Технология утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях

19/03/2015 11:31am

Автор: Машинистов В.Е., Галкин О.Ф.

Категории: сталеплавильное производство

Рассмотрена технология утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях, использующая влияние процесса плавки на уровень ионизирующего излучения. Эффект  самодезактивации и испарение некоторых радионуклидов при плавлении металлов позволяют обеспечить радиационную безопасность готовой продукции и вернуть в хозяйственный оборот радиоактивно загрязненный металл.

 Ключевые слова: радиоактивно загрязненный металл; утилизация; самодезактивация.

УДК 669.013.5:502.174

Технология утилизации радиоактивно загрязненного металла на металлургических предприятиях

Машинистов Виктор Егорович - кандидат технических наук; 

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

 

Введение

Одной из важнейших является проблема, связанная с состоянием окружающей среды, в которой скапливается большое количество радиоактивно загрязненного металла (РЗМ). В результате аварий на объектах атомной промышленности в атмосферу выбрасывается огромное количество радионуклидов, которые оседают на поверхность различных объектов, в том числе и на изделия из металла. Большое количество РЗМ образуется в атомной энергетике в ходе эксплуатации и при демонтаже оборудования, отработавшего свой ресурс, а также на предприятиях газовой и нефтяной промышленности.
Радиоактивно загрязненный металл является источником опасности для всего живого на длительный период времени. По этой причине он является непригодным для дальнейшего использования по своему прямому назначению.
Радиоактивные отходы помещают в хранилища, а крупногабаритное оборудование, как правило, складируют на открытых площадках. Это приводит к значительным затратам на обслуживание хранилищ радиоактивных отходов, а также к выводу из хозяйственного оборота дорогих материалов. В то же время, в металлургической промышленности ощущается острая нехватка металлолома, который используется в качестве шихты. Поэтому утилизация огромного объема накопившегося РЗМ позволяет решить проблему,  как экологической безопасности, так и улучшить технико-экономические показатели производственного процесса в металлургии.
Для повторного использования металла, загрязненного радионуклидами, как правило, производят его предварительную дезактивацию. Применяются различные способы дезактивации (химические, механические, пирометаллургические и другие), Но эти способы не всегда обеспечивают необходимую степень очистки поверхности металлов от радионуклидов и, кроме того, образуют новые радиоактивные отходы. В [1] рассмотрен подход, согласно которому, минуя стадию предварительной дезактивации радиоактивно загрязненного металла, в плавильную печь с типовым технологическим процессом загружают РЗМ, максимальное количество которого определяется по значению допустимого уровня радиоактивного излучения с поверхности изделий из выплавленного металла. При этом процесс плавления металла приводит к тому, что значительная часть излучения радионуклидов, внесенных в печь, поглощается в толще расплава, существенно уменьшая этим уровень радиоактивного излучения с поверхности готовых изделий.
Использование данного подхода позволит получить металлопродукцию, которая может использоваться в дальнейшем без каких-либо ограничений.

Изложение основного материала исследования

Предложенная технология реализуется за счет того, что в процессе плавления в металлургической печи радионуклиды, которые находятся на поверхности РЗМ, распределяются по всему его объему равномерно. Такое перераспределение радионуклидов, каждый из которых можно представить как элементарный источник ионизирующего излучения, существенно влияет на уровень суммарного радиоактивного излучения с поверхности расплава. На интенсивность результирующего радиоактивного излучения с поверхности металла влияет явление поглощения ионизирующего излучения металлом. Степень ослабления излучения зависит от удаленности его источники от поверхности, на которой определяется уровень радиоактивности. Чем дальше от поверхности  металла находятся элементарные излучатели, тем большая доля их суммарного излучения поглощается в объеме металла, так и  не достигая его поверхности.
Таким образом, не все элементарные источники ионизирующего излучения, которые находятся в объеме расплавленного металла, вносят свой вклад в формирование активности на его поверхности. Этот эффект можно назвать самодезактивацией  радиоактивно загрязненного металла при его плавлении.
Таким же равномерным остается распределение радионуклидов и в готовых изделиях, являющихся продуктом плавки РЗМ. Это приводит к тому, что значительная часть радионуклидов, оказавшихся  в плавильной печи, не вносят свой вклад в дозу внешнего и, тем более, внутреннего облучения производственного персонала, и не загрязняют окружающую среду.
Для  количественной оценки эффекта самодезактивации, который является основой рассматриваемой технологии утилизации РЗМ, используется подход, изложенный в [2]. Для определенности принято, что изделие из выплавленного металла имеет форму параллелепипеда с площадью одной из сторон S, длиной d и объемом V = S∙d.
Выделим в толще изделия элементарный слой  dx на расстоянии x от его передней плоскости S (рис.1). Вклад этого слоя в  активность на плоскости S с учётом ослабления, вызванного поглощением излучения в объеме изделия, определяется выражением  
(1)
где :   Aед =А/d -  единичная активность металла, Бк/см;                                
A  - активность, внесенная в печь, Бк;
μкоэффициент ослабления излучения в металле, 1/см;
          dтолщина изделия, см.

 


Рис.1.  Исследуемое изделие  

Полная активность  на плоскости S с учётом оcлабления излучения в металле определяется выражением
                            (2)
Учитывая характер зависимости уровня самопоглощения радиоактивного излучения в толще металла, коэффициент ослабления μ можно записать в виде [2]
                          (3)
где  d0,5 – слой половинного ослабления радиоактивного излучения, см;
С учётом (3), выражение (2) примет вид
                                           (4)
Равномерное распределение источников ионизирующего излучения в массе расплавленного металла характеризуется значением объёмной активности  Av,  Бк/см3
Учитывая, что  А = AvV,  выражение (4) примет вид
                                                                    (5)
Поверхностная активность  на плоскости  S  определяется  значением
                  (6)
Максимальное значение выражения (6)  при  d >> d0,5 равно

Asmax  = Av∙ d0,5 /0,693 =  A∙ d0,5 /(0,693 V),  Бк/см2                               (7)

На рисунке 2 показана расчетная зависимость поверхностной активности металла As (ось Y) от длины изделия d (ось X). Поверхностная активность пронормирована к своему максимальному значению Asmax , длина изделия d пронормирована к толщине слоя половинного ослабления металла d0,5 .



Рис. 2. Зависимость поверхностной активности на плоскости S изделия
от его длины d.

        Из рис.2 видно, что какими бы ни были размеры изделия, активность на поверхности S не может превысить величины Asmax . Причем основной вклад в ее значение вносят те радионуклиды, которые находятся в приповерхностном слое толщиной примерно 4d0,5 . Излучение тех радионуклидов, которые находятся от поверхности дальше, за этим слоем, практически полностью поглощается металлом.
Значение поверхностной активности при отсутствии поглощения, то есть когда предполагается, что в ее формировании принимают участие все источники ионизирующего излучения, находящиеся в объеме изделия, описывается выражением

A0S  = A/S = (A/V)∙ d, Бк/cм2                                                                (8)

Отношение выражений (7) и (8) можно назвать коэффициентом самодезактивации Кс.

Кс = A0s / As max = 0,693d/d0,5 .                                                             (9)

Это отношение справедливо при d >> d0,5, что всегда выполняется на практике. Оно показывает, какая часть активности, внесенной в плавильную печь, участвует в формировании активности на поверхности металла, являющегося продуктом плавки радиоактивно загрязненного металла.
Все вышеизложенное в полной мере относится  ко всем готовым изделиям из выплавленного металла. Поскольку объемная активность этих изделий такая же, как и в расплаве, а объем каждого отдельного изделия не может быть больше объема расплава, то и значение их поверхностной активности не может превышать значения этого параметра для расплавленного металла.
Проведенное исследование позволяет сформулировать требования к количеству активности, которая вносится в печь. Это количество определяется нормами допустимого значения поверхностной активности готовых изделий  As доп. Как следует из выражения (7), полная активность, вносимая в печь, не должна превышать значения

A max =(0,693∙VAs доп.)/d0,5 .                                                                 (10)

Причем, при любых видах обработки изделий, изготовленных по рассмотренной технологии, интенсивность ионизирующего излучения с их поверхности также не превышает допустимых норм.
Таким образом, рассматриваемый подход позволяет, используя существующие плавильные печи, утилизировать РЗМ, который включается в состав шихты. Количество такого РЗМ, которую можно загружать в печь, обеспечивая при этом допустимый уровень загрязнения готовых изделий, рассчитывается заранее.        
Рассмотрим возможности предлагаемой технологии  утилизации РЗМ на примере использования существующих металлургических печей, работающих в штатном режиме.
Примем, что масса расплавленного металла М = 150Т. При удельной массе металла
ρм=7,86 г/см3, его объем
Vр = М/ρм=(1,5∙108г)/( 7,86 г/см3)=19∙106 см3.
Пусть расплав имеет форму куба. Тогда его сторона

d=( Vр)1/3 =(19∙106)1/3 =2,7∙102см .

Примем, что слой половинного ослабления металла d0,5 =2,6см [3]. Тогда, как следует из выражения (9), коэффициент самодезактивации имеет значение

Кс =  0,693∙270см /2,6см = 72.

Согласно [4],  металлы можно использовать без каких-либо ограничений,  если мощность экспозиционной дозы их ионизирующего излучения не превышает нормативно допустимого значения Рдоп.=30мкР/час.   Этот параметр в соответствии с  [2], может быть пересчитан в соответствующее значение допустимого уровня поверхностной активности
                                                    

As доп.= Кп∙ Рдоп. ,                                                                     (11)

где  Кп=3,7∙102 Бк∙час/мкР∙см2  - коэффициент пересчета.
После подстановки получим

As доп.= 1,1∙104 Бк/см2.

В соответствии с (10) в данном примере полная активность, которая вносится в плавильную печь вместе с РЗМ, не должна превышать значения

A  max =(0,693∙1,1∙104∙19∙106 )/ 2,6=5,6∙1010 Бк .

Данная технология позволяет утилизировать РЗМ, в первую очередь, с низкой активностью, часть которого в общей массе накопленного РЗМ составляет (80-90)%.
Для расчета количества РЗМ, которое может быть загружено в данную печь воспользуемся источником информации [5]. Согласно приведенной в нем классификации, к низкоактивным относятся РЗМ с  удельной активностью в пределах  (105-107)Бк/кг.  Разрешенный в данном примере уровень полной активности 5,6∙1010 Бк   может иметь масса РЗМ, в зависимости от его удельной активности, (5,6-560) Т. Таким образом в плавильную печь с массой расплава 150Т может быть загружена шихта в составе которой может быть (5,6-150) Т  РЗМ.
Из приведенного примера видно, что в плавильную печь можно загружать РЗМ со средним уровнем мощности экспозиционной дозы
Pзагр = Pдоп ∙Kс =30 мкР /час∙72  = 216 мкР /час.
Согласно [4], выполнять операции с РЗМ, которые имеют такой уровень радиоактивного излучения, может персонал категории А - лица, которые постоянно или временно работают непосредственно с источником ионизирующего излучения. При этом обеспечивается требуемый уровень радиационной безопасности.
Анализируя процессы, которые проходят в печи при плавке металла, также необходимо учитывать, что температура кипения некоторых радиоактивных веществ будет меньше температуры в печи Тп=1600о С.  Так, температура кипения цезия составляет 685о С, а стронция – 1367о С.  Поэтому в процессе плавления металла радиоактивные изотопы этих веществ испаряются, дополнительно очищая продукцию плавки от части источников ионизирующего излучения. Такая продукция является радиационно безопасной и может использоваться в дальнейшем без каких-либо ограничений.
Подтверждением правильности результатов проведенного анализа являются имеющие место факты наличия в продукции, полученной после плавления в металлургической печи, такого радиоактивного изотопа как кобальт-60. Этот радионуклид имеет температуру испарения 2255о С. Поэтому, попав в плавильную печь, он не испаряется и остается в готовой продукции, являясь источником ионизирующего излучения.

Выводы

 Основой рассмотренной технологии является подход, согласно которому, минуя стадию предварительной дезактивации РЗМ, в плавильную печь загружается загрязненный радиоактивными веществами металл, количество которого определяется максимально допустимым уровнем радиационного излучения с поверхности готовой продукции. Уменьшение уровня радиоактивного излучения происходит в процессе плавления металла. За счет того, что те радионуклиды, которые находились на поверхности РЗМ, распределяются по всему объему расплава равномерно. При этом ионизирующее излучение значительной части радионуклидов полностью поглощается в металле, то есть имеет место эффект самодезактивации. Также, при плавлении, те радионуклиды, температура кипения которых ниже, чем температура в печи, испаряются, и, тем самым, дополнительно очищают готовые изделия от части источников ионизирующего излучения.
Применение предложенной технологии позволит существенно улучшить технико-экономические показатели процесса утилизации радиоактивно загрязненного металла, а также вернуть в хозяйственный оборот большое количество металла, который может быть использован в дальнейшем без каких-либо ограничений.

Литература

  1. Машинистов В.Е., Галкин О.Ф., Динник Ю.А., Старжинская Т.В. Влияние процесса плавки радиоактивно загрязненной шихты на радиоактивность конечной продукции // Теория и практика металлургии. - 2013.- №5-6.- C.153-157.
  2. Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их   измерение: Учеб. пособие / М.Т. Максимов, Г.О. Оджагов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.-304с.
  3. Кимель Л.Р. Защита от ионизирующих излучений. Справочник. Изд.2./ Л.Р.Кимель, В.П. Машкович.- М.: Атомиздат, 1972.-312 с.
  4. Норми радіаційної безпеки України (НРБУ-97). Державні гігієнічні нормативи. Київ, 1997. -121 с.
  5. Основні правила забезпечення радіаційної безпеки України № 54 від 02.02.2005 р.


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