автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Предотвращение биогенной деструкции и повышение качества цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы

На правах рукописи

005019570

Горбунова Ольга Анатольевна

ПРЕДОТВРАЩЕНИЕ БИОГЕННОЙ ДЕСТРУКЦИИ И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЫ, ИММОБИЛИЗИРУЮЩЕЙ РАДИОАКТИВНЫЕ ОТХОДЫ

специальность 05.17.11 - Технология силикатных и тугоплавких

неметаллических материалов 25.00.36 - Геоэкология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 6 дгр Ш

Москва - 2012

005019570

Работа выполнена в Государственном унитарном предприятии г. Москвы -Объединенном эколого-технологическом и научно-исследовательском центре по обезвреживанию РАО и охране окружающей среды (ГУП МосНПО «Радон»)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Потапова Екатерина Николаевна, профессор кафедры химии и технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева

доктор технических наук, профессор Прозоров Лев Борисович, главный научный сотрудник геолого-методического отдела ФГУГП «Гидроспецгеология»

доктор технических наук, профессор Покровская Елена Николаевна, профессор кафедры общей химии МГСУ

Ведущая организация: Химический факультет

МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится «28» мая 2012 г. в 10-00 часов на заседании Диссертационного совета Д 212.204.12 при РХТУ им. Д.И. Менделеева (125047, г. Москва, Миусская пл., д.9) в конференц-зале.

С диссертацией можно ознакомиться в Информационно-библиотечном центре РХТУ им. Д.И. Менделеева и в библиотеке ГУП МосНПО «Радон».

Автореферат диссертации разослан » 2012 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.204.12, д.т.н., доцент

Н.А. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Специфика обращения с радиоактивными отходами (РАО), обеспечение радиоэкологической безопасности хранилищ РАО связана с необходимостью оперировать временными интервалами в сотни и тысячи лет, что приводит к ситуации, когда нынешняя технологическая деятельность заведомо проецируется на ряд последующих поколений. Так, проектный срок эксплуатации приповерхностных хранилищ кондиционированных РАО низкой и средней активности (НАО и CAO) рассчитывается в ряде случаев на срок до 300 лет, на период радиационного контроля до снижения радиоактивности до безопасного уровня.

Для кондиционирования НАО и CAO наиболее распространенным в России и других странах является цементирование, позволяющее при простоте технологического процесса, доступности матричного материала и невысоких капитальных и эксплуатационных затратах получать конечный продукт, удовлетворяющий требованиям нормативных документов.

В настоящее время контроль качества цементированных радиоактивных отходов не учитывает возможную микробиологическую деструкцию цементной матрицы. Однако в составе НАО и CAO преобладают вещества (концентраты минеральных солей - нитраты, сульфаты, хлориды и др., отработанные минеральные масла и органические жидкости, целлюлозосодержащие материалы и др.), потенциально являющиеся при долговременном хранении в факультативно-анаэробных условиях приповерхностных хранилищ питательной средой для развития микроорганизмов. Это делает возможным биогенное нарушение микроструктуры цементной матрицы (появление микропор, трещин, полостей). Микробиологическая деструкция может выступать фактором разрушения цементной матрицы и наряду с действием влаги и перепадов температур снижать безопасность долговременного хранения кондиционированных РАО.

Своевременное предотвращение биодеструкции цементной матрицы для обеспечения надежного и безопасного хранения кондиционированных РАО, совершенствование методов защиты от всех потенциальных агрессивных факторов и повышение качества цементных компаундов с РАО остается в настоящее время актуальным.

Целью работы является установление закономерностей процессов микробиологической деструкции цементной матрицы, оценка значимости данного фактора и

разработка научно обоснованных технических решений по его предотвращению для повышения надежности и безопасности хранения кондиционированных форм РАО.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Определить наличие, численность, родовую принадлежность и тип метаболизма ассоциаций микроорганизмов в цементных компаундах приповерхностных хранилищ с НАО и CAO после 40 лет хранения.

2. Провести многолетние (до 10 лет) натурные испытания и на основании полученных экспериментальных данных установить механизм биогенных деструктивных процессов, влияющих на изменение микроструктуры и физико-химических свойств цементной матрицы.

3. С помощью программно-математического анализа по экспериментальным данным натурных испытаний оценить величину биогенной деструкции и значимость этого фактора для сохранения цементной матрицей свойств надежной иммобилизации радионуклидов 137Cs, 90Sr в течение длительной эксплуатации хранилищ РАО.

4. Определить функциональные свойства ряда биоцидных добавок по отношению к микроорганизмам хранилищ кондиционированных РАО, а также совместимость добавок с компонентами цементного компаунда на основе жидких (ЖРО) и твердых (ТРО) радиоактивных отходов; выбрать биоцидные химические добавки, обеспечивающие цементными компаундам эффективную пролонгированную защиту в условиях приповерхностных хранилищ низко- и среднерадиоактивных отходов,

5. Разработать и опробовать новые методы цементирования отдельных видов ЖРО и ТРО с применением выбранных биоцидных добавок, улучшающих параметры технологического процесса и качество конечных цементных компаундов.

6. Обосновать экономическую целесообразность применения предложенных технических решений по биоцидной защите и повышению качества цементных компаундов с НАО и CAO.

Связь работы с научными программами, планами, темами Работа выполнялась в соответствии с планом НИОКР ГУП МосНПО «Радон» на 2000-2010 г.г. по «Программе совершенствования и повышения качества, безопасности, надежности технологии и средств производства при обезвреживании РАО, обеспечения радиоэкологической безопасности населения и охраны окружающей среды Московского региона» (темы 2.06.01, 2.03.01) на основании постановлений Правительства Москвы,

а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Гос. контраст № П755 от 20.05.2010, ГЕОХИ РАН).

Основными методами исследований при решении поставленных задач были: систематическая обработка полученных данных натурных испытаний - результатов физико-химических, микробиологических, микроструктурных исследований с помощью радиометрических, хроматографических, электронно-микроскопических (СЭМ), рентгенофазовых (РФА), петрографических, физико-механических, химических методов анализа; программно-математическая обработка экспериментальных графических данных (микрофотографий СЭМ) и прогнозирование; аналитические, лабораторные исследования на основе стандартных и специальных методик подготовки проб, выполнения измерений, количественного анализа, проведения испытаний; а также опытно-промышленные натурные испытания новых добавок и методов при цементировании реальных ЖРО и ТРО.

Объектами исследований были:

1- пробы кернового материала, отобранные при экспериментальном бурении цементного монолита приповерхностных хранилищ РАО 1960-х годов консервации (возраст цементных компаундов более 40 лет);

2- модельные цементные образцы, содержащие биоцидные добавки и компоненты РАО - потенциальные субстраты для развития микробного сообщества, после

1, 2,5, 4,5, 8,5, 10 лет натурных испытаний в условиях приповерхностных хранилищ;

3- чистые культуры микроорганизмов, изолированные из проб керна и модельных цементных образцов с РАО в различные сроки натурных испытаний;

4- цементные компаунды с нитратсодержащими водными солевыми ЖРО, маслосодержащими ЖРО, сыпучими мелкозернистыми ТРО в возрасте твердения до 1 года, полученные при лабораторных и опытно-промышленных испытаниях методов цементирования с биоцидными добавками.

Предметом исследований являлись: 1- процесс биогенного разрушения микроструктуры цементной матрицы при долговременном хранении кондиционированных форм РАО; 2- свойства биоцидных добавок; 3- методы биоцидной защиты и повышения качества цементных компаундов с РАО при цементировании ЖРО и ТРО.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждаются представительным объемом комплексных многоплановых эксперимен-

тальных исследований, полученных с помощью аттестованных методик в специализированных аккредитованных испытательных лабораториях; согласующимися микробиологическими, физико-химическими и микроструктурными данными многолетнего мониторинга состояния цементных компаундов с РАО в приповерхностных хранилищах; соответствием расчетных данных и натурных испытаний, полученных при различных условиях на реальных объектах.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

- установлено и экспериментально подтверждено наличие в цементных компаундах с РАО денитрифицирующих и бродильных микроорганизмов родов Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Alcaligenes, Micrococcus, Mycobacterium, Arthrobacter, Flavobacterium, что способствует ухудшению состояния цементной матрицы, иммо-билизирующей радиоактивные отходы в приповерхностных хранилищах в период хранения до 40 лет;

- рассмотрен и экспериментально подтвержден механизм биогенной деструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах РАО, заключающийся в том, что бактерии используют в качестве питательной среды компоненты радиоактивных отходов (нитратные соли, масла и органические жидкости, целлюлозные включения), в процессе метаболизма выделяют газы и кислоты в установленных концентрациях, способствующих поро- и трещинообразованию в цементной матрице, что при длительном хранении ведет к снижению иммобилизационных свойств компаунда и ухудшению радиоэкологической безопасности хранилищ кондиционированных РАО;

- количественно определена значимость биодеструкции цементной матрицы при длительном хранении: установлена численность микроорганизмов, концентрации кислых и газообразных метаболитов, скорость разрушения кристаллов гидратных новообразований цементной матрицы, скорость образования локальных участков биогенной деструкции цементной матрицы, объемы приповерхностных хранилищ, потенциально подверженных биогенной деструкции по температурному лимитирующему фактору;

- установлено функциональное действие ряда биоцидных препаратов по отношению к микроорганизмам, развивающимся в условиях хранилищ кондиционированных низко- и среднерадиоактивных отходов. Экспериментально подтверждена эффективность действия биоцидных добавок в условиях гамма-излучения. Показана

возможность пролонгированной биоцидной химической защиты цементных компаундов на стадии цементирования радиоактивных отходов;

- показана эффективность модифицирующего влияния полимерного препарата класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ) на реологические, водоудерживающие и пенетрационные свойства цементных растворов, а также на формирование микроструктуры, прочность и химическую стойкость цементных компаундов с различными видами жидких и твердых радиоактивных отходов. Определены параметры технологических процессов цементирования РАО с добавкой ПГМГ; реализация разработанных процессов в промышленных условиях способствует увеличению доли радиоактивных отходов в конечном компаунде, снижению расхода цемента, сокращению радиационно опасных стадий и вторичных жидких радиоактивных отходов.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основании результатов исследований разработаны и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» новые материалы и технологии, позволяющие повысить надежность и безопасность долговременного хранения кондиционированных форм РАО, а именно:

1. Комплексная добавка проникающего и защитного действия для бетонов и растворов «БИЗОН-БПл» (ТУ 5743-159-46854090-2003), содержащая биоцидный препарат ПГМГ, успешно примененная при повторной герметизации «исторических» приповерхностных хранилищ РАО в ГУП МосНПО «Радон» в 2000-2005 г.г.

2. Специальный портландцемент с композиционной добавкой «СПЦК» (ТУ 5734-001-56873527-2006), содержащий биоцидную добавку ПГМГ, используемый для цементирования ЖРО и ТРО в ГУП МосНПО «Радон» в 2006-2011 г.г.

3. Технологический процесс и установка цементирования мелкозернистых ТРО методом пропитки (ТП Рад Х-06.00/2002, Патенты РФ №2142657, № 2199164, № 2301468), внедренный в ГУП МосНПО «Радон» с 2003 года.

4. Технологический процесс цементирования водных солевых ЖРО с повышенным Р/Ц=0,75-1,2 (ТП Рад Х-12.01/2003, Патент РФ № 2197760) и блок предварительного суспензирования солевых и маслосодержащих ЖРО (ТП Рад Х-12.03/2008, Патент РФ № 2317605), внедренные в ГУП МосНПО «Радон» в 2002 -2008 годах.

Научные и практические результаты исследований вошли в учебные пособия по лекционным курсам «Переработка радиоактивных отходов» для студентов Озерского технологического института Национального исследовательского ядерного универси-

тета (ОТИ НИЯУ «МИФИ», ЗАТО Озерск, ФГУП «ПО «Маяк», с 2010 г.) и «Утилизация техногенных отходов в подземном пространстве» для студентов Московского государственного горного университета (МГГУ, Москва, с 2005 г).

Личный вклад автора. Все научные результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором. Автором осуществлена постановка цели и задач исследования, планирование работы. Автор лично разрабатывала методики натурных испытаний; осуществляла постановку и научное сопровождение экспериментов, принимала непосредственное участие в отборе проб и выполнении анализов, лично обрабатывала и обобщала материалы многолетних наблюдений и результатов анализов, принимала участие в создании программных продуктов для математической обработки графических данных, а также непосредственно участвовала в разработке, испытаниях и внедрении новых цементных биоцидных материалов, технологий и установок цементирования ЖРО и ТРО.

Положения, выносимые на защиту:

1. Наличие и причины биогенной деструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах отвержденных РАО: субстраты в составе РАО, род и численность микроорганизмов, развивающихся в цементных компаундах с НАО и CAO, вид и концентрации агрессивных метаболитов, продуцируемых данными микроорганизмами.

2. Механизм и величина биогенной деструкции: количественные характеристики снижения надежности иммобилизации радионуклидов цементной матрицей за различные периоды (1, 8,5, -40 лет).

3. Эффективность биоцидной защиты цементных компаундов препаратами класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ) в условиях долговременного хранения в приповерхностных хранилищах НАО и CAO.

4. Влияние биоцидного полимера ПГМГ на технологические параметры цементирования ЖРО и ТРО и повышение качества конечного компаунда с РАО.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на 16 российских и 17 международных научно-технических конференциях: "Радиационное наследие XX века и восстановление окружающей среды" (Москва, РАН, 2000); Научно-техн. конф. "Свердловскому ядерному научному центру - 35 лет" (Заречный, 2001); 4-я, 5-я, б-я Межд. научно-практ. конф. "Обращение с радиоакгив-

ными отходами" (Москва, ГП ВНИИАЭС, 2001, 2006, 2008); Межд. научно-техн. конф., поев. 60-летию СвердНИИхиммаша (Екатеринбург, 2003); 5-я, 6-я Росс. конф. по радиохимии "Радиохимия" (Дубна, 2006, Москва, 2009); 1-я, 2-я, 3-я, 4-я Росс. конф. молодых учёных и специалистов "РАДУГА. Обращение с РАО. Проблемы и решения" (Сергиев Посад, 2006, 2008, 2010, 2011); 2-ой Межд. ядерный форум (СПб, 2007), 7-я Межд. конф. «Экология человека и природа» (Москва-Плес, 2008); Отраслевая науч-но-практ. конф. молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: наука и производство» (г. Северск, СХК, 2007); 11-я, 12-я Всеросс. конф. молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2010, Новосибирск, 2011); 6-ой Московский межд. конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011); Молодежная научная конф. «Современные проблемы радиохимии и радиоэкологии. К 25-летию аварии на ЧАЭС» (ГЕОХИ РАН, Москва, 2011); Межд. молодежный форум «Ядерное будущее» (Голицыно, 2011); 11-я Всеросс. выставка научно-технич. творчества молодежи НТТМ-2011 (Москва, ВВЦ, 2011); 3-ий Всеросс. симпоз. «Разделение и концентрирование в аналит. химии и ра-диохмии» (Краснодар, 2011); Росс. конф. с межд. участием, поев. 60-летию кафедры радиохимии УГТУ-УПИ «Актуальные проблемы радиохимии и радиоэкологии» (Екатеринбург, 2011); "Spectrum'98" (Denver, Colorado, USA, 1998); ICEM' 99, '01, '03,'05: 7th, 8th, 9th, 10th "International Conference on Radioactive Waste Management and Environmental Remediation" (Nagoya, Japan, 1999; Bruges, Belgium, 2001; Oxford, England, 2003; Glasgow, Scotland, 2005); WM' 99, '03, '05, '11: "International Conference on Waste Management, Energy Security and a Clean Environment HLW, TRU, LL/ILW, Mixed Hazardous Wastes and Environmental Management" (Tucson, Arizona, USA, 1999, 2003, 2005, 2011); KONTEC'2011: 10th International Symposium „Conditioning of Radioactive Operational & Decommissioning Wastes" (Dresden, Germany, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 75 работ, в том числе 8 научных статей в российских изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография (в соавторстве), 5 Патентов РФ, 2 Свидетельства о гос. регистрации программных продуктов, 3 учебных пособия, материалы российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, экспериментальной части, изложенной в 5 главах, общих выводов, библиографии

и 5 приложений. Работа изложена на 307 страницах машинописного текста, включающего 84 рисунка и 47 таблиц, список литературы из 299 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана актуальность работы, сформулированы цели, задачи, предмет и объекты исследований.

Микробиоценоз и биодеструкция цементных компаундов с РАО Биодеструкция силикатных материалов изучена с конца 80-х годов прошлого века главным образом специалистами по реставрации архитектурных памятников, конструкционной надежности подземных коллекторов, бетонных сооружений ГЭС и метростроя. Значительный вклад в исследование механизмов и масштабов биоразрушений конструкций под действием сульфат- и железоредуцирующих, (де-) и нитрифицирующих, бродильных и других бактерий, грибов, спор внесли В.А. Соломатов, В.Д. Ильичев, В.Т. Ерофеев, Г.И. Каравайко, E.H. Покровская, виды коррозии бетонов и железобетонов и методы их защиты исследованы В.М. Москвиным, Н.К. Розенталем. Известно, что биодеградации подвержено до 80 % всех конструкционных материалов. Главные условия развития микроорганизмов - наличие питательной среды, влажности, приемлемых температурных условий, pH, доступа/отсутствия света.

Перечисленные условия поселения и развития микроорганизмов, способных выступать деструкторами силикатных материалов, характерны для приповерхностных хранилищ цементированных РАО низкой и средней активности. Известны работы Т.Н. Назиной, И.М.Косаревой, ЕЛ. Лукьяновой, А.В.Сафонова, изучавших видовое многообразие ассоциаций денитрифицирующих микроорганизмов глубинных хранилищ ЖРО при нагнетании жидких отходов в пласты-коллекторы, а также I.G. McKinley, J.Fredrickson, F.E.Clarc, J.H. Wolfram (США) и L.G. Gazso (Венгрия), исследовавших биогенное газообразование в емкостях-хранилищах ЖРО Hanford и Oak Ridge (USA). При этом опубликованных работ по микробиоценозу приповерхностных хранилищ отвержденных РАО и влиянию биодеструкции на безопасность длительного хранения цементных компаундов с РАО не найдено. В ГУП МосНПО «Радон», имеющем опыт эксплуатации приповерхностных хранилищ более 50 лет, в конце 90-х годов впервые в мире проведено экспериментальное бурение цементного монолита хранилищ РАО. Был проведен комплексный анализ проб кернового материала реальных проб це-

ментной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы в возрасте хранения 40 лет, установлен микробиоценоз, физико-химические свойства и протекание значимых деструктивных процессов в различных точках цементного монолита с РАО в приповерхностных хранилищах 1960-х годов консервации (табл.1,2, рис. 1).

Таблица 1

Физико-химические свойства проб цементных компаундов с РАО из приповерхностных хранилищ

Описание пробы (год консервации хранилища) Удельная активность Ер по l37Cs, Бк/кг Пористость, % Влажность % Прочность на сжатие, МПа Скорость выщелачивания l37Cs, г/(см2сут)

Плотный цементный камень с целлюлозными включениями, без видимых повреждений (1960 г., герметизация в 2004г) 3,46 107 19,5-20,7 5,6-8,9 7,0-18,0 (5,0-5,3)4 О"4

Россыпь или рыхлый цем. камень с деревянными, резиновыми включениями, трещины, крошится (1963 г), на глубине,м 0,1-1,0 (1,2-6,5) 107 20,1-20,7 25,9-38,1 5,7-23,9 (1,61-2,4)10"'

1,0-2,5 44,2-50,0 3,9-13,0 (1,98-3,2)10"J

2,5-3,8 28,8-36,4 2,3-10,2 5,6

3,8-6,5 28,0-31,6 1,3-3,5 5,8'10"4-7,9'Ю°

6,5-8,0 11,7-22,5 0,3-1,4 (1,06-5,2) Ю-2

Без видимых повреждений структуры (1965) (0,16-7,85) '106 32,8-39,2 15,9-32,5 14,0-20,1 (0,28-9,4)'10"4

Без видимых повреждений структуры(1987) 1,59 106 17,7-32,3 2,30-30,0 5,3-5,6 (1,6- 2,6) "10"6

Установлено, что микроструктура цементных компаундов с НАО и CAO в возрасте хранения 40 лет характеризуется, в большинстве исследованных проб керна, низкой плотностью, рыхлостью, протеканием деструктивных процессов поро- и тре-щинообразования, что сказывается на значениях прочности на сжатие и скорости выщелачивания радионуклидов, неудовлетворительных в ряде проб. В целом структура цементной матрицы в возрасте твердения более 40 лет весьма плотная, «старая», мелкокристаллическая (рис. 1 а), однако нередки участки с рыхлым каркасом, порами (рис. 1 б-г). Фазовый состав определяется продуктами гидратации гидросиликата кальция различной основности (C3SH2, C2SH) с диапазоном показателей преломления N=1,573-1,590, что указывает на его неоднородность. В значительном количестве анализируемых проб керна отмечается гетеробластовая структура, образующий каркас гидросиликатов кальция имеет очень рыхлый характер, зерна размером от 2-3 мкм до 20 мкм. Среди мелкозернистой массы гидросиликатов кристаллизуются крупные зерна кубической фазы гидроалюминатов кальция С3АН6 размером 20-50 мкм, а также

крупные гексагональные кристаллы гидроалюмината кальция (рис.1 е). На плотных участках проб керна отмечаются значительные внутренние напряжения и трещины по всей поверхности анализируемого внутреннего скола (рис. 1 д). Характерным отличием микроструктуры проб керна является наличие многочисленных-пор до 50 мкм, в которых растут длинные тонкие волокнистые образования (рис. 1 г). Наблюдаются большие

■ аддищ поля рыхлого каркаса, - А'ШК < образованного «шара-1 .......ПЛ. ми>>> докрытыми мелко-

Рис. 1. Микроструктура керна цементных компаундов с РАО кристаллическими об-приповерхностных хранилищ в возрасте хранения 40 лет

разованиями размером

0,3-0,8 мкм и короткими (2-4 мкм) призмами эттрингита II рода в очень большом количестве (рис. 1 в, ж). В свободном пространстве рыхлого каркаса растут также длинные игольчатые кристаллы эттрингита 8-12 мкм (рис. 1 з).

Характеристики микробных сообществ представлены в табл. 2. Отличий и закономерностей по составу микробного сообщества в зависимости от удельной активности цементных проб, состояния микроструктуры цементной матрицы выявить не удалось. По-видимому, определяющим фактором является химический состав РАО -субстратов для развития тех или иных родов микроорганизмов. С силу существующих

в 60-е годы прошлого столетия технологий цементирование твердых РАО велось послойно, без сортировки, проливкой цементным раствором на основе малосолевых жидких РАО, основным компонентом ЖРО выступали растворенные нитратные соли. Возможно, поэтому из выявленных микробных сообществ во всех исследованных пробах оказались преобладающими денитрифицирующие микроорганизмы. Анализ микробного сообщества керна цементного монолита приповерхностных хранилищ 1960-х годов, а также образцов из экспериментального хранилища курганного типа 1980-х годов, показал наличие микроорганизмов родов Bacillus, Micrococcus, Mycobacterium, Pseudomonas, Rhodococcus, Arthro-bacter, Alcaligenes, Flavobacterium общей контаминациеи до 104 КОЕ/г.

Таблица 2

Характеристики микробных сообществ из цементных компаундов приповерхностных хранилищ РАО (срок хранения 35-40 лет), проб вмещающего грунта, проникающих вод

Физиологические группы микроорганизмов Численность бактерий (кл/г), изолированных из

образцов цементного компаунда* проб грунта проб грунтовых вод, кл/мл

Общее микробное число 9, Г102 - 1,9'104 КОЕ/г*! 4,9-106 КОЕ/г 1,4-105 КОЕ/мл

Нитрифицирующие 0 1,510^ 0

Денитрифицирующие 1 фаза (3,6-6,6)4 О4 1,2-103 1,3-104

2 фаза (1,2-7,8)-104 3,610" 6,0-104

Сульфатредуцирующие 2-10 1-8 0

Бродильные 60-3,0'104 3,6-103 2,5-10"

Железовосстанавливающие 0 2-10 2-4

Железоокисляющие 33 -48 0 0

Тионовые 0 0 0

Микромицеты 45- 1,5-104 2,6106 8,0'Ш4 КОЕ/мл

Родовая (Грам-) принадлежность Bacillus (Гр+ ) Pseudomonas (Гр-) Rhodococcus (Гр+ ), Alcaligenes (Гр-) Micrococcus (Гр+ ) ЩюоЬсйетт (Гр+) Arthrobacter (Гр+) Bacillus(rp+) PseudomomsfTp-) Rhodaxxxus(Tpfi-) Arthrobacter (Гр+) Alcaligenes (Гр-) Bacillus (Гр+) Rhxbcoccus (Гр+) Flavcbacterium (Гр-)

Микроскопическая картина выделенных штаммов Палочковидные бактерии, одиночные и в парах. Bacillus содержит споры Палочковидные и кокковидные бактерии различной морфологии

* - усредненные данные по всем исследованным хранилищам и глубинам ** - КОЕ - колониеобразующие единицы

Для определения корректных зависимостей развития микроорганизмов в при-

сутствии различных видов РАО в условиях приповерхностных хранилищ были проведены многолетние натурные испытания модельных цементных образцов, приго-

товленных с точным количеством нитрат-, масло-, целлюлозосодержащих радиоактивных отходов, причем в ряде модельных цементных образцов для сравнения дополнительно содержались биоцидные добавки в различных концентрациях. Для многолетних натурных испытаний готовили модельные цементные образцы 4*4*16 см и 2*2*2 см. Были приготовлены 14 различных составов нитрат- и целлюлозосодержащих и 27 различных составов маслосодержащих модельных цементных образцов при рас-твороцементном отношении Р/Ц=т(ЖРО)/ш(цемента)=0,6, где m-масса, г. Биоцид в концентрации 0,5 и 3,5 % от массы цемента добавляли в воду затворения, радиоактивное масло включали в компаунд в количестве 5-20% масс, целлюлозу (вату) -0,5-1 % масс. В качестве воды затворения использовали нитратсодержащие водные ЖРО (концентрация нитрата натрия 300 г/л), в качестве вяжущего материала использовали портландцемент М500 ДО, комплексную добавку проникающего и защитного действия «БИЗОН-БПл», специальный портландцемент с композиционной добавкой «СПЦК». Для сравнения готовили образцы без РАО и без биоцидов. У модельных образцов в возрасте 28 сут определяли начальные регламентированные ГОСТ Р 51883-2002 свойства (прочность на сжатие, скорость выщелачивания n7Cs, морозо- и водостойкость) и затем хранили в течение 8,5-10 лет в условиях приповерхностных хранилищ (затрудненный воздухообмен, отсутствие солнечного света, влажность за счет конденсации, сезонные перепады температур, отсутствие экзогенной микрофлоры). Периодически отбирали пробы и исследовали изменения прочности на сжатие, внешних признаков деструкции (поры, трещины, изменение окраски, кристаллический налет), микроструктуры цементной матрицы и характеристик микробиоценоза.

Микробиологические исследования проводили с использованием стандартных и специальных методов по изоляции клеток из цементных образцов, культивированию биомассы на питательных средах. Для десорбции микроорганизмов использовали орбитальную качалку (250 об/мин при 28°С), стандартные питательные среды для культивирования фототрофных (только для образцов сравнения, хранящихся на открытом воздухе), денитрифицирующих, бродильных, сульфатредуцирующих бактерий. Численность клеток определяли прямым подсчетом по Виноградскому. Родовую принадлежность бактерий устанавливали по тинкториально-морфологическим признакам. Микроскопирование вели на световом микроскопе Leitz (Германия) при увеличении "400, "1000 (объектив "40, "100, окуляр "10, иммерсионное стандартное масло), "2000 (в

комплекте с установкой для фотографирования и обработки изображений ДИАМОРФ) и на сканирующем электронном микроскопе Hitachi-S-405A (Япония). Для определения количества выделяемых клетками метаболитов использовали анаэробные герметичные флаконы (газовая среда - аргон), стерильную среду Гильтея для денитрифицирующих бактерий, среду Постгейта для сульфатвосстанавливающих бактерий. Концентрации метаболитов определяли на 32-116 суг культивирования с помощью газо-жидкостного хроматографа Chrom-4 (Чехословакия), газового хроматографа JIXM (СССР) с катарометрическим детектором (100 мА) с аналого-цифровым преобразователем на компьютер, обработку результатов вели с помощью программы «Экохром».

Физико-химические свойства цементных компаундов с РАО исследовали согласно ГОСТ Р 51883-2002: прочность на сжатие цементных образцов измеряли на испытательной машине ИР-5047-50С (СССР) с максимально допустимой нагрузкой 50 кН; испытания на морозостойкость проводили в климатической камере МК-53 (Германия) при 30 непрерывных циклах замораживания - оттаивания при -40 °С...+40°С; устойчивость к длительному пребыванию в воде определяли после 90-суточного пребывания в дистиллированной воде без смены воды при комнатной температуре; скорость выщелачивания радионуклидов определяли согласно ГОСТ Р 52126-03 на1, 3, 7, 14, 28, 56, 82 сут пребывания в воде, радиометрические анализы проводили на гамма-спектрометре с использованием программного обеспечения «LSRM» (Россия), при расчетах скорости выщелачивания радионуклидов использовали Microsoft Excel.

Микроструктуру и фазовый состав цементной матрицы исследовали петрографическим методом с помощью поляризационного микроскопа ПОЛАМР-211 (СССР) в проходящем свете в иммерсии с общим увеличением 850х, 2000х, 5000х; рентгенофа-зового анализа (РФА) на рентгеновском дифрактометре ДРОН-ЗМ (СССР) методом 0- 20 при Си-К-излучении, Ni-фильтр (U=30 кВ, 1=30 мА, диапазон измерения интенсивности 1000 имп/с, щель перед счетчиком 4 мм, скорость съемки 1 град/мин); а также сканирующего эле!сгронного микроскопа (СЭМ) JEOL JSM-T330A (Япония).

Графические данные (микрофотографии СЭМ микроструктуры цементной матрицы, фотографии поверхности модельных образцов), полученные в различные сроки натурных испытаний, анализировали с помощью разработанных оригинальных программно-математических методов, количественно оценивая величину микробиоло-

гической деструкции кристаллических сростков цементной матрицы и объемы приповерхностных хранилищ РАО, потенциально подверженные биодеструкции.

Результаты натурных испытаний согласуются с результатами комплексного исследования кернов: в ходе многолетних исследований в цементной матрице обнаружены денитрифицирующие и бродильные микроорганизмы той же родовой принадлежности, зафиксированы аналогичные процессы внутреннего поро- и трещино-образования, кристаллизации этгрингита II рода и карбонизации гидросиликатов кальция. Это позволило сделать достоверные выводы о причинах и механизме протекания биогенной деструкции цементной матрицы приповерхностных хранилищ РАО.

Причины, механизм и величина биогенной деструкции цементной матрицы

Установлено, что причины микробиологической деструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах РАО состоят в том, что компоненты НАО и САО, прежде всего нитрат-ионы и органические вещества (целлюлоза, масло), уже после 7-12 месяцев хранения выступают субстратами (питательной средой) для поселения и развития микроорганизмов. В условиях приповерхностных хранилищ микроорганизмы развиваются интенсивнее, чем на открытом воздухе. В цементных компаундах, содержащих нитрат натрия в характерной для ЖРО концентрации 300 г/л, уже после 1 года обнаружены денитрифицирующие микроорганизмы Pseudomonas (один из выделенных штаммов достоверно отнесли к виду Pseudomonas aeruginosa: степень ДНК-ДНК-гибридизации выделенного штамма (Ps.aeruginosa 64,4+0,5 мол. % GC) и реперного образца (Ps. aeruginosa 64,2 мол. % GC) составила 88+5%), а также обычные почвенные бактерии с бродильным типом метаболизма родов Mycobacterium, Micrococcus, Artrobacter, Rhodococcus, Flavobacterium. Наличие этих же родов микроорганизмов в количестве до 1,2-1,9 104 кл/г подтверждено в цементных компаундах после 8,5 лет хранения в условиях приповерхностных хранилищ, а также в количестве до 3,3 10® кл/г в пробах керна бурения в возрасте хранения 40 лет. В цементных компаундах, содержащих радиоактивные масляные и органические жидкости в количестве более 10 % масс, после 3 лет хранения обнаружены микроорганизмы бродильного типа метаболизма в количестве (3,0-5,5) 103 кл/г. После 8,5 лет хранения в условиях приповерхностных хранилищ в маслосодержащих компаундах подтверждено наличие микроорганизмов бродильного и денитрифицирующего типов метаболизма родов Mycobacterium, Rhodococcus, Bacillus, Pseudomonas в количестве до 3,1 106 кл/г. Мик-

роорганизмы (рис. 2) в це- а) ментных компаундах присутствуют в виде отдельных овальных и кокковых клеток или вытянутых, делящиеся клеток-палочек, часто в виде плотных биопленок (матрикса), либо окруженные «сахаропо-добной» оболочкой продуктов метаболизма, что

Рис 2 Микробиологические объекты во внутренних ско-ПОЗВОЛЯеТ клеткам ВЫДер- лах цементных модельных образцов без биоцидных доба-

живать неблагоприятные вок: а, б- нитратсодержащие, 12 мес натурных испытаний;

в - маслосодержащие ,49 мес; г- целлюлозосодержащие, условия (сезонные перепа- Ю2мес

ды температур, высокие

рН). Бактерии используют компоненты РАО в качестве питательной среды, в процессе жизнедеятельности выделяют органические кислоты и газы, разрушающие цементную матрицу. Анализ хроматограмм метаболитов, выделяемых чистыми культурами бактерий, изолированных из проб керна и модельных цементных образцов с РАО, свидетельствует, что в процессе метаболизма денитрифицирующие и бродильные микроорганизмы, в расчете на 1 см цементного компаунда в сутки, выделяют максимально: в маслосодержащих цементных компаундах: (8,6-10,6)'Ю"2 мл Ы2; (3,4-9,5) •Ю-3мл С02; (9,4-40,6)" 10"4ммоль (0,06-0,24 мг) ацетат-анионаСН3СОО"; 37,5 10"4 ммоль (0,28 мг) пропионат-аниона СНзСН2С00"; (1,6-5,6) 10'3 ммоль (0,14-0,18 мг) буги-рат-аниона СНз(СН2)2СОО'. В присутствии биоцидов в составе маслосодержащих образцах выделение азота снижается в 1,3-2 раза, Н2С03 и органические кислоты практически не выделяются. В нитрат- и целлюлозосодержащих цементных компаундах: (8,6-25,7) 10"2 мл Ы2; (1,7-6,0) Ю"2 мл С02; ацетат-анион (3,4- 9,4) 10"3 ммоль; пропио-нат- и бутират-анионы - до 1,25 Ю"3 ммоль. В присутствии биоцида ПГМГ в составе нитратсодержащих образцов выделение азота снижается в 6-7,2 раза (других биоцидов - в 2,25 раза); Н2С03 и органические кислоты практически не выделяются (в присутствии других биоцидов снижается в 1,9-2 раза). Полученные количественные оценки

образования метаболитов позволяют утверждать, что процессы жизнедеятельности микроорганизмов внутри цементных компаундов с радиоактивными отходами могут быть значимы при длительном хранении в условиях приповерхностных хранилищ.

Установлено, что механизмы микробиологической деструкции цементной матрицы биогенными газами и кислотами состоят в том, что: 1)биогенное образование азота, химически инертного по отношению к минералам цементной матрицы, способствует образованию внутренних трещин, пространство которых заполняют кристаллы эттрингита II рода, расклинивая кристаллические сростки (рис. 3 а-в, д, е), развитие биогенных трещин усиливают циклы замораживания-оттаивания и насыщение водой; 2) биогенное образование углекислого газа, легко взаимодействующего с щелочными гидратными минералами цементного камня (прежде всего с портландитом Са(ОН)2, гидросилика-

а)

тами, гидроалюминатами кальция), карбонизирует минералы, что приводит к нарушению целостности кристаллических сростков и в) снижению прочностных характеристик цементных компаундов; 3) биогенное образование органических

Д)

кислот, легко взаимодействующих с щелочными гидратными минералами цементного камня (портландитом Са(ОН)2, гидросиликатами, гидроалюминатами кальция), приводит к солеобра-

Рис. 3 Микроструктура нитратсодержащих модельных цементных образцов без биоцидных добавок в ходе натурных испытаний: а-г - после 20 мес; д,е - после 8,5 лет

зованию растворимых гидрокарбонатов, ацетатов, пропионатов кальция, что при контакте с влагой ведет к порообразованию (рис. 3 г), нарушая целостность цементных компаундов и увеличивая их водопроницаемость. РФА модельного цементного образца без биоцидов после 8,5 лет хранения (центральные и периферийные сколы) показал в центральных сколах значительную карбонизацию основной гидратной фазы цементного камня портландита Са(ОН)2 за счет внутреннего источника С02 (с1, А: 3,036, 2,492, 2,284, 1,912, 1,875, 1,521, 1,472); в периферийных сколах происходит кристаллизация эттрингита (с1,А: 9,804, 8,810, 5,630, 3,867, 2,778, 2,235, 2,200). Согласующиеся данные РФА, СЭМ и петрографических исследований свидетельствуют, что деструкция кристаллических сростков цементной матрицы и изменение фазового состава в присутствии нитратов и масел (в отсутствие биоцидных добавок) выражается в карбонизации основных гидратных фаз, внутреннем порообразовании, и после 40 лет твердения - образовании рыхлого каркаса, трещин и росте эттрингита. Совпадение характера деструкции цементной матрицы, установленного при анализе реальных цементных компаундов из приповерхностных хранилищ в возрасте хранения 40 лет, и характера деструкции цементной матрицы, установленного при натурных испытаниях в течение 8,5 лет в отсутствие биоцидных добавок, доказывает воспроизводимость и достоверность результатов, позволяя сделать вывод о наличии в приповерхностных хранилищах РАО биогенной деструкции цементной матрицы.

Количественная оценка величины биогенной кислотной деструкции цементной матрицы, иммобилизирующей РАО, получена в ходе лабораторных экспериментов. На цементный образец (ПЦ+вода, В/Ц=0,6, 1 год твердения в стандартных воздушно-влажных условиях) наносили ежесуточно в течение 260 сут органическую кислоту в экспериментально установленном количестве, выделяемом микроорганизмами, после чего с помощью СЭМ (рис. 4) исследовали характер биогенных поражений микроструктуры цементной матрицы в сравнении с контрольными образцами, не подвергнутыми воздействию кислоты, и помощью разработанных программно-математических методов обработки графических данных рассчитывали величину разрушений кристаллов. Подтверждено, что при отсутствии других агрессивных факторов разрушения цементной матрицы величина биогенной кислотной деструкции составляет (% от исходной поверхности кристаллов) от 13,26 - 16,16 (на периферии контакта с кислым метаболитом) до 32-49 (в центре очага поражения). Максимальное

значение из серии образцов 64,96 %. Таким образом, средняя скорость разрушения кристаллов цементной матрицы в контакте с микроорганизмами деструкторами составляет в сутки до 0,12-0,25 %. Усредненное количество таких локальных участков биоповреждений цементных компаундов без биоцидов составляет в год 2,5 - 4 % от общей поверхности. Объемы приповерхностных хранилищ РАО, подверженные биогенной деструкции цементных материалов, составляют от 10 до 80 % хранилища в зависимости от сезонных температур.

В ходе натурных

испытаний установлено, что вследствие биогенной деструкции цементной матрицы надежность фиксации радионуклидов в цементных компаундах с РАО при длительном хранении в приповерхностных хранилищах со временем ухудшаются. Динамика твердения модельных цементных образцов без биоцидных добавок характеризуется неравномерностью набора прочности, увеличением со временем скорости выщелачивания радионуклидов. По сравнению с образцами без компонентов РАО (субстратов для денитрифицирующих и бродильных бактерий) или с образцами, содержащими РАО и биоцидные добавки, у модельных цементных образцов примерно в

Рис. 4. Деструкция кристаллов цементной матрицы вследствие биогенного кислотообразования: а) до испытаний; б-е) деструкция под действием биогенной кислоты (0,65 мг/сут) за 260 сут испытаний

10 раз снижаются прочность при сжатии и параметры выщелачивания радионуклидов. В цементных образцах, где зафиксировано наименьшее количество микроорганизмов в присутствии биоцидных добавок класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ, Фос-фопаг®) и иодопропинил-бутилкарбоматов (Troysan Polyphase AF3®J, снижение им-мобилизационных свойств цементной матрицы выражено значительно слабее: прочность на сжатие после 8,5 лет хранения сопоставима с прочностью образцов сравнения (51-58 МПа и 54 МПа); скорость выщелачивания радионуклидов 137Cs и 90Sr после 8,5 лет сравнима с начальными значениями (1,27 Ю"3г/см2'суг и 1,99 10"3 г/см2 сут). Зафиксированные изменения иммобилизационных свойств цементной матрицы сопоставлены с результатами микробиологических исследований в различные сроки натурных испытаний (рис. 5). Установлено, что численность бактерий согласуется с наблюдаемыми изменениями микроструктуры, внешним состоянием образцов и набором прочности на сжатие цементных компаундов.

^и^эькзлъ бэ<герил кг1г - без био^да [ZD чсгежхль бэоерий KrV - с 3,5% Олхурё ГТМ" 1.0Е+07 i Грс>№с1ъ gg3 ^уратсе (и^емгнаэдЕ^ для сре&еню

гро+осггь с нитратами без Enxwqa

1 .0Е+06

-•- грсм-сстъ с с Ьадой

1.0Е+05 1.0Е+04 1,0Е+03 1,0Е+02 1.0Е+01 1.0Е+00 1 .0Е-01

1 12 20 32 49 79 102 (8,5 лет) ' ОКОЛО 40 лет

время хранения, мес

Рис. 5 - Корреляция численности микроорганизмов-деструкторов и снижения прочности на сжатие цементной матрицы, иммобилизирующей нитратсодержащие жидкие радиоактивные отходы (пунктиром - линии тренда)

Биоцидная защита цементных компаундов с РАО

Из ряда доступных на рынке строительных материалов были выбраны водорастворимые, устойчивые в среде рН 7-11, химически инертные по отношению к компонентам РАО биоцидные добавки. Экспериментально исследована эффективность действия ряда биоцидов (Катамин АВ, Катапин, Мег£а1 К9Ы, Ме^а! 888, Тгоуэап

Polyphase AF3, Фосфопаг, Биопаг) по отношению к микробиоценозу цементных компаундов с НАО и CAO (табл.3); их химическая и агрегатная совместимость с компонентами радиоактивного цементного раствора, действие в условиях радиационного фона хранилищ (табл. 4), удобство дозирования в технологических процессах цементирования РАО.

Талица 3

Минимальные подавляющие концентрации биоцидного препарата ПГМГ Фосфопаг® и Катамин АБ (для сравнения)

Тестируемый микроорганизм Минимальные подавляющие концентрации, мг/мл (ПГМГ / Катамин АБ)

бактериостатическая 1 | бактерицидная

вегетативные формы микроорганизмов

Pseudomonas aerugenosa 0,003/0,0015 0,006 / 0,003

Micrococcus luteus 0,0015/0,0015 0,003 / 0,003

Bacillus sphaericus 0,0015/0,0015 1 ' 0,006 / 0,003

Rhodotorula pilimanae 0,003/0,0015 0,006 / 0,003

микооооганизмы из модельных цементных образцов после 1 года натурных испытаний ,

Pseudomonas 0,003/0,0015 0,006 / 0,003

Bacillus (споры В.sphaericus) 0,023/0,011 0,047 / 0,023

Таблица 4 Численность микроорганизмов в объеме цементного образца после у-облучения

ПГМГ в цем. образце, % масс

О(контроль)

0,25

1,00

Заражение микроорганизмами перед у-облучением

Расчетное КОЕ/мл суспензии

МО6

Контроль заражения, КОЕ/мг образца

поверхностное

8,0105

7,0105

4,0103

объемное

6,7 105

5,0-103

2,4-10J

j

Моделированный срок у-облуче-ния*, лет

10

20

50

10

20

50

10

20

50

Численность микроорганизмов в объеме цементного образца, _КОЕ/мг образца

28 сут

3,3

2,2

1,0

1,2

1,0

1,1

1,0

10"

10"

ю-

10'

10

10J

ю2

10

10

56 сут

3,5

3,4

2,0

1,4

2,3

2,0

1,3

1,0

1,0

10"

10"

Ю4

10

10

10J

10'

10'

10

108 сут

5,5

4,5

2,3

1,2

2,0

1,4

1,5

1,6

1,3

10"

10"

104

10'

10J

10

10

10'

10

* образцы облучали на установке РХМ-Гамма-20 (дозиметр Фрике, дозиметр Хорта-Уолта) при расчетной мощности дозы от РАО с удельной активностью до 107 Бк/кг_

Установлено, что минимальные подавляющие концентрации биоцидного препарата ПГМГ сопоставимы с биоцидами, используемыми в строительной отрасли, и составляют 0,0015-0,003 мг на мл суспензии микроорганизмов, характерных для цементных компаундов с РАО. В концентрации до 0,25-1 % масс биоцид ПГМГ эффективен для подавления микроорганизмов в объеме цементного компаунда.

Гамма-облучение снижает на 1-2 порядка численность микроорганизмов в объеме цементного компаунда. Длительность облучения 10-50 лет (увеличение дозы) не приводит к значимым изменениям - по-видимому, радиационный фон приповерхностных хранилищ низко- и среднерадиоактивных отходов в течение длительного периода будет незначительно влиять на жизнеспособность данных микроорганизмов. На основании данных по минимальным подавляющим концентрациям, устойчивости биоцидов к рН>8 и к у-излучению, воздействию на сохранность цементной матрицы в ходе натурных испытаний сделан выбор наиболее эффективных препаратов для химической биоцидной защиты - полимеров класса полигексаметиленгуанидинов: ПГМГ гидрохлорид (Биопаг®), ПГМГ фосфат двузамещенный (Фосфопаг®).

Повышение качества цементных компаундов с РАО при использовании биоцидных добавок Цементирование - основной промышленный метод иммобилизации жидких и твердых РАО, обеспечивающий локализацию радионуклидов в негорючей, непластичной матрице с помощью доступных матричных материалов и относительно простого аппаратурного оформления процесса. В ГУП МосНПО «Радон» совместное цементирование ЖРО и ТРО промышленно осуществляется с 60-х годов прошлого века. В оптимизацию методов цементирования РАО, изучение свойств цементных компаундов, обеспечивающих фиксацию радионуклидов при долговременном хранении, повышение качества включения РАО в цементную матрицу внесли заметный вклад И.А.Соболев, O.JI. Масанов, К.П. Захарова, А.П. Варлаков, A.C. Баринов, С.И. Ровный,

0.М. Слюнчев, П.В. Козлов.

Критериями качества цементной матрицы, иммобилюирующей РАО, являются:

1. Максимально возможная степень наполнения по отходам (для ЖРО - высокое значение раствороцементного отношения Р/Ц) с сохранением регламентированных ГОСТ Р 51883-2002 свойств конечного продукта.

2. Сокращение объемов конечного компаунда, подлежащего длительному хранению. 2. Надежность иммобилизации радионуклидов в цементной матрице (прочность на

сжатие, скорость выщелачивания радионуклидов, устойчивость к действию воды и перепадам температур матричного материала).

3. Удобные для ведения технологического процесса свойства цементного раствора (растекаемость для транспортирования по трубопроводу, сроки схватывания в течение рабочей смены, отсутствие пены, отсутствие расслаивания).

Влияние биоцидных добавок на регламентированные свойства цементных компаундов с РАО было исследовано при определении начальных свойств модельных цементных образцов перед натурными испытаниями! Обнаружено, что добавка ПГМГ может выступать не только биоцидным препаратом, но и, что особенно важно, увеличивать прочность при сжатии, морозостойкость и водостойкость цементных компаундов, значительно увеличивать растекаемость и снижать водоотделение. Такие свойства биоцидного препарата использованы при реализации разработанных с участием автора технологий цементирования:

1-водных солевых ЖРО с повышенным наполнением по отходам,

2- мелкодисперсных ТРО пропиткой высокопроникающими цементными растворами,

3- маслосодержащих гидрофобных ЖРО с предварительным суспензированием.

Применение биоцидных добавок при цементировании нитратсодержащих ЖРО с высокой степенью наполнения по отходам

Установлено, что полимер ПГМГ (Фосфопагучаствуя в процессах кристаллизации гидроалюминатов кальция, упорядочивая и уплотняя микроструктуру за счет образования на ранних сроках твердения сетчатого каркаса гексагональных гидроалюминатов, увеличивает прочность при сжатии цементной матрицы. Так, в отсутствие ПГМГ на ранних сроках твердения (3-28 сут) фазовый состав цементной матрицы характеризуется преобладанием кубических кристаллов шестиводного трехкальцие-вого гидроалюмината С3АН6. С увеличением срока гидратации структура материала продолжает характеризоваться неоднородностью в кристаллизации гидроалюминатов кальция (САНю и С2АН8). В присутствии ПГМГ, наоборот, кристаллизуется только гексагональный десятиводный однокапьциевый гидроалюминат кальция САН10 (появляются рефлексы на дифрактограммах РФА d,Á: 8,080, 4,750, 3,675), и не образуется кубический шестиводный гидроалюминат кальция С3АН6 (отсутствуют рефлексы d, Á: 5,140,3,370,2,820,2,300).

Повышение прочности и предотвращение водоотделения в присутствии полимера ПГМГ позволяет с использованием данного биоцида в составе цементного раствора на основе нитратсодержащих ЖРО повысить Р/Ц-отношение с 0,6-0,75 до зна-

чений Р/Ц=1,0-1,2 (табл.5). Это позволяет включать в цементный компаунд в 1,3 раза больше ЖРО с сохранением регламентированной прочности конечного продукта. При этом сокращается потребность в цементе и увеличение объема конечного компаунда по сравнению с исходным объемом ЖРО (разработанный состав биоцидного цементного раствора защищен патентом РФ).

Таблица 5

Влияние полимера ПГМГ на параметры цементирования нитратсодержащих

жидких радиоактивных отходов (солесодержание 100 г/л)

Биоцид Сроки схва- Водоот- Прочность на Доля включен- Снижение объ-

Р/Ц ПГМГ, тывания, на- деление сжатие ных отходов, ема конечного

масс % чапо-конец, ч об. % на 28 сут, МПа масс % компаунда*

0,75 _ 3-12 5-7 14,3 42,88

0,5-1,0 0,5-2 0-0,2 28,7

0,85 0,5-1,0 0,5-2 0,1-0,3 19,8 45,95 -

1,0-3,0 0,25-1 0-0,01 29,7 на 9 %

1,0 _ 5-15 8-10 5,0 50,00 -

0,5-3,0 3-4 0-0,3 9,8 на 15%

1,2 _ 5-15 18-23 _** 54,55 -

0,5-3,0 4-6 0,5-1 7,6 на 20 %

*в сравнении с традиционным при Р/Ц=0,75, ПЦ М400 без добавок. **не измеряли т. к. из-за водоотделения образцы дали большую усадку, изменилось Р/Ц

Применение биоцидных добавок при цементировании маслосодержащих ЖРО с предварительным суспензированием

Эффект упрочнения цементной матрицы с помощью полимера ПГМГ использован при цементировании загрязненных радионуклидами гидрофобных минеральных масел и органических жидкостей. Упрочняющее и биоцидное действие полимера ПГМГ позволило включить данный полимер в составы разработанных комплексного цементного материала «БИЗОН-БПл» и специального портландцемента с комплексными добавками «СПЦК». Испытания новых цементных материалов, содержащих ПГМГ, при цементировании маслосодержащих ЖРО проводили на разработанном и внедренном при непосредственном участии автора в ГУП МосНПО «Радон» опытно-промышленном модуле-диспергаторе в составе опытно-промышленной миниб-лочной смесительной установки цементирования ЖРО (разработанные способ и устройство защищены патентом РФ и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» с 2008 г). Свойства цементных растворов и конечных компаундов, приготовленных по данной технологии, представлены в табл. 6.

Таблица 6

Свойства цементных компаундов с радиоактивным маслом, приготовленных с применением цементных материалов с ПГМГ_

Состав цементного раствора (Р/Ц=0,7) Свойства цементного раствора Прочность на сжатие конечного компаунда, МПа

Масло масс. % Цементный материал * (основной +в суспензии) Растекаемость мм Отслоение масла,об. % 2.8 сут После 30 циклов заморажив,-оттаивания После 90 сут в воде

5 100%П >240 4 4,2 2,8 4,8

П+30 % С >240 0 6,0 5,1 5,9

70 % С+30 % С 213 0 7,5 7,0 7,0

10 П+30 % Б 195 0 5,7 5,0 5,3

70 % Б+30 % Б ИЗ 0 7,0 6,6 6,8

15 П+30 % С 190 0,2 3,8 0,9 2,8

70 % С+30 % С 112 0 5,3 5,0 5,1

*П - портландцемент М500 ДО; С-«СПЦК»; Б- «БИЗОН-БПл»

Таким образом, опытно-промышленными испытаниями подтверждено, что при

высоком наполнении цементного компаунда радиоактивными отходами (до 15 % масс, масла) результатов, удовлетворяющих регламентированным требованиям ГОСТ Р 51883-2002, удается добиться только при приготовлении предварительной суспензии с полной заменой портландцемента на «СПЦК» или «БИЗОН-БПл», содержащие полимер ПГМГ («Фосфопаг®»), обеспечивающий, наряду с другими компонентами, предотвращение расслаивания, упрочнение и биоцидную защиту конечного цементного компаунда.

Применение биоцидных добавок при цементировании мелкодисперсных ТРО методом пропитки высокопроникающими растворами

Добавка ПГМГ значительно увеличивает растекаемость и предотвращает расслаивание радиоактивного цементного раствора (рис.6). Установлено, что в присутствии биоцида ПГМГ увеличивается проникающая способность цементного раствора (способность цементного раствора проникать по пустотам и каналам насыпного объема ТРО, не расслаиваясь, с массопереносом частиц цемента в верхние слои ТРО, достаточным для образования компаунда с требуемой прочностью 5 МПа по всей высоте), что позволяет использовать ПГМГ в качестве важного компонента высокопроникающих растворов при цементировании ТРО методом пропитки (рис. 7).

ГУвстифи+чэую^е вг^яние ГТМГ

зсо

250 200 150 100

50

0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0.9 1 1,1 Рэствороце ме нтное спгюшеьме

Сгабилизцзукире водрудерживакире вгмяние ГТМ"

14

12 10 8

0

0,4 0,5 0,6 0.7 0,8 0,9 1 1,1 1.2 Расгаороцэл/ентное отношение Р/Ц

Рис. 6. Пластифицирующие и водоудерживающие свойства полимера ПГМГ а) б)

Н'0-1,35 Унас=200л

VI

У элем.= 0,36 л Н/'й- 1,35

Цементный раствор

9 элементарных объемов У/-У9

■ Р/Ц=0,8, без полимера

ПГМГ СЭР/Ц=0,8 с ПГМГ

Количество элементарных объемов

Рис. 7. Проникающая способность цементных растворов в присутствии полимера ПГМГ: а) моделирование элементарного объема пропитываемого материала; 6) массоперенос частиц цемента через насыпной слой ТРО (размер частиц 0,8-2,0 мм)

Свойства высокопроникающих цементных растворов и конечных компаундов, приготовленных пропиткой мелкодисперсного зольного остатка от сжигания РАО, представлены в табл. 7. Опытно-промышленными испытаниями подтверждено, что при высоком наполнении цементного компаунда РАО (54-70 об. % ТРО) пластифицирующее, стабилизирующее и упрочняющее действие ПГМГ обеспечивает регламентированное качество конечного компаунда по всему насыпному объему ТРО. Цементирование ТРО пропиткой позволяет сократить стадии перемешивания, пересыпания, дозирования, сортировки ТРО (и, следовательно, дезактивации перечисленного оборудования), получать конечный продукт без увеличения объема по сравнению с исходным насыпным объемом ТРО (способ, составы растворов и устройства для пропитки защищены 3 патентами РФ и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» с 2003 г).

Таблица 7

Свойства высокопроникающих цементных растворов и полученных пропиткой конечных цементных компаундов с золой от сжигания РАО

Состав цементного материала** Проникающая способность цем. раствора Прочность конечного цем.компаунда с золой (63 % масс) вверху 200 л бочки на 28 сут твердения, МПа

В/Ц в исходном цементном растворе В/Ц в цементном растворе после пропитки золы У„асып=200 Л

П 0,8 пропитка невозможна из-за забивания каналов частицами цемента

1,4 2,20 <1

70% П+30% Б 0,6 0,68 7-10*

Б 0,9 0,91 8-12*

1,1 1,20 6-8*

*- значения варьируются из-за переменного состава зольного остатка ** - П-ПЦ М500 ДО; Б - «БИЗОН-БПл»

Таким образом, применение ПГМГ в опытно-промышленных технологиях цементирования ЖРО и ТРО позволяет не только предотвратить биодеструкцию цементных компаундов при длительном хранении в приповерхностных хранилищах, но и повысить качество цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы по всем обозначенным критериям:

- повысить степень наполнения цементных компаундов по отходам (нитратсодер-жащим ЖРО - на 18-27 %, маслосодержащим ЖРО - до 15 % масс, мелкодисперсным ТРО - до 54-70 % об);

- повысить надежность иммобилизации радионуклидов в цементной матрице: предотвратить биодеструкцию, повысить прочность цементной матрицы в 1,6-2 раза;

- обеспечить удобные для ведения технологического процесса свойства цементного раствора: повысить растекаемость в 1,2 раза, проникающую способность (массо-перенос частиц цемента) в 2-2,5 раза, снизить водоотделение в 1,5-1,7 раза;

- сократить радиационно опасные операции и количество вторичных радиоактивных отходов, образующихся в ходе процесса цементирования.

Экономическая оценка использования ПГМГ в технологиях цементирования ЖРО и ТРО показала, что затраты с использованием ПГМГ снижаются в 1,3-2,1 раза. «БИЗОН-БПл» и «СПЦК», содержащие упрочняющий, пластифицирующий и био-цидный полимер ПГМГ, были применены в 2004-2008 г.г. для повторной герметизации «исторических» приповерхностных хранилищ цементированных РАО 60-х годов консервации, внедрены с 2002-2008 г.г. в ГУП МосНПО «Радон» в технологических процессах цементирования ЖРО и ТРО.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В результате выполненной работы комплексно исследовано изменение состояния цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы в приповерхностных хранилищах в период хранения 0,5-8,5 лет и 40 лет. Установлено, что ухудшению регламентированных свойств цементной матрицы при длительном хранении способствует, кроме температурных и влажностных факторов, биогенная деструкция, протекающая под действием ассоциаций микроорганизмов.

2. Экспериментально установлено, что цементные компаунды приповерхностных хранилищ низко- и среднерадиоактивных отходов в период хранения до 40 лет характеризуются наличием микроорганизмов родов Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Alcaligenes, Micrococcus, Mycobacterium, Arthrobacter, Flavobaclerium, по типу метаболизма относящимся к денитрифицирующим и бродильным бактериям. Численность микроорганизмов составляет 102-104 КОЕ в расчете на 1 см3 цементного компаунда с РАО.

3. Определено, что бактерии используют компоненты РАО, в первую очередь нитраты и масла, в качестве питательной среды и в результате жизнедеятельности выделяют в расчете на 1см3 цементного компаунда N2, С02 в концентрации (8,6-10,6)Т0'2 мл/сут, низмэмолекупярные органические кислоты (0,9-4,1)10"3 ммоль/сут.

4. В ходе многолетних натурных испытаний в условиях приповерхностных хранилищ РАО достоверно доказано, что под действием биогенного кислото- и газообразования в микроструктуре цементной матрицы, иммобилизующей радионуклиды l37Cs, 90Sr, 60Со, происходят деструктивные процессы поро- и трещинообразования: разрушаются кристаллические сростки, в расходящихся трещинах кристаллизуются расклинивающие кристаллы эттрингита; карбонизация и нейтрализация биогенными кислотами основных гидратных минералов приводит к образованию растворимых нитратов, гидрокарбонатов, ацетатов кальция, вымывающихся из цементной матрицы.

5. Разработанными оригинальными программно-математическими методами обработки микрофотографий структуры цементной матрицы выявлено, что скорость разрушения кристаллов цементной матрицы в контакте с микроорганизмами-деструкторами составляет в сутки 0,12 - 0,25%. Усредненное количество локальных участков биоповреждений цементных компаундов составляет за 8 лет натурных испытаний 2,5-4 % от общей поверхности.

6. Рассчитано, что объемы приповерхностных хранилищ РАО, подверженные биогенной деструкции, составляют от 10 до 80 % хранилища в зависимости от времени года (температуры, приемлемой для развития данных бактерий).

7. Установлено и экспериментально подтверждено, что за счет биогенной деструкции прочность цементной матрицы и надежность фиксации радионуклидов снижается в год на 3-8 %. Биогенные деструктивные процессы усиливаются доступом влаги, знакопеременными температурами.

8. По результатам комплексных исследований 6 химических биоцидных препаратов установлено, что эффективную биоцидную защиту цементных компаундов с РАО обеспечивает водорастворимый, совместимый с компонентами ЖРО и ТРО полимерный препарат класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ) в минимальной подавляющей концентрации 0,0015-0,003 мг/мл, при дозировании которого в цементный раствор в количестве 0,5-1% масс достигается полное обеззараживание, не снижающееся в течение минимум 50 лет радиационного облучения от РАО.

9. Экспериментально доказано, что полимер ПГМГ улучшает ряд важных технологических параметров при цементировании: повышает проникающую способность цементных растворов в 2-2,5 раза, растекаемость в 1,2 раза, стабильность консистенции в 1,5-1,7 раза, расширяя рабочий диапазон Р/Ц до 0,75-1,2, позволяя включать в конечный продукт, подлежащий длительному хранению, в 1,3 раза больше ЖРО с сохранением регламентированных прочностных характеристик.

10. Лабораторными и опытно-промышленными испытаниями подтверждено, что полимер ПГМГ проявляет не только биоцидные свойства, но и в 1,6-2,0 раза увеличивает прочность при сжатии цементных компаундов с РАО за счет уплотнения микроструктуры при кристаллизации на ранних сроках твердения сетчатого каркаса гексагонального десятиводного одно кальциевого гидроалюмината кальция САНю.

11. На основании комплексных исследований разработаны научно обоснованные технические решения с использованием биоцида ПГМГ по предотвращению биогенной деструкции и повышению качества цементной матрицы, иммобилизи-рующей радиоактивные отходы: комплексные цементные материалы «СПЦК», «БИ-ЗОН-БПл», которые применяются в новых технологических процессах цементирования нитратсодержащих ЖРО с повышенным Р/Ц=0,75-1,2; маслосодержащих ЖРО с предварительным суспензированием; мелкозернистых ТРО методом пропитки.

12. Обоснована экономическая и технологическая целесообразность применения предложенных технических решений: применение биоцидной добавки ПГМГ позволит сократить затраты на цементирование 1 м3 маслосодержащих ЖРО в 1,3 раза, 1 м3 мелкодисперсных ТРО в 2 раза; сократить объем и предотвратить биогенную деструкцию конечного компаунда, подлежащего контролируемому длительному хранению, что значительно повысит эффективность переработки, экологическую и радиационную безопасность обращения с РАО.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ изложено в 75 публикациях, в том числе:

1. Варлаков, А. П., Горбунова O.A., Баринов А. С. Модифицирующие комплексные добавки в технологиях цементирования радиоактивных отходов // Медицина труда и промышленная экология. 2006. № 2. С. 29-34.

2. Горбунова O.A. Состояние гидратированных цементных минералов под действием биокоррозии //Вестник МГСУ. 2010. № 3. С.76-81.

3. Горбунова O.A. Влияние микробиологической деструкции цементной матрицы на безопасность длительного хранения кондиционированных радиоактивных отходов // Физика и химия обработки материалов. 2011.№4.С. 98-106.

4. Горбунова O.A. Разработка составов твердеющей смеси с упрочняющей полимерной добавкой ПГМГ на основе отходов горнообогатительного производства // Горный журнал. 2010. № 1. С.83-85

5. Сафонов А.В, Горбунова O.A., Косарева ИМ, Ершов Б.Г., Винокуров С.Е. Влияние денитрифицирующих микроорганизмов на безопасность длительного хранения радиоактивных отходов // Вопросы радиационной безопасности. 2011.№3. С. 3-12

6. Горбунова O.A., Сухов A.A. Программно-математическая обработка графических экспериментальных данных микробиодеструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах радиоактивных отходов // Экологические системы и приборы. 2011. № 12. С.30-40.

7. Горбунова O.A. Кондиционирование низко- и среднеактивных отходов с учетом защиты цементных компаундов от микробиологической коррозии // Известия Томского политехнического университета. 2012 Т320. №1.С. 178-183.

8. Горбунова О. А., Баринов A.C. Микробиологическая оценка состояния цементных компаундов с радиоактивными отходами после длительного хранения в приповерхностных хранилищах // Радиохимия. 2012. Т. 54. № 2.с182-187.

9. Козлов П.В., Горбунова O.A. Цементирование как метод иммобилизации радиоактивных отходов низкой и средней активности. - Озерск: РИЦ ВРБ ФГУП «ПО «Маяк», 2011.- 144 е.: ил.

10. Способ цементирования твердых радиоактивных отходов, содержащих мелкозернистые материалы: пат. 2142657 Рос. Федерация, № 98117020/06; заявл. 03.09.98;

опубл. 10.12.99, Бюл. № 34. - 5 с.

11. Биоцидный цементный раствор: пат. 2197760 Рос. Федерация, №2001111084/06; заявл. 25.04.01; опубл. 27.01.2003, Бюл. №3-9 е.: ил.

12. Устройство для цементирования пропиткой мелкодисперсных радиоактивных и токсичных отходов: пат. 2199164 С2 Рос. Федерация, № 2001110423/06; заявл. 18.04.01; опубл. 20.02.03,Бюл.№5.-8е.: ил

13. Устройство для цементирования пропиткой мелкодисперсных радиоактивных и токсичных отходов: пат. 2301468 С1 Рос. Федерация, №2005141019/06; заявл. 28.12.2005; опубл. 20.06.2007, Бюл. №17.-10 с.:ил.

14. Способ цементирования жидких радиоактивных отходов, содержащих минеральные масло и/или органические жидкости, и устройство для его осуществления: пат. 2317605 Рос. Федерация, № 2006123654/06; заявл. 04.07. 06; опубл. 20.02. 08, Бюл. №5.-10с.:ил.

15. Проблемно-ориентированная система обработки информации о состоянии приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов (микробиологический фактор деструкции): программа для ЭВМ: Св-во о гос. регистрации программного продукта № 2012612639 Рос. Федерация, заявл. № 2012610309 от 19.01.2012,- 6 с.

16. Защита цементных компаундов с РАО от микробиологической деструкции: база данных для ЭВМ: Св-во о гос. регистрации программного продукта № 2012620285 Рос. Федерация, заявл. № 2012620034 от 19.01.12,- 8 с.

17. Varlakov Andrey Р., Gorbunova Olga A., Barinov Aleksandr S., Iljin Vadim A., Konstantin M. Efimov, Petr A. Gembitsky. Application of Polihexamethilenguanidine Type Biocides at Cementing the Radioactive Waste [Эл. ресурс] // ICEM'Ol: The 8-th Intern. Conference on radioactive waste management and environment remediation, Bruges, Belgium, Sept. 30-0ct. 4, 2001. - CD -ROM, p. 1-3.

18.Баринов А. С., Варлаков А. Г1., Горбунова О. А., Ефимов K.M. Применение био-цидных материалов класса полигексаметиленгуанидинов при цементировании радиоактивных отходов // Охрана окруж. среды и обращение с радиоакт. отх. научно-промышленных центров: Итоги научн. деят. ГУП МосНПО «Радон» и ИЭТП за 2002 г., Вып. 10, т. 1,- М.:ИЭТП, 2003. - С. 75-81.

19.Баринов А. С., Варлаков А. П., Горбунова О. А: Влияние биоцидных добавок на свойства цементных компаундов на основе радиоактивных отходов // Охрана окруж. среды и обращение с радиоакт. отх. научно-промышленных центров: Итоги научн. деят. ГУП МосНПО «Радон» за 2003 г., Вып. 11.-М.: ИЭТП, 2005. - С. 58-63.

20. Varlakov А. P., Efimov К. М., Tchernonojkin V. N., Barinov A. S., Gorbunova О. А. Application of the Dry Polyfunctional Additives at Radioactive Waste Cementation [Эл. ресурс] // The 9th International Conference on Environmental Remediation and Radioactive Waste Management ICEM'03. Examination Schools, Oxford, England, September 21-25, 2003. Session 19, 4922. - CD-ROM, p. 1-5. ,

21. Varlakov A.P., Gorbunova O.A., Barinov A.S., Efimov K.M., Gembitsky P.A. Ap-

plication of Polifunctional Biocide Materials at Radioactive Waste Conditioning [Эл. ресурс] // International Conference on Waste Management, Energy Security and a Clean Environment HLW, TRU, LLALW, Mixed Hazardous Wastes and Environmental Management WM'03, Tucson, Arizona, February 23-27, 2003,- 1 CD-ROM.

22. Варлаков А.П., Горбунова O.A., Невров Ю.В., Баринов А.С. Разработка комплексной технологии цементирования радиоактивных маслосодержащих отходов // Охрана окруж. среды и обращение с радиоакт. отх. научно-промышленных центров: Итоги научн. деят. ГУП МосНПО «Радон» за 2005 г., Вып. 13. - M.: IBDG, 2007.-С. 29-33.

23. Varlakov А. P., Gorbunova О. A., Dmitriev S. A., Barinov A. S., Efimov К. M., Cher-nonozshkin V. N. Cementation of Liquid Radioactive Waste Containing Technical Oils [Эл. ресурс] // WM'05 Conference. Tucson, AZ, February 27- March 3, 2005. CD-ROM Session 19b, 5231.- P. 1-4.

24. Варлаков А. П., Горбунова О. А., Ефимов К. M., Хомякова Д. В., Нетрусов А. И. Биодеструкция цементных компаундов РАО при длительном хранении // Обращение с радиоактивными отходами: Сб. тез. 5-й междунар. конф. Москва, 22-24 ноября 2005 г. - М„ ВНИИАЭС, 2005. - С. 22-23.

25. Варлаков А. П., Горбунова О. А., Невров Ю. В., А. С. Баринов. Комплексная технология цементирования маслосодержащих ЖРО // РАДИОХИМИЯ-2006: Сб. тез. докл. V Росс. конф. по радиохимии. Дубна, 23-27 окт. 2006 г. - Дубна, 2006.-С.233.

26. Варлаков А.П., Горбунова О.А., Невров Ю.В., Баринов А.С. Практические результаты совершенствования процесса цементирования жидких органических радиоактивных отходов И Охрана окруж. среды и обращ. с радиоактив, отходами научно- промышленных центров: Труды ГУП МосНПО «Радон»: Итоги научной деятельности за 2007 г., вып. 15. - M.:«IBDG», 2009.- С. 47-51

27. Варлаков А.П., Горбунова О.А., Баринов А.С., Дмитриев С.А., Нетрусов А.И. Микробиологический фактор коррозии при хранении цементных компаундов с радиоактивными отходами // Матер. II Межд. Ядерного форума, С-Пб, 2-5 окт. 2007 г. - СПб.: ФГОУ «ГРОЦ», 2007,- с. 119-121.

28. Баринов А.С., Варлаков А.П., Горбунова О.А., Невров Ю.В., Германов А.В. Новые технологии цементирования РАО // Безопасность окружающей среды, 2008, № 3.-С. 74-78.

29. Горбунова О.А., Варлакова Г.А., Варлаков А.П., Баринов А.С, Дьяконова А.Т., Нетрусов А.И. Микробиологическая оценка состояния цементных компаундов с радиоактивными отходами после длительного хранения в приповерхностных хранилищах // Экология человека и природа: Матер. 7-ой Межд. научной конф., Москва-Плес, 27 июня-2 июля 2008 г.- М: ГУП МосНПО «Радон», Иваново: Ивановский гос. ун-т, 2008.- с.90-96.

30. Горбунова О .А., Баринов А.С., Нетрусов А.И., Панюшкин В.Н. Изменение микроструктуры цементных компаундов с РАО под действием микробиологической

коррозии при длительном хранении // РАДИОХИМИЯ-09: Сб. тез. докл. б-ой Росс, конф. по радиохимии, 12-16 октября 2009 г, Москва.- Озерск: ФГУП «ПО «Маяк», 2009,- С. 245-246.

31. Горбунова О.А., Баринов А.С. Исследование биогенных коррозионных процессов цементной матрицы в приповерхностных хранилищах РАО // Обращение с радиоактивными отходами. Проблемы и решения! Сб. научных статей, посвященный 50-летию ГУП МосНПО «Радон». - Сергиев Посад: ООО «ВДВ «ПАК», 2010,-С.57-64.

32. Горбунова О.А. Защита зацементированных РАО от микробиологической коррозии // Безопасность окружающей среды, 2010, № 3.- С. 126-130.

33. Сафонов А.В., Горбунова О.А., Ершов Б.Г. Роль денитрифицирующих микроорганизмов при длительном хранении радиоактивных отходов // Биотехнология: состояние и перспективы развития: Матер. VI Московск. междунар. конгресса, 4.2, Москва, 21-25 марта 2011.- М.: ЗАО «Экспо-биохим-технологии», РХТУ им. Д.И.Менделеева, 2011.-С.55-56. !

34. Gorbunova Olga A., Barinov Alexander S. Biocorrosion of Cemented Radioactive Waste [Эл. ресурс] // WM'2011 Symposia "Global Achievements and Challengs in Waste Management", February 27- March 3, 2011, Phoenix, AZ.- CD-ROM, 11156.

35. Gorbunova Olga A., Sukhov Andrey A., Barinov Alexander S. Biocorrosion of Cemented Radioactive Waste |Эл. ресурс] // KONTEC'2011: 10,h Intern. Symposium „Conditioning of Radioactive Operational & Decommissioning Wastes" April 06 - April 08, 2011, Dresden, Germany. - CD-ROM, pp. 634-638.

36. Козлов П.В., Горбунова О.А. Цементирование радиоактивных отходов низкой и средней активности.- Озерск: РИЦ ВРБ ФГУП «ПО «Маяк», 2011,- 96 с.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю благодарность за помощь в проведении первичных анализов и организации лабораторных исследований и опытно-промышленных испытаний д.б.н. проф. А.И.Нетрусову, к.б.н. Д.В.Хомяковой, к.б.н. М.А.Егоровой, к.б.н. А.Т. Дьяконовой (каф. микробиологии МГУ им. М.В. Ломоносова), В.Н.Панюшкину, Н.А.Поповой (РХТУ им. Д.И. Менделеева), к.т.н. А.П.Варлакову, к.т.н. А.С.Баринову, д.т.н. проф. С.А. Дмитриеву и коллективу лаборантов цеха № 23 (ГУП МосНПО «Радон»), академику Б.Ф. Мясоедову и сотрудникам лаборатории радиохимии (ГЕОХИ РАН), аспиранту А.А. Сухову (каф. информационных технологий МГУПИ).

Отпечатано в копировально-множительном бюро ГУП МосНПО «Радон» Заказ №

Формат 60x90 1/16 Усл. печ. л. 2,0 Тираж 200 экз.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ.

I БИОГЕННАЯ ДЕСТРУКЦИЯ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ХРАНИЛИЩ ЦЕМЕНТИРОВАННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ. 19

1.1. Микробиоценоз и биодеструкция строительных силикатных материалов. 19

1.1.1. Виды коррозии бетонов (цементной матрицы). 19

1.1.2. Механизмы воздействия микробиологических объектов на бетоны (цементную матрицу). 27

1.2. Микробиоценоз приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов низкой и средней активности. 42

1.3. Биодеструкция «исторических» приповерхностных хранилищ радиоактивных отходов после 40 лет эксплуатации. 48

1.4. Заключение. 63

II БИОГЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ, МИКРОСТРУКТУРЫ И НАДЕЖНОСТИ ФИКСАЦИИ РАДИОНУКЛИДОВ В ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЕ В ХОДЕ НАТУРНЫХ ИСПЫТАНИЙ. 65

2.1. Характеристика исходных материалов. 65

2.2. Методика проведения длительных натурных испытаний. 73

2.3. Методика и оборудование исследования микроструктуры цементной матрицы. 83

2.4. Методики и оборудование микробиологических исследований. 84

2.5. Состояние цементных компаундов в ходе натурных испытаний. 94

2.6. Иммобилизационные свойства цементной матрицы. 104

2.7. Микроструктура цементных компаундов с радиоактивными отходами при длительном хранении. 114

2.8. Микробиоценоз цементных компаундов с радиоактивными отходами. 132

2.9. Концентрации метаболитов, выделяемых микроорганизмами в цементных компаундах с радиоактивными отходами. 173

2.10. Заключение. 181

III МЕХАНИЗМ БИОГЕННОЙ ДЕСТРУКЦИИ ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЫ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ ХРАНИЛИЩ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ. 187

3.1. Методика лабораторных экспериментов. 187

3.2. Деструкция цементной матрицы под действием кислых метаболитов. 189

3.3. Прогностические расчеты величины биогенной деструкции на основе экспериментальных данных. 198

3.3.1. Величина биогенной кислотной деструкции кристаллических сростков микроструктуры. 198

3.3.2. Объемы приповерхностных хранилищ кондиционированных радиоактивных отходов, потенциально подверженные биодеструкции. 212

3.4. Заключение. 217

IV БИОЦИДНАЯ ЗАЩИТА И ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЦЕМЕНТНОЙ МАТРИЦЫ, ИММОБИЛИЗИРУЮЩЕЙ РАДИОАКТИВНЫЕ

ОТХОДЫ. 219

4.1. Методы и материалы биоцидной защиты неорганических строительных материалов. 219

4.2. Эффективность биоцидных добавок в условиях приповерхностных хранилищ. 225

4.2.1. Минимальные подавляющие концентрации биоцидов. 225

4.2.2. Пролонгированность биоцидного действия добавок в условиях гамма-облучения. 227

4.2.3. Параметры и критерии повышения качества процесса цементирования радиоактивных отходов с биоцидными добавками. 231

4.3. Заключение. 236

V ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЦИДНЫХ ДОБАВОК. 237

5.1. Цементирование как основной промышленный метод иммобилизации радиоактивных отходов низкой и средней активности. 237

5.2. Применение биоцидных добавок при цементировании водных солевых жидких радиоактивных отходов с высокой степенью наполнения по отходам. 243

5.3. Применение биоцидных добавок при цементировании маслосодер-жащих жидких радиоактивных отходов с предварительным суспензированием. 248

5.4. Применение биоцидных добавок при цементировании мелкодисперсных твердых радиоактивных отходов пропиткой. 252

5.5. Заключение. 266

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ. 268

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК. 271

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Перечень научно-технической документации ГУП МосНПО «Радон» по внедрению разработанных технологических процессов и цементных материалов с биоцидными добавками. 308

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Технологический регламент ТП Рад Х-16.00/2008. 310 ПРИЛОЖЕНИЕ В. Технологический регламент ТП Рад Х-12.00/2002. 318 ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Технологический регламент ТП Рад Х-06.00/2002. 338 ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Экономическая оценка использования биоцидных добавок в процессах цементирования радиоактивных отходов. 349

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ,

СИМВОЛОВ, ЕДИНИЦ И ТЕРМИНОВ

РАО

ЖРО

ТРО

НАО

CAO

Р/Ц

ПЦМ400Д0 ПЦ М500Д0-БИЗОН-БПл

СПЦК

ПГМГ

ВПЦР

AF3

S88

K9N

КОЕ кл/мл

МПА

БСА

СЭМ

РФА N

P-C2S

С3А

C-S-H

С3АН6

С2АН8 радиоактивные отходы жидкие радиоактивные отходы твердые радиоактивные отходы радиоактивные отходы низкого уровня активности до 10"5Ки/л радиоактивные отходы среднего уровня активности от 10"5до1 Ки/л раствороцементное отношение в цементном растворе, отношение массы ЖРО (раствора Р) к массе цементного материала (цемент+активные добавки Ц) марка портландцемента марка портландцемента комплексная добавка к цементу биоцидного, пластифицирующего и проникающего действия специальный портландцемент с композиционной добавкой биоцидный препарат класса поли-гекса-метилен-гуанидинов высокопроникающий цементный раствор фунгицидный препарат Troysan Polyphase AF3 пленочный антисептик MERGAL® S88 внутритарный жидкий консервант MERGAL® K9N колониеобразующие единицы - единица измерения количества живых клеток микроорганизмов количество клеток микроорганизмов в 1 мл суспензии мясо-пептонный агар - питательная среда для роста бактерий бульон-сусло-агар- питательная среда для роста бактерий сканирующая электронная микроскопия рентгенофазовый анализ коэффициент преломления в иммерсионных жидкостях при исследовании кристаллов петрографическим методом с помощью поляризационного микроскопа полиморфная форма ортосиликата кальция, белит, |3-2СаО Si02 - минерал, входящий в состав цемента трехкальциевый алюминат ЗСаО AI2O3 - минерал, входящий в состав цемента частично закристаллизованный тоберморитоподобный гидросиликат кальция CaO SÍO2 Н20 - гидратированный минерал, входящий в состав твердеющей цементной матрицы кубический шестиводный гидроалюминат кальция ЗСаО AI2O3 6Н20 - гидратированный минерал, входящий в состав твердеющей цементной матрицы гексагональный восьмиводный гидроалюминат кальция Р-2СаО А12Оз 8Н20 - гидратированный минерал, входящий в состав твердеющей цементной матрицы

САНю - десятиводный однокальциевый гидроалюминат кальция

СаО А1203 10Н20 - гидратированный минерал, входящий в состав твердеющей цементной матрицы СзАвзНзг - эттрингит - гидросульфоалюминат кальция {Са6[А1(ОН)6]2 • 24Н20} ' [3804]' [2НгО], или ЗСаО А12Оз ЗСаБС^ ' 32Н20 - гидратированный минерал, входящий в состав твердеющей цементной матрицы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Специфика обращения с радиоактивными отходами (РАО), обеспечение радиоэкологической безопасности хранилищ РАО связана с необходимостью оперировать временными интервалами в сотни и тысячи лет, что приводит к ситуации, когда нынешняя технологическая деятельность заведомо проецируется на ряд последующих поколений. Так, проектный срок эксплуатации приповерхностных хранилищ кондиционированных РАО низкой и средней активности (НАО и CAO) рассчитывается в ряде случаев на срок до 300 лет, на период радиационного контроля до снижения радиоактивности до безопасного уровня.

Для кондиционирования НАО и CAO наиболее распространенным в России и других странах является цементирование, позволяющее при простоте технологического процесса, доступности матричного материала и невысоких капитальных и эксплуатационных затратах получать конечный продукт, удовлетворяющий требованиям нормативных документов.

В настоящее время контроль качества цементированных радиоактивных отходов не учитывает возможную микробиологическую деструкцию цементной матрицы. Однако в составе НАО и CAO преобладают вещества (концентраты минеральных солей - нитраты, сульфаты, хлориды и др., отработанные минеральные масла и органические жидкости, целлюлозосодержа-щие материалы и др.), потенциально являющиеся при долговременном хранении в факультативно-анаэробных условиях приповерхностных хранилищ питательной средой для развития микроорганизмов. Это делает возможным биогенное нарушение микроструктуры цементной матрицы (появление мик-ропор, трещин, полостей). Микробиологическая деструкция может выступать фактором разрушения цементной матрицы и наряду с действием влаги и перепадов температур снижать безопасность долговременного хранения кондиционированных форм РАО.

Своевременное предотвращение биодеструкции цементной матрицы для обеспечения надежного и безопасного хранения кондиционированных РАО, совершенствование методов защиты от всех потенциальных агрессивных факторов и повышение качества цементных компаундов с РАО остается в настоящее время актуальной проблемой.

Цель и задачи исследований

Целью работы является установление закономерностей процессов микробиологической деструкции цементной матрицы, оценка значимости данного фактора и разработка научно обоснованных технических решений по его предотвращению для повышения надежности и безопасности хранения кондиционированных форм РАО.

Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Определить наличие, численность, родовую принадлежность и тип метаболизма ассоциация микроорганизмов в цементных компаундах приповерхностных хранилищ с НАО и CAO после 40 лет хранения.

2. Провести многолетние (до 10 лет) натурные испытания и на основании полученных экспериментальных данных установить механизм биогенных деструктивных процессов, влияющих на изменение микроструктуры и физико-химических свойств цементной матрицы.

3.С помощью программно-математического анализа по экспериментальным данным натурных испытаний оценить величину биогенной деструкции и значимость этого фактора для сохранения цементной матрицей свойств надежной иммобилизации радионуклидов 137Cs, 90Sr в течение длительного периода эксплуатации хранилищ РАО.

4. Определить функциональные свойства ряда биоцидных добавок по отношению к микроорганизмам хранилищ кондиционированных РАО, а также совместимость добавок с компонентами цементного компаунда на основе жидких (ЖРО) и твердых (ТРО) радиоактивных отходов; выбрать биоцид-ные добавки, обеспечивающие цементными компаундам эффективную пролонгированную защиту в условиях приповерхностных хранилищ низкои среднерадиоактивных отходов и повышающие качество цементных компаундов.

5.Разработать и опробовать новые методы цементирования отдельных видов ЖРО и ТРО с применением выбранных биоцидных добавок, улучшающих параметры технологического процесса и качество цементных компаундов.

6. Обосновать экономическую целесообразность применения предложенных технических решений по биоцидной защите и повышению качества цементных компаундов с НАО и CAO.

Связь работы с научными программами, планами, темами

Работа выполнялась в соответствии с планом НИОКР ГУЛ МосНПО «Радон» на 2000-2010 г.г. по «Программе совершенствования и повышения качества, безопасности, надежности технологии и средств производства при обезвреживании РАО, обеспечения радиоэкологической безопасности населения и охраны окружающей среды Московского региона» (темы 2.06.01, 2.03.01) на основании постановлений Правительства Москвы, а также в рамках Федеральной Целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (Государственный контракт № П755 от 20.05.2010, ГЕОХИ РАН).

Основными методами исследований при решении поставленных задач были: систематическая обработка полученных данных натурных испытаний - результатов физико-химических, микробиологических, микроструктурных исследований с помощью радиометрических, хроматографических, электронно-микроскопических (СЭМ), рентгенофазовых (РФА), петрографических, физико-механических, химических методов анализа; программно-математическая обработка экспериментальных графических данных (микрофотографий СЭМ) и прогнозирование; аналитические, лабораторные исследования на основе стандартных и специальных методик подготовки проб, выполнения измерений, количественного анализа, проведения испытаний; а также опытно-промышленные натурные испытания новых добавок и методов при цементировании реальных ЖРО и ТРО.

Объектами исследований были:

1-пробы кериового материала, отобранные при экспериментальном бурении цементного монолита приповерхностных хранилищ РАО 1960-х годов консервации (возраст цементных компаундов более 40 лет);

2-модельные цементные образцы, содержащие биоцидные добавки и компоненты РАО - потенциальные субстраты для развития микробного сообщества, после 1, 2,5, 4,5, 8,5, 10 лет натурных испытаний в условиях приповерхностных хранилищ;

3-чистые культуры микроорганизмов, изолированные из проб керна и модельных цементных образцов с РАО в различные сроки натурных испытаний;

4-цементные компаунды с нитратсодержащими водными солевыми ЖРО, маслосодержащими ЖРО, сыпучими мелкозернистыми ТРО в возрасте твердения до 1 года, полученные при лабораторных и опытно-промышленных испытаниях методов цементирования с биоцидными добавками.

Предметом исследований являлись:

1- процесс биогенного разрушения микроструктуры цементной матрицы при долговременном хранении кондиционированных форм РАО;

2- свойства биоцидных добавок;

3- методы биоцидной защиты и повышения качества цементных компаундов с РАО на стадии цементирования ЖРО и ТРО.

Достоверность и обоснованность полученных результатов и выводов подтверждаются представительным объемом комплексных многоплановых экспериментальных исследований, полученных с помощью аттестованных методик в специализированных аккредитованных испытательных лабораториях; согласующимися микробиологическими, физико-химическими и микроструктурными данными многолетнего мониторинга состояния цементных компаундов с РАО в приповерхностных хранилищах; соответствием расчетных данных и натурных испытаний, полученных при различных уело> виях на реальных объектах. и

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

- установлено и экспериментально подтверждено наличие в цементных компаундах с РАО денитрифицирующих и бродильных микроорганизмов родов Bacillus, Pseudomonas, Rhodococcus, Alcaligenes, Micrococcus, Mycobacterium, Arthrobacter, Flavobacterium, способствующих ухудшению состояния цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы, в приповерхностных хранилищах в период хранения до 40 лет;

- рассмотрен и экспериментально подтвержден механизм биогенной деструкции цементной матрицы в приповерхностных хранилищах РАО, заключающийся в том, что бактерии используют в качестве питательной среды компоненты радиоактивных отходов (нитратные соли, масла и органические жидкости, целлюлозные включения), в процессе метаболизма выделяют газы и кислоты в установленных концентрациях, способствующих поро- и трещи-нообразованию в цементной матрице, что при длительном хранении ведет к снижению иммобилизационных свойств компаунда и ухудшению радиоэкологической безопасности хранилищ кондиционированных РАО;

- количественно определена значимость биодеструкции цементной матрицы при длительном хранении: установлена численность микроорганизмов, концентрации кислых и газообразных метаболитов, скорость разрушения кристаллов гидратных новообразований цементной матрицы, скорость образования локальных участков биогенной деструкции цементной матрицы, объемы приповерхностных хранилищ, потенциально подверженных биогенной деструкции по температурному лимитирующему фактору;

- установлено функциональное действие ряда биоцидных препаратов по отношению к микроорганизмам, развивающимся в условиях хранилищ кондиционированных низко- и среднерадиоактивных отходов. Экспериментально подтверждена эффективность действия биоцидных добавок в условиях гамма-излучения. Показана возможность пролонгированной биоцидной химической защиты цементных компаундов на стадии цементирования радиоактивных отходов;

- показана эффективность модифицирующего влияния полимерного препарата класса полигексаметиленгуанидинов (ПГМГ) на реологические, водоудерживающие и пенетрационные свойства цементных растворов, а также на формирование микроструктуры, прочность и химическую стойкость цементных компаундов с различными видами жидких и твердых радиоактивных отходов. Определены параметры технологических процессов цементирования РАО с добавкой ПГМГ; реализация разработанных процессов в промышленных условиях способствует увеличению доли радиоактивных отходов в конечном компаунде, снижению расхода цемента, сокращению радиа-ционно опасных стадий и вторичных жидких радиоактивных отходов.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основании результатов исследований разработаны и внедрены в ГУП МосНПО «Радон» новые материалы и технологии, позволяющие повысить надежность и безопасность долговременного хранения кондиционированных форм РАО, а именно:

1. Комплексная добавка проникающего и защитного действия для бетонов и растворов «БИЗОН-БПл» (ТУ 5743-159-46854090-2003), содержащая биоцидный препарат ПГМГ, успешно примененная при повторной герметизации «исторических» приповерхностных хранилищ РАО в ГУП МосНПО «Радон» в 2000-2005 г.г.

2. Специальный портландцемент с композиционной добавкой «СПЦК» (ТУ 5734-001-56873527-2006), содержащий биоцидную добавку ПГМГ, используемый для цементирования ЖРО и ТРО в ГУП МосНПО «Радон» в 2006-2011 г.г.

3. Технологический процесс и установка цементирования мелкозернистых ТРО методом пропитки (ТП Рад Х-06.00/2002, Патенты РФ №2142657, № 2199164, № 2301468), внедренные в ГУП МосНПО «Радон» с 2003 года.

4. Технологический процесс цементирования водных солевых ЖРО с повышенным Р/Ц=0,75-1,2 (ТП Рад Х-12.01/2003, Патент РФ № 2197760) и блок предварительного суспензирования солевых и маслосодержащих ЖРО

ТП Рад Х-12.03/2008, Патент РФ № 2317605), внедренные в ГУП МосНПО «Радон» в 2002 -2008 годах.

Научные и практические результаты исследований вошли в учебные пособия по лекционным курсам «Переработка радиоактивных отходов» для студентов Озерского технологического института Национального исследовательского ядерного университета (ОТИ НИЯУ «МИФИ», ЗАТО Озерск, ФГУП «ПО «Маяк», с 2010 г.) и «Утилизация техногенных отходов в подземном пространстве» для студентов Московского государственного горного университета (МГГУ, Москва, с 2005 г).

Личный вклад автора

Все научные результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены лично автором. Автором осуществлена постановка цели и задач исследования, планирование работы. Автор лично разрабатывала методики натурных испытаний; осуществляла постановку и научное сопровождение экспериментов, принимала непосредственное участие в отборе проб и выполнении анализов, лично обрабатывала и обобщала материалы многолетних наблюдений и результатов анализов, принимала участие в создании программных продуктов для математической обработки графических данных, а также лично участвовала в разработке, испытаниях и внедрении новых цементных биоцидных материалов, технологий и установок цементирования ЖРО и ТРО.

Автор выражает искреннюю благодарность за содействие в микробиологических исследованиях сотрудникам кафедры микробиологии МГУ им. М.В. Ломоносова д.б.н. проф. А.И.Нетрусову, к.б.н. Д.В.Хомяковой, к.б.н. М.А.Егоровой, к.б.н. А.Т.Дьяконовой; за содействие в выполнении микроструктурных анализов сотрудникам РХТУ им. Д.И. Менделеева В.Н.Панюшкину, Н.А.Поповой; за содействие в организации лабораторных и опытно-промышленных испытаний к.т.н. А.П.Варлакову, к.т.н. A.C. Барино-ву, коллективу цеха №23 ГУП МосНПО «Радон», академику Б.Ф. Мясоедову и сотрудникам лаборатории радиохимии ГЕОХИ РАН; за содействие в разработке программно-математических методов аспиранту ГОУ ВПО МГУПИ

А.А.Сухову, а также коллегам и друзьям за творческую поддержку и ценные советы.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались и получили одобрение на 16 российских и 17 международных научно-технических конференциях: "Радиационное наследие XX века и восстановление окружающей среды" (Москва, РАН, 2000); Научно-техн. конф. "Свердловскому ядерному научному центру - 35 лет" (Заречный, 2001); 4-я, 5-я, 6-я Межд. научно-практ. конф. "Обращение с радиоактивными отходами" (Москва, ГП ВНИИАЭС, 2001, 2006, 2008); Межд. научно-техн. конф., поев. 60-летию СвердНИИхиммаша (Екатеринбург, 2003); 5-я, 6-я Росс. конф. по радиохимии "Радиохимия" (Дубна, 2006, Москва, 2009); 1-я, 2-я, 3-я, 4-я Росс. конф. молодых учёных и специалистов "РАДУГА. Обращение с РАО. Проблемы и решения" (Сергиев Посад, 2006, 2008, 2010, 2011); 2-ой Межд. ядерный форум (СПб, 2007), 7-я Межд. конф. «Экология человека и природа» (Москва-Плес, 2008); Отраслевая на-учно-практ. конф. молодых специалистов и аспирантов «Молодежь ЯТЦ: наука и производство» (г. Северск, СХК, 2007); 11-я, 12-я Всеросс. конф. молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям (Красноярск, 2010, Новосибирск, 2011); 6-ой Московский межд. конгресс «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2011); Молодежная научная конф. «Современные проблемы радиохимии и радиоэкологии (к 25-летию аварии на ЧАЭС)» (ГЕОХИ РАН, Москва, 2011); Межд. молодежный форум «Ядерное будущее» (Голицыно, 2011); 11-я Всеросс. выставка научно-технич. творчества молодежи НТТМ-2011 (Москва, ВВЦ, 2011); 3-ий Всеросс. симпоз. «Разделение и концентрирование в аналит. химии и радиохмии» (Краснодар, 2011); Росс. конф. с межд. участием, поев. 60-летию кафедры радиохимии УГТУ-УПИ «Актуальные проблемы радиохимии и радиоэкологии» (Екатеринбург, 2011); "Spectrum'98" (Denver, Colorado, USA, 1998); ICEM' 99, '01, '03,'05: 7th, 8th, 9th, 10* "International Conference on Radioactive Waste Management and Environmental Remediation" (Nagoya, Japan, 1999; Bruges, Belgium, 2001; Oxford, England, 2003; Glasgow,

Scotland, 2005); WM' 99, '03, '05, '11: "International Conférence on Waste Management, Energy Security and a Clean Environment HLW, TRU, LL/ILW, Mixed Hazardous Wastes and Environmental Management" (Tucson, Arizona, USA, 1999, 2003, 2005, 2011); KONTEC'2011: 10th International Symposium „Conditioning of Radioactive Operational & Decommissioning Wastes" (Dresden, Germany, 2011).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 75 работ, в том числе 9 научных статей в российских изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография (в соавторстве), 5 Патентов РФ и 2 Свидетельства о государственной регистрации программных продуктов, 3 учебных пособия, материалы российских и международных конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, экспериментальной части, изложенной в 5 главах, общих выводов, библиографии и 5 приложений; изложена на 307 страницах машинописного текста, включающего 84 рисунка и 47 таблиц, список литературы из 299 наименований.

5.5. Заключение

Предотвращение биогенной деструкции и повышение качества цементных компаундов с РАО является актуальной задачей, так как цементирование в настоящее время в России и за рубежом является основным промышленным методом для иммобилизации практически всех видов жидких и твердых НАО и CAO.

Применение биоцидного полимера класса полигексаметиленгуаниди-нов (ПГМГ, Фосфопаг®) в опытно-промышленных технологиях цементирования различных видов ЖРО и ТРО низкой и средней активности позволяет не только предотвратить биодеструкцию цементных компаундов при длительном хранении в приповерхностных хранилищах, но и повысить качество цементной матрицы, иммобилизирующей радиоактивные отходы по всем обозначенным критериям:

-повысить степень наполнения цементных компаундов по отходам; —повысить надежность иммобилизации радионуклидов в цементной матрице; -обеспечить удобные для ведения технологического процесса свойства цементного раствора;

-сократить количество вторичных радиоактивных отходов, образующихся в ходе процесса цементирования; -сократить радиационно опасные операции в ходе технологического процесса.

В присутствии полимера ПГМГ при равных Р/Ц (В/Ц) улучшаются свойства цементных растворов и затвердевших цементных компаундов: —растекаемость цементного раствора увеличивается в 1,2 раза; -водоотделение цементного раствора снижается в 1,5-1,7 раза; -проникающая способность цементного раствора увеличивается в 2-2,5 раза; -прочность на сжатие повышается в 1,6-2 раза.

Кроме улучшения ряда важных технологических параметров процесса цементирования и регламентированных свойств конечного компаунда, использование биоцидной полимерной добавки ПГМГ расширяет рабочий диапазон до значений Р/Ц=0,5-1,2 и снижает затраты при цементировании: -маслосодержащих ЖРО в 1,35 раза; - мелкодисперсных ТРО в 2,12 раза;

-водных нитратсодержащих ЖРО при равных затратах и улучшенном качестве конечного компаунда сократить объем конечного компаунда в 1,33 раза.