Оценка эффективности дезактивации инженерной техники установкой импульсного пожаротушения в условиях ликвидации последствий радиационной аварии

УДК 628.51 ББК 68.518.1

О.Л. Бобович, С.В. Горбунов

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕЗАКТИВАЦИИ ИНЖЕНЕРНОЙ ТЕХНИКИ УСТАНОВКОЙ ИМПУЛЬСНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ РАДИАЦИОННОЙ АВАРИИ

В статье приводятся теоретическое обоснование и результаты экспериментальных исследований по оценке эффективности дезактивации инженерной техники установкой импульсного пожаротушения в условиях ликвидации последствий радиационной аварии в присутствии изотопов цезия-137 и стронция-90.

Ключевые слова: радиационная авария, эффективность дезактивации, импульсные установки пожаротушения, высоконапорные струи.

O. Bobovich, S. Gorbunov

EFFICIENCY ASSESSMENT OF ENGINEERING MACHINERY DECONTAMINATION BY MEANS OF THE IMPULSE FIRE-EXTINGUISHING SYSTEM UNDER CONDITIONS OF ELIMINATING RADIATION ACCIDENT CONSEQUENCES

The article provides the theoretical grounds and the results of experimental research on efficiency assessment of engineering machinery decontamination by means of the impulse fire-extinguishing system under conditions of eliminating radiation accident consequences in presence of caesium-137 and strontium-90 isotopes.

Keywords: radiation accident, decontamination efficiency, impulse fire-extinguishing systems, high-pressure water jet.

Анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что из всех известных способов дезактивации для обработки специальной аварийно-спасательной техники наиболее эффективны жидкостные методы. В частности, в 30-километровой зоне Чернобыльской АЭС широко использовалась и в настоящее время используется дезактивация водой под давлением, низко-, средне- и высоконапорными струями с добавлением поверхностно-активных веществ.

Вместе с тем, применяемые способы имеют ряд существенных недостатков: большой объём дезактивирующих растворов (65 - 100 л/мин), значительное время обработки (20 - 40 мин на единицу техники), сравнительно невысокие коэффициенты дезактивации (2 - 4), большой объём сточных вод, очистка которых также является серьезной и нерешённой при ликвидации последствий чернобыльской катастрофы проблемой [1]. При работе на загрязнённой радионуклидами территории используемая техника вследствие мелкодисперсного повышенного пылеобразования подвергается специфичному вторичному загрязнению, что создаёт дополнительные трудности при проведении дезактивации [2, 3].

Указанные недостатки устраняет использование для дезактивации инженерной техники импульсных установок пожаротушения, которые позволяют достичь достаточно высоких коэффициентов дезактивации как для сухих, так и для промасленных поверхностей.

Для определения среднего давления струи капельного строения можно воспользоваться рядом эмпирических и полуэмпирических формул [1].

Если воспользоваться эмпирической формулой оценки времени удара капли

г = 6,11 • 10"4 /кк1/5,

то можно получить выражение для определения силы внешнего воздействия при соприкосновении её с дезактивируемой поверхностью:

ч 6/

=1,61-10

./ _ 0,986/7/) у^3 . 6/

7~ 6,11-ю"

где - скорость капли в момент удара, м/с; гп - радиус капли после удара, м: р плотность воды, кг/м3.

Радиус контакта капли можно оценить из следующих соображений.

Когда капля радиусом г сплющивается в полусферу радиусом гП, то из соотношения (4/3)жг=(2/3)ж гп или гП= 1,26г вместо формулы (1) получим:

/=3,23-10>6%3 ¿1-

Коэффициент к1 введен для соблюдения размерности. Параметры, входящие в эту формулу, измеряются: р - в кг/м3 , ук - в м/с, гп - в м, коэффициент к1 имеет размерность с-15  м-4 5.

По экспериментальным данным, тангенциальная скорость растекания капли в 2 - 3 раза превышает скорость капли в момент удара и направлена нормально к загрязненной поверхности. С учётом этого и превращения сферической капли в полусферу /1 можно рассчитать по формуле:

/1=3,1 схр8у \ 711,

где - миделево сечение частиц; Сх - коэффициент сопротивления, который зависит от скорости капель (если эта скорость изменяется в пределах от 10 до 100 м/с, что соответствует условиям дезактивации с использованием различных технических средств, то коэффициент Сх изменяется в пределах 0,28 - 0,63).

Струя капельного строения, как и сплошная, оказывает определенное давление на обрабатываемую поверхность. Если это давление распространяется во все стороны, то силу, действующую на частицу, можно выразить при помощи следующей формулы:

/.= СХР 5.

Среднее удельное давление (в метрах водяного столба) можно выразить при помощи формулы Жуковского:

где - нормальная составляющая скорости капель; С и С2 - скорости распространения

упругих колебаний в воде и в различных средах; С1 = 1457 м/с, для алюминия с 2 = 5100 м/с, для стали С2= 6000 м/с.

Таким образом, с учётом различных элементарных актов воздействие водной струи на частицы радиоактивных загрязнений тремя различными методами на основании формул (2 - 4) можно рассчитать силу /1, которая реализует первую стадию процесса дезактивации - отрыв прилипших радиоактивных частиц.

На рис. 1 приведены результаты расчёта силы /1 в зависимости от скорости капель для сравнительно трудноудаляемых частиц диаметром 10 мкм по трём различным формулам. Отмечается удовлетворительное совпадение (кривые 1 и 2) расчётных данных, полученных по формулам (2) и

(3) для капель диаметром 100 мкм; капли такого размера наиболее характерны для струй капельного строения, генерируемых импульсными установками пожаротушения.

Расчёты по формуле (4) соответствуют кривой 3, дают завышенные результаты в связи с тем, что фактический удар капель о преграду не является упругим.

fi, i

Рис. 1. Изменение сил отрыва прилипших частиц d = 10 мкм в зависимости от скорости капель d = 100 мкм; расчёты по формулам

На оси ординат рис. 1 приведены с учётом разброса экспериментальные сведения по силам адгезии для шарообразных частиц диаметром 10 мкм, которые образуются в результате загрязнения по отношению к окрашенным (I) и замасленным (II) поверхностям [1].

Согласно рис. 1, требуемая скорость капель для обработки незамасленных поверхностей должна составлять 10 м/с, а замасленных - 50 м/с.

Учитывая специфику образования радиоактивных частиц после чернобыльской катастрофы, можно предположить, что сила адгезии их будет более значительной [1]. На рис. 1 предполагаемое значение сил адгезии представлено в виде зоны III. Пересечение этой зоны с кривыми 1, 2 даёт возможность оценить необходимую скорость капель для осуществления первой стадии процесса дезактивации. Эта скорость приближается к 100 м/с, создание подобной скорости практически осуществляется установкой импульсного пожаротушения типа «Витязь» УИП-1, основные характеристики которой приведены в [4]. Более низкие скорости водного потока не обеспечивают необходимую эффективность дезактивации, что и подтверждается практикой в Чернобыле.

С целью установления показателей дезактивации на загрязнённых территориях Гомельской области (д. Углы Наровлянского района) были проведены экспериментальные исследования по дезактивации инженерной техники установкой импульсного пожаротушения «Витязь» УИП-1 [5]. В установке применялся ствол пожарный импульсный СП-И ТУ РБ 07507162.027-98.

Объектом исследования были сухие и промасленные поверхности ходовой части инженерной техники, загрязнённой при действиях на местности с содержанием 137Cs - 28,9 кБк/кг и 90Sr -82,2 Бк/кг.

Установка располагалась на расстоянии 2 м от обрабатываемого объекта, площадь обработки при одном выстреле составила 2,5 м2. Подготовка проб проводилась сбором на смоченные растворителем беззольные фильтры путём протирания поверхности 10^10 см.

Содержание 137Cs в полученных пробах определялось на гамма-спектрометрическом комплексе «Tennelec», а 90Sr - на низкофоновой установке «Canberra S5E» с предварительной радиохимической подготовкой, основанной на оксалатном методе [6]. Результаты испытаний приведены в табл. 1.

Эффективность дезактивации сухой поверхности объекта

кд

21

21,7

11,4

2,3 2,6

„„»с«**

Ш]

цезий-137

стронций-90

25

20

15

11,8

1,8

10

5

0

Рис. 2. Коэффициенты дезактивации сухой поверхности объекта

Эффективность дезактивации промасленной поверхности

объекта

кд

1,2

ПЕ

1,8

8,8

П

8,9

Sft»*

цезий-137

стронций-90

6

4_6

4,6

О

О

Рис. 3. Коэффициенты дезактивации промасленной поверхности объекта

Анализ полученных результатов показывает, что эффективность дезактивации при применении импульсных установок по сравнению с методами напорных струй выше до 10 раз. Таким образом, коэффициент дезактивации после второго выстрела достигает 21 для сухих поверхностей и 8,8 для промасленных поверхностей ходовой части инженерной техники, в то время как для сред-ненапорных струй 2,6 и 1,8 соответственно. При этом коэффициент дезактивации по цезию-137 в среднем в два раза выше, чем по стронцию-90.

Таблица 1

Результаты испытаний по определению содержания цезия-137 и стронция -90 в беззольных фильтрах и почве

№ п/п Шифр образца Содержание цезия-137 Бк/проба Содержание стронция-90 Бк/проба

1 До дезактивации сухой поверхности 65,2 ± 12,0 1,3 ± 0,2

2 После 1-го выстрела 5,7 ± 1,1 0,23 ± 0,05

3 После 2-го выстрела 3,1 ± 0,6 0,11 ± 0,03

4 После 3-го выстрела 3,0 ± 0,6 0,11 ± 0,03

5 До дезактивации промасленной поверхности 106,0 ± 21,0 0,82 ± 0,15

6 После 1-го выстрела 16,4 ± 3,1 0,2 ± 0,05

7 После 2-го выстрела 12,1 ± 2,2 0,18 ± 0,05

8 После 3-го выстрела 11,9 ± 2,1 0,18 ± 0,05

9 Почва 28,9 ± 5,9 кБк/кг 82,2 ± 18,7 Бк/кг

На основе полученных данных рассчитаны коэффициенты дезактивации (рис. 2, 3). С увеличением расстояния между монитором, генерирующим водную струю, и обрабатываемой поверхностью снижается удельное давление Р и эффективность дезактивации. Практически установлено, что минимальное расстояние равно 2 м. При меньшем расстоянии персонал может подвергаться воздействию брызг, содержащих радиоактивные вещества. При использовании УИП-1 с этого расстояния при одном выстреле обрабатывается 2,5 м2 поверхности одним литром воды.

Полученные результаты экспериментальных исследований показывают, что эффективность дезактивации как для сухих, так и для промасленных поверхностей значительно увеличивается после первого и второго выстрелов и почти не изменяется после третьего (рис. 4, 5).

—цезий-137 -— стронций-90

Рис. 4. Эффективность дезактивации сухой поверхности объекта

низконапорная струя средненапорная струя после 1-го выстрела после 2-го выстрела после 3-го выстрела

УИП-1 УИП-1 УИП-1

—ь— цезий-137 —стронций-90

Рис. 5. Эффективность дезактивации промасленной поверхности объекта

Можно предположить, что после первого выстрела происходит преодоление прочности фиксации радиоактивных загрязнений на поверхности, в том числе глубинных и часть радиоактивных частиц продолжает находиться в образовавшейся, движущейся плёнке воды. В этом случае движущаяся водная плёнка выполняет транспортирующую функцию - вторую стадию процесса дезактивации.

В результате второго выстрела происходит разрыв связи оставшегося загрязнения с поверхностью и удаление плёнки воды, образовавшейся после первого выстрела. Учитывая, что после третьего выстрела эффективность дезактивации не меняется, можно принять оптимальный расход воды для предложенного метода дезактивации - 0,8 л/м2, который в 10 - 12 раз ниже, чем при использовании средненапорных струй.

Таким образом, анализ результатов экспериментальных исследований позволяет сделать основной вывод: многие из недостатков методов, используемых при дезактивации техники, в условиях ликвидации последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС, можно устранить путём использования для дезактивации инженерной техники установок импульсного пожаротушения типа «Витязь» УИП-1. Предлагаемый метод позволяет повысить эффективность дезактивации специальной и инженерной техники в 7 - 10 раз, снизить время обработки в 2 раза и расход дезактивирующих веществ до 10 - 12 раз, соответственно уменьшив объём сточных вод, утилизация которых также является серьёзной проблемой.

Литература

1. Зимон А.Д., Пикалов В.К. Дезактивация. М.: Издат, 1994. - 336 с. Ил. Библиогр.: 209 назв.

2. Бобович О.Л., Горбунов С.В. Анализ опыта проведения дезактивационных работ после чернобыльской катастрофы. - Вестник КИИ МЧС № 1(3). - 2006. - С. 54-63.

3. Бобович О.Л., Горбунов С.В. Особенности радиоактивного загрязнения при авариях на АЭС. -Вестник КИИ МЧС № 1(5). - 2007. - С.4 - 11.

4. Установка импульсного пожаротушения ранцевая «ВИТЯЗЬ УИП-1" Руководство по эксплуатации ЗР 500.00.00.00 РЭ ТТЗ.

5. Бобович О.Л. Применение новых методов дезактивации инженерной техники на основе импульсных установок пожаротушения. //Тезисы доклада на XIV Международной научно-практической конференции «Предупреждение. Спасение. Помощь». Химки: АГЗ МЧС России, - 2007. - С. 96 - 98.

6. Методические указания по определению содержания стронция-90 и цезия-137 в почвах и растениях. М.: ЦИНАО. - 1985.