Практические аспекты утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях

02/07/2015 11:28am

Автор: Балакин В.Ф., Машинистов В.Е., Галкин О.Ф.

Категории: сталеплавильное производство

УДК 669.013.5:502.174

Рассмотрены аспекты утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях по технологии, использующей влияние процесса плавки на радиоактивность конечной продукции.
Показано, что радиационно чистый металл может быть получен при плавлении радиоактивного загрязненного металла в электродуговой печи по обычной «классической» технологии. Печь  должна быть оборудована надежной и эффективной системой фильтрации выбросов в атмосферу. Производственный персонал должен иметь допуск к работе с источниками ионизирующего излучения, а предприятие целесообразно разместить на территории отчуждения Чернобыльской АЭС.
Ключевые слова: радиоактивно загрязненный металл, твердые радиоактивные отходы, самодезактивация, утилизация радиоактивного металла.

Практические аспекты утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях

Балакин Валерий Фёдорович, доктор технических наук;
Машинистов Виктор Егорович, кандидат технических наук; 
Галкин Олег Фёдорович.
Национальная металлургическая академия Украины, г. Днепропетровск

Введение.
Широкое использование ионизирующего излучения в хозяйственной деятельности приводит к поступлению в окружающую среду большого количества радиоактивных отходов. Радиоактивно загрязненный металл (РЗМ), являющийся частью этих отходов, становится источником потенциальной опасности для биологических объектов. При этом из хозяйственного оборота выводится большое количество металла. Все это делает чрезвычайно актуальной задачу утилизации огромного объема накопившегося РЗМ.
В [1] рассмотрена технология утилизации РЗМ, который предлагается использовать в качестве шихты в металлургических печах, без его предварительной дезактивации. В процессе плавления радионуклиды, находившиеся на поверхности загрязненного металла, внедряются в объем расплава и распределяются в его объеме равномерно. При этом ионизирующее излучение (ИИ) значительной части элементарных изотропных источников, которыми являются радионуклиды, полностью поглощается самим металлом, т.е. в процессе плавления происходит его самодезактивация.
В соответствии с предложенным подходом, который защищен патентом [2], количество радиоактивности, которое может быть внесено в плавильную печь, не должно превышать некоторого максимально допустимого значения, которое рассчитывается заранее. Этим обеспечивается непревышение допустимого уровня ИИ с поверхности изделий, изготовленных из выплавленного металла. Дополнительное очищение металлической продукции от источников ИИ происходит в процессе плавления за счет испарения тех радиоактивных веществ, температура кипения которых ниже температуры в печи. В результате обеспечивается получение металла с таким уровнем остаточной радиоактивности, который позволяет использовать его в дальнейшем без каких-либо ограничений.
Процесс утилизации РЗМ по предлагаемой технологии включает в себя операции, связанные с заготовкой радиоактивно загрязненного металлолома, его транспортировкой и металлургической переработкой.
В [3] выполнена оценка радиационной обстановки, складывающейся на всех этапах обращения с РЗМ, предназначенного для загрузки в металлургическую печь, и показано, что при этом обеспечивается необходимый уровень радиационной безопасности, исключающий какое-либо неоправданное облучение производственного персонала.
В данной статье рассматриваются возможности практической реализации предложенной в [1] технологии утилизации РЗМ.
Характеристика радиоактивно загрязненного металла, предназначенного для использования в качестве шихты.
В окружающей среде накопилось и продолжает накапливаться большое количество РЗМ, который относится к твердым радиоактивным отходам (ТРО). В соответствии с [4], ТРО классифицируют по тепловыделению на низкоактивные, среднеактивные и высокоактивные. Такие отходы загрязняют радиоактивными веществами (РВ) воздух, воду, почву и растения. Эти загрязнения повышают уровень природного радиоактивного фона, что соответственно, приводит как к дополнительному внешнему облучению человека, так и , что более существенно, внутреннему облучению, когда РВ вместе с воздухом, водой и пищей попадают в его организм.
В [5] приведены данные, в соответствии с которыми по состоянию на 2006 год, в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС было сосредоточено более 1 млн. тонн черного металла, который можно использовать в металлургии. Основная часть этого РЗМ относится к низкоактивным отходам (90-95%). Через 20 лет после аварии радиоактивное загрязнение в зоне отчуждения ЧАЭС определялось, главным образом, цезием-137 (83%), стронцием-90 (14%), а также незначительным количеством изотопов плутония и продуктов их распада.
Во многих отраслях промышленности накапливается большое количество металлических отходов, загрязненных природными радионуклидами (радий, торий, калий): трубопроводы, арматура, технологическое оборудование газо- и нефтеперерабатывающих предприятий и т.п. Такой металл вынужденно размещают в хранилищах или на открытых площадках, поскольку действующими нормативами и правилами использовать его как по прямому назначению, так и в качестве металлолома, не разрешается.
На объектах атомной энергетики элементы ядерных реакторов в течении десятков лет работают в условиях сильного нейтронного облучения. Мощные потоки нейтронов способны проникать в металл, соприкасающийся с ядерным топливом, на несколько сантиметров. Такое воздействие приводит к появлению в металле наведенной радиоактивности, характеризующейся разнообразием создаваемых радиоизотопов, являющихся источниками ИИ разных видов. В результате утилизация отработавших свой срок конструкций реакторов становится большой проблемой, поскольку они представляют собой радиоактивные отходы.
РЗМ представляет собой, в соответствии с существующей классификацией, источник ИИ открытого типа, РВ из которого могут попасть в окружающую среду. Эти РВ находятся на поверхности металлического объекта. Закрепление РВ на этой поверхности обычно происходит путем удерживания частиц на шероховатой, пористой, неровной поверхности, а также за счет физико-химического взаимодействия с металлом, диффузии вглубь его поверхности и т.п. Это поверхностное загрязнение крайне неравномерно за счет воздействия многочисленных факторов.
Ионизирующее излучение, создаваемое РВ, находящимися на поверхности РЗМ, является потенциально опасным для биологических объектов, попавших под его воздействие. Это обусловливается возможным, дополнительным к фоновому, внешним и внутренним облучением этих объектов, уровень которого может превышать допустимые нормы радиационной безопасности [6]. Для возврата РЗМ в хозяйственный оборот необходимо, чтобы уровень ИИ с поверхности изделий, изготовленных из металла, не превышал допустимые нормы. Одним из путей решения данной задачи является использование РЗМ в качестве шихты в металлургии. Но при этом необходимо обеспечить, чтобы количество активности, загружаемой в печь вместе с шихтой, не превышало некоторого определенного заранее значения .
Обоснование методики расчета количества радиоактивности в шихте
Количественное измерение и идентификация радиоактивных элементов проводится по интенсивности создаваемого ими ИИ [7]. Единственным доступным методом оценки загрязнения открытых поверхностей является измерение мощности экспозиционной дозы Р(Р/час) с последующим определением плотности радиоактивного загрязнения поверхности (Бк/м2), поскольку эти величины связаны между собой линейной зависимостью, по соотношению:
,                                                           
где  − коэффициент пересчета.
На практике шкала регистрирующего прибора градуируется уже в единицах измерения удельной активности, т.е.  активности, отнесенной к единице площади поверхности (Бк/м2). По результатам измерений на і-м участке загрязненной поверхности удельной активности  и его площади можно рассчитать активность этого участка поверхности:
                                                             
При переводе в металлолом металлические конструкции, технику, оборудование разделяют на фрагменты для обеспечения возможности транспортирования на металлургические предприятия и дальнейшей загрузки в плавильную печь. Степень загрязненности разных фрагментов существенно отличается друг от друга. При хаотическом размещении фрагментов металлолома на площадке для складирования или в транспортном средстве происходит взаимное экранирование создаваемого ими ИИ, что искажает результаты измерений. Поэтому объективное значение суммарного количества активности соответствующей партии металлолома определить практически невозможно.
Оценку суммарной активности РЗМ, предназначенного для использования в качестве шихты, предлагается проводить перед его фрагментацией. Для этого определяется значение мощности излучения  на і-ом участке предназначенного для перевода в металлолом объекта, делается оценка площади  загрязненной поверхности этого участка и его массы . В результате суммарная активность разделенного на N участков объекта составляет:
.
Соответственно, масса всего объекта:
.
По полученным данным можно оценить средний уровень излучения с поверхности объекта:

При загрузке в печь радиоактивного металлолома должно соблюдаться условие, чтобы количество загружаемой в печь активности не превышало максимально разрешенного значения . Если при этом масса радиоактивного лома меньше емкости печи М, то в печь добавляется нерадиоактивный лом до ее полной загрузки.
Поведение радиоактивных веществ в печи в процессе плавления металла
Внесенные в печь вместе с шихтой РВ в процессе плавления распределяются по всему объему жидкого металла равномерно. В результате образуется источник, излучение с поверхности которого во внешнюю среду формируется совокупностью элементарных изотропных излучателей, находящихся в его объеме. Все изделия, изготовленные из этого металла, являются источниками ИИ закрытого типа, в которых излучатели жестко зафиксированы и не могут выйти за его пределы. Это исключает возможность попадания этих радионуклидов внутрь живых организмов и, следовательно, производственный персонал не подвергается внутреннему облучению.
Поэтому потенциальная опасность такого источника для биологических объектов обусловлена лишь возможным внешним воздействием на них излучения, создаваемого этим источником. Применение предложенной технологии обеспечивает получение чистого в радиационном отношении металла, что исключает возможность сверхнормативного облучения биологических объектов.
Побочным продуктом производства металлов является шлак, который состоит их неметаллических компонентов шихты. В процессе плавления эти включения и с ними РВ, плотность которых меньше плотности металла, всплывают и концентрируются в шлаке. В [8] приведены результаты замеров радиоактивности продуктов плавки доменного чугуна. Они свидетельствуют, что эквивалентная естественная радиоактивность шлака во много раз превышает уровень радиоактивности чугуна. Концентрация радионуклидов в шлаке при плавлении способствует дополнительному (за счет процесса самодезактивации) очищению от них производимых металлических изделий.
При плавлении металла образуются газы со взвешенными в них мелкодисперсными частицами различных компонентов шихты, которые отводятся из печи. Из всех радионуклидов, которые могут быть внесены в плавильную печь, есть такие, у которых температура кипения  ниже температуры в печи 1600оС. Это, прежде всего, цезий-137   (=685оС), стронций-90 (=1367оС), калий-40 (=753оС). Учитывая, что масса всех радионуклидов, находящихся в печи, составляет доли грамма, то за период плавления они все могут улетучиться из расплава. В [8] показано, что значительная часть радионуклидов природного происхождения, находящихся в печи, в процессе плавления переходят в пылегазовую фазу, также уменьшая тем самым их количество в выплавленном чугуне.
Испарившиеся радионуклиды могут попасть в атмосферу и осесть на земную поверхность, повышая риск дополнительного внутреннего облучения людей этими РВ. Предварительные оценки показывают, что это не приведет к превышению допустимых уровней поступления радионуклидов внутрь организма человека, а также допустимых концентраций в воздухе и питьевой воде. Для предотвращения возможных аварийных выбросов РВ в атмосферу в процессе плавления металлов, печь должна быть оборудована надежной и эффективной системой фильтрации удаляемых в атмосферу выбросов.
Ионизирующее излучение, создаваемое находящимися в жидком металле радиоактивными веществами, во время плавки воздействует также на футеровку печи. Из всех видов ИИ вглубь футеровки из соприкасающегося с ней слоя расплава могут проникать нейтроны. Это излучение ионизирует вещество футеровки, однако вследствие того, что его интенсивность невелика, такое воздействие не приводит к изменению свойств футеровки.
Помимо ионизации, действие нейтронов приводит к созданию наведенной радиоактивности в приповерхностном слое футеровки толщиной до 10 см. В результате в нем создаются радиоактивные изотопы тех химических элементов, которые входят в состав вещества футеровки, и их количество может накапливаться в процессе эксплуатации печи. На свойствах футеровки и на выплавляемый металл наведенная активность не влияет. Накопившаяся в футеровке радиоактивность может создавать ИИ, интенсивность которого превышает установленные нормы. Поэтому ремонтные работы печи должен выполнять персонал, допущенный к работе с источниками ИИ (категория А).
Рассмотренный выше технологический цикл заканчивается получением радиационно чистого металла, который может в дальнейшем использоваться без каких-либо ограничений. При любых видах обработки этой продукции ее радиоактивность не увеличивается.
В соответствии с данной технологией в плавильную печь загружается шихта с повышенным уровнем радиации. Следовательно, побочные продукты производства, к которым относятся шлак и газопылевая компонента, могут иметь уровень радиоактивности, который может превышать допустимые предельные значения.
Выводы
Результаты исследования о возможности утилизации радиоактивно загрязненного металла, приведенные в [1,3] и в данной статье, показали, что предложенный подход может быть осуществлен с использованием электродуговой печи. Плавление может осуществляться по обычной «классической» технологии. Единственным дополнительным требованием является необходимость оборудования печи надежной и эффективной системой фильтрации газопылевой компоненты продуктов плавки.
Поскольку на всех этапах технологического цикла необходимо обращаться с источниками ионизирующего излучения, то эти работы должен выполнять персонал категории А [6]. Исходя из вышеизложенного, целесообразно поместить предприятие по утилизации радиоактивно загрязненного металла в зоне отчуждения чернобыльской АЭС.
Наряду с выполнением основной задачи это даст возможность проводить натурные исследования с целью дальнейшего совершенствования предложенной технологии и расширение ее возможностей по утилизации радиоактивно загрязненного металла.

 

Литература

  1. Машинистов В.Е., Галкин О.Ф. Технология утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях. Политехнический журнал «Metaljournal». http://www.metaljournal.com.ua/Utilization-technology-of-radioactively-contaminated-metals-from-smelters.
  2. Заявка на изобретение №а201306522 от 27.05.2013 «Спосіб утилізації радіоактивно забрудненого металобрухту». Авторы: Машинистов В.Е., Галкин О.Ф. Заявитель НМетАУ, Днепропетровск, Украина. Решение о выдаче патента от 06.04.2015
  3. Машинистов В.Е., Галкин О.Ф. Оценка радиационной обстановки при утилизации радиоактивно загрязненного металла с использованием эффекта самодезактивации. Политехнический журнал «Metaljournal». http://www.metaljournal.com.ua/Assessment-of-the-radiation-situation-in-the-disposal-of-radioactively-contaminated-metal-using-self-deactivation-effect/
  4. Основні санітарні правила забезпечення радіаційної безпеки України №54 від 02.02.2005 р.
  5. Доклад «Оценка рисков облучения населения России». Кузнецов В., Острецов И., Топонов А., Шингаркин М. http://www.seu.ru/projects/metal/report_version_5[0].doc
  6. Норми радіаційної безпеки України (НРБУ-97), Державні гігієнічні нормативи. Київ, 1997,-121с.
  7. Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение: Учебное пособие.-М: Энергоатомиздат, 1989.-304с.
  8. Гасик М.И. и другие. Природная радиоактивность шихтовых материалов и продуктов плавки ферросплавов. Материалы международной научно-практической конференции. НМетАУ, Днепропетровск, «Системные технологии» 1999-448.


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

тел. +38 (056) 794-36-74, +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры