ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Наименование инновационного проекта

Производство радиационно-защитного бетона нового поколения

Рекомендуемая область пременения

– контейнеры для транспортировки радиоактивных и высокотоксичных веществ;
– контейнеры для длительного хранения радиоактивных и высокотоксичных веществ;
– изготовление или футеровка ограждающих конструкций бункеров и могильников подземного захоронения радиоактивных и высокотоксичных веществ, бассейнов выдержки и др.

Назначение, цели и задачи проекта

Основное назначение проекта – разработка мобильной производственной линии по изготовлению изделий из сверхтяжелого бетона для защиты от радиации.

Из разработанного бетона предлагается изготавливать контейнеры для транспортировки и захоронения радиоактивных и высокотоксичных отходов, в том числе битумно-солевые смеси, образующиеся после обезвреживания химического оружия. В настоящее время не существует технологии переработки и безопасного хранения таких смесей. Необходимость разработки технологии безопасного хранения битумно-солевых смесей очевидна, так как только на территории Пензенской области будет переработано 17,1% химического оружия России.

Обеспечение безопасного хранения битумно-солевых смесей определяется универсальностью термопластичного вяжущего, применяемого для изготовления капсулирующего материала (при создании такого материала не требуется применение специальных заполнителей, что значительно снижает стоимость бетона).

Кроме того, программа развития атомной отрасли России предполагает дальнейшее активное строительство объектов атомной энергетики и утилизацию отработанного оборудования.

В настоящее время на 105 предприятиях атомной промышленности России в пунктах хранения находится более 500 млн. м³ жидких радиоактивных отходов (ЖРО) суммарной активностью 7,3?10¹⁹ Бк. По оценкам предприятий 465 млн. м³ ЖРО (90,3%) сосредоточены в 97 пунктах приповерхностного хранения, не изолированных от окружающей среды.

Твердые радиоактивные отходы (ТРО), накопленные в 274 пунктах хранения, представлены, в основном, отходами горнодобывающих производств, забалансовыми рудами, спецодеждой, крупногабаритным и лабораторным оборудованием, тарой, малогабаритными металлоконструкциями, строительными материалами, загрязненным грунтом. Общее количество ТРО составляет 177млн. т (из них в отвалах - 156 млн. т), причем низкоактивных отходов - 99,5%.

Переработка отходов осуществляется медленно (за все время работы 30-ти установок объем переработанных ЖРО равен 148,3 млн. м³, ТРО - 45,3 тыс. т). Это неизбежно вызывает загрязнение территорий (общая площадь отчужденных земель и водоемов равна 481,4 км²). Из-за сложности проблемы ее решение ограничивается научно-техническими исследованиями, полевыми экспериментами и временными захоронениями (промышленное захоронение ТРО осуществляется только в Германии и Франции).

Значительная часть (более 99%) радиоактивных продуктов атомного цикла относиться к группе низкоактивных  отходов, для утилизации которых необходимы значительные материальные и энергетические ресурсы.

Необходимо также обеспечить уменьшение негативного влияния объектов по добычи урановой руды на окружающую среду.

Указанные задачи можно решить путем создания универсального строительного материала – бетона для защиты от радиации нового поколения. Однако технология промышленного изготовления изделий, как в условиях предприятия, так и в полевых условиях из такого бетона в настоящее время не разработана.

Краткое описание заменяемого процесса или решаемой проблемы

Для изготовления радиационно-защитного бетона в качестве вяжущего вещества использовано термопластичное вяжущее вещество (сера), в качестве заполнителя – традиционные зерновые материалы, применяемые для приготовления радиационно-защитных бетонов на основе минеральных и органических вяжущих (барит, свинцовая дробь, карбонатные породы, металлургические шлаки и др.).

Сера является крупнотоннажным отходом нефте- и газоперерабатывающей отрасли, стоимость которого значительно меньше цемента, традиционно применяемого для создания защитных бетонов. Целесообразность применения серы следует из анализа требований, предъявляемых к строительным материалам, эксплуатирующихся в условиях ионизирующих излучений.

Основным требованием к компонентам композиционных материалов специального назначения является их стойкость к эксплуатационным воздействиям. С теоретических позиций для создания радиационно-стойких материалов целесообразно использовать вещества, состоящие из металлических или молекулярных кристаллов, то есть в которых преобладает ненаправленный характер связи. Естественно, что с увеличением величины энергии связи ее прочность и, следовательно, стойкость материала возрастают. Этим объясняется широкое использование металлических материалов на объектах атомной отрасли при сооружении энергетических установок.

Элементарные частицы в молекулярных кристаллах связаны относительно слабыми силами Ван-дер-Ваальса, и поэтому такие кристаллы имеют низкую температуру плавления, высокий температурный коэффициент линейного расширения и относительно невысокую прочность. Однако вещества, имеющие такой тип строения, целесообразно использовать для изготовления композитов, испытывающих при эксплуатации малоинтенсивные радиационные воздействия при одновременном действии химически активных сред. Из веществ, имеющих молекулярное кристаллическое строение, на наш взгляд, значительные преимущества имеет сера.

Кристаллы серы состоят из замкнутых молекул, атомы в которых связаны прочными ковалентными связями. Воздействие ионизирующих излучений приводит к разрыву межатомных связей, образованию и стабилизации полимерной серы, которая является неустойчивой модификацией, реверсирующей в кристаллические фазы с выделением тепла. При этом сера не претерпевает значительных изменений, что обуславливает ее достаточно широкое применение в технологии полимерных материалов в качестве антирадиационной добавки. По радиационно-защитным свойствам сера не уступает вяжущим и химическим элементам, традиционно применяемым в радиационной защите: коэффициент ослабления нейтронного излучения энергии 2…10 МэВ больше аналогичного показателя для водорода и углерода; исследования, проведенные автором совместно с Ю.И. Орловским, показали, что интегральный коэффициент поглощения g-излучения серы при энергии фотонов 1,173 МэВ резко увеличивается, что можно объяснить интенсификацией процесса комптоновского рассеивания вследствие ионизации кольцевых и полимерных молекул серы (для бетона на портландцементе коэффициент g-поглощения уменьшается).

Базовыми требованиями при выборе дисперсных фаз для композиционных материалов специального назначения являются: для химически стойкого материала – химическая инертность наполнителя, а для радиационно-защитного материала - химический состав, обеспечивающий эффективное поглощение излучения или относительную «прозрачность» наполнителя к радиации (в случае создания радиационно-стойкого материала).

Очевидно, что применение наполнителя для изготовления радиационно-защитных композитов экономически эффективно при условии уменьшения толщины и массы конструкции защиты (при обеспечении требуемого уровня безопасности):

где dт_к - относительное изменение массы конструкции защиты; В - фактор накопления; m/r- массовый коэффициент ослабления излучения;  индексы эт, н - обозначения для базового и нового радиационно-защитного материала конструкции, соответственно.

Повышение эффективности материала сопровождается, как правило, увеличением затрат на его изготовление (формулировка цели оптимизации как одновременного достижения наилучших защитных показателей при наименьшей стоимости приводит к задаче, не имеющей решения). Для оценки эффективности применения проектируемого материала целесообразно использовать показатель q_ef, характеризующий полезный эффект от увеличения его себестоимости:

,

- относительное изменение себестоимости и массового коэффициента ослабления, соответственно.

В некоторых случаях снижение радиационного воздействия до безопасного уровня требуется осуществить при ограниченных геометрических размерах конструкции. В этом случае эффективность композита можно оценить по коэффициенту k_G, равному:

,

где h_н, h_эт- толщина защитного слоя, изготовленного, соответственно, из нового и базового материалов.

Применение материала эффективно при условиях: q_ef меньше или равно 1, k_G меньше или равно 1. 

Анализ результатов технико-экономического расчета, проведенного для серных композитов, изготовленных на различных наполнителях, имеющихся в Пензенской области и на территории России (барит, ферроборовый шлак, оксид свинца, отход стекольной промышленности, сажа, известняк, кварцевый наполнитель, ангидрит, галенит), показывает, что применение галенита, оксида свинца, сажи, а также в качестве заполнителя свинцовой дроби для изготовления защитных материалов q_ef и возможно по k_G. Использование других видов дисперсных фаз рационально для приготовления специальных мастик и бетонов.

Для изготовления материала, предназначенного для капсулирования битумно-солевой смеси, предлагается использовать в качестве заполнителя традиционные заполнители, пригодные для цементных бетонов (кварцевый песок, карбонатные породы).

Краткое описание предлагаемого технологического процесса

Технология получения радиационно-защитного бетона нового поколения включает следующие переделы (см. также таблицу):

– подготовка исходных компонентов (дробление, сортировка, помол и сушка);

– разогрев серы в смесителе до температуры 150±5оС и модифицирование расплава добавками (органическими веществами и минеральными волокнами);

– дозирование и нагрев заполнителей до температуры 150±5оС;

– перемешивание компонентов по однородной смеси;

– формование и охлаждение изделий;

– приемка ОТК.

Основные технологические параметры по стадиям процесса

Технология получения композита для капсулирования включает следующие переделы:

– подготовка исходных компонентов (дробление, сортировка, помол и сушка);

– разогрев серы в смесителе до температуры 150±5^оС и модифицирование расплава добавками (органическими веществами и минеральными волокнами);

– дозирование и нагрев наполнителей до температуры 150±5^оС;

– перемешивание компонентов по однородной смеси;

– нагрев битумно-солевой смеси и смешение с подготовленным дисперсным носителем;

– смешение отдозированного количества битумно-солевой смеси с нагретым капсулирующим материалом и перемешивание смеси до однородной смеси;

– формование и охлаждение изделий;

– приемка ОТК.

Основные свойства разработанных серных композитов (патенты №2132830, 2105739, 2152368, 2208851, 2234477, 2235079, 2237300)

Примечания: * - показатели определены после 360 суток экспозиции; ** - после 100 теплосмен (нагрев в паровоздушной среде до Т=80оС и охлаждение в воде с Т=20оС).

Технико-экономическое обоснование применения инновационной технологии

Разработанный в результате многолетних исследований структуры и свойств радиационно-защитных материалов сверхтяжелый бетон нового поколения выгодно отличается от российских и зарубежных аналогов как технологическими особенностями приготовления, так и реологическими, физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Высокая подвижность бетонных смесей позволяет изготавливать штучные изделия, строительные конструкции любой конфигурации и контейнеры для транспортировки радиоактивных материалов. Отсутствие пористо-капиллярной структуры позволяет использовать сверхтяжелый бетон для футеровки ограждающих конструкций подземных и наземных бункеров, могильников и хранилищ радиоактивных жидких и газообразных отходов. Низкая пористость гарантирует высокие значения марок по морозостойкости, водо- и газонепроницаемости.

Композиционные материалы для капсулирования битумно-солевой смеси, образующейся от переработки химического оружия, не имеют мировых аналогов и позволяют надежно захоронить такую смесь. Это позволит значительно сократить расходы на строительство основных фондов складов хранения, затраты на поддержание в работоспособном состоянии технологического оборудования и оплату персонала. Кроме того, позволит избежать выведения земель из хозяйственного оборота.

Технико-экономические показатели трудо-энерго-природосбережения нового процесса

Расчет срока окупаемости проекта (в ценах 2004 г.)

Новые потребительские свойства продукции

Основные свойства разработанных серных композитов (патенты №2132830, 2105739, 2152368, 2208851, 2234477, 2235079, 2237300) описаны в таблице в разделе "Описание предлагаемого процесса".

Качественные характеристики, предъявляемые к сырью и материалам

Исходные материалы, применяемые для изготовления серных бетонов, должны иметь технические паспорта и соответствовать основным требованиям ГОСТов и ТУ. Материалы с просроченным гарантийным сроком допускаются к использованию после проверки пригодности по требованиям соответствующих ГОСТов и ТУ.

Стадия и уровень разработки

Разработаны рецептуры материалов; установлены основные закономерности процессов структурообразования радиационно-защитных бетонов нового поколения; разработана принципиальная технологическая схема производства. Определены ближайшие аналоги промышленных технологий. Получены лабораторные образцы разработанных материалов.

Предлагаемые инвестиции

50 млн. руб.

Рынки сбыта

Объекты по захоронению и переработке радиоактивных и высокотоксичных отходов, в том числе захоронение битумно-солевой смеси, образующейся после нейтрализации химического оружия.

Возможность и эффективность импортозамещения

Предлагаемые технологии являются предметом государственной тайны ведущих мировых держав и поэтому сведения о предлагаемых технологиях отсутствуют. Передача их со стороны ведущих мировых держав практически не возможна. Отсюда очевидно, что предлагаемые материалы и технологии обладают высокой эффективностью импортозамещения.

Возможность выхода на мировой рынок

Срок окупаемости (в месяцах)

60

Дата поступления материала

16.11.2006