СПОСОБ ИСКРОДУГОВОЙ ДЕЗАКТИВАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ЗАМКНУТЫМ ЦИКЛОМ ПОДАЧИ ВОДЫ Российский патент 2001 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для дезактивации загрязненных радионуклидами металлических поверхностей оборудования атомных энергетических установок.

Известен способ дезактивации металлических поверхностей, характеризующийся замкнутым циклом подачи воды, схема реализации которого представлена на фиг. 1 описания к патенту Франции N 2700882, МПК G 21 F 9/30, опубл. 29.07.94 г. В известном способе дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют локальным высокотемпературным источником тепла (сфокусированным лазерным пучком), при этом расплавленный металл закипает, разбрызгивается и частично испаряется. Процесс испарения расплавленного металла сопровождается выходом газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые вместе с частицами расплавленного металла улавливаются водой. После очистки воды ее возвращают в зону дезактивации.

Недостатком известного способа является значительное количество выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые не улавливаются водой, что увеличивает радиационную опасность для обслуживающего персонала. Кроме этого, недостатком является образование большого количества жидких радиоактивных отходов, которые также необходимо дезактивировать, что приводит к удорожанию известного способа.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ дезактивации металлических поверхностей, характеризующийся замкнутым циклом подачи воды, схема реализации которого представлена на фиг. 2 описания к акцептованной заявке Японии N 63-33116, МПК B 21 F 9/28, опубл. 04.07.88 г. В известном способе обрабатываемое изделие размещают в рабочей емкости и на дезактивируемую поверхность из напорной емкости подают воду в виде водяной завесы. Затем дезактивируемую поверхность оплавляют локальным высокотемпературным источником тепла (высокотемпературной плазмой) с помощью плазмотрона. На расплавленный металл воздействуют струей высокотемпературного газа, выходящей из плазмотрона, и распыляют его в виде капель и пылевидных частиц, которые, попав в воду, застывают в виде гранул, имеющих большой разброс в размерах. Образующиеся при оплавлении металлической поверхности радиоактивные газообразные и аэрозольные отходы только частично улавливаются с помощью водяной завесы. Не захваченные водой газообразные и аэрозольные отходы остаются в воздушном пространстве. Воду, содержащую нерастворенные радиоактивные отходы в виде гранул и растворенные радиоактивные отходы в виде солей радиоактивных металлов, подают из рабочей емкости в фильтр, где осуществляют ее очистку. Очищенную воду с помощью насоса подают в напорную емкость, из которой ее подают в виде водяной завесы на дезактивируемую поверхность.

Недостатком известного способа является преобладание гранул малых размеров, а также большое количество супермелких радиоактивных частиц в виде пыли, трудно удаляемых из воды. Это объясняется тем, что фронт высокотемпературной газовой струи, выходящей с большой скоростью из горелки плазмотрона, воздействует на металлическую поверхность, опережая процесс ее оплавления факелом плазмы, и срывает с поверхности супермелкие радиоактивные частицы. Кроме этого, в процессе воздействия на металлическую поверхность высокотемпературным факелом плазмы происходит не только оплавление металла, но и его испарение с образованием различных газообразных радиоактивных соединений. Увеличение числа супермелких радиоактивных частиц, взвешенных в воде и очень медленно выпадающих в осадок, приводит к увеличению количества жидких радиоактивных отходов, что удорожает процесс дезактивации из-за сложности их утилизации.

Задачей настоящего изобретения является создание способа дезактивации металлических поверхностей, который позволит упростить процесс разделения радиоактивных отходов на твердые и жидкие за счет увеличения доли твердых отходов в общем количестве и уменьшения доли жидких радиоактивных отходов, что обеспечит комплексную, практически полную утилизацию всех полученных при дезактивации отходов.

Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение доли числа гранул с поперечными размерами более 10 мкм и уменьшение доли числа мелких гранул. Это объясняется тем, что оплавление металлической поверхности производится дискретно за счет воздействия на нее идентичными импульсными искродуговыми разрядами, следующими друг за другом через определенные промежутки времени. При этом тождественность характеристик разрядов обеспечивается постоянным высоким омическим сопротивлением воды с солесодержанием не более 20 мг/л, в которой осуществляются разряды. В результате за каждый импульс получают примерно одинаковые объемы расплавленного металла, причем за счет образования сжимающего электромагнитного поля вокруг оси импульсного искродугового разряда (пинч-эффект) в лунке расплава удерживаются практически все радиоактивные элементы. При гашении разряда исчезает сжимающее действие пинч-эффекта, и в обессоленной воде возникает электрогидравлический удар, импульсное давление которого значительно больше, чем в обычной водопроводной воде, поскольку гашение разряда в обессоленной воде происходит при более высоких напряжениях. Так как электромагнитное поле, которое действовало во время разряда и удерживало расплавленный металл в лунке, исчезает резко, скачком, то жидкий металл взрывообразно разбрызгивается в виде капель, которые, очень быстро кристаллизуясь в воде, превращаются в гранулы. Чем резче и быстрее происходит гашение разряда, тем в более узком диапазоне сосредоточены поперечные размеры гранул и тем большее количество гранул имеет размеры более 10 мкм.

Кроме этого, техническим результатом является многократное использование (в течение многих суток) обессоленной воды в замкнутом контуре ее циркуляции при очень незначительном пополнении воды из-за ее испарения и других потерь. Потери на испарение незначительны потому, что высокотемпературный разряд происходит в очень малом объеме, ограниченном дезактивируемой поверхностью, электродом и диаметром дугового разряда. Образующиеся при разряде в зазоре с обессоленной водой парогазовые пузыри имеют малый диаметр, который уменьшается по мере всплывания пузырей в холодной воде, что практически исключает вынос этими пузырями радиоактивных частиц в атмосферу, т.е. практически отсутствует возможность образования газообразных и аэрозольных отходов.

Кроме этого, техническим результатом является значительное снижение концентрации растворенных в воде солей металлов дезактивируемой поверхности и электрода за счет уменьшения тока, протекающего через зазор с обессоленной водой во время пауз между искродуговыми разрядами.

Кроме этого, техническим результатом является стабилизация требуемого соотношения доли твердых и жидких радиоактивных отходов (не менее 95-97% твердых и не более 3-5% жидких), которая объясняется возникновением отрицательной обратной связи за счет непрерывного поддержания оптимального солесодержания в воде, подаваемой в зону дезактивации.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе дезактивации металлических поверхностей, при котором на дезактивируемую поверхность подают воду, оплавляют поверхность локальным высокотемпературным источником тепла, осуществляют гранулирование расплавленного металла, очищают воду от гранул и от растворенных в ней радиоактивных частиц и солей металлов и возвращают воду в зону дезактивации, используют воду с содержанием солей не более 20 мг/л, а в качестве высотемпературного источника тепла - импульсный искродуговой разряд, при этом гранулирование расплавленного металла осуществляют электрогидравлическим ударом, который создают в воде гашением разряда.

Кроме этого, импульсный искродуговой разряд создают с помощью импульсного генератора в зазоре между обрабатываемой поверхностью и электродом, при этом величину зазора выбирают в интервале от 0,05 до 1 мм.

Кроме того, электрод подключают к отрицательному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к положительному, или электрод подключают к положительному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к отрицательному.

Кроме этого, воду подают в зазор со скоростью не менее 0,1 м/с.

Кроме этого, при очистке воды от растворенных в ней радиоактивных частиц и солей металлов производят обессоливание воды до солесодержания в ней не более 20 мг/л.

Кроме этого, длительность импульса выбирают в интервале от 10^-5 до 10^-2 сек.

Способ осуществляют следующим образом.

Изделие с загрязненной радионуклидами металлической поверхностью размещают для проведения дезактивации в рабочую емкость. Затем устанавливают подвижный электрод, выполненный из эрозионно стойкого материала, с зазором по отношению к дезактивируемой поверхности. Величину зазора выбирают в пределах от 0,05 до 1 мм расчетным путем, исходя из степени радиационной загрязненности поверхности изделия, материала и требуемой производительности: чем больше величина поверхностной активности, тем больше зазор. Изделие и электрод подключают к выводам импульсного генератора, причем возможно подключение электрода как к положительному, так и к отрицательному выводам и соответственно возможно подключение обрабатываемой поверхности как к отрицательному, так и к положительному выводам, при этом величину напряжения выбирают в пределах от 150 до 1500 вольт. Затем подают в зазор обессоленную до солесодержания не более 20 мг/л воду со скоростью не менее 0,1 м/с и зажигают искродуговой разряд. Длительность импульсного разряда выбирают в пределах от 10^-5 до 10^-2 с в зависимости от необходимой степени перемешивания в образовавшейся лунке жидкого металла изделия и расплавленной радиоактивной пленки. Частоту разрядов выбирают в пределах от 5 до 1000 разрядов в секунду, причем производительность процесса дезактивации прямо пропорциональна этому параметру. Величину амплитуды импульса выбирают в пределах от 50 до 2500 вольт в зависимости от величины зазора, поверхностной активности изделия и электрической проводимости применяемой воды. При этом обеспечивают надежные искровые пробои зазора, каждый из которых способствует нормальному развитию импульсного искродугового разряда. Электрод перемещают относительно дезактивируемой поверхности со скоростью, которую выбирают в пределах от 0,01 до 30 м/сек исходя из требований получения высокой производительности, т.е. чем больше скорость, тем больше может быть допустимая энергия каждого искродугового разряда при относительно невысокой средней температуре электрода и тем меньше будет его износ. Сочетание геометрической формы дезактивируемой поверхности и электрода может быть самым различным: плоскость - плоскость, плоскость - цилиндр (или вращающийся цилиндр), цилиндр - цилиндр и т.п. В течение всего процесса обработки величину зазора сохраняют примерно постоянной, для чего электрод снабжают механизмом автоматического регулирования выбранной величины зазора. Высокая температура искродугового разряда вызывает оплавление поверхностного слоя металла (или смеси металла с его окислами), причем за один импульс разряда оплавление поверхностного слоя производят до образования, по крайней мере, одной лунки с жидким расплавом глубиной не более 1 мм. Жидкий расплав в лунке закипает и перемешивается до тех пор, пока длится разряд, при этом его выходу из лунки препятствует сжимающее электромагнитное поле вокруг оси столба разряда, а также весьма малые геометрические размеры области искродугового разряда, которая ограничена зазором. В момент гашения разряда под действием силы электрогидравлического удара, который возникает в воде, расплавленный металл выбрасывается из лунки, дробится на мелкие капли, которые остывают в холодной воде и превращаются в гранулы сферической или близкой к ней формы диаметром несколько мкм. В совокупности этих радиоактивных гранул практически отсутствуют частицы малого диаметра (менее 0,5 мкм), а основную массу составляют гранулы с характерным размером (диаметром) от 10 до 120 мкм, в которых сосредоточены практически все радиоактивные элементы - до 99,9 процентов всей исходной активности дезактивируемой поверхности. Поскольку обессоленную воду подают в зазор со скоростью не менее 0,1 м/с, то под воздействием напора струи воды гранулы и все продукты пиролиза, которые образовались во время искродугового разряда, выносятся из зазора. Подавляющая часть гранул, т.е. все с поперечными размерами более 2-5 мкм быстро осаждаются (отделяются от воды) и тонут, а жидкие радиоактивные отходы, образованные солями радиоактивных и нерадиоактивных элементов и супермелкими частицами, остаются в вытекающей воде. Эта вода подвергается процессу обессоливания и очистки, например, с помощью ионообменного фильтра, электродиализной установки и т.п. и возвращается для повторного использования в зону обработки, причем ее солесодержание контролируется и не превышает 20 мг/л. Процесс обессоливания осуществляется тем проще, быстрее и дешевле, чем меньше в воде жидких радиоактивных отходов. Подача в зону обработки воды с солесодержанием не более 20 мг/л благоприятно влияет на все основные параметры проведения процесса, увеличивает производительность и, главное, увеличивает соотношение удельного содержания твердых отходов по отношению к жидким, что, в свою очередь, еще более упрощает процесс обессоливания и т.д. Поэтому возникает механизм отрицательной обратной связи за счет непрерывного поддержания оптимального солесодержания в воде, подаваемой в зону дезактивации.

Пример 1
В качестве дезактивируемого изделия был выбран образец - часть стояка канала реактора РБМК из стали 08Х18Н10Т, площадью 6 см² и поверхностной радиоактивностью 2500 мкр/час. Дезактивацию производили вручную в кювете со стоячей водопроводной водой, величину зазора выбрали в интервале 0,08 - 0,15 мм, параметры которого обеспечивали с помощью двухкоординатного рейсмусного столика. Режим дезактивации был выбран следующим:
- длительность импульса - 5 • 10^-4 сек.;
- величина напряжения - 100-150 вольт;
- скорость перемещения - 0,03-0,05 м/сек;
- амплитуда импульса - 100-150 вольт.

В качестве материала электрода был выбран реакторный графит с рабочей площадью - 2 см². При этом во время дезактивации контролировали мощность дозы излучения, которая не превышала фоновых значений (т.е. 15-20 мкр/час) на выходе воздуха в вентиляционную шахту тяговой установки. Мощность дозы излучения дезактивированного образца составила менее 30 мкр/час, т.е. коэффициент дезактивации равен 80. Вода кюветы после ее фильтрации через многослойный фильтр с размером пор 2 мкм также имела мощность дозы излучения 20 мкр/час. Мощность дозы излучения фильтра вместе со стеклянной воронкой составляла 2300 мкр/час, что с учетом поправочного коэффициента формы излучателя совпадает с исходной активностью образца. Практически вся исходная активность образца (около 98 процентов) выделилась в виде крупнодисперсного шлама, при этом доля жидких радиоактивных отходов составила не более 2 процентов, а доля газовых и аэрозольных отходов очень мала, не более 0,1-0,5 процента.

Для оценки влияния солесодержания в проточной воде на долю жидких радиоактивных отходов, образующихся при электролитическом процессе между обрабатываемой поверхностью и электродом, в результате которого под действием напряжения с обрабатываемой поверхности в воду могут переходить ионы радиоактивных металлов, приводятся результаты экспериментов, которые с целью радиационной безопасности проводились на нерадиоактивных образцах (примеры 2 и 3).

Пример 2
Образец - сталь 08Х18Н10Т, нерадиоактивный, площадью 6 см². Искродуговую обработку проводили при тех же режимах, что в примере 1, но в зазор подавали водопроводную воду со скоростью 0,1-0,2 м/сек. Цель эксперимента заключалась в определении дисперсионного состава гранул с помощью сканирующей металлографической микроскопической установки с обработкой результатов на ЭВМ. Вода из кюветы фильтровалась бумажным фильтром с размером пор 2 мкм, на котором осаждались гранулы, затем фрагменты фильтра площадью 2-4 см² обрабатывались, и строилась гистограмма, изображенная на фиг. 1.

Затем исследовался химический состав воды на атомно-эмиссионном анализаторе "ATOMSCAN-25".

Содержание железа по сравнению с контрольным анализом исходной воды увеличилось с 0,05 мг/л до 0,25 мг/л, содержание хрома и никеля, входящих в состав образца, увеличилось с 0,05 до 0,082 и с 0,01 до 0,03 мг/л соответственно.

Пример 3
Образец - сталь 08Х18Н10Т, нерадиоактивный, площадью 6 см². Искродуговую обработку проводили аналогичным образом как в примерах 1 и 2, но использовали не водопроводную, а дистиллированную воду с общим солесодержанием 18,5 мг/л. Содержание железа, никеля и хрома в контрольном анализе составило:
Fe - 0,32 мг/л;
Cr - < 0,05 мг/л;
Ni - < 0,01 мг/л.

Т. к. электрическое сопротивление дистиллированной воды выше, то зазор уменьшили до 60-80 мкм, а напряжение увеличили до 220 В.

Гистограмма распределения гранул по поперечным размерам изображена на фиг. 2. Из ее сравнения с фиг. 1 видно, что максимум распределения по размерам гранул сместился вправо: с 25 мкм до величины 40-50 мкм и резко уменьшилось число частиц с размером меньше 10 мкм. Химический анализ отфильтрованной воды показал, что содержание железа составило всего 0,08 мг/л, что в три раза меньше, чем в примере 2, а содержание Cr и Ni не изменилось совершенно. Следовательно, применение обессоленной или дистиллированной воды при проведении дезактивации снижает солесодержание в несколько раз, а следовательно снижается нагрузка на фильтрующий элемент и срок его службы возрастает в 3-5 раз, одновременно повышается стабильность, производительность и экономичность процесса.

Сущность изобретения: изделие с загрязненной радионуклидами металлической поверхностью размещают в рабочую емкость и устанавливают подвижный электрод с зазором от 0,05 до 1 мм по отношению к дезактивируемой поверхности. Изделие и электрод подключают к выводам импульсного генератора, подают в зазор обессоленную воду со скоростью не менее 0,1 м/с и зажигают искродуговой разряд. Высокая температура искродугового разряда вызывает оплавление поверхностного слоя металла. В момент гашения разряда под действием силы электрогидравлического удара расплавленный металл выбрасывается из лунки и дробится на мелкие капли, которые остывают в холодной воде и гранулируются. Под воздействием напора струи воды гранулы и все продукты пиролиза выносятся из зазора. Воду очищают от гранул и от растворенных в ней радиоактивных частиц и солей металлов и возвращают в зону дезактивации. Преимуществами заявленного способа являются многократное использование обессоленной воды в замкнутом контуре ее циркуляции и стабилизация требуемого соотношения доли твердых и жидких радиоактивных отходов. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ дезактивации металлических поверхностей, при котором на дезактивируемую поверхность подают воду, оплавляют поверхность локальным высокотемпературным источником тепла, осуществляют гранулирование расплавленного металла, очищают воду от гранул и от растворенных в ней радиоактивных частиц и солей металлов и возвращают воду в зону дезактивации, отличающийся тем, что используют воду с содержанием солей не более 20 мг/л, а в качестве высокотемпературного источника тепла - импульсный искродуговой разряд, при этом гранулирование расплавленного металла осуществляют электрогидравлическим ударом, который создают в воде гашением разряда. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что импульсный искродуговой разряд создают с помощью импульсного генератора в зазоре между обрабатываемой поверхностью и электродом. 3. Способ по п.2, отличающийся тем, что величину зазора выбирают в интервале от 0,05 до 1 мм. 4. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что электрод подключают к отрицательному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к положительному. 5. Способ по п.2 или 3, отличающийся тем, что электрод подключают к положительному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к отрицательному. 6. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что воду подают в зазор между обрабатываемой поверхностью и электродом. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что воду подают со скоростью не менее 0,1 м/с. 8. Способ по п.1, отличающийся тем, что при очистке воды от растворенных в ней радиоактивных частиц и солей металлов производят ее обессоливание до солесодержания в ней не более 20 мг/л. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что длительность импульса выбирают в интервале от 10^-5 до 10^-2 с.