Отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) – неизбежный побочный продукт производства атомной энергии. Усредненный состав ОЯТ тепловых реакторов – 94-95 % урана, около 1 % плутония и 4-5 % осколочных продуктов деления, радиоактивность которых составляет до 99 % активности всех материалов атомной энергетики и промышленности. Присутствие делящихся нуклидов урана и плутония требует исключения риска самопроизвольной цепной ядерной реакции при обращении с ОЯТ, что фундаментально отличает отработавшее топливо от радиоактивных отходов, образующихся в ядерно-оружейной и гражданских сферах применения энергии атома.
Высокие уровни γ- и нейтронного излучения ОЯТ требуют надежных барьеров для защиты персонала и населения от опасных дозовых нагрузок, а количество токсичных радионуклидов, содержащихся в одной тонне отработавшего топлива, способно «отравить» миллиарды кубометров чистой воды. При выводе из эксплуатации и комплексной утилизации атомных подводных лодок (АПЛ), образуется значительное количество радиоактивных отходов, являющихся источником риска для человека и биосферы. Только на плавучей технической базе (ПТБ) «Лепс», используемой для хранения ОЯТ ледоколов «Ленин», «Арктика», «Сибирь», в результате накопления долгоживущих α- и β-активных радиотоксичных радионуклидов полная активность основных α- и β-излучателей составляет от 20 до 45 тыс. Ku на тонну ОЯТ. Количество отработавшего ядерного топлива как при эксплуатации транспортных ядерных энергетических установок, так и реакторов АЭС постоянно растет, что требует крупных затрат на строительство новых хранилищ, транспортных контейнеров и перерабатывающих комплексов.
Для решения проблемы отработавшего ядерного топлива в России, с учетом сложившейся ситуации, технических и экономических возможностей, а также международного опыта наиболее эффективно долговременное хранение ОЯТ в контейнерах. Выполнение всех условий долговременного хранения ОЯТ с максимальной гарантией безопасности возможно на основе технологии хранения ОЯТ в хранилищах контейнерного типа с использованием контейнеров двухцелевого назначения (для хранения и транспортирования). При этом необходима разработка транспортных контейнеров обладающих высокими эксплуатационными, нейтроно- и гамма-защитными свойствами с учетом протекающих нейтронно-физических процессов в ОЯТ. Долговременный срок хранения должен быть обеспечен надежностью конструкции контейнера и использованием материалов, позволяющих хранить ОЯТ в течение до 100 и более лет, исключая возможность контакта с биосферой [1–12].
По принятой Минатомом РФ и ВМФ технологической схеме, транспортировка ОЯТ осуществляется в транспортно-упаковочных контейнерах типа ТК-18 (ТУК-108/1, ТУК-120), включающих в себя два элемента – собственный защитный контейнер (наружная упаковка) и чехол (внутренняя упаковка), изготовленных из нержавеющей стали. Использование стальных контейнеров обусловлено их прочностью и герметичностью. Однако при этом вес одного контейнера составляет 40 т, что ограничивает возможности его транспортировки. Контейнеры типа ТУК, ввиду агрессивности ОЯТ, подвержены химической и радиационной коррозии, снижению прочности при низких температурах, имеют слабые нейтронно-защитные свойства и не обеспечивают достаточного для обслуживающего персонала уровня радиационной безопасности. Кроме того после использования стальные контейнеры сами становятся источниками радиоактивного излучения из-за относительно плохой дезактивации и возникновения в стали вторичного гамма излучения [13–20].
В связи с этим необходима разработка научно-технических основ создания высокопрочного транспортного контейнера, сохраняющего постоянство геометрических характеристик и герметизации при транспортировании и механических нагрузках; обладающего высокими нейтронно-защитными свойствами внутренней оболочки; обеспечивающего радиационную безопасность при транспортировке и хранении ОЯТ; способного эксплуатироваться в условиях пониженных температур. Кроме того, материал контейнера должен обладать высокой радиационной стойкостью, легко дезактивироваться и не вступать в химическое взаимодействие с агрессивными растворами ОЯТ и дезактивирующих препаратов [21–34].
Решение поставленной задачи может быть реализовано с использованием полимеркомпозиционных систем путем создания транспортного защитного контейнера на основе высоконаполненной химически и радиационно-стойкой полимерной матрицы, заключенной в высокопрочную коррозионностойкую металлическую оболочку.
Цель исследования
Исследовать возможность получения полимерных композиционных материалов на основе высоконаполненной органосиликанатом гадолиния полиалканимидной матрицы с целью улучшения радиационно-защитных и эксплуатационных характеристик транспортных контейнеров.
Материалы и методы исследования
Для синтеза металлоолигомера выбран растворимый в воде метилсиликонат натрия (RSi(OH)2ONa, где R=CH3) и водный раствор, содержащий ионы Gd3+. В качестве полимерной матрицы использован порошкообразный полиалканимид (ПАИ).
Композиционные материалы получали смешением порошкообразного ПАИ и гадолиниевого металлоолигомера в смесителе, их механоактивацией в струйной мельнице и дальнейшей переработкой методом литья.
Результаты исследования и их обсуждение
Реакция взаимодействия метилсиликоната натрия с ионами гадолиния в водном растворе протекает по механизму замещения ионов натрия в силонолятной группе (Si-ONa) алкилсиликоната натрия на ион гадолиния (схема 1).
(1)
Так, как алкилсиликанаты натрия в воде гидролизуются с образованием щелочи, при синтезе полиалкилсиликоната гадолиния возможно образование гидроксида гадолиния, который при температуре 250 °С дегидратирует до оксида гадолиния:
Gd3+ + 2OH- 
Gd(OH)2+ 
Gd2O3 (2)
В условиях получения металлоолигомера может иметь место также поликонденсация молекул олигомера по схеме (3):
(3)
Элементарный состав и молекулярная масса олигомерного порошка полиметилсиликоната гадолиния
|
Олигомер |
Атомный состав, %мас. |
Молекулярная масса |
||||
|
Si |
Gd |
O |
H |
C |
||
|
ПМСГ |
11,67 |
65,41 |
16,67 |
1,25 |
5,0 |
5760 |
Происходит образование циклических структур, и сшивка олигомерных молекул с увеличением числа силоксановых связей.
Таким образом, достигается возможность осуществить направленную модификацию наполнителя в процессе совместного синтеза металлоолигомера и гадолиниевого наполнителя, т.е. получить гидрофобный наполненный (краевой угол смачивания ПМСГ составляет 110–120 °) металлоолигомер в гомогенной среде.
Элементарный состав и молекулярная масса синтезированного металлоолигомера приведены в таблице. Насыпная плотность ПМСГ составляет 2124 кг/м3, а максимальная плотность при уплотнении достигает 4513 кг/м3.
Разработаны технологические режимы получения радиационно-защитных полимерных композиционных материалов на основе высоконаполненной органосиликанатом гадолиния полиалканимидной матрицы (ПАИ).
Механоактивация порошкообразной смеси (ПАИ-ПМСГ) в мельницах струйного типа обеспечивает аккумулирование значительных величин внутренних энергий в материалах. В процессе механоактивации бинарной системы (ПАИ-ПМСГ) происходит в значительной степени взаимная компенсация термических эффектов в температурной области около 530 °С. Совместная механодеструкция ПМСГ и ПАИ является эффективным средством получения как высокодисперсной капсулированной системы, в которой дисперсной фазой является ПМСГ, экранируемой внешней полиалканимидной оболочкой, так и физико-химическим взаимодействием данных фаз за счет образования при механоактивации активных химических центров различной природы.
Заключение
Авторами рассмотрены научно-технические основы создания высокоэффективных композиционных материалов для транспортных контейнеров отработанного ядерного топлива. Достигнута возможность синтеза высокодисперсных гидрофобных металлоорганосилоксановых порошков, в силоксановой цепи которых содержится химически связанный гадолиний с высокой концентрацией атомов гадолиния в олигомерном объеме. Проведенные исследования позволили разработать научные основы модифицирования структуры и свойств полимерных композитов, предусматривающие направленное регулирование их надмолекулярной структуры путем введения пластифицирующих и модифицирующих добавок.
Работа выполнена при поддержке проектной части Государственного задания Минобрнауки РФ, проект № 11.2034.2014/K и гранта РФФИ, проект № 14-41-08067.