СПОСОБ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ПОКРЫТИЙ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАДИОАКТИВНЫМИ ВЕЩЕСТВАМИ Российский патент 1997 года по МПК G21F9/28 

Способ относится к охране окружающей среды, а точнее к области переработки твердых радиоактивных отходов. Наиболее эффективно заявляемый способ может быть использован при переработке асфальтобетонный покрытий, загрязненных радиоактивными веществами.

Актуальность разработки метода переработки такого рода поверхностей объясняется тем, что асфальтобетонные покрытия в первую очередь используются в качестве дорожного покрытия, загрязненность которого даже в небольших по площадям масштабам может привести к распространению радионуклидов на довольно значительные расстояния в результате воздействия атмосферных факторов, а также за счет передвижения различных автотранспортных средств. Использование же доступных приемов дезактивации для очистки таких поверхностей с применением моющих средств представляется весьма проблематичным из-за неровности асфальтобетонных покрытий и обычного нарушения целостности их поверхности.

Известен способ переработки поверхностей, загрязненных радиоактивными веществами, включающий использование лазерного источника, направленного на поверхность, для образования на ней локальной области интенсивного нагрева, которая после прекращения нагрева затвердевает и закрепляет на себе радионуклиды. До и после нагрева на поверхность наносится слой покрывающего материала для изоляции радионуклидов [1]
Недостатком известного способа является то, что он фактически представляет собой метод захоронения радиоактивных веществ непосредственно по месту загрязнения, причем зачастую в условиях, совершенно непригодных для надежной локализации радионуклидов. Кроме того, известный способ не решает проблемы ликвидации загрязнений в тех случаях, когда она необходима, т.е. он неприемлем для обезвреживания асфальтобетонных покрытий, используемых в дорожном строительстве или расположенных вблизи с биологическими объектами.

Известен также способ обработки поверхностей, загрязненных радиоактивными веществами, путем нанесения легкосъемных полимеризующихся покрытий, которые затем легко удаляются и направляются на захоронение в качестве радиоактивных отходов [2]
Основным недостатком этого способа является то, что ликвидация радиоактивного загрязнения происходит только с поверхности, в то время, как радионуклиды, продиффундировавшие внутрь загрязненного материала, остаются на месте. Кроме того, способ эффективен в основном для гладких поверхностей и его применение для обработки асфальтобетонных покрытий не обеспечит достаточной степени очистки даже поверхности покрытия из-за его шероховатости. По этой же причине будут возникать определенные сложности при отделении покрытия от обрабатываемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому способу является способ, согласно которому загрязненные радиоактивными веществами поверхности срезаются с помощью различных механических приспособлений и направляются на захоронение [3]
Данный способ применим практически ко всем видам механически удаляемых покрытий, в том числе и асфальтобетонных.

Основными недостатками известного способа являются:
повышенная опасность реализации способа, заключающаяся в том, что удаление загрязненного слоя почти всегда будет сопровождаться значительным пылеуносом, в особенности при необходимости предварительного разрушения твердой поверхности. Кроме того, разрушение твердой поверхности покрытия будет причиной увеличения его удельной поверхности, что в условиях контакта с атмосферными осадками или грунтовыми водами приведет к повышенной миграции радионуклидов на незараженные территории;
повышенный объем образующихся радиоактивных отходов, связанный с тем, что в процессе разрушения и удаления твердого покрытия будет происходить также захват и удаление нерадиоактивного материала в особенности, если границы радиоактивного "пятна" выражены нечетко. Следствием этого будет снижение эффективности использования полезного объема могильника при последующем захоронении отходов, увеличение стоимости их хранения, а в случае предварительной переработки отходов увеличение стоимости их переработки.

Преимуществами заявляемого способа являются повышение безопасности его реализации за счет предотвращения миграции и пылевого уноса радионуклидов, а также повышение экономичности за счет снижения объема образующихся радиоактивных отходов.

Указанные преимущества достигаются за счет того, что на загрязненный радионуклидами участок асфальтобетонной поверхности на стеклотканевой подложке наносят порошкообразную экзотермическую смесь состава, мас.

Порошок магния 50 80
Калий азотнокислый 1 5
Масло индустриальное 1 2
Порошок алюминий-магниевого сплава остальное
к которой добавлена в количестве от 2 до 7 мас. от массы смеси порошкообразная стеклообразующая фритта с температурой размягчения от 500 до 600 ^oC. После нанесения на загрязненную поверхность указанной композиции, она поджигается и за счет горения размягчает обрабатываемый участок покрытия, который затем механически удаляется и направляется на переработку и захоронение. При необходимости весь процесс повторяют для обеспечения прогрева на нужную глубину до полного извлечения загрязненного материала. Глубину и границы прогреваемого загрязненного участка можно регулировать количеством насыпаемой композиции, за счет чего доля нерадиоактивного материала в извлекаемом асфальтобетоне будет минимальной.

Порошок магния обеспечивает процесс горения экзотермической смеси. Алюминиево-магниевый сплав предназначен для предотвращения бурного процесса горения магния (вследствие его пирофорности) и придания его протеканию более спокойного характера, т.к. при бурном горении возможен выброс в окружающую среду продуктов горения вместе с радионуклидами. Нитрат калия играет роль окислителя на первой стадии воспламенения пиротехнической смеси, а индустриальное масло представляет собой комбинированную добавку, ликвидирующую пыление порошков металлов, входящих в состав композиции. Кроме того, индустриальное масло в сочетании с нитратом калия обеспечивает безотказное воспламенение смеси, рыхлит шлак в процессе горения, обеспечивая требуемую пористость для диффузии кислорода. Порошкообразная стеклообразующая фритта замедляет процесс горения, что обеспечивает необходимое время для достаточного прогрева участка асфальтобетонной поверхности, а также способствует предотвращению аэрозольного уноса радионуклидов в процессе горения за счет увеличения плотности шлакового слоя, являющегося веществом, улавливающим летучие формы радионуклидов.

Предлагаемая порошкообразная композиция при зажигании обеспечивает процесс беспламенного горения, протекающего в две стадии. Первая стадия горения протекает за счет присутствия в составе композиции окислителя - нитрата калия и необходима для обеспечения достижения некоторой критической температуры, достаточной для создания условий протекания второй стадии горения за счет диффузии в смесь кислорода воздуха. Если в результате первой стадии горения происходит подъем температуры, то вторая стадия протекает при практически постоянной температуре слоя композиции на нагреваемой асфальтобетонной поверхности.

При содержании в составе смеси нитрата калия менее, чем 1 мас. не обеспечивается воспламеняемость композиции без применения термита, использование которого может привести к интенсивному улетучиванию летучих форм радионуклидов в окружающую среду за счет высокой температуры и пламенного факела, создаваемых термитом. Увеличение содержания нитрата калия сверх 5 мас. может привести к увеличению температуры сверх критической на первой стадии горения и образованию пламенного факела, что также приведет к увеличению степени улетучивания радионуклидов.

При содержании индустриального масла менее 1 мас. не все частицы композиции обволакиваются маслом и состав пылит, что неприемлемо при реализации способа на асфальтобетонных поверхностях под открытым небом, а увеличение содержания масла свыше 2 мас. также приводит к образованию пламенного факела за счет горения излишков масла, дымообразованию и повышению улетучивания радионуклидов.

Выбор в качестве компонента экзотермической смеси магния объясняется тем, что при его горении обеспечивается малая скорость нагрева асфальтобетона за счет малой и стабильной скорости окисления магния на воздухе, т.к. при высоких скоростях окисления времени может быть недостаточно для размягчения асфальтобетонного участка, подлежащего удалению. При содержании порошкообразного магния в составе пиротехнической смеси менее 50 мас. не обеспечивается поддержание стабильной температуры на второй стадии горения, а увеличение его доли свыше 80 мас. может привести к объемному пламенному горению, что также будет иметь следствием повышенный унос радионуклидов.

Алюминий в составе пиротехнической смеси играет роль основного теплотворного компонента и используется в виде алюминий-магниевого сплава, стандартно выпускаемого промышленностью, при соотношении магний алюминий 1:1 [4] Достоинством использования магний-алюминиевого сплава по сравнению с чистым алюминием является то, что пористость образующегося в ходе горения шлака будет выше, что обеспечивает большую полноту окисления по сравнению с использованием в качестве теплотворной добавки чистого алюминия, т.к. пористость образующегося шлака в случае использования алюминий-магниевого сплава будет примерно на 60 выше, чем в случае использования чистого алюминия.

Снижение содержания алюминий-магниевого сплава в составе экзотермической смеси приведет к снижению температуры беспламенного горения и, как следствие, к уменьшению времени нагрева асфальтобетонного покрытия, что в свою очередь может не обеспечить разогрев покрытия до легкоудаляемого пластичного состояния. Увеличение содержания алюминий-магниевого сплава приведет к тому, что плотность образующегося шлака повысится, пористость уменьшится и процесс горения может самопроизвольно прекратиться за счет недостаточного доступа кислорода воздуха.

Использование порошкообразной стеклообразующей фритты, как уже указывалось, обеспечивает замедление процесса беспламенного горения и способствует предотвращению аэрозольного улетучивания радионуклидов, причем, если температура размягчения фритты будет ниже 500 ^oC, то будет слишком быстро образовываться твердая шлаковая поверхностная корка, перекрывающая доступ кислорода воздуха в горящую смесь. Если же температура размягчения фритты будет свыше 600^oC, то не будет обеспечиваться плавление частиц фритты, конгломерации продуктов горения в более крупные и тяжелые частицы, а, следовательно, не будет обеспечиваться предотвращение аэрозольного пылеуноса радионуклидов. В количественном отношении при содержании стеклообразующей фритты менее, чем 2 мас. ее будет недостаточно для подавления аэрозольного уноса радионуклидов, а при превышении ее количества свыше 7 мас. поверхность шлака будет покрыта слоем избытка стеклорасплава и процесс горения может самопроизвольно прекратиться.

Качественный состав стеклообразующей шихты существенной роли в достижении поставленных преимуществ не играет, а использование экзотермичекой смеси и стеклообразующей фритты в порошкообразном виде необходимо для гарантированного полного покрытия "пятна загрязнения". Дисперсность порошка здесь также существенной роли на достижение эффекта не оказывает.

Основным предназначением стеклотканевой подложки, являющейся теплоизолятором, является предотвращение перегрева асфальтобетонной поверхности таким образом, чтобы ее температура не превышала 300^oC, так как в областях температур свыше указанной довольно значительно возрастает опасность возникновения процесса пиролитической деструкции битума, входящего в состав асфальтобетонного покрытия, что является весьма нежелательным с точки зрения безопасности для окружающей среды.

Способ реализуется следующим образом.

На асфальтобетонное покрытие, загрязненное радиоактивными веществами, на стеклотканиевой подложке наносят гомогенизированную порошкообразную композицию из экзотермической смеси и стеклообразующей шихты следующего состава: магний 65 мас. калий азотнокислый 3 мас. масло индустриальное 1,5 мас. алюминий-магниевый сплав 30,5 мас. и 4,5 мас. от массы экзотермической смеси стеклообразующей шихты и выравнивают по границам загрязняющего "пятна". Композицию поджигают термоспичкой или связкой из 4 5 бытовых спичек. После окончания процесса горения стеклотканевую подложку вместе с шлаковыми продуктами сгорания сдвигают в сторону от разогретого участка асфальтобетонной поверхности и помещают в контейнер, куда также помещают снятый с помощью скребка слой загрязненного асфальтобетонного покрытия, после чего проводят радиометрический контроль поверхности на отсутствие радиоактивного загрязнения и в случае наличия такового операцию повторяют до полного удаления загрязнения (достижения фонового уровня излучения). В процессе горения проводят анализ газовой фазы на предмет улетучивания радионуклидов. Анализ показал, что удельная активность газовой фазы не превышает ее фоновых значений, что говорит о практически полной безопасности реализации способа для обслуживающего персонала и окружающей среды. Стеклотканиевую подложку вместе с продуктами горения и загрязненный асфальтобетон направляют на переработку, преимущественно методом битумирования, в основном из-за близости физико-химической природы асфальтобетона и битума и направляют на хранение в могильник, а в качестве материала стеклоткани используют преимущественно кварц из-за его высокой устойчивости к резким перепадам температур.

Использование: очистка поверхности твердых материалов от радионуклидов, а именно очистка асфальтобетонной поверхности. Сущность: способ обезвреживания асфальтобетонных покрытий, загрязненных радионуклидами, заключается в том, что на загрязненную поверхность наносят порошкообразную композицию на стеклотканевой подложке. Композиция имеет следующий состав, масс.%: порошок магния - 50 - 80, калий азотно-кислый - 1 - 5, масло индустриальное - 1 - 2, порошок алюминиево-магниевый - остальное и 2 - 7 масс.% стеклообразующей фритты по отношению к весу смеси с температурой размягчения фритты 500 - 600^oC. Затем композицию поджигают, разогревают обрабатываемый участок до пластичного состояния и механически удаляют разогретый участок вместе с продуктами сгорания, перерабатывают отход и захоранивают. Достигаемый результат - экономичность и безопасность проведения процесса. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ обезвреживания асфальтобетонных покрытий, загрязненных радиоактивными веществами, включающий механическое удаление загрязненного покрытия и его захоронение, отличающийся тем, что перед механическим удалением на загрязненный участок асфальтобетонного покрытия на стеклотканиевой подложке наносят порошообразную гомогенизированную композицию, состоящую из экзотермической смеси состава, мас.

Порошок магния 50 80
Азотнокислый калий 1 5
Индустриальное масло 1 2
Алюминиево-магниевый порошок Остальное
и 2 7% к массе пиротехнической смеси стеклообразующей фритты с температурой размягчения 500 600^oС, после чего композицию поджигают, участок загрязненной асфальтобетонной поверхности разогревают до размягчения и механически удаляют вместе с продуктами сгорания композиции, причем указанные операции повторяют до полного удаления загрязненного асфальтобетона, а удаленный вместе с продуктами сгорания асфальтобетон перед захоронением направляют на переработку.