СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТВЕРДЫХ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF DECONTAMINATION OF SURFACES OF SOLID OBJECTS

Изобретение относится к ядерной физике, в частности к способам обработки материалов с радиоактивным заражением и может быть использовано для удаления радиоактивных загрязнений с поверхностей твердых объектов с использованием абразивной струйной обработки.
Известен способ переработки металлов, содержащих прочнофиксированные поверхностные радиоактивные загрязнения, включающий электрохимическую дезактивацию в водном растворе серной кислоты с последующей очисткой отработавшего раствора путем осаждения сульфата кальция и гидроксидов металлов при внесении оксида кальция доукрепления осветленного раствора кислотой и его повторного использования (патент 2635202, публ. 28.10.2015 г.) Повторное использование раствора для дезактивации металла предложено электрохимическую дезактивацию проводить при одновременном воздействии на раствор и металл ультразвуковых колебаний. Кроме того, в качестве дезактивирующего агента могут использоваться любые кислоты, содержащие анион, образующий труднорастворимые соединения с кальцием. Для нейтрализации и подщелачивания отработавшего раствора используются мелкодисперсный оксид кальция или известняк. Жидкие радиоактивные отходы в виде суспензии гидроксидов металлов и труднорастворимых соединений подвергаются последующему цементированию.
Недостатками известного способа является невозможность дезактивации крупных объектов и сооружений без дополнительной их фрагментации, что требует значительных временных затрат и является трудоемким. Кроме того, в способе предусмотрено использование агрессивных химических веществ, что требует обеспечения безопасности, а для образующихся жидких радиоактивных отходов необходима дополнительная переработка  и дальнейшая утилизация.
2
Из уровня техники известен способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений, включающий формирование легкосъемных полимерных покрытий на очищаемых поверхностях путем нанесения на них пленкообразующей композиции в составе водорастворимого пленкообразователя, пластификатора,  поверхностно-активного  вещества и минеральных кислот, и последующее удаление образовавшейся полимерной пленки с фиксированными в ней радионуклеидами  (Патент РФ № 2210123, публ. 10.08.2003, бюл. № 22). Процесс очистки металлических поверхностей осуществляют при анодной поляризации этих поверхностей с плотностью тока 0,2-7,5 А/дм.
Этот способ является малоэффективным, так как удаляются только нефиксированные и, частично, слабофиксированные радиоактивные загрязнения, и технологически сложным из-за трудоемкости  удаления пленки и, применяемой многокомпонентной композиции для образования пленочных покрытий, а также необходимости их дополнительной переработки и дезактивации, особенно, при необходимости обработки поверхностей значительных размеров.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является способ дезактивации твердых радиоактивных отходов воздействием на их поверхность в рабочей камере ледяными гранулами и дальнейшее плавление льда, последующие сбор и фильтрацию образовавшейся воды с образованием замкнутого цикла (патент РФ № 2638951, публ. 19.12.2017, бюл. № 35). [3]. Обработку ледяными гранулами проводят в ускоренном режиме.
Способ включает также входной и выходной радиационный контроль с выводом части отходов из категории радиоактивных в категорию промышленных отходов. Талая вода после дезактивации проходит полную очистку от радионуклидов, в частности микрофильтрацию, селективную сорбцию радионуклидов, и мембранную очистку низконапорным обратным осмосом. Для дезактивации крупных объектов необходима их фрагментация.
Недостатками способа являются малая эффективность дезактивации поверхностей, имеющих большую толщину слоя лакокрасочных покрытий, теплоизоляции, коррозийных и других отложений, загрязненных радиоактивными веществами. Кроме того, способ реализуется с использованием комплекса дорогостоящего оборудования и расходных материалов. Кроме того, требуется дополнительная переработка и утилизация образующейся талой воды с радиоактивным загрязнением.  Усложняет технологию способа необходимость производства ледяных гранул и невозможность их долгосрочного хранения.
Техническим результатом настоящего изобретение является создание технологичного способа дезактивации поверхностей твердых объектов любых размеров, обеспечивающего высокую эффективность и скорость дезактивации, за счет качественного удаления радиоактивных загрязнений с использованием простого мобильного устройства для абразивной обработки поверхностей, в любых условиях, в том числе на открытых площадках и в полевых условиях.
Технический результат достигается тем, что способ дезактивации поверхностей твердых объектов с радиоактивными загрязнениями включает проведение входного радиационного контроля уровня загрязнений и подачу в абразивное устройство, содержащее, горелку с плазмотроном, эжекционную камеру и ускоряющую трубу под давлением воздуха. По достижению давления воздуха не менее 2,5 бар осуществляют подачу топлива в горелку с образованием, при смешении с воздухом, горючей смеси, воспламеняющейся при запуске от дугового разряда плазмотрона. При этом в горелке возрастает давление,  создается разрежение и на ее выходе формируется факел газовой струи, направленный в эжекционную камеру, в которую подают абразив, смешивая его с горящей смесью. Далее, горючую смесь с абразивом продвигают по ускоряющей трубе посредством находящегося под давлением воздушного потока, обеспечивая дальнейший нагрев абразива и освобождение его от органических примесей и влаги. После этого, горячим абразивом с выхода ускоряющей трубы воздействуют на поверхность твердых объектов, разрушая и удаляя радиоактивные загрязнения.  Затем проводят выходной радиационный контроль, по результатам которого принимают решение о повторной дезактивации.
При воздействии на поверхность твердых объектов температура абразива на выходе из ускоряющей трубы должна быть не менее 200ºС, при этом размер частиц абразива должен быть не более 3 мм.
Для обеспечения подвода воздуха в горелку, отвода воздуха на наддув топливной смеси, создания давления потока воздуха и контроля за ним может быть использован воздушный коллектор с датчиками давления.
При дезактивации поверхностей твердых объектов конец ускоряющей трубы с горячим абразивом устанавливают на расстоянии не менее 5 см от поверхности твердого объекта.
Предлагаемый к патентованию способ обеспечивает удаление радиоактивного загрязнения одновременным термическим и интенсивным ударно-абразивным воздействием на поверхность различных твердых предметов струей газа (продуктов сгорания топлива) и абразива. Абразив подается в газовую струю, создаваемую абразивным устройством, со скоростью до 360 м/сек и, воздействуя на поверхность твердого предмета, снимает верхний загрязненный радиоактивным материалом слой.
Способом дезактивации поверхностей твердых объектов осуществляется также обработка от всех видов радиоактивных загрязнений в виде наслоений, в частности от, металлургической окалины, продуктов коррозии, лакокрасочных и гальванических покрытий, а также, от известковых отложений.
2
2
Способ дезактивации поверхностей твердых объектов может быть реализован с помощью абразивного устройства, общая схема которого представления на фиг. 1; на фиг. 2 – фото обработанной поверхности бетонной стены (до и после); на фиг. 3 -  фото обработанной поверхности конструкции из углеродистой стали (до и после); на фиг. 4 – фото обработанной поверхности чугунной конструкции площадью 1 м (до и после); на фиг. 5 -  фото обработанной поверхности  конструкции из нержавеющей стали площадью 1 м (комментарии к чертежу в отдельном файле).
Абразивное устройство содержит горелку 1 в составе газового плазмотрона 2, блока запуска 3 плазматрона 2, эжекционной камеры 4 и ускоряющей трубы 5.  С абразивным устройством 1 соединен топливный бак 6 и бак абразива 7. Подачу воздуха под давлением может обеспечивать компрессор 8, соединенный абразивным устройством 1 через бак абразива 7. Соединения всех компонентов обеспечивается соответствующими шлангами – воздушный шланг 9 с манометрами, реле давления и вентилями (манометры, реле давления и вентили на фиг. не показаны), топливный шланг 10 и шланг подачи абразива 11 через дозатор (дозатор на фиг. не показан).  Питание абразивного устройства 1 может обеспечиваться от промышленной сети.
В качестве абразива может использоваться кварцевый песок с фракцией 0,12 – 3 мм, купершлак и никельшлак  с фракцией 0,125 – 3 мм, стеклянная дробь с фракцией 0,1 – 3 мм, гранатовый песок с фракцией 0,150 – 3 мм, электрокорунд с фракцией  0,2 – 3 мм, а также чугунная или стальная дробь с фракцией 0,3 – 3 мм.
После установки в результате проведения радиационного контроля степени загрязнения и выбора соответствующего обрабатываемой поверхности абразива, абразивное устройство приводится в рабочее положение. Для включения плазмотрона 2, напряжение подводится к его электродному узлу и инициируется дуговой разряд. Одновременно с этим, в камеру плазмотрона подается под давлением воздух и топливо. В плазмотроне 2 образуется горючая смесь, которая воспламеняется от дугового разряда, при дальнейшем возрастании давления химическая энергия топлива трансформируется в кинетическую и тепловую энергию газовой струи, поступающей в эжекционную камеру, в которой создается из-за поступающего под давлением воздуха разрежение. Воздух от компрессора 8 может подаваться и бак абразива 7 для создания разреженного тракта, по которому абразив подают в эжекционную камеру 4, где он смешивается с газовой струей. Двигаясь по ускоряющей трубе 5 поток горячих газов и абразив продолжают нагреваться до 250ºС, освобождаясь от органических примесей и влаги, ускоряется и на выходе формируется поток высокотемпературной   газово-абразивной струи, которая воздействует на поверхность твердого объекта, подлежащего дезактивации. После обработки поверхности проводят выходной радиационный контроль, по результатам которого принимают решение о повторной дезактивации.
Данным способом проводилась дезактивация следующих поверхностей:
- бетонной стены при давлении воздуха не менее 0,8 МПа, при обработке   гранатовым песком с фракцией не менее 0,6;
- конструкции из углеродистой стали при давлении воздуха не менее 0,7 МПа, при обработке электрокорундом с фракцией не менее 0,6 мм;
2
- чугунной конструкции площадью 1 мпри давлении воздуха не менее 0,75 МПа, при обработке никельшлаком с фракцией не менее 0,4 мм;
2
- конструкция из нержавеющей стали площадью 1 мпри давлении воздуха не менее 0,7 МПа, при обработке окатанным кварцевым песком с фракцией не менее 0,4 мм.
Сведения входного и выходного контроля дезактивации поверхностей вышеуказанных твердых предметов, произведенной по предлагаемому для патентования способу, представлены в таблице 1.
Таблица 1
Объектдезактивации
Уровень радиационных параметров до дезактивации
Уровень радиационных параметров после дезактивации
Эффективность дезактивации, %
Плотность потока,частиц (см<sup>2</sup>×мин)
Мощность дозы, мкЗв/ч
Плотность потока,частиц (см<sup>2</sup>×мин)
Мощность дозы, мкЗв/ч
Плотность потока,частиц (см<sup>2</sup>×мин)
Мощность дозы, мкЗв/ч
α-излучающие радионуклиды
β-излучающие радионуклиды
α-излучающие радионуклиды
β- излучающие радионуклиды
α-излучающие радионуклиды
β- излучающие радионуклиды
Бетонная стена
200
3000
1,6
0,1
1
0,12
99,95
99,96
92,5
Конструкция из углеродистой стали
400
4000
1,8
0,1
2
0,15
99,97
99,95
91,6
Чугунная конструкция площадью 1 м<sup>2</sup>
400
4000
1,9
0,1
2
0,14
99,97
99,95
92,6
Конструкция из нержавеющей стали площадью 1 м<sup>2</sup>
400
4000
2,1
0,1
2
0,14
99,97
99,95
93,3
Предложенный для патентования способ дезактивации поверхностей твердых объектов является универсальным, так как позволяет обрабатывать поверхность любых размеров в любых условиях, в том числе на открытых площадках и в полевых условиях. Кроме того, способ является высокотехнологичным, так как не образует вторичных жидких радиоактивных отходов, которые нуждаются в дополнительной дезактивации и обеспечивает высокую скорость обработки поверхностей твердых объектов, а также высокоэффективным, так как обработка поверхности сопровождается обезжириванием, что способствует более качественному удалению различных загрязнений, как поверхностных, например, наслоений, так и более глубинных.