную ответственность за плагиат.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Поступила 16.02.2017

Ukraine: state, problems, decisions]. Kiev, Druk Publ., 2003, 400 p. (In Russian).

12. Shishelova T.I. Slyudosoderzhashchie kompozitsionnye materialy [The composite materials containing mica]. Leningrad, 1990, 350 p. (In Russian).

13. Shishelova T.I., Shul'ga V.V. Fiziko-khimicheskie osnovy proizvodstva kompozitnykh materialov na os-nove slyud [Physical and chemical bases of production of composite materials on the basis of micas]. Funda-mental'nye issledovaniya [Basic researches]. 2016, no. 3-3, pp. 538-541. (In Russian).

14. Neklyudov I.M. Yadernaya energetika. Obrash-chenie s otrabotannym yadernym toplivom i radioak-tivnymi otkhodami [Nuclear power. The treatment of the fulfilled nuclear fuel and radioactive waste]. Kiev, Nau-kova dumka Publ., 2006, 253 p. (In Russian).

Authorship criteria

Shishelova T.I., Zhitov V.G. have equal authors' rights and responsibility for plagiarism.

Conflict of interests

The authors declare no conflict of interests.

Received on 16.02.2017

Том 2, № 1 2017 XXI ВЕК. ТЕХНОСФЕРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ Vol. 2, no. 1 2017 XXI CENTURY. TECHNOSPHERE SAFETY

ISNN 2500-1582