Дезактивация поверхностей по сути своей является процессом десорбции радионуклидов и радиоактивных частиц или удаления радиоактивных отложений с поверхностей.

Раздел 3

«Основы теории и практики дезактивации. Физико-химические основы процессов дезактивации»

(7 часов)

Предыдущими разделами обоснована необходимость дезактивации как одной из важнейших частей организационных мероприятий, направленных на обеспечение норм радиационной безопасности при проведении работ, связанных с эксплуатацией ЯЭУ. В общих чертах рассмотрены закономерности формирования радиоактивных загрязнений, в основе которых лежат процессы адгезии, физической и химической сорбции. Кратко показано, что в этой же последовательности возрастает энергия связи радиоактивных загрязнений с поверхностями оборудования. Соответственно, показано, что, зная предыдущую историю формирования радиоактивных загрязнений или предварительно изучив, исследовав ее, можно осознанно подойти к выбору способа дезактивации поверхностей. Что такое способ дезактивации.

Способ дезактивации – это комплекс приемов снижения уровней радиоактивного загрязнения поверхностей 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 в соответствии с нормами радиационной безопасности или оптимальна, если достигнуты уровни радиоактивного загрязнения в соответствии с поставленной задачей, целью дезактивации)

2) Не вызывать существенной коррозии и разрушения дезактивируемого материала в случае необходимости его повторного использования.

3) Количество радиоактивных отходов (жидких или твердых) должно быть по возможности минимальным, состав отходов должен допускать их переработку существующими методами.

4) Способ дезактивации должен быть экономичен, безопасен и не должен приводить к распространению радиоактивных загрязнений, а также допускать возможность механизации.

Конечно, это далеко не полный, обобщенный, перечень требований к способам дезактивации. В зависимости от объекта дезактивации, целей дезактивации перечень этих требований может быть значительно расширен или наоборот сужен.

Дезактивация поверхностей по сути своей является процессом десорбции радионуклидов и радиоактивных частиц или удаления радиоактивных отложений с поверхностей.

Закономерности дезактивации тесно связаны с характером сорбции радионуклидов, природой сорбирующей поверхности и свойствами образующихся отложений. Так, в случае адгезии, физической сорбции радионуклидов, силы, связывающие сорбированную радиоактивную частицу с поверхностью относительно слабы. В этих случаях частицы радиоактивных загрязнений и поверхность можно условно рассматривать как независимые системы. Поэтому десорбция осуществляется относительно легко. Зачастую, достаточно повысить температуру среды, контактирующей с поверхностью, поскольку, как отмечалось, процессы адгезии зависят от температуры и обратимы.

Удаление слабо связанных с поверхностью частиц радиоактивных аэрозолей требует преодоления сил адгезии и заключается в отрыве радиоактивных частиц от поверхности и их транспортировке в объем контактирующей среды. Десорбция может быть осуществлена воздушным или водным потоком. Мы говорили о том, что силы адгезии в водной среде, как минимум, на два порядка ниже, чем в воздушной среде. Поэтому, для отрыва крупных частиц водным потоком достаточна скорость струи воды около 0.4 м/сек, в то время как воздушным потоком – не менее 10-20 м/сек, а для отрыва частиц диаметром более 50 мкм даже более высокие скорости. Частицы, связанные с поверхностью адгезионными силами, можно отнести к слабофиксированному загрязнению.

В практике дезактивации радиоактивные вещества, слабо связанные с поверхностью, называются слабофиксированными, а хемосорбированные или входящие в кристаллическую решетку поверхностного слоя сорбента (в качестве сорбента подразумевается поверхность) – прочнофиксированными радиоактивными загрязнениями.

Прочность фиксации радионуклидов на поверхностях можно сформулировать следующим образом:

- загрязнение поверхности не снимаемое (фиксированное) – радиоактивные вещества, которые не переносятся при контакте на другие предметы и не удаляются при дезактивации;

- загрязнение поверхности снимаемое (не фиксированное) – радиоактивные вещества, которые переносятся при контакте на другие предметы и удаляются при дезактивации.

В реальных системах обычно присутствуют различные виды загрязнений, так как по мере увеличения времени контакта радиоактивного вещества с поверхностью доля слабофиксированных загрязнений снижается, а доля прочнофиксированных возрастает.

Энергия связи хемосорбированных частиц с поверхностью значительно выше (от 40 до 400 кДж/моль), так как в случае хемосорбированной природы радиоактивных загрязнений, поверхность и загрязнения образуют единую систему в связи с образованием химических связей, протеканием процессов диффузии, окисления и коррозии. Поэтому, удаление хемосорбированных частиц является более трудной задачей. В этом случае для дезактивации, удаления радиоактивных загрязнений, прибегают к обработке поверхностей способами, которые позволяют разорвать химические связи или удалить поверхностные слои материала вместе с хемосорбированными радионуклидами. А именно, проводят обработку поверхностей растворами химических реагентов, используют различные физико-химические приемы интенсификации процессов.

Условно, разработанные на сегодняшний день способы дезактивации могут быть подразделены на три основные группы:

- физико-механические;

- физико-химические;

- химические.

Ниже представлена схема одного из вариантов классификации способов дезактивации. Надо отметить, что он далеко не полный, но в нем представлены основные и наиболее применяемые способы дезактивации.

При использовании способов первой группы удаление радиоактивных загрязнений осуществляется с помощью механических или физических процессов воздействия на поверхность без применения химических реагентов (кроме воды).

К химическим относят способы, в которых основным средством воздействия на поверхность служат растворы химических реагентов. В связи с остротой проблемы переработки ЖРО созданы химические способы, использующие минимальные количества растворов (паровая, пенная и т. д).

Часто применяют способы, в которых сочетаются химические, физические и механические процессы, что обеспечивает повышение эффективности дезактивации поверхностей при улучшении общих показателей, предъявляемых к способам, по отношению к любому отдельному из них.

 


Струйный с раствором хим. реагентов
Струй-ный
Дезакти-вация перегре-тым паром
Паро-эмульси-онный
С выносным катодом
Погруж-ной
Электрохимический
Схема классификации способов дезактивации

 

 

Прежде, чем характеризовать те или иные способы дезактивации необходимо отметить, что литературные ссылки практического опыта применения дезактивации зачастую не дают объективной картины эффективности процессов. Это связано с тем, что каждый объект дезактивации индивидуален,а сами образцы могут значительно отличаться в зависимости от участка контура, из которого они взяты и от предыстории их жизни в составе оборудования. В связи с этим выполнить сравнение всех известных способов дезактивации на одинаковых образцах не представляется возможным. Дополнительно, необходимо отметить, что сама постановка опытов по моделированию эффективности процессов дезактивации на образцах зачастую очень сильно отличается, возможно, искажение интерпретации результатов в силу «человеческого» фактора.

Необходимо отметить, что на практике применение тех или иных способов дезактивации зависит не только от состава технических средств, которыми располагает организация, но и от квалификации персонала, ответственного за проведение работ по дезактивации, от его заинтересованности, инициативы, накопленного опыта работ и т.д.

В частности, наиболее применяемый показатель эффективности процессов дезактивации – Кдможет меняться даже для одного объекта в зависимости от времени его жизни до проведения дезактивации, не говоря уже о предыдущей «истории» объекта (условий его «хранения», изменения его состояния и т.д.).

Данное утверждение можно проиллюстрировать на примере изменения относительного вклада (%) активности активированных продуктов коррозии в отложениях I контуров АЭС после останова реактора.

 

Нуклид Период с момента останова реактора
После останова Через 7 месяцев
Cr – 51 » 5 -
Mn – 54 » 8
Fe – 59 » 5 -
Co – 58 » 50
Co – 60 » 30
Общая активность » 5 – 10 мКи/cм2 » 4 – 5 мКи/см2

 

Представленные изменения связаны только с различием в периодах полураспада радионуклидов. Соответственно, со временем происходит изменение вклада радионуклидов в мощность дозы от оборудования.

Если же учесть, что данные активированные продукты коррозии по разному распределены в радиоактивных отложениях на поверхностях контура, то использование одного и того же способа на однотипных образцах оборудования взятых сразу после останова реактора или через семь месяцев может дать в результате отличие в полученных коэффициентах дезактивации до порядка. Это является одной из причин, когда в литературе при характеристике способов дезактивации указывается диапазон значений Кд.

Кроме того, точное определение Кд иногда является трудной задачей, так как оборудование может быть загрязнено одновременно a-, b-, g-активными радионуклидами, неравномерно распределенными по поверхности, а некоторые виды оборудования могут иметь собственную наведенную активность. Так в сложных системах, например, петля, контур трудности определения Кд обусловлены: во-первых, конструкционными особенностями контурного оборудования и неравномерностью экранирования излучения стенками оборудования; во-вторых, невозможностью выбора изолированной точки для измерений и влиянием окружающих g-полей; в-третьих, большим разбросом значений Кд. Обычно измерение активности производят в нескольких точках и затем рассчитывают среднее значение Кд. Однако чем сложнее система, тем больше разброс значений Кд. Поэтому Кд не может являться объективным критерием эффективности дезактивации сложных систем. В этом случае эффективность дезактивации можно оценивать по общему снижению g-активности и количеству удаленной активности.

Для оценки эффективности способов дезактивации обычно используют модельные и натурные представительные образцы. В этом случае Кд определяют по результатам радиометрических измерений.