CC BY
32
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 Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; e-mail: [email protected])
Д. И. ТЕРЕНТЬЕВ, канд. хим. наук, доцент кафедры физики и теплообмена Уральского института Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22)
А. В. ПЕШКОВ, заместитель начальника кафедры пожарной тактики и службы Уральского института ГПС МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22)
С. Г. АЛЕКСЕЕВ, канд. хим. наук, доцент, чл.-корр. ВАНКБ, 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 Государственной противопожарной службы 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 ВОЗДУХА
Описаны теоретические основы термодинамического моделирования. Рассмотрены возможности программного комплекса ТЕРРА для термодинамического моделирования поведения радиоактивного графита при нагревании (горении) в атмосфере воздуха. Показано, что использование методологии термодинамического моделирования и программного комплекса ТЕРРА позволяет моделировать и прогнозировать фазовые и химические превращения при нагреве (горении). Методом термодинамического моделирования изучено поведение радионуклидов при сгорании радиоактивного графита в атмосфере воздуха. Установлено, что радиоактивный цезий присутствует в виде конденсированного и парообразного CsCl, радиоактивный кальций — конденсированного и парообразного CaCl2, радиоактивный стронций — конденсированного и парообразного SrCl2, радиоактивный бериллий — BeO и парообразного BeCl2, радиоактивный никель — конденсированного и парообразного NiCl2, радиоактивный уран — конденсированных UO2, UOCl2, UOCl и парообразного UCl4, плутоний - конденсированных PuCl3, PuOCl, PuO, америций — конденсированных Am2O3 и AmO2, радиоактивный хлор — конденсированных и парообразных соединений урана и парообразного CaCl2. Продуктом сжигания углерода при температуре выше 900 К является смесь СО и СО2 в соотношении 1:1.
Ключевые слова: термодинамическое моделирование; радионуклиды; радиоактивный графит; окисление; горение.
В ядерной энергетике России имеется ряд энергоблоков с реакторами, в которых в качестве активной зоны и отражателя используется графит [1]. Реакторный графит горит гетерогенно. Повышение температуры при этом ведет к возрастанию скорости окисления графита.
При температуре до 200-250 °С в графите под воздействием проникающей радиации искажается структура кристаллической решетки, вследствие чего накапливается скрытая энергия (энергия Виг-нера). Если эта энергия регулярно не рассеивается путем отжига (повышения температуры), то она может накапливаться до определенной точки и затем
внезапно выделяется с резким повышением температуры, что может привести к пожару [2].
Кроме того, возможна запроектная авария типа аварии на четвертом блоке ЧАЭС, которая привела к полному разрушению активной зоны реактора. В результате часть графитовой кладки была выброшена, а часть осталась в шахте реактора. Высокая температура и наличие кислорода способствовали окислению графита, что привело практически к полному выгоранию его в реакторном пространстве [3].
Радиоактивный графит содержит различные радионуклиды (такие, как тритий и 14С), а также продукты коррозии/активации (57Со, 60Со, 54Мп, 59№,
© Барбин Н. М., Терентъев Д. И., Пешков А. В., Алексеев С. Г., 2014
63№, 22Ш и т. д.), продукты деления (13^,137С, 908г, 152Еи, 144Се и т. п.) и небольшое количество урана и
238 239 241 243
элементов превращения ( Ри, Ри, Лш, Лш и др.) [4].
Радиоактивные элементы при горении либо остаются с негорючей частью графита, либо испаряются в зависимости от степени их летучести. Газообразные радиоактивные элементы конденсируются на более крупных частицах в потоке газов или собираются вокруг "зародыша" и образуют собственную субмикронную аэрозоль. Попавшие в атмосферу субмикронные частицы легко вдыхаются в легкие, откладываются на поверхности водоемов и продовольственных культурах [4].
В данной работе изучалось поведение радионуклидов при нагревании (горении) радиоактивного графита в атмосфере воздуха. Поведение радиоактивных элементов не отличается от поведения их нерадиоактивных изотопов [5].
Исследования проводили методом термодинамического моделирования [6-8], которое успешно использовалось для изучения неорганических веществ при высоких температурах в металлургии и материаловедении [9-11], а также в физике [12-15].
Термодинамическое моделирование заключается в термодинамическом анализе равновесного состояния систем в целом (полный термодинамический анализ). Под термодинамическими системами понимаются условно выделенные материальные области, взаимодействие которых с окружающей средой сводится к обмену теплом и работой. Равновесие систем в соответствии со вторым законом термодинамики характеризуется максимумом энтропии относительно термодинамических степеней свободы, к числу которых относятся концентрации компонентов равновесной смеси Мд (моль/кг), температура Т и давление Р:
G
s = Z
g=1
S°g(T) - R In
Z S0(T) >
c = 1
X R
^Z Z [Sr°x(T) - R ln w„];
x = 1 r = 1
(1)
где ng, nc, nrx, Sg, SC, Sn
число молей и стандартная энтропия (при температуре Т, К, и давлении 0,1 МПа) в газовой (^), конденсированной (с) фазах и в растворе (гх) (индекс х относится к раствору, а г — к компоненту раствора), Дж/(мольК);
О, С, X — количество газообразных, конденсированных компонентов и растворов в термодинамической системе соответственно, моль;
w
мольная доля компонента в растворе,
R — универсальная газовая постоянная;
R = 8,3144621 ДжДмоль-К);
V — объем, м3.
Удельный объем v, как и внутренняя энергия U, остаются при этом неизменными переменными, так как условия равновесия системы относительно окружающей среды могут быть выражены с помощью равенств: dv = 0 и dU = 0 или v = const и U = const.
На область допустимых значений переменных при установлении химического и фазового равновесия путем достижения максимума энтропии накладываются следующие дополнительные ограничения.
1. Постоянство полной внутренней энергии системы при равновесии:
G C
U = Z Ug (T) ng -Z Uc (T) nc -
g = 1 c = 1
X R
-Z Z Urx (T)nrx = c0nst> (2)
x = 1 r = 1
где Ug, Uc, U,
мольная внутренняя энергия компонентов газовой фазы, конденсированных компонентов и компонентов конденсированных растворов, включающая в себя энтальпию образования:
U = } CvEdT + AfH0(To);
(3)
е = g, с, гх;
Су — теплоемкость при постоянном объеме; Т0 — термодинамическая температура при стандартных условиях; Ду Н0(Т0) — энтальпия при Т0. 2. Сохранение массы всех химических элементов:
С X к
G
Z
g=1
bj + Z vjgng + Z vjc nc + Z Z vjrx nrx = 0 (4)
c = 1
с = 1 r = 1
где Ь — мольное содержаниеу'-го химического элемента в системе;
Уу^ ' Уугх — число атомову'-го элемента в газовом, конденсированном компонентах системы и растворе соответственно. 3. Закон сохранения заряда:
Z 1eknk = 0 k = 1
(5)
где дек — кратность ионизации к-го компонента (для электронного газа цек = -1). 4. Уравнение состояния смеси идеальных газов:
pV - RTZ nk = 0, k=1
(6)
мол. дол.;
где p — давление, Па.
0
Параметры равновесия термодинамической системы определяются решением математической задачи о нахождении экстремума с учетом всех ограничений с использованием функции Лагранжа. Для вычислений использован метод последовательных приближений Ньютона, который обеспечивает высокую скорость сходимости результатов на конечных стадиях итерационного процесса. Программный комплекс ТЕРРА предусматривает задание условий равновесия термодинамической системы с окружающей средой любой парой термодинамических параметров из числа следующих: Р (давление), V(удельный объем), Т (температура), Б (энтропия), Н (энтальпия), и (внутренняя энергия), атакже проведение равновесного расчета термодинамической системы произвольного элементного состава, включение в число ожидаемых компонентов равновесного состава любых индивидуальных веществ за счет изменения только исходных данных, определение равновесного фазового состава системы без предварительного указания термодинамически допустимых состояний. Таким образом, для определения конкретных параметров состояния системы необходимо задать две ее характеристики(например:Ри Т, Vи Т,НиРит. д.), массовое содержание химических элементов в рабочем теле, список потенциально возможных для равновесного состава индивидуальных веществ с их термодинамическими функциями — энтропией и энтальпией. В программном комплексе ТЕРРА предусмотрена также возможность учета некоторых неидеальностей: исключение из числа компонентов равновесного состава любых индивидуальных веществ; назначение (фиксирование) концентрации одного или нескольких веществ с последующим расчетом равновесного состояния по оставшейся части системы; рассмотрение неидеальных конденсированных растворов путем задания избыточной энергии Гиббса; учет собственного объема, занимаемого конденсированными веществами.
Радиоактивные элементы, присутствующие в реакторном графите, и их химические разновидности, необходимые для термодинамического моделирования, приведены в табл. 1.
Исходная система для окисления радиоактивного графита в атмосфере воздуха состоит из газовой и конденсированной фаз. Газовая фаза содержит кислород и азот; конденсированная фаза представляет собой радиоактивный графит. Состав исходной системы приведен в табл. 2.
Состав конденсированной фазы представлен на рис. 1, из которого видно, что наиболее значимыми компонентами являются и02, иОС1, иОС12, СаС12, ВеО с концентрацией выше 10-2 мол. дол. В интервале температур 1300-1500 К преобладающим
Таблица 1. Долгоживущие радионуклиды в графите
Радионуклид Тип соединения
10Ве Оксиды, галогениды, нитраты
14С С, СО, СО2
36С1 Соединения с Н, Ы, №, К, ЯЪ,
41Са Все соединения
59№ N1, №(г), №2(г), №а(г), №С12, №С12(г), №С13(г), №С03, №Н(г), N10, №0(г), №0Н(г), №(0Н)2, N1(0H)2(г), N1(OH)3, N1(C0)4
60Со Со, СО(г), Со2(г), СоС1(г), СоС12, СоС12(г), СоС03, Со0, Со0(г), Со304, Со(0Н)2, Со(0Н)2(г)
908г 8г, 8г(г), 8г2(г), 8гС1(г), 8гС12, 8гС12(г), 8гС03, 8гО, 8г0(г), 8г02, 8г0Н(г), 8г(0Н3)2, 8г(0Н)2(г()г) 2 (г)
137Сз, 134Сз С8, С8(г), С8С1, С8С1(г), С82С12(г), С8С103, С8С10Ф Сэ2С03, С82С03(г), С8Н(г), С8НС03, CsN02(г), СэЖ)3(г), С80(г), С802, С820(г), С820, С8202, С8202(г), С8203, С20Н, С80Н(г), С8(0Н)2(г), С§202Н2(г)
154Еи, 155Еи, 152Еи Еи, Еи(г), ЕиС12, ЕиС13, ЕиС13(г), Еи0, Еи0(г), Еи20(г), Еи202(г), Еи203, Еи304, Еи0С1, Еи(0Н)3
238ц- 236ц- 235и , ЦР6, Ш2Р2, U02(N03)2, и03, ир4, и02, ад, и, иС1(г), иа^г)2 иС13, иС13(г), иС14, иС14(г), иС15, иС15(г), иС16(г), иО, иО(г), и02, и02(г), и03, и03(г), и307, и308, и409, и0С1, и0С12, и02С1, и02С12(г), и02С12, и02С03
241Лш, 243Лш Лш, Лш(г), ЛшС13, Лш02, Лш203, Лш0С1, Лш(0Н)3
239Ри, 240Ри, 241Ри, 242Ри Оксиды, гидроксиды, другие соединения
Таблица 2. Исходный состав системы для окисления радиоактивного графита в атмосфере воздуха
Фаза Фазовый состав Содержание, % масс.
Газовая О2 23,10
(89,65 %) N2 76,90
Конденсиро- С 99,99
ванная (10,35 %) и 11,610-3
С1 1,910-3
Са 3-10-4
Ри 7-10-5
Ве 110-5
N1 8-10-6
3-10-6
Лш 910-6
8г 110-6
Еи 110-6
300 500 700 900 1100 1300 1500 Т, К
-♦- Ш2 ---а--- ТОС1 —А—иОС12 —X— СаС12 -•--ВеО
—•—РиОС1 — — — Ри02 -■-РиС13 —о— №С12 -о- АпЮ2
_-о_ СаШ4 — -к — ШС13 —СаО - Ж--- СвС1 _.._».-... ВеСОэ
-□- 8гС12 - -И- ЕиС12 ---о--- Ш2С1 -□- иС14 ...................... ЕиС13
—*— Ат203 ........х......... №0 —ж— ЕиОС1 -*- ЕиО -------Ш3
Рис. 1. Состав конденсированной фазы: М1—концентрация г'-го компонента в системе в мольных долях (1,00 мол. дол. = 100 мол. %)
компонентом становится и02 с концентрацией 0,98 мол. дол.
Состав газовой фазы приведен на рис. 2. При температуре выше 900 К основными компонентами газовой фазы являются N (р - 0,98 атм), С02 и СО (р - 10-1 атм).
Распределение углерода между конденсированной и газовой фазами показано на рис. 3. При температуре выше 900 К весь углерод находится в газовой фазе в виде СО и С02 в соотношении 1:1.
Распределение хлора по фазам представлено на рис. 4. При температуре от 300 до 600 К основная часть хлора (60-50 мол. %) находится в виде конденсированного и0С12. Повышение температуры до 700-900 К ведет к появлению конденсированного и0С1 (40-48 мол. %). При дальнейшем повышении температуры до 1000-1100 К появляется газовая фаза иС14 (-50 мол. %). При 1300-1600 К хлор присутствует в газовой фазе в виде парообразного СаС12 (-100 мол. %).
Распределение цезия по фазам показано на рис. 5. При температуре 300-700 К примерно 100 мол. % цезия находится в виде конденсированного С8С1, повышение температуры до 900-1400 К ведет к переходу хлорида цезия полностью в газовую фазу.
Распределение кальция и стронция по фазам представлено на рис. 6 и 7. При температуре 300-1000 К
примерно 100 мол. % кальция и стронция находится в виде конденсированных СаС12 и БгС12. При повышении температуры до 1300 К хлориды переходят в газовую фазу.
Распределение бериллия по фазам приведено на рис. 8. При температуре 300-900 К примерно 100-90 мол. % бериллия находится в виде конденсированного ВеО. В интервале температур от 800 до 1200 К происходит снижение содержания конденсированного ВеО с 90 до 5 мол. % и увеличение содержания газообразного ВеС12 с 10 до 95 мол. %.
1 атм
Рис. 2. Состав газовой фазы
М:, мол. %
, со2
С (конд.)
СО ■1—I— 1—■--- -о— —о— —о— —
20 0
300 500 700 900 1100 1300 1500 Г, К
Рис. 3. Распределение общего углерода по фазам
М^ мол. %
мол. %
100
90 80 70 60 50 40 30 20 10
-•- ШС12 (конд.) -х- иС1 —я— СаС12 (конд.) -А- СаС С1, -о- ВеС ь 12
- ШС1 (конд.)
х \
\ "/■
\ х
(—4 >1
ОС
300
500 700 900 1100
Рис. 4. Распределение хлора по фазам
мол. % 100 < 80
1300 1500 Г, К
СвС1 (конд.) / СяС1
V
X
Л
1-■--1 \ —ф-
60 40 20 0
300 500 700 900 1100
Рис. 5. Распределение цезия по фазам
1300 1500 Г, К
Дальнейшее повышение температуры до 1600 К ведет к увеличению содержания конденсированного ВеО до 95 мол. % и уменьшению содержания газообразного ВеС12 до 5 мол. %.
Распределение никеля по фазам представлено на рис. 9. При температуре 300-700 К примерно 100-97 мол. % никеля находится в виде конденсированного №С12. Повышение температуры до 900 К ведет к резкому уменьшению доли конденсированного №С12 практически до нуля и увеличению содержания газообразного №С12 до 100 мол. %. В интервале температур 900-1400 К практически весь никель находится в виде газообразного №С12. При дальнейшем повышении температуры до 1600 К доля
80
60
40
20
0^ 200
СаС12 (конд.) СаС12
400 600 800 1000 1200 1400 1600 Г, К
Рис. 6. Распределение кальция по фазам
М^ мол. % 100' 80 60 40
БГС12 (конд.) 1 / * БгС12
\/
А
■1—■— 1—■— 1-■— ( \
20 0
300 500 700 900 1100 1300 1500 Г, К
Рис. 7. Распределение стронция по фазам
Ми мол. % 100 <
ВеО (конд.)
ВеС12 /
80 60 40 20 01
300 500 700 900 1100 1300 1500 Т, К
Рис. 8. Распределение бериллия по фазам
мол. % 100 < 80
гп 1 п, Д,
№С12 --- (конд.) №С12 к
N.
У
А /
Е1-IX- 1- \ 1—*— |-»- №С1 И
60 40 20 0
300 500 700 900 1100 1300 1500 Т, К
Рис. 9. Распределение никеля по фазам
газообразного №С12 уменьшается до 68 мол. % и появляется газообразный №С1, содержание которого достигает 32 мол. %.
Распределение урана по фазам представлено на рис. 10. В температурном интервале 300-700 К уран находится в виде твердых фаз и02, и0С12, и0С1. Повышение температуры до 1100 К вызывает появление газообразного иС14, доля которого достигает ~12 мол. %, и уменьшению до нуля конденсирован-
Щ, мол. %
—1о— U02 (конд.) -»- UOCl2 (конд.) —А— ТТПГЧ Лггиттт Ч
"О" UCI4
-□
Mt, мол. % 100'
300 500 700 900 1100
Рис. 10. Распределение урана по фазам
Щ, мол. % 100'
1300 1500 Г, К
80 60 40 20
.1.1
—ш— 4iCl3 (ко: ад.)
PuOCl (конд.) -о- РиС14
—=с
Ос
300 500 700 900 1100 1300 1500 Г, К
Рис. 11. Распределение плутония по фазам
EuC12 (конд.) ЕцС13 (конд.) ЕиС13
Eu203 (конд.) EuOCl (конд.) EuO (конд.)
500 700 900 1100 1300
Рис. 12. Распределение европия по фазам
1500 Г, К
ного и0С12. Дальнейшее повышение температуры до 1300 К ведет к исчезновению газовой фазы иС12, уменьшению практически до нуля конденсированного и0С1; уран находится в виде фазы конденсированного и02. В температурном интервале от 1300 до 1600 К практически весь уран находится в виде конденсированного и02.
Распределение плутония по фазам показано на рис. 11. При температуре до 300 К практически весь плутоний находится в виде конденсированного РиС13. В интервале 800-1300 К происходят основные физико-химические превращения, исчезает конден-
Ат02 (конд.)
Ат203 (ковдЛ
80 60 40 20 0
300 500 700 900 1100 1300 1500 Г, К
Рис. 13. Распределение америция по фазам
сированный РиС13, появляется газообразный РиС14 (-10 мол. %), а также конденсированные Ри0С1 (-75 мол. %) и Ри02. При дальнейшем повышении температуры до 1600 К основной фазой становится конденсированный Ри02.
Распределение европия по фазам приведено на рис. 12. В температурном интервале от 330 до 600 К происходит увеличение содержания конденсированного ЕиС12 и уменьшение количества конденсированного ЕиС13. В интервале от 600 до 900 К практически весь европий находится в виде конденсированного ЕиС12. При температуре 900-1300 К происходит уменьшение доли конденсированного ЕиС12 и увеличение содержания газообразного ЕиС13 до 80 мол. %. Дальнейшее повышение температуры до 1600 К ведет к уменьшению количества газообразного ЕиС13 до 30 мол. % и конденсированного ЕиС12 до 10 мол. % и увеличению содержания конденсированного Еи203 до 30 мол. %, конденсированных Еи0С1 — до 20 %, Еи0 — до 10 мол. %.
Распределение америция по фазам приведено нарис. 13. В интервале от 300 до 800 К практически весь америций присутствует в виде конденсированного Лш02. Дальнейшее повышение температуры до 1600 К ведет к появлению конденсированного Лш203 (-10 мол. %), остальной америций находится в виде конденсированного Лш02 (-90 мол. %).
На основе термодинамического моделирования можно предложить следующую схему окисления углерода.
В интервале 300-600 К весь кислород в равновесной системе расходуется на окисление углерода по реакции
С + СО2 = СО2.
В результате в равновесной системе отсутствует кислород (см. рис. 2), количество С и С02 остается неизменным (см. рис. 3).
В интервале температур 600-900 К протекает реакция
С + СО2 = 2С0.
В результате протекания этой реакции количество углерода уменьшается от 25 мол. % до нуля, возрастает содержание СО от 0 до 50 мол. % и
уменьшается количество СО2 от 75 до 50 мол. % (см. рис. 3).
Так как в равновесной системе отсутствует кислород, то газофазная реакция
2СО + О2 = 2СО2
не протекает.
Таким образом, при 600 К в равновесной системе появляется СО, а при 900 К весь углерод окисляется. Наличие в равновесной системе СО указывает
на ее пожаро- и взрывоопасность в зависимости от концентрации О2.
Наряду с успешно применяемыми нами теоретическими и экспериментальными методами [16-26], термодинамическое моделирование позволяет оценить поведение веществ при нагреве в равновесной системе и на основании этой оценки дать заключение о пожаровзрывоопасности и об опасных факторах пожара.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Скачек М. А. Обращение с отработанным ядерным топливом и радиоактивными отходами АЭС.
— М. : Изд. дом МЭИ, 2007. — 448 с.
2. МикеевА. К. Противопожарная защита АЭС. — М. : Энергоиздат, 1990. — 432 с.
3. Криницын А. П., Пазухин Э. М. Исследование образцов графита из 4-го блока Чернобыльской АЭС // Радиохимия. — 1994. — Т. 36, № 6. — С. 522-528.
4. YangH.-C., EunH.-C., LeeD.-G. Behavior of radioactive elements during thermal treatment of nuclear graphite waste. Thermodynamic model analysis // Journal of Nuclear Science and Technology. — 2005. — Vol. 42, No. 10. — P. 869-876.
5. Барбин Н. М., ТерентьевД. И., Пешков А. В., Алексеев С. Г. Сравнительный термодинамический анализ процессов переработки радиоактивного графита сжиганием в атмосфере воздуха и окислением в солевом расплаве // Расплавы. — 2013. — № 4. — С. 25-35.
6. ВатолинН. А., МоисеевГ. К., Трусов Б. Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных системах. — М. : Металлургия, 1994. — 352 с.
7. МоисеевГ. К., ВяткинГ. П., БарбинН. М. Применение термодинамического моделирования для изучения взаимодействия с участием ионных расплавов. — Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2002.
— 116 с.
8. Барбин Н. М., Алексеев С. Г., Алексеев К. С. Применение термодинамического моделирования для изучения полимеров при нагревании // Известия Южного федерального университета. Технические науки. — 2013. — № 8. — С. 245-247.
9. Барбин Н. М., Казанцев Г. Ф., Ватолин Н. Л. Переработка вторичного свинцового сырья в ионных солевых расплавах. — Екатеринбург : УрО РАН, 2002. — 180 с.
10. 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.
11. ТерентьевД. И., Барбин Н. М., Борисенко А. В., Алексеев С. Г. Термодинамическое исследование состава газовой фазы над расплавами системы Pb-Bi // Перспективные материалы. — 2011. — № 13. —С. 859-864.
12. ТерентьевД. И., Барбин Н. М., Борисенко А. В., Алексеев С. /.Состав и теплофизические свойства системы (Pb-Bi) - пар при различных условиях // Прикладная физика. — 2012. — №3. — С.23-38.
13. BarbinN.M., Terentiev D. I., Alexeev S. G. Computer calculation for thermal behavior ofNa2CO3-Li2CO3 melt // Journal of Engineering Thermophysics. — 2011. — Vol. 20, No. 3. — P. 308-314.
14. ТерентьевД. 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.
15. Барбин Н. М. Термодинамическое моделирование термического поведения расплавов Li2CO3 + Na2CO3 и CaCO3 +Na2CO3 // Химическая физика и мезоскопия. — 2008. — Т. 10,№3.
— С. 354-360.
16. 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.
17. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С., Орлов С. А. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. I. Алканолы // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. —Т. 19, № 5. — С. 23-30.
18. 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.
19. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Алексеев К. С. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. V. Карбоновые кислоты//Пожаровзрывобезопасность. — 2012. — Т. 21, № 75. — С. 35-46.
20. 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.
21. 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.
22. Алексеев С. Г., Алексеев К. С., Барбин Н. М. Связь показателей пожарной опасности с химическим строением. VIII. Сложные эфиры (часть1) // Пожаровзрывобезопасность. — 2013. — Т. 22, № 1. —С. 31-57.
23. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Авдеев А. С., Пищальников А. В. О взрывопожароопасности водочной продукции // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 2. — С. 20-23.
24. 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.
25. 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.
26. 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 24 января 2014 г.
= English
THERMODYNAMIC MODELING OF RADIONUCLIDE BEHAVIOR DURING HEATING (BURNING) OF RADIOACTIVE GRAPHITE IN THE AIR ATMOSPHERE
BARBIN N. M., Doctor of Technical Sciences, Candidate of Chemistry Sciences, Head of Chemistry Department, Ural State Agrarian University (Karla Libknekhta St., 42, Yekaterinburg, 620075, Russian Federation); Senior Researcher, Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
TERENTIEV D. I., Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor of Physics and Heat Transfer Department, Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation)
PESHKOV A. V., Deputy Head of Fire Service and Tactics Department, Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation)
ALEXEEV S. G., Candidate of Chemistry Sciences, Associate Professor, Corresponding Member of WASCS, Senior Researcher of Science and Engineering Centre "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])
ABSTRACT
Describes the theoretical basis of thermodynamic modeling. The possibilities of the program complex TERRA for the thermodynamic modeling of the behavior of radioactive graphite by heating (combustion) in the air has been studied. It is shown that the use of the methodology and thermodynamic modeling software package TERRA allows you to simulate and predict the phase and chemical transformations during heating (combustion). With the help of thermodynamic modeling method
the behavior of radionuclides in radioactive graphite combustion in air was studied. It has been established that radioactive cesium is present as the condensed and vapor CsCl, radioactive calcium is in the form of condensed and vapor CaCl2, radioactive strontium is fused and vaporized SrCl2, radioactive beryllium is in the form of BeO and vapor BeCl2, radioactive nickel is present in the form of condensed and vapor NiCl2, radioactive uranium is in the form of condensed UO2, UOCl2, UOCl and vapor UCl4, plutonium is a condensed PuCl3, PuOCl, PuO, americium is in the form of condensed Am2O3 and AmO2, radioactive chlorine is condensed and vaporous compounds of uranium and vapor CaCl2, product combustion of carbon at temperatures above 900 K is CO and CO2 in a ratio of 1:1.
Keywords: thermodynamic modeling; radionuclides; radioactive graphite; oxidation; burning.
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 of Moscow Power Engineering Institute, 2007. 448 p.
2. Mikeev A. K. Protivopozharnaya zashchita AES [Fire protection of nuclear power station]. Moscow, Energoizdat, 1990. 432 p.
3. Krinitsyn A. P., Pazukhin E. M. Issledovaniye obraztsov grafita iz 4-go bloka Chernobylskoy AES [Investigation of graphite samples from the 4th block of Chernobyl NPS]. Radiokhimiya —Radio-chemistry, 1994, vol. 36, no. 6, pp. 522-528.
4. YangH.-C., EunH.-C., LeeD.-G. Behavior of radioactive elements during thermal treatment of nuclear graphite waste. Thermodynamic model analysis. Journal of Nuclear Science and Technology, 2005, vol. 42, no. 10, pp. 869-876.
5. Barbin N. M., Terentiev D. I., Peshkov A. V., Alexeev S. G. Sravnitelnyy termodinamicheskiy analiz protsessov pererabotki radioaktivnogo grafita szhiganiyem v atmosfere vozdukha i okisleniyem v sole-vom rasplave [Comparative thermodynamic analysis of radioactive graphite combustion in the air and in the molten salt oxidation process]. Rasplavy — Melts, 2013, no. 4, pp. 25-35.
6. VatolinN. A., Moiseev G. K., Trusov B. G. Termodinamicheskoye modelirovaniye v vysokotempera-turnykh sistemakh [Thermodynamic modeling in high-temperature systems]. Moscow, Metallurgiya Publ., 1994. 352 p.
7. Moiseev G. K., Vyatkin G. P., Barbin N. M. Primeneniye termodinamicheskogo modelirovaniya dlya izucheniya vzaimodeystviya s uchastiyem ionnykh rasplavov [Application of thermodynamic modeling for the study of interaction involving ionic melts]. Chelyabinsk, South Ural State University Publ., 2002. 116 p.
8. Barbin N. M., Alexeev S. G., Alexeev K. S. Primeneniye termodinamicheskogo modelirovaniya dlya izucheniya polimerov pri nagrevanii [Application of thermodynamic modeling for the study of polymers by heating]. Izvestiya Yuzhnogo federalnogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki — News of the Southern Federal University. Technical sciences, 2013, no. 8, pp. 245-247.
9. Barbin N. 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 of the Russian Academy of Sciences Publ., 2002. 180 p.
10. Barbin N., Terentiev D., Alexeev S., BarbinaT. Thermodynamic modeling of the Pb+Bimelt evaporation under various pressure and temperatures. Computational Materials Science, 2013, vol. 66, pp. 28-33.
11. Terentiev D. I., Barbin N. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Termodinamicheskoye issledovaniye sostava gazovoy fazy nad rasplavami sistemy Pb-Bi [Thermodynamic investigation of the gas phase over the Pb-Bi melt system]. Perspektivnyye materialy — Perspective Materials, 2011, no. 13, pp. 859-864.
12. Terentiev D. I., Barbin N. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Sostav i teplofizicheskiye svoystva siste-my (Pb-Bi) - par pri razlichnykh usloviyakh [Structure and thermal properties of the system (Pb-Bi) -steams under various conditions]. Prikladnaya fizika — Applied Physics, 2012, no. 3, pp. 23-38.
13. Barbin N. M., Terentiev 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.
14. Terentiev D. I., Barbin N. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Termodinamicheskoye modelirovaniye ispareniya rasplavov Pb + Bi pri razlichnykh davleniyakh [Thermodynamic modeling of the melt evaporation Pb + Bi at different pressures]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya — Chemical Physics and Mesoscopy, 2011, vol. 13, no. 3, pp. 350-355.
15. Barbin N. M. Termodinamicheskoye modelirovaniye termicheskogo povedeniya rasplavov Li2CO3 + + Na2CO3 i Ca2CO3 + Na2CO3 [Thermodynamic modeling of the 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.
16. Alexeev S. G., Barbin N. M., AlexeevK. 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.
17. Alexeev S. G., Barbin N. M., AlexeevK. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. I. Alkanoly [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. I. Alcohols]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 5, pp. 23-30.
18. Alexeev S. G., Barbin N. M., AlexeevK. 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.
19. Alexeev S. G., Barbin N. M., Alexeev K. S. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. V. Karbonovyye kisloty [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. V. Carbon acid]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 75, pp. 35-46.
20. Alexeev S. G., Barbin N. M., Alexeev K. S. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. VI. Aldegidy [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. VI. Aldehydes]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 9, pp. 29-37.
21. Alexeev S. G., Barbin N. M., Smirnov V. V. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. VII. Nitroalkany [The connection between the fire danger indices and the chemical structure. VII. Nitroalkanes]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 12, pp. 22-24.
22. Alexeev S. G., Alexeev K. S., Barbin N. M. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khimicheskim stroyeniyem. VIII. Slozhnyye efiry (chast 1) [Communication fire danger from the chemical structure. VIII. Complicated esters (Part 1)]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2013, vol. 22, no. 1, pp. 31-57.
23. Alexeev S. G., BarbinN. M., Avdeev A. S., Pishchalnikov A. V. O vzryvopozharoopasnosti vodochnoy produktsii [On the explosive and fire danger of alcohol production]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2009, vol. 18, no. 2, pp. 20-23.
24. 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.
25. Alexeev S.G., Avdeev A. S.,BarbinN. M.,Timashev S.A., Guryev E. S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti toplivno-vozdushnykhsmeseynaprimerekerosinamarkiRT. 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.
26. 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.
