Фізико-хімічні властивості паливовмісних матеріалів об’єкту "Укриття"

Роботи у цьому напрямку розпочалися у 1993 р. з ініціативи академіка І.Р.Юхновського. Було сформульовано дві основні задачі, орієнтовані на дослідження процесів міграції радіонуклідів у грунтах і ґрунтових водах чорнобильської зони та вивчення взаємодії водних розчинів і води з паливовмісними матеріалами (ПВМ) в об’єкті "Укриття". Ці роботи виконувалися спершу в рамках спільного відділу ІФКС НАН України та Міжгалузевого науково-технічного центру (МНТЦ) "Укриття" НАН України (зав.відділу – д.ф.-м.н. М.В.Токарчук). Згодом, із розширенням переліку актуальних проблем, до цих задач поступово приєдналися інші групи дослідників, зокрема проф. І.В.Стасюка, проф. М.Ф.Головка, д.ф.-м.н. І.М.Мриглода. Дослідження проводилися у тісній співпраці із науковцями МНТЦ "Укриття" НАН України (група д.ф.-м.н. О.В.Жидкова), Інституту фізики НАН України (група акад. НАН України А.Г.Наумовця та д.ф.-м.н. І.М.Яковкіна), Інституту ядерних досліджень НАН України (групи чл.-кор. НАН України В.Й.Сугакова та проф. В.М.Павловича), Інституту теоретичної фізики НАН України (група акад. НАН України А.Г.Загороднього), Інституту хімії поверхні НАН України (група к.х.н. В.М.Міщенка), Центру математичного моделювання ІППММ НАН України (група д.ф.-м.н. Є.Я.Чаплі), Львівського національного університету імені Івана Франка (група проф. А.С.Волошиновського), Національного університету "Львівська політехніка" (група с.н.с І.М.Кріпа), Одеського національного університету (група д.ф.-м.н. Г.С.Драгана), ДСП "Техноцентр" (група к.ф.-м.н. С.Б.Кумшаєва). Було виділено низку найактуальніших задач, що включали в себе дослідження: радіаційної стійкості ПВМ; механічних, діелектричних і магнітних властивостей лавоподібних паливовмісних матеріалів (ЛПВМ); явища пилоутворення та динаміки субмікронного радіоактивного пилу; процесів окислення і взаємодії ПВМ із водними розчинами тощо. Ці роботи стимулювали проведення низки важливих експериментів, що дозволили встановити фізико-хімічні характеристики різних форм перебування ядерного палива у зруйнованому блоці та виробити рекомендації щодо поводження із ними на різних етапах перетворення об’єкту "Укриття" в екологічно безпечну систему. Таким чином, було створено потужний колектив науковців для комплекс­ного вирішення проблеми.

Серед основних досягнень у цьому напрямку зазначимо наступні:

• Розроблено та апробовано декілька моделей ЛПВМ, що дозволяють пояснити їх основні фізичні властивості, які спостерігаються експериментально, зокрема діелектричні, магнітні та механічні, і беруть до уваги фактор радіаційного дефектоутворення як основну причину зміни цих властивостей. На цій основі може будуватися комплексна модель пове­дінки паливовмісних матеріалів, придатна для довгострокового прогнозування.
• Вказано на важливу роль води в об’єкті "Укриття". Отримані результати дозволяють виділити низку факторів (вилуговування радіонуклідів, комплексо­утворення у водних розчинах і осади, деструктивна роль при взаємодії з поверхнею ЛПВМ, адсорб­ційнійні явища тощо), які необхідно враховувати при побудові прогнозної моделі і проведенні моніторингу в об’єкті. Роль води посилюється із врахуванням мо­лекулярно-ситових властивостей ЛПВМ.
• Проведено попередні дослідження стабільності ЛПВМ, що враховують фактор внутрішнього само­опромінення цих матеріалів. Проана­лізовано основні причини і механізми деградації ЛПВМ. Виконано оцінки часу до початку спонтанного об’ємного саморуйнування цих матеріалів, які показують, що попередні прогнози були завищені на кілька порядків – інтенсивність процесів саморуйнування ЛПВМ сильно зросте уже в найближчі роки.
• Запропоновано та апробовано методику розрахунку динаміки субмікронного пилу у повітряному середовищі. Розроблено відповідні алгоритми і програми, придатні для отримання довгострокових прогнозів. Показано, що субмікронні пилові частки до моменту свого осідання можуть зависати в атмосфері на роки і мігрувати на відстані порядку тисяч кілометрів. Інша обставина, яка спонукає до більш інтенсивних досліджень властивостей субмікронних частинок з радіоактивними елементами у водному середовищі, пов’язана із встановленням факту їх значного впливу на локальні хімічні властивості через ефекти гідролізу, що призводить до зміни конформаційних властивостей біологічно активних молекул і пояснює механізм токсичної дії таких частинок.
• Проведено комплекс досліджень із вивчення механізмів спонтанної генерації субмікронних частинок із поверхні ЛПВМ. У рамках моделі коміркового автомата досліджено процеси саморуйнування твердих матеріалів, що містять у собі радіоактивне паливо. Отримано ряд характеристик для опису шорсткості поверхні матеріалу та динаміки деградації поверхні. В рамках такого підходу вдалося відтворити експериментально отримані гістограми розподілу пилових часток за розмірами і пояснити основні їх особливості. Вказано на фактори ризику, що пов’язані із можливістю об’ємного саморуйнування ЛПВМ та обумовленого цим різкого зростання інтенсивності пилогенерації.

Запропоновано кілька нових перспективних підходів до вирішення питань моніторингу стану ПВМ і вирішення технологічних питань. Зокрема, йдеться про: моніторинг концентрації та розподілу суб­мікрон­них пилових часток в об'єкті "Укриття" на основі оптичних дифракційних методів; контрольоване вилуговування радіоактивних елементів лужними водними розчинами; методики покращення ефектив­ності схем пиловловлювання; використання ефектив­них сорбційних матеріалів, синтезованих на основі модифікованої природної карбонатовмісної глини Янівського родовища сірки (Львівська область), для вилучення радіонуклідів із їх водних розчинів тощо.