Автор: Машинистов В. Е., Галкин О.Ф.

Категории: сталеплавильное производство

Выполнена оценка радиационной обстановки, складывающейся при выполнении технологических операций с радиоактивно загрязненным металлом, используемом в сталеплавильном производстве в качестве шихты.
Показано, что при заготовке радиоактивно загрязненного металлолома, его транспортировке и плавлении обеспечивается необходимый уровень радиационной безопасности.
Ключевые слова: радиоактивно загрязнённый металл, оценка радиационной обстановки, самодезактивация, утилизация металла.

УДК 669.013.5:502.174

ОЦЕНКА РАДИАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ПРИ УТИЛИЗАЦИИ РАДИОАКТИВНО ЗАГРЯЗНЕННОГО МЕТАЛЛА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА САМОДЕЗАКТИВАЦИИ

Машинистов Виктор Егорович, к.т.н., - Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск

Галкин Олег Федорович - Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск

В процессе хозяйственной деятельности на промышленных объектах различного назначения происходит постепенное накопление большого количества радиоактивных отходов, значительную часть которых составляет радиоактивно загрязненный металл (РЗМ). Потенциальная угроза радиационной опасности для людей и природной среды пропорциональна масштабам и качественному составу таких накоплений и имеет тенденцию к возрастанию. Негативный характер указанного техногенного явления связан также с серьёзными расходами по обслуживанию объектов хранения и фактическому изъятию из хозяйственного оборота большого количества металла.
На практике повторно используют радиоактивно загрязненный металл после его дезактивации, для чего применяют различные способы – химические (жидкостные), механические, гидравлические, термические и др. При этом не всегда удаётся обеспечить необходимую степень очистки поверхности металла от радиоактивных веществ (РВ) и, кроме того, в процессе дезактивации металла образуются новые радиоактивные отходы (радиоактивные шлак, окалина, шлам и пыль, большие объёмы отработанных дезактивирующих растворов и т.п.). Немаловажен и экономический аспект применяемых технологий дезактивации: стоимость, например, утилизации одной тонны РЗМ составляет от 2 до 8 тысяч евро [1].
Большой объем металла, поверхность которого загрязнена РВ, образуется в результате крупномасштабных аварий на объектах атомной энергетики с выбросом радионуклидов в окружающую среду. На объектах атомной энергетики и промышленности при эксплуатации и демонтаже отработавшего ресурс оборудования накапливается большое количество радиоактивных отходов. В неядерном секторе промышленности также возможно поверхностное загрязнение металлических изделий природными радионуклидами ( радий, торий, калий), например, при добыче нефти и газа , эксплуатации артезианских скважин. По степени радиоактивной загрязненности большая часть этих отходов ( 90-95%) являются низкоактивными, уровень излучения которых превышает допустимый в единицы-десятки раз.
В [2] предложен подход, в соответствии с которым, минуя стадию предварительной дезактивации, в плавильную печь с типовым технологическим процессом загружают РЗМ, максимальное количество которого определяется по значению допустимого уровня радиоактивного излучения выплавленного металла. При этом процесс плавления металла приводит к тому, что значительная часть излучения радионуклидов, внесенных в печь, поглощается в объеме расплава, т.е. имеет место эффект самодезактивации РЗМ. Также необходимо учесть тот факт, что в процессе плавления РЗМ те радиоактивные вещества, температура кипения которых ниже температуры в плавильной печи, испаряются, дополнительно очищая готовую продукцию от источников ионизирующего излучения (ИИ).
Процесс утилизации радиоактивно загрязненного металла по рассматриваемой технологии включает в себя ряд операций, связанных с заготовкой металлолома, его транспортированием и металлургической переработкой. При этом должен быть запланирован и выполнен целый комплекс мероприятий по обеспечению радиационной безопасности, предупреждению дополнительного радиоактивного загрязнения окружающей среды.
При выполнении операций с РЗМ в каждом конкретном случае необходимо оценивать радиационную обстановку (РО) с целью определения степени ее потенциального воздействия на персонал, выполняющий работы по утилизации РЗМ. Оценка РО включает в себя определение масштабов и степени радиоактивного загрязнения металлолома, анализ их влияния на людей, выбор наиболее целесообразных вариантов действий, при которых исключается какое-либо неоправданное облучение производственного персонала уровнями радиации, превышающими нормативные.
Исходными данными для оценки РО на каждом этапе утилизации РЗМ являются уровни радиации под воздействием которых может находиться или находится производственный персонал, выполняющий соответствующие операции. Интенсивность радиоактивного излучения может быть спрогнозирована на основе известных закономерностей, зависимостей, допущений. Но при этом практически невозможно учесть все факторы, влияющие на этот параметр. Поэтому на этапах заготовки, транспортировки и загрузки в печь радиоактивно загрязненного металлолома необходимые данные получают путем проведения измерений с помощью дозиметрических приборов. Поскольку при этом необходимо непосредственно обращаться с металлом, являющимся источником ИИ, то, в соответствии с установленными нормами радиационной безопасности [3] эти операции, должен выполнять производственный персонал, относящийся к категории А.
Общие радиационно-гигиенические и организационно-технические требования и порядок проведения всех видов радиационного контроля металлолома изложены в [4].
В соответствии с этими требованиями радиационный контроль объектов техники в процессе их утилизации, а также демонтаж деталей, узлов агрегатов, которые содержат источники ИИ разрешается выполнять специалистам, которые имеют право на проведение данного вида работ.
Одним из этапов этого контроля является выявление и удаление попавших в него локальных источников, либо металлических изделий с уровнем ИИ, значительно превышающим допустимый. Выполнение вышеуказанных требований обеспечивает радиационную безопасность процесса утилизации РЗМ на этапах его заготовки, транспортировки и загрузки в плавильную печь.
Вносимые в печь радиоактивные вещества (РВ) находятся на поверхности металлолома, используемого в качестве шихты. Процесс плавления приводит к тому, что попавшие в печь радионуклиды переходят в объем расплавленного металла и распределяются в нем равномерно. Таким же остаётся это распределение и в изделиях из выплавленного металла. В результате каждое изделие представляет собой источник ионизирующего излучения (ИИ), образованный совокупностью равномерно распределённых в его объёме радионуклидов, каждый из которых можно представить как элементарный изотропный излучатель.
Металл – это твёрдое вещество с большой плотностью и высокой электропроводностью, что накладывает свои особенности на его взаимодействие с различными видами ИИ. Так, заряженные альфа-частицы и бета-частицы имеют в металле чрезвычайно малую длину пробега и поэтому практически не выходят за пределы металла. Гамма-излучение, имеющее электромагнитную природу, и не имеющие электрического заряда нейтроны, способны преодолевать в металле несколько сантиметров и поэтому могут выходить во внешнюю среду и воздействовать на находящиеся в ней биологические объекты. Поскольку вклад нейтронов в радиационный фон незначителен, то изделия из металла обычно рассматриваются только как источник гамма-излучения [6].
Находящиеся в объёме металла радионуклиды в нём жёстко зафиксированы и поэтому не могут выйти за пределы изделия. Следовательно, эти изделия представляют собой закрытые источники ИИ, из которых радиоактивные вещества не могут попасть в окружающую среду. Поэтому биологические объекты могут подвергаться лишь внешнему воздействию создаваемого этими изделиями излучения и все защитные мероприятия должны проводиться с учётом этого обстоятельства.
За пределы изделия, полученного из выплавленного металла, может выйти гамма-излучение только тех радионуклидов, которые находятся в его приповерхностном слое. Уровень поверхностной радиоактивности готовой продукции определяется максимально допустимой активностью , вносимой в плавильную печь [2]. Те из РВ, находящихся в объеме металла, излучение которых полностью поглощается в нем, не представляют потенциальной радиационной угрозы для биологических объектов и не загрязняют окружающую среду. Таким образом, полученный из радиоактивно загрязненной шихты металл становится безопасным, надёжным и долговременным хранилищем РВ, изъятых из сферы жизнедеятельности человека. При этом интенсивность гамма-излучения с поверхности металла не превышает нормативно допустимого значения.
Следовательно, как в процессе плавления металла, содержащего РВ в допустимых количествах, так и при выпуске из печи готовой продукции, также обеспечивается радиационная безопасность производственного персонала.
Как показано в [2], наряду с эффектом самодезактивации в процессе плавления имеет место процесс испарения тех радионуклидов, температура кипения которых ниже температуры в печи (например, цезия-137, стронция-90). В приведенном там примере показано, что в плавильную печь можно загружать РЗМ со средним уровнем мощности экспозиционной дозы 216 мкР/час и допустимое значение активности, вносимой в печь, составляет А=5,6•1010 Бк.
Приняв, что эту активность имеет цезий-137, рассчитаем его массу по выражению, позаимствованному из [6]:
m=0.24•10-23•Ma•T0.5.
где Ma - атомная масса радионуклида, г; T0.5 – период полураспада радионуклида.
Для цезия-137 Ma = 137, T0.5 = 30,2 лет. Тогда масса радионуклида:
m=0.24•10-23•137•30,2•365•24•60•60 = 3•10-13г.
Очевидно, что за время плавления весь цезий-137 испарится и может попасть в атмосферу с последующим оседанием на земную поверхность. В результате РВ вместе с воздухом, водой и пищей, через кожный покров могут попасть внутрь организма человека, приводя к его внутреннему облучению. Для предотвращения выбросов РВ в атмосферу в процессе плавления металла, печь должна иметь надёжную систему очистки удаляемых в атмосферу выбросов.
Процесс распада находящихся в объёме металла радионуклидов обусловливает непрерывное во времени уменьшение уровня ИИ с его поверхности. Незначительное содержание радионуклидов в составе металла не может привести к изменению его физических и химических свойств.
Применение предложенной технологии утилизации РЗМ позволяет получить радиационно безопасный металл, который в дальнейшем может использоваться без каких либо ограничений. Известные факты, приведенные в [5], например, обнаружения в готовой металлургической продукции радиоактивного кобальта-60, на наш взгляд, имеют следующее объяснение. В печи вместе с металлоломом оказались металлические ампулы с радиоактивным кобальтом-60, которые применяются в мощных промышленных источниках ИИ. Уровень радиоактивности таких ампул на несколько порядков превышает значение максимальной радиоактивности, которая может быть внесена с РЗМ в печь, чтобы обеспечить требуемую радиационную чистоту готовой продукции. Поскольку в процессе плавления металла кобальт-60, температура кипения которого выше температуры в печи, не испаряется, то он, соответственно, остаётся и в готовой продукции, повышая уровень гамма-излучения с её поверхности до неприемлемых (в плане безопасности) значений.
Наряду с кобальтом-60 в промышленных источниках ИИ широко используются цезий-137, стронций-90 и другие радионуклиды, температура кипения которых ниже температуры в плавильной печи, ампулы с которыми также могут оказаться в ней. Однако, данные об обнаружении этих радионуклидов в готовой продукции авторам статьи неизвестны, что свидетельствует о том, что в процессе плавления металла они полностью испаряются.
Таким образом, проведенная оценка радиационной обстановки, складывающейся при выполнении операций по утилизации РЗМ, показала, что при выборе рациональных вариантов действий исключается облучение производственного персонала уровнями радиации, превышающими нормативные. При этом все операции с РЗМ должен выполнять персонал, относящийся к лицам, которые работают с источниками ионизирующего излучения (категория А).
Необходимая радиационная чистота готовой продукции из расплавленного металла, загрязненного РВ, достигается как за счёт эффекта самодезактивации, так и за счёт испарения тех радионуклидов, температура кипения которых меньше рабочей температуры в плавильной печи.
Такой результат может быть достигнут при использовании существующих плавильных печей, не требующих дополнительного оборудования и изменения технологической плавки. Этим обеспечиваются высокие технико-экономические показатели как процесса производства продукции с использованием радиоактивно загрязненного металла, так и решения экологических проблем, связанных с загрязнением окружающей среды металлическими радиоактивными отходами.

Литература
1. Переработка металлических радиоактивных отходов. Проект «Магма».
>http://www.technologiya-metallov.com/russisch/oekologie_5.htm.
2. Машинистов В.Е., Галкин О.Ф. Технология утилизации радиоактивно загрязненного метала на металлургических предприятиях. Политехнический журнал «Metaljournal» 
3. Норми радіаційної безпеки України (НРБУ-97), Державні гігієнічні  нормативи. Київ, 1997, 121 с.
4. Державні санітарно-екологічні норми і правила з радіаційної безпеки при проведенні операцій з металобрухтом ДСЕНіП 6.6.1.-0.79/211.3.9 001-02.
5. Индия поставила радиоактивный металл в Германию.
http://www.ukrrudprom.com/news.
6. Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение:  Учеб. пособие. - М: Энергоатомиздат, 1989, 304 с.