Поверхностные эффекты при иммобилизации радиоактивных отходов с помощью стекло- и металлокомпозиционных материалов тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я.Карпова

На правах рукописи

Ожован Михаил Иванович

УДК 621.039

ОВЕРХНОСТНЫЕ ЭФФЕКТЫ ПРИ ИММОБИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ С ПОМОЩЬЮ СТЕКЛО- И МЕТАЛЛОКОМПОЗИЦИОННЫХ

МАТЕРИАЛОВ

02.00.04 - физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

г.Москва 1994 г.

Работа выполнена в Московском научно-производственном объединении "Радон".

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Тер-Сааков А.А.

доктор технических наук, профессор Прозоров Л.Б. доктор химических наук, профессор Каминский В.А.

Ведущая организация Всероссийский научно-исследовательский институт

неорганических материалов им.А.А.Бочвара

Защита диссертации состоится '$¡9 апреля 1994 г. в-^час.0?

мин. на заседай

специализированного совета Д-138.02.01 в Научно-исследовательском физик химическом институте им. Л.Я.Карпова по адресу. 103064, г.Москва, ул. Обуха, д.1 тел. 297-65-52.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИФХИ им.Л.Я.Карпова.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан ......1994 г.

Ученый секретарьспециализированногс кандидат физико-математических наук

А.В.Андронова

Подписано в печать 14.02.94 Заказ

Тираж 80.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Постоянное производство опасных для окружающей среды продуктов стало непременным спутником научно-технического прогресса. Дальнейшее развитие без мощной индустрии переработки отходов невозможно. Особую озабоченность общества вызывают радиоактивные отходы. Они возникают в результате выполнения масштабных оборонных программ, при работе ядерно-энергетических установок, а также вследствие широкого использования радионуклидов в различных отраслях (промышленность, сельское хозяйство, медицина). Уже накоплено огромное количество чрезвычайно опасных для биосферы радиоактивных материалов.

Опасность радиоактивных отходов может быть значительно снижена в случае их переработки и надежного захоронения. При обращении с радиоактивными отходами общепринята многобарьерная концепция их изоляции, согласно которой на пути попадания радионуклидов в биосферу создаются несколько барьеров - экранов. Первый и самый важный барьер - это сама матрица, в которой радиоактивные отходы фиксируются. Отходные материалы, как правило, характеризуются широким спектром химического состава и возможными трудноконтролируемыми его вариациями. Конечный продукт их переработки должен быть достаточно стойким. В связи с этим, предпочтение отдается матричным материалам, обеспечивающих высокую стойкость конечного продукта и обладающих максимально возможной универсальностью к составу отходов. Перспективными для этой цели представляются композиционные материалы, в которых радиоактивные отходы фиксированы в виде обособленной фазы - радиофазы. К началу восьмидесятых годов отчетливо выявилась тенденция использования стеклянных матричных материалов, обладающих высокой стойкостью и универсальностью к составу отходов. Для отходов высокого уровня активности наиболее подходящими оказались металлические матрицы. Выявились и трудности на пути практического использования этих материалов. Неразрешенными оставались многие вопросы, среди них можно отметить отсутствие теоретических моделей фиксации отходов в матричных материалах, описывающих физико-химические свойства отвержденных отходов, которые учитывали бы неоднородный характер их распределения, слабая изученность физико-химических процессов на поверхности отвержденных отходов и внутренних неоднородностей, определяющих устойчивость блоков в процессе их долговременного хранения. Слабая изученность композиционных материалов на основе матриц из стекла и металлов и наполнителей в виде радиоактивных отходов, и явлений, протекающих на поверхности контакта с окружающей средой, являются препятствием на пути их практического использования. Между тем, нерешенность таких проблем, как надежная

иммобилизация радиоактивных отходов несовместимых по своему составу со стеюи или высокоактивных отработавших радионуклидных источников ионизирующе излучения, требует скорейшего создания теоретических основ и разработки нов) технологических способов переработки.

Таким образом, актуальность работы по исследованию поверхностных эффект при иммобилизации радиоактивных отходов с использованием стекло-металлокомпозиционных материалов определяется как практическими требования!» создания достаточно универсальных технологий надежной изоляции отходов ■ окружающей среды, так и необходимостью развития научных представлений свойствах композиционных материалов содержащих радиоактивные вещества.

Предмет и цель исследований

Настоящая работа посвящена развитию нового научного направления исследованию поверхностных эффектов при иммобилизации радиоактивных отходов помощью стекло- и металлокомпозиционных материалов, определяющи устойчивость блоков и выход радионуклидов в процессе длительного хранения. Целы работы было выяснение физико-химических пределов, ограничивающи применимость стекло- и металлокомпозиционных материалов для надежно иммобилизации радиоактивных отходов.

В практическом отношении основными задачами были решение проблем1 иммобилизации с ульфатсодержащих радиоактивных отходов среднего уровн активности и разработка технологии и оборудования для надежной изоляции о окружающей среды отработавших высокоактивных радионуклидных источников.

Научная новизна

1. Предсказаны поверхностные эффекты радиационно- и фото-индуцированноп спонтанного разрушения твердых частиц-включений в матричных материалах, а такж( разрушения твердых тел (матричных материалов) в мощных радиационных полях.

2. Создана теоретическая модель, описывающая процесс поверхностного вынос; радионуклидов из композиционных материалов, в которой учитывается возможное™ межфазного перераспределения радионуклидов в процессе их длительного хранения Предсказано и экспериментально подтверждено существование пороговой: наполнения матриц, выше которого стойкость композиционных материалов резко уменьшается. Построена модель, описывающая поверхностный вынос'радионуклидом из композиционных материалов вблизи порогового наполнения. Экспериментально доказана фрактальная структура двухфазных композитов на малых масштабах, указывающая на неизбежный характер неоднородного распределения включений для

малых масштабов.. Для систем, состоящих из сферических частиц с двумя заданными размерами, впервые исследованы перколяционные явления и получены асимптотические выражения определяющие порог протекания. Впервые рассмотрено иерархическое заполнение матриц полидисперсными частицами и показано, что структура матричного материала описывается фракталом с размерностью меньше 3. Предложен новый способ распределения радиофазы в матричных материалах, позволяющий значительно увеличить их пороговое наполнение.

3. Впервые предложено использование методов эхо - спектроскопии для одновременного определения спектрального состава размеров неоднородностей и их пространственного распределения внутри матричного материала при наличии у неоднородностей колебательных степеней свободы, связанных с их размерами.

4. Впервые предложен новый экспериментальный метод получения стеклокомпозиционных материалов путем диспергирования или эмульгирования компонентов в стеклорасплав и последующего быстрого небольшого уменьшения температуры. С его использованием доказана практическая возможность иммобилизации сульфатсодержащих отходов в сгеклокомпозиты с использованием предварительно расплавленного боросиликатного стекла, а также радиоактивного стекла, содержащего в своем составе до 20% отходов. Получены образцы композитов, содержащих до 30% нерастворяющейся в расплаве радиофазы. Впервые предложено использование явления стабильной ликвации для подавления улетучивания радионуклидов в процессе варки стекла. Методами растровой электронной микроскопии и авторадиографии изучена структура сульфатсодержащих стеклокомпозиционных материалов и доказана фрактальность их структуры на мелких масштабах. Получены численные значения коэффициентов межфазного распределения радионуклидов внутри матричного материала.

5. Предложен новый безопасный метод изоляции от окружающей среды радиоактивных отходов высокого уровня активности, представляющих собой отработавшие радионуклидные источники, путем их включения в металлические матричные материалы непосредственно в подземных резервуарах хранилищ. Для подавления эффектов фазового разделения показана возможность использования послойного заполнения резервуаров с последующей заливкой отходов расплавленным металлом. Разработано технологическое оборудование для его реализации. Развит новый метод определения эффективных теплофизических характеристик хранилищ -скважин высокоактивных отходов путем обработки нестационарных температурных полей. Обнаружена деградация свойств глинистых грунтов в мощных радиационных полях.

6. Обнаружена экспериментально флуктуационная зависимость поверхности! выноса радионуклидов из остеклованных радиоактивных отходов, хранящихся естественных природных условиях. Предложен новый метод оценки потенциальи опасности отвержденных радиоактивных отходов, учитывающий создание барьеров пути распространения радионуклидов. Впервые определена фрактальная размерно глинистого грунта опытного полигона захоронения.

Методическая новизна состоит в использовании современных теоретических экспериментальных методов физики и физической химии (теории перколяци теории фрактальных множеств, методов когерентной спектроскопии, растров электронной микроскопии, лазерной масс-спектрометрии, авторадиографии и т., для исследования явлений, протекающих на поверхности межфазного разде отвержденных радиоактивных отходов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Поверхность остеклованных радиоактивных отходов в интенсивнь радиационных полях становится неустойчивой относительно дрейфов« диффузионного поверхностного перераспределения вещества. Твердые микрочастиц! заряжаясь в полях радиации, теряют устойчивость и могут самопроизволы фрагментироваться. Радиационно-индуцированная неустойчивость поверхност стеклоблоков и включений радиофазы ограничивает максимальное содержаш радионуклидов в матричном материале.

2. Защитные свойства глинистого грунта в мощных полях радиации деградирую Структура пор глинистых формаций может быть описана однородным фракталом.

3. Эффективные теплофизические константы хранилищ могут быть найден: путем проведения кратковременного имитационного эксперимента и последующег численного моделирования процесса установления температурного поля.

4. Поверхностный вынос радионуклидов из двухфазных композиционны материалов может быть описан с учетом межфазного распределения на основа численной модели при малом объемном наполнении основной фазы (матрицы наполнителем (радиофазой). Чем выше коэффициент межфазного распределения 1 системе радиофаза - матрица, тем надежнее удерживаются радионуклидь композиционным материалом. Существует пороговое наполнение матриць радиофазой, превышение которого приводит к резкому увеличению поверхностногс выноса радионуклидов.

5. На мелких пространственных масштабах структура двухфазных композитоо фрактальна. При полидисперсном наполнении матриц возможно значительное

увеличение порогового (перколяционного) наполнения. Для систем частиц с двумя заданными размерами порог протекания линейно зависит от содержания крупной фракции.

6. Когерентный сигнал эхо - отклика неоднородной системы нелинейных осцилляторов - включений наполнителя в матрице- несет информацию не только о их распределении размерам, но и пространственном распределении включений в матрице.

7. Устойчивые стеклокомпозиционные материалы могут быть получены путем диспергирования или эмульгирования радиофазы в расплав стекломатрицы и небольшого быстрого уменьшения температуры. Установки с механическими диспергаторами пропеллерного типа могут быть использованы для получения однородных стеклокомпозитов при иммобилизации отходов. Стеклокомпозиционные материалы для иммобилизации радионуклидов обладают достаточно высокой водоустойчивостью, даже в случае их непредвиденной фрагментации.

8. Поверхностный вынос радионуклидов из остеклованных отходов (выщелачивание) в реальных условиях хранения носит флуктуирующий характер. Путем фильтрации данных возможно одновременное определение факторов выщелачивания и эффективных коэффициентов диффузии.

9. Потенциальная опасность отвержденных радиоактивных отходов значительно уменьшается при их включении в матричные материалы, причем возможна численная оценка этого эффекта.

10. Иммобилизация источников ионизирующего излучения с получением металлокомпозиционных материалов возможна путем их послойной заливки расплавленным металлом. Процесс иммобилизации источников можно проводить, используя защитные свойства хранилищ, непосредственно в подземных резервуарах. Передвижные установки модульного типа, стыкующиеся герметично с хранилищами, позволяют безопасно проводить процесс иммобилизации высокоактивных источников.

Практическая ценность

1. На примере сульфатсодержащих радиоактивных отходов среднего уровня активности доказана принципиальная возможность использования стеклокомпозиционных материалов для их надежной иммобилизации. Выяснены основные ограничения применимости новой формы отверждения отходов. Разработаны технологические приемы и установки для их реализации. Найденные решения могут быть использованы при разработке безопасных технологий

локализации радиоактивных или химически токсичных отходов варьирующегс состава.

2. Впервые разработан и внедрен в производство новый безопасный мето; обезвреживания радиоактивных отходов высокого уровня активности в вида отработавших радионуклидных источников ионизирующего излучения. Разработаны \ внедрены в производство установки модульного типа ("Москит"), позволяющж проводить включение отработавших радионуклидных источников в металлически« матрицы непосредственно в подземных резервуарах хранилищ. Использовани» установок этого типа на пунктах захоронения радиоактивных отходов России уже дае-реальный экологический и, кроме того, экономический эффект.

3. Полученные результаты могут быть использованы при разработю универсальных технологических процессов переработки опасных для окружающе* среды отходов разнообразного химического состава.

Апробация работы.

Весь материал, изложенный в диссертации, опубликован в печати. Основньк результаты работы докладывались на заседаниях Всесоюзной школы-семинар; "Физика и химия твердого тела" (г. Благовещенск, 1985), 3-го Всесоюзной симпозиума по световому эхо и когерентной спектроскопии (г.Харьков, 1985), 7-{ Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществол (г.Ленинград, 1988), Школы-семинара "Непериодические быстропротекающш явления в окружающей среде" (г.Томск, 1988), Отраслевой конференции молоды) ученых й специалистов по радиохимии и ядерной физики (г.Ленинград, 1989) Всесоюзном научно-техническом совещании "Вопросы эксплуатации установо! спецводоочистки и переработки кубовых остатков" (г.Ленинград, 1988), 4-к Всесоюзном симпозиуме по атмосферному электричеству (г.Нальчик, 1990) Симпозиуме при международной выставке "Экология-90" (г.Москва, 1990) Всесоюзном научно-техническом совещании "Проблемы обращения < радиоактивными отходами и охрана окружающей среды" (Запорожская АЭС, 1991) Международной конференции "Атомная энергетика в топливно-энергетическо». комплексе" (г.Хабаровск, 1991), Ежегодной научной конференции Ядерного обществ; СССР "Радиоактивные отходы : проблемы и решения" (г.Москва, 1991) Международном симпозиуме по биоиндикаторам и биомониторингу (г.Загорск, 1991) 16-м Международном конгрессе по стеклу (г.Мадрид, 1992), 10-й национальной научно-технической конференции с международным участием по стеклу и тонко} керамике (г.Варна, 1990), Международной конференции по обращению (

адиоактивными отходами и восстановлению окружающей среды (г.Прага, 1993). [роме того, результаты работы докладывались на совместных научно-технических овещаниях специалистов СССР и ГДР (г.Дрезден, 1989), ФРГ (г.Москва, 1989), :ША (г.Загорск, 1990), Швеции (г.Загорск, 1991), Франции (г.Загорск, 1991), овещании экспертов МАГАТЭ (г.Карлсруэ, 1991, г.Вена, 1993).

Основные результаты опубликованы в 52 печатных работах. Они защищены 21 вторским свидетельством, значительная часть которых используется в производстве. Сроме того, часть результатов опубликованы в сборниках МАГАТЭ Waste Management lesearch Abstraéis (1986, 1989, 1990, 1992).

Ряд результатов, полученных в диссертации подтвержден и получил дальнейшее |азвитие в работах других исследователей.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из Введения, 6 глав, Заключения и списка литературы из 72 названия. Объем работы: 226 стр., 49 рисунков и 12 таблиц.

Краткое содержание.

Остеклованные радиоактивные отходы в виде блоков должны храниться дательное время в специальных хранилищах, пока содержание радиоактивных [уклидов в них не станет ниже определенных значений. При этом из-за 1адиоактивного распада, во-первых, поверхности блоков и внутренних включений >адиофазы имеют нарушенное зарядовое состояние и, во-вторых, через наружную юверхность выходит большой поток радиогенного тепла. Вследствие этого, дрейфово-[иффузионные процессы перераспределения вещества на поверхности оказываются ильно измененными и могут привести в конечном счете к разрушению блоков. 1ервая глава посвящена рассмотрению нового эффекта разрушения поверхности :теклоблоков, являющегося твердотельным аналогом известного для жидкости |ффекта Рэлеевской неустойчивости сферических частиц. Если твердая частица включение радиофазы в матричном материале) несет электрический заряд, то ютенциальная энергия молекул в приповерхностном слое оказывается юдулированной в соответствии с локальной кривизной. Для частиц с малым шектрическим зарядом диффузионные процессы приводят к релаксации отклонений >т сферичности, поскольку поверхностная концентрация диффундирующих молекул, диабатически следуя за изменением кривизны, оказывается повышенной вблизи 1скажений. Но, если заряд частицы достаточно большой, то к областям с наибольшей :ривизной возникают дрейфовые потоки вещества, которые превышая [иффузионные, приводят к увеличению отклонения от сферичности. Анализ

диффузионного перераспределения вещества показывает, что парциальные амплиту, в уравнении для профиля частиц Л = Л0 + £ а, „ ■ (в, ф) изменяются со времен по закону: а,(/)= а(о) ■ ехр(>у), где постоянная роста

У! ~ (Д>,С,Л,/(/2 -1) / 2КСа) • [(2Яои / Я,кв т) -1 - 2]

Возмущения с угловым моментом 1<(2Яои/К5КцТ со временем увеличивают свс амплитуду. Существует критический заряд, превышение которого вызывает ро отклонений частиц от сферичности, Для молекул с ориентированным дипольнь

моментом с1 критический заряд 2С = 4 V &Я0 / (ёе), а для молекул

поляризуемостью а= [4УоЯ* / {а + V / 4 1 (у - объем молекулы).

Твердые частицы в мощных радиационных полях могут нести достаточ] большие электрические заряды в средах, где максвелловское время релаксаш большое. Именно такая ситуация характерна для остеклованных радиоактшзнь отходов. При превышении критического зар5ща изменение формы частиц ннут! матрицы может привести сначала к локальным разрушениям, а впоследствии разрушению блоков остеклованных отходов. Неустойчивость может привести самопроизвольному распаду частиц на несколько фрагментов. Экспериментальь фотофрагментацию металлических частиц в поле лазерного излучения наблюдаг Гулев, Николаев, Плеханов, Раутин и Сафонов (Физика кластеров, Сб. науч. труде под ред. А.А.Вострикова и А.К.Реброва, Новосибирск, 1987, с. 12-16).

В работе теоретически исследована термодиффузионная неустойчивое: поверхности при воздействии интенсивного излучения на вещество. Показано, чте если через поверхность проходит излучение с плотностью потока энергии ч, т амплитуда отклонения (с волновым вектором к) от плоского профиля увеличиваете со скоростью:

П = оуЮ,кг{к]-кг)св1квТс^

где к0 = — адкп / %СГ\>, где % - коэффициент теплопроводности, а термодиффузионная постоянная. Таким образом, поверхность стеклоблоков, чер«

которую выходит наружу большой поток радиогенного тепла, может со временем разрушаться за счет развития термодиффузионной неустойчивости. Расчеты, выполненные позже Кащеевым, Полуэктовым и Поляковым для галита (Атомная энергия, 1988, том 65, № 3, С.211-214) показали, что этот эффект может играть существенную роль и при разрушении стенок хранилищ в соляных формациях.

Таким образом, на поверхности матричных материалов, содержащих большое количество радиоактивных нуклидов, возможно появление и ускоренное развитие наростов и углублений, что в конечном счете может привести к их полному разрушению. Учет этого эффекта накладывает ограничение на максимально возможное содержание радиоактивных нуклидов в матрице.

Эффект неустойчивости поверхности носит достаточно общий характер и может служить основой для объяснения особенностей поведения твердых тел в радиационных полях. При продолжительном облучении кристаллов приповерхностные слои насыщаются вакансиями, а межузельные атомы выходят на поверхность. Существенно при этом увеличиваются подвижность поверхностных атомов, появляются и сильные электрические поля. При захоронении высокоактивных отходов подверженными воздействию мощных радиационных полей оказываются также и материалы, находящиеся в непосредственной близости от отходов. В работе экспериментально исследовалось воздействие мощного гамма излучения 60со на образцы тяжелого мореного суглинка с опытного полигона захоронения отходов. Облучение воздушно сухих образцов приводилось на установке РХМ-у-20 до доз порядка 100 Мрад. Мощность поглощенной дозы была Р=100 крад/час. Микроструктура суглинка определялась с помощью просвечивающего электронного микроскопа ЭМВ-100Л. Обнаружено, что продолжительное облучение (тысячи часов) приводит к появлению на поверхности крупных частиц (размером порядка 20 мкм и более) наростов, развитие которых приводит к связыванию частиц тонкими усами. Появление наростов на поверхности можно объяснить, учитывая выбивание энергичными у-квантами комптоновских электронов и медленную максвеллопскую релаксацию зарядов через промежутки, отделяющие частицы системы.

При оценке надежности удержания радиоактивных отходов (миграции радионуклидов, температурного режима и пр.) геологическая формация обычно представляется в виде некоторой кусочно однородной среды. В работе впервые доказано, что структура пор глинистых грунтов опытного полигона захоронения отходов фрактальна. Структура образцов грунта изучалась с помощью сканирующего электронного микроскопа (РЭММА-202). Показано, что глинистый грунт только на

больших масштабах может быть рассмотрен как однородная среда. На малых > размерах фрактальная размерность пористости меньше трех (0=2.74+0.06), что име большое значение при моделировании и оценке параметров миграции радионуклиде В частности, показано, что непосредственное использование лабораторных данных д. прогнозирования рельного процесса миграции может дать ошибочные результаты.

Таким образом, поверхностные радиационно-индуцированные эффект перераспределения вещества накладывают существенные ограничения ] максимально возможное содержание радионуклидов в матричном материале и игра* важную роль в динамике поведения пород, окружающих отходы.

Поверхностный выход радионуклидов (выщелачивание) в процессе длительно; хранения блоков определяется геометрической структурой распределения фаз в блок Вторая глава посвящена разработке теоретических моделей для описания процесс! выхода радионуклидов из сильно неоднородных материалов и экспериментально!* исследованию геометрической структуры композиционных материалов.

Стеклокомпозиционные и металлокомпозиционные материалы представляй собой стеклянные или металлические матрицы заданного состава, в которь радиоактивные отходы включены в виде дисперсной фазы - радиофазы. Таки образом, они представляют собой системы, для которых исходное пространствешк распределение радионуклидов неоднородно. Для описания процесса вынос радионуклидов из таких материалов можно выделить две области: низкой (наполнен» б<<1) и высокой степени наполнения матрицы 9>0.1.

При малом объемном наполнении, т.е. при условии, что концентрация Ж< 1/Я задача перераспределения радионуклидов в композите допускает асимптотическс

решение для времен О) тах^Л/ * 3 / О, Я" / О^ ], где Я - радиус частиц, Э

коэффициент диффузии в матричном материале. В этом случае вынос радионуклиде определяется простой формулой:

М = 2С-фОе1Г / тс

с эффективным коэффициентом диффузии , который записи

от объемного наполнения радиофазой 0 и коэффициента распределения Г в закон Генри. Здесь С - средняя концентрация радионуклидов в композите. Дл произвольных временных интервалов, в том числе и в начальный момент времен! задача о диффузии радионуклидов в стеклокомпозите решается численными методам!

Зыход вещества с единицы поверхности образца определяется суммированием тлотности потока вещества на границе блока с учетом всевозможных положений включений радиофазы относительно границы. Результаты расчетов показаны на Рис.1, з

гомогенное заполнсиис^ч»'"*

Г-50

to

eil~ к

ff

Рис.1. Выход количества вещества радиоактивной примеси с единицы поверхности стеклокомпозита М как функция времени I для различных коэффициентов Г.

Стеклокомпозиты обеспечивают более надежное удержание радионуклидов по сравнению с гомогенно наполненной матрицей. Причем с ростом Г скорость выхода радионуклидов из стеклокомпозита значительно снижается. В работе исследовано поведение блоков отвержденных отходов при их принудительном разрушении. Было показано теоретически, что для сохранения локальной стойкости стеклокомпозитов необходимо, чтобы размеры частиц радиофазы были не больше, чем Rmax=ns/C. где ns - поверхностная концентрация радионуклидов в эквивалентной матрице с однородно распределенными радионуклидами. Для боросиликатного стекла получена оценка Rmax=20 - 200мкм.

При увеличении объемного наполнения матрицы дисперсной фазой (0>О.1) возможна смена механизма поверхностного выноса, что связано с возникновением больших кластеров радиофазы. Подходящей теоретической моделью дтя описания сильно неоднородных сред является теория перколяции. Основной характеристикой перколяционных систем является наличие порогового наполнения, после которого их свойства резко изменяются. Существенно, что свойства систем вблизи порога протекания универсальны.

В работе впервые применена теория перколяции для описания процесс поверхностного выноса радионуклидов из отвержденных радиоактивных отходо] Причем использован методический подход, позволяющий учесть межфазно взаимодействие матрица-радиофаза, что позволил описать поведение реальны систем. Так, была разработана новая модель, описывающая поведение битумно солевого композита при изменении объемного содержания радиофазы. Пр; битумировании минеральный остаток отходов смешивается с расплавленньп битумом, причем на поверхности минеральных частиц (т.е. радиофазы) образуете гидрофобная пленка. Минимально возможная толщина пленки, при которой она вс еще сплошная, зависит от марки битума. Если наполнение битумно - солевоп композита большое, то часть минеральных частиц остается без сплошное гидроизоляционной пленки. С ростом наполнения увеличивается и относительна! доля незакрытых частиц радиофазы. Критическое наполнение композита, при котороь в нем образуется макроскопический кластер из незащищенных частиц, соответствуе' порогу протекания в системе частиц, заполняющих пространство. Порогово( наполнение композита, при котором поверхностный вынос радионуклидов резке возрастет:

где ©о это максимальное заполнение композита при котором незащищеннх (несмоченных) частиц вообще нет, 0т это максимально возможное наполнение пространства частицами (для случайного наполнения 0т =0.64), 0СС=0.15+0.01 это порог протекания для сферических частиц. При наполнении 0>0С в композите образуется бесконечный кластер из соприкасающихся частиц, цепи которого пронизывают весь объем образца. Часть цепей неизбежно оказывается на поверхности блока, поэтому для радионуклидов появляются облегченные пути выхода наружу. Суммарное количество вынесенных радионуклидов из блока для достаточно большого интервала времени пропорционально мощности бесконечного (перколяционного) кластера: А=Ао (0-0с)Р, где р=0.4 это критический индекс плотности. Для битумов БНД, БНК было получено 0С = 0.25. Обработка экспериментальных данных о поведении битумированных радиоактивных отходов на опытном полигоне за 5 лет наблюдения показала хорошее соответствие модельным представлениям. Позже макроскопические кластеры из соприкасающихся минеральных частиц

(епосредстиенно наблюдались с помощью оптического микроскопа (Н.Ожован, Атомная энергия, 1991, том 70, № 2, С. 130-131).

При отсутствии межфазного взаимодействия (пленки, закрывающей частицы) юроговое наполнение матриц 0с=0сс- В этом случае показано, что суммарная потеря эастворимого компонента для двухфазных композитов при 9>вс определяется ¡ыражением:

де a=Sd0/V, b(t)=aSx(t)/2V, S - площадь поверхности, d0 диаметр частиц, V- объем |бразцз. Для диффузионного механизма выноса вещества x(t) = 2 ( D t/n) '/2 + d0.

Экспериментальную проверку теоретической модели поверхностного выноса в 'аботе проводили на различных модельных и реальных системах. Так, исследование юверхностного выноса вещества проводилось с двухфазным композитом из олиэтиленовой матрицы с наполнением NaN(>3, что подтвердило резкое возрастание отерь растворимого компонента вблизи порога протекания. Причем получено орошее соответствие на основе модели связанной с образованием перколяционного ластера (ПК). Для стеклокомпозиционных материалов экспериментально также бнаружено, что при переходе в закритичную область

Э>6С) наблюдается отчетливый скачок величины суммарного количества ыщелоченного вещества Р, что является свидетельством образования в них акроскогшческих структур типа ПК. Частицы второй фазы, принадлежащие цепям IK, не обязательно должны соприкасаться между собой. Достаточным является их заимное близкое расположение, когда в непосредственном соприкосновении казываются тонкие слои состоящие из обогащенного компонентами второй фазы текла, Для 6>0С величина Р пропорциональна мощности ПК.

Геометрическая структура ПК на малых масштабах фрактальна. Фрактальная «мерность D=(d-ß/v), где d - размерность пространства, ß и v критические эказатели. Однородность ПК наблюдается только на масштабах, больших длины зрреляции С,. При уменьшении масштабов ниже С, трансляционная инвариантность К. заменяется свойством локальной инвариантности относительно масштабных эеобразований (самоподобием). Экспериментально геометрическая структура ¡ухфазных композитов в работе изучалась для различных систем. В частности, для эдельного композита полиэтилен - NaN03, полученного горячим прессованием >рошкообразных компонентов, исследовались контрастные изображения срезов

образцов на микрофотометре ИФО-451. Строились графики зависимости масс солевых частиц от масштаба измерения. В результате определено, что на мел» масштабах где С, - длина корреляции, структура распределенных солевых чаете фрактальна. Найденное значение фрактальной размерности 0=2.6 практичеа совпадает с фрактальной размерностью ПК в трехмерном пространств Экспериментально определено для длины корреляции £=0.59(6-8с)~0'88 см. Дз фактора выщелачиваемости композита получено выражение Ь=7.0-10~4(в-0С)О см^Д

Исследование геометрической структуры стеклокомпозиционных материале проводился с использованием метода авторадиографического контрастирования. Д; этого использовался радиоизотоп серы Использовались также изображени полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа РЭММА-20 Исследования стеклокомпозитов на основе боросиликатной матрицы с включениям из №2804, Са8С>4, ВаБС>4, предназначенных для иммобилизации сульфатсодержаиц РАО, показали, что их структура на мелких масштабах фрактальна. Эксперименталы найденное значение фрактальной размерности практически совпадает с теоретически значением размерности ПК. Поскольку при приближении наполнения 0 критическому значению длина корреляции неограниченно растет

С « (0 - 8с)-*,

для таких материалов необходимо принимать во внимание неизбежность флуктуаци характерных параметров. Следовательно, неоднородное распределение включени радиофазы на мелких масштабах в стеклокомпозитах является универсальной \ характеристикой, обуславливающей экспериментально наблюдаемые физике химические свойства, в частности разные скорости выщелачивания в пределах одно1 и того же образца.

Дополнительный анализ авторадиограмм позволил также определи" коэффициенты межфазного распределения радионуклидов внутр стеклокомпозиционных материалов. Так, для включений N3804 и СаБ04 боросиликатном стекле получено Г=3,5 ±1,1 и 3,9±0,8 соответственно.

Реальные системы дисперсных частиц обладают известным разбросом размеро Перколяционные явления в таких системах не изучены для адекватного описана композитов. В работе впервые теоретически и экспериментально (с использование компьютерных моделей) исследовано протекание в системе полидисперсных частиц.

Протекание для системы идентичных узлов удобно описать эквивалентно системой сферических (круглых) частиц, заполняющих пространство. Независимо с

типа упаковки (решетки) частиц для относительной доли пространства, занятой частицами, имеет место так называемый инвариант Шера-Заллена 0С=О.45+О.О1 для двумерного пространства и ©с=0.15+0.01 для трехмерного пространства. Если 0>0С, то из частиц образуется перколяционный кластер, пронизывающий все пространство. Для бинарных систем (систем из частиц с двумя заданными размерами) сильно отличающихся размерами частиц порог протекания, как это показано в диссертации, дается выражением:

вь = вс + Аь-в,

где коэффициент А(з=(1-бс).

Предел сильно отличающихся размерами частиц допускает обобщение для полидисперсных систем в случае соблюдения иерархического заполнения пространства (матриц). Если размеры (радиусы) частиц удовлетворяют условию Я[<<К2<<..<<Ям, то порог протекания находится решением рекуррентного уравнения:

где п=2,3,...Г^, 9[=0.

В работе показано, что геометрическая структура образующейся системы при полидисперсном заполнении пространства фрактальна: распределение матричного материала описывается фрактальным множеством с размерностью 0=с1 + 1п(1-0)/1пц. Это означает, в частности, что хотя объемное содержание матричного материала становится все меньше по мере ее наполнения, между дисперсными частицами всегда имеется разделяющий слой матрицы.

Для изучения поведения бинарных систем в промежуточной области соотношения размеров, т.е. при К] использовался метод Монте-Карло на совмещенных решетках. Показано, что поведение системы может быть описано линейной зависимостью от 0, но с коэффициентом Аь(ц). являющимся функцией д =(К]/Я2). Экспериментально было определено, что уже для ц=0.1 поведение системы практически асимптотическое.

В работе показано также, что полидисперсной системой возможно практически полное заполнение матриц без образования ПК. Это обстоятельство может использоваться для решения многих задач оптимальной упаковки, в том числе при фиксации опасных веществ в матричном материале.

А„

о,б

О.Ч

о, г

w

W

• Л7"

-J-1_I I |>ЬУ

У

Рис.2.3ависимость параметра от отношения размеров частиц в экспериментах на тригональной (1) и тетрагональной решетках(2).

11 11

Таким образом, исследование перколяции в полидисперсных системах позволяет выработать практические рекомендации по увеличению содержания радиофазы г матричном материале без резкого увеличения поверхностного выноса радионуклидов.

Структура стеклокомпозитов не остается неизменной в процессе длительного хранения. Поскольку время хранения блоков отвержденных отходов достаточно большое, даже медленные процессы могут привести к существенным изменениям. Е рамках созданной модели, основанной на теории протекания, наиболее важнс изменение состояния частиц радиофазы в матричном материале. Даже небольшое изменение объемной доли радиофазы в матрице вблизи порога протекания может привести к резкому увеличению поверхностного выноса радионуклидов. В связи с этим впервые был исследован переходный процесс диффузионного распада твердогс раствора, содержащего большое число выделений новой фазы (двухфазного композит; из матрицы и радиофазы). Использовано приближение самосогласованного поля I найдены условия, когда рост включений проходит без зарождения новых выделений Найдено характерное время выхода системы на асимптотический режим Лифшица-Слезова и показано, что для реальных материалов может составлять тысячи лет Следовательно, именно переходный процесс диффузионного распада наиболее важеь при описании характеристик отвержденных отходов. Таким образом, получеиь

теоретически выражения, определяющие поведение дисперсной системы радиофазы в матричном материале, при долговременном хранении отвержденных отходов.

Для описания реальных систем композитов, состоящих из матричного материала и распределенных в матрице частиц радиофазы, необходима информация о спектре размеров частиц и о характере их распределения. В третьей главе впервые теоретически рассмотрена возможность определения распределения неоднородностей в матричном материале с помощью методов когерентной спектроскопии.

Стеклокомпозиционные и металлокомпозиционные материалы представляют собой системы, для которых исходное пространственное распределение фаз неоднородно. Одним из мощных инструментов исследования неоднородностей является эхо - спектроскопия (Э.А.Маныкин, В.В.Самарцев. Оптическая эхо-спектроскопия, М., 1984) В работе впервые доказана возможность использования методов эхо - спектроскопии для одновременного определения спектрального состава неоднородностей и их пространственного распределения. Для этого необходимо наличие у неоднородностей колебательных степеней свободы, связанных с их размерами, т.е. представимость неоднородностей в виде некоторых локальных слабо нелинейных осцилляторов.

Локальные осцилляторы могут быть возбуждены внешним импульсным воздействием. Эволюция их последующих собственных колебаний проявляется через излучаемое или рассеиваемое ими поле той или иной природы (акустическое, электромагнитное). Оно обуславливает отклик системы неоднородностей в целом на импульсное воздействие.

Если наблюдение за системой производится в направлении волнового вектора возбуждающего поля, тогда отклик определяется Фурье - образом функции распределения по частотам С(ш) с некоторым известным весом Гп:

X=N^YJ\do)G{(o)^ ехр[/<у(/ - /„)],

где п=-1,0,1...... 1п=(п+1)т .Импульсы соответствующие номерам п=1,2,... называют

эхо откликом. Таким образом, если измеряемой величиной является огибающая сигнала эхо то, осуществляя обратное временное Фурье - преобразование, можно восстановить функцию распределения по частотам системы.

Для выявления характера распределения плотности осцилляторов можно воспользоваться анализом амплитуды эхо - сигналов, регистрируя их в различных

направлениях от системы при нарушении условия фазового синхронизма. Внутренняя структура может быть восстановлена для систем с достаточно узким распределением распределения, если Д«с/Ь, где Д -ширина функции распределения, с - фазовая скорость сигнала, Ь - размер системы. Амплитуда эха в различных направлениях от системы соответствует различным компонентам пространственного Фурье -преобразования плотности осцилляторов :

где ео - единичный вектор вдоль е , к=2(о/с)со5ф, 2<р - угол между направлением на систему и волнового вектора возбуждающего поля.

Таким образом, с помощью когерентной эхо-спектроскопни возможно одновременное определение спектра размеров частиц радиофазы и характера их распределения внутри матрицы.

Четвертая глава посвящена обоснованию и разработке нового экспериментального метода получения стеклокомпозиционных материалов. Метод осуществляется путем диспергирования (эмульгирования) компонентов в стеклорасплав и последующего быстрого небольшого уменьшения температуры, позволяющего замораживать структуру композита для последующего исследования структуры и свойств. Возможности метода исследованы на примере реальных сульфатсодержащих радиоактивных отходов.

Боросиликатное стекло в настоящее время рассматривается как наиболее перспективный материал для иммобилизации радиоактивных отходов. Однако, при остекловывании радиоактивных отходов, химический состав которых варьируется в широких пределах, возникают большие трудности. При остекловывании отходов различного состава необходимо соответственно изменять и состав шихты для получения достаточно качественного продукта. Некоторые компоненты вообще не включаются в стекло при их исходном содержании свыше определенных пределов. Так, при остекловывании отходов, содержащих среди других компонентов окислы плутония, наблюдается фазовое разделение в расплаве стекла. Это приводит к обогащению в процессе варки нижних слоев стекломассы окислами плутония. При остекловывании высокоактивных отходов также возможно фазовое расслоение, например - водорастворимой фазы, обогащенной молибдатом натрия. Для радиоактивных отходов среднего уровня активности, таких как отходы атомных

электрических станций (АЭС), в состав которых входят сульфат- и хлорид- ионы, стабильная ликвация в боросиликатном стекле наблюдается при содержании свыше 12%. Сульфатсодержащие отходы образуются при использовании серной кислоты для удаления топливной композиции и для растворения оболочек тепловыделяющих элементов из магниевых сплавов и нержавеющей стали, при регенерации ионообменных смол серной кислоты, а также при дезактивации оборудования растворами, содержащими серную кислоту и ее соли. В отходах отечественных АЭС содержание сульфатов может достичь 30%, а в отходах АЭС с реактором типа В\УЛ их содержание может быть до 100%.

В работе впервые было предложено решить проблему иммобилизации РАО, малосовместимых со стеклянной матрицей, с помощью стеклокомпозиционных материалов (СКМ). Предложен и изучен новый метод получения СКМ путем диспергирования (твердых) или эмульгирования (жидких) компонентов в стеклорасплав и последующего быстрого небольшого уменьшения температуры. Для предотвращения разделения фаз полученной дисперсии используется резкая зависимость вязкости стекла от температуры. При понижении температуры на 50-100°С вязкость расплава может увеличиваться в 10-150 раз. Соответственно возрастает время фазового разделения дисперсии, что позволяет получать достаточно стабильные смеси.

В работе впервые доказана практическая возможность иммобилизации сульфатсодержащих радиоактивных отходов с помощью СКМ с использованием предварительно расплавленного боросиликатного стекла, а также радиоактивного стекла, содержащего в своем составе до 20% радиоактивных отходов. Экспериментально рассмотрены два способа иммобилизации: эмульгация жидкой хальмозной фазы, возникающей на поверхности стеклорасплава в процессе варки стекла, и диспергирование предварительно осажденных из исходных жидких радиоактивных отходов сульфатных соединений (использовались осадки Са504 и Ва804>. Получены образцы стеклокомпозитов, содержащих до 30% нерастворяющейся в расплаве радиофазы.

В процессе варки стекла происходит частичное улетучивание радионуклидов, что приводит к образованию некоторого количества вторичных радиоактивных отходов. В работе показано, что для уменьшения уноса радионуклидов можно использовать явление стабильной ликвации определенных крмпонентов. С целыо подавления улетучивания в работе экспериментально исследован процесс варки с использованием защитных слоев из малорастворимых в стеклорасплаве оксидов с последующим диспергированием этих материалов в стекломатрицу.

Исследование свойств полученных стеклокомпозитов показало, что по своих основным параметрам (скорость выщелачивания радионуклидов, прочность) они Н1 уступают традиционным (однородным) стеклам. Они содержат в своем состав! значительное количество радиофазы, не включающейся вообще в стекло Технологические режимы получения СКМ обладают при этом сравнительно больше! гибкостью. Это позволяет получить образцы конечного продукта, обладающей требуемыми свойствами для последующего захоронения.

В пятой главе приведены результаты исследования процессов, протекающих 1 непосредственной близости захороненных высокоактивных отходов, и обоснована нового метода иммобилизации высокоактивных радионуклидных источнико) ионизирующего излучения в металлические матричные материалы.

Отдельный класс радиоактивных отходов образуют отработавши! радионуклидные источники ионизирующего излучения (РНИ). Источник! ионизирующего излучения используют в радиационно-химической технологии медицине, дефектоскопии, геофизической и контрольно-измерительной аппаратуре В странах бывшего СССР только в промышленной дефектоскопии, прибора: технологического контроля, сигнальных и информационных системах объе» потребления радиоизотопной продукции по активности составляет 1,36 МКи в гол Наиболее распространенными являются источники содержащие источники бОСо '^Сб, 90$г> 192^ 170тт, 755е, 210ро> 239рщ 241агп. По своим параметра» отработавшие РНИ представляют собой отходы высокого уровня активности, причел их захоронение производится на централизованных пунктах путем сброса и контейнеров в специальные подземные хранилища.

В работе приведены результаты систематических наблюдений за состояние» хранилищ, которые показали, что хранение источников в подземных емкостях ! открытом виде не может обеспечивать надежность захоронения. Основные проблем! связаны с воздействием мощных радиационных полей на водно-воздушную среду, чт< приводит к интенсивной коррозии и накоплению опасных продуктов. Так радиолизный водород образует взрывоопасные смеси с воздухом, при испарении план возможен капельный унос радионуклидов, восходящие потоки горячего воздух; являются потенциальными носителями горячих аэрозольных частиц.

Экспериментально была обнаружена корреляция содержания радиолизноп водорода в пробах воздушной среды хранилищ и температуры наружного воздуха. Эт< позволило разработать практические рекомендации по организации безопасны: условий эксплуатации хранилищ.

Длительное воздействие неоднородного температурного и мощного радиационного полей приводит к деградации защитных свойств глинистых грунтов вблизи хранилищ РНИ. Фактор запаздывания, определяющий уменьшение скорости миграции радионуклидов, линейно зависит от коэффициента распределения. Известно, что емкость ионного обмена глинистых грунтов остается практически неизменной при их облучении. Для тяжелого мореного суглинка эксперименты по определению емкости ионного обмена (сорбция Ва2+) подтвердили ранние результаты вплоть до суммарных доз излучения (60Со) 230 Мрад. В работе показано, что при этом коэффициент распределения строншя-90 уменьшается и несколько раз. Соответственно возрастает скорость переноса радионуклидов в грунте.

Включение высокоактивных отходов типа РНИ в твердые матрицы с низкой электро- и теплопроводностью невозможно в связи с ускоренным разрушением матрицы вблизи источников (см. результаты главы 1). В работе показано, что для высокоактивных РНИ подходящими материалами, обладающими требуемой радиационной стойкостью и достаточно высокой теплопроводностью для отвода радиогенного тепла, являются металлы.

Активность отдельных РНИ достигает десятки тысяч Ки. Для проведения каких-либо операций с такими материалами необходима сложная и достаточно массивная система, защищающая от мощного проникающего излучения. В работе была доказана возможность использования защитных свойств самого хранилища. Для этого впервые было предложено проводить включение РНИ в металл непосредственно в подземных резервуарах хранилищ с предварительной подготовкой матричного материала вне хранилища. При фиксации в металл РНИ с плотностью, как правило, сильно отличающейся от плотности матрицы, необходимы действия по подавлению фазового разделения веществ. Для подавления эффектов фазового разделения в работе обоснована возможность послойного заполнения резервуаров с последующей заливкой отходов расплавленным металлом. Для надежной иммобилизации РНИ распределяются в матричном материале согласно заранее установленным требованиям, учитывающих возможность отвода радиогенного тепла.

Новый метод захоронения РНИ внедрен в производство и используется на Заводе прикладных радиохимических технологий (г.Сергиев Посад), начиная с 1986 г. В настоящее время при обращении с отработавшими РНИ используются несколько установок, имеющих одинаковые принципиальные схемы. Установки используют в качестве матричного материала свинец, причем их конструкция позволяет использовать в качестве матрицы металлические отходы низкого уровня активности, которые сами подлежат захоронению. Теоретический анализ режимов работы и

практический опыт эксплуатации показал высокую экологическую безопасност установок.

Для определения допустимых эксплуатационных параметров хранили! высокоактивных отходов важное значение имеют эффективные теплофизически характеристики таких объектов. Они не могут быть априори определены и справочных данных, ввиду индивидуальных особенностей вмещающих пород I сложности конструкции. Для этой цели обычно проводят длительные имитационны! эксперименты: из стационарно установившегося температурного поля определяю' теплопроводность, а по скорости установления температуры - теплопроводность. I работе был предложен новый метод определения эффективных теплофизически: характеристик хранилищ - скважин высокоактивных отходов путем обработю нестационарных температурных полей. Метод основан на проведение короткогс имитационного эксперимента и последующего компьютерного моделированш установления стационарного температурного поля. Он реализован на примере хранилищ РНИ. В качестве модельной зависимости было выбрано нестационарное поле, создаваемое нитью конечной длины с равномерной по длине мощностыс тепловыделения. Численными методами было доказано, что разогрев грунта от нити и равномерно иалучающего резервуара хранилища практически совпадают (на расстоянии 1 м отличие составляет 5%). Экспериментально с использованием нового метода были найдены эффективные коэффициенты теплопроводности типовых хранилищ РНИ (х=2.8±0.3 Вт/м-К) и температуропроводности [Х=(1.2±10"6 м^/с). Анализ температурного поля показал практическую возможность захоронения в подземном резервуаре РНИ с суммарной активностью, примерно в 6 раз больше, чем по старой технологии.

Послойная фиксация РНИ в металлические матрицы непосредственно в хранилище позволяет надежно изолировать источники от окружающей среды, уменьшить радиационные и тепловые нагрузки на конструкционные материалы и окружающий грунт, использовать радиационную защиту хранилища при проведении технологических операций. Таким образом, анализ радиационно-индуцированных поверхностных эффектов и поверхностного выноса радионуклидов из композиционных материалов позволил обосновать правильность выбора металлических матриц и технологических параметров фиксации РНИ.

Для оценки надежности иммобилизации радиоактивных отходов проводятся длительные (многолетние) испытания. В шестой главе приведены результаты исследования отвержденных радиоактивных отходов в условиях опытного полигона. На опытном полигоне были размещены образцы отвержденных отходов АЭС. В

диссертации приведены результаты систематического анализа кинетики поверхностного выноса радионуклидов из остеклованных отходов. Показано, что в условиях реального хранения отходов характер вымывания немонотонный.

о 8.0Е-02-

4.0Е-02 -

(2)

а)

и, .Л-. . 1Д. ,„....,.. , ,-. 1

2000 Э000 4000

Время (сутки)

-7Е-04 -6С-04 БЕ-04 4Е-04 -ЗЕ-04 2Е-04 1Е-04

лГ |

о о

Рис.3.Зависимость от времени скорости поверхностного выноса (выщелачивания) радионуклидов (1) и суммарного количества выщелоченного вещества (2) с единицы поверхности стеклоблока.

Это связано с ускоренным старением поверхностных слоев стекла, имеющимися неоднородностями структуры образцов, появлением трещин (см. результаты глав 1 и 2). В связи с этим, в работе разработан специальный метод фильтрации данных, позволяющий отдельно обрабатывать монотонные участки экспериментальных кривых от флуктуационных участков. Используя его, ,можно получать не только факторы выщелачивания, но и эффективные коэффициенты диффузии радионуклидов в матрицах. Например найдено, что для боросиликатного стекла фактор выщелачивания (по цезию-137) Ь=(3.1±0.1)10-9 См2/Сут, а коэффициент диффузии 0=(4.8±0.1 )• 10~ Ю см^/сут.

Анализ состояния поверхностных слоев матричных материалов после их длительной экспозиции на опытном полигоне проводился с помощью методов растровой электронной микроскопии (РЭММА-202) и лазерной масс-спектрометрии (ЭМАЛ-2). Для стекол, слабо поглощающих лазерное излучение, теоретически обоснована и экспериментально была доказана возможность масс- анализа путем их

предварительного облучения жестким фотонным излучением. (Химический состав стекла остается при этом неизменным, поэтому последующий масс- анализ дает корректные значения содержания компонентов).

Исходные отходы принято характеризовать индексом потенциальной опасности. В работе обоснована необходимость учета конечной скорости выноса радионуклидов с поверхности Б материала при оценке индекса потенциальной опасности отвержденных отходов. Поступление радионуклидов в воду для них определяется фактором выщелачивания Ц. Индекс потенциальной опасности показывает, какое количество питьевой воды загрязняется радионуклидами, содержащимися в отвержденных отходах с исходным объемом V, поэтому для его численной оценки предложено использовать формулу:

^ йК, '

где С; -начальная концентрация ¡-того компонента в отходах, ¡Ц - его постоянная распада, О К; - предельно допустимая концентрация этого компонента в питьевой воде. Функция ф(0<1 определяет скорость поступления в воде компонентов. Если считать, что ф^)«!, то имеется следующая связь с фактором выщелачивания:

Для мгновенного растворения (исходные отходы) ф(0=1.

Таким образом, количественно можно выразить потенциальную опасность отвержденных радиоактивных отходов и возможные последствия в случае разгерметизации хранилищ.

Основные результаты работы.

1. Предсказано существование нового радиационно-индуцированного поверхностного эффекта разрушения твердых частиц и ускоренного поверхностного разрушения матричных материалов.

2. Теоретически обоснован и экспериментально проверен метод определения эффективных теплофизических характеристик хранилищ - скважин высокоактивных отходов путем обработки нестационарных температурных полей.

3. Экспериментально обнаружена деградация свойств глинистых грунтов в мощных радиационных полях. Впервые определена фрактальная размерность глинистого грунта полигона захоронения.

4. Создана теоретическая модель, описывающая процесс поверхностного выноса из композиционных материалов, в которой учитывается возможность межфазного перераспределения радионуклидов. Предсказано и экспериментально подтверждено существование порогового наполнения матриц, выше которого стойкость резко уменьшается.

5. Для систем, состоящих из частиц с разными размерами, впервые исследованы перколяционные явления и получены асимптотические выражения, определяющие порог протекания. Показано, что при иерархическом заполнении матричного материала полидисперсной системой его структура определяется фракталом с размерностью меньше 3. Доказана возможность увеличения порога наполнения матриц радиофазой.

6. Методами растровой электронной микроскопии и авторадиографии изучена структура сульфат содержащих стеклокомпозиционных материалов и доказана фрактальность их структуры на мелких масштабах.

7. Обнаружена экспериментально флуктуационная зависимость поверхностного выноса радионуклидов из остеклованных радиоактивных отходов в естественных природных условиях. Теоретически обоснован метод оценки потенциальной опасности отвержденных отходов, учитывающий создание барьеров на пути распространения радионуклидов.

8. Теоретически исследован когерентный эхо отклик системы включений в матричном материале и доказана возможность использования методов эхо-спектроскопии для одновременного определения спектрального состава неоднородностей и их пространственного распределения.

Основные результаты диссертации опубликованы п работах:

1.Арустамов А.Э., Кащеев В.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П., Поляков A.C., Соболев И.А., Ширяев В.В. (1990) Включение отработавших источников ионизирующего излучения в металлические матрицы.// М., ЦНИИатоминформ, 29 С.

2.Арустамов А.Э., Ожован М.И., Кащеев В.А., Поляков A.C., Соболев И.А., Ширяев В.В. (1990) Опыт создания могильников радиоактивных отходов. // М., ЦНИИатоминформ, 77 С.

3.Баринов A.C., Ожован М.И., Соболев И.А. (1988) О механизмах выносе компонентов жидких радиоактивных отходов в зависимости от солезаполненш битумных компаундов. // Атомная энергия, том 65, № 6, С.403-405.

4.Баринов A.C., Ожован М.И., Соболев И.А., Ожован М.И., Ожован Н.В. (1990; Потенциальная опасность отвержденных радиоактивных отходов. // Радиохимия, №4, С.127-131.

5.Батюхнова О.Г., Девяткова Л.И., Ожован М.И., Соболев И.А. (1990) Исследованш состояния остеклованных отходов после их длительных испытаний на открытой площадке. //Доклады АН СССР,том 315, №.2, С.373-377.

6.Голубцов И.В., Качалов М.Б., Ожован М.И. (1990) Выщелачивание растворимы? компонентов из двухфазных композиционных материалов. // Вестник МГУ Химия, том 31, № 5, С.470-473.

7.Голубцов И.В., Качалов М.Б., Ожован М.И., Попов М.В. (1992) Геометрическа5 структура двухфазных композиционных материалов. // Вестник МГУ, Химия том 33, № 3, С.246-248.

8.Качалов М.Б., Ожован М.И., Полуэктов П.П. (1987) Роль неоднородностей npi разрушении матриц с радиоактивными отходами. // Атомная энергия, том 63, H 4, С.266-267.

9.Качков М-Б., Карлина O.K., Ожован М.И., Поляков A.C. (1989) Включенш сульфатсодержащих радиоактивных отходов в стеклянные матрицы. // М. ЦНИИатоминформ, С.20.

Ю.Качалов М.Б., Кащеев В.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П., Поляков A.C., Соболе1 И.А., Тимофеев Е.М., Третьяк С.А., Ширяев В.В. (1989) Подземное захороненш отработавших источников ионизирующего излучения. // Атомная энергия, ton-66, №3, С.197-199.

11.Кащеев В.А., Ожован М.И., Полуктов П.П., Поляков A.C., Семенов К.Н., Соболе! И.А., Тимофеев Е.М., Третьяк С.А. (1990) Физическое моделированш термических нагрузок в приповерхностном хранилище отработавши} высокоактивных источников ионизирующего излучения. // Атомная энергия том 69, № 1, С.20-23.

12.Кащеев В.А., Ожован М.И., Полуэктов П.П. (1992) Выщелачивание радионуклидо! из стеклокомпозиционных материалов. // Атомная энергия, 1992, том 73, № 3 С.241-243.

13.Ожован М.И., Полуэктов П.П., Соболев И.А. (1985) Диффузионна} неустойчивость поверхности облученных твердых веществ. // В сб. "Физика i химия твердого тела", Тез.докл. школы семинара, Благовещенск, С. 139-141.

.Ожован М.И., Соболев H.A., Тимофеев Е.М., Хомчик JI.M. (1985) Когерентная спектро- и интроскопия неоднородных систем осцилляторного типа. // Журнал прикладной спектроскопии, том 42, № 3, С.425-430.

¡.Ожован М.И., Полуэктов П.П. (1987) Рост новообразований на поверхности твердых заряженных частиц. // Инженерно-физический журнал, том 53, № 2, С.318-319., (ВИНИТИ № 1425-В-87).

.Ожован М.И. (1989) Переходные процессы при диффузионном распаде твердых растворов, содержащих дисперсные включения. // Инженерно-физический журнал, том 56, № 5, С.841 -842.

.Ожован М.И., Батюхнова О.Г., Карлина O.K., Девяткова Л.И., Щербатова Т.Д. (1991) Микроструктура стеклокомпозиционных материалов при иммобилизации радиоактивных отходов. // Физика и химия стекла, том 17. № 5, С.831-833.

1.Ожован М.И., Семенов К.Н. (1991) Определение факторов выщелачивания и эффективных коэффициентов диффузии радионуклидов по результатам длительных испытаний. //Атомная энергия, том 70, № 3, С. 196-197.

».Ожован М.И., Карлина O.K., Батюхнова О.Г., Девяткова Л.И. (1992) Структура стеклокомпозиционных материалов для иммобилизации радиоактивных отходов. //Доклады АН, том 325, № 1, С.70-72.

).Ожован М.И., Качалов М.Б. (1992) Однородные фракталы в закритичных стеклокомпозитах. // Инженерно-физический журнал, том 63, № 2, С. 154-155.

.Ожован М.И., Карлина O.K. (1992) Получение и свойства стеклокомпозиционных материалов для отверждения радиоактивных отходов. // Радиохимия, № 2, С.97-100.

¡.Ожован М.И., Семенов К.Н. (1992) Протекание в системе полидисперсных частиц. // ЖЭТФ, том 101, №4, С.1286-1289.

1.0жован М.И., Батюхнова О.Г., Баринов A.C., Семенов К.Н., Манюкова H.H., Титов В.Н., Девяткова Л.И., Щербатова Т.Д. (1992) Испытания остеклованных радиоактивных отходов в условиях открытой площадки. // Радиохимия, № 4, С.100-105.

^Соболев И.А., Хомчик Л.М., Тимофеев Е.М., Баринов A.C., Ожован М.И., Полуэктов П.П. (1984) Радиационно-индуцированное изменение строения гетерогенной дисперсной системы. // Инженерно-физический журнал, том 4f>, № 4, С.692, (ВИНИТИ № 6136-83).

¡.Соболев И .А., Хомчик Л.М., Баринов A.C., Ожован М.И. (1985) Влияние мощного гамма излучения на распределение стронция-90 в грунте // Атомная энергия, том 59, №2, С.140-141.

26.Соболев И.А., Тимофеев Е.М., Ожован М.И., Качалов М.Б., Ширяев В.В Арустамов А.Э., Поляков А.С., Третьяк СЛ., Полуэктов П.П. (1988) Подземно захоронение высокоактивных источников ионизирующего излучения. // М ЦНИИатоминформ, 18 с.

27.Соболев И.А, Арустамов А.Э., Ожован М.И., Полуэктов П.П., Поляков А.С Семенов К.Н., Тимофеев Е.М., Третьяк С.А., Ширяев В.В. (1989) Захоронени высокоактивных источников ионизирующего излучения в металлически матрицы. // Атомная энергия, том 66, № 5, С.340-342.

28.Соболев И.А., Баринов А.С., Ожован М.И. (1990) Испытания в натурных условия продуктов отверждения радиоактивных отходов. // Атомная энергия, том 69, ^ 5, С.306-309.

29.Соболев И.А., Хомчик J1.M., Тимофеев Е.М., Ожован М.И., Полуэктов П.П. (198< Диффузионная неустойчивость поверхности твердых веществ. // Поверхност Физика, химия, механика, 1984, № 12, С.32-36.

30.0jovan М.1., Karlina O.K., Kachalov M.B. (1991) Radioactive wastes isolation froi environment by glass composite materials. // The International Symposium с Bioindicators and Biomonitoring, Zagorsk, p. 107-107.

31.0jovan М.1., Sobolev 1.А., Barinov A.S. (1991) Vitrified radioactive wastes natural tests., The International Symposium on Bioindicators and Biomonitoring, Zagorsk, p. 108-11

32.0jovan M.I., Kachalov M.B., Sobolev l.A. (1992) Glass composite materials - a new foi of radioactive wastes immobilization. // 14-th International Congress on Glass, Madrii vol.4, pp.315-320.

33.0jovan M.I., Sobolev l.A., Kachalov M.B., Arustamov A.E. (1993) Mobile unit for hij. active spent radiation sources immobilization. // Proc.Int.Conf. on Nucl.Waste Mana and Env.Remediations, Prague, 1993, vol.1, pp.155-157.