Лавообразная топливосодержащая масса

Лавообразная топливосодержащая масса (сокр. ЛТМ) — это техногенное вещество, образовавшееся в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году. Представляет собой застывший расплав смеси ядерного топлива (диоксида урана), продуктов деления, конструкционных материалов реактора (сталь, цирконий, графит) и бетона. ЛТМ является высокорадиоактивным материалом, обладающим уникальными физико-химическими свойствами, и представляет собой одну из главных долгосрочных радиационных опасностей на Чернобыльской площадке.

История образования

Авария и формирование расплава

26 апреля 1986 года в результате разрушения активной зоны реактора РБМК-1000 на четвёртом энергоблоке Чернобыльской АЭС произошёл выброс ядерного топлива и продуктов деления. В ходе последующего развития аварии, в течение нескольких дней, под воздействием высокой температуры (до 2000–2500 °C) и радиоактивного распада, топливо, а также фрагменты оболочек тепловыделяющих элементов (твэлов), графитовых блоков кладки, металлических конструкций и бетона переплавились в единую массу. Этот расплав, обладавший высокой текучестью, начал стекать вниз, заполняя нижние помещения реакторного зала и подреакторные пространства.

Обнаружение и изучение

Первые образцы ЛТМ были отобраны в 1986–1987 годах в ходе ликвидации последствий аварии. Исследования, проведённые в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, Научно-исследовательском институте атомных реакторов (НИИАР) и других организациях, показали, что это не просто смесь, а сложный стеклообразный материал. Внешне он напоминает чёрную или тёмно-серую лаву, отсюда и название. Впоследствии были обнаружены и другие формы ЛТМ — «чёрные керамики» и «коричневые керамики», различающиеся по составу и структуре.

Классификация и виды

ЛТМ классифицируют по месту образования и внешнему виду:

Лава (стеклообразная масса) — наиболее распространённая форма. Образует застывшие потоки, натёки и сталактиты в подреакторных помещениях. Имеет высокую плотность, хрупкость и стеклянный блеск.
«Чёрная керамика» — плотный, чёрный, матовый материал, образующийся при более высоких температурах и быстром охлаждении. Содержит меньше газов и имеет более высокую твёрдость.
«Коричневая керамика» — пористый, рыхлый материал коричневого цвета, образующийся при взаимодействии расплава с водой. Содержит большое количество включений и пузырьков.
Пылевидные фракции — мелкодисперсные частицы, образующиеся при разрушении ЛТМ в результате радиационного и термического воздействия.

Физико-химические свойства

Состав

Основными компонентами ЛТМ являются:

Диоксид урана (UO₂) — до 70–80% по массе. Является основным ядерным топливом.
Продукты деления — цезий-137, стронций-90, плутоний-239, 240, америций-241 и другие радионуклиды. Их концентрация сильно варьируется в зависимости от участка.
Конструкционные материалы — цирконий (из оболочек твэлов), железо, никель, хром (из стали), графит (из кладки реактора).
Бетон — силикаты кальция, алюминия, оксиды кремния, кальция, магния.

Структура

ЛТМ представляет собой аморфное стеклообразное вещество с включениями кристаллических фаз. Внутри него содержатся газовые пузырьки (в основном водород, гелий, углекислый газ) и микротрещины, образующиеся при застывании и последующем радиационном разрушении.

Радиоактивность

Удельная активность ЛТМ может достигать десятков и сотен тысяч беккерелей на грамм. Основной вклад в активность вносят:

Цезий-137 (период полураспада 30 лет) — основной источник гамма-излучения.
Стронций-90 (период полураспада 28,8 лет) — бета-излучатель, опасен при попадании внутрь организма.
Плутоний-239, 240 (период полураспада 24 000 и 6 500 лет) — альфа-излучатели, представляют долгосрочную опасность.
Америций-241 (период полураспада 432 года) — продукт распада плутония-241, также альфа-излучатель.

Физические свойства

Плотность: 2,5–3,5 г/см³.
Твёрдость: по шкале Мооса 4–6 (сравнима с оконным стеклом).
Температура плавления: 1200–1400 °C.
Растворимость: практически нерастворима в воде и большинстве кислот, но медленно разрушается под действием щелочей и некоторых органических кислот.
Хрупкость: высокая, склонна к растрескиванию при механическом воздействии и перепадах температур.

Распространение и локализация

Основные скопления ЛТМ находятся в подреакторных помещениях четвёртого энергоблока, в том числе:

Помещение 305/2 — под реактором, где образовался основной поток лавы.
Помещение 304/3 — «бассейн-барботер», где расплав стёк и застыл.
Помещение 210/6 — «паровой коридор», где обнаружены сталактиты и натёки.
Помещение 207/2 — «южное машинное отделение», где имеются отдельные скопления.

Общая масса ЛТМ оценивается в 100–150 тонн. Точное количество неизвестно из-за сложности доступа и высокой радиации.

Опасность и проблемы управления

Радиационная опасность

ЛТМ является источником интенсивного ионизирующего излучения, что делает невозможным длительное пребывание человека вблизи неё без специальной защиты. Внутреннее облучение при вдыхании пыли или попадании в организм с водой представляет наибольшую опасность из-за содержания альфа-излучающих радионуклидов.

Деградация и пылеобразование

Со временем под воздействием радиации, температуры и влажности ЛТМ разрушается. Процесс идёт по нескольким механизмам:

Радиационное разрушение — альфа-частицы и гамма-кванты вызывают аморфизацию и образование микротрещин.
Термическое разрушение — перепады температур в помещениях приводят к растрескиванию.
Химическое разрушение — взаимодействие с влагой и углекислым газом воздуха приводит к образованию карбонатов и гидроксидов, что снижает прочность.
Биологическое разрушение — обнаружены микроорганизмы, способные разлагать некоторые компоненты ЛТМ.

В результате образуется радиоактивная пыль, которая может распространяться по вентиляции и с воздушными потоками. Это создаёт риск вторичного загрязнения территории.

Управление и безопасность

В настоящее время ЛТМ находится под защитным сооружением — «Укрытием» (объект «Укрытие»), а с 2017 года — под новым безопасным конфайнментом (НБК). Однако полная изоляция невозможна. Ведутся работы по мониторингу состояния ЛТМ, очистке помещений от пыли и разработке технологий её извлечения и захоронения. Основные проблемы:

Высокая радиация, препятствующая доступу человека.
Необходимость дистанционного управления и роботизированных систем.
Отсутствие технологий безопасного извлечения и переработки ЛТМ в промышленных масштабах.
Долгосрочное хранение (сотни тысяч лет) из-за содержания трансурановых элементов.

Научное значение

ЛТМ является уникальным объектом для изучения поведения ядерного топлива в условиях тяжёлой аварии. Исследования её свойств позволили:

Уточнить механизмы разрушения активной зоны реактора.
Разработать модели поведения расплава топлива при авариях на АЭС.
Создать методы прогнозирования последствий подобных катастроф.
Изучить долгосрочное поведение радиоактивных материалов в окружающей среде.

Кроме того, ЛТМ представляет интерес для геохимии и материаловедения как пример образования техногенных минералов и стекол в экстремальных условиях.

Источники

Авария на Чернобыльской АЭС: причины, последствия, уроки. — М.: ИздАТ, 1996.
Боровой А. А., Демин В. Ф., Коваленко В. В. и др. Лавообразные топливосодержащие массы 4-го блока ЧАЭС: состояние, свойства, прогноз // Атомная энергия. — 1996. — Т. 80, № 4. — С. 241–247.
Пазухин Э. М., Коваленко В. В., Лагуненко А. С. и др. Физико-химические свойства лавообразных топливосодержащих масс объекта «Укрытие» // Радиохимия. — 1997. — Т. 39, № 1. — С. 74–79.
Соботович Э. В., Бондаренко Г. Н., Коваленко В. В. и др. Геохимия техногенных радионуклидов в объекте «Укрытие». — Киев: Наукова думка, 1992.
Отчёт МАГАТЭ: The Chernobyl Accident: Updating of INSAG-1. — INSAG-7, 1992.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →