Основы дезактивации

МИНИСТЕРСТВО ТОПЛИВА И ЭНЕРГЕТИКИ УКРАИНЫ

СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ И ПРОМЫШЛЕННОСТИ

КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

Студента Горобца Александра Анатольевича

2006 г.

Предисловие

В настоящее время количество электроэнергии, вырабатываемой на атомных электростанциях (АЭС), составляет значительную долю энергетического баланса нашей страны. В ближайшем будущем эта составляющая будет и займёт доминирующее положение в энергетике развитых в экономическом отношении стран. Этому способствуют, с одной стороны, высокая калорийность ядерного топлива, невысокие затраты на его транспортировку и, с другой стороны, продолжающееся снижение запасов органического природного топлива.

В нашей стране для АЭС освоено серийное изготовление ядерных реакторов большой мощности, среди которых во время основное место будут занимать корпусные реакторы на тепловых нейтронах типа ВВЭР-1000.

Важная роль в энергетической программе отводится реакторам на быстрых нейтронах (БН), способны не только вырабатывать электроэнергию, но воспроизводить ядерное топливо. Это позволяет на длительный период времени считать такие реакторы перспективными, по крайней мере, до тех пор, пока не появится возможность использования в энергетических управляемых термоядерных реакций синтеза ядер лёгких элементов.

Однако ускоренное развитие атомной энергетики требует создания высоконадёжного оборудования АЭС, оснащения его совремёнными средствами управления. Высокие степень оборудования АЭС за счёт использования техники в сочетании с его надёжностью безопасностью эксплуатации станций и не допускать окружающей среды радиоактивными элементами, образующиеся процессе эксплуатации АЭС.

Таким образом, подготовка высококвалифицированного персонала, способного обслуживать сложное оборудование АЭС и управлять технологическими процессами на станции, приобретает первостепенное значение. Работа на АЭС требует также хорошей теоретической подготовки и общей культуры обслуживающего персонала.

Учитывая специфические особенности АЭС, связанные с обеспечением ядерной и радиационной безопасности, наряду с описанием оборудования большое внимание в книге уделено этим вопросам. В том числе рассмотрены действия персонала в переходных режимах работах станции, а также основные требования к работ в радиационно-опасных зонах.

1. История развития

Интенсивное развитие мировой цивилизации главным образом в направлении технического прогресса обуславливает потребность бурного роста энергетических потенциалов каждой страны мира, стремящейся всячески улучшить благосостояние своего народа.

Развитие материальной культуры общества в значительной мере связано с созданием и использованием новых источников энергии.

Технической революцией в развитии производительных сил явилось использование водяного потока, затем пара и электроэнергии на основе паровых и вододействующих турбогенераторов на ТЭС и ГЭС. Использование этих источников энергии оказало существенное влияние также и на развитие социальных отношений во всех странах мира.

В настоящее время все ТЭС работают на основе сжигания органического топлива (каменного и бурого угля, природного газа).

В наиболее развитых странах в настоящее время на одного человека приходится такое количество электрической мощности, которое в 100 раз превышает его мускульную мощность.

Наиболее эффективной оказалось применение электроэнергии, которая относительно просто преобразуется в другие виды энергии и передаётся на большие расстояния.

Однако преобладающая часть производства электроэнергии в большинстве связана с использованием органического топлива и водных ресурсов, которые неуклонно истощаются при неуклонном росте её выработки.

Так, несмотря на имеющиеся в Донецком бассейне, для удовлетворения своих нужд для обеспечения своих ТЭС и предприятий, бытовых и коммунальных нужд, Украина вынуждена закупать более 20% угля, газа и нефтепродуктов.

Достаточно также сказать, что на обычных ТЭС при сжигании органического топлива расходуется большое количество кислорода и выбрасывается в атмосферу значительные количества углекислоты и других продуктов сгорания топлива, а на ТЭС, электрической мощностью 1000 МВт образуется 4000-2000 т. золы в год и требуется более 1000 вагонов на перевозку угля.

Это обстоятельство побуждает необходимость поиска новых более калорийных и экономичных источников энергии.

Первым шагом в направлении открытия и разработки новых источников энергии, подобно тому, как впервые зачатки развития электрических начал основывались на обнаружении человеком притягивания бумажных лепестков к наэлектризованному гребешку. В 1895г. немецким учёным В. Рентгеном были открыты неизвестные ранее невидимые лучи, названные рентгеновскими (лучи длиной волны от 20 до 0,06 А, А=10-8 см, названные впоследствии рентгеновскими, и вызывающие люминесценцию некоторых веществ действующих на киноплёнку).

Годом спустя в 1896 г. А. Беккерель установил, что урановая смолка (руда) тоже испускает невидимые лучи. В дальнейшем это явление было названо радиоактивностью. Эти начала послужили обещающими основаниями в поисках, направленных на изучении и разработки фундаментальной теории строения атома, его свойств и составных элементов. Результатами таких устремлений выдающихся учёных разных стран мира учение об атомо-ядерной физике.

Французские учёные М. Склодовская и П. Кюри в 1898 г. получили искусственный химический элемент полоний 20984 Ро излучающий ? -частицы и новый элемент радий 220 88 Ra который,, в 100 раз имеет большую активность излучения, чем уран.

Они обнаружили губительное воздействие их лучей на биологическую среду.

Эти начала послужили в дальнейшем бурному развитию представлений о строении атома его ядре и основах атомной энергии.

Ёщё более крупные открытия об атомах сделаны в 20 в., так в 1911 г. Э. Резерфорд (через 13 лет) предложил планетарную модель атома и доказал, что вся масса атома сосредоточена в его ядре. В 1919 г. открыт протон, как составная часть ядра.

Ключом к решению задачи высвобождения ядерной энергии атома послужили работы Д. Чедвика (1919 г.), открывшего новую ядерную частицу - нейтрон, а Ферми в 1934 г. показал, что при бомбардировке урана нейтронами наблюдается его радиоактивность.

С. Ган и Ф. Штрассман в 1933 г. обнаружили, что при попадании нейтрона в ядро урана оно делится на два меньших ядра. А в 1939 г. харьковские учёные Б. Харитон и Б. Зельдович теоретически доказали, что при расщеплении 1 кг урана выделяется энергия, эквивалентна сжиганию 2500000 кг высококачественного каменного угля.

В 1940 г. они предложили метод расчёта цепной реакции деления тяжёлых ядер урана, и некоторых химических элементов.

В результате таких научных разработок были созданы современные атомные энергетические станции, не имеющих равных себе по мощности альтернативных источников энергии.

Первый реактор с управляемой ядерной реакцией был создан в 1942 г. в США под руководством Э. Ферми.

В СССР первый реактор запущен в 1946 г. под руководством В. Курчатова.

Реализация управляемой цепной ядерной реакции потребовала разработки принципиально новых технологий добычи и переработки, урановых руд, обогащения урана, разделения его изотопов, разработки специальной защиты от проникающих излучений, создания новой аппаратуры для регистрации излучений и материалов, способных длительно работать при высоких температурах и воздействии ионизирующих излучений и др. Возникла новая промышленно-ядерная техника.

Важнейшим достижением развития ядерной техники является создание силовых установок для получения ядерной энергии и её преобразование в другие виды энергии. Единичной мощности 1 млн. КВт и более.

Основное преимущество ядерной энергетики заключается в очень высокой калорийности ядерного топлива, удельное тепловыделение которого в 2 млн. раз выше, чем у органического топлива. 1 кг урана заменяет 250000 кг высококачественного каменного угля.

Несмотря на большие преимущества достигнутых результатов, ядерные реакторы являются мощным источником нейтронного и ? - излучений. Губительно действующих на биологические клетки и различные химические элементы. При цепной реакции деления тяжелых ядер урана образуется РА вещества различной степени активности (продукты распада).

Насыщение этими продуктами внутренних и наружных поверхностей всего оборудования и сооружений АЭС, а также окружающей среды и элементов рабочих и вспомогательных помещений называется их активацией, или РА загрязнениями. Они делятся на нефиксированные и фиксированные, по различной степени активности. Единицей измерения РА называют кюри, равной отношению:

dN/dt=A

1 Кu = 1,37*1010 прев/с; кратная единица МКu = ?*106 Кu; дольные 1 мКu = 10-3 Кu; 1 мкКu = 1*10-6 Кu; 1нКu = 1*10-9 Кu = 37 прев/с.

Также РА измеряется в беккерелях. 1 Бк это одно превращение за одну секунду 1 Бк = 0,027 нКu;

Наличие большого объёма радиоактивных загрязнений поверхностей оборудования, производственного и служебного назначения, в процессе эксплуатации АЭС существенно снижает эффективность нормального функционирования всего энергетического комплекса и повышает радиационную опасность обслуживающего его персонала, чрезмерно удорожает проведение ремонтных работ и вообще во многих случаях делает их невозможными из-за чрезмерно РА, превышающей допустимые пределы.

Это обстоятельство обуславливает необходимость проведения периодической плановой и во многих случаях вынужденной, в силу различных производственных требований, отчистки поверхностей от РАЗ, называется дезактивацией, то есть удаление с поверхностей РАЗ полностью или до определённого допустимого их предела.

Термин дезактивация составлен из приставки «дез», что по-французски означает: уничтожение, устранение, удаление чего-либо в сочетании с латинским словом «activus», означающим «активный» и в целом означает - удаление активности.

В процессе всего периода эксплуатации АЭС работа по дезактивации повседневна.

Расчёты показывают, что после исчерпания 30-40 летнего ресурса эксплуатации крупного энергоблока АЭС мощностью 1 млн. КВт образуются значительные количества радиоактивных материалов, оборудования (стальные конструкции, циркониевые изделия, бетон и т.п.), технологических и жидких отходов, достигающих на АЭС не менее 15-20 тыс. т., а на одноконтурных АЭС - 40 тыс. тонн.

В первый период после завершения эксплуатации таких энергоблоков суммарная остаточная радиоактивность оборудования, материалов и других отходов (без учёта отработанного ядерного топлива) составляет десятки миллионов кюри и с течением времени уменьшается незначительно.

Поэтому и на снятых с эксплуатации АЭС, требуются специальные меры службы ДА по обеспечению безопасности персонала и окружающей среды в процессе всего периода обращения с радиоактивными отходами.

Расчёты показывают, что для дезактивации и полного демонтажа и захоронения РА оборудования снятой с эксплуатации АЭС потребуется 2-4 года и дополнительные, капитальные затраты не менее 3-5% первоначальной стоимости сооружения АЭС.

Таким образом, видно, что дезактивация на АЭС представляет собой довольно значительный и ответственный комплекс работ, существенно повышающий общую значимость их и соответственно ДА службу, выполняющую их, во всём процессе эксплуатации АЭС и после снятия их с эксплуатации, и, следовательно, оказывающую весомый вклад в обеспечении безопасности обслуживающего персонала и экономическую эффективность ядерной энергетике в целом.

В связи с этим научные разработки дисциплины «дезактивация на АЭС», как направленные на создание и обеспечения высокоэффективных средств, процессов и прогрессивных технологий дезактивационных работ на АЭС, и обеспечивающие, тем самым, высокий уровень их радиационной безопасности, несомненно, занимают важное место на АЭС, не только в деле нормального функционирования действующих АЭС, но и в создании их перспективных комплексов.

1.1 Радиоактивность

Явление радиоактивности, или спонтанного распада ядер, было открыто французским физиком А. Беккерелем в 1896 г. Он обнаружил, что уран и его соединения испускают лучи или частицы, проникающие сквозь непрозрачные тела и способны засвечивать фотопластинку. Беккерель установил, что интенсивность излучения пропорциональна только концентрации урана и не зависит от внешних условий (температура, давление) и от того, находится ли уран в каких-либо химических соединениях.

Английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди было доказано, что во всех радиоактивных процессах происходят взаимные превращения атомных ядер химических элементов. Изучение свойств излучения, сопровождающего эти процессы в магнитном и электрическом полях, показало, что оно разделяется на ? - частицы (ядра гелия), ? - частицы (электроны) и ? - лучи (электромагнитное излучение с очень малой длиной волны).

Атомное ядро, испускающее ? - кванты, ? -, ? - или другие частицы, называется радиоактивным ядром. В природе существует 272 стабильных атомных ядра. Все остальные ядра радиоактивны и называются радиоизотопами.

Альфа-распад.

Энергия связи ядра характеризует его устойчивость к распаду на составные части. Если энергия связи ядра меньше энергии связи продуктов его распада, то это означает, что ядро может самопроизвольно (спонтанно) распадаться. При альфа - распаде альфа - частицы уносят почти всю энергию и только 20% её приходится, на вторичное ядро. При альфа - распаде массовое число изменяется на 4 единицы, а атомный номер на две единицы. Начальная энергия альфа - частицы составляет 4-10 МэВ. Поскольку альфа - частицы имеют большую массу и заряд, длина их свободного пробега в воздухе невелика. Так, например, длина свободного пробега в воздухе альфа - частиц, испускаемых ядром урана, равна 2,7см, а испускаемых радием- 3,3см.

Бета-распад

Это процесс превращения атомного ядра в другое ядро с изменением порядкового номера без изменения массового числа. Различают три типа ?- распада: электронный, позитронный и захват орбитального электрона атомным ядром. Последний тип принято также называть К - захватом, поскольку при этом наиболее вероятно поглощение электрона с ближайшей к ядру К оболочки. Поглощение электронов с L и М оболочек также возможно, но менее вероятно. Период полураспада ? - активных ядер изменяется в очень широких пределах.

Число бета - активных ядер, известных в настоящее время, составляет около полутора тысяч, но только 20 из них являются естественными бета - радиоактивными изотопами. Все остальные получены искусственным путём. Непрерывное распределение по кинетической энергии испускаемых при распаде электронов объясняется тем обстоятельством, что наряду с электроном испускается и антинейтрино. Если бы не было антинейтрино, то электроны имели бы строго определенный импульс, равный импульсу остаточного ядра. Резкий обрыв спектра наблюдается при значении кинетической энергии, равной энергии бета - распада. При этом кинетические энергии ядра и антинейтрино равны нулю и электрон уносит всю энергию, выделяющихся при реакции. При электронном распаде остаточное ядро имеет порядковый номер на единицу больше исходного при сохранении массового числа. Это означает, что в остаточном ядре число протонов увеличилось на единицу, а число нейтронов, наоборот, стало меньше:

N=A- (Z+1).

Гамма-распад

Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии. Это состояние называется основным. Однако путём облучения атомных ядер различными частицами или высокоэнергетичными протонами им можно передать определённую энергию и, следовательно, перевести в состояния, отвечающие большей энергии. Переходя через некоторое время из возбуждённого состояния в основное, атомное ядро может испустить или частицу, если энергия возбуждения достаточно высока, или высокоэнергетическое электромагнитное излучение - гамма - квант. Поскольку возбуждённое ядро находится в дискретных энергетических состояниях, то и гамма - излучение характеризуется линейчатым спектром.

1.2 Деление атомных ядер

Явление деления тяжёлых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом и Штрассманом в 1939 г. При изучении взаимодействия нейтронов различных энергий урана. Несколько позже, в 1940 г. советские физики К. А. Петржак и Г. И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При спонтанном делении, вызванном нейтронами, как правило, образуется асимметричные осколки, отношение масс которых примерно равно 3:2. При реакции деления выделяется очень большая энергия. Энергия деления высвобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, гамма - квантов, нейтрино, нейтронов. Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков, поскольку под действием кулоновских сил отталкивания они приобретают большую кинетическую энергию. Основная часть энергии деления выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков. Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это обстоятельство позволяет создать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действительно, если в среде, содержащей делящиеся ядра, один нейтрон вызывает реакцию деления, то образующиеся в результате реакции нейтроны могут с определённой вероятностью вызвать деление ядер, что может привести при соответствующих условиях к развитию неконтролируемого процесса деления. Число вторичных нейтронов не постоянно для всех тяжёлых ядер и зависит как от энергии вызвавшего деление нейтронов, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтронов деления кроме так называемых мгновенных нейтронов, испускаемых за 10-15с. после процесса деления, есть также и запаздывающие нейтроны. Они испускаются в течение нескольких минут с постепенно убывающей интенсивность. Мгновенные нейтроны составляют более 99% полного числа нейтронов деления, а их энергия заключена в широком диапазоне: от тепловой энергии и до энергии приблизительно равной 10 МэВ. Запаздывающие нейтроны испускаются с возбуждёнными ядрами образующихся после бета - распада продуктов деления - ядер - предшешественников. Поскольку испускание нуклонов возбуждённым ядром происходит мгновенно, то во время испускания запаздывающего нейтрона после акта деления будет определяться постоянной распада ядра - предшешественника.

2. Характеристики способов дезактивации

Способ дезактивации - это комплекс приёмов дезактивации с использованием физических, химических или физико-химических процессов. Способы дезактивации должны удовлетворять следующим требованиям: 1) обеспечивать эффективное удаление радиоактивных загрязнений; эффективность оптимальна, если остаточное загрязнение не превышает допустимое. Назначением способа может быть удаление отдельных или всех видов радиоактивных загрязнений. Выбор способа дезактивации определяется природой поверхности радиоактивных загрязнений, а также типом и габаритными размерами дезактивируемого оборудования; 2) не вызывать существенной коррозии и разрушения дезактивируемого материала; 3) количество радиоактивных отходов должно быть минимальным, состав их должен соответствовать способу переработки; 4)способ дезактивации должен быть экономичен, безопасен, не приводить к распространению радиоактивных загрязнений, допускать возможность механизации.

Существующие способы дезактивации могут быть подразделены на три группы: физико-химические, физико-химические и химические. При использовании способов первой группы удаление радиоактивных загрязнений осуществляется с помощью механических или физических процессов без участия химических реагентов (кроме воды).

К химическим могут быть отнесены жидкостные способы, в которых основным средством воздействия служит раствор химических реагентов. В связи с остротой проблемы переработки жидких отходов созданы химические способы дезактивации, использующие минимальные количества растворов (паровая, пенная дезактивация и т. п.). Часто применяют способы, сочетающие химические, физические и механические процессы. Предложена классификация способов дезактивации в соответствии с механизмом их воздействия.

При использовании физико-механических, сухих и жидкостных способов удаляют слой материала вместе с загрязнением или только слабо фиксированные загрязнения. Применение химических способов в сочетании с физическими и физико-химическими процессами наиболее эффективно и позволяет удалять (при использовании соответствующих растворов) все виды загрязнений.

2.1 Физико-механические способы дезактивации

Сухие способы дезактивации (вакуумированные, обдув и д. р.) предназначены для очистки от нефиксированных, радиоактивных загрязнений (радиоактивные частицы, пыль и т. п.). Механическая и термическая обработка удаляет поверхностный слой материала вместе с содержащимися в нём радиоактивными загрязнениями.

Рис. 1. Схема классификации способов дезактивации

Эти способы обладают высокой эффективностью, но вследствие больших потерь материала применяются для грубо обработанных поверхностей или с целью использования очищенного металла в качестве вторичного сырья.

Механическую дезактивацию используют для пористых и непористых материалов (дерево, бетон, металлы). Необходимый съём материала определяет глубина проникновения радиоактивных загрязнений. Поверхностный слой металла может быть снят режущим инструментом, шлифованием, крацеванием. Для неметаллических материалов применяют скалывание или соскабливание поверхностного слоя.

Крацевание - очистка поверхности эластичными щётками (капроновыми, проволочными) вручную или с помощью специальных приспособлений. Проволочные щётки используют для очистки стальных деталей и сварных швов, капроновые - для очистки от слабой ржавчины и поверхностных загрязнений. Давление щётки на поверхность увеличивает съём металла, а смачивание щёток - уменьшается, глубина съёма металла составляет 0,01-0,5 мм. Механические способы дезактивации универсальны, эффективны, при их использовании образуется мало отходов, но потери материала велики. При обработке вручную производительность низка, возможно, вторичное загрязнение очищаемой поверхности при контакте с загрязнённым инструментом. После шлифования при крацевании поверхность часто становится более восприимчивой к радиоактивному загрязнению.

Обдув потоком воздуха или газа очищает поверхность от аэрозольных и пылевидных загрязнений. Чтобы удалить частицы размером 2,5-5 мкм, скорость воздушного потока должна быть в пределах 150-500 м/с. Эффективность дезактивации обычно невысока, Кд не превышает 10. Использование способа может привести к распространению радиоактивных загрязнений.

Для удаления пылевидных, радиоактивных загрязнений с пористых и непористых материалов, в особенности из щелей и зазоров, применяют также вакуумирование. Для вакуумирования используют пылесосы. Отрыв радиоактивных частиц происходит не только под действием воздушного потока, но и в результате механического воздействия щётки. Кд обычно невелики: при простом отсасывании пыли 2-8, при использовании щётки 5-10. Этот способ прост, не разрушает поверхность, не приводит к вторичному загрязнению, но малоэффективен. Используют его обычно как первую ступень дезактивации.

Абразивный обдув заключается в действии на поверхность струи воздуха, содержащей абразивные частицы. Это быстрый и эффективный метод снятия слоя материала с поверхности и удаления загрязнений. Преимущества абразивного обдува заключаются в универсальности способа и возможности регулирования съёма материала. Недостатками являются загрязнение окружающей среды радиоактивной пылью; возможность внедрения абразивных частиц в материал и повреждения поверхности, в особенности углов и краёв; низкая эффективность дезактивации углублений, трещин; большое количество отходов.

Воздействие абразива на поверхность зависит от его твёрдости, размера частиц, способа и скорости подачи на поверхность. Крупнозернистые абразивы деформируют поверхность, мелкозернистые - почти не повреждают поверхность, но эффективность их ниже. Минеральные абразивы (песок, минералы) достаточно твёрды, но хрупки и быстро разрушаются, образуя много пыли. Наибольший съём металла даёт карбид кремния, электрокорунд и кварцевый песок менее эффективны. В качестве абразивов для дезактивации предложено использовать частицы льда, твёрдой углекислоты или В2О3. Эти абразивы легко удаляются с поверхности; В2О3 раствором в воде, что облегчает переработку отходов.

Эффект абразивного обдува зависит от давления и угла наклона струи к поверхности, оптимальный угол наклона - 35-40°. Обработку песком легированной стали производят при избыточном давлении 0,6 Мпа, чёрной стали - при 0,4 Мпа.

Термическая дезактивация заключается в нагревании дезактивируемого оборудования на воздухе до 600-800°С или в газовой окислительной среде (O2,SО2, NО2). Варианты термической дезактивации - обработка поверхностей высокотемпературным, воздушным или газовым потоком. Дезактивация основана на том, что радиоактивные загрязнения обычно сосредоточены в поверхностном слое металла и при его окислении переходят в окалину, которую затем удаляют. Достоинства метода - отсутствие жидких отходов и ручных операций, недостатки - высокий съём металла, большой расход энергии, необходимость дополнительной операции по удалению окалины. Испарение летучих радионуклидов предъявляет особые требования к очистке отходящих газов.

Разновидность способа термической дезактивации - переплавка металлов (например, свинца или стали). При плавлении металла к нему добавляют смесь легкоплавких окислов (30%AlО3, 30%SiО2, 40% СаО) и выдерживают расплав в течение 20 минут. Шлак, содержащий радиоактивные примеси, удаляют с поверхности. Поскольку температура достигает 400-700°С, возможно загрязнение атмосферы летучими РАВ. Остаточное загрязнение металла не превышает (1-3)*10-15 мкКи/г, Кд =60?90.

Ионно-плазменный способ дезактивации. Поток заряженных частиц (плазмы, протонов, ионов), падающий в вакууме на поверхность, вызывает десорбцию атомов поверхностного слоя. Энергия ионов (например, Ar) должна быть около 100 эВ. При высокой интенсивности пучка может быть удалено несколько моно слоев. Для работы в защитных камерах предложен охлаждаемый ионный пистолет, позволяющий проводить очистку поверхности вплоть до глубокого её травления. Применение этого метода ограничено трудностями создания и эксплуатации такого рода устройств.

Водоструйный способ. Направленная струя воды под давлением удаляет с поверхности дисперсные загрязнения, окалину и т. п. вследствие возбуждения воды при её деформации, а также гидравлического и термического действия струи. Эффективность очистки зависит от энергии удара струи, т.е. от ее мощности и давления. Для проявления скалывающего действия необходима высокая скорость струи - в пределах 20-25 м/с. Увеличение давления в сопла в 6 раз повышает Кд в 2 раза.

С уменьшением расстояния от поверхности возрастают, давление струи на поверхность и эффективность дезактивации; оптимальный угол наклона струи к поверхности от 30 до 45?. Температура воды играет менее существенную роль, но из-за потерь тепла в струе подаваемая вода должна иметь температуру около 80?С. Водоструйный метод применяют для дезактивации стен зданий, бака реактора, внутренних и наружных поверхностей резервуаров, контейнеров и т.п. Промывку потоком горячей воды под давлением используют для дезактивации парогенераторов, теплообменников. При дезактивации стен здания от аэрозольных загрязнений струей воды Кд колеблется от 17 до 67. Водоструйная обработка внутренних поверхностей емкости для хранения жидких радиоактивных отходов (ЖРО) менее эффективна, Кд=2,5?3,3.

Недостатки водоструйного метода - низкая эффективность удаления прочнофиксированных загрязнений, большой расход воды и большой объем ЖРО. Более эффективны высокоскоростные струи, но соответствующие технические средства значительно сложнее и дороже.

Гидроабразивная обработка обеспечивает удовлетворительную дезактивацию, удаление ржавчины, краски и менее повреждает поверхность, чем сухой абразивный обдув. Интенсивность обработки зависит от содержания абразива в смеси, наиболее эффективны суспензии с содержанием абразива около 50 мас.%. При гидроабразивной обработке можно добиться удаления с поверхности слоя не более 25 мкм, однако, крупные частицы обдирают поверхность, а для достаточной эффективности дезактивации мелкими частицами необходимо высокое давление, что усложняет аппаратуру. Применение в качестве абразивов частиц твердой углекислоты, В2О2 или льда, подаваемых струей воды, облегчает переработку отходов. Для предотвращения коррозии металла в воду часто вводят ингибиторы коррозии или пассиваторы. Транспортные контейнеры дезактивировали гидропескоструйным методом, ?-, ?-активность уменьшилась в 100 раз. Для гидроабразивного способа характерны недостатки, присущие водоструйному способу и абразивному обдуву: большое количество отходов, возможность повреждения поверхности и распространения радиоактивных загрязнений.

Паровая дезактивация более эффективна, чем водоструйный способ, вследствие высокой температуры пара (около 180?С). Дезактивация паром сокращает время обработки и объем ЖРО, но повышает опасность распространения радиоактивных загрязнений.

2.2 Химические и физико-химические способы дезактивации

При использовании этих способов основным средством воздействия на загрязненную поверхность является дезактивирующий раствор или другая среда, содержащая химические реагенты.

Погружная дезактивация - один из наиболее простых и эффективных способов дезактивации, заключающийся в погружении дезактивируемого изделия в ванну с раствором. Этим способом можно дезактивировать изделия различной конфигурации и габаритных размеров. Основной эффект достигается вследствие химического действия дезактивирующего раствора на радиоактивные загрязнения и коррозионные отложения. Эффективность возрастает при перемешивании или циркуляции раствора и повышении температуры. Погружной способ используют для дезактивации съемного контурного оборудования, оснастки, арматуры, инструмента. При дезактивации парогенераторов, теплообменников применяют заполнение их дезактивирующим раствором с помощью специальных средств. Недостаток способа - большой расход растворов и большие объемы ЖРО.

Пенную дезактивацию применяют для создания достаточного объема дезактивирующей среды в случае дезактивации больших емкостей, при этом сильно сокращаются расход раствора и объем ЖРО. Этим способом дезактивируют также трубопроводы и транспортные средства.

Пена - дисперсная система, состоящая из пузырьков газа, разделенных пленками жидкости. В качестве пенообразователей применяют ПАВ, преимущественно ионогенные (алкилсульфонаты, алкилсульфаты). Пена за счет своей кинетической энергии дробит пленки загрязнений, отрывает частицы от поверхности. Жидкость из пены при ее частичном разрушении смачивает поверхность, толщина слоя жидкости достигает 3 мкм. При выборе соответствующего состава раствора можно добиться удаления не только адгезионных частиц, но и прочнофиксированных радиоактивных загрязненений. Моющий эффект возрастает за счет механического действия разрушения и слияния пузырьков. Эффект всасывания загрязнений в пену усиливается при ее механическом перемешивании (растирание щетками, барботирование).

Для стабилизации пены и улучшения удерживания радиоактивных загрязнений в пену вводят стабилизаторы и водо-умягчающие средства: карбоксиметилцеллюлозу, производные крахмала, фосфаты. Эффективность дезактивации возрастает при повышении температуры пены, что достигается подачей теплого воздуха на сообразование.

Для разрушения пены применяют струи воды, обдув воздухом или механические и физические способы. Можно также подобрать композиции, образующие пену при нагревании с разрушением ее при охлаждении.

Пеной растворов HNO3 и H2C2O4 эффективно удалялись радиоактивные загрязнения из трубопроводов. Кд при обработке пеной 1-6 н. растворов HNO3 немного выше, чем при погружной дезактивации в растворах HNO3.

Пены на основе 1,5%-ного раствора лимонной кислоты использовали для дезактивации вертикальных поверхностей. В случае применения в качестве стабилизатора пены ацетамида пена на вертикальной поверхности удерживается более 20 мин.

Пенная дезактивация имеет некоторые недостатки: высокое содержание ПАВ может вызвать затруднения с переработкой жидких отходов; известные пенообразователи взаимодействуют с KMnO4, что не позволяет применять двух ванный способ. Однако предложены неионогенные ПАВ на основе продукта конденсации формальдегида и фенола, совместимые с окислителями. Это позволяет проводить обработку пенистыми растворами KMnO4.

Дезактивация пастами и суспензиями. В технике для очистки металлов в некоторых случаях применяют травильные пасты. Паста может находиться в контакте с поверхностью длительное время (1-3 ч). В состав этих паст входят травильные агенты (HCl, HF), ингибиторы коррозии, наполнители и загустители. Пасты применяют и для очистки полимерных покрытий; в состав очищающих и дезактивирующих паст входят ПАВ (анионактивные), комплексообразователи (полифосфаты, оксалаты, цитраты, трилон Б), наполнители (каолин, бентонит), загуститель (карбоксиметилцеллюлоза).

Материалы, используемые как наполнители или носители, должны быть инертны по отношению к травящим агентам.

Для удаления локальных прочнофиксированных загрязнений применяют пасты с абразивами. Например: используют абразив состава, мас. частей, карбид кремния 30; бентонит 40; глицерин 30; вода 20; в состав вводят также ПАВ и комплексообразователи.

Достоинства дезактивации пастами - высокая эффективность, возможность удаления локальных загрязнений без распространения их по поверхности, отсутствие жидких отходов. Недостатки заключаются в трудоемкости нанесения и удаления паст, использовании ручного труда в неблагоприятных радиационных условиях. Существенно также, что основная доля объема пасты приходится не на действующий агент, а на наполнитель и носитель.

Для дезактивации используют также суспензии, содержащие мелкодисперсные сорбенты в дезактивирующем растворе. Назначение этих сорбентов состоит в поглощении радионуклидов из раствора для получения срока его действия и непосредственного перевода РАВ в твердые отходы. Дезактивирующий раствор при этом содержит ПАВ, соли и комплексообразователи. Предложена композиция, содержащая воду, детергент, ЭДТА, NaOH, Na2OH, Na2SO4, MnO2, и активированный уголь.

Сорбционная дезактивация. Дальнейшее совершенствование способа дезактивации суспензиями привело к созданию «сухого» способа дезактивации с использованием сорбентов. Этот способ заключается в обработке поверхности небольшим количеством разбрызгиваемого раствора с последующим покрытием ее слоем порошкообразного впитывающего сорбента. Сбор сорбента осуществляют вакуумированием. Дезактивирующий раствор вместе с радиоактивными десорбированными загрязнениями впитывается сорбентом и поступает в твердые отходы. В случае необходимости сорбент можно регенерировать. При обработке раствором с сорбентом радиоактивное загрязнение распределяется в системе поверхность - раствор - сорбент в соответствии со значениями коэффициента распределения его между раствором и сорбентом Кd и Кд. Введение сорбента в дезактивирующий раствор равносильно сокращению его объема. В присутствии сорбента в сравнительно небольшом объеме раствора можно получить максимальный эффект дезактивации, при этом радиоактивное загрязнение будет фиксировано в сорбенте в соответствии со значением Кd.

Эффективность сорбционной дезактивации существенно зависит от дезактивирующих свойств раствора, а также от устойчивости сорбента в дезактивирующей среде. Окислительные растворы не применяют, так как большинство сорбентов в них разрушается. При оптимальном соотношении сорбента и раствора можно добиться практически полного удаления слабо фиксированной активности при отсутствии жидких отходов. Недостатки способа - низкая эффективность удаления прочнофиксированных загрязнений; возможность использования способа только для плоских горизонтальных поверхностей. Для предотвращения пылеобразования в композиции с сорбентами вводят загустители (глицерин).

Дезактивация расплавленными солями. Смеси расплавленных солей (NaCl/KCl/AlCl3; NaOH/KOH/Na2O2; NH4H2PO4) обеспечивают эффективную дезактивацию и удаление плотных окисных пленок в результате химического воздействия компонентов расплава, при этом ЖРО отсутствуют. Применение расплавов лимитируется коррозионным и термическим воздействием расплавленных солей, этот способ используют только для дезактивации металлических поверхностей. Наиболее удобны и эффективны расплавы фосфатов: HN4H2PO4; KH2PO4 и их смеси. Температура наносимого расплава примерно 280?, время контакта 15-45 минут. Значения Кд стали, загрязненной 60Со, 106Ru, 144Се, при использовании хлоридных расплавов составляют 25-160, щелочных - 15-40, фосфатных - 43-250, а в смеси фосфатов - 140-1000.

Дезактивация растиранием раствора - простой, универсальный и распространенный способ. Он позволяет дезактивировать труднодоступные участки и оборудование сложной конфигурации, но требуется применения ручного труда в радиационно-опасных условиях. Удаление радиоактивных загрязнений осуществляется дезактивирующим раствором в сочетании с механическим воздействием щетки. Горячий раствор наносят и растирают по поверхности в течение 15-30 с, выдерживают пленку раствора на поверхности 10-30 мин и затем смывают водой. Для дезактивации применяют растворы кислот и щелочей, а также двух ванный способ. При использовании раствора состава 0,5% ГМФН + 1% сульфонала и протирании щеткой с алюминия удаляется 85-95% загрязнений (141Се, 32Р).

Механическое воздействие эффективно только для свежих загрязнений. При дезактивации металлических окрашенных и неокрашенных поверхностей, загрязненных 89Sr и 91Y, увеличение давления щетки на поверхность в 2 раза повышает Кд в 1,5-2,5 раза. Эффективность дезактивации зависит и от расхода раствора, но не превышает 2-3 л/м2. Способ позволяет удалять слабо- и прочнофиксированные загрязнения. При дезактивации полов и стен помещений двух ванным способом Кд составляет 10-15, деталей из нержавеющей стали (привод кассеты СУЗ, штанга, арматура, шпильки реактора) - от 5 до 20. Кд гладких поверхностей ротора ГЦН (хромистая сталь) достигает 10-50, а посадочных мест - только 1,5-2.

Струйная дезактивация. Струя раствора под давлением производит на поверхность одновременное химическое, физическое и термическое воздействие при постоянном обновлении раствора. Струйная дезактивация удаляет рыхлые и плотные отложения с металлов и защитных покрытий. Этот способ имеет ряд преимуществ: меньшая длительность и трудоемкость обработки; применение менее концентрированных растворов; возможность механизации процесса; при замкнутой циркуляции раствора достигается снижение объемов ЖРО в 10-15 раз. Недостатком способа является пенообразование. Оптимальные параметры способа такие же, как и при водоструйной обработке. Уменьшение пенообразования достигается подбором эффективных, но слабо вспенивающихся ПАВ или введением пеногасителей.

Ультразвуковая дезактивация. Распространение ультразвуковых (УЗ) колебаний в жидкости сопровождается рядом механических, физических и химических явлений, влияющих на удаление загрязнений с поверхности. УЗ колебания создают в жидкости нерегулярное поле с разрывами сплошности среды и вызывают кавитацию, акустическое воздействие на процесс очистки и усиливают химическое взаимодействие моющего раствора с загрязнениями.

Главным фактором, разрушающим поверхностные пленки загрязнений, является кавитация. УЗ поле создает в жидкости переменные давления (чередование сжатия и разрежения). Давление внутри колеблющейся жидкости в фазе разрежения может падать ниже упругости пара жидкости, она разрывается, возникают пустоты (пузырьки). Амплитуда звукового поля, при которой жидкость разрывается, называется порогом кавитации. Для лишенной газа дистиллированной воды порог кавитации примерно 28 Мпа, для загрязненных жидкостей - значительно меньше вследствие присутствия зародышей кавитации. Пузырьки, захлопываясь при увеличении давления (фаза сжатия), создают импульсы давления большой силы, вызывающие кавитационные разрушения на поверхности твердых тел. В воде при 25?C, частоте колебаний 20 кГц и амплитуде звукового давления 9,80Мпа парогазовая смесь сжимается до давления 300 Мпа и нагревается до 6000 К за время 40 мкс.

Кавитация способствует удалению поверхностных загрязнений, перемешиванию раствора у поверхности раздела, растворению осадков вследствие диспергирования частиц. Количество и размеры кавитационных пузырьков, и эффективность УЗ очистки зависят от многих параметров, главные из которых - интенсивность, звуковое давление, частота, физические свойства жидкости (вязкость, плотность, температура, газосодержание), статистическое давление.

Для УЗ дезактивации используют окислительно-восстановительные растворы (двухванный способ), причем время обработки сокращается в 3 - 4 раза. Повышение эффективности химического воздействия растворов и особенно растворов окислителей объясняется тем, что в УЗ поле ускоряются реакции окисления, происходит деполяризация некоторых реакций растворения в результате снятия диффузионных ограничений. Воздействие УЗ зависит от характера радиоактивного загрязнения: если радиоактивность сосредоточена на поверхности в рыхлых отложениях, то применение УЗ существенно ускоряет очистку. Если же радиоактивные загрязнения находятся в плотных химически стойких окисных пленках, воздействие УЗ малоэффективно.

Наиболее ярко преимущества УЗ дезактивации проявляются в сокращении длительности обработки. Так, с поверхности твэлов в 10%-ной HNO3 за 4 часа удаляется 70% активности, а в УЗ поле - 98% активности удаляется за 4 мин. Кроме того, УЗ дезактивацию можно осуществлять с использованием более разбавленных растворов, что приводит к экономии реагентов и снижению стоимости переработки ЖРО.

Электрохимическая дезактивация. Один из способов интенсификации дезактивации - использование электролитических процессов. Применение электрохимических методов дезактивации позволяет уменьшить продолжительность процесса, расход реагентов и количество жидких отходов, улучшить качество обработки.

Значительную часть исследований по электрохимической дезактивации проводили в условиях обычной гальванической ванны. Для дезактивации нержавеющей стали, алюминия, сплавов Ті рекомендована катодная обработка в 1-9 н. HNO3 при плотности тока 20-60 А/дм2 . Через 20 мин обработка при 30-50?С активность снижается от 1,5 нКи до фона.

При катодном и анодном травлении более эффективно дезактивируются полированные и шлифованные поверхности. Эффективность катодной обработки не меняется после нескольких циклов загрязнение - дезактивация, так как она практически не затрагивает основной металл. При анодном травлении Кд снижается после проведения нескольких циклов загрязнение - дезактивация. Вероятно, это связано с протекающим при малых анодных поляризациях структурным травлением, приводящим к растравливанию поверхности, ухудшающему последующую дезактивацию.

3. Загрязнение поверхностей радиоактивными веществами

Эффективность дезактивации в значительной степени зависит от характера и степени загрязнения должна воспроизводить реальные условия, т.е. моделировать процесс загрязнения.

Загрязнение поверхности жидкими радиоактивными веществами может произойти в результате непосредственного соприкосновения объекта с радиоактивным раствором или в результате нанесения определенного количества радиоактивного раствора на изделие. Кроме того, возможно загрязнение в результате контакта с загрязненной поверхностью.

В первом случае происходит сплошное загрязнение поверхности. Такое загрязнение можно осуществить, либо погружая образец в раствор, либо смачивая радиоактивным раствором загружаемую поверхность. Этот метод моделирует радиоактивное загрязнение, которое происходит при контакте различных поверхностей с контурным и сбросными водами на ядерно-энергетической установке (ЯЭУ).

Во втором случае загрязнение поверхностей осуществляется каплями растворов радиоактивных изотопов. Этот метод позволяет производить дозировку радиоактивного препарата. Загрязнение в результате непосредственного соприкосновения характерно и для кожи человека при работе персонала с объектами, подвергшимися радиоактивному загрязнению.

Эффективность дезактивации зависит от метода загрязнения поверхностей. Коэффициент дезактивации существенным образом зависит от метода нанесения радиоактивных веществ. Во всех случаях коэффициент дезактивации при загрязнении в результате контакта выше, по сравнению с загрязнением в виде капель, так как адгезионное загрязнение, которое возникает после контакта, удаляется легче по сравнению с поверхностным и глубинным загрязнениями.

Загрязнение поверхностей можно осуществить одиночными каплями одного размера. Возможно нанесение радиоактивной жидкости каплями путем распыления жидкости. Капли обычно имеют объем 0,1-1,0 мл. Капли большого объема обычно растекаются, загрязняя тем самым большую поверхность, чем первоначальная зона контакта.

Число капель, наносимых на поверхность, определяется условиями моделирования и размерами образца. После нанесения радиоактивного вещества обычно сушат загрязненную поверхность. Сушку могут проводить в различных условиях, а именно: при комнатной температуре в течение 18 или 24 ч, при различной относительной влажности воздуха, равной 0, 10, 48, 80, 98%; в струе воздуха в течение 1 ч; инфракрасным облучением; на солнце. Иногда сушке предшествует промывка загрязненной поверхности водой. Сушка должна в какой-то степени имитировать условия, при которых происходит процесс загрязнения, в противном случае она может исказить условия дезактивации.

Загрязнение поверхности радиоактивными частицами может производиться методом свободного оседания, а также с использованием приборов, осуществляющих принудительную подачу запыленного воздушного потока на поверхность. В том и другом случае возможно загрязнение окружающего воздуха. Поэтому рекомендуют загрязнять поверхности путем распыления суспензий, состоящих из радиоактивных частиц. Для подобных суспензий часто применяют легко испаряющиеся жидкости. При распылении суспензии образуются относительно крупные капли, содержащие радиоактивные частицы. После попадания капель на поверхность жидкость испаряется, и происходит загрязнение этой поверхности радиоактивными частицами.

Процессы дезактивации обычно исследуют на пластинах и образцах ограниченного размера. Эти размеры определяются главным образом габаритами счетчиков, применяемых для определения уровня радиоактивного загрязнения. Так, при использовании счетчика СТС-6 размер пластин не должен превышать 130х24 мм.

В некоторых случаях до загрязнения образцы подвергают дополнительной обработке. Так, металлы плохо сорбируют 60Со. В связи с этим перед загрязнением образцы протравливают, а затем промывают дистиллированной водой.

Загрязнению подвергается как одна поверхность пластинок или дисков, так и две или все их стороны. При загрязнении поверхностей каплями с использованием различных методов на оборотной стороне пластины может фиксироваться некоторая часть радиоактивного вещества.

Если пластины погружают в раствор, загрязняются обе их стороны. При измерении уровня загрязнения необходимо учитывать ослабление материалом пластин ?- и ?- излучения от радиоактивных веществ на стороне, противоположной детектору радиометра. Однако из-за неравномерности загрязнения этот учет не всегда возможен. В связи с этим целесообразно при загрязнении методом погружения на одну сторону пластины наносить изоляционный слой, который после загрязнения снимают, что предохраняет нерабочую поверхность от загрязнения и повышает точность радиометрических измерений.

Методика дезактивации поверхностей. В лабораторных условиях для получения воспроизводимых и сопоставимых результатов применяют относительные методы дезактивации. Эти методы не воспроизводят натуральных процессов и не претендуют на их моделирование. К числу таких методов принадлежит метод погружения загрязненных пластин в дезактивирующий раствор. После выдержки образца в таком растворе с загрязненных поверхностей удаляется только часть радиоактивных веществ. Для интенсификации процесса и более, полной дезактивации емкости с дезактивирующим раствором встряхивают.

Образцы можно дезактивировать на специальных установках (рис.).

Рис. 3. Схема лабораторной установки для дезактивации: 1 - баллон со сжатым воздухом; 2 - редуктор; 3 - резервуар с раствором; 4 - шарнирное соединение; 5 - привод; 6 - электродвигатель; 7 - щетка; 8 - испытуемые поверхности; 9 - основание.

Работа установки заключается в следующем.

Под действием сжатого воздуха вода или водный дезактивирующий раствор из резервуара 3 через жидкостную коммуникацию подается на щетку 7. Заданное давление поддерживается в резервуаре редуктором 2, что обеспечивает постоянную подачу дезактивирующего раствора. От электродвигателя 6 через привод 5 вращение передается щетке 7. Для надежной работы установки обеспечена герметичность шарнирного соединения 4. Испытуемые образцы помещали на основании 9. Одновременно на основании можно крепить 20 загрязненных образцов. В процессе дезактивации основание перемещают относительно щетки. Само основание заключено в поддон, который имеет сток.

Установка позволяет в лабораторных условиях исследовать процессы дезактивации в зависимости от следующих показателей: свойств раствора и поверхности, времени загрязнения и обработки, расхода раствора и числа оборотов щетки.

Дезактивацию можно осуществлять методом пыле отсасывания. В отличие от обычного бытового пылесоса в установках для дезактивации пыле отсасыванием имеется фильтр, позволяющий улавливать радиоактивные частицы.

В процессе дезактивации иногда могут быть нарушены механические свойства поверхностей, что при последующем загрязнении снижает эффективность дезактивации. Поэтому при испытании поверхностей чередуют загрязнение и дезактивацию; это чередование называется циклами. Как правило, эффективность дезактивации с увеличением числа циклов от одного до четырех снижается, а в последующем, когда число циклов более четырех, остается примерно постоянной. Поэтому в качестве единой методики испытания поверхностей принято, что эффективность обработки определяют после пяти циклов загрязнение -- дезактивация.

4. Дезактивация средств защиты и обуви

Синтетические ткани. Эти ткани применяют для изготовления индивидуальной защитной и специальной одежды -- комбинезонов, полукомбинезонов, халатов, фартуков, нарукавников, чулок, перчаток и т. д.