Устройство для нанесения адгезионных покрытий на внутренние поверхности графитовых трактов при выводе из эксплуатации уран-графитовых реакторов

Предлагаемая полезная модель относится к области ядерной энергетики, к выводу из эксплуатации энергоблоков реакторов большой мощности канальных (РБМК) атомных станций, в частности к вопросу обращения с отработавшим графитом в теле графитовой кладки реактора. Применение устройства приведет к уменьшению дозовых нагрузок на обслуживающий персонал за счет уменьшения количества радиоактивной угольной пыли, образующейся при всех механических воздействиях на кладку при ее демонтаже и выемке графитовых блоков.
Энергоблок реактора РБМК выполнен в форме вертикального цилиндра из искусственного графита марки ГР-280. В качестве замедлителя и отражателя нейтронов применяется графит, в качестве теплоносителя используется обычная вода. Габаритные размеры графитовой кладки, например для РБМК-1000 следующие: диаметр цилиндра 14 метров, высота 8 м. Тело реактора состоит из 2488 графитовых колонн со сквозными вертикальными отверстиями, которые называют трактами. В трактах устанавливаются технологические каналы с тепловыделяющими сборками (ТВС), системы управления и защиты (СУЗ), и графитовые стержни в отражательной зоне реактора. Активная зона реактора, высотой 7 и диаметром 11,8 м, набрана из 1888 графитовых колонн с центральными отверстиями, куда установлены каналы с ТВС и СУЗ.
3
Каждая графитовая колонна реактора размерами 250×250×8000 мм составлена из 14 графитовых блоков размерами 250×250×600 мм. Верхний и нижний блоки соседних колонн имеют разные размеры по высоте, для того чтобы горизонтальные швы между блоками в соседних колоннах не совпадали. Изначально искусственный графит ГР-280 является прочным конструкционным материалом с плотностью 1,7-1,8 г/см, и с пористостью ~10-15%. Поры образуются при изготовлении графитовых блоков, располагаются хаотично. Их диаметры от 0,01 до 100 мкм.
При выводе из эксплуатации энергоблока РБМК, после останова реактора, происходит выгрузка всех ТВС и изъятие из графитовой кладки технологических каналов. До демонтажа графитовая кладка выдерживается определенное время (обычно от 10 до 20 лет) для уменьшения дозовых нагрузок от гамма-фона, основной вклад в который вносит радионуклид Со-60, удельная гамма-активность которого за это время снижается в 4÷15 раз.
При долголетнем облучении графитовой кладки РБМК быстрыми нейтронами и γ-квантами, при тепловых нагрузках графит реактора теряет плотность, становится трещиноватым, рыхлым и хрупким, увеличивается пористость. Наибольшие изменения физических свойств графита происходят в поверхностных областях трактов, расположенных ближе к технологическому каналу, излучающему быстрые нейтроны. К концу срока эксплуатации реактора в графитовых блоках появляются глубокие продольные трещины.
Поэтому, при осуществлении работ по выводу из эксплуатации реактора, при любом механическом воздействии на кладку, включая извлечение графитовых блоков, появляется угольная пыль, особенно из поверхностных областей трактов. Пыль содержит опасно высокие концентрации β-радионуклидов, в частности трития, хлора Cl-36, углерода С-14, которые практически не подвергаются распаду за время выдержки реактора. Известно, что концентрация углерода С-14 повышена именно в поверхностных областях графитовых трактов. Эти области графитовой кладки после долговременной эксплуатации реактора становятся наиболее рыхлыми и хрупкими, и поэтому самыми пылеобразующими.
Один из способов борьбы с радиоактивной угольной пылью был применен при частичном демонтаже графитовой кладки, на Ленинградской АЭС во время ремонтных работ на первом блоке в 2013 году. Это способ отсасывания пыли снизу графитового тракта, с задержкой пыли на последовательной цепи из циклона, скруббера, влагоотделителя и фильтров с газодувкой (К.Г. Кудрявцев. Восстановление ресурсных характеристик графитовой кладки реактора энергоблока №1 Ленинградской АЭС. Март, 2014. http://docplayer.ru/27716386-Vosstanovlenie-resursnyh-harakteristik-grafitovov-kladki-reaktora-energobloka-1-leningradskoy-aes.html). Этот способ фильтрации успешно задерживает 99% углерода С-14 и тяжелые радионуклиды.
5
6
5
Недостатком способа является выход трития и Cl-36 из системы фильтрации в воздух помещения. Удельная активность трития в отработавшей графитовой кладке ~ 10÷10 Бк/г, хлора - 36 ~ 10 Бк/г.
Другим недостатком данного способа является то, что он разрабатывался исключительно для резки графитовых блоков непосредственно в кладке, и угольная пыль от резки эвакуировалась вниз через фильтрационную систему. В процессе выемки графита вверх, в центральный зал энергоблока, пыль появлялась из трещиноватых, рыхлых слоев графита при всех перемещениях графитовых блоков. Учитывая большие объемы графитовой кладки, ее демонтаж, с применением указанного способа фильтрации пыли, не сможет обеспечить безопасного приемлемого уровня дозовых нагрузок на персонал из-за образующейся повышенной концентрации пыли в воздухе центрального зала блока, содержащей радиоактивные вещества с тритием, углеродом С-14 и хлором Cl-36.
Известен опыт борьбы с угольной нерадиоактивной пылью на шахтах и на угольных складах. Эта пыль также опасна, т.к. оседает в легких шахтеров и работников складов, приводя к антракозу (одна из форм силикоза легких).
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели по технической сущности и совокупности существенных признаков является распространенный метод обеспыливания на угольных складах - смачивание угля водой, распыляемой сверху угольных конусов (Методы борьбы с угольной пылью в воздухе на угольных складах ТЭС. http://tesiaes.ru/?p=13998). Недостатком этого метода является плохая смачиваемость угля водой, что потребовало разработку специальных водных растворов с поверхностно-активными веществами (ПАВ), а также разработку водных эмульсий на различных, в том числе акриловых, основах.
Радиоактивная угольная пыль из графитовой кладки энергоблока еще более опасна, чем пыль на шахтах или угольных складах, возможно именно поэтому демонтаж графитовых кладок на всех уран-графитовых реакторах стараются отнести по времени как можно дальше, предполагая успешную разработку и внедрение, в перспективе, новых технологий демонтажа, при которых бы значительно уменьшилась концентрация угольной пыли в помещениях.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в уменьшении дозовых нагрузок на персонал, что достигается снижением образования радиоактивной пыли, которая возникает при механических работах с графитовой кладкой в процессе ее демонтажа.
Сущность заявляемого технического решения состоит в том, что после выемки из графитовой кладки металлических технологических каналов, перед всеми механическими работами на кладке, включая ее демонтаж, предложено пропитать внутреннюю поверхность всех трактов кладки адгезионной акриловой грунтовкой на водной основе Knauf-Multi Grund. Для этого предложено использовать утяжеленную, до 5-7 кг свинцом, форсунку Lechler 216.496, с полым конусом распыления в 90 градусов, для подачи из емкости, под давлением 0,05-0,15 МПа, грунтовки и распыления ее по поверхности каждого тракта. Форсунка перемещается по центральной оси тракта с помощью катушки на электрической лебедке марки HGS-PA-250/500, закрепленной на верхней балке подвижной П-образной стойки и соединенной с форсункой армированным гибким рукавом высокого давления (РВД) типа 2SN-EN-853-5/16, проходящим в отверстие тракта через специальную центрирующую воронку.
В предлагаемом техническом решении использованы следующие отличительные признаки:
Признак 1 - в качестве распылительного устройства используется полоконусная форсунка, с конусом распыления в 90 градусов.
Признак 2 - в качестве пропитки, уменьшающей пылеобразование плохо смачиваемого водой графита, применяется адгезионная акриловая грунтовка на водной основе.
Признак 3 - в качестве грузоподъемного троса используется армированный двойной стальной оплеткой рукав высокого давления (РВД).
Признак 4 - в качестве центрирующего по оси тракта устройства используются центрирующая воронка, устанавливаемая на входе в тракт и свинцовый груз, закрепленный на верхней части форсунки, растягивающий РВД и центрирующий форсунку по оси тракта.
В порядке обоснования соответствия заявленной совокупности признаков полезной модели критериям «новизна», приводим следующее:
По признаку 1. Используемая в качестве распылителя полоконусная форсунка Lechler 216.496, с узким «зонтичным» конусом распыления в 90 градусов, позволяет, под давлением 0,05-0,15 МПа, не разрушающим стенки тракта, экономно распылять грунтовку только по стенкам узкого графитового тракта, не проливая при этом жидкость в пустое пространство глубокого отверстия тракта. Скорость распыления согласуется со скоростью движения форсунки вниз таким образом, чтобы достигалось равномерное покрытие грунтовкой поверхности трактов, без потеков грунтовки. Для лучшей обеспыливающей пропитки графита, следует повторить покрытие после высыхания первого.
По признаку 2. Используемая в качестве пропитки поверхности графита, адгезионная акриловая грунтовка уменьшает пылеобразование плохо смачиваемого водой графита. Грунтовки на органических основах обладают лучшей проникающей способностью в поры графита, но пожароопасны, поэтому была опробована экспериментально и выбрана акриловая грунтовка на водной основе (марки Knauf-Multi Grund).
По признаку 3. Используемый для многократного подъема и опускания на глубину до 20 метров утяжеленной до 20 кг форсунки, рукав высокого давления 2SN-EN-853-5/16, с двойной стальной оплеткой, обеспечивает надежность использования устройства при покрытии грунтовкой всех трактов графитовой кладки. РВД наматывается на инерционную катушку, сидящую на одном валу с приводящейся в движение электрической талью типа HGS-PA-250/500. Катушка с талью закрепляются на верхней перекладине подвижной стойки.
По признаку 4. В устройстве используется, центрирующая РВД по оси тракта, специальная воронка, изготовленная из нержавеющей стали по размерам входного отверстия в тракт и наружному диаметру РВД. Воронка устанавливается на входе в тракт и, совместно с центрирующим свинцовым грузом (около 5-7 кг), закрепленным на форсунке и растягивающим и выпрямляющим РВД, позволяет избежать касания РВД с радиоактивно загрязненной поверхностью тракта. Извлекаемая из отверстия форсунка вместе с грузом и воронкой переставляется в другой тракт, имеющий аналогичные геометрические размеры.
Перемещение всего устройства по полу центрального зала реактора осуществляется при помощи подвижной стойки, на которой закреплены, емкость для грунтовки и электрическая таль с катушкой РВД. Форсунка, вместе с грузом и воронкой, может устанавливаться на специальную площадку подвижной стойки для перемещения по центральному залу реактора.
Предлагаемое техническое решение проиллюстрировано графическим материалом. На фигурах 1 и 2 представлена принципиальная схема устройства по нанесению адгезионных покрытий на внутренних поверхностях всех графитовых трактов энергоблоков РБМК. На обеих фигурах используется сквозная нумерация. На фиг. 1 показана подвижная стойка-1 на колесах с закрепленным на ней оборудованием: емкость под давлением с грунтовкой-2, соединенная с РВД-4; электрическая таль-3 типа HGS-PA-250/500 на одном валу с инерционной катушкой для РВД-5. Центрирующая воронка - 6, из нержавеющей стали с размерами под входное отверстие тракта и наружный диаметр РВД. Через воронку в графитовый тракт пропущен РВД-4. Цифрой 7 показан уровень пола центрального зала. На фиг. 2 показаны: форсунка - 10 в графитовом тракте - 8; свинцовый груз - 9, закрепленный на форсунке; «зонтичный» конус распыления грунтовки - 11. На фиг. 2 также показаны части подвижной стойки-1; РВД-4; и уровень пола - 7. Отдельным выносом на фиг. 2 показаны в увеличенном размере свинцовый груз - 9, форсунка - 10 и конус распыления - 11.
Были проведены опытные испытания адгезионных свойств грунтовки Knauf-Multi Grand по сравнению с водным покрытием на новом графитовом блоке ГР-280. Оценка проводилась визуально по способности покрытия растекаться по поверхности и всасываться в поверхность графитового блока.
1. Испытания водного покрытия. Для распыления воды применялась ручная бытовая форсунка пневматического типа. Распыление воды на поверхность графитового блока приводило к островковому виду капель воды на поверхности блока. Краевой угол смачиваемости был больше - равен 90°. Капли воды не столько всасывались, сколько испарялись с поверхности. Это проверялось по сравнению времени испарения аналогичных по размеру капель воды с поверхности графитового блока и с поверхности стекла, покрытой жиром. Капли одинакового размера наносились шприцом.
2. Аналогичное распыление ручной бытовой форсункой грунтовки Knauf-Multi Grund на поверхность графитового блока приводило к растеканию капель по поверхности блока. Угол смачивания был заметно меньше 90°. Это объясняется лучшей адгезией акрилового состава грунтовки к графиту. Высыхание покрытия происходило за 4-6 часов в зависимости от толщины слоя покрытия.
Известно, что графит изначально обладает пористой структурой с размерами пор 0,01÷100 мкм, а после многолетней эксплуатации в реакторе его пористость значительно увеличивается по размерам пор и их количеству; при этом появляются микротрещины графита, особенно на поверхности трактов. Это свойство графита позволяет предположить, что адгезия и впитываемость грунтовки в отработавшем графите будет значительно выше, чем в новом графитовом блоке.
Таким образом, предлагаемое устройство может быть использовано для уменьшения дозовых нагрузок на обслуживающий персонал за счет уменьшения количества радиоактивной угольной пыли, образующейся в воздухе помещений при всех механических воздействиях на графитовую кладку реактора РБМК при ее демонтаже.