Az ELKH Energiatudományi Kutatóközpont Energia- és Környezetbiztonsági Intézetének Nukleáris Analitikai és Radiográfiai Laboratóriumában (NAL) a nukleáris reaktorok körüli sugárvédelmi betonok egyik fő alkotórészének, a kavics–homok frakciónak a felaktiválódási hajlamát vizsgálták a kutatók. A projekt során szorosan együttműködtek az Országos Atomenergia Hivatallal (OAH), az Építésügyi Minőségellenőrző Innovációs Nonprofit Kft.-vel (ÉMI), valamint a RADCON nemzetközi projekt cseh, lengyel, szlovák, illetve dél-koreai partnereivel is.

A beton széles körben alkalmazott építőanyag, amely nagyrészt természetes alapanyagok, és kisebb arányban mesterséges adalékanyagok keverékéből áll. Az alapanyagok milyensége és a receptúra alapvetően meghatározza a beton szerkezeti tulajdonságait, szilárdságát, sűrűségét és öregedési viselkedését. E tulajdonságokat fizikai és kémiai anyagvizsgálati módszerekkel vizsgálják.

A munka hazai aktualitását az adja, hogy az új Paks II atomerőművi blokkok építése során az erőmű betonszerkezetei feltehetőleg hazai alapanyagokból készülnek majd. Ennek érdekében fel kell készülni a megfelelő sugárállóságú, egyúttal kedvező öregedési és aktiválódási jellemzőkkel bíró betonok receptúráinak a kidolgozására, valamint a kívánt tulajdonságok ellenőrzésére. Ennek egyik lényeges lépése a betonminták és alapanyagok összetételének és aktiválódásának a neutronbesugárzásos vizsgálata.

A nukleáris technológiában alkalmazott betonoknak a bevett ipari szabványokon felül számos további követelménynek is meg kell felelniük. A reaktort közvetlenül körülvevő betonszerkezeteknek a neutron- és a gammasugártérrel, valamint a hőhatással szemben is évtizedekig ellenállónak kell maradniuk úgy, hogy eközben a mechanikai paramétereik ne romoljanak, és a bennük lévő alkotóelemek a neutronsugárzás hatására a lehető legkevésbé, vagy legfeljebb csak rövid ideig aktiválódjanak fel. Ezeknek a betontesteknek jelentős szerepük van a biológiai védelemben és a sugárzás gyengítésében is.

A neutronsugárzás hatására keletkező rövid és közepes felezési idejű izotópok az üzemidő során mindvégig, a hosszú felezési idejű izotópok pedig nemcsak az üzemidő alatt, hanem a működési idő végét követően akár még hosszú évekig olyan mértékű sugárzást bocsáthatnak ki, hogy azt sugárvédelmi szempontból mindenképpen méretezni kell. A leszerelési munkálatok során fontos szempont, hogy az erőmű élettartamának végén a bontásra kerülő betonszerkezetek milyen mértékben és mennyi időre aktiválódtak fel, és hogy azokat milyen mértékig kell sugárveszélyes hulladékként kezelni. A jövőbeli aktivitás szintje az összetétellel, azon belül is a nyersanyagokkal bevitt nyomszennyezőkkel jelentősen befolyásolható. A sugárvédelemben általánosan elfogadott ALARA-elvet (As Low As Reasonably Achievable) követve tehát a betonszerkezet készítésekor az alapanyagok gondos kiválasztásával tehetünk a legtöbbet a későbbi leszerelési költségek és technikai nehézségek csökkentéséért.

Terepi mintavételezés hazai kavicskitermelő bányákban

A NAL munkatársai kutatásuk során négy nagy magyarországi kavicsbányászati régió anyagából vettek mintát. A kavics- és homoktípusok ásványos összetételét optikai mikroszkópos vizsgálatokkal állapították meg, míg a minták kémiai összetételét nukleáris analitikai módszerekkel (műszeres neutronaktivációs analízis: NAA, prompt-gamma aktivációs analízis: PGAA) határozták meg. Erre a feladatra a nukleáris elemanalitikai módszerek a legalkalmasabbak, mivel ezek azokon a magreakciókon alapulnak, amelyek a betontestekben játszódnak le a sugárzás hatására. Emellett az elemek helyett közvetlenül a releváns izotópokat lehet meghatározni velük, méghozzá nagy pontossággal, és magas metrológiai színvonalon.

A vizsgálatok elsősorban azokra a nyomelemekre irányultak, amelyekből sugárzás hatására hosszú felezési idejű radioizotópok jönnek létre (141Ce, 60Co, 134Cs, 152Eu, 154Eu, 59Fe, 181Hf, 124Sb, 46Sc, 182Ta, 160Tb, 51Cr, 233Pa, 151Sm, 85Sr, és 65Zn), így fontosak lehetnek a reaktortartály körüli betonok felaktiválódása szempontjából. A felsorolt izotópok a sugárzásnak kitett betonokban a sugárzás végét követő egy évvel is jelentős radioaktivitást mutatnak.

Az elemzésekből kapott adatokból átfogó nyersanyag-adatbázis jött létre. Ez alapján a kutatók megállapították, hogy a különböző bányákból származó minták között szignifikánsan alacsonyabb, illetve magasabb „szennyezőanyag”-tartalommal rendelkező bányatermékek is megtalálhatók.

A kavicsnyersanyagok kőzettani és kémiai vizsgálata (a grafikonon színekkel jelöltük a különböző méretfrakciókat)

A sugárvédelmi beton gyártásához olyan kavics- és homoktípusokat kell alkalmazni, amelyek főként kvarcanyagú, érett (hosszabb szállítódás után lerakódott) kavicsösszletekösszletnek nevezzük azt az üledékes réteget, amely egy időben, és azonos földrajzi körülmények között rakódott le. A változatosabb összetételű, magmás és metamorf eredetű kavicsokat, illetve nehézásványokat nagyobb mennyiségben tartalmazó kavicsösszletekben a felsorolt elemek nagyobb koncentrációban vannak jelen, ezért ezek kevésbé alkalmas összetevői a nukleáris technológiában alkalmazásra kerülő betonoknak. Ezek alapján a kutatók a megvizsgált hazai kavicsbányák közül kijelölték a sugárvédelmi beton gyártásához megfelelő kavicsos nyersanyagrégiókat.

A kutatást az Országos Atomenergia Hivatal (OAH), az Építésügyi Minőségellenőrző Innovációs Nonprofit Kft. (ÉMI), valamint a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal NN 127102 számú pályázata támogatta.

A kutatócsoport tagjai: Gméling Katalin, Szilágyi Veronika, Harsányi Ildikó, Szentmiklósi László, Fekete Tamás