Устройство для плазменной дезактивации элементов конструкции ядерного реактора Российский патент 2022 года по МПК G21F9/28 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для дезактивации металлических конструкционных элементов ядерных энергетических установок (ЯЭУ), а также для поверхностной дезактивации облученной графитовой кладки реакторов непосредственно в процессе вывода из эксплуатации. Устройство также относится к плазменной технике и к способам получения плазмы. Дополнительно изобретение может быть использовано в машиностроительной, судостроительной и других отраслях промышленности для обработки и очистки поверхностей крупногабаритных проводящих изделий.

Уровень техники

В области ядерной технике известны способы очистки загрязненных радионуклидами металлических поверхностей с помощью различных жидких химически активных реагентов, растворяющих радиоактивный осадок (см., например, патенты РФ №2586967, №2061267, патентную заявку WO2013092633A1, патенты РФ №2017244, №2240613). В частности, способ по патенту РФ №2240613 предназначен для очистки поверхности от радиоактивных загрязнений путем обработки загрязненной поверхности водным дезактивирующим раствором с использованием эффекта кавитации и последующим удалением отработанного дезактивирующего раствора. Общими с заявляемым устройством признаком является то, что обрабатываемая поверхностью является поверхность конструкционного элемента ядерной энергетической установки и ее обработка производится в замкнутом объеме. Недостатком обработки загрязненных радионуклидами металлических поверхностей с помощью жидких химически активных реагентов является образование вторичных жидких радиоактивных отходов со значительным увеличением их объема и отсутствие средств компактного сбора радионуклидов для их последующего захоронения.

Известны способы и устройства (см., например патентная заявка US 20140076716, патенты РФ №2242821, №2539487, патенты US 5917286, US 9150960) для плазменной обработки изделий в камерах с магнетронным распылении материала мишени в вакууме. Эти устройства содержат камеру, анод, распыляемый катод и магнитный блок, содержащий магнитопровод и постоянные магниты. Общими с заявляемым устройством признаками является то, что обрабатываемая поверхностью является катодом, а обработка производится под действием плазменного распыления. Недостатками магнетронных распылительных устройств является необходимость использования вакуумной камеры и магнитов и низкая скорость распыления обрабатываемого материала из-за ограниченной плотности тока в условиях вакуума, что исключает возможность обработки крупногабаритных изделий.

Известен способ по патенту РФ №2144096, заключающийся в обработке поверхности изделий дуговым разрядом в вакууме, и включающий возбуждение разряда и обработку поверхности катодными пятнами дуги, при этом на электрическую дугу накладывается внешнее магнитное поле так, чтобы его вектор был примерно параллельным вектору электрического поля дуги, а вектор градиента магнитной индукции был близким к параллельному к обрабатываемой поверхности горячей заготовки. При этом, изменяя величину и направление вектора градиента магнитной индукции, перемещают катодные пятна по всей обрабатываемой поверхности горячей заготовки, а изменяя величину разрядного тока дуги, регулируют интенсивность обработки поверхности вплоть до оплавления дефектов литья горячей заготовки. Общим с заявляемым устройством признаком является то, что обработка поверхностей проводящих изделий осуществляется посредством плазменного разряда. Недостатками указанного способа является необходимость использование вакуумной камеры и наложения внешнего магнитного поля для управления перемещением по обрабатываемой поверхности катодных пятен, а также отсутствие средств компактного сбора радионуклидов для их последующего захоронения.

Известен также способ (например, патенты РФ №2065220, №2192057), использующий высокотемпературный синтез и спекание для обработки загрязненного радионуклидами реакторного графита в инертной атмосфере. Этот способ заключается в измельчении графита на фракции, смешивании с реакционноспособными реагентами и проведении высокотемпературного синтеза в инертной атмосфере с образованием твердого остатка без выделения газообразных отходов. Общими с заявляемым устройством признаком является то, что обработка облученного графита происходит в газовой среде. Недостатками указанного способа является необходимость предварительного измельчения графитовых блоков с первоначально высоким уровнем радиоактивности, увеличение объема образовавшихся радиоактивных отходов при спекании и отсутствие какого-либо механизма преимущественного выделения изотопа ¹⁴C по сравнению с основным стабильным изотопом ¹²C.

Известны плазменные способы переработки отработанного графита (см., патенты РФ №2435241, №2580818, №2603015). Указанные способы заключаются в высокотемпературной обработке элементов графитовой кладки потоком горячего инертного газа и плазмы от плазмотрона. Общими с заявляемым устройством признаками является то, что обработка загрязненных радионуклидами конструкций производится низкотемпературной плазмой при подаче потока инертного газа. Недостатками указанных плазменных способов является отсутствие механизма селективного выделения радиоактивных изотопов и их концентрирования, а также отсутствие средств компактного сбора радионуклидов для их последующего захоронения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является техническое решение для очистки поверхности крупногабаритных металлических изделий дуговым разрядом по патенту РФ №2374046, выбранное за прототип. Указанное устройство содержит вакуумную камеру в виде бокса с открытой частью, которая герметично накладывается на очищаемые участки крупногабаритного изделия, камера снабжена системой откачки воздуха, средствами для наполнения вакуумной камеры защитным газом, электроды, размещенные внутри вакуумной камеры, электромагнитные катушки для перемещения катодного пятна дуги по очищаемой поверхности изделия, приспособление для перемещения бокса по поверхности очищаемого крупногабаритного изделия по мере его очистки. Недостатками прототипа является неоднородная обработка поверхности из-за использования дугового разряда с локализованным катодным пятном, необходимость дополнительного использования электромагнитных катушек для пошагового перемещения дуги по всем точкам очищаемой поверхности изделия и отсутствие средств компактного сбора радионуклидов для их последующего захоронения.

Раскрытие изобретения

Предлагаемое изобретение имеет целью создание устройства для плазменной дезактивации облученного реакторного графита и других конструктивных элементов ядерных энергетических установок. Общеизвестно, что образующиеся при нейтронном облучении в процессе эксплуатации ЯЭУ радиоактивные изотопы переносятся при движении теплоносителя или охлаждающего графитовую кладку газа внутри герметичной оболочки и осаждаются на поверхностях конструктивных элементов ЯЭУ. Для дезактивации таких конструктивных элементов ЯЭУ необходимо удалить радиоактивный осадок с рабочих поверхностей и собрать его в компактной форме (с минимальным объемом) в форме, пригодной для захоронения. Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, состоит в том, что устройство для плазменной дезактивации, осуществляющее распыление загрязненной радиоактивными изотопами поверхности конструктивных элементов ЯЭУ и графитовой кладки, обеспечивает выбивание любых атомов с поверхности ионами плазмы, приобретающими значительную кинетическую энергию в прикатодном слое, и осаждение этих атомов на поверхности и внутри сменного анода большой площади, предназначенного для последующего захоронения. Таким путем достигается существенное снижение радиоактивности обрабатываемых конструкций ЯЭУ, более быстрый и равномерный (за счет большой площади однородного плазменного слоя) сбор удаляемых радионуклидов в компактной и концентрированной форме, пригодной для захоронения, а также значительное сокращение объема образующихся вторичных радиоактивных отходов по сравнению с существующими технологиями за счет использования для зажигания плазмы инертного газа, не образующего химических соединений с распыляемыми радионуклидами.

Для достижения поставленной задачи в известном техническом решении по патенту РФ №2374046 (прототип), включающем корпус и, по крайней мере, один анод, подключенную к аноду систему электрического питания плазмы, отрицательный полюс которой соединен с дезактивируемой поверхностью, являющейся катодом, эластичную прокладку, установленную по периметру корпуса и герметизирующую пространство между корпусом и дезактивируемой поверхностью, систему ввода и систему откачки рабочего газа, манипулятор для перемещения устройства по выбранным участкам дезактивируемой поверхности, в отличие от прототипа, в предлагаемом устройстве изолированный от корпуса сменный анод имеет форму пластины, геометрически подобной выбранному участку дезактивируемой поверхности; анод установлен с зазором к дезактивируемой поверхности; система ввода рабочего газа выполнена с возможностью подачи газа при заданном давлении в пространство между анодом и катодом; система электрического питания обеспечивает зажигание и поддержание между анодом и катодом укороченного тлеющего разряда высокого давления; система откачки рабочего газа из зазора между анодом и катодом соединена с одним или несколькими отверстиями в аноде.

Назначение отличительных признаков устройства плазменной дезактивации следующее: форма анода обеспечивают плазменную обработку как плоских, так и криволинейных участков поверхности ЯЭУ; конструкция и установка анода обеспечивает необходимый зазор с катодом и смену анода по мере заполнения его радионуклидами; система ввода рабочего газа и система электрического питания обеспечивают однородную плазму укороченного разряда высокого давления (до 1 атмосферы) во всем зазоре между анодом и катодом без нестабильных стримеров, искр и дуг; система откачки рабочего газа из зазора между анодом и катодом соединена с одним или несколькими отверстиями в аноде для создания потока газа-носителя с распыленными радионуклидами от периферии плазмы к ее центру с последующей конденсацией и улавливанием атомов, распыленных с обрабатываемой поверхности.

В частном случае реализации предлагаемого изобретения анод имеет форму плоской квадратной пластины в случае дезактивации плоской поверхности, а зазор между анодом и дезактивируемым участком конструкции одинаков по всей площади анода. Это позволяет создать однородную плазму во всем зазоре между анодом и катодом, а также полностью, без пропусков и повторов, однородно обработать дезактивируемую поверхность при перемещении устройства шаг за шагом.

В другом частном случае реализации предлагаемого изобретения анод имеет форму выпуклой или вогнутой пластины в случае дезактивации вогнутой или выпуклой поверхности, а зазор между анодом и дезактивируемым участком одинаков по всей площади анода. Это позволяет создать однородную плазму во всем зазоре между анодом и любой криволинейной поверхностью.

В частном случае реализации предлагаемого изобретения рабочим газом является инертный газ, например аргон. Это позволяет легко отделять распыленные радионуклиды от газа-носителя и избегать образования летучих соединений радионуклидов, в частности, углекислого газа.

Еще в одном частном случае реализации предлагаемого изобретения для регулировки зазора между анодом и катодом в корпусе по периметру на равном расстоянии друг от друга установлены три актуатора, которые регулируют величину зазора в диапазоне 0,1 – 5 мм, а система подачи рабочего газа обеспечивает давление в зазоре в диапазоне 0,01 – 1 атм из условия зажигания укороченного тлеющего разряда высокого давления таким образом, что длина зазора не превышает 100 длин свободного пробега электрона. Это позволяет в процессе работы регулировать зазор между анодом и катодом по мере накопления осажденных атомов на аноде и создать однородную плазму во всем зазоре.

Также в частном случае реализации предлагаемого изобретения анод выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например, из меди, имеет первую внутреннюю полость для прокачки охлаждающей жидкости или газа над всей поверхностью, обращенной к катоду, и вторую внутреннюю полость над первой полостью для пропускания рабочего газа и осаждения распыленных атомов при откачке. Т.к. в процессе работы анод может нагреваться плазмой, прокачка охлаждающей среды позволяет поддерживать низкую температуру на поверхности анода и конденсировать там все атомы, включая радионуклиды с малой энергией связи, например, цезий.

В другом в частном случае реализации предлагаемого изобретения система откачки газа из зазора между анодом и катодом соединена с отверстием в центре анода. Это позволяет создать поток газа-носителя с распыленными радионуклидами от периферии плазмы к ее центру и далее внутрь полости в аноде для эффективного улавливания распыленных атомов с обрабатываемой поверхности.

Кроме того, в частном случае реализации предлагаемого изобретения система электрического питания плазмы обеспечивает напряжение в диапазоне от 200 до 1000 Вольт и плотность тока укороченного разряда высокого давления в диапазоне от 0,1 до 1 А/см². Это позволяет создать однородную плазму во всем зазоре между анодом и катодом.

Устройство позволяет проводить дезактивацию на месте расположения ядерной энергетической установки до момента ее полной разборки: устройство на манипуляторе перемещается последовательно, шаг за шагом, по всем внутренним поверхностям первого контура реактора, а также по поверхности графитовой кладки. При этом распыляемые плазменным разрядом поверхностные атомы, в значительной мере состоящие из радиоактивных изотопов, переносятся с катода на поверхность и во внутреннюю полость анода. Сменный анод с концентрированным высокоактивным осадком извлекается и захоранивается.

Предлагаемое устройство позволит снизить активность всех конструкций реактора перед ремонтом или окончательной разборкой и утилизацией, собирать радионуклиды в компактной форме, удобной для захоронения, избежать образования большого объема жидких РАО, которые будут возникать при конкурирующих методах радиохимической дезактивации.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 изображена плазменная ячейка для дезактивации (вид сверху со стороны присоединения внешних магистралей).

На Фиг.2 изображен поперечный разрез плазменной ячейки для дезактивации вместе со схематически показанной плоской обрабатываемой поверхностью в качестве катода.

На Фиг.3 изображен поперечный разрез другого варианта плазменной ячейки для дезактивации вогнутой обрабатываемой поверхности.

На Фиг.4 изображена блок-схема устройства для дезактивации в целом и ее основные рабочие элементы.

Осуществление изобретения

Согласно широкому подходу к реализации устройств для плазменной дезактивации, изложенному в описании и в формуле предлагаемого изобретения, возможно множество различных вариантов такого устройства. Без нарушения общности заявляемого технического решения, наилучший вариант плазменной ячейки для дезактивации (на Фиг.1 представлен вид сверху со стороны подключения внешних магистралей, на Фиг.2 представлен поперечный разрез по линии А-А на Фиг.1) состоит из металлического корпуса (1); диэлектрической крышки (2); сменного анода (3); при этом эластичная кольцевая прокладка (4) установлена по периметру металлического корпуса (1) и обеспечивает герметичное прилегание корпуса ячейки к дезактивируемой поверхности (5).

Металлический корпус (1) выполнен в виде кольца. Как показано на Фиг.2, со стороны обрабатываемой поверхности (5) корпус (1) имеет круговой паз (6) для установки эластичной кольцевой прокладкой (4). Металлический корпус (1) также имеет внутреннюю кольцевую полость (7) для подачи рабочего газа по всему периметру корпуса (1), два патрубка (8), соединенные кольцевой полостью (7) и с системой подачи рабочего газа, а также несколько равноотстоящих друг от друга отверстий (9) для равномерной подачи газа в разрядный промежуток (10). Такая система подачи рабочего инертного газа обеспечивает подачу рабочего газа от периферии ячейки к ее центру, за счет этого распыленные радионуклиды с дезактивируемой поверхности (5) не попадают на внутренние поверхности ячейки, а направляются на поверхность и во внутреннюю полость сменного анода (3). Это также препятствует попаданию атмосферного воздуха в разрядный промежуток (10) при условии подачи рабочего газа во внутреннюю кольцевую полость (7) под давлением, немного выше атмосферного.

Дополнительно металлический корпус (1) имеет три выступа (11) с установленными на них приводами линейного перемещения - актуаторами (12) на базе шаговых двигателей, которые позволяют регулировать зазор между анодом (3) и катодом - дезактивируемой поверхностью (5). Выступы (11) и актуаторы (12) распложены под углом 120 градусов друг относительно друга по периметру металлического корпуса (1). На Фиг.2 в продольном разрезе устройства показан один выступов (11) и один из актуаторов (12). Актуаторы управляются независимо друг от друга через микропроцессорную систему и обеспечивают установку зазора разрядного промежутка (10) по всей площади анода (3) и без короткого замыкания с катодной поверхностью (5). Металлический корпус (1) соединен через показанный условно узел крепления (13) с трехкоординатным манипулятором, который обеспечивает возможность программируемого перемещения устройства по дезактивируемой поверхности (5).

Изолирующая сменный анод (3) от катодной поверхности (5) диэлектрическая крышка (2) имеет цилиндрическую форму и соосно крепится к металлическому корпусу (1) болтами (болты не показаны на фигурах чертежей для простоты). Для герметизации соединения корпуса (1) и диэлектрической крышки (2) устанавливается кольцевая (например, из витона или фторопласта) прокладка (14).

Квадратный анод (3) изготовлен из металла с высокой теплопроводностью, например меди или алюминия, и представляет собой коробчатую двухэтажную конструкцию. Первый этаж является внутренней полостью для прокачки охлаждающей жидкости или газа над всей поверхностью анода (3), обращенной к катоду (5). К этой полости присоединены с помощью сварки или пайки входной (15) и выходной (16) патрубки для подачи и отвода охлаждающей среды. На патрубках (15) и (16) имеется резьба, патрубки проходят через отверстия в крышке (2), с помощью накидных гаек (17) и (18) сменный анод соединяется с крышкой (2). Это соединение герметизируется с помощью эластичных прокладок (19) и (20). Принудительное охлаждение анода необходимо для поддержания достаточно низкой температуры анода в процессе плазменного разряда, т.к. все распыленные радионуклиды должны быть задержаны и сконденсированы внутри сменного анода (3) во избежание поступления их в систему откачки рабочего инертного газа.

Второй этаж сменного анода (3) образует вторая внутренняя полость над первой полостью для откачки рабочего инертного газа и осаждения распыленных атомов внутри полости. Откачка рабочего газа происходит из разрядного промежутка (10) между анодом (3) и катодом (5) через трубку с отверстием (21), соединенную с помощью сварки или пайки в центре нижней поверхности анода (3), а также со второй внутренней полостью анода (3). Сверху ко второй внутренней полость анода (3) присоединен с помощью сварки или пайки патрубок откачки рабочего газа (22), на котором имеется резьба. Патрубок откачки (22) также проходит через отверстия в крышке (2). С помощью накидной гайки (23) сменный анод дополнительно соединяется с крышкой (2) и герметизируется с помощью эластичной прокладки (24). Дополнительно, во второй внутренней полости анода (3) установлен плоский вкладыш (25) во всю высоту полости, имеющий спиральную форму. Это обеспечивает удлинение пути откачиваемого газа, необходимое для более полного улавливания радионуклидов внутри сменного анода (3) из потока откачиваемого рабочего газа.

Для дезактивации вогнутой или выпуклой поверхности предназначен вариант плазменной ячейки, изображенный на Фиг.3 (поперечный разрез). В отличие от случая дезактивации плоской поверхности, представленного на Фиг.1,2, катодом (26) является вогнутая проводящая поверхность, например внутренняя поверхность первого контура ядерного реактора или питающих трубопроводов. В этом случае изменяется только форма сменного анода (27), поверхность которого, обращенная к катоду, имеет выпуклую форму, геометрически подобную форме дезактивируемой поверхности (26). Остальные конструктивные элементы плазменной ячейки на Фиг.3 идентичны устройству на Фиг.1 и Фиг.2.

Фиг.4 иллюстрирует блок-схему устройства для плазменной дезактивации поверхности элементов ядерных энергетических установок, которое включает плазменную ячейку (28), варианты которой изображены на Фиг.1-3, и компьютер (29), управляющий электромагнитным вентилем (30), соединенным через редуктор (31) с баллоном инертного газа (32) и обеспечивающим подачу рабочего газа в разрядный промежуток плазменной ячейки; а также насосом (33), обеспечивающим откачку газа из разрядного промежутка плазменной ячейки. Подача инертного газа осуществляется в замкнутом цикле с помощью циркулятора газа (34). Пунктирными стрелками указано направление циркуляции инертного газа.

Управляемый компьютером (29) источник питания (35), отрицательным полюсом подключенный к дезактивируемому элементу конструкции ядерного реактора, а положительным полюсом подключенный к сменному аноду (3) плазменной ячейки через ключ (36), обеспечивает включение/выключение блока питания для зажигания и поддержания укороченного плазменного разряда высокого давления (до 1 атм) между анодом (3) и обрабатываемой поверхностью (5) при напряжении в диапазоне от 200 до 1000 Вольт и плотности тока в диапазоне от 0,1 до 1 А/см². Кроме того, к компьютеру (29) подключены 3 актуатора (12) для управления зазором между дезактивируемой поверхностью (5) и анодом (3), а также набор датчиков (37), смонтированных на плазменной ячейке (28) и измеряющих напряжение на разрядном промежутке (10), силу тока разряда, давление газа, температуру в различных точках ячейки и уровень радиации.

Система принудительного водяного или газового охлаждения обеспечивает отвод теплового потока из плазмы на сменный анод плазменной ячейки (28) и включает магистрали для подвода и отвода охлаждающей среды и циркуляционный насос с радиатором (38) и измерителем температуры, также управляемый компьютером (29).

Устройство для плазменной дезактивации поверхности элементов ядерных энергетических установок работает следующим образом. Плазменную ячейку располагают на участке обрабатываемой поверхности (5) таким образом, что эластичная кольцевая прокладка (4), установленная по периметру металлического корпуса (1) устройства, плотно прилегает к дезактивируемой поверхности (5) и обеспечивает герметизацию разрядного промежутка (10). Посредством трех актуаторов (12) обеспечивается установка расстояния между сменным анодом (3) и дезактивируемой поверхностью (катодом) (5), проверяется отсутствие короткого замыкания между анодом и катодом. Затем включается насос (26) для откачки атмосферного воздуха из разрядного промежутка (10) до давления 10³-10⁴ Па, при этом ячейка дополнительно прижимается атмосферным давлением к дезактивируемой поверхности (5). После достижения заданного давления через отверстия (9) в металлическом корпусе (1) плазменной ячейки в разрядный промежуток (10) подается инертный газ (например, аргон) из баллона (32) при давлении 1.0-1.1 атм. посредством редуктора (31) и электромагнитного вентиля (30). Далее источником питания (35) через ключ (36) подается напряжение 600-1000В на разрядный промежуток, заполненный инертным газом, для зажигания разряда между анодом (3) и дезактивируемой поверхностью (5). Положительные ионы инертного газа, источником которых является зажигаемый разряд, ускоряются в электрическом поле катодного слоя и бомбардируют дезактивируемую поверхность (5) с энергией, необходимой для распыления атомов с этой поверхности. Распыленные атомы подхватываются потоком инертного газа от периметра анода (3) к отверстию в его центре и в режиме массопереноса осаждаются на поверхности, а также внутри верхней внутренней полости сменного анода (3). Процесс распыления атомов с дезактивируемой поверхности (5) и их осаждение на поверхности анода (3) осуществляют в условиях замкнутой рециркуляции инертного газа. Оптимальное время дезактивации при одном положении плазменной ячейки, расстояние между анодом (3) и дезактивируемой поверхностью (5), давление инертного газа, напряжение и ток разряда определяют экспериментально и задают программно с помощью компьютера (29). После того, как будет закончен процесс дезактивации выбранного участка поверхности (5), компьютер (29) отключает источник питания (35), прекращает подачу инертного газа в разрядный промежуток (10), и плазменная ячейка (28) перемещается по дезактивируемый поверхности на соседний участок посредством трехкоординатного манипулятора. Далее процесс повторяется, и таким образом за счет последовательных перемещений плазменной ячейки достигается дезактивация заданной области поверхности ядерного реактора.

Примером реализации заявленного устройства является вариант дезактивации элементов облученной графитовой кладки ядерного реактора, например реактора типа РБМК. Известно, что основным дозообразующим элементом облученного реакторного графита является изотоп ¹⁴С, сконцентрированный, главным образом, на поверхности и в приповерхностных микронных слоях элементов графитовой кладки [1-4]. Плазменную ячейку располагают на участке плоской боковой поверхности элемента графитовой кладки реактора РБМК таким образом, что эластичная кольцевая прокладка, установленная по периметру металлического корпуса ячейки, плотно прилегает к дезактивируемой поверхности и обеспечивает герметизацию разрядного промежутка. Посредством актуаторов устанавливается расстояние в 1 мм между сменным анодом и дезактивируемой поверхностью облученного реакторного графита. Затем включается форвакуумный насос для откачки атмосферного воздуха из разрядного промежутка до давления 10³-10⁴ Па. При достижении заданного давления в разрядном промежутке по периметру плазменной ячейки подается аргон при избыточном давлении 0,1-0,2 атм, а в разрядном промежутке давление газа порядка 10⁴ Па. Далее с помощью источника питания через ключ подается напряжение 600 В на разрядный промежуток, заполненный агоном, и зажигается разряд между сменным анодом и дезактивируемой поверхностью графита. Положительные ионы аргона приобретают в катодном слое плазмы энергию до 500 эВ и распыляют атомы углерода, включая и атомы изотопа ¹⁴С, с поверхности облученного реакторного графита. Распыленные атомы изотопа ¹⁴С в режиме массопереноса осаждаются на поверхности сменного анода. Коэффициент распыления поверхности графита ионами аргона с энергией 500 эВ составляет порядка 0.1 [5]. При плотности тока ионов j = 1 А/см², согласно выражению

V_p=K⋅j⋅M_c/e⋅N_a⋅ρ (1)

скорость распыления углерода ионами аргона составит 0.75⋅10^-5 см/с, а для распыления слоя графита толщиной 1 мкм потребуется время ~ 13 с.

В выражении (1) e – заряд электрона, Кл; ρ – плотность материала, г/см³; j – плотность тока ионов, А/см²; М_с – масса атомов материала (углерода), г/моль; N_a – число Авогадро, моль^-1; V_p = h/t – скорость распыления; h – толщина стравливаемого слоя материала, см; t –время распыления, с.

При площади поверхности сменного анода ~ 100 см² дезактивация на глубину 1 мкм элемента кладки размерами 25x25x60 см и площадью поверхности 7250 см² составит около 17 минут. Процесс дезактивации всей поверхности графитовой кладки реактора производится последовательно от одного элемента кладки к другому посредством перемещения плазменной ячейки трехкоординатным манипулятором по дезактивируемой поверхности.

Вторым примером реализации устройства является дезактивация внутренних поверхностей трубопроводов первого контура реактора. Внутренний диаметр циркониевых трубопроводов первого контура реактора ВВЭР-1000 составляет 85 мм. Последовательность действий при дезактивации внутренней поверхности трубопроводов первого контура реактора аналогична последовательности действий при дезактивации элементов облученной графитовой кладки ядерного реактора из первого примера. С помощью актуаторов устанавливается расстояние в 1 мм между анодом и дезактивируемой поверхностью (катодом). Положительные ионы аргона, источником которых является зажигаемый разряд, ускоряются в электрическом поле катодного слоя плазмы, приобретают энергию до 500 эВ и распыляют поверхностные загрязнения на внутренней поверхности трубопровода. Распыленные атомы загрязнения с внутренней поверхности трубопровода в режиме массопереноса осаждаются на поверхности и внутри сменного анода, который после заполнения радиоактивным осадком заменяется и захоранивается. Коэффициент распыления поверхности циркония ионами аргона с энергией 500 эВ величину 0.6 [5]. При плотности тока ионов j= 1 А/см², согласно выражению (1), скорость распыления радиоактивных загрязнений ионами аргона составит 0.88⋅10^-4 см/с, а для распыления слоя радиоактивных загрязнений толщиной 1 мкм потребуется время ~ 1.13 с. При площади поверхности анода ~100 см² дезактивация на глубину 1 мкм внутренней поверхности трубопровода диаметром 85 мм и длиной в 1 м составит около 5 минут. Процесс дезактивации всей внутренней поверхности трубопроводов первого контура производится последовательно от одного участка трубопровода к другому посредством перемещения плазменной ячейки трехкоординатным манипулятором по дезактивируемой поверхности.

Промышленная применимость

Устройство для дезактивации металлических конструкционных элементов ядерных энергетических установок и для поверхностной дезактивации облученной графитовой кладки построено на общеизвестных принципах физики плазмы и электроники, основные конструктивные элементы устройства изготавливаются из распространенных в практике материалов (металлы, керамика и пр.) с помощью традиционных в машиностроении технологий (фрезерование, сверление, токарная обработка, сварка и т.п.). Также используемые в устройстве комплектующие серийно выпускаются промышленностью, все это в совокупности обеспечивает практическую осуществимость заявленного изобретения.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. LaBrier, Daniel; Dunzik-Gougar, Mary Lou, «Characterization of 14C in neutron irradiated NBG-25 nuclear graphite», Journal of Nuclear Materials, Volume 448, Issue 1-3, p. 113-120, 2014; https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311514000531?via%3Dihub

2. Dunzik-Gougar, Mary Lou; Smith, Tara E. «Removal of carbon-14 from irradiated graphite Journal of Nuclear Materials», Volume 451, Issue 1-3, p. 328-335, 2014.

3. А.О. Павлюк, С.Г. Котляревский, Е.В. Беспала, Ю.Р. Беспала «Перспективы применения исследовательского реактора типа ИРТ-Т для решения задач в рамках проблемы графитовых радиоактивных отходов», Известия ВУЗОВ, Ядерная энергетика № 1, 2018, стр. 87-98, DOI 10.26583/npe.2018.1.09.

4. Vulpius D., Baginski K., Fischer C., Thomauske B. «Location and chemical bond of radionuclides in neutron irradiated nuclear graphite». Journal of Nuclear Materials. 2013, v.438, pp. 163-177.

5. «Проблемы прикладной физики. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой», том 1 под редакцией Р. Бериша, Издательство "Мир", Москва 1984, с.335.

Устройство относится к области ядерной техники и может быть использовано для очистки и дезактивации металлических конструкционных элементов ядерных энергетических установок и облученной графитовой кладки реакторов. Устройство содержит корпус, диэлектрическую крышку и сменный анод, имеющий форму пластины, геометрически подобной выбранному участку дезактивируемой поверхности, подключенную к аноду систему электрического питания плазмы, отрицательный полюс которой соединен с дезактивируемой поверхностью, являющейся катодом, эластичную прокладку, установленную по периметру корпуса и герметизирующую пространство между корпусом и дезактивируемой поверхностью, систему ввода и систему откачки рабочего газа, манипулятор для перемещения устройства по выбранным участкам дезактивируемой поверхности. Анод установлен с зазором к дезактивируемой поверхности. Система откачки рабочего газа из зазора между анодом и катодом соединена с одним или несколькими отверстиями в аноде. Изобретение обеспечивает очистку поверхностных радиационных загрязнений и может использоваться во время плановых ремонтов или при выводе из эксплуатации ядерных объектов. 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для плазменной дезактивации элементов конструкции ядерного реактора, включающее корпус и, по крайней мере, один анод, подключенную к аноду систему электрического питания плазмы, отрицательный полюс которой соединен с дезактивируемой поверхностью, являющейся катодом, эластичную прокладку, установленную по периметру корпуса и герметизирующую пространство между корпусом и дезактивируемой поверхностью, систему ввода и систему откачки рабочего газа, манипулятор для перемещения устройства по выбранным участкам дезактивируемой поверхности, отличающееся тем, что изолированный от корпуса сменный анод имеет форму пластины, геометрически подобной выбранному участку дезактивируемой поверхности, анод установлен с зазором к дезактивируемой поверхности, система ввода рабочего газа выполнена с возможностью подачи газа при заданном давлении в пространство между анодом и катодом, система электрического питания обеспечивает зажигание и поддержание между анодом и катодом укороченного тлеющего разряда высокого давления, система откачки рабочего газа из зазора между анодом и катодом соединена с одним или несколькими отверстиями в аноде.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод имеет форму плоской квадратной пластины в случае дезактивации плоской поверхности, а зазор между анодом и дезактивируемым участком конструкции установлен одинаковым по всей площади анода.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод имеет форму выпуклой или вогнутой пластины в случае дезактивации вогнутой или выпуклой поверхности, а зазор между анодом и дезактивируемым участком установлен одинаковым по всей площади анода.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что рабочим газом является инертный газ, например аргон.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулировки зазора между анодом и катодом в корпусе по периметру на равном расстоянии друг от друга установлены три актуатора, которые регулируют величину зазора в диапазоне 0,1–5 мм, а система подачи рабочего газа обеспечивает давление в зазоре в диапазоне 0,01–1 атм из условия зажигания укороченного тлеющего разряда высокого давления таким образом, что длина зазора не превышает 100 длин свободного пробега электрона.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анод выполнен из металла с высокой теплопроводностью, например меди, имеет первую внутреннюю полость для прокачки охлаждающей жидкости или газа над всей поверхностью, обращенной к катоду, и вторую внутреннюю полость над первой полостью для пропускания рабочего газа и осаждения распыленных атомов при откачке.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система откачки газа из зазора между анодом и катодом соединена с отверстием в центре анода.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система электрического питания плазмы обеспечивает напряжение в диапазоне от 200 до 1000 В и плотность тока укороченного разряда высокого давления в диапазоне от 0,1 до 1 А/см².