DUCRETE (Бетон с обедненным ураном) представляет собой альтернативу бетона с высокой плотностью, исследованную для использования при строительстве контейнеров для хранения радиоактивных отходов . Это композитный материал, содержащий агрегат обедненного диоксида урана вместо обычного гравия со связующим на портландцементе .
Предпосылки и развитие
В 1993 году Управление по охране окружающей среды Министерства энергетики США начало расследование потенциального использования обедненного урана в тяжелых бетонах. Целью этого исследования было одновременно найти применение обедненному урану и создать новый и более эффективный метод хранения и транспортировки отработанного ядерного топлива. Материал был впервые разработан в Национальной инженерной и экологической лаборатории штата Айдахо ( INEEL ) У. Куаппом и П. Лессингом, которые совместно разработали процессы, лежащие в основе материала, и были награждены патентами США и других стран в 1998 и 2000 годах соответственно. [1]
Описание
DUCRETE - это вид бетона, который заменяет стандартный крупнозернистый заполнитель керамическим материалом с обедненным ураном. Все другие материалы, присутствующие в DUCRETE (портландцемент, песок и вода), используются в том же объемном соотношении, что и для обычного бетона. Этот керамический материал является очень эффективным защитным материалом, поскольку он имеет как высокий атомный номер (уран) для защиты от гамма-излучения , так и низкий атомный номер (вода, связанная с бетоном) для защиты от нейтронов . [2] Существует оптимальное соотношение урана и связующего для комбинированного ослабления гамма- и нейтронного излучения при заданной толщине стенки. Необходимо установить баланс между ослаблением гамма-потока в оксиде обедненного урана (DUO 2 ) и цементной фазе с водой, чтобы ослабить поток нейтронов.
Ключом к эффективному экранированию керамическим бетоном с обедненным ураном является максимальная плотность оксида урана. К сожалению, наиболее плотный оксид обедненного урана также является наиболее химически нестабильным. DUO 2 имеет максимальную теоретическую плотность 10,5 г / см 3 при чистоте 95%. Однако в условиях окисления этот материал легко превращается в более стабильный обедненный триоксид урана (DUO 3 ) или обедненный октаоксид триурана (DU 3 O 8 ). [3] Таким образом, если используется оголенный заполнитель UO 2 , эти переходы могут привести к расширению, которое может вызвать напряжения, которые могут привести к растрескиванию материала, что снизит его прочность на сжатие. ). [4] Другим ограничением прямого использования мелкодисперсного порошка обедненного диоксида урана является то, что бетон зависит от его крупных заполнителей, чтобы выдерживать сжимающие напряжения. Чтобы преодолеть эти проблемы, был разработан DUAGG.
DUAGG (агрегат обедненного урана) - термин, применяемый к стабилизированной керамике DUO 2 . Он состоит из спеченных частиц DUO 2 с покрытием на силикатной основе, которое покрывает поверхности и заполняет промежутки между зернами, действуя как кислородный барьер, а также обеспечивая устойчивость к коррозии и выщелачиванию. DUAGG имеет плотность до 8,8 г / см 3 и заменяет обычный заполнитель в бетоне, производя бетон с плотностью от 5,6 до 6,4 г / см 3 по сравнению с 2,3 г / см 3 для обычного бетона. [5]
Кроме того, DUCRETE обладает экологически чистыми свойствами. В приведенной ниже таблице показана эффективность преобразования обедненного урана в бетон, поскольку потенциальное выщелачивание снижается в значительной степени. Используемый тест на выщелачивание представлял собой процедуру выщелачивания, характерную для токсичности EPA (TCLP), которая используется для оценки рисков, связанных с тяжелыми металлами для окружающей среды.
Форма урана | Концентрация U в фильтрате (мг Ед / л) |
---|---|
ДУКРЕТ | 0,42 |
ДУАГГ | 4 |
UO 2 | 172 |
U 3 O 8 | 420 |
UF4 | 7367 |
UO 3 | 6900 |
Производство
США метод
DUCRETE производится путем смешивания заполнителя DUO 2 с портландцементом . DU является результатом обогащения урана для использования в ядерной энергетике и других областях. [6] DU обычно связывается с фтором в гексафториде урана . Это соединение очень реактивно и не может использоваться в DUCRETE. [7] Гексафторид урана, следовательно, должен быть окислен до октоксида триурана и триоксида урана . Затем эти соединения превращаются в UO 2 ( оксид урана ) путем добавления газообразного водорода. Затем UO 2 сушат, измельчают и измельчают до однородного осадка. Затем они были преобразованы в небольшие брикеты длиной в дюйм за счет использования высокого давления (6 000 фунтов на квадратный дюйм (410 бар)). Затем добавляется связующее с низким атомным номером, которое подвергается пиролизу . Затем соединение подвергается жидкофазному спеканию при 1300 ° C до достижения желаемой плотности, обычно около 8,9 г / см 3 . [8] Затем брикеты измельчаются и сортируются по щелям, и теперь они готовы к смешиванию с DUCRETE. [9]
Метод ВНИИНМ (русский)
Метод ВНИИНМ очень похож на метод США, за исключением того, что он не сортирует связующее и UO 2 после его измельчения. [10]
Приложения
После обработки композит DUCRETE может быть использован в контейнерах, защитных конструкциях и зонах хранения, все из которых могут использоваться для хранения радиоактивных отходов. Первичная реализация этого материала - это система хранения в сухих контейнерах для высокоактивных отходов (ВАО) и отработавшего ядерного топлива (ОЯТ). [11] В такой системе композит был бы основным компонентом, используемым для защиты от излучения от рабочих и населения. Системы контейнеров из DUCRETE меньше и легче по весу, чем контейнеры из обычных материалов, таких как традиционный бетон. Контейнеры DUCRETE должны иметь толщину всего лишь на 1/3, чтобы обеспечить такую же степень защиты от излучения, как и бетонные системы. [12]
Анализ показал, что DUCRETE более экономичен, чем обычные материалы. Стоимость производства контейнеров, изготовленных из DUCRETE, невысока по сравнению с другими защитными материалами, такими как сталь , свинец и металл DU, поскольку требуется меньше материала вследствие более высокой плотности. В исследовании, проведенном Duke Engineering на объекте ядерных отходов в Саванна-Ривер, система контейнеров DUCRETE оценивалась по более низкой цене, чем альтернативное здание для хранения стеклянных отходов. [13] Однако утилизация DUCRETE не рассматривалась. Поскольку DUCRETE представляет собой радиоактивный композит низкого уровня активности, его относительно дорогое захоронение может снизить рентабельность таких систем. Альтернативой такому удалению является использование пустых контейнеров DUCRETE в качестве контейнера для высокоактивных низкоактивных отходов. [14]
Хотя DUCRETE демонстрирует потенциал для будущих программ по ядерным отходам, такие концепции далеки от использования. До сих пор ни одна система контейнеров DUCRETE не была лицензирована в США [15] [16]
Рекомендации
- ^ MJ Хейр и SY Лобач, «Бочка размер и снижение веса за счет использования обедненного диоксида урана (DUO 2 ) -Бетонный материал» архивной 2012-09-26 в Wayback Machine , Waste Management 2006 Конференция, Тусон, штат Аризона, 26 февраля -2 марта 2006 г.
- ^ MJ Хейр и SY Лобач, «Бочка размер и снижение веса за счет использования обедненного диоксида урана (DUO 2 ) -Бетонный материал» архивной 2012-09-26 в Wayback Machine , Waste Management 2006 Конференция, Тусон, штат Аризона, 26 февраля –2 марта 2006 г.
- ^ Дж. Дж. Феррада, Л. Р. Доул и М. Гамильтон, «Предварительное проектирование и исследование стоимости коммерческого завода по производству DUAGG для использования в экранированных бочках» , ORNL / TM-2002/274, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, штат Теннеси, Декабрь 2002 г.
- ^ Л. Р. Доул и В. Дж. Куапп, «Радиационная защита с использованием обедненного оксида урана в неметаллических матрицах» , ORNL / TM-2002/111, Национальная лаборатория Ок-Ридж, Ок-Ридж, штат Теннеси, август 2002 г.
- ^ WJ Quapp, WH Miller, J. Taylor, C. Hundley и N. Levoy, «DUCRETE: экономичный радиационно-защитный материал» , Чаттануга, Теннесси, сентябрь 2000 г.
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/IHLWM_Dole_paper.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/DUCRETEIntroductionJune2003.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/DUCRETEIntroductionJune2003.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/DUCRETEIntroductionJune2003.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/DUCRETEIntroductionJune2003.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/ducretecosteffec.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/Global99Paper2.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/Global99Paper2.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/Global99Paper2.pdf
- ^ http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/Global99Paper2.pdf
- ^ "Процесс сверления бетона" . Воскресенье, 3 мая 2020 г.
Внешние ссылки
- http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/IHLWM_Dole_paper.pdf
- http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/DUCRETEIntroductionJune2003.pdf
- http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/ducretecosteffec.pdf
- http://web.ead.anl.gov/uranium/pdf/Global99Paper2.pdf