Экология/3. Радиационная безопасность и социально-экологические проблемы

к.т.н. Тюпина Е.А., Каримова Ю.А., Тучкова А.И.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Подбор модифицирующих добавок для цементирования

маслосодержащих сорбентов на основе бентонита

Развитие ядерной энергетики сопряжено со многими задачами, решение которых требует глубоких знаний во всех сферах науки и техники. Одна из важных проблем, возникающих в процессе разработки новых технологий - проблема образующихся отходов. Исследуются новые пути утилизации и захоронения разных видов отходов (в том числе и органических) в поисках универсального эффективного метода, отвечающего требованиям безопасности.

В результате перекачки радиоактивных растворов, содержащих большое количество различных радионуклидов на предприятиях и объектах атомной отрасли, образуются загрязненные радионуклидами масла различных типов. К наиболее перспективным разработкам методов очистки радиоактивных масел следует отнести применение сорбентов, в основном, естественного происхождения, с ярко выраженной селективностью к тому или иному иону.

В данной работе рассматривается процесс включения сорбента, полученного на основе активированного серной кислотой бентонита, в цементные блоки после извлечения цезийсодержащих компонентов из отработавшего масла.

Таким образом, сформулирована цель настоящей работы: в ходе изменения состава и количества вводимых добавок, подобрать оптимальное соотношение компонентов, обеспечивающее наибольшую прочность, морозостойкость и устойчивость цементных образцов, с включенным маслосодержащим сорбентом, к выщелачиваемости Cs-137 и длительному пребыванию в воде.

Для изготовления блоков использовали портландцемент марки М500, техническое масло И40А, бентонит, активированный 20% раствором серной кислоты и пластификаторы, применяемые для придания пластичности, лучшей растекаемости или снижения водосодержания в цементных смесях различных марок (С-3, Д-5, Melflux, Nordplast).

Было изготовлено 40 образцов с различным содержанием пластификаторов. Через 28 сут проведены испытания на прочность, морозостойкость, устойчивость к длительному пребыванию в воде и выщелачиванию Cs-137.

Определение прочности цементных блоков проводили на прессе с максимальной нагрузкой 500 кгс. Результаты эксперимента представлены на рис. 1.

Рис. 1. Прочность цементных блоков с добавками

Из рис. 1 видно, что прочности 4,9 МПа (ГОСТ Р 51883-2002) соответствуют лишь показатели блоков с добавкой Melflux.

Морозостойкость образцов оценивали после 30 циклов заморозки при t= –10°С и оттаивания (ГОСТ 10060.1), после чего измеряли их прочность. Результаты эксперимента представлены на рис. 2.

Рис. 2. Прочность цементных блоков с добавками после 30 циклов заморозки

Из представленной диаграммы (рис. 2) видно, что произошло упрочнение некоторых образцов, в том числе и образца без добавок, два из которых (Б+0,4% C-3; Б+1% Melflux) не разрушились при максимальной нагрузке пресса (5,8 МПа), остальные, за исключением Б+3% Д-5 и Б+1,5% Melflux, повысили свои прочностные характеристики на 3–33%.

Рис. 3. Прочность цементных блоков с добавками после длительного пребывания в воде

Результаты проверки прочности блоков после 90 дней пребывания в воде представлены на рис. 3, откуда видно, что для всех образцов, за исключением Б+1,5% Д-5, получены приблизительно одинаковые результаты, отвечающие требованиям по прочности (4,9 МПа).

Наблюдение за выщелачиванием Cs-137 представляет наибольший интерес, т.к. процесс его перехода из цементного компаунда в воду неизбежен из-за высокой подвижности иона. Для контроля процесса выщелачивания в исходный отработавший сорбент был добавлен раствор цезия с активностью 10⁶ Бк/кг. Для определения активности, перешедшей в воду проводился периодический отбор жидкой фазы для измерения на гамма-спектрометре «Мультирад-гамма».

Темпы выщелачивания для приготовленных цементных блоков с добавками по сравнению с первоначальной активностью 10⁶ Бк/кг оказались незначительными и уже на 14 день у образцов с добавками D-5, Nordplast и Melflux установился стационарный режим.

Важной контролируемой характеристикой цементных компаундов является скорость выщелачивания отдельных радионуклидов (или их смеси) , г/(см²∙сут), которую определяли по формуле:-

где - активность, Бк, или масса, г, отдельного нуклида (или их смеси), выщелоченного за данный интервал времени;

- удельная активность, Бк/г, или массовая концентрация, г/г, нуклида (или их смеси) в исходном образце;

S - площадь открытой геометрической поверхности образца, см²;

- продолжительность n-го периода выщелачивания, сут.

Рассчитанные значения для исследуемых образцов представлены на рис. 4. Стоит подчеркнуть, что для всех блоков получены результаты по скорости выщелачивания Cs-137 на 2–3 порядка ниже установленных ГОСТ Р 51883-2002 (10^-3, г/(см²∙сут)).

Рис 4. Зависимость скорости выщелачивания Cs-137 от времени проведения эксперимента

Результаты проделанной работы наглядно отражают сложность процессов, связанных с отверждением (цементацией) маслосодержащих сорбентов.

Пластифицирующие добавки, предназначенные для повышения пластичности образцов и снижения количества воды, из-за особого взаимодействия с зернами цемента (диспергирования и образования ДЭС) по-разному воздействуют на цемент. Одни, в силу своей природы (С-3) способствуют электростатическому диспергированию цементных смесей, что, в свою очередь, ведет к повышению растекаемости образца. Другие повышают морозостойкость образцов, не влияя на их прочность (Nordplast).

На основании полученных результатов можно сказать, что все приготовленные образцы устойчивы к выщелачиванию Cs-137, о чем свидетельствуют показатели скорости выщелачивания (на 2–3 порядка ниже требуемой по ГОСТ Р 51883-2002), а добавление в цемент пластификатора марки «Melflux» (концентрация 1%) позволяет повысить прочностные характеристики цементного блока до необходимой величины (ГОСТ Р 51883-2002) при сохранении низких показателей скорости выщелачивания Cs-137.