СПОСОБ ИМИТАЦИИ СВОЙСТВ ПЛУТОНИЯ

Изобретение относится к области молелирования процессов диспергирования плутония при аварийном взрыве объектов и распространения его аэрозолей в атмосфере и предназначено для наиболее полного имитирования процессов диспергирования плутония при взрывном нагружении и его распространения.

Может быть использовано для прогнозирования масштабов радиоактивного загрязнения местности при авариях, связанных со взрывом изделий ядерно-энергетического комплекса, а также разработки технических решений по снижению последствий радиационных аварий.

В случае аварийного взрыва, который может возникнуть при эксплуатации изделий ядерно-энергетического комплекса, содержащих в своем составе плутоний, будет происходить диспергирование и распространение плутония в атмосфере в форме аэрозолей. Это приведет к радиоактивному загрязнению окружающей среды плутонием, что представляет значительную экологическую опасность. К настоящему времени процессы фрагментации плутония при взрывном нагружении и его распространения в атмосфере изучены недостаточно, что затрудняет прогнозирование и разработку технических решений по снижению радиационных последствий аварий. Эксперименты с изделиями и их образцами (моделями), содержащими плутоний, очень дорогостоящие и, главное, представляют экологическую опасность и их проведение в атмосфере в настоящее время невозможно. В связи с этим в подобных экспериментах для имитирования процессов диспергирования плутония при взрывном нагружении и распространения его аэрозолей в атмосфере целесообразно использовать экологически безопасный материал-имитатор, сходный с плутонием по поведению при взрывном нагружении.

В заявке на изобретение (патент РФ №2216605 приоритет 13.09.2001 г.) «Имитатор плутония при горении» /1/ используется известный сплав урана с железом U-Fe, содержащий 88,2 мас.% U и 11,8 мас.% Fe, по новому назначению, а именно для имитирования процессов горения и распространения в атмосфере плутония. Сплав имеет структуру эвтектического типа с минимальной температурой плавления ≈725°С, что немного выше, чем у плутония ≈640°С. Данный имитатор характеризуется близостью к плутонию по физико-химическим свойствам, параметрам горения, образованию аэрозолей при горении и их распространению.

В задачу заявки не входило рассмотрение возможности использования сплава U-Fe для имитирования процессов диспергирования и распространения плутония при взрывном нагружении. Но даже и без подробного рассмотрения, ввиду того, что сплав U-Fe - радиоактивный, хотя и имеет низкую активность по сравнению с плутонием (1 кг U²³⁸ ≈1,4·10^-3 Ки, 1 кг Pu ≈72 Ки), не обеспечивается экологическая безопасность экспериментов, что является основным его недостатком.

В работе /2/ рассматривается возможность использования церия металлического в качестве имитатора плутония при горении. Церий сходен с плутонием по характеристикам высокотемпературного окисления. Плутоний и церий имеют сравнительно низкие температуры плавления (≈640°С и ≈804°С соответственно), имеют сходство по кинетике окисления и горению жидкой фазы, образуют идентичные продукты окисления PuO₂ и СеО₂. Значительное сходство наблюдается у окислов как по термодинамике, так и по физико-химическим свойствам.

Рассмотренное сходство PuO₂ и CeO₂ позволяет надеяться на близость в строении, свойствах и распространении в окружающей среде частиц, образуемых этими оксидами в аварийных ситуациях, связанных с высокотемпературным воздействием пожара.

Возможность использования церия для имитирования процессов диспергирования плутония при взрывном нагружении и его распространения в атмосфере в указанной работе не рассматривалась.

При поиске не обнаружено источников информации, в которых раскрывалась бы задача моделирования свойств плутония при взрыве.

Задачей настоящего изобретения является создание способа имитирования свойств плутония при моделировании аварийных ситуаций, сопровождающихся взрывом, где в качестве имитатора выбран металлический церий.

Технический результат заключается в следующем:

- в создании экологически безопасного способа;

- в хорошей сходимости результатов имитации плутония металлическим церием, например по доли респирабельной фракции.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе имитации свойств плутония при моделировании процессов диспергирования и распространения образующихся аэрозолей в атмосфере при взрыве объектов применен металлический церий в качестве имитатора плутония.

На основании проведенного комплекса исследований получено, что церий наилучшим образом имитирует поведение плутония при взрывном нагружении по спектру образующихся аэрозолей (распределение количества частиц по аэродинамическому диаметру), а именно доли респирабельной фракции, имеющей определяющее значение с точки зрения поступления плутония в организм человека путем ингаляции, что представляет опасность для его жизнедеятельности (задерживаются в организме в основном респирабельные фракции), и их распространения на значительные расстояния. Это достигается путем образования одинаковых количеств жидких фаз при взрывном нагружении и скоростей высокотемпературного окисления при полете частиц, которые определяют долю аэрозолей в респирабельной фракции в общем спектре частиц.

Имеется экспериментальное подтверждение расчетных данных с использованием церия в качестве имитатора плутония по спектру аэрозолей, плотности выпадения на местности и приземной объемной концентрации.

В качестве параметров, характеризующих процессы диспергирования плутония при взрывном нагружении и распространения его аэрозолей в атмосфере, и по которым проводится выбор имитатора, использовались данные, полученные при наземных натурных испытаниях в штате Невада в 1963 году /3/. В опытах получены спектры аэрозолей, включая респирабельную фракцию, по плотности выпадения на местности и приземной объемной концентрации плутония.

При их сравнении, с учетом экспериментов с церием, имеет место достаточная близость результатов по плутонию и церию по основным параметрам: доли респирабельной фракции и плотности их выпадения по оси следа облака взрыва при близких метеоусловиях.

Таким образом, возможность достижения технического результата при использовании предлагаемого способа подтверждается экспериментами, проведенными с изделиями, содержащими ВВ и церий - имитатор плутония. Получены экспериментальные данные по спектру аэрозолей, включая респирабельную фракцию, плотности выпадения на местности и приземной объемной концентрации имитатора, близкие к экспериментальным данным с плутонием.

Сходство по данным параметрам позволяет использовать церий для имитирования процессов диспергирования плутония при взрывном нагружении и распространения его аэрозолей в атмосфере в аварийных ситуациях для прогнозирования последствий радиационных аварий с обеспечением экологической безопасности экспериментов.

Источники информации

1. Патент РФ №2216605 приоритет 13.09.2001 г. «Имитатор плутония при горении», МПК G01G 56/00, опубл. БИ №32 2003 г., авторы А.И.Веденеев, А.Я.Малышев, Е.В.Леваков, С.А.Пелесков, А.А.Федоров.

2. В.Х.Протопопов, Х.В.Протопопов. «Возможности использования церия и его оксида в качестве имитаторов горения плутония и образования диоксида. Сравнительное рассмотрение свойств металлов и оксидов-имитаторов» // Вопросы атомной науки и техники, серия Теоретическая и прикладная физика, 1999, выпуск I, с.12-22.

3. B.A.Boughton, J.M.DeLaurentis. Description and Validation of ERAD: An Atmospheric Dispersion Model for High Explosive Detonation. Sandia Report SAND 92-2069, 1992.