Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРГАНОСИЛОКСАНОВЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА

Павленко В.И. 1 Ястребинский Р.Н. 1 Карнаухов А.А. 1 Черкашина Н.И. 1
1 ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»
Авторами показана необходимость создания транспортных контейнеров отработанного ядерного топлива (ОЯТ), обладающих высокими эксплуатационными, нейтроно- и гамма-защитными свойствами. Рассмотрены научно-технические основы создания высокоэффективных композиционных материалов для транспортных контейнеров. 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. Это позволит заметно улучшить технологические и эксплуатационные характеристики композиционных материалов на основе органосилоксановых наполнителей.
отработашее ядерное топливо
транспортные контейнеры
полимерная матрица
органосиликанат гадолиния
Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Соколенко И.В., Ястребинская А.В. Нанонаполненные полимерные композиционные радиационно-защитные материалы авиационно-космического назначения // Современные проблемы науки и образования.  – 2012.  – № 6.  – С. 128.
Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Композиционный материал, стойкий к воздействию высокоэнергетических излучений // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2012.  – № 2.  – С. 25–27.
Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Перспективы создания современных высококонструкционных радиационно-защитных металлокомпозитов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 2.  – С. 27–29.
Матюхин П.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Бондаренко Ю.М. Композиционный материал для радиационной защиты // Патент РФ №2470395, 20.12.2010.
Матюхин П.В., Ястребинский Р.Н. Исследование механизмов модифицирования поверхности природных железорудных минералов алкилсиликонатами // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология.  – 2005.  – Т. 48.  – № 4.  – С. 140.
Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В., Бондаренко Г.Н. Полимеризация эпоксидного связующего в присутствии добавки полиметилсилоксана // Строительные материалы.  – 2005.  – № 9.  – С. 82–87.
Огрель Л.Ю., Ястребинская А.В. Структурообразование и свойства легированных эпоксидных композитов // Строительные материалы.  – 2004.  – № 8.  – С. 48–49.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Полимерные радиационно-защитные композиты / Монография.  – Белгород, БГТУ им. В.Г. Шухова, 2009.  – 199 с.
Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н., Куприева О.В. Термопластичные конструкционные композиционные материалы для радиационной защиты // Перспективные материалы.  – 2010.  – № 6.  – С. 22–28.
Павленко В.И., Едаменко О.Д., Ястребинский Р.Н., Черкашина Н.И. Радиационно-защитный композиционный материал на основе полистирольной матрицы // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 3.  – С. 113–116.
Павленко В.И., Ястребинская А.В., Павленко З.В., Ястребинский Р.Н. Высокодисперсные органосвинецсилоксановые наполнители полимерных матриц // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Серия: Технические науки.  – 2010.  – № 2.  – С. 99–103.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Ястребинская А.В. Полимерные диэлектрические композиты с эффектом активной защиты // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2009.  – № 3.  – С. 62–66.
Павленко В.И., Липканский В.М., Ястребинский Р.Н. Расчеты процессов прохождения гамма-квантов через полимерный радиационно-защитный композит // Инженерно-физический журнал.  – 2004.  – Т. 77, № 1.  – С. 12–15.
Павленко В.И., Епифановский И.С., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы.  – 2006.  – № 3.  – С. 22.
Павленко В.И., Воронов Д.В., Ястребинский Р.Н. Радиационно-защитный тяжелый бетон на основе железорудного минерального сырья // Известия высших учебных заведений. Строительство.  – 2007.  – № 4.  – С. 40–42.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Смоликов А.А., Дегтярев С.В., Воронов Д.В. Радиационно-защитный бетон для биологической защиты ядерных реакторов // Перспективные материалы.  – 2006.  – № 2.  – С. 47–50.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Тяжелый бетон для защиты от ионизирующих излучений // Строительные материалы.  – 2007.  – № 8.  – С. 48–49.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Воронов Д.В. Исследование тяжелого радиационно-защитного бетона после активации быстрыми нейтронами и гамма-излучением // Инженерно-физический журнал.  – 2008.  – Т. 81.  – № 4.  – С. 661–665.
Павленко В.И., Смоликов А.А., Ястребинский Р.Н., Дегтярев С.В., Панкратьев Ю.В., Орлов Ю.В. Радиационно-защитный бетон для АЭС c РБМК на основе железо-серпентинитовых композиций с цементным связующим // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2004.  – № 8.  – С. 66.
Павленко В.И., Куприева О.В., Черкашина Н.И., Ястребинский Р.Н. Дефектность кристаллов модифицированного гидрида титана, подвергнутого термической обработке // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2015.  – Т. 58, № 5.  – С. 125–129.
Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Матюхин П.В., Ястребинская А.В., Куприева О.В., Самойлова Ю.М. Радиационно-защитные транспортные контейнеры отработавшего ядерного топлива на основе высоконаполненной полимерной матрицы и железорудного сырья КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области.  – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015.  – С. 320–330.
Соколенко И.В., Ястребинский Р.Н., Крайний А.А., Матюхин П.В., Тарасов Д.Г. Моделирование прохождения высокоэнергетических электронов в высоконаполненном полимерном композите // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2013.  – № 6.  – С. 145–148.
Ястребинская А.В., Огрель Л.Ю. Разработка и применение композиционного материала на основе эпоксидиановой смолы для строительных конструкций и теплоэнергетики // Современные наукоемкие технологии.  – 2004.  – № 2.  – С. 173.
Ястребинская А.В., Павленко В.И., Ястребинский Р.Н. Коррозионностойкие полимеркомпозиты на основе эпоксидных и полиэфирных олигомеров для строительства // Перспективы развития строительного комплекса.  – 2012.  – Т. 1.  – С. 243–247.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Ястребинская А.В., Матюхин П.В. Структурообразование металлоолигомерных водных дисперсий // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2012.  – № 2.  – С. 121–123.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В., Павленко З.В., Самойлова Ю.М. Конструкционные радиационно-защитные композиционные материалы на основе модифицированных железорудных пород КМА // В сборнике: Региональная научно-техническая конференция по итогам конкурса ориентированных фундаментальных исследований по междисциплинарным темам, проводимого РФФИ и Правительством Белгородской области.  – Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2015. –С. 491–499.
Ястребинская А.В., Павленко В.И., Матюхин П.В., Воронов Д.В. Механическая активация полимерных диэлектрических композиционных материалов в непрерывном режиме // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2009.  – № 3.  – С. 74–77.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Матюхин П.В., Четвериков Н.А. Композиционный материал для защиты от гамма-излучения // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.  – 2011.  – № 3.  – С. 17–20.
Ястребинская А.В. Модифицированный конструкционный стеклопластик на основе эпоксидных олигомеров для строительных изделий: Автореф. дис. канд. техн. наук. / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Белгород. Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2004.  – 19 с.
Ястребинский Р.Н., Павленко В.И., Бондаренко Г.Г., Ястребинская А.В., Черкашина Н.И. Модифицированные железооксидные системы  – эффективные сорбенты радионуклидов // Перспективные материалы.  – 2013.  – № 5.  – С. 39–43.
Ястребинский Р.Н., Бондаренко Г.Г., Павленко В.И. Транспортный упаковочный комплект для радиоактивных отходов на основе радиационно-защитной полимерной матрицы / Перспективные материалы.  – 2015.  – № 6.  – С. 25–31.
Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Kuprieva O.V., Epifanovskii I.S. Thermoplastic constructional composite material for radiation protection // Inorganic Materials: Applied Research.  – 2011.  – Т. 2, № 2.  – Р. 136–141.
Pavlenko V.I., Yastrebinskii R.N., Lipkanskii V.M. Simulation of the processes of gamma-radiation transport through shielding containers for radioactive waste // Russian Physics Journal.  – 2003.  – Т. 46, № 10.  – Р. 1062–1065.
Pavlenko V.I., Yastrebinskij R.N., Degtyarev S.V. Modeling of processes of interaction of high-energy radiations with radiation-protective oxide of iron composites // Электромагнитные волны и электронные системы.  – 2005.  – Т. 10, № 1–2.  – Р. 46–51.

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).

pavl1.tif (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- pavlen1.wmf Gd(OH)2+ pavlen2.wmf Gd2O3 (2)

В условиях получения металлоолигомера может иметь место также поликонденсация молекул олигомера по схеме (3):

pavl2.tif (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.


Библиографическая ссылка

Павленко В.И., Ястребинский Р.Н., Карнаухов А.А., Черкашина Н.И. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОРГАНОСИЛОКСАНОВЫХ НАПОЛНИТЕЛЕЙ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ КОНТЕЙНЕРОВ ОТРАБОТАВШЕГО ЯДЕРНОГО ТОПЛИВА // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-6. – С. 974-977;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8064 (дата обращения: 05.10.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074