CC BY
13
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: NMBarbin@mail.ru)
А. М. КОБЕЛЕВ, старший преподаватель кафедры пожарной автоматики 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, доцент, 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: Alexshome@mail.ru)
УДК 541.11
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ РАДИОНУКЛИДОВ ПРИ НАГРЕВЕ (СЖИГАНИИ) РАДИОАКТИВНОГО ГРАФИТА В ПАРАХ ВОДЫ
Методом термодинамического моделирования изучено поведение радионуклидов при сгорании радиоактивного графита в парах воды. Установлено, что радиоактивный хлор присутствует в виде парообразного HCl и атомарного Cl, радиоактивный америций — в виде парообразного Am, радиоактивный углерод — в виде газообразных CO и CO2, радиоактивный никель — в виде атомарного Ni и парообразных NiOH, NiO2H2, NiH, радиоактивный уран — в виде парообразных UO3 и UO2, радиоактивный плутоний — в виде парообразных PuO2 и PuO, радиоактивный бери-лий — в виде парообразных Be(OH)2 и BeOH, радиоактивный кальций — в виде парообразных Ca(OH)2, CaOH, атомарного Ca и оксида кальция, радиоактивный стронций — в виде парообразных Sr(OH)2, SrOH, оксида стронция и атомарного Sr, радиоактивный цезий — в виде пара Cs и парообразного CsOH.
Ключевые слова: термодинамическое моделирование; радионуклиды; радиоактивный графит; окисление; горение.
На сегодняшний день в нашей стране эксплуатируется 10 атомных электростанций (в общей сложности 33 энергоблока установленной мощностью 25,2 ГВт), которые вырабатывают около 16 % всего производимого электричества, при этом в Европейской части России доля атомной энергетики достигает 30 %, а на северо-западе страны — 37 %. Организационно все АЭС представляют собой филиалы ОАО "Концерн "Росэнергоатом", который входит в состав подконтрольного Госкорпорации "Росатом" ОАО "Атом-энергопром" и является второй в Европе энергетической компанией по объему атомной генерации, уступая лишь французской ЕББ, и первой по объему генерации внутри страны [1].
В России наиболее распространены реакторы на тепловых нейтронах, в которых замедлителем и теплоносителем является обычная вода (водо-водя-ные энергетические реакторы (ВВЭР)), и водогра-фитовые реакторы с кипящим водяным теплоноси-
телем (РБМК), в которых в качестве замедлителя выступает графит [1].
Основу активной зоны РБМК составляет графитовый цилиндр, выполняющий роль замедлителя. У РБМК-1000 он имеет высоту 7 м и диаметр 11,8м и сложен из блоков меньшего размера. Графит пронизан большим количеством вертикальных отверстий, через каждое из которых проходит труба с теплоносителем [2].
Реактор РБМК работает по одноконтурной схеме. Циркуляция теплоносителя осуществляется в контуре многократной принудительной циркуляции. В активной зоне вода, охлаждающая ТВЭЛы, частично испаряется, и образующаяся пароводяная смесь поступает в барабаны-сепараторы. В них происходит сепарация пара, который поступает на турбоагрегат. Остающаяся вода смешивается с питательной водой и с помощью главных циркуляционных насосов подается в активную зону реактора.
© Барбин Н. М., КобелевА. М., Терентъев Д. И., Алексеев С. Г., 2014
Одним из факторов, определяющих надежность и безопасность работы АЭС с водографитовыми реакторами, является надежность графитового замедлителя (кладки), рассчитанного на весь срок эксплуатации реактора [2].
Один из основных параметров, лимитирующих работу реактора РБМК, — температура графита. В практике принято, что на всех режимах работы реактора максимальная температура не должна превышать порогового значения 750-800 °С, выше которого окисление графита в присутствии водяных паров идет более интенсивно. При нестационарных режимах работы реакторов РБМК влияние графитовой кладки на надежность и безопасность АЭС еще более возрастает, так как изменение мощности реактора связано с термоциклическими напряжениями в графите и может привести к преждевременному разрушению кладки [2].
Более того, возможна запроектная авария, подобная аварии на четвертом блоке Чернобыльской АЭС. Там при взрыве в активной зоне реактора произошло повреждение труб технологических каналов, в результате чего вода и пар в смеси с перегретой топливной "пылью", заполнив реакторное пространство, попали на горячий графит [3].
В настоящей работе изучалось поведение радионуклидов при нагревании (горении) радиоактивного графита в парах воды. Причем поведение радиоактивных элементов не отличается от поведения их нерадиоактивных изотопов [4].
Исследования проводили методом термодинамического моделирования [5-7], который успешно использовался для изучения неорганических веществ при высоких температурах в металлургии и материаловедении [8-10], атакже в физике [11-14].
Термодинамическое моделирование заключается в термодинамическом анализе равновесного состояния систем в целом (полный термодинамический анализ). Теоретические основы термодинамического моделирования изложены в [4].
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 парах воды состоит из газовой и конденсированной фаз. Газовая фаза содержит пары Н20, конденсированная фаза представляет собой радиоактивный графит [15]. Состав исходной системы приведен в табл. 2.
Равновесный состав конденсированной фазы представлен на рис. 1. Наиболее значимыми компонентами ее являются СаС03, СаО, и305.
В интервале температур от 373 до 973 К практически весь кальций находится в виде конденсиро-
ванного СаС03 (0,79 мол. дол.). Повышение темпе-ратурыс973 до 1473 К ведет к уменьшению доли конденсированного СаС03 до 0,001 мол. дол. и увеличению доли конденсированного Са0 до 0,79 мол. дол. При дальнейшем повышении температур до 2873 К
Таблица 1. Долгоживущие радионуклиды в графите
Радионуклид Тип соединения
10Ве Оксиды, галогениды, нитраты
14С С, СО, СО2
36С1 Соединения с Н, Ь1, К, ЯЪ, Сэ
41Са Все соединения
59№ N1, №(г), №ад, №С1(г), №С12, №С1ад, №С1ад, №С03, №Н(г), N10, №0(г), №0Н(г), №(0Н)2, М^Н)^-,, Щ0Н)3, К1(СО)4
908г 8г, Бг^, 8гад, БгС^, 8гС12, 8гС1ад, 8гС03, 8г0( Бг0(г), 8г02, Бг0Н(г), 8г(0Н)„ 8г(0Н)2(о
137Сэ, 134Сэ Сэ, Сэ(г), СэС1, СэС1(г), Сэ2С12(г), СэС103, СэС104, Сэ2С03, Сэ2С0эд, СэН(г), СэНС03, СэШад, C2N03((), Cs0((), Сэ02, Сэ20(г), Сэр, Сэ202, Сэ202(г), Сэ203, Сэ0Н, Сэ0Н(г), Сэ^Н^, Cs(02H2(()
238ц- 236ц- 235и , ир6, и02р2, И02(Ш3)2, и03, ир4, и02, и308, и, иС1(г), ИС1ад, иС13, ИС1ад, ИС14, ИС14М, ИС15( ИС1ад, ИC16((), И0, И0(г), ^02, И02(г), ИИО3, И03(г), И307, И308, И409, И0С1, И0С12, И02С1, И02C12((), И02С12, И02С203 2 2 2(г) 2 2
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 диоактивного графита в парах воды
для окисления ра-
Фаза Фазовый состав Содержание, % масс.
Газовая
(90,908 %) Н20 100
Конденсирован- С 99,984
ная (9,092 %) И 0,011
С1 0,002
Са 0,003
Ри 7,271-10-5
Ве 1,207-10-5
N1 8,19810-5
Сэ 3,359-10-6
8г 1,099 10-6
Лш 9,278-10-6
lgM,-, мол. дол. ° + ♦ ♦ Ф-f^»
-В— Ат02
в— U02
+— СаО
-х— Ат203
* U305 -■— Са(ОН)2
-■-- NiC03
-ж-
РиО,
—■-- СаС12
—•— NiO
—х— ВеО
—♦— СаСОэ
—а— NiCl-,
Ве(ОН)2 SrO
373 573 773 973 1173 1373 1573 1773 1973 2173 2373 2573 2773 Рис. 1. Состав конденсированной фазы
Г, К
происходит уменьшение содержания конденсированного СаО с 0,79 до 0,0001 мол. дол. В интервале температур 1473-2773 К и3О5 (конд.) становится преобладающим компонентом (0,98 мол. дол).
Равновесный состав газовой фазы представлен на рис. 2. При температуре выше 2573 К основ-
ными компонентами газовой фазы являются: H2O (p ~ 0,63 атм), H2 (p ~ 0,19 атм), CO (p ~ 0,07 атм), CO2 (p ~ 0,05 атм), H (p ~ 0,01 атм), OH (p ~ 0,05 атм), O2 2p ~ 0,01 атм), O (p ~ 0,01 атм).
Распределение хлора по фазам дано на рис. 3. В интервале температур от 373 до 1973 К основная часть хлора (почти 100 мол. %) находится в виде паров HCl. Рост температуры с 1973 до 3273 К вызывает уменьшение количества паров HCl с 99 до 66 мол. %, появление атомарного Cl и увеличение его доли с 0,2 до 33 мол. %.
Распределение америция по фазам представлено на рис. 4. В интервале температур от 373 до 1473 К
мол. %
Г, К
--kr- О ■ 02 -ж- Н
• он ♦ но2 ^ н2о -*- н2о2
А со ♦ со2 -к- СН4
Рис. 2. Состав газовой фазы
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
373 773 1173 1573 1973 2373
Рис. 3. Распределение хлора по фазам
—■— HCl
С1
2773 Т, К
происходит плавное уменьшение содержания конденсированного Лш02 (со 100 до 97 мол. %), появление конденсированного Лш203 и увеличение его доли с 1 до 3 мол. %. Рост температуры с 1473 до 2200 К приводит к резкому уменьшению доли конденсированного Лш02 (до 50 мол. %) и увеличению доли конденсированного Лш203 (до 50 мол. %). Дальнейшее повышение температуры до 2473 К вызывает увеличение содержания конденсированного Лш203 с 50 до 63 мол. %, уменьшение содержания конденсированного Лш02 с 50 до 31 мол. % и появление паров америция. В интервале температур от 2473 до 2600 К происходит резкое увеличение содержания паров америция (с 17 до 49 мол. %) и резкое уменьшение содержания конденсированного Лш203 (до 60 мол. %). При дальнейшем повышении температуры до 3273 К основной фазой становятся пары америция.
Распределение углерода по фазам показано на рис. 5. В интервале температур от 373 до 873 К происходит резкое увеличение доли углекислого газа (до 86 мол. %), резкое уменьшение содержания СН4 (почти до нуля) и появление газа С0. При повышении температур с 873 до 1673 К происходит уменьшение содержания газа С02 с 80 до 5 мол. % и уве-
мол. %
— —■— Аш02 (конд.) —Ат203 (конд.)
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
373 773 1173 1573 1973 2373 2773 Рис. 4. Распределение америция по фазам
Ммол. %
Г, К
\ л г*"
—■— СО -*-СО -•-СН
2
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
373 773 1173 1573 1973 2373 2773
Рис. 5. Распределение углерода по фазам
личение содержания газа С0 с 20 до 50 мол. %. При температуре 3273 К углерод находится в виде газов С02 (18 мол. %) и С0 (82 мол. %).
Распределение никеля по фазам представлено на рис. 6. В интервале температур от 373 до 473 К происходит увеличение содержания конденсированного N10 с 90 до 100 мол. %, уменьшение содержания конденсированного №С03 с 6 до 0,1 мол. % и конденсированного №С12 с 3,9 до 0 мол. %. В интервале температур от 473 до 1173 К основная часть никеля (почти 100 мол. %) находится в виде конденсированного N10. Повышение температур с 1173 до 1273 К приводит к уменьшению содержания конденсированного N10 с 97 до 85 мол. % и увеличению содержания конденсированного №(0Н)2 с 1,7 до 10 мол. %. При дальнейшем повышении температуры до 1473 К происходит резкое уменьшение содержания конденсированного N10 (с 85 до 12 мол. %), увеличение доли №(0Н)2 (с 10 до 43 мол. %) и появление и увеличение доли №Н (с 1,9 до 19 мол. %), №0Н (с 0,9 до 12 мол. %), N1 (с 0,4 до 12 мол. %). В интервале температур от 1473 до 1573 К уменьшается содержание конденсированного N10 с 12 до 1,4 мол. % и №(0Н)2 с 43 до 36 мол. %, увеличивается содержание №Н (с 19 до 22 мол. %), №0Н (с 12 до 16 мол. %), N1 (с 12 до 23 мол. %). При повышении температур с 1573 до 1673 К происходит увеличение содержания N1 (с 23 до 33 мол. %), №0Н (с 16 до 18 мол. %) и уменьшение содержания №(0Н)2 (с 36 до 26 мол. %),№Н (с 22 до 21 мол. %). Дальнейшее повышение температуры до 3273 К приводит к увеличению содержания N1 (с 33 до 91 мол. %) и уменьшению содержания №0Н (с 18 до 3 мол. %), Щ0Н)2 (с 26 до 0,1 мол. %),№Н (с 21 до 3,45 мол. %).
Распределение урана по фазам представлено на рис. 7. При 373-2373 К примерно 100 %урананахо-дится в виде конденсированного и305. В интервале температур от 2373 до 2800 К происходит уменьше-
Ммол. %
Г \
\
\
ним нт ¡-ж-а ш
373
773
1173
1573 1973 2373 2773 Т, К
Г, К
№СОэ (конд.) - х- МО — №(ОН)2
—*- №С12 (конд.)
-*— №0 (конд.) №ОН
Рис. 6. Распределение никеля по фазам
мол. %
М1г мол. %
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
V
\ 5
\
ТТ,Г 1- (у ) \
ио3 ■ ттп ¡1
1
(
373 773 1173 1573 1973 2373
Рис. 7. Распределение урана по фазам
2773
Г, К
ние содержания и3О5 с 99 до 50 мол. %, появление и увеличение доли иО3 с 0,4 до 50 мол. %. Повышение температур с 2800 до 2973 К вызывает резкое уменьшение доли и3О5 (до 1 мол. %), увеличение иО3 (до 94 мол. %) и появление иО2. Дальнейший рост температуры до 3273 К приводит к уменьшению содержания иО3 с 94 до 88 мол. % и увеличению доли иО2 с 5 до 11 мол. %.
Распределение плутония по фазам представлено на рис. 8. При температурах 373-1773 К основная часть плутония (примерно 100 %) находится в виде конденсированного РиО2. Рост температуры с 1773 до 2073 К приводит к появлению паров РиО2 и увеличению их содержания с 3,8 до 50 мол. % и уменьшению содержания конденсированного РиО2 с 99 до 50 мол. %. При дальнейшем росте температуры до 2573 К происходит увеличение содержания паров РиО2 до 98 мол. % и уменьшение содержания конденсированного РиО2 до 2 мол. %. В интервале температур 2573-3273 К происходит плавное уменьшение содержания паров РиО2 (с 98 до 94 мол. %) и появление оксида плутония.
Распределение бериллия по фазам представлено на рис. 9. Повышение температуры до 573 К ведет к резкому уменьшению конденсированного Ве(ОН)2 (практически до нуля) и увеличению конденсированного ВеО до 100 мол. %. В интервале температур от 573 до 1073 К практически весь бериллий находится в виде конденсированного ВеО. Дальнейший рост температур до 1300 К ведет к уменьшению доли конденсированного ВеО до 50 мол. % и появлению и увеличению доли ВеО2Н2 до 50 мол. %. При повышении температур с 1300 до 1573 К происходит увеличение содержания Ве(ОН)2 с 50 до 99 мол. % и уменьшение содержания конденсированного ВеО практически до нуля. В интервале от 1573 до 2873 К практически весь бериллий находится в виде ВеО2Н2. Дальнейшее повышение темпера-
373 773 1173 1573 1973 2373 2773 Рис. 8. Распределение плутония по фазам
Г, К
М¡, мол. %
90 80 70 60 50 40 30 20 10
[7
II
1
\ ЧрГ ^ (ш
V -*— Ве(ОН)2 )
Л
1 \
\
и. Л р§= г4'
0
373 773 1173 1573 1973 2373 2773 Рис. 9. Распределение бериллия по фазам
Т, К
туры до 3273 К ведет к уменьшению доли Ве(ОН)2 до 88 мол. % и появлению ВеОН.
Распределение кальция по фазам представлено на рис. 10. В интервале температур от 273 до 773 К практически весь кальций находится в виде конденсированного СаСО3. Дальнейшее повышение температуры до 1000 К ведет к уменьшению доли конденсированного СаСО3 до 50 мол. % и появлению и увеличению доли конденсированного СаО до 50 мол. %. В интервале температур от 1000 до 1273 К происходит увеличение содержания конденсированного СаО с 50 до 96 мол. % и уменьшение доли конденсированного СаСО3 практически до нуля. Дальнейший рост температуры до 1500 К вызывает уменьшение доли конденсированного СаО до 50 мол. % и появление Са(ОН)2. В интервале температур от 1500 до 2173 К наблюдается увеличение содержания Са(ОН)2 с 50 до 98 мол. % и уменьшение доли конденсированного СаО практически до нуля. Дальнейшее повышение температуры до 3273 К ведет к уменьшению доли Са(ОН)2 до 40 мол. % и появлению СаОН, Са и СаО.
Mj, мол. %
Г-А Г M—i ( г
\ \ /
1 \)
— Ca -*- СаО (конд.) -*- СаО -•- СаОН -*- Са(ОН)2 -*- СаС03 (конд.) \
V \ s
V
) \ Г [
/ \ \ л У
ь-г 1 L \ rrm &
Mt, мол. %
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
373 773 1173 1573 1973 2373 2773 Рис. 10. Распределение кальция по фазам
Г, К
90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
г \
\ Sr ею SrfOHl-, Сконл.1
1
• 1 —•— SrCl2 (конд.) —*— ЭЮ (конд.) -*-SrOH — Sr(OH)2 -*- SrT.O, (тгпнттЛ
\ <
1 Ч О
,1, м №
373 773 1173 1573 1973 2373 2773 Рис. 11. Распределение стронция по фазам
Т, К
Распределение стронция по фазам приведено на рис. 11. При повышении температур с 373 до 573 К происходит резкое увеличение содержания конденсированного БгС03 (с 58 до 99 мол. %) и резкое уменьшение содержания конденсированного БгС12 (с 20 до 1 мол. %). В условиях повышения температур с 573 до 973 К примерно 99 мол. % стронция находится в виде конденсированного БгС03. Рост температур с 973 до 1373 К приводит к уменьшению доли конденсированного БгС03 до 13 мол. % и появлению конденсированного Бг0 и паров Бг(0Н)2. В интервале температур 1373-1673 К происходит резкое увеличение содержания Бг(0Н)2 (с 45 до 97 мол. %) и резкое уменьшение содержания конденсированного БгС03 и Бг0 практически до нуля. Дальнейшее повышение температуры до 3273 К приводит к уменьшению содержания Бг(0Н)2 до 38 мол. % и появлению Бг0Н, Бг0 и Бг.
Распределение цезия по фазам представлено на рис. 12. В интервале температур 373-573 К примерно 100 мол. % цезия находится в виде конденсированного С8С1. При повышении температур с 573 до 773 К происходит резкое уменьшение его доли до 43 мол. % и появление паров С8С1. Рост температур с 773 до 873 К приводит к резкому увеличению содержания паров С8С1 (с 56 до 95 мол. %) и резкому уменьшению содержания конденсированного С8С1 (практически до нуля). Дальнейшее повышение температур до 1100 К вызывает уменьшение содержания паров СвС1 до 31 мол. % и появление и увеличение доли паров С80Н с 2,5 до 50 мол. %. В интервале температур 1100-1573 К происходит увеличение доли Св0Н до 96 мол. % и уменьшение содержания С8С1 практически до нуля. Дальнейший рост температуры до 3073 К приводит к уменьшению содержания Св0Н до 51 мол. % и появлению С8. При повышении температуры до 3273 К происходит увеличение содержания паров Се с 46 до 59 мол. % и уменьшение содержания С80Н с 51 до 37 мол. %.
Mt, мол. %
11 ■ 1 Nr К
Гп
-*- CsO CsOH -■- CsCl (конд
1 V /
■ А
/ ) /
л
V
IHH J, Hb 1-1И Им ншч NN tii
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
373 773 1173 1573 1973 2373 Рис. 12. Распределение цезия по фазам
2773 Т. К
На основе термодинамического моделирования можно предложить следующую схему окисления углерода.
В равновесной системе основными компонентами газовой фазы являются Н20, Н2, С02, С0, СН4 (см. рис. 2), в конденсированной фазе углерод не содержится (см. рис. 1), так как он весь прореагировал с парами воды:
C + H2O = CO + H2; C + 2H2O = CO2 + 2H2.
(1) (2)
Образующийся водород взаимодействует с углеродом по реакции
С + 2H2 = CH4.
(3)
В газовой фазе в интервале температур 373-873 К в равновесной системе протекает реакция
CH4 + 2H2O = CO2 + 4H2.
(4)
В результате в равновесной системе снижается содержание паров воды (см. рис. 5), уменьшается количество метана от 49,951 до 0,547 мол. %, увеличи-
вается содержание СО2 от 50,047 до 86,909 мол. % (см. рис. 5) и Н2 от 0,014 до 14,022 мол. % (см. рис. 2).
В газовой фазе в интервале температур 573-973 К протекает реакция
СН4 + Н2О = СО + 3Н2. (5)
В равновесной системе снижается содержание паров воды (см. рис. 2), уменьшается количество метана от 44,106 до 0,031 мол. % (см. рис. 5), увеличивается содержание СО от 0,057 до 18,773 мол. % и Н2 от 1,78 до 13,707 мол. % (см. рис. 2).
В газовой фазе в интервале температур от 873 до 2573 К протекает реакция
CO, + И, = CO + H2O.
(6)
В равновесной системе происходит уменьшение содержания углекислого газа от 86,909 до 36,886 мол. % (см. рис. 5) за счет протекания реак-
ции между углекислым газом и водородом. Количество водорода уменьшается от 14,022 до 10,442 мол. % (см. рис. 2), при этом увеличивается содержание угарного газа от 12,542 до 63,113 мол. % (см. рис. 5) и паров воды от 36,356 до 39,233 мол. % (см. рис. 2).
Следовательно, при нагревании системы до 573 К появляется угарный газ. Наличие в равновесной системе СО, Н2 и СН4 указывает на ее пожаро- и взры-воопасность в зависимости от концентрации О2.
Наравне 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. Сайт Росатом. Производство электроэнергии. URL : http://www.rosatom.ru (дата обращения: 05.05.2014 г.).
2. Воробъёв А. В., Антонова А. М. Повышение эффективности установки с водографитовым реактором при частичных нагрузках // Известия Томского политехнического университета. Математика и механика. Физика. — 2013. — Т. 322, № 2. — С. 182-186.
3. Сайт города Припять: 22 года Чернобыльской катастрофе. URL : http://www.pripyat.com (дата обращения: 05.05.2014 г.).
4. БарбинН. М., Терентъев Д. 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.
5. Ватолин Н. А., МоисеевГ. К., Трусов Б. Г. Термодинамическое моделирование в высокотемпературных системах. — М. : Металлургия, 1994. — 352 с.
6. МоисеевГ. К., ВяткинГ. П., БарбинН. М. Применение термодинамического моделирования для изучения взаимодействия с участием ионных расплавов. — Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2002.
— 116 с.
7. 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.
8. Барбин Н. М., Казанцев Г. Ф., Ватолин Н. Л. Переработка вторичного свинцового сырья в ионных солевых расплавах. — Екатеринбург : УрО РАН, 2002. — 180 с.
9. Barbin N.M., Terentyev D. I., Alexeev S. G., Barbina T. Thermodynamic modeling of the Pb + Bi melt evaporation under various pressure and temperatures // Computational Materials Science. — 2013. — Vol. 66. — Р. 28-33.
10. Терентъев Д. 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.
11. Терентъев 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.
12. Barbin N., Terentyev D., Alexeev S. Computer calculation for thermal behavior of Na2CO3 - Li2CO3 melt // Journal of Engineering Thermophysics. — 2011. — Vol. 20, No. 3. — P. 308-314.
13. Терентъев Д. И., БарбинН. 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.
14. Барбин Н. М. Термодинамическое моделирование термического поведения расплавов Li2CO3 + Na2CO3 и CaCO3 +Na2CO3 // Химическая физика и мезоскопия. — 2008. — Т. 10,№3.
— С. 354-360.
15. КобелевА. М., Терентъев Д. И., Барбин Н. М., Алексеев С. Г., Опарин И. Д. Термодинамическое моделирование поведения урана, плутония и америция при горении радиоактивного графита в парах воды // Техносферная безопасность. — 2014. — № 1(2). иКЬ : http://uigps.ru/content/ паисЬпуу-7Ьигпа1/ (дата обращения: 05.05.2014 г.).
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. Алканы (часть 1) // 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, № 7.
— 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. Сложныеэфиры (часть1)//Пожаровзрывобезопасность. —2013. —Т. 22, № 1. —С. 31-57.
23. Алексеев С. Г., Барбин Н. М., Авдеев А. С., Пищалъников А. В. О взрывопожароопасности водочной продукции // Пожаровзрывобезопасность. — 2009. — Т. 18, № 2. — С. 20-23.
24. Алексеев С. Г., Пищалъников 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., Гуръев 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 25 июля 2014 г.
THERMODYNAMIC MODELING OF RADIONUCLIDE BEHAVIOR DURING HEATING (BURNING) OF RADIOACTIVE GRAPHITE IN VAPOURS OF WATER
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: NMBarbin@mail.ru)
KOBELEV A. M., Senior Lecturer of the Fire Automatics Department of Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg, 620062, Russian Federation)
TERENTYEV D. I., Candidate of Chemistry Sciences, Assistant Professor of the Chair of Physics and Heat Transfer of 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, 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: Alexshome@mail.ru)
: English
ABSTRACT
Radionuclides behavior at combustion of radioactive graphite in water vapors is examined by thermodynamic model analysis. It is determined that radioactive chlorine is present in the form of both HCl vapor and Cl atoms; radioactive americium — in the form of Am vapor; radioactive carbon — in the form of both CO vapor and CO2 vapor; radioactive nickel — in the form of Ni atoms and NiOH, NiO2H2, NiH vapors; radioactive uranium — in the form of UO3 and UO2 vapors; radioactive plutonium — in the form of PuO2 and PuO vapors; radioactive beryllium — in the form of Be(OH)2 and BeOH vapors; radioactive calcium — in the form of Ca(OH)2, CaOH vapors, and Ca atoms, and calcium oxide; radioactive strontium — in the form of Sr(OH)2, SrOH vapors, and strontium oxide, and Sr atoms; radioactive cesium — in the form of both Cs vapor and CsOH vapor.
Keywords: thermodynamic model analysis; radionuclides; radioactive graphite; oxidation; combustion.
REFERENCES
1. SaytRosatom: Proizvodstvo elektroenergii [Website Rosatom: Production of electricity]. Available at: http://www.rosatom.ru (Accessed 5 May 2014).
2. Vorobyev A. V., AntonovaA. M. Povysheniye effektivnosti ustanovki s vodografitovymreaktorompri chastichnykh nagruzkakh [Increasing the efficiency of the installation watergraphite reactor at partial loads]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Matematika i mekhanika. Fizika —Proceedings of the Tomsk Polytechnic University. Mathematics and Mechanics. Physics, 2013, vol. 322, no. 2, pp. 182-186.
3. Sayt goroda Pripyat: 22 goda Chernobylskoy katastrofe [Website of the city of Pripyat: 22 years of the Chernobyl disaster]. Available at: http://www.pripyat.com (Accessed 5 May 2014).
4. Barbin N. M., Terentyev D. I., Peshkov A. V., Alexeev S. G. Termodinamicheskoye modelirova-niye 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.
5. 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.
6. 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, SUSU Publ., 2002. 116 p.
7. 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.
8. 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.
9. Barbin N. 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.
10. Terentyev 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.
11. Terentyev D. I., Barbin N. M., Borisenko A. V., Alexeev S. G. Sostaviteplofizicheskiye svoystva sistemy (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.
12. Barbin N. M., Terentyev D. I., Alexeev S. G. Computer calculation for thermal behavior of Na2CO3 -Li2CO3 melt. Journal of Engineering Thermo Physics, 2011, vol. 20, no. 3, pp. 308-314.
13. Terentyev 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.
14. 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.
15. Kobelev A. M., Terentyev D. I., Barbin N. M., Alexeev S. G., Oparin I. D. Termodinamicheskoye modelirovaniye povedeniya urana, plutoniya i ameritsiya pri gorenii radioaktivnogo grafita v parakh vody [Thermodynamic simulation of the behavior of uranium, plutonium, and americium during combustion of radioactive graphite water vapor]. Tekhnosfernaya bezopasnost — Technosphere Safety, 2014, no. 1(2). Available at: http://uigps.ru/content/nauchnyy-zhurnal/ (Accessed 5 May 2014).
16. Alexeev S. G., Barbin N. M., Alexeev K. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. II. Ketony (chast 1) [Correlation of fire hazard indexes with 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., Alexeev K. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. I. Alkany (chast 1) [Correlation of fire hazard indexes with chemical structure. I. Alcan (Part 1)]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2010, vol. 19, no. 5, pp. 23-30.
18. Alexeev S. G., Barbin N. M., Alexeev K. S., Orlov S. A. Svyaz pokazateley pozharnoy opasnosti s khi-micheskim stroyeniyem. IV. Prostyye efiry [Correlation of fire hazard indexes with 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 [Correlation of fire hazard characteristics with chemical structure. V. Carbon acid]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no. 7, pp. 35-46.
20. Alexeev S. G., Barbin N. M., Alexeev K. S. 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.
21. 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-alkany]. 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) [Correlation of fire hazard characteristics with 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., Barbin N. M., Timashev S. A., Guryev E. S. Metody otsenki vzryvopozharoopasnosti 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.
26. Alexeev S. G., Smirnov V. V., BarbinN. M. Temperatura 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.
