СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ РАДИОНУКЛИДАМИ ДЕТАЛЕЙ И АППАРАТОВ Российский патент 2001 года по МПК G21F9/28 G21F9/30 

Изобретение относится к технике отмывки и дезактивации поверхностей оборудования, загрязнненого радиоактивными веществами, и может быть использовано при проведении ремонтных работ на деталях и аппаратах радиохимических производств, осуществляющих переработку облученных тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) с целью регенерации делящихся материалов.

Согласно действующим отраслевым стандартам все аппараты радиохимических производств должны проходить периодическое освидетельствование и при необходимости восстановительный ремонт, чтобы обеспечить надежность и безаварийность работы оборудования в течение следующего межремонтного цикла. Перед обследованием визуальным и приборными методами требуется очистить рабочие поверхности деталей и стенок аппаратов (емкостей) от радиоактивных загрязнений, накопившихся в виде продуктов коррозии, отложений трудонорастворимых веществ, внедренных в поры металла, сорбированных пленок, включающих радионуклиды.

Для обезвреживания загрязненного радионуклидами оборудования ядерных реакторов и радиохимии известно много способов очистки и дезактивации.

Механическое удаление отложений, содержащих радионуклиды, с плоских или цилиндрических поверхностей (Заявка ФРГ N 3404575 G 21 F 9/28. Публикация 14.08.85 г. N 33). Но механическая очистка не эффективна для удаления сорбированных пленок и применяется только как предварительная операция, например для очистки от накипи теплообменных труб холодильников с небольшим уровнем радиоактивности.

Описан способ, по которому на рабочие поверхности наносят гель, например глицерофосфатный, выдерживают определенное время, а затем смывают гель водой (Заявка Франции N 2380624, G 21 F 9/30. Публикация 13.10.78 г. N 41). Этот способ пригоден лишь в тех случаях, когда имеется прямой доступ операторов-десорбщиков к очищаемым поверхностям, т.е. при сравнительно низком фоне радиоактивных излучений. Способ также недостаточно эффективен для удаления сорбированных и внедренных в поры радионуклидов.

Высокой дезактивирующей способностью обладают гидромониторные способы очистки, когда струи химических реагентов, выбрасываемые через специальные сопла, производят не только химическую очистку, но и оказывают ударно-механическое воздействие, повышая эффективность очистки от сорбированных и внедренных в металл радионуклидов (Заявка Японии N 56-54600, G 21 F 9/28. Публикация 26.12.81 г. ). Однако этот способ нашел промышленное применение пока только для полых баков без сложных внутренних устройств, так как при гидромониторной отмывке могут быть повреждены элементы датчиков КИП, эрлифтов, тарелки, перегородки и пр. Кроме того, внутренние устройства создают "теневой эффект", что снижает эффективность дезактивации.

Имеются разработки способа дезактивации баков для жидких радиоактивных сред, включающий использование парообразного растворителя, его конденсацию на обрабатываемую поверхность и отвод отработанных растворов (Патент России N 2022379, G 21 F 9/34. Публикация 30.10.94 г.) Существенным недостатком этого способа является то, что подаваемый пар и получающийся конденсат используется одновременно: после одного контакта раствор отводится и его нельзя использовать вторично в чистом оборудовании производства пара, что будет снижать эффективность, повысит расход растворов и количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО). В паровых способах недостаточно полно удаляются плотные отложения в донной части аппаратов. Поэтому паровые способы дезактивации не нашли широкого применения на оборудовании радиохимических заводов, они могут быть использованы только для оборудования типа баков с низким уровнем загрязнения радионуклидами.

Известен, так называемый, двухванный способ дезактивации обработки водными растворами окисляющих и копмлексующих реагентов, которыми попеременно обрабатывают поверхности, загрязненные радионуклидами. При этом каждый из растворов нагревают до +95^oC и выдерживают в течение 1,5 часа. Раствор заливают в моечную ванну до рабочего объема и погружают в него дезактивируемые детали и узлы. В большинстве случае радиохимические аппарат (реакторы, монжусы, отстойники и др. ) имеют очень высокий уровень радиоактивности и не могут быть доставлены на моечный участок без предварительной дезактивации на месте. Тогда двухванный способ используется путем непосредственного попеременного залива окисляющего и комплексообразующего растворов непосредственно в рабочую полость аппарата до заполнения рабочего объема, которая сама выполняет функции моечной ванны, нагревают растворы до +95^oC и выдерживают в течение 1,5 часов (Прототип. А.с. N 730156, G 21 F 9/28. Публикация 30.10.84 г. Бюл. N 40). Циклы отмывки повторяются до 10 и более раз, чтобы обеспечить достижение санитарных ремонтных норм.

Описанный двухванный способ применяется для дезактивации оборудования на всех радиохимических заводах атомных предприятий Минатома как для последовательной очистки всей цепочки оборудования, смонтированного в каньонах, так и для отмывки съемных деталей на специализированных участках десорбции в моечных ванных.

Двухванный способ взят в качестве прототипа.

К недостаткам прототипа в первую очередь следует отнести сравнительно небольшую степень дезактивации за один цикл обработки, так как способ не позволит вести нагрев до температуры кипения рабочих объемов растворов в ваннах и аппаратах из-за опасности попадания растворов в сдувочные коммуникации, их залива и перегрузки, нарушения нормальной работы воздухоочистительных систем (ловушки, мультициклоны, фильтры и пр.) и выброса радионуклидов в атмосферу. Поэтому для отмывки путем заполнения ванн и аппаратов с выдержкой при +95^oC приходится выполнять большое число циклов, требующих в ряде случае 20 - 30 дней, чтобы отмыть до ремонтных норм. Кроме того, для заполнения полных объемов или рабочих объемов (~80% от полного объема ванны или аппарата) расходуется большое количество моющих реагентов, что приводит к образованию таких же больших объемов ЖРО, требующих обязательного обезвреживания и захоронения.

Задачей изобретения является повышение эффективности и сокращение длительности дезактивации.

Поставленная задача решается тем, что в способе дезактивации загрязненных радионуклидами деталей и аппаратов, включающем налив в моечные ванны с деталями или в дезактивируемые аппараты растворов окислительных или комплексующих реагентов, нагрев их и выдержку при температуре нагрева, растворами заполняют часть полости моечной ванны или аппарата, равную 0,25 - 0,5 полного ее объема, и нагрев ведут до температуры кипения.

Поставленная цель достигается также тем, что нагрев в каждом цикле ведут ступенчато с отклонением подачи тепла и перемешивания через каждые 10 - 15 минут на 3 - 5 минут с общей длительностью цикла 1,5 - 2,0 часа.

Нагрев дезактивирующих растворов ведут со скоростью 10 - 15^oC в минуту до интенсивного кипения.

Кипение залитого моющего раствора в значительной степени интенсифицирует процесс в моечной ванне или в нижней части аппарата, заполненной раствором окисляющего или комплексующего реагента (жидкой фазой), по сравнению с простой выдержкой погружением в раствор при t = +95^oC.

При этом большую роль играет высокая интенсивность нагрева, что увеличивает скорости конвективных потоков жидкой среды и ее абразивное воздействие, особенно при наличии твердых частиц отложений.

Повышается также эффективность десорбции поверхностей во всех зонах над раствором. Брызги растворов, аэрозоли и пары интенсивно омывают стенки, крышку и все внутренние элементы конструкции, пары конденсируются на более холодных участках, конденсаты стекают вниз, создавая постоянный контакт со свежими порциями десорбирующих агентов. В процессах конденсации-испарения на каждом участке над раствором происходит суммирование эффектов простого химического омывания и воздействия массообменного процесса, характерного для "точек росы", когда помимо химических реакций проявляются электрохимические эффекты в связи с повышенной неравномерной аэрацией и образованием большого числа анодно-катодных участков. Таким образом в десорбции радионуклидов начинает принимать активное участие кислород воздуха. По этой причине незаполненный растворами объем должен быть максимально большим, что обеспечивает повышение эффективности дезактивации. Но в донной части аппаратов могут находиться плотные осадки, которые лучше разрыхляются и удаляются с поверхностей оборудования потоками кипящего раствора. Опыты показывают, что оптимальное соотношение жидкой фазы десорбирующего раствора составляет 0,25 - 0,5 от полного объема аппарата.

Ступенчатый режим проведения интенсивных нагревов также в ряде случае может повысить эффективность дезактивации, т.к. краткие перерыва в нагревах, по больше части острым паром, и перемешивания дают время для завершения процессов конденсации и стока уже насыщенных конденсатов. Возникают условия для доступа свежих порций аэрозолей и паров, что увеличивает коэффициенты массообмена при переходах с твердой (металл оборудования) в жидкую фазы. Таким образом, образом обеспечивает своеобразный ударно-раскачивающий температурный режим растворно-парового воздействия на загрязненные радионуклиды поверхности, что повышает эффективность дезактивации.

Опыт показывает, что для перерыва нагрева и перемешивания достаточно 3 - 5 минут через каждые 10 - 15 минут отмывки при полной длительности цикла 1,5 - 2,0 часа.

В моечной ванне все процессы происходят аналогично. Некоторое число единиц деталей, например на которых имеется больше отложений и больший коррозионный износ, погружают в раствор, залитый в количестве 0,25 - 0,5 от полного объема ванны, а другие детали располагают в газовой фазе над раствором. Все описанные выше положительные эффекты интенсивной конвекции при кипении, конденсации-испарения и др. оказывают аналогичное действие при дезактивации в условиях моечной ванны. В процессе дезактивации в разных циклах верхние и нижние детали можно менять местами, т.е. из газовой фазы переставлять в раствор и наоборот. Такая перестановка, как правило, повышает эффективность удаления радионуклидов.

Крупногабаритные узлы и агрегаты (сосуды для отмывки наружных поверхностей) погружаются в моющий раствор, залитый в ванну частично на 0,25 - 0,5 объема под уровень раствора, а 0,5 - 0,75 высоты объекта отмывки остаются в газовой (воздушной) фазе. В этом варианте дезактивация определяется аналогично процессам, описанным выше.

По сравнению со способами очистки паровыми составами в предлагаемом способе десорбирующий пар в каждом цикле используется многократно до насыщения радионуклидами, так как пар генерируется из стекающих вниз конденсатов, что позволяет экономично использовать объемы десорбирующих растворов. В предлагаемом способе получается предельно насыщенный влажный пар, содержащий большую долю аэрозолей и брызг, что повышает эффективность дезактивации стекающими конденсатами.

Эффективность дезактивации по предлагаемому способу будет выше простой сумма эффектов выдержки в растворах и воздействия паром, так как при комплексном взаимодействии включаются новые механизмы, обеспечивающие повышение отмывки и десорбции, а именно усиление конвекции, абразивного воздействия, воздействие брызг, конденсация - повторное испарение, создание множественных зон неравномерной аэрации. Эффективность заявляемого способа оказывается выше простой суммы прототипа и обработки паром по способу-аналогу, что подтверждает его изобретательский уровень.

Предлагаемый способ обеспечивает высокую эффективность в моечных ванных на участках дезактивации уже демонтируемого оборудования (вентили, насосы, датчики КИП и др.) и в радиохимических аппаратах (реакторы, монжусы, отстойники и др.) на месте их установки перед демонтажом, когда полость аппарата сама является моечной ванной для дезактивации самой себя.

Пример осуществления N 1.

Лабораторные испытания проводили на сильфонах бессальниковых вентилей после из демонтажа после эксплуатации в течение 4 - 5 лет в схеме радиохимического завода.

Для сравнительных испытаний использовали регламентные составы моющих растворов.

Раствор N 1
NaOH - 1,0 моль/л
KMnO₄ - 0,5 г/л
Раствор N 2
HNO₃ - 1,0 моль/л
H₂C₂O₄ - 1 г/л
По способу-прототипу сильфон погружали в раствор залитый в ванну и нагревали его до +95^oC. По предлагаемому способу в моечную ванну заливали на 0,25 - 0,5 попеременно 1 и 2 растворы, один сильфон загружали под зеркалом раствора, а другой сильфон завешивали на ленте ФУМ над раствором на расстоянии 20 - 50 мм от зеркала раствора и кипятили раствор. В обоих случаях длительность опытов составляла 1,5 часов.

Данные испытаний приведены в таблицах.

Как видно из таблицы 1, в обоих десорбирующих растворах по заявленному способу достигается повышение коэффициентов очистки поверхностей в 4 - 30 раз.

Это подтверждается также химанализом моющих растворов после цикла отмывки на содержание радионуклидов, данные которого приведены в таблице 2.

Как видно из данных таблицы 2, в большинстве сравнительных анализов достигается больший переход радионуклидов в десорбирующий раствор по заявленному способу, по сравнению с прототипом.

Пример 2.

Были проведены опытные операции на двух аппаратах-реакторах (АД-6004/1,2) в схеме переработки облученных блоков (ТВЭЛ) промышленных ядерных реакторов на радиохимическом заводе (РХЗ) Сибирского химического комбината. Сводные результаты промышленных испытаний приведены в таблице 3.

Испытания показали, что количество циклов обработки снижено на 35%, расход растворов и время дезактивации сокращены вдвое.

Пример N 3.

Были проведены сравнительные испытания по коррозии конструкционных материалов. Сравнительные данные приведены в таблице 4.

Как видно из таблицы 4, при всех режимах дезактивации типовой конструкционный материал радиохимического оборудования ст. 12Х18Н10Т характеризуется как "стойкий".

Заявленный способ дезактивации можно использовать при подготовке радиохимического оборудования к обследованию и ремонту по графикам ППР и КПР на всех радиохимических производствах Министерства атомной энергетики на заводах, перерабатывающих облученные блоки промышленных и двухцелевых ядерных реакторов, а также на заводах, перерабатывающих ТВЭЛы энергетических и транспортных ядерных установок (атомных ледоколов, подводных лодок, передвижных станций типа "Арбус" и др.).

Предлагаемый изобретением способ применим также для отмывки оборудования на производствах переработки технологических сбросов и хранения жидких и твердых радиоактивных отходов, в производствах получения радиоактивных изотопов и "меченых атомов".

Основные принципы технологического процесса интенсивной отмывки могут быть использованы для различных целей в химической и биохимической промышленности, в производствах министерств обороны, боеприпасов и вооружения.

Изобретение относится к технике отмывки и дезактивации поверхностей оборудования, загрязненного радиоактивными веществами, и может быть использовано при проведении различных работ на радиохимических заводах. Сущность изобретения: в моечные ванны с деталями или в дезактивируемые аппараты попеременно наливают растворы окислительных и комплексующих реагентов, нагревают их и выдерживают при температуре нагрева. Растворами заполняют только часть полости моечной ванны или аппарата, равную 0,25-0,5 ее объема, и нагревают до температуры кипения. Способ включает несколько циклов обработки. В каждом цикле нагрев ведут ступенчато с отключением подачи тепла и перемешивания через каждые 10-15 мин на 3-5 мин общей длительностью каждого цикла 1,5-2,0 ч. Возможен также другой метод нагрева дезактивирующего раствора - постепенный со скоростью 10-15°С в минуту до наступления процесса кипения. Технический результат изобретения заключается в повышении коэффициента очистки в 4-30 раз, снижении расхода растворов на 35% и сокращении времени дезактивации в 1,5 раза. 2 з.п.ф-лы, 4 табл.

1. Способ дезактивации загрязненных радионуклидами деталей и аппаратов, включающий попеременную обработку путем налива в моечные ванны с деталями или в дезактивируемые аппараты растворов окислительных и комплексующих реагентов, нагрева и выдержки их при температуре нагрева, повторение циклов обработки, отличающийся тем, что растворами дополняют часть полости моечной ванны или аппарата, равную 0,25 - 0,5 полного ее объема, и нагрев ведут до температуры кипения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев в каждом цикле ведут ступенчато с отключением подачи тепла и перемешивания через каждые 10 - 15 мин на 3 - 5 мин с общей длительностью каждого цикла 1,5 - 2,0 ч. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев дезактивирующих растворов ведут со скоростью 10 - 15^oC в минуту до интенсивного кипения.