Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСКРОДУГОВОЙ ДЕЗАКТИВАЦИИ В ВОДЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для дезактивации загрязненных радионуклидами металлических поверхностей оборудования атомных энергетических установок.

Известен способ дезактивации металлических поверхностей, при котором дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют путем ее сканирования локальным высокотемпературным источником тепла (сфокусированным лазерным пучком), при этом расплавленный металла закипает, разбрызгивается и частично испаряется. Процесс испарения расплавленного металла сопровождается выходом газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые вместе с частицами расплавленного металла улавливаются водой (патент Франции N 2700882, МПК G 21 F 9/30, опубл. 29.07.94 г.).

Недостатком известного способа является значительное количество выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые не улавливаются водой, что увеличивает радиационную опасность для обслуживающего персонала. Кроме этого, недостатком является образование большого количества жидких радиоактивных отходов, которые также необходимо дезактивировать, что приводит к удорожанию известного способа.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ дезактивации металлических поверхностей, при котором дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют локальным высокотемпературным источником тепла (высокотемпературной плазмой) путем ее сканирования плазмотроном. Затем осуществляют гранулирование расплавленного металла путем его распыления с помощью струи высокотемпературного газа, выходящей из плазмотрона, и охлаждения частиц расплавленного металла в воде (акц. заявка Японии N 63-33116, МПК G 21 F 9/28, опубл. 04.07.88 г.).

Недостатком известного способа является значительное количество выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые не улавливаются водой, что объясняется проведением процесса оплавления и распыления практически на сухом месте, поскольку струя выходящего из плазмотрона газа не только оттесняет воду с обрабатываемого участка, но и испаряет ее за счет своей высокой температуры, при этом газообразные и аэрозольные отходы смешиваются с паром и попадают в атмосферу помещения. Этот недостаток приводит к увеличению радиационной опасности для обслуживающего персонала. Кроме этого, недостатком известного способа является большой разброс в размерах гранул, что объясняется разницей в величинах скоростей истечения газа по сечению кольцевой струи (в центре - максимальная скорость, а по периферии - минимальная). Центральная струя распыляет расплавленный металл на более мелкие частицы, а периферийные струи - на частицы большего диаметра. Частицы большего размера тонут в воде под действием силы гравитации, а мелкие частицы могут находиться в воде достаточно длительное время во взвешенном состоянии и даже частично растворяться в воде, увеличивая тем самым количество жидких радиоактивных отходов, утилизация которых удорожает весь процесс дезактивации.

Задачей настоящего изобретения является создание способа дезактивации металлических поверхностей, который обеспечивает повышение радиационной безопасности путем уменьшения облучающей нагрузки на персонал при одновременном удешевлении дезактивации путем снижения стоимости обработки единицы площади.

Техническим результатом настоящего изобретения является значительное уменьшение количества выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, что достигается локализацией зоны расплава за счет ограничения ее объема рабочим зазором между обрабатываемой поверхностью и электродом, а также удержанием практически всех атомов и ионов радиоактивных элементов в плазменном столбе и лунке расплава за счет образования сжимающего электромагнитного поля вокруг оси импульсного искродугового разряда (пинч-эффект). Кроме этого, техническим результатом является образование из радиоактивного расплава гранул заданного размера за счет дробления и разбрызгивания расплава импульсной силой электрогидравлического удара, который возникает при гашении разряда, так как исчезает сжимающее действие пинч-эффекта.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе дезактивации металлических поверхностей, при котором покрытую слоем воды дезактивируемую поверхность оплавляют путем сканирования локальным высокотемпературным источником тепла и осуществляют гранулирование расплавленного металла, в качестве высокотемпературного источника тепла используют импульсный искродуговой разряд, который создают с помощью импульсного генератора в зазоре между обрабатываемой поверхностью и электродом, при этом гранулирование расплавленного металла осуществляют электрогидравлическим ударом, который создают в воде гашением разряда.

Кроме того, за один импульс разряда поверхность оплавляют до образования, по крайней мере, одной лунки с жидким расплавом глубиной не более 1 мм.

Кроме этого, величину зазора выбирают в интервале от 0,05 до 1 мм.

Кроме этого, длительность импульса выбирают в интервале от 10^-5 до 10^-2 сек.

Кроме этого, скорость сканирования выбирают в интервале от 0,01 до 30 м/сек.

Кроме того, электрод подключают к отрицательному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к положительному или электрод подключают к положительному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к отрицательному.

Способ осуществляют следующим образом.

Изделие с загрязненной радионуклидами металлической поверхностью размещают для проведения дезактивации в рабочую емкость. Затем устанавливают подвижный электрод, выполненный из эрозионностойкого материала, с зазором по отношению к дезактивируемой поверхности. Величину зазора выбирают в пределах от 0,05 до 1 мм расчетным путем исходя из степени радиационной загрязненности поверхности изделия, материала и требуемой производительности: чем больше величина поверхностной активности, тем больше зазор. Изделие и электрод подключают к выводам импульсного генератора, причем возможно подключение электрода как к положительному, так и к отрицательному выводам и соответственно возможно подключение обрабатываемой поверхности как к отрицательному, так и к положительному выводам, при этом величину напряжения выбирают в пределах от 50 до 1500 вольт. Затем подают в зазор воду и зажигают искродуговой разряд. Длительность импульсного разряда выбирают в пределах от 10^-5 до 10^-2 сек в зависимости от необходимой степени перемешивания в образовавшейся лунке жидкого металла изделия и расплавленной радиоактивной пленки. Частоту разрядов выбирают в пределах от 5 до 1000 разрядов в секунду, причем производительность процесса дезактивации прямо пропорциональна этому параметру. Величину амплитуды импульса выбирают в пределах от 50 до 2500 вольт в зависимости от величины зазора, поверхностной активности изделия и электрической проводимости применяемой воды. При этом обеспечивают надежные искровые пробои зазора, каждый из которых способствует нормальному развитию импульсного искродугового разряда. Электрод перемещают (сканируют) относительно дезактивируемой поверхности со скоростью, которую выбирают в пределах от 0,01 до 30 м/сек исходя из требований получения высокой производительности, т. е. чем больше скорость, тем больше может быть допустимая энергия каждого искродугового разряда при относительно невысокой средней температуре электрода и тем меньше будет его износ. Сочетание геометрической формы дезактивируемой поверхности и электрода может быть самым различным: плоскость - плоскость, плоскость - цилиндр (или вращающийся цилиндр), цилиндр - цилиндр и т. п. В течение всего процесса обработки величину зазора сохраняют примерно постоянной, для чего электрод снабжают механизмом автоматического регулирования выбранной величины зазора. Высокая температура искродугового разряда вызывает оплавление поверхностного слоя металла (или смеси металла с его окислами), причем за один импульс разряда оплавление поверхностного слоя производят до образования, по крайней мере, одной лунки с жидким расплавом глубиной не более 1 мм. Жидкий расплав в лунке закипает и перемешивается до тех пор, пока длится разряд, при этом его выходу из лунки препятствует сжимающее электромагнитное поле вокруг оси столба разряда, а также весьма малые геометрические размеры области искродугового разряда, которая ограничена зазором. В момент гашения разряда под действием силы электрогидравлического удара, который возникает в воде, расплавленный металл выбрасывается из лунки, дробится на мелкие капли, которые остывают в холодной воде и превращаются в гранулы сферической или близкой к ней формы диаметром несколько мкм. В совокупности этих радиоактивных гранула практически отсутствуют частицы малого диаметра (менее 1 мкм), а основную массу составляют гранулы с характерным размером (диаметром) от 10 до 120 мкм, в которых сосредоточены практически все радиоактивные элементы - до 99,9 процентов всей исходной активности дезактивируемой поверхности.

Пример.

В качестве дезактивируемого изделия был выбран образец - часть стояка канала реактора РБМК из стали 08Х18Н10Т, площадью 6 см² и поверхностной радиоактивностью 2500 мкр/час. Дезактивацию производили вручную в кювете со стоячей водопроводной водой, величину зазора выбрали в интервале 0,08-0,15 мм, параметры которого обеспечивали с помощью двухкоординатного рейсмусного столика. Режим дезактивации был выбран следующим:
- длительность импульса - 5•10^-4 сек;
- величина напряжения - 100-150 вольт;
- скорость сканирования - 0,03-0,05 м/сек;
- амплитуда импульса - 100-150 вольт.

В качестве материала электрода был выбран реакторный графит с рабочей площадью - 2 см². При этом во время дезактивации контролировали мощность дозы излучения, которая не превышала фоновых значений (т.е. 15-20 мкр/час) на выходе в вентиляционную шахту тяговой установки. Мощность дозы излучения дезактивированного образца составила менее 30 мкр/час, т.е. коэффициент дезактивации равен 80. Вода кюветы после ее фильтрации через многослойный фильтр с размером пор 2 мкм также имела мощность дозы излучения 20 мкр/час. Мощность дозы излучения фильтра вместе со стеклянной воронкой составляла 2300 мкр/час, что с учетом поправочного коэффициента формы излучателя совпадает с исходной активностью образца. Практически вся исходная активность образца (около 98 процентов) выделилась в виде крупнодисперсного шлама, при этом доля жидких радиоактивных отходов составила не более 2 процентов, а доля газовых и аэрозольных отходов очень мала, не более 0,1-0,5 процента.