№ 2
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2013
УДК 621.039
© 2013 г. БИЛАШЕНКО В.П.1, СОТНИКОВ В.А.1
ДЕГРАДАЦИЯ ЗАЩИТНЫХ БАРЬЕРОВ ЗАТОПЛЕННЫХ РАДИАЦИОННО ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ, МЕТОДЫ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА ИХ СОСТОЯНИЯ
Начиная с 60-х годов прошлого столетия, в Арктических морях проводились масштабные захоронения радиоактивных отходов атомного военного и ледокольного флотов. В настоящее время среди них наибольшую опасность представляют объекты с отработавшим ядерным топливом и крупногабаритные реакторные конструкции с высоким уровнем наведенной активности.
Перед затоплением объекты подвергались консервации, в связи с чем масштабы и последствия потенциальной опасности от этих объектов зависят от современного состояния защитных барьеров (их коррозионного разрушения), отделяющих радиоактивные вещества от морской среды, механизмов их дальнейшего переноса, что может привести к воздействию на биоту и человека. В представленной работе предложена методика оценки деградации защитных барьеров.
Методика позволяет определить наиболее вероятные пути поступления воды в затопленные объекты с учетом особенностей их конструкции и материалов изготовления, выполнить расчеты коррозионного разрушения защитных барьеров, оценить и спрогнозировать изменения состояния защитных барьеров на затопленных и затонувших объектах. Для герметичных объектов возможно определение времени их разгерметизации и начала выхода техногенных радионуклидов в морскую среду.
Трудно переоценить современный интерес со стороны мирового сообщества и крупнейших российских компаний к Арктическому бассейну, и в частности к новым колоссальным месторождениям углеводородов в условиях высоких и волатильных цен на рынке энергоносителей, поэтому этот регион становится зоной политических интересов стран, примыкающих к нему [1].
Кроме экологического фактора, важного при разработке месторождений необходимо учитывать местоположение, и потенциальную опасность от затопленных радиационно-опасных объектов (ЗЯРОО) [2]. Таким образом, необходимо учитывать политические риски со стороны мирового сообщества, так как нахождение ядерных радиоактивных отходов (ЯРОО) на дне накладывает определенные ограничения на разработку месторождений и требует всестороннего исследования и доказательства, что добыча полезных ископаемых не изменит радиационной безопасности региона.
В нашей стране затопления радиоактивных отходов (РАО) в морях начали с момента создания атомного флота в 1959 г. и продолжали по 1993 г. включительно. За весь период эксплуатации кораблей с ядерными энергетическими установками (ЯЭУ) Северного флота было удалено 25,9 кКи (958 ТБк) жидких радиоактивных отходов (ЖРО) и затоплено 33,5 кКи (1240 ТБк) твердых радиоактивных отходов (ТРО). Почти
1ИБРАЭ РАН.
все ЖРО слиты в Баренцевом море, все ТРО затоплены в Карском море [3]. В настоящий момент в акватории Арктики находятся:
— семь объектов с отработавшим ядерным топливом (ОЯТ) — три атомные подводные лодки (АПЛ) (две из них затонули аварийно), два реакторных отсека (РО) АПЛ, реактор АПЛ, экранная сборка ледокола "Ленин";
— более 700 крупногабаритных объектов с ТРО — три РО АПЛ без ОЯТ, 19 судов с ТРО в трюмах без контейнеров (в т.ч. баржа с реактором АПЛ без ОЯТ), выемной экран реактора, крышки реакторов, парогенераторы, циркуляционные насосы и т.п.;
— более 17 тысяч контейнеров с ТРО [3].
Экспедиции в районы затопления к ядерным и радиационно-опасным объектам показали, что на данный момент реальной опасности они не представляют, благодаря использованным технологиям консервации и подбору материалов защитных барьеров. Однако из-за коррозионного разрушения защитных барьеров, часть этих объектов (особенно содержащих ОЯТ) следует рассматривать, как источники потенциальной опасности. Масштабы и последствия опасности зависят от состояния защитных барьеров, отделяющих радиоактивные вещества от морской среды, механизмов их дальнейшего переноса (не исключен трансграничный перенос) в воде, воздействия на биоту и человека. Следовательно, в качестве основного подхода для оценки безопасности ЗЯРОО представляется целесообразным принять оценку деградации защитных барьеров, что при обобщении и анализе информации о них и материалах их изготовления позволит ввести временной критерий. Исследование поведения (разрушения) защитных барьеров ЯРОО в условиях постоянного воздействия на них морской воды является важнейшей задачей, для достижения которой необходимо:
1. Определение наиболее вероятных путей поступления воды в затопленные объекты с учетом особенностей конструкций и материалов. Выполнение расчетов коррозионного разрушения защитных барьеров.
2. Оценка и прогноз изменения состояния защитных барьеров на затопленных и затонувших объектах. Определение времени их разгерметизации и начала выхода техногенных радионуклидов в морскую среду.
Анализ
Коррозионная стойкость материалов в морской воде исследовалась для условий различных районов Мирового океана, однако сильно зависит не только от параметров морской воды: среднегодовая температура, концентрация растворенного кислорода и т.п., но и от химического состава материала. Даже незначительные вариации в химическом составе сплава могут привести к приобретению противоположных свойств, в том числе и коррозионных [4]. В этой работе сделано уточнение существующих подходов к оценке состояния процессов коррозии металлов на различных глубинах в условиях Арктики без поправок на качество материала.
Наибольшее количество данных об испытаниях сталей в морской воде при различных условиях приведено в работе [5]. Большинство данных имеет отношение к восточному побережью Тихого океана, но, учитывая замкнутость мировой водной экосистемы можно попытаться установить зависимость скорости коррозии в каком-либо регионе от параметров морской воды, таких как концентрация растворенного кислорода, температура, соленость, обрастание микроорганизмами и водородный показатель (рН).
В работах [6—9] была установлена и дана количественная оценка влияния на скорость коррозии изменения концентрации кислорода в воде и её температуры, так как при неподвижности объектов захоронения вариации солености не превышают, как правило, 1%:
— повышение концентрации кислорода на 1 мг/кг увеличивает скорость коррозии углеродистой стали на «25 ± 5 мкм/год;
— изменение температуры морской воды на 1°С приводит к изменению скорости коррозии углеродистой стали на «4,5 ± 0,5 мкм/год;
— объект в первый год после погружения в морскую воду корродирует усиленно в отсутствие обрастания на поверхности, в связи с чем скорость коррозии поверхности в первый год примерно в три раза выше, чем в последующие.
С целью сохранения преемственности и получения сопоставимых результатов последующей оценки выхода радионуклидов в морскую воду в результате коррозии защитных барьеров из различных затопленных объектов предложенная методика расчетов коррозионных разрушений основывалась на данных о составе воды и методических подходах, изложенных в [3].
Она имела некоторые отличия:
— значения коэффициентов коррозии металлов принимались в среднем сопоставимыми с ранее использовавшимися, однако для каждого конкретного района вносилась поправка на различие гидрологических условий;
— в процессе коррозионного разрушения учитывались два типа коррозии: питтин-говая и сплошная, что позволяет оценить период начального поступления радионуклидов в морскую воду;
— учитывалось, что скорости коррозии не идентичны на внешних и внутренних поверхностях объектов и могут отличаться многократно.
Опыт эксплуатации реальных металлических конструкций в различных морских средах показывает, что существует несколько распространенных видов коррозионного разрушения [5]. Наиболее распространенными формами коррозии в морских условиях, помимо непосредственно общей коррозии, связанной с потерей массы металла и проходящей практически равномерно по всей его поверхности, являются питтинговая и щелевая.
Питтингом называют коррозию, происходящую на сильно локализованных участках поверхности металла. При этом остальная часть поверхности существенно не разрушается. Возникновению питтинга обычно способствуют такие факторы, как поверхностные дефекты, стоячая вода, присутствие ионов тяжелых металлов и локальные отложения посторонних веществ.
Во многих отношениях процесс возникновения питтинговой и щелевой коррозии аналогичен. Как правило металлы, подверженные питтингу, оказываются склонны и к щелевой коррозии, поэтому далее эти две разновидности коррозии будут рассматриваться как одна — питтинговая.
При рассмотрении коррозионных процессов, происходящих с объектами, погруженными в морскую воду, следует разделять их на герметичные и негерметичные. К герметичным объектам будем относить реакторы с ОЯТ и без ОЯТ, закрытые крышками, и РО, т.е. объекты, у которых с момента погружения процессы общей (идущей по всей поверхности) и питинговой (точечной) коррозии идут сначала на внешней поверхности, и только после появления точечных (питтинговых) сквозных отверстий, когда объект перестает быть герметичным, металл начинает корродировать с двух сторон.
Для негерметичных затопленных объектов, таких как контейнеры с ТРО, корпуса и крышки реакторов, парогенераторы, циркуляционные насосы и т.п., процесс общей и питтинговой коррозии идет одновременно на внешней и внутренней поверхностях сразу с момента их затопления по всей площади вплоть до полного его разрушения.
Для герметичных и для негерметичных объектов питтинг приводит к появлению новых сквозных отверстий. Со временем их количество и размеры увеличиваются, так что водообмен между открытой водой и внутренним объемом затопленного объекта возрастает, что приводит к усилению коррозионного разрушения.
Однако после образования питтинговых отверстий скорость коррозии внутренних поверхностей в связи с наличием внутри отдельных объектов нерастворимых ТРО или оборудования не может достичь скорости на внешних поверхностях и принимается на уровне 75% от уровня последней. Для иллюстрации данной схемы коррозионного разрушения рассмотрим затопленный герметичный реакторный отс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.