kaz44Вестник Университета Шакарима. Серия технические наукиBulletin of Shakarim University. Technical Sciences2788-79953006-0524«Шәкәрім университеті» КеАҚ10.53360/2788-7995-2024-1(13)-37kaz44-675Research ArticleТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА И ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКАПОДБОР СОСТАВА МАТРИЦЫ ДЛЯ ИММОБИЛИЗАЦИИ ОБЛУЧЕННОГО ТОПЛИВА РЕАКТОРА ИГРSELECTING OF MATRIX COMPOSITION FOR IMMOBILIZATION OF IRRADIATED FUEL OF THE IGR REACTORhttps://orcid.org/0000-0003-3716-8846СкаковМ. К.SkakovM. K.

Мажын Канапинович Скаков – доктор физико-математических наук, профессор, академик КазНАЕН

071100, Республика Казахстан, г. Курчатов, ул. Бейбіт атом, 2Б 

Mazhyn Kanapinovich Skakov – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Academician of KazNAEN 

071100, Republic of Kazakhstan, Kurchatov, Beibit atom str., 2B 

skakov@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0002-2564-0421БукинаО. С.BukinaO. S.

Ольга Сергеевна Букина – докторант кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика»; начальник группы лаборатории испытаний конструкционных и топливных материалов 

071100, Республика Казахстан, г. Курчатов, ул. Бейбіт атом 10 

071412, Республика Казахстан; г. Семей, ул. Глинки, 20 А 

Olga Sergeevna Bukina – doctoral student of the Department of Technical Physics and Thermal Power Engineering; Head of the laboratory testing laboratory for structural and fuel materials 

 071100, Republic of Kazakhstan, Kurchatov, Beibit atom str. 10 

 071412, Republic of Kazakhstan; Semey, Glinka str., 20 A 

o.bukina@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4054-7831БаклановаЮ. Ю.BaklanovaYu. Yu.

Юлия Юрьевна Бакланова – начальник отдела материаловедческих испытаний

071100, Республика Казахстан, г. Курчатов, ул. Бейбіт атом 10

Yulia Yurievna Baklanova – head of the materials testing department 

071100, Republic of Kazakhstan, Kurchatov, Beibit atom str. 10 

basalai@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0002-4675-1067КоянбаевЕ. Т.KoyanbaevE. T.

Ерболат Тайтолеуович Коянбаев – заместитель директора по материаловедческим исследованиям

071100, Республика Казахстан, г. Курчатов, ул. Бейбіт атом 10

Erbolat Taitoleuovich Koyanbaev – Deputy Director for Materials Science Research 

071100, Republic of Kazakhstan, Kurchatov, Beibit atom str. 10 

erbol@nnc.kzБаклановВ. В.BaklanovV. V.

Виктор Владимирович Бакланов – первый заместитель директора

Web of Science ResearcherID:IBU-8740-2023, Scopus Author ID: 16315181100 

071100, Республика Казахстан, г. Курчатов, ул. Бейбіт атом 10

Viktor Vladimirovich Baklanov – first deputy director

Web of Science ResearcherID:IBU-8740-2023, Scopus Author ID: 16315181100 

071100, Republic of Kazakhstan, Kurchatov, Beibit atom str. 10 

Baklanov@nnc.kzНациональный ядерный центр Республики КазахстанКазахстанNational Nuclear Center of the Republic of KazakhstanKazakhstanФилиал Институт атомной энергии РГП «Национальный ядерный центр» РК; Университет имени Шакарима города СемейКазахстанPHILIAL Institute of Atomic Energy RSE «National Nuclear Center» of the RK; Shakarim University of SemeyKazakhstanФилиал Институт атомной энергии РГП «Национальный ядерный центр» РККазахстанPHILIAL Institute of Atomic Energy RSE «National Nuclear Center» of the RKKazakhstan20242903202401(13)301312Copyright © Скаков М.К., Букина О.С., Бакланова Ю.Ю., Коянбаев Е.Т., Бакланов В.В., 20242024Скаков М.К., Букина О.С., Бакланова Ю.Ю., Коянбаев Е.Т., Бакланов В.В.Skakov M.K., Bukina O.S., Baklanova Y.Y., Koyanbaev E.T., Baklanov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://tech.vestnik.shakarim.kz/jour/article/view/675

Импульсный графитовый реактор (далее ИГР) является уникальной в своем роде ядерной установкой – исследовательским реактором, активная зона которого состоит из уран-графитовых блоков и стержней с обогащением 90 масс. % по изотопу 235U. В рамках конверсии реактора ИГР на низкообогащенное топливо, изучается возможность иммобилизации первой активной зоны, которая была извлечена из реактора в 1967 году. По содержанию бета-излучателей, облученное топливо относится к категории среднеактивных отходов. Расчетное значение степени выгорания ВОУ топлива составило менее 1% масс. Специалистами филиала ИАЭ РГП НЯЦ РК предложен способ иммобилизации облученного топлива реактора ИГР в цементную матрицу. Предварительно предполагается произвести разбавление топлива обедненным ураном для снижения обогащения до уровня < 20 масс. % по 235U. Свойства матрицы должны соответствовать технологическим требованиям, определенным международными [3, 4, 5] и национальными стандартами [6, 7]. Подбор состава матрицы в связи с вышеперечисленным, как и определение ее характеристик, является актуальной задачей, стоящей перед специалистами института.Цель работы состояла в подборе состава цементного раствора, обеспечивающего формирование надежной матрицы для иммобилизации облученного топлива реактора ИГР.В статье приводятся методики и результаты определения времени (начала) схватывания, равномерности изменения объема, водоотделения, вязкости и однородности цементного раствора.

Impulse Graphite Reactor (IGR) is a unique nuclear installation namely research reactor with the core consisting of uranium-graphite fuel elements with 90% enrichment by U235. Possible immobilization of the first core taken from the reactor in 1967 is studied here as part of the IGR reactor conversion to low-enriched uranium fuel. Irradiated fuel is related to the category of mediumactive waste according to the content of beta-emitters. Expected value of highly-enriched uranium fuel (HEU) burnup rate was less than 1 % mass. The experts from the Institute of Atomic Energy (IAE) proposed the way how to immobilize irradiated IGR reactor fuel into the cement matrix. First, the fuel is suggested to dilute with depleted uranium in order to lower the enrichment up to the <20 mass. % by U235. The properties of the matrix should meet the engineering criteria ruled by international and national standards. So, according to aforesaid, The IAE team is facing an actual problem of selection the matrix and understanding its characteristics.The work was aimed at selection of composition of cement mortar for making robust matrix to immobilize irradiated IGR reactor fuel.The paper describes techniques and results of the time identification (start) of solidification, gradual volume change, water separation, velocity and uniform cement mortar.

исследовательский реакторреактор ИГРуран-графитовое топливоиммобилизацияматрицаОЯТобращение с ОЯТresearch reactorIGR reactoruranium-graphite fuelimmobilizationmatrixSNFSNF managementReferencesЭкологический кодекс Республики Казахстан: офиц. текст по сотоянию на 2 января 2021 года № 400-VI. https://adilet.zan.kz/rus/docs/K2100000400.Ehkologicheskii kodeks Respubliki Kazakhstan: ofit. (In Russian).Измерение мощности излучения от облученного ядерного топлива реактора ИГР и анализ радионуклидного состава ОЯТ: отчет о НИР / А.Г. Коровиков. – Курчатов: Филиал ИАЭ РГП НЯЦ РК, 2017. – № 36-100-05/375 вн. от 01.03.17.Izmerenie moshchnosti izlucheniya ot obluchennogo yadernogo topliva reaktora IGR i analiz radionuklidnogo sostava OYAT: otchet o NIR / A.G. Korovikov. – Kurchatov: Filial IAEH RGP NYATS RK, 2017. – № 36-100-05/375 vn. ot 01.03.17. (In Russian).Nuclear Waste Forms / S.V. Stefanovsky, S.V. Yudintsev, R. Giere, G.R. Lump-kin // Energy, Waste and the Environment: A Geological Perspective. Geological Society, London. – 2004. – Special Publication. – V. 236. – P. 37-63.Nuclear Waste Forms / S.V. Stefanovsky, S.V. Yudintsev, R. Giere, G.R. Lump-kin // Energy, Waste and the Environment: A Geological Perspective. Geological Society, London. – 2004. – Special Publication. – V. 236. – P. 37-63. (In English).Ojovan M.I. An introduction to nuclear waste immobilization / M.I. Ojovan, W.E. Lee. – Second Edition. Elsevier.An introduction to nuclear waste immobilization / M.I. Ojovan, W.E. Lee. – Second Edition. Elsevier. (In English).Технологические и организационные аспекты обращения с радиоактивными отходами // IAEA-TCS-27. – Вена. – 2005.Tekhnologicheskie i organizatsionnye aspekty obrashcheniya s radioaktivnymi otkhodami // IAEA-TCS-27. – Vena. – 2005. (In Russian).Правила организации сбора, хранения и захоронения радиоактивных отходов и отработавшего ядерного топлива, утв. приказом Министра энергетики Республики Казахстан от 8 февраля 2016 года № 39 (с изменениями от 21.09.2020 г.).Pravila organizatsii sbora, khraneniya i zakhoroneniya radioaktivnykh otkhodov i otrabotavshego yadernogo topliva, utv. prikazom Ministra ehnergetiki Respubliki Kazakhstan ot 8 fevralya 2016 goda № 39 (s izmeneniyami ot 21.09.2020 g.). (In Russian).СТ РК 3723-2021. Отходы радиоактивные цементированные. Общие технические требования. https://online.zakon.kz/Document/?doc_id=33712184.ST RK 3723-2021. Otkhody radioaktivnye tsementirovannye. Obshchie tekhnicheskie trebovaniya. https://online.zakon.kz/Document/?doc_id=33712184. (In Russian).Обзор результатов исследований импульсного реактора ИГР [Электронный ресурс] / Горин Н.В., Кандиев Я.З., Щербина А.Н. и др. – 2003. URL: https://www.nnc.kz/media/bulletin/files/xOzRdhY81A.pdf (дата обращения: 04.11.2023).Obzor rezul'tatov issledovanii impul'snogo reaktora IGR [Ehlektronnyi resurs] / Gorin N.V., Kandiev YA.Z., Shcherbina A.N. i dr. – 2003. URL: https://www.nnc.kz/media/bulletin/files/xOzRdhY81A.pdf (data obrashcheniya: 04.11.2023). (In Russian).Институт атомной энергии национального ядерного центра республики Казахстан – 60 лет: Книга / Под ред. Батырбекова Э.Г. и Скакова М.К. – Кокшетау: КФ «Кокшетау», 2018. – 51 с.Institut atomnoi ehnergii natsional'nogo yadernogo tsentra respubliki Kazakhstan – 60 let: Kniga / Pod red. Batyrbekova EH.G. i Skakova M.K. – Kokshetau: KF «KokshetaU», 2018. – 51 s. (In Russian).Реактор ИГР. Разбавление высокообогащенного уранового топлива / Батырбеков Э.Г., Коянбаев Е.Т., Гныря В.С., Котляр А.Н. // Человек. Энергия. Атом. – 2020. – № 1(33). – С. 23-27.Reaktor IGR. Razbavlenie vysokoobogashchennogo uranovogo topliva / Batyrbekov EH.G., Koyanbaev E.T., Gnyrya V.S., Kotlyar A.N. // Chelovek. Ehnergiya. Atom. – 2020. – № 1(33). – S. 23-27. (In Russian).Импульсный графитовый реактор ИГР / И.В. Курчатов, С.М. Фейнберг, Н.А. Доллежаль и др. // Атомная Энергия. – 1964. – Т. 17, вып. 6. – С. 463-474.Impul'snyi grafitovyi reaktor IGR / I.V. Kurchatov, S.M. Feinberg, N.A. Dollezhal' i dr. // Atomnaya Ehnergiya. – 1964. – T. 17, vyp. 6. – S. 463-474. (In Russian).Dedik T. Russian Research Reactor Fuel Return Program starts shipping fuel to Russia [Электронный ресурс] / T. Dedik, I. Bolshinsky, A. Krass – 2003. – URL: https://inis.iaea.org/collection/ NCLCollectionStore/ Public/35/066/35066230.pdf (дата обращения 16.12.2023 г.)Dedik T. Russian Research Reactor Fuel Return Program starts shipping fuel to Russia [Ehlektronnyi resurs] / T. Dedik, I. Bolshinsky, A. Krass – 2003. – URL: https://inis.iaea.org/collection/NCLCollectionStore/ Public/35/066/35066230.pdf (data obrashcheniya 16.12.2023 g.). (In English).Малинина Г.А. Строение и гидролитическая устойчивость самарий, гафний и урансодержащих стеклокристаллических материалов для иммобилизации твердых радиоактивных отходов: дис. …канд.хим.наук: 05.17.02 / Малинина Галина Александровна; ФГУП «РАДОН». – М., 2016. – 117 с.Malinina G.A. Stroenie i gidroliticheskaya ustoichivost' samarii, gafnii i uransoderzhashchikh steklokristallicheskikh materialov dlya immobilizatsii tverdykh radioaktivnykh otkhodov: dis. …kand.khim.nauk: 05.17.02 / Malinina Galina Aleksandrovna; FGUP «RADON». – M., 2016. – 117 s. (In Russian).Апсэ В.А. Ядерные технологии: учебное пособие / В.А. Апсэ, А.Н. Шмелев – М.: МИФИ, 2008. – 128 с.Apseh V.A. Yadernye tekhnologii: uchebnoe posobie / V.A. Apseh, A.N. Shmelev – M.: MIFI, 2008. – 128 s. (In Russian).Encapsulation of HEU / Graphite Particulate – Potential Formulations and Other Considerations, DEC_0988_A, S Farris, Sellafield LTD, 2020.Encapsulation of HEU / Graphite Particulate – Potential Formulations and Other Considerations, DEC_0988_A, S Farris, Sellafield LTD, 2020. (In English).Туманов Ю.Н. Плазменные, высокочастотные, микроволновые и лазерные технологии в химико-металлургических процессах: книга / Ю.Н. Туманов. – М.: Физматлит, 2010. – 958 с.Tumanov YU.N. Plazmennye, vysokochastotnye, mikrovolnovye i lazernye tekhnologii v khimiko-metallurgicheskikh protsessakh: kniga / YU.N. Tumanov. – M.: Fizmatlit, 2010. – 958 s. (In Russian).Р.З. Рахимова Композицизионные вяжущие для иммобилизации токсичных и радиоактивных отходов / Н.Р. Рахимова, Р.З. Рахимов, О.В. Стоянов // Вестник Казанского технологического университета. – 2013. № 4. – Т. 16. – С. 175-182.R.Z. Rakhimova Kompozitsizionnye vyazhushchie dlya immobilizatsii toksichnykh i radioaktivnykh otkhodov / N.R. Rakhimova, R.Z. Rakhimov, O.V. Stoyanov // Vestnik Kazanskogo tekhnologicheskogo universiteta. – 2013. № 4. – T. 16. – S. 175-182. (In Russian).ГОСТ 310.4-81. Цементы. Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии. М.: Изд-во стандартов, 2003. – 11 с.GOST 310.4-81. Tsementy. Metody opredeleniya predela prochnosti pri izgibe i szhatii. M.: Izdvo standartov, 2003. – 11 s. (In Russian).ГОСТ 310.6-85. Цементы. Методы определения водоотделения. М.: Изд-во стандартов, 2003. – 2 с.GOST 310.6-85. Tsementy. Metody opredeleniya vodootdeleniya. M.: Izd-vo standartov, 2003. – 2 s. (In Russian).ГОСТ 310.3-76. Цементы. Методы определения нормальной густоты, сроков схватывания и равномерности изменения объема. М.: Изд-во стандартов, 2003. – 6 с.GOST 310.3-76. Tsementy. Metody opredeleniya normal'noi gustoty, srokov skhvatyvaniya i ravnomernosti izmeneniya ob"ema. M.: Izd-vo standartov, 2003. – 6 s. (In Russian).ГОСТ 10180-2012. Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам. М.: Изд-во стандартов, 2018. – 32 с.GOST 10180-2012. Betony. Metody opredeleniya prochnosti po kontrol'nym obraztsam. M.: Izdvo standartov, 2018. – 32 s. (In Russian).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.