Термодинамическое моделирование поведения радионуклидов при нагреве (сжигании) радиоактивного графита в атмосфере азота Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

Н. М. БАРБИН, д-р техн. наук, канд. хим. наук, заведующий кафедрой химии Уральского государственного аграрного университета (Россия, 620075, г. Екатеринбург, ул. Карла Либкнехта, 42); старший научный сотрудник Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; e-mail: [email protected]) М. Р. ШАВАЛЕЕВ, преподаватель кафедры пожарной тактики и службы Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22) Д. И. ТЕРЕНТЬЕВ, канд. хим. наук, доцент кафедры физики и теплообмена Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22) С. Г. АЛЕКСЕЕВ, канд. хим. наук, старший научный сотрудник Научно-инженерного центра "Надежность и ресурс больших систем и машин" УрО РАН (Россия, 620049, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 54а); старший научный сотрудник Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; e-mail: [email protected])

УДК 541.11

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ ПРИ НАГРЕВЕ (СЖИГАНИИ) РАДИОАКТИВНОГО ГРАФИТА В АТМОСФЕРЕ АЗОТА

Проведено термодинамическое моделирование системы радиоактивный графит - азот с применением программного комплекса ТЕРРА. Установлено, что радиоактивный плутоний присутствует в виде конденсированных соединений PuC2, PuC, Pu2C3 и паров Pu; радиоактивный уран — конденсированных UC, UC2, U2C3 и паров U; радиоактивный хлор — парообразных соединений Cl, CCl, ClCN, Cl2; радиоактивный бериллий — конденсированного Be3N2 и парообразных BeCl2, BeCl, Be, BeC2; радиоактивный кальций — конденсированных Ca3N2, CaCl2, CaC2 и парообразных Ca, CaCl, CaCl2; радиоактивный никель — конденсированного Ni и парообразных Ni, Ni3C; радиоактивный стронций — конденсированных SrCl2, SrC2 и парообразных Sr, SrCl, SrCl2; радиоактивный америций — конденсированного и парообразного Am; радиоактивный цезий -конденсированного CsCl и парообразных соединений Cs и CsCl. Продуктом сжигания углерода при температуре выше 2400 К являются пары CN, C2N2 и газообразный кластер С3.

Ключевые слова: радиоактивный графит; термодинамическое моделирование; радионуклиды; окисление; нагревание.

В мире около 17 % энергии вырабатывается иа атомных электростанциях (АЭС). В некоторых типах реакторов предусматривается использовать в качестве замедлителя и отражателя графит, а внутреннюю часть реакторного пространства заполнять инертным газом (чаще всего азотом). К таким типам реакторов относятся реакторы большой мощности канальные — РБМК (по классификации МАГАТЭ — графитно-водные ядерные реакторы) и газовые реакторы с шаровой засыпкой [1,2].

Находящийся в реакторном пространстве графит со временем накапливает в себе небольшое коли-

235 238

чество урана ( и), элементы превращения ( Ри, 239Ри, 241Ат и т. д.), радионуклиды (такие, как тритий и 14С), а также продукты деления (137С8, 90Бг и т. п.) [3].

При эксплуатации реактора могут возникать различные нештатные ситуации, которые приводят к повышению температуры в активной зоне в результате разгона реактора без разрушения реакторного пространства [4].

Радиоактивные элементы при нагревании графита в зависимости от их летучести либо остаются с негорючей частью, либо испаряются. Газообразные радиоактивные элементы конденсируются на более крупных частицах в потоке газов или образуют собственную субмикронную аэрозоль. Данный радиоактивный газ будет присутствовать в системе охлаждения и в случае ее разгерметизации может попасть в окружающую среду. При этом радиоактивные частицы легко распространяются на большие расстояния, оседают на поверхность земли, водоемов, растительных и продовольственных культур [3].

В настоящей работе изучалось поведение радионуклидов при нагревании радиоактивного графита в атмосфере азота. Поведение радиоактивных элементов не отличается от поведения их нерадиоактивных изотопов [5].

Исследования проводили методом термодинамического моделирования, который успешно использовался для изучения неорганических веществ при

© Барбин Н. М., Шавалеев М. Р., Терентьев Д. И., Алексеев С. Г., 2014

Таблица 1. Исходный состав системы

Фаза Фазовый состав Содержание, % масс.

Газовая (90,9 %) N2 100

Конденсирован- С 99,98

ная (9,1 %) и 1,1610-2

С1 1,910-3

Са 2,7-10-4

Ри 7,3-10-5

Ве 1,210-5

N1 8,2-10-6

Сэ 3,410-6

Лш 9,310-6

8г 1,110-6

Таблица 2. Формы существования радионуклидов в графите и равновесной системе

высоких температурах в металлургии и материаловедении [6-8], а также в физике [9-12].

Теоретические основы термодинамического моделирования приведены в работе [5]. Данный расчет проводился при помощи программы ТЕРРА, которая показала свою эффективность при исследовании высокотемпературных процессов, поскольку экспериментальные методики не всегда позволяют получить полные и надежные сведения о свойствах и поведении веществ при Т > 2000 К в связи с затруднениями, возникающими при проведении опытов, и ошибками измерений.

Измерения проводили в атмосфере азота при начальном давлении Р = 0,98 105 Па (1 ати). Температура изменялась от 370 до 3300Ксшагом 100К [13]. В расчетах учитывались только компоненты с содержанием не менее 10-10 моль. Временем, которое требуется для изменения фазового состояния, газообменом с окружающей средой и скоростью протекания реакции пренебрегали.

Радиоактивные элементы, присутствующие в реакторном графите, и их химические разновидности, необходимые для термодинамического моделирования, приведены в табл. 1.

Исходная система окисления радиоактивного графита в атмосфере азота состоит из газовой и конденсированной фаз. Газовая фаза содержит азот, конденсированная — представляет собой радиоактивный графит. Состав исходной системы приведен в табл. 2.

Состав равновесной газовой фазы представлен на рис. 1. Основным компонентом фазы является газ К2, парциальное давление которого практически не изменяется и составляет около 0,99 атм.

Состав конденсированной фазы представлен на рис. 2, из которого видно, что наиболее значимыми компонентами являются иС, СаС12, иС2, СаС2, Са3^ с концентрациями выше 0,1 мол. дол. При темпера-

Радионуклид в графите Тип соединения в равновесной системе

10Ве Ве(г), ВеС1(г), ВеС12(г), Be3N2, ВеС2(г), Ве2С(г)

14С С, С(г), С2(г), С3(г), С4(г), С5(г), N130, СС1(г), С2С1(г), С%, С^(г), C2N(г), C2N2(г),N2C(г), C1CN(г), иС, иС2, и2С3, РиС, РиС2,1>и2С3, ВеС2(г), Ве2С

239Ри, 240Ри, 241Ри, 242Ри Ри(г), РиС, РиС2, Ри2С3

238и 236и 235и и(г),иС1(г),иС12(г),иС13(г), иС14(г), ис, ис2, и2С3

36С1 С1(г), С12(г), СС1(г), С2С1(г), С1С%, СаС1(г), СаС12(г), СаС12

41Са Са(г), СаС1(г), СаС12, СаС12(г), Ca3N2, СаС2

59№ N1(г), N1C1(г), N1C12(г), N1, №3С

908г Бг(г), БгС1(г), 8гС12, БгС12(г), 8гС2

137Сэ, 134Сэ СЭ(г), СэС1, СэС1(г), С12СЭ2(г)

241Лш, 243Лш Лш, Лш(г)

154Еи, 155Еи, 152Еи Еи, Еи(г), ЕиС12, ЕиС13(г)

турах Твыше 2870 К преобладающим компонентом становится С12С82 с концентрацией 0,99 мол. дол.

Распределение углерода по фазам показано на рис. 3. Из графика видно, что при температурах до 2400 К углерод находится в конденсированной фазе С. Дальнейшее возрастание температуры приводит к появлению паров С№, С3, С2К2.

Распределение плутония между конденсированной и газовой фазами показано нарис. 4. В температурном диапазоне от 370 до 1700 К плутоний находится в конденсированной фазе, преимущественно в виде соединения РиС2 (более 90 мол. %). При достижении 1800 К происходит образование газовой фазы, а при 2450 К плутоний практически полностью переходит в пар.

Распределение урана в системе представлено на рис. 5, из которого видно, что при температурах до 2370 К весь уран находится в конденсированной фазе в виде соединений ИС, ИС2, И2С3. Дальнейшее нагревание системы приводит к образованию газовой фазы И. При температуре выше 2800 К уран находится только в газообразной фазе.

Распределение хлора по фазам приведено на рис. 6. В температурном диапазоне от 373 до 3273 К хлор находится только в газовой фазе. Причем при температуре до 770 К хлор присутствует в виде С12 (32 мол. %), С1 (17 мол. %), СС1 (17 мол. %), С2С1 (17 мол. %) и С1СК (17 мол. %). Дальнейшее нарастание температуры приводит к возрастанию концент-

атм

Рис. 1. Равновесный состав газовой фазы

1 ёМ^ мол. дол.

—♦— №3С (конд.) иС (конд.) иС2 (конд.) -х- и2С3 (конд.) -ж- РиС (конд.)

—•— РиС2(конд.) -+- Ри2С3 (ьсонд.) —•— Ве31Ч2 (конд.) -■- Ве2С (конд.) —♦— СаС12 (конд.)

-■- Са3К2 (конд.) —А— СаС2 (конд.) -х- 8гС12 (конд.) -ж- вгС2 (конд.) -•- С12Св2 (конд.)

Рис. 2. Равновесный состав конденсированной фазы: М — концентрация г'-го компонента в системе в мольных долях (1,00 мол. дол. = 100 мол. %)

Мг, мол.

350 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750 2950 3150

Рис. 3. Распределение углерода по фазам

Г, К

M¡, мол. %

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

/

t

V

д

А

/ N w

\

-■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ s=t= i* ь—- и и я и и—и— и—и-

РиС2 (конд.)

Ри

РиС (конд.)

Ри2С3 (конд.)

350 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750 2950 3150 Г, К

Рис. 4. Распределение плутония по фазам

M¡, мол. %

é > ♦ <

<г » i ♦ i ♦ >—< ¡x ► • 4 i Ф-

-О- UC (конд.) -+- ис2 (конд.) U2C3 (конд.)

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770

Рис. 5. Распределение урана по фазам

1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Т, К

рации атомарного С1, а при температуре 970 К его концентрация составляет 98-99 мол. %.

Распределение бериллия по фазам представлено на рис. 7. Из графика видно, что при температурах ниже 1400 К бериллий находится в конденсированной фазе в виде соединения Бе3К2. Дальнейший рост температуры приводит к резкому уменьшению содержания конденсированной фазы и нарастанию концентрации газообразной фазы в виде соединений Бе,

БеС12, БеС2. В температурном интервале от 1770 до 2170 К наблюдается полное отсутствие Бе3К2 и преобладание Бе (около 80 мол. %). При дальнейшем росте температуры до 3170 К содержание Бе снижается, а концентрация БеС2 возрастает.

Распределение по фазам кальция показано на рис. 8. В температурном диапазоне 370-970 К соединения с кальцием находятся в конденсированной фазе. Так, в интервале 370-770 К наблюдается

Мг, мол. %

¡К Ж Ж Ж

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Т, К

Рис. 6. Распределение хлора по фазам

Мг, мол. %

С1

-и- С12

СС1

—ж— С1СК

90 80 70 60 50 40 30 20 10

■Л Л. /> 1 /"ч ; ч л. .» 1 /»ч ; ч л. ; — ж

— —

1 Т^

1

1

У /

Л

1

(&Ш Я -

Ве

Ве31Ч2 (конд.)

ВеС1

-ж- ВеС2

ВеС12

370

570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Г, К

Рис. 7. Распределение бериллия по фазам

Мг, мол. %

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Г, К

Рис. 8. Распределение кальция по фазам

< / *

/

>н >—< 4

Т*

ж ж ; 5-ХН 1 ■ 1 ГШ ШГТ& е-ж-у С-Ж ) ( Ж ) ( Ж Ж 5 ; ж 5 г ас-

Са

-Ж- Са3Л2 (конд.)

-л- СаС1

-X- СаС12

-А- СаС12 (конд.)

-е- СаС2 (конд.)

преобладание Са^2 (около 60 мол. %) и СаС12 (около 40 мол. %). Рост температуры до 970 К приводит к уменьшению концентрации Са^2 и СаС12 и возрастанию содержания СаС2 до 60 мол. %. Дальнейшее нагревание до 3300 К вызывает появление паров Са, СаС12 и СаС1. При 2370-3300 К кальций остается в системе в виде паров Са.

Фазовый баланс никеля приведен на рис. 9. При 370-570 К никель находится полностью в виде конденсированного N1. При температурах 570-970 К образуется карбид никеля №3С, концентрация которого при росте температур до 1200 К повышается почти до 100 мол. %. Дальнейшее нагревание до 1570 К приводит к образованию паров N1. В диапа-

Мг, мол. %

-♦- № № (конд.) -Ж- №3С (конд.)

/

/

Н-ф-ч С ж > с—ж-: С-Ж-) с--ж--> с--ж--> с ж > с--ж--> с-ж—

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Г, К

Рис. 9. Распределение никеля по фазам М,-, мол. %

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Г, К

Рис. 10. Распределение стронция по фазам

М;, мол. %

г-А-а >

/

/

г

^ х—^

у

II ■ 1 1-ВЧ ни —а Ж—1 Ж—1 е-жн ИМ 1НИН! * ш

Сг

-ш- СгС1

-*- СгС12

-А- СгС12 (конд.)

-ж- СгС2 (конд.)

■Д-

£

г-А—'

1 -а Л ' • —< <

А- Н1-И-1 ■-■н ■-■н -

Св

-А- С8С1

СвС! (конд.)

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Г, К

Рис. 11. Распределение цезия по фазам

зоне температур 1570-3170 К пары N1 составляют около 100 мол. %.

Распределение стронция по фазам представлено на рис. 10. При температурах 370-970 К стронций

находится в конденсированной фазе, преимущественно в виде бгс12 (100-97 мол. %). В температурном интервале 970-1370 К концентрация конденсированного бгс12 и бгс2 уменьшается до нуля, а со-

M¡, мол. %

90 80 70 60 50 40 30 20 10 О

II ■ 1 1 ■ 1 Y ♦ Am -И- Am (конд.)

1

1

<>-ф-< А I«-, 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1 ■ 1 1-й

370 570 770 970 1170 1370 1570 1770 1970 2170 2370 2570 2770 2970 3170 Т, К

Рис. 12. Распределение америция по фазам

lgP¡, атм 1,0

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

ЖЫ ^^ W ^^ W ^^ W ^^ W W

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

ж-ж-

Ж-Ж-

Ж-Ж"

Ж у ^ W ^ W ^ W ^ W ^ W

ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж ж

N2

-ш- CN

-ж- c2n2

350 550 750 950 1150 1350 1550 1750 1950 2150 2350 2550 2750 2950 3150

Рис. 13. Распределение азота по фазам

Г, К

держание паров Бг, БгС12 и БгС1 растет. В диапазоне температур 1270-1970 К наблюдается наличие паров БгС12 (-50 мол. %), Бг (-38 мол. %), БгС1 (-12 мол. %). Дальнейший рост температур до 3270 К приводит к увеличению концентрации паров металлического стронция.

Распределение цезия по фазам показано нарис. 11. В пределах 370-470 К цезий находится в конденсированном состоянии в виде соединения С8С1. Дальнейшее нагревание до 570 К приводит к образованию паров С8С1 и С8. В температурном интервале 670-2070 К преобладают пары СвС1. При температурах 2070-3270 К происходит повышение концентрации паров С8 и уменьшение доли паров СвС1.

Фазовый баланс америция в системе представлен на рис. 12. При температурах от 370 до 770 К америций находится в конденсированном состоянии в виде металла Лш. В интервале 700-970 К образуются пары Лш. При дальнейшем нагревании весь Лш переходит в пар.

Из фазового баланса азота (рис. 13) можно сделать вывод, что во всем температурном интервале преобладает азот в виде газообразного соединения К2, парциальное давление которого составляет около 0,99 атм. При высоких температурах наблюдается рост концентрации газообразных соединений углерода и азота в виде СК и С2К2.

На основе термодинамического моделирования можно предложить следующую схему взаимодействия радиоактивного графита с азотом.

В интервале температур от 370 до 2870 К происходят физико-химические процессы с участием радионуклидов (см. рис. 4-12). Значения температур, при которых радионуклиды находятся в парообразном состоянии и не претерпевают в дальнейшем никаких физико-химических превращений, приведены в табл. 3. В нее не входит бериллий, так как при температуре 3170 К образуются два соедине-

Таблица 3. Температура нахождения радионуклидов в парообразном состоянии для системы радиоактивный графит -азот

Химический элемент (соединение) Температура, К

Pu 2650

U 2870

Cl 970

Ca 2570

Ni 1570

Sr 2670

Cs 2770

Am 970

ния парообразной фазы — ВеС2 и Ве, а дальнейший рост температуры в системе приводит к уменьшению концентрации паров Ве и увеличению содержания ВеС2.

При температурах выше 2750 К (см. рис. 3) азот начинает взаимодействовать с углеродом, в результате чего в равновесной системе уменьшается кон-

центрация углерода и возрастает содержание газообразных С^ С^2 и С3.

Наряду с успешно применяемыми нами теоретическими и экспериментальными методами [14-24], термодинамическое моделирование позволяет оценить поведение веществ при нагреве и оценить их пожаровзрывобезопасность.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скачек М. А. Обращение с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС.

— М. : Изд. дом МЭИ, 2007. — 448 с.

2. Матвеев Л. В., Рудик А. П. Почти все о ядерном реакторе. — М. : Энергоатомиздат, 1990. — С. 110-112.

3. YangH.-C., EunH.-C., LeeD.-G. Behavior of radioactive elements during thermal treatment of nuclear graphite waste. Thermodynamic model analysis // J. of Nuclear Science and Technology. — 2005. — Vol. 42, No. 10. — P. 869-876.

4. МикеевА. К. Противопожарная защита АЭС. — М. : Энергоатомиздат, 1990. — 285 с.

5. БарбинН. М., ТерентьевД. И., Пешков А. В., Алексеев С. /.Термодинамическое моделирование поведения радионуклидов при нагреве (сжигании) радиоактивного графита в атмосфере воздуха // Пожаровзрывобезопасность. — 2014. — Т. 23 № 3. — С. 58-63.

6. Барбин Н. М., Казанцев Г. Ф., Ватолин Н. Л. Переработка вторичного свинцового сырья в ионных солевых расплавах. — Екатеринбург : УрО РАН, 2002. — 180 с.

7. Barbin N., Terentiev D., Alexeev S., Barbina T. Thermodynamic modeling of the Pb + Bi melt evaporation under various pressure and temperatures // Computational Materials Science. — 2013. — Vol. 66. — Р. 28-33.

8. ТерентьевД. И., БарбинН. М., Борисенко А. В., Алексеев С. Г. Термодинамическое исследование состава газовой фазы над расплавами системы Pb - Bi // Перспективные материалы. — 2011. — № 13. —С. 859-864.

9. Терентьев Д. И., Барбин Н. М., Борисенко А. В., Алексеев С. Г. Состав и теплофизические свойства системы (Pb-Bi) — пар при различных условиях // Прикладная физика. —2012. —№ 3. — С. 23-38.

10. Barbin N. M., Terentiev D. I., Alexeev S. G. Computer calculation for thermal behavior of Na2CO3 -Li2CO3 melt // Journal of Engineering Thermo Physics. — 2011. — Vol. 20, No. 3. — P. 308-314.

11. Терентьев Д. И., Барбин Н. М., Борисенко А. В., Алексеев С. Г. Термодинамическое моделирование испарения расплавов Pb + Bi при различных давлениях // Химическая физика и мезоскопия.

— 2011.—Т. 13, №3. —С. 350-355.

12. Барбин Н. М. Термодинамическое моделирование термического поведения расплавов Li2CO3 + + Na2CO3 и CaCO3 +Na2CO3 // Химическая физика и мезоскопия. — 2008. — Т. 10, № 3. — С. 354-360.

13. Шавалеев М. Р., Барбин Н. М., Дальков М. П., Терентьев Д. И., Алексеев С. Г. Термодинамическое моделирование поведения америция, цезия и стронция при нагревании радиоактивного графита в среде азота // Техносферная безопасность : интернет журнал. — 2014. — № 2 (3). URL : http://www.uigps.ru/content/nauchnyy-zhurnal/ (дата обращения: 01.07.2014 г.).

14. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С., Орлов С. А. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. II. Кетоны (часть 1) // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, №6.— С. 8-15.

15. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С., Орлов С. А. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. I. Алканы (часть 1) // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 5. — С. 23-30.

16. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С., Орлов С. А. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. IV. Простые эфиры // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, №9.— С. 9-16.

17. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. V. Карбоновые кислоты // Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 7.

— С. 35-46.

18. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. VI. Альдегиды//Пожаровзрывобезопасность. — 2012. —Т. 21, № 9. — С. 29-37.

19. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Смирнов В. В. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. VII. Нитроалканы // Пожаровзрывобезопасность. —2012. — Т. 21, № 12. — С. 22-24.

20. Алексеев С. Г., Алексеев К. С., Барбин Н. М. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. VIII. Сложные эфиры (часть 1) // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. — Т. 22, № 1. —С. 31-57.

21. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Авдеев А. С., Пищальников А. В. О взрывопожароопасности водочной продукции // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 2. — С. 20-23.

22. Алексеев С. Г., Пищальников А. В., Левковец И. А., Барбин Н. М. О пожароопасности водных растворов этанола // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 5. — С. 31-33.

23. Алексеев С. Г., Авдеев А. С., Барбин Н. М., Тимашев С. А., Гурьев Е. С. Методы оценки взрывопожароопасности топливно-воздушных смесей на примере керосина марки РТ. II. РД 03-409-01 // Пожаровзрывобезопасность. — 2011. — Т. 20, № 1. — С. 21-27.

24. Алексеев С. Г., Смирнов В. В., Барбин Н. М.Температуры вспышки. Часть 1. История вопроса, дефиниции, методы экспериментального определения // Пожаровзрывобезопасность. —2012. — Т. 21, №5. —С. 35-41.

Материал поступил в редакцию 27 июля 2014 г.

THERMODYNAMIC MODELING OF RADIONUCLIDE BEHAVIOR DURING HEATING (BURNING) OF RADIOACTIVE GRAPHITE IN THE NITROGEN ATMOSPHERE

BARBIN N. M., Doctor of Technical Sciences, Candidate of Chemistry Sciences, Head of Chemistry Department of Ural State Agrarian University (Karla Libknekhta St., 42, Yekaterinburg, 620075, Russian Federation); Senior Researcher of Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

SHAVALEEV M. R., Lecturer of Fire Tactics and Service Department of Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, 620062, Yekaterinburg, Russian Federation)

TERENTYEV D. I., Candidate of Chemistry Sciences, Assistant Professor of Physics and Heat Transfer Department of Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation)

ALEXEEV S. G., Candidate of Chemistry Sciences, Senior Researcher of Science and Engineering Center "Reliability and Safety of Large Systems" of Ural Branch of Russian Academy of Sciences (Studencheskaya St., 54a, Yekaterinburg, 620049, Russian Federation); Senior Researcher of Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation; e-mail address: [email protected])

: English

ABSTRACT

Thermodynamic modeling of radioactive graphite - nitrogen has been carried out using a software package TERRA.

It has been established that the radioactive plutonium is present in the form of condensed compounds PuC2, PuC, Pu2C3 and vapors of Pu; radioactive uranium — in the form of condensed UC, UC2, U2C3 and vapors of U; radioactive chlor — in the form of vaporous compounds of Cl, CCl, ClCN, Cl2; radioactive beryllium — as condensed Be3N2, and vaporous BeCl2, BeCl, Be, BeC2; radioactive calcium — in the form of condensed Ca3N2, CaCl2, CaC2 and vaporous Ca, CaCl, CaCl2; radioactive nickel — in the form of condensed Ni and vaporous Ni, Ni3C; radioactive strontium — in the form of condensed SrCl2, SrC2 and vaporous Sr, SrCl, SrCl2; radioactive americium — condensed and vaporous Am; radioactive cesium — in the form of condensed CsCl and vaporous compounds of Cs and CsCl. The product of burning of carbon at temperatures above 2400 K is vapors of CN, C2N2 and gas cluster C3.

Keywords: radioactive graphite; thermodynamic modeling; radionuclides; oxidation; heating.

REFERENCES

1. Skachek M. A. Obrashcheniye s otrabotannym yadernym toplivom i radioaktivnymi otkhodami AES [Handling of spent nuclear fuel and radioactive waste of nuclear power station]. Moscow, Publishing House MPEI, 2007. 448 p.

2. Matveev L. V., Rudick A. P. Pochti vsye o yadernom reaktore [Almost all ofthe nuclear reactor]. Moscow, Energoatomizdat, 1990, pp. 110-112.

3. Yang H.-C., Eun H.-C., Lee D.-G. Behavior of radioactive elements during thermal treatment of nuclear graphite waste. Thermodynamic model analysis. J. of Nuclear Science and Technology, 2005, vol. 42, no. 10, pp. 869-876.

4. Mikeev A. K. Protivopozharnaya zashchita AES [Fire protection NPP]. Moscow, Energoatomizdat, 1990. 285 p.

5. Barbin N. M., Terentyev D. I., Peshkov A. V., Alexeev S. G. Termodinamicheskoye modelirovaniye povedeniya radionuklidov pri nagreve (szhiganii) radioaktivnogo grafita v atmosfere vozdukha [Thermodynamic modeling of radionuclide behavior during heating (burning) of radioactive graphite in the air atmosphere]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2014, vol. 23, no. 3, pp. 58-63.

6. BarbinN. M., Kazantsev G. F., VatolinN. L. Pererabotka vtorichnogo svintsovogo syrya v ionnykh so-levykh rasplavakh [Recycling of secondary lead materials in ionic salt melts]. Yekaterinburg, Ural Branch ofthe Russian Academy of Sciences Publ., 2002. 180 p.

7. BarbinN. M., Terentyev D. I., Alexeev S. G., BarbinaT. Thermodynamic modeling of the Pb + Bimelt evaporation under various pressure and temperatures. Computational Materials Sciences, 2013, vol. 66, pp. 28-33.

8. Terentyev D. I., BarbinN. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Termodinamicheskoye issledovaniye sostava gazovoy fazy nad rasplavami sistemy Pb - Bi [Thermodynamic investigation ofthe gas phase over the Pb - Bi melt system]. Perspektivnyye materialy — Perspective Materials, 2011, no. 13, pp. 859-864.

9. Terentyev D. I., BarbinN. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Sostaviteplofizicheskiye svoystva sistemy (Pb - Bi) — par pri razlichnykh usloviyakh [Structure and thermal properties ofthe system (Pb - Bi) — steams under various conditions]. Prikladnaya fizika — Applied Physics, 2012, no. 3, pp. 23-38.

10. Barbin N. M., Terentyev D. I., Alexeev S. G. Computer calculation for thermal behavior of Na2CO3 -Li2CO3 melt. Journal of Engineering Thermophysics, 2011, vol. 20, no. 3, pp. 308-314.

11. Terentyev D. I., BarbinN. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Termodinamicheskoye modelirovaniye ispareniya rasplavov Pb + Bi pri razlichnykh davleniyakh [Thermodynamic modeling ofthe melt evaporation Pb + Bi at different pressures]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya — Chemical Physics and Mesoscopy, 2011, vol. 13, no. 3, pp. 350-355.

12. Barbin N. M. Termodinamicheskoye modelirovaniye termicheskogo povedeniya rasplavov Li2CO3 + + Na2CO3 i Ca2CO3 + Na2CO3 [Thermodynamic modeling ofthe thermal behavior of molten Li2CO3 + + Na2CO3 and Ca2CO3 + Na2CO3]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya — Chemical Physics and Mesoscopy, 2008, vol. 10, no. 3, pp. 354-360.

13. Shavaleev M. R., BarbinN. M., Terentyev D. I., Alexeev K. S. Termodinamicheskoye modelirovaniye povedeniya Am, Cs, Sr pri nagrevanii radioaktivnogo grafita v srede azota [Thermodynamic modeling ofthe behavior of americium, cesium and strontium radioactive graphite by heating in a nitrogen atmosphere]. Tekhnosfernaya bezopasnost — Technosphere Safety, 2014, no. 2 (3). Available at://www.uigps.ru/content/nauchnyy-zhurnal (Accessed 1 July 2014).

14. Alexeev S. G., BarbinN. M., Alexeev K. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. II. Ketony (chast 1) [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. II. Ketony (Part 1)]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 6, pp. 8-15.

15. Alexeev S. G., BarbinN. M., Alexeev K. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. I. Alkany (chast 1) [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. I. Alcan (Part 1)]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 5, pp. 23-30.

16. Alexeev S. G., BarbinN. M., Alexeev K. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. IV. Prostyye efiry [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. IV. Simple esters]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 9, pp. 9-16.

17. Alexeev K. S., Barbin N. M., Alexeev S. G. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. V. Karbonovyye kisloty [Correlation of fire hazard characteristics with chemical structure. V. Carboxylic acid]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 7, pp. 35-46.

18. Alexeev K. S., Barbin N. M., Alexeev S. G. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. VI. Aldegidy [Correlation of fire hazard characteristics with chemical structure. VI. Aldehydes]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 9, pp. 29-37.

19. Alexeev S. G., Barbin N. M., Smirnov V. V. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. VII. Nitroalkany [Correlation of fire hazard characteristics with chemical structure. VII. Nitro-alkanes]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 12, pp. 22-24.

20. Alexeev S. G., Alexeev K. S., Barbin N. M. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. VIII. Slozhnyye efiry (chast 1) [Correlation of fire hazard characteristics with chemical structure. VIII. Esters (part 1)]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 22, no. 1, pp. 31-57.

21. Alexeev S. G., BarbinN. M., Avdeev A. S., Pishchalnikov A. V. Ovzryvopozharoopasnostivodochnoy produktsii [On the explosive and fire danger of alcohol production]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2009, vol. 18, no. 2, pp. 20-23.

22. Alexeev S. G., Pishchalnikov A. V., Levkovets I. A., BarbinN. M. Opozharoopasnosti vodnykhrastvo-rov etanola [On the danger of fire aqueous solutions of ethanol]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 5, pp. 31-33.

23. Alexeev S. G., Avdeev A. S., Barbin N. M., Timashev S. A., Guryev E. S. Metody otsenki vzryvopo-zharoopasnosti toplivno-vozdushnykh smesey na primere kerosina marki RT. II. RD 03-409-01 [Methods of assessing of the explosive and fire danger of the fuel-air mixtures on the example of kerosene RT. II. RD 03-409-01]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2011, vol. 20, no. 1, pp. 21-27.

24. Alexeev S. G., Smirnov V. V., BarbinN. M. Temperatury vspyshki. Chast 1. Istoriyavoprosa, definitsii, metody eksperimentalnogo opredeleniya [Flashpoint. Part 1. Background, definitions, methods of the experimental determination]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 5, pp. 35-41.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет книгу

А. А. Антоненко, Т. А. Буцынская, A. H. Членов. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ОБЪЕКТОВ : учебно-справочное пособие / Под общ. ред. д-ра техн. наук А. Н. Членова. -М.: 000 "Издательство "Пожнаука", 2010. - 210 с.

В учебно-справочном пособии изложены основы современного подхода к проблеме комплексного обеспечения безопасности объектов хозяйствования с помощью технических средств и систем; приведены сведения о технической эксплуатации комплексных систем безопасности, а также справочно-методическая информация для решения практических задач по эксплуатации. Дано основное содержание эксклюзивной разработки — ГОСТ Р 53704-2009 "Системы безопасности комплексные и интегрированные", входящего в отраслевой комплект нормативно-технической документации поданной проблеме.

Книга предназначена для практических работников в области систем безопасности и может быть использована как учебное пособие для подготовки и повышения квалификации специалистов соответствующего профиля.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: [email protected]