НАПРАВЛЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ
Группа экологической радиохимии, ГЭР, кафедры радиохимии химического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова
Состав ГЭР:
профессор, доктор химических наук, Бекман Игорь Николаевич,
старший научный сотрудник, кандидат химических наук, Бунцева Ираида Михайловна.
Научно-исследовательская деятельность группы проводится по темам:
1. Изучение состояния и миграции радионуклидов и токсинов в окружающей среде
2. Разработка новых материалов и технологических систем экологического назначения
3. Радон в природных средах и в среде обитания человека
4. Диффузия газов в твердых телах
5. Разработка и применение метода радиоактивного диффузионного газового зонда для диагностики твердых тел и твердофазных процессов.
В группе экологической радиохимии (ГЭР) в рамках государственных и международных научно-исследовательских программ проводится анализ радиохимических аспектов развития атомной энергетики, безопасности ядерного оборудования, управления отходами ядерно-топливного цикла, а также изучение процессов транспорта радионуклидов в водной среде, атмосферном воздухе, почве, растениях и т.п. В области переработки радиоактивных отходов основные усилия направлены на уменьшение их вредных воздействий на окружающую среду и здоровье населения. При этом используются такие новые функциональные материалы, как неорганические волоконные адсорбенты, специальная керамика и микрогетерогенные полимерные мембраны, обеспечивающие концентрирование радионуклидов из водных растворов с последующим переводом их в твердые вещества и захоронением.
Новые конструкционные и функциональные материалы изучаются методами диффузионно-структурного анализа (метод радиоактивного инертного диффузионного радиоактивного газового зонда, метод диффузионной микротомографии, эманационно-термический анализ и др.). Группа методов ДСА обеспечивает получение как информации о механизме растворения и диффузии радиоактивных газов в твердых телах, так и о дефектности материала и твердофазных процессах в них, протекающих при термических, радиационных, механических и химических воздействиях на исследуемый образец.
В рамках концепции интегрального экологического риска основное внимание уделяется уменьшению источников радиации в окружающей среде. Предложенная в ГЭР методика предназначена для объективного количественного измерения величины риска экосистем и естественных популяций, возникающего при одновременном попадании в них токсичных веществ и радионуклидов. Для снижения радиационного риска используются методы качающейся адсорбции и мембранной технологии, очищающие газовые сбросы атомных электростанций от радионуклидов, интегральные системы химической технологии (мембранные абсорберы экстракторы и реакторы), в своей совокупности обеспечивающие эффективную переработку многокомпонентных радиоактивных отходов радиохимических предприятий.
Новые методики разделения и концентрирования радионуклидов применены для мониторинга радионуклидов в природных средах. В ходе экспедиций изучен характер распределения природных и техногенных радионуклидов в водах и в воздухе в Азовском, Черном, Каспийском и Белом морях, а также в водах озера Байкал. В ходе экспедиционных работ существенное внимание уделяли проблеме распространения природных источников изотопов радона (гейзеров, подводных вулканов, «черного песка» и т.п.) в морских акваториях, а также в Горном Алтае и на Камчатке. Предложенные методики одновременного мониторинга всех изотопов радона использованы при решении проблемы радонозащищенного жилища.
Разработанная в ГЭР теория миграции радионуклидов в гетерогенных нестационарных средах использована для статистического анализа радиационного фона в районе г.Мариуполя. При этом впервые установлены количественные связи между статистическими характеристиками колебаний радиационного фона (например, показателя фракталов) и статистическими характеристиками таких климатических параметров, как температура, давление, относительная и абсолютная влажность атмосферы, направление и сила ветра.
В 1995-2000 гг. группой экологической радиохимии достигнуты следующие успехи.
Осуществлен синтез новых функциональных материалов для интегрированных систем переработки смешанных (содержащих как стабильные, так и радиоактивные вещества) отходов.
Современные методы фазового дизайна использованы для синтеза таких материалов, как селективные мембраны конверсионного массо-переноса, рабочие элементы топливных батарей и тепловых насосов, планарные адсорбенты и каталитически активные фильтры, стекло и керамика ядерного назначения, металлические стекла, планарные катализаторы и др.
Основное внимание уделено таким материалам, как
1. Химически, радиационно и термически стойкие керамики с адсорбционными, каталитическими и ионно-обменными свойствами: фотокаталитические материалы, на основе окиси титана, предназначенные для разложения экологически вредных и токсичных химических веществ, находящихся в жидких и газообразных промышленных отходах; керамики со структурой перовскита на основе оксида циркония, стабилизированные оксидом иттрия, на базе титаната кальция и/или силиката циркония предназначенные для фиксации иммобилизации радиоактивных элементов (например, плутония нептуния и америция) накапливающихся в ходе переработки высокорадиоактивных отходов.
2. Сорбенты токсических веществ и радионуклидов на основе окиси алюминия и модифицированных алюмосиликатов (в первую очередь – Al – пилларовый бентонит).
3. Сорбенты на основе выщелоченных (пористых) базальтовых и стеклянных волокон
4. Полимерные селективные мембраны: асимметричные мембраны диффузионного типа (например, ПВТМС), гетерогенные мембраны на базе сополимеров ПВТМС-ПДМС, ионно-обменные мембраны.
Осуществлена комплексная диагностика полученных материалов, которая включала следующие методы:
1. Радионуклидные методы диагностики: метод радиоактивного диффузионного газового зонда; эманационно – термический анализ; радионуклидная сорбционная дефектоскопия радионуклидная микротомография на радиоактивных газовых зондах; метод термодесорбционной спектроскопии.
2. Методы термического анализа: термогравиметрический метод; дифференциально-термический анализ; метод термостимулированного газовыделения
3. Традиционные методы анализа: рентгенофазовый анализ; электронная микроскопия; измерение поверхности; порометрия
Определены параметры растворения и диффузии радиоактивных газов (3Н, 85Kr, 133Xe) в неорганических и полимерных материалах, исследована водородопроницаемость (по протию, дейтерию и тритии.) фольг титана, никеля и некоторых сортов нержавеющей стали (в том числе - покрытой слоем бериллия), а также изучено эманирование влажных пористых сред. Измерены изотермы адсорбции 85Sr и 137Cs из их растворов в воде и некоторых органических растворителей, рассчитаны основные параметры адсорбции. Показано, что адсорбционно-активные фильтры на базе выщелоченных базальтовых волокон позволяют активно очищать растворы от радионуклидов. Термическая обработка фильтров при сравнительно невысоких температурах (порядка 4000С) приводит к эффективному замуровыванию радионуклидов в объеме стекла.
Новые материалы использованы в химико-технологических аппаратах управляемого массо-переноса экологического назначения, из которых основными были:
1. Адсорбционные аппараты регулярной структуры (в первую очередь – «активные фильтры»)
2. Интегрированные мембранные системы с подвижным жидким носителем (мембранные абсорберы, вентили и экстракторы с подвижным жидким слоем)
3. Гибридные газоразделительные системы (например, качающаяся адсорбция с мембранным окончанием)
4. Мембранные реакторы на керамических каталитически активных мембранах
5. Тепловые насосы и мембранные озонаторы.
Установки испытаны в режиме извлечения и концентрирования радионуклидов – компонентов отходов предприятий ядерного топливного цикла. Начаты испытания адсорбера с выщелоченными базальтовыми волокнами на реальных газовых смесях в составе установки по подавлению активности на ядерном реакторе типа РБМК Смоленской атомной электростанции (г.Десногорск).
Показано, что предложенные материалы и методы их промышленного использования могут представлять интерес с точки зрения создания энерго- и ресурсосберегающих, малоотходных и безопасных радиохимических технологий ядерной индустрии.
Новые материалы (выщелоченные базальтовые волокна, перовскитоподобная керамика, модифицированные бентониты) испытаны в режиме извлечения, отверждения и захоронения радиоактивных тяжелых металлов (в первую очередь – нептуния). Исследована коррозионная стойкость некоторых отвержденных композиций, а также их радиационная и температурная устойчивость. Обнаружено, что некоторые адсорбенты способны селективно извлекать из жидких радиоактивных отходов минорные актиниды, в больших количествах накапливать их в кристаллической структуре и прочно удерживать их в своей матрице при интенсивных внешних радиационных, механических, химических и термических воздействиях.
Некоторые предложенные химико-технологические системы испытаны в режиме мониторинга радионуклидов в природных водных и воздушных средах. В рамках программы «Состояние и миграция радионуклидов в окружающей среде» осуществлено картирование радиоактивных песков на северном побережье Азовского моря. По маршруту гг. Таганрог-Мариуполь-Бердянск методами гамма-спектрометрии и радоновой съемки измерена радиоактивность песков городских и курортных пляжей. Построена карта распространения природных радионуклидов (232Th, 226Ra, 222Rn и 220Rn) по побережью. Выявлены и оконтурены участки «черных (монацитовых) песков» с уровнями гамма-излучения 50 – 1000 мкР/час. На базе данных по химическому, минералогическому и радионуклидному составам проб образцов горных пород, донных осадков и песка получены данные по путям переноса монацитовых песков. Осуществлен мониторинг концентрации радона в воздухе жилых помещений на побережье Азовского моря. Измерены концентрации 222Rn и 220Rn и короткоживущих продуктов их распада в воздухе некоторых городских квартир г. Мариуполя, жилых помещений одноэтажной застройки пригородных строений, в подвалах, колодцах и т.п. Обнаружено существенное превышение концентрации радона (особенно – 220Rn) в погребах и подвалов дач, расположенных непосредственно на побережье Азовского моря. Исследовано взаимодействие между радиоактивным фоном и основными метеопараметрами (температуры воздуха, атмосферного давления, относительной и абсолютной влажности, направления и скорости ветра) в районе г. Мариуполя. Проведен полный статистический анализ временного дрейфа как метеопараметров, так и радиационного фона. Рассчитаны фликкер-спектры всех параметров и взаимокорреляционные функции. Показано, что основное влияние в изменение радиационного фона в северной части Азовского моря вносит скорость и направление ветра. Установлено, что основной вклад в дозовую нагрузку населения вносит перенос ветрами «черных песков». Показано, что повышенная онкологическая заболеваемость среди жителей побережья связана с "черными песками" и выделяющимися из него 220Rn. Предложены контрмеры, направленные на улучшение радиационной обстановки на территориях северной части Азовского моря.
Изучено влияние различных факторов (пористости, удельной поверхности и влагосодержания материала, температуры и влажности окружающей среды) на состояние и миграцию изотопов радона (220Rn и 222Rn) в природных средах и в строительных материалах. Проведено математическое моделирование процессов выделения изотопов радона из материалов при изменяющейся во времени температуре и влажности атмосферы. В рамках программы "Проблема радона: радонозащищенные жилища" измерены параметры проницаемости радона сквозь пленки различных полимеров барьерного типа. Рассмотрены перспективы использования композитных лаков на эпоксидной основе для блокировки процессов выделения радона из строительных конструкций.
