КОМПЛЕКСНАЯ УСТАНОВКА ДЕЗАКТИВАЦИИ ТВЕРДЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ОБРАЗУЮЩИХСЯ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 2019 года по МПК G21F9/34 

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для дезактивации различного оборудования сложной формы с внутренними полостями. В процессе эксплуатации и вывода из эксплуатации атомных станций (АС), а также прочих ядерно- и радиационно-опасных объектов (ЯРОО) неизбежно образуются твердые радиоактивные отходы (ТРО). По составу эксплуатационные ТРО АС представляют собой оборудование, трубопроводы, оборудование КИП, демонтированные при ремонтах, реконструкциях, профилактических работах, а также инструмент, технологические приспособления, спецодежду, расходные материалы, фильтры, зольные отходы. Радиоактивно загрязненный металл, если он не является объемно активированным, может быть подвергнут дезактивации в целях снижения класса опасности или вывода его из-под регулирующего контроля для последующего неограниченного использования.

В настоящее время на предприятиях атомной отрасли используются дезактивационные установки, разработанные несколько десятилетий назад. Как правило, они предназначены для жидкостной дезактивации ТРО: погружные (ванновые), электрохимические, струйные под давлением, с использованием обтирочных материалов. В таких установках процесс дезактивации проходит достаточно трудоемко, требует больших затрат на реагенты, подогрев растворов до высоких температур, предполагают использование агрессивных токсичных химических веществ и приводят к образованию большого количества жидких радиоактивных отходов (ЖРО), которые, в свою очередь, требуют проведение комплекса сложных мероприятий по их утилизации и обеспечению экологической и радиационной безопасности.

Оборудование, используемое на предприятиях атомной отрасли, как правило, обладает небольшими размерами, недостаточными для дезактивации крупногабаритных материалов. Существующие аналоги не позволяют проводить интенсивную очистку ТРО с применением электрохимии и ультразвука с дальнейшим кондиционированием образовавшихся ЖРО. В оборудовании, предназначенном для дезактивации металлических поверхностей применяется, в основном, механическое, химическое и/или физико-химическое воздействие. Оборудование применяется для удаления слабофиксированных загрязнений при обработке оборудования во время эксплуатации, что не допускает активного травления металла и поэтому не обеспечивает удаление прочнофиксированных (в том числе, полиоксидных или глубинных) загрязнений. Но при выводе из эксплуатации допускается применение таких технологий с целью глубокой дезактивации ТРО и возвращения металла в производство.

В Российской Федерации разработаны несколько установок для дезактивации ТРО, права на которые защищены в виде патентов на изобретения и полезные модели.

Известные устройства дезактивации ТРО имеют ряд недостатков:

- низкие эксплуатационные свойства;

- низкая производительность процесса;

- образование большого количества ЖРО в результате дезактивации ТРО.

Одним из наиболее эффективных методов дезактивации является электрохимический способ.

Известна установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей [1]. Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей. Техническим результатом является повышение безопасности процесса дезактивации для обслуживающего персонала и окружающей среды и повышение эффективности дезактивации. Установка используется для электрохимической дезактивации поверхностей ТРО. Все элементы установки смонтированы на подвижной платформе. Установка обладает мобильностью и довольно высокой эффективностью, но среди недостатков можно выделить невысокую производительность, недостаточную эффективность при обработке изделий со сложной внутренней геометрией, отсутствие в составе установки оборудования для ополаскивания и сушки ТРО, переработки и кондиционирования ЖРО.

Известна установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей [2]. Изобретение относится к области охраны окружающей среды, а именно к устройствам для удаления радиоактивного загрязнения с металлических поверхностей. Изобретение позволяет дезактивировать изогнутые поверхности. Установка обладает довольно высокой эффективностью, недостатком является то, что она может применяться лишь для отдельного вида ТРО, а также в составе установки отсутствует оборудование для ополаскивания и сушки ТРО, оборудование для переработки и кондиционирования ЖРО.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения является ультразвуковая установка для дезактивации металлических деталей [3]. Изобретение относится к области дезактивации металлических поверхностей, имеющих радиоактивные отложения, например элементов атомных реакторов. Ультразвуковая установка для дезактивации металлических деталей совмещает электрохимическую очистку. При использовании изобретения повышается производительность и качество дезактивации, улучшаются эксплуатационные свойства. Недостатком изобретения является отсутствие в составе установки оборудования для ополаскивания и сушки ТРО, оборудования для переработки и кондиционирования ЖРО.

Известна установка для мойки и дезактивации [4]. Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для дезактивации различного оборудования сложной формы с внутренними полостями, преимущественно обечаек и труб. В установке используется система подачи сжатого воздуха с пневмораспределителем, связанную с камерой для моющего агента. Камера мойки выполнена по размерам отмываемого изделия с минимальными зазорами и снабжена распределителем потока, установленным в нижней ее части. Недостатки установки в том, что она не обладает высокой эффективностью, может применяться лишь для отдельного вида ТРО, а также в составе установки отсутствует оборудование для ополаскивания и сушки ТРО, оборудование для переработки и кондиционирования ЖРО.

Известна установка для дезактивации жидких радиоактивных отходов [5]. Изобретение относится к устройствам для обработки жидких радиоактивных отходов (ЖРО). Устройство для дезактивации содержит камеру обработки ЖРО, заполненную полимерным полиэлектролитным гидрогелем, в среде которого размещена перфорированная емкость-фильтр. Установка позволяет снижать энергопотребление, упрощает процесс обработки в целом. Недостатками является низкая производительность, затраты на приобретение полимерного полиэлектролитного гидрогеля, необходимость его утилизации как ТРО после использования.

Целью изобретения является комплексная установка, которая дает возможность проводить дезактивацию различных по сложности изделий, в том числе крупногабаритных; повышать эффективность отмывки и глубокой дезактивации изделий, имеющих загрязнения с прочным сцеплением; сочетать высокоэффективные методы очистки - ультразвуковой, химический и электрохимический; проводить комплексную дезактивацию ТРО, переработку и кондиционирование ЖРО с полной автоматизацией рабочего процесса.

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к устройствам для дезактивации различного оборудования и металлических ТРО сложной формы с внутренними полостями, в том числе крупногабаритных.

Наиболее разумное решение задачи дезактивации ТРО возможно при применении эффективной, экономичной, технологичной и безопасной комплексной установки. Иными словами, эта установка должна за короткое время обеспечивать высокие коэффициенты дезактивации при условии образования минимального количества вторичных радиоактивных отходов, легко поддающихся кондиционированию. Таким требованиям отвечает комплексная установка, совмещающая ультразвуковую и электрохимическую дезактивацию, а также барботирование (подачу сжатого воздуха), что позволяет сократить время обработки, температуру и концентрации действующих веществ в дезактивирующих растворах за счет интенсификации протекающих физических и физико-химических процессов. Комплексная установка совмещает также оборудование для переработки и кондиционирования ЖРО, что позволяет многократно использовать дезактивирующие растворы и значительно снизить объемы утилизируемых ЖРО. При использовании в качестве дезактивирующих агентов серной или щавелевой кислот для минимизации объема вторичных отходов предлагается использовать свойство анионов указанных кислот образовывать труднорастворимые соединения с кальцием.

Установка представляет собой комплексное оборудование, в том числе ванну для совмещенной ультразвуковой и электрохимической дезактивации, в которую помещается дезактивирующий раствор, ванну для ультразвукового и механического (сжатым воздухом) перемешивания, камеру сушки, грузоподъемный механизм и систему переработки и кондиционирования жидких радиоактивных отходов, которая включает в себя баки приема расторов, установку очистки промывной воды, установку переработки отработавших растворов, установку цементирования шлама. Твердые радиоактивные отходы благодаря автоматизированной подаче будут погружаться поочередно в ванны дезактивации и ополаскивания, камеру сушки при помощи корзины или подвесов в зависимости от габаритных размеров. В зависимости от степени загрязнения отходов в системе управления установкой выбирается комплекс очищающих процессов: электрохимическая и/или ультразвуковая дезактивации, барботаж. Образующиеся в результате очистки ЖРО кондиционируются, в результате объем значительно сокращается, снижаются расходы на его длительное хранение. Система управления процессами помещена в электрический шкаф, который располагается в удобном для пользователя месте. Сама установка снабжена пультом управления с основными функциями.

Изобретение относится к устройству для обработки материалов с радиоактивным заражением, позволяющему удалять прочнофиксированные радиоактивные загрязнения с металлических поверхностей, и может найти применение в целях дезактивации металлических радиоактивных отходов, образующихся при выводе из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов (ЯРОО), например, атомных электростанций или радиохимических производств. После дезактивации ТРО, к образующимся ЖРО будет применено кондиционирование: они будут многократно уменьшены в объеме, отверждены путем их помещения в цемент. Иммобилизованные таким образом радиоактивные отходы могут быть изолированы посредством захоронения в значительно меньшем количестве. Большой объем ТРО будет возвращен в производство на переплавку.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности дезактивации при реализации одностадийного процесса, ускорении процесса дезактивации, а также снижении объема отходов, направляемых на окончательную изоляцию, полная автоматизация рабочего процесса.

Главным отличительным инновационным признаком предлагаемой установки является возможность сочетания различных физико-химических методов обработки поверхности радиоактивно загрязненного металла, что позволит по сравнению с существующими технологиями значительно (в десятки раз) повысить эффективность очистки металла, существенно поднять производительность дезактивации, даст возможность проводить дезактивацию как мелкоразмерного фрагментированного оборудования, так и крупноразмерного оборудования, позволит в десятки раз снизить количество образующихся при дезактивации жидких радиоактивных отходов.

Инновационным признаком является также широта охвата различных процессов, относящихся по своей природе к разным типам воздействия рабочих сред и полей на металл:

- механического воздействия (ультразвуковая кавитационная обработка, барботаж);

- химического воздействия (химическое растворение, комплексообразование с участием ионов металла, окисление-восстановление и т.д.);

- электрохимического воздействия (обработка металла в анодном режиме, электрохимическое окисление - восстановление металла);

- сонохимического воздействия (взаимодействие очищаемого металла с продуктами ультразвуковой сонохимической активации воды).

Еще одним инновационным признаком является комплексное решение проблемы очистки радиоактивно загрязненного металла в сочетании с кондиционированием образующихся вторичных радиоактивных отходов доступным, низкозатратным, низкотемпературным хорошо отработанным на практике методом цементирования.

Реализация отмеченных инновационных признаков в предлагаемом комплексе позволит для слабозагрязненного металла достичь в результате проведенной дезактивации уровней остаточного загрязнения не более 300 Бк/кг, что, в свою очередь, позволит вывести очищенный металл из-под радиационного контроля и направить его без каких-либо ограничений на повторное использование.

Для сильнозагрязненного металла с прочно фиксированным радиоактивным поверхностными загрязнением дезактивация в предлагаемом комплексе позволит понизить класс опасности отходов, что существенно упростит и удешевит дальнейшее хранение или окончательную изоляцию (захоронение) радиоактивных отходов.

Техническим результатом является максимальное повышение эффективности дезактивации.

Рабочие процессы в установке полностью автоматизированы, в результате чего повышается безопасность процесса дезактивации для обслуживающего персонала и окружающей среды.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, заключается в повышении эффективности дезактивации при реализации одностадийного процесса, ускорении процесса дезактивации, а также снижении объема отходов, направляемых на окончательную изоляцию.

Сущность изобретения состоит в том, что ультразвуковую установку с совмещенным электрохимическим воздействием предложено дополнительно интенсифицировать системой подачи сжатого воздуха, системой переработки жидких радиоактивно загрязненных растворов и последующей очисткой отработавшего раствора с доукреплением осветленного раствора кислотой и его возвратом в дезактивационный цикл. Кроме того, предложено оснастить установку оборудованием для цементирования ЖРО. Кроме того, предложено автоматизировать все рабочие процессы установки для минимизации контакта персонала с радиоактивными поверхностями.

Как следует из сущности изобретения, поставленная задача решается тем, что в ультразвуковой установке для дезактивации металлических деталей, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, процесс электрохимической дезактивации интенсифицируют с помощью ультразвукового воздействия на раствор и поверхность очищаемого металла. Возбуждение интенсивного ультразвукового поля в моющем растворе приводит к возникновению кавитационных явлений - зарождению, осцилляции и схлопыванию парогазовых полостей, которые воздействуют на поверхность изделия, движущегося в поле действия излучателей, разрушают и удаляют поверхностные загрязнения.

Под действием ультразвука возникает кавитация с образованием местных ударных волн и локальным повышением температуры и давления, происходит интенсивное перемешивание жидкости не только в объеме раствора, но и в ламинарном слое у поверхности металла. При этом интенсифицируются электрохимические процессы: ускоряется анодное растворение металла, увеличивается выход по току при высоких плотностях тока, поверхность металла очищается от посторонних примесей и пленок (в том числе, и образующихся в ходе электрохимической обработки), снижается потенциал выделения водорода на катоде. В итоге процесс дезактивации значительно ускоряется даже при обработке металла с прочнофиксированными загрязнениями - глубинными (с диффузией радиоактивных веществ вглубь металла), непористыми и полиоксидными. Применение системы подачи сжатого воздуха с пневмораспределителем при ультразвуковом ополаскивании дезактивированных изделий позволяет ускорить процесс удаления остатков дезактивирующих растворов. Применение камеры сушки после ополаскивания изделий позволяет получать готовый к перевозке и дальнейшей переработке очищенный металл. Дезактивирующие растворы будут использованы многократно благодаря системе переработки растворов. После дезактивации ТРО, к образующимся ЖРО будет применено кондиционирование: они будут уменьшены в объеме, отверждены путем их помещения в цемент.

Предлагаемая установка позволяет проводить полный процесс дезактивации металлических ТРО по сравнению с прототипами. При этом скорость дезактивации значительно (в несколько раз) увеличивается, что позволяет снизить энергопотребление; уменьшается количество утилизируемого металла и ЖРО, что значительно снижает риск негативного воздействия на персонал и окружающую среду.

Литература

1. Патент РФ №2448380 «Установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей».

2. Патент РФ №2453939 «Установка для электрохимической дезактивации металлических поверхностей».

3. Патент РФ №2384906 «Установка для дезактивации металлических деталей».

4. Патент РФ №2367041 «Установка для мойки и дезактивации».

5. Патент РФ №2116680 «Установка для дезактивации жидких радиоактивных отходов».

Изобретение относится к атомной промышленности. Комплексная установка дезактивации металлов, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, включает совмещенную ультразвуковую и электрохимическую дезактивацию металла в водных растворах кислот. Установка позволяет проводить полный процесс дезактивации металлических твердых радиоактивных отходов твердых радиоактивных отходов: металл дезактивируют при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний и электрохимического воздействия, затем ополаскивают при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний и подачи сжатого воздуха, затем сушат горячим воздухом в камере сушки, после чего металл полностью готов к отправке на переработку. Изобретение позволяет сократить время обработки, температуру и концентрацию действующих веществ в дезактивирующих растворах. 3 з.п. ф-лы.

1. Комплексная установка дезактивации металлов, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, включающая совмещенную ультразвуковую и электрохимическую дезактивацию металла в водных растворах кислот, отличающаяся тем, что установка позволяет проводить полный процесс дезактивации металлических ТРО: металл дезактивируют при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний и электрохимического воздействия, затем ополаскивают при одновременном воздействии ультразвуковых колебаний и подачи сжатого воздуха, затем сушат горячим воздухом в камере сушки, после чего металл полностью готов к отправке на переработку.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что рабочий цикл полностью автоматизирован, полный цикл дезактивации осуществляется автоматически по ранее заданной программе.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит в своем составе оборудование для переработки и утилизации радиоактивно загрязненных дезактивирующих растворов с целью многократного их использования и максимального уменьшения количества жидких радиоактивных отходов.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит в своем составе оборудование для последующего цементирования жидких радиоактивных отходов.