Физико-механические способы дезактивации

В основном физико-механические способы используют для удаления радиоактивных загрязнений, фиксация которых на поверхностях вызвана процессами адгезии или физической сорбции. Для этой цели применяют такие способы как вакуумирование, обдув поверхностей воздухом, водой или данными средами, содержащими абразивы.

Вакуумированиеприменяют для удаления пылевидных загрязнений с пористых и непористых поверхностей материалов, в особенности из щелей и зазоров. Для вакуумирования используют пылесосы. Отрыв радиоактивных частиц происходит не только под действием воздушного потока, но и в результате механического действия щеток. Коэффициент дезактивации обычно невелик. При простом вакуумировании - от 2 до 8, при использовании щеток - от 5 до 10. Способ прост, не разрушает поверхность, не приводит к вторичному загрязнению при правильном использовании (в случае не превышения механических действий на поверхность). Обычно используется в качестве первой ступени дезактивации.

Механический способ дезактивациииспользуют для пористых и непористых материалов (дерево, бетон, металлы). Необходимый съем материала определяет глубина проникновения радиоактивных загрязнений. Поверхностный слой металла может быть снят режущим инструментом, шлифованием, крацеванием.

Крацевание – очистка поверхности эластичными щетками (капроновыми, проволочными) вручную или с использованием специальных приспособлений. Проволочные щетки используют для очистки стальных деталей и сварных швов, капроновые – для очистки от слабой ржавчины и поверхностных загрязнений. Давление щетки увеличивает съем металла, смачивание щеток – уменьшает.

Механические способы – универсальны, эффективны, при их использовании образуется мало отходов, но потери материала велики. При обработке вручную – производительность низка, возможно, вторичное загрязнение поверхности от инструмента. После дезактивации поверхности часто становятся более восприимчивыми к повторному радиоактивному загрязнению.

Есть данные о дезактивации реакторного оборудования, когда при дезактивации 600м² уровни радиоактивного загрязнения были снижены в 300 раз, но при этом персонал выбрал годовую дозу облучения.

Обдув поверхностей потоком воздуха или газатакже позволяет очищать поверхности от аэрозольных, пылевидных радиоактивных загрязнений. Чтобы удалить частицы размером 2,5¸5 мкм скорость воздушного потока должна быть в пределах 150¸500 м/сек. Обычно К_д не превышает 10. При использовании способа необходимо одновременно использовать мощные средства вакуумирования (местного или общего, спец. вентиляция и т. д.), так как обдув может привести к распространению радиоактивных загрязнений. Предпочтительно, при использовании способа для дезактивации отдельного малогабаритного оборудования проводить данные работы в отдельном боксе, камере, которые изолированы и оснащены системой специальной вентиляции, предусмотренной нормативными документами.

Абразивный обдув- способ, который заключается в организации воздействия на дезактивируемые поверхности струи воздуха содержащей абразивные частицы, например, песка. Быстрый и эффективный способ удаления с поверхности оборудования радиоактивных загрязнений вместе с частью материала поверхности, как правило, используется для дезактивации поверхностей металлов. Преимущества абразивного обдува заключаются в универсальности метода, возможности регулирования съема материала. Недостатки – загрязнение окружающей среды радиоактивной «пылью»; возможность внедрения абразивных частиц в материал и повреждения его поверхности; низкая эффективность дезактивации углублений, трещин; большое количество вторичных отходов. Минеральные абразивы (песок, минералы) достаточно тверды, но быстро разрушаются, образуя фракции частиц, которые не могут быть повторно использованы для абразивного обдува.

Совершенствование способа было достигнуто при использовании в качестве абразивов частиц льда, твердой углекислоты или окиси бора (B₂O₃). Эти абразивы легко удаляются с поверхности, растворимы в воде, что облегчает переработку вторичных радиоактивных отходов.

Эффект абразивного обдува зависит от давления и угла наклона струи к поверхности. Оптимальный угол наклона 35¸40 градусов при давлении 0,4¸0,6 МПа (для сталей).

Разновидностью абразивного способа является вибрационный способ дезактивации. Очищаемое изделие помещается в ванну, заполненную абразивными частицами в контакте с промывочной средой. Вся система подвергается механической вибрации, при этом с поверхностей изделия вместе с остатками краски, коррозионными отложениями удаляются и радиоактивные загрязнения. Способ применим как для очистки металлических, так и неметаллических поверхностей. Вибрационный способ очистки наиболее применим для дезактивации инструментов небольшого размера.

Термическая дезактивация заключается в нагревании дезактивируемого оборудования на воздухе до температур 600¸800 ⁰С или в газовой окислительной среде (О₂, SO₂, NO₂). 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. Достоинстваспособа – отсутствие большого количества ЖРО, возможность дистанционной организации проведения работ. Недостатки -высокий съем металла, большой расход энергии, необходимость дополнительных операций по удалению образующейся окалины, организации специальной очистки отходящих газов от летучих радионуклидов (Cs, Ru).

Разновидность термической дезактивации –переплавка металлов. При плавлении металла к нему добавляютсмесь легкоплавких окислов, например, следующего состава 30 % Al₂O₃; 30 % SiO₂; 40 % CaO. Расплав выдерживают в течение некоторого времени при доступе к поверхности расплавленного металла атмосферного воздуха. На поверхности расплавленного металла при доступе кислорода образуются шлаки (окислы металлов совместно с добавками). Способ термической дезактивации основан на физико-химических процессах перехода примесей (а вместе с ними радионуклидов) из расплавов металлов в шлаки. Образующийся шлак, содержащий радионуклиды, механически удаляют с поверхности расплавленного металла. При этом металл очищается от радиоактивных элементов по активности на два¸три порядка. Средний коэффициент дезактивации металла отвечает диапазону 60¸90.

Ионно-плазменный способ дезактивациизаключается в использовании энергии воздействия на поверхность дезактивируемого объекта потоком заряженных частиц в вакууме (плазмы, протонов, ионов). Результатом действия потока частиц на поверхность объекта является десорбция атомов поверхностного слоя вместе с радионуклидами. Энергия ионов, например, аргона должна быть около 100 Эв. В зависимости от интенсивности потока, времени воздействия может быть достигнуто прогнозируемое удаление части поверхностного слоя металла. Существуют разработки с использованием охлаждаемого «ионного пистолета», обеспечивающие регулируемую очистку поверхностей от радиоактивных загрязнений. Применение способа ограничено трудностями изготовления и эксплуатации соответствующих устройств. Для использования способа необходимо наличие специальных защитных камер, отвечающих требованиям НРБ и ОСПОРБ.

Водоструйный способ дезактивации относится к физико-механическим, физико-химическим способам. Данный способ основан на отрыве радиоактивных загрязнений от поверхности под действием струй воды под давлением. За счет возбуждения воды при ее деформации на поверхности, гидравлического, термического действия струи воды с поверхностей удаляются дисперсные загрязнения, окалина и т.д. и вместе с ними сорбированные радионуклиды.

Эффективность очистки, дезактивации зависит от энергии удара струи, т. е. от ее давления. Увеличение давления повышает К_д. Давление струи на поверхность, и эффективность дезактивации возрастают с уменьшением расстояния от поверхности. Оптимальный угол наклона струи к поверхности от 30 до 45 градусов. Температура воды играет менее существенную роль, оптимальная температура воды около 80 ⁰С.

Эффективность дезактивации также зависит от расхода воды. Так, при дезактивации окрашенных поверхностей увеличение расхода примерно в 6 раз (от 10 до 70 л/м²) приводило к увеличению К_д в 4 раза.

Водоструйный метод применяют как для дезактивации сильно загрязненного оборудования от нефиксированных загрязнений (в этом случае обработка проводится в защитных камерах), так и стен зданий, внутренних и наружных поверхностей резервуаров, контейнеров. Промывку потоком горячей воды под давлением используют для дезактивации парогенераторов, теплообменников и т.д. При дезактивации внутренних поверхностей емкостей для хранения ЖРО К_д не превысил 2,5¸3,5.

Недостатки способа – низкая эффективность удаления прочнофиксированных загрязнений, большой расход воды и объем ЖРО. К преимуществам можно отнести отсутствие реагентов, отсюда низкий солевой состав ЖРО, что облегчает их переработку. На Ленинградской АЭС успешно применяется для дезактивации и химических промывок оборудования высоконапорная водоструйная установка «Хамельман».

Гидроабразивная очистка –основана на использовании струи воды, содержащей абразивные частицы. Обеспечивает удаление радиоактивных загрязнений вместе с частью поверхностных слоев оборудования, ржавчины, краски и т.д. В сравнении с сухим абразивным обдувом гидроабразивная очистка менее повреждает поверхности.

Интенсивность обработки зависит от содержания абразива в смеси. Наиболее эффективны суспензии с содержанием абразива около 50 % масс.

В качестве абразивов используют песок, частицы льда, стекла, твердой углекислоты. Есть данные, что дезактивация транспортных контейнеров таким способом позволила снизить β, γ – активность радиоактивных загрязнений примерно в 100 раз.

Для гидроабразивного способа характерны недостатки, присущие водоструйному способу и абразивному обдуву:

- большое количество отходов;

- возможность повреждения поверхности и распространения радиоактивного загрязнений.

Паровая дезактивация –обработка поверхностей паром под давлением при температурах порядка 180 ⁰С является более эффективным способом по сравнению с водоструйным.

Дезактивация паром сокращает время обработки и объем ЖРО, но повышает опасность распространения радиоактивных загрязнений. При удалении со стали пылевидных загрязнений паром при давлением 0,15 МПа коэффициент дезактивации порядка 40 достигался за 15 секунд. В то же время дезактивация поверхностей бассейна выдержки привела к снижению уровня радиоактивных загрязнений всего в 1,5 –2,5 раза.

Эффективность дезактивации паром возрастает при введении в пар химических реагентов. Используют пароэмульсионный способ дезактивации,когда струя пара, содержащая раствор в виде эмульсии, направляется на поверхность обрабатываемого оборудования.

Температура раствора при соприкосновении с поверхностью падает до 50¸80 ⁰С. Удаление радиоактивных загрязнений достигается как за счет гидродинамического воздействия пароэмульсионной струи, так и за счет постоянно обновляющегося слоя горячего конденсата, который образуется на поверхности.

Удаляют слабо- и прочнофиксированные радиоактивные загрязнения, рыхлые коррозионные отложения, окисные пленки с поверхности металлов.

Расход раствора влияет на эффективность дезактивации в большей мере, чем давление пара.

Для удаления нефиксированных и слабофиксированных загрязнений используют растворы, содержащие поверхностно-активные вещества, органические и неорганические кислоты (щавелевую, азотную, фосфорную). Эффективность дезактивации (Кд) помещений, контейнеров поверхностей бассейнов перегрузки при использовании способа достигает величин от 10 до 150.

Преимущества способов паровой дезактивации –значительное сокращение объема вторичных ЖРО. При использовании способа необходимо учитывать возможность распространения радиоактивных аэрозолей в помещении.

Эффективность паровой дезактивации может быть повышена при использовании перегретого пара при температурах 200-500 ⁰С,в который впрыскивают дезактивирующий раствор, так чтобы он полностью перешел в паровую фазу. Паровая смесь с температурой 150¸250 ⁰С поступает в замкнутый объем и конденсируется на поверхностях. Эффективность дезактивации при использовании способа обычно выше в сравнении с эффективностью обработки поверхностей растворами химических реагентов, количество ЖРО снижается в 20¸30 раз. Достигаемые коэффициенты дезактивации соответствуют диапазону 200¸300.

К перспективным способам дезактивации, рекомендуемым МАГАТЭ, относят использование растворителей на основе фреонов, в частности Фреона –113.

Фреоны – техническое название группы галогеносодержащих углеводородов. Газы или летучие жидкости, например ССl₃F (F –11). Практически безвредны, не образуют взрывоопасных смесей, не реагируют с большинством сталей. Использование органических растворителей этого класса при давлении до 13 МПа позволяют удалять радиоактивные загрязнения с поверхностей при наличии на них смазки, масла. Дезактивацию проводят путем протирки поверхностей ветошью или щетками, смоченными растворами, в состав которых входят фреоны. В труднодоступных местах дезактивацию проводят струйным способом.

Способ обеспечивает возможность дезактивации электротехнического оборудования без повреждения «тонких» компонентов.

Так, для дезактивации электрооборудования используется органическая пожаробезопасная смесь ФРЭС-20 состава:

 

 

N п/п	Наименование компонента	Расход (г/м2)	Кол-во (%)	Примечание
1.	Фреон-113	252,48		Расход состава ФРЭС-20 – 400 г/м2
2.	Этанол	63,12

 

Возможно, проведение дезактивации с рециклированием фреоновой смеси. В этом случае организуется непрерывный циклический процесс принудительной подачи дезактивирующей смеси на поверхности из резервуара с последующим возвратом смеси с поверхности в резервуар. По данным США при дезактивации 6000 трубок и элементов оборудования средний К_д составил величину 30.