СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2019 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к ядерной физике, в частности к способам обработки материалов с радиоактивным заражением и может быть использовано для удаления радиоактивных загрязнений с поверхностей твердых объектов с использованием абразивной струйной обработки.

Известен способ переработки металлов, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, включающий электрохимическую дезактивацию в водном растворе серной кислоты с последующей очисткой отработавшего раствора путем осаждения сульфата кальция и гидроксидов металлов при внесении оксида кальция доукрепления осветленного раствора кислотой и его повторного использования (патент 2635202, публ. 28.10.2015 г.) Повторное использование раствора для дезактивации металла предложено электрохимическую дезактивацию проводить при одновременном воздействии на раствор и металл ультразвуковых колебаний. Кроме того, в качестве дезактивирующего агента могут использоваться любые кислоты, содержащие анион, образующий труднорастворимые соединения с кальцием. Для нейтрализации и подщелачивания отработавшего раствора используются мелкодисперсный оксид кальция или известняк. Жидкие радиоактивные отходы в виде суспензии гидроксидов металлов и труднорастворимых соединений подвергаются последующему цементированию.

Недостатками известного способа является невозможность дезактивации крупных объектов и сооружений без дополнительной их фрагментации, что требует значительных временных затрат и является трудоемким. Кроме того, в способе предусмотрено использование агрессивных химических веществ, что требует обеспечения безопасности, а для образующихся жидких радиоактивных отходов необходима дополнительная переработка и дальнейшая утилизация.

Из уровня техники известен способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений, включающий формирование легкосъемных полимерных покрытий на очищаемых поверхностях путем нанесения на них пленкообразующей композиции в составе водорастворимого пленкообразователя, пластификатора, поверхностно-активного вещества и минеральных кислот, и последующее удаление образовавшейся полимерной пленки с фиксированными в ней радионуклеидами (Патент РФ № 2210123, публ. 10.08.2003, бюл. № 22). Процесс очистки металлических поверхностей осуществляют при анодной поляризации этих поверхностей с плотностью тока 0,2-7,5 А/дм².

Этот способ является малоэффективным, так как удаляются только нефиксированные и, частично, слабофиксированные радиоактивные загрязнения, и технологически сложным из-за трудоемкости удаления пленки и, применяемой многокомпонентной композиции для образования пленочных покрытий, а также необходимости их дополнительной переработки и дезактивации, особенно, при необходимости обработки поверхностей значительных размеров.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ дезактивации твердых радиоактивных отходов воздействием на их поверхность в рабочей камере ледяными гранулами и дальнейшее плавление льда, последующие сбор и фильтрацию образовавшейся воды с образованием замкнутого цикла (патент РФ № 2638951, публ. 19.12.2017, бюл. № 35). [3]. Обработку ледяными гранулами проводят в ускоренном режиме.

Способ включает также входной и выходной радиационный контроль с выводом части отходов из категории радиоактивных в категорию промышленных отходов. Талая вода после дезактивации проходит полную очистку от радионуклидов, в частности микрофильтрацию, селективную сорбцию радионуклидов, и мембранную очистку низконапорным обратным осмосом. Для дезактивации крупных объектов необходима их фрагментация.

Недостатками способа являются малая эффективность дезактивации поверхностей, имеющих большую толщину слоя лакокрасочных покрытий, теплоизоляции, коррозийных и других отложений, загрязненных радиоактивными веществами. Кроме того, способ реализуется с использованием комплекса дорогостоящего оборудования и расходных материалов. Кроме того, требуется дополнительная переработка и утилизация образующейся талой воды с радиоактивным загрязнением. Усложняет технологию способа необходимость производства ледяных гранул и невозможность их долгосрочного хранения.

Техническим результатом настоящего изобретение является создание технологичного способа дезактивации поверхностей твердых объектов любых размеров, обеспечивающего высокую эффективность и скорость дезактивации, за счет качественного удаления радиоактивных загрязнений с использованием простого мобильного устройства для абразивной обработки поверхностей, в любых условиях, в том числе на открытых площадках и в полевых условиях.

Технический результат достигается тем, что способ дезактивации поверхностей твердых объектов с радиоактивными загрязнениями включает проведение входного радиационного контроля уровня загрязнений и подачу в абразивное устройство, содержащее, горелку с плазмотроном, эжекционную камеру и ускоряющую трубу под давлением воздуха. По достижению давления воздуха не менее 2,5 бар осуществляют подачу топлива в горелку с образованием, при смешении с воздухом, горючей смеси, воспламеняющейся при запуске от дугового разряда плазмотрона. При этом в горелке возрастает давление, создается разрежение и на ее выходе формируется факел газовой струи, направленный в эжекционную камеру, в которую подают абразив, смешивая его с горящей смесью. Далее, горючую смесь с абразивом продвигают по ускоряющей трубе посредством находящегося под давлением воздушного потока, обеспечивая дальнейший нагрев абразива и освобождение его от органических примесей и влаги. После этого, горячим абразивом с выхода ускоряющей трубы воздействуют на поверхность твердых объектов, разрушая и удаляя радиоактивные загрязнения. Затем проводят выходной радиационный контроль, по результатам которого принимают решение о повторной дезактивации.

При воздействии на поверхность твердых объектов температура абразива на выходе из ускоряющей трубы должна быть не менее 200ºС, при этом размер частиц абразива должен быть не более 3 мм.

Для обеспечения подвода воздуха в горелку, отвода воздуха на наддув топливной смеси, создания давления потока воздуха и контроля за ним может быть использован воздушный коллектор с датчиками давления.

При дезактивации поверхностей твердых объектов конец ускоряющей трубы с горячим абразивом устанавливают на расстоянии не менее 5 см от поверхности твердого объекта.

Предлагаемый к патентованию способ обеспечивает удаление радиоактивного загрязнения одновременным термическим и интенсивным ударно-абразивным воздействием на поверхность различных твердых предметов струей газа (продуктов сгорания топлива) и абразива. Абразив подается в газовую струю, создаваемую абразивным устройством, со скоростью до 360 м/сек и, воздействуя на поверхность твердого предмета, снимает верхний загрязненный радиоактивным материалом слой.

Способом дезактивации поверхностей твердых объектов осуществляется также обработка от всех видов радиоактивных загрязнений в виде наслоений, в частности от, металлургической окалины, продуктов коррозии, лакокрасочных и гальванических покрытий, а также, от известковых отложений.

Способ дезактивации поверхностей твердых объектов может быть реализован с помощью абразивного устройства, общая схема которого представления на фиг. 1; на фиг. 2 – фото обработанной поверхности бетонной стены (до и после); на фиг. 3 - фото обработанной поверхности конструкции из углеродистой стали (до и после); на фиг. 4 – фото обработанной поверхности чугунной конструкции площадью 1 м² (до и после); на фиг. 5 - фото обработанной поверхности конструкции из нержавеющей стали площадью 1 м² (комментарии к чертежу в отдельном файле).

Абразивное устройство содержит горелку 1 в составе газового плазмотрона 2, блока запуска 3 плазматрона 2, эжекционной камеры 4 и ускоряющей трубы 5. С абразивным устройством 1 соединен топливный бак 6 и бак абразива 7. Подачу воздуха под давлением может обеспечивать компрессор 8, соединенный абразивным устройством 1 через бак абразива 7. Соединения всех компонентов обеспечивается соответствующими шлангами – воздушный шланг 9 с манометрами, реле давления и вентилями (манометры, реле давления и вентили на фиг. не показаны), топливный шланг 10 и шланг подачи абразива 11 через дозатор (дозатор на фиг. не показан). Питание абразивного устройства 1 может обеспечиваться от промышленной сети.

В качестве абразива может использоваться кварцевый песок с фракцией 0,12 – 3 мм, купершлак и никельшлак с фракцией 0,125 – 3 мм, стеклянная дробь с фракцией 0,1 – 3 мм, гранатовый песок с фракцией 0,150 – 3 мм, электрокорунд с фракцией 0,2 – 3 мм, а также чугунная или стальная дробь с фракцией 0,3 – 3 мм.

После установки в результате проведения радиационного контроля степени загрязнения и выбора соответствующего обрабатываемой поверхности абразива, абразивное устройство приводится в рабочее положение. Для включения плазмотрона 2, напряжение подводится к его электродному узлу и инициируется дуговой разряд. Одновременно с этим, в камеру плазмотрона подается под давлением воздух и топливо. В плазмотроне 2 образуется горючая смесь, которая воспламеняется от дугового разряда, при дальнейшем возрастании давления химическая энергия топлива трансформируется в кинетическую и тепловую энергию газовой струи, поступающей в эжекционную камеру, в которой создается из-за поступающего под давлением воздуха разрежение. Воздух от компрессора 8 может подаваться и бак абразива 7 для создания разреженного тракта, по которому абразив подают в эжекционную камеру 4, где он смешивается с газовой струей. Двигаясь по ускоряющей трубе 5 поток горячих газов и абразив продолжают нагреваться до 250ºС, освобождаясь от органических примесей и влаги, ускоряется и на выходе формируется поток высокотемпературной газово-абразивной струи, которая воздействует на поверхность твердого объекта, подлежащего дезактивации. После обработки поверхности проводят выходной радиационный контроль, по результатам которого принимают решение о повторной дезактивации.

Данным способом проводилась дезактивация следующих поверхностей:

- бетонной стены при давлении воздуха не менее 0,8 МПа, при обработке гранатовым песком с фракцией не менее 0,6;

- конструкции из углеродистой стали при давлении воздуха не менее 0,7 МПа, при обработке электрокорундом с фракцией не менее 0,6 мм;

- чугунной конструкции площадью 1 м² при давлении воздуха не менее 0,75 МПа, при обработке никельшлаком с фракцией не менее 0,4 мм;

- конструкция из нержавеющей стали площадью 1 м² при давлении воздуха не менее 0,7 МПа, при обработке окатанным кварцевым песком с фракцией не менее 0,4 мм.

Сведения входного и выходного контроля дезактивации поверхностей вышеуказанных твердых предметов, произведенной по предлагаемому для патентования способу, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Объект
дезактивации Уровень радиационных параметров до дезактивации Уровень радиационных параметров после дезактивации Эффективность дезактивации,
% Плотность потока,
частиц (см²×мин) Мощность дозы, мкЗв/ч Плотность потока,
частиц (см²×мин) Мощность дозы, мкЗв/ч Плотность потока,
частиц (см²×мин) Мощность дозы, мкЗв/ч α-излучающие радионуклиды β-излучающие радионуклиды α-излучающие радионуклиды β- излучающие радионуклиды α-излучающие радионуклиды β- излучающие радионуклиды Бетонная стена 200 3000 1,6 0,1 1 0,12 99,95 99,96 92,5 Конструкция из углеродистой стали 400 4000 1,8 0,1 2 0,15 99,97 99,95 91,6 Чугунная конструкция площадью 1 м² 400 4000 1,9 0,1 2 0,14 99,97 99,95 92,6 Конструкция из нержавеющей стали площадью 1 м² 400 4000 2,1 0,1 2 0,14 99,97 99,95 93,3

Предложенный для патентования способ дезактивации поверхностей твердых объектов является универсальным, так как позволяет обрабатывать поверхность любых размеров в любых условиях, в том числе на открытых площадках и в полевых условиях. Кроме того, способ является высокотехнологичным, так как не образует вторичных жидких радиоактивных отходов, которые нуждаются в дополнительной дезактивации и обеспечивает высокую скорость обработки поверхностей твердых объектов, а также высокоэффективным, так как обработка поверхности сопровождается обезжириванием, что способствует более качественному удалению различных загрязнений, как поверхностных, например, наслоений, так и более глубинных.

Изобретение относится к ядерной физике, в частности к способам обработки материалов с радиоактивным заражением. Способ дезактивации поверхностей твердых объектов с радиоактивными загрязнениями включает проведение входного радиационного контроля уровня загрязнений, подачу под давлением воздуха в абразивное устройство, содержащее горелку с плазмотроном, эжекционную камеру и ускоряющую трубу. По достижении давления воздуха не менее 2,5 бар осуществляется подача топлива в камеру сгорания с образованием, при смешении с воздухом, горючей смеси, воспламеняющейся при запуске плазмотрона от дугового разряда. В горелке создается разрежение и на ее выходе формируется факел газовой струи, направленный в эжекционную камеру, в которую подают абразив, смешивая его с горящей смесью. Горючую смесь с абразивом продвигают по ускоряющей трубе посредством находящегося под давлением воздушного потока, обеспечивая дальнейший нагрев абразива и освобождение от органических примесей и влаги. Горячим абразивом с выхода ускоряющей трубы воздействуют на поверхность твердых объектов. Проводят радиационный контроль, по результатам которого принимают решение о повторной дезактивации. Изобретение позволяет обеспечить качественное удаление радиоактивных загрязнений с использованием мобильного устройства для абразивной обработки поверхностей. 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Способ дезактивации поверхностей твердых объектов с радиоактивными загрязнениями, включающий проведение входного радиационного контроля уровня загрязнений, подачу под давлением воздуха в абразивное устройство, содержащее горелку с плазмотроном, эжекционную камеру и ускоряющую трубу, по достижении давления воздуха не менее 2,5 бар осуществляется подача топлива в камеру сгорания с образованием, при смешении с воздухом, горючей смеси, воспламеняющейся при запуске плазмотрона от дугового разряда, при этом в горелке возрастает давление, создается разрежение и на ее выходе формируется факел газовой струи, направленный в эжекционную камеру, в которую подают абразив, смешивая его с горящей смесью; далее горючую смесь с абразивом продвигают по ускоряющей трубе посредством находящегося под давлением воздушного потока, обеспечивая дальнейший нагрев абразива и освобождение от органических примесей и влаги, после чего горячим абразивом с выхода ускоряющей трубы воздействуют на поверхность твердых объектов, разрушая и удаляя радиоактивные загрязнения, затем проводят радиационный контроль, по результатам которого принимают решение о повторной дезактивации.

2. Способ дезактивации поверхностей твердых объектов по п.1, отличающийся тем, что температура абразива на выходе из ускоряющей трубы не менее 200ºС.

3. Способ дезактивации поверхностей твердых объектов по п.1, отличающийся тем, что размер частиц абразива не более 3 мм.

4. Способ дезактивации поверхностей твердых объектов по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения подвода воздуха в камеру сгорания, отвода воздуха на наддув топливной смеси, а также создания давления потока воздуха и контроля за ним может быть использован воздушный коллектор с датчиками давления.

5. Способ дезактивации поверхностей твердых объектов по п.1, отличающийся тем, что конец ускоряющей трубы устанавливают на расстоянии от 5 см от поверхности твердого объекта.