СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
METAL SURFACES DECONTAMINATION METHOD

Изобретение относится к области ядерной техники и может быть использовано для дезактивации загрязненных радионуклидами металлических поверхностей атомных энергетических установок, технологического и другого оборудования, в том числе, подлежащего утилизации и захоронению.
Процесс дезактивации связан с удалением радиоактивных загрязнений с обрабатываемых объектов. В случае поверхностного загрязнения дезактивация ограничивается удалением с поверхности объектов радиоактивных веществ, которые закреплялись на ней в результате адгезии и адсорбции молекул или ионов радионуклидов.
Например, практикуется очистка поверхности при помощи таких традиционных методов, как механическая обдирка поверхности, пескоструйная и водоструйная обработка.
Существуют и более технологичные способы дезактивации, в том числе, обработка специальными химическими реагентами, криогенная обработка, обработка струями частиц сухого льда, ультразвуковая дезактивация, лазерная дезактивация и многие другие.
Известен способ дезактивации металлических поверхностей (Патент Франции №2700882, кл. G21F 9/30, опубл. 29.07.94 г.), при котором дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют путем сканирования локальным высокотемпературным источником тепла (сфокусированным лазерным пучком), при этом внешний слой 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.
Недостатком данного 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, образуется большое количество жидких радиоактивных отходов, утилизация которых приводит к удорожанию способа. Тем не менее, способ лазерной дезактивации поверхностей продолжает развиваться и совершенствоваться.
Известен способ дезактивации металлических поверхностей, при котором дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют локальным высокотемпературным источником тепла (высокотемпературной плазмой) путем ее сканирования плазмотроном (Патент Японии №63-33116, кл. G21F 9/28, опубл. 04.07.1988 г.). Затем осуществляют гранулирование расплавленного металла путем его распыления с помощью струи высокотемпературного газа, выходящей из плазмотрона, и охлаждения частиц расплавленного металла в воде.
Препятствием к использованию данного 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 высокой температуры, при этом газообразные и аэрозольные отходы смешиваются с паром и попадают в атмосферу помещения увеличивая радиационную опасность для обслуживающего персонала. Кроме этого, наблюдается 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), а часть поверхностного радиоактивного загрязнения в процессе дезактивации вплавляется в кристаллическую решетку дезактивируемого металла.
Известен способ дезактивации металлических поверхностей (Патент РФ №2288515, авторы Лысов А.А., Муравьев В.Ф и др., опубл. 27.11.2006, бюл. №33), относящийся к способам дезактивации локально концентрированными источниками энергии, преимущественно в жидкой среде, в котором обрабатываемую поверхность сканируют импульсными электрическими разрядами источника тока, а загрязненный металл выводят из зоны дезактивации в виде гранул, при этом сканирование осуществляют контактно-дуговыми разрядами источника тока с жесткостью вольтамперной характеристики не менее 280 А/В при напряжении на рабочих электродах 7÷24 В, а гранулы выводимого из зоны дезактивации загрязненного металла формируют размером не менее 0,05 мм. В данном способе жидкую технологическую среду используют для гранулирования расплавленного металла и удаления его с дезактивируемой поверхности из лунок, образуемых дуговыми разрядами.
Все вышеперечисленные решения обладают многими недостатками, основными из которых являются образование и вторичный разнос большого количества жидких радиоактивных отходов или пыли, и необходимость присутствия персонала в рабочей зоне.
Кроме того, они трудоемки, энергоемки, требуют большого количества дорогостоящих расходных материалов (растворы кислот, щелочей, поверхностно-активных веществ) и приводят к образованию значительного количества жидких радиоактивных отходов, хранение, переработка и утилизация которых требует огромных затрат.
Современные направления развития технологий дезактивации металлических поверхностей характеризуются отказом от «мокрых» способов, что делает их свободными от указанных недостатков.
Например, известен способ удаления радиоактивного загрязнения с поверхностей объекта, который относится к области обработки материалов с помощью лазера (Патент РФ №2319238, авторы Кутычкин Б.К., Лебедев Л.Л. и др., опубл. 10.03.2008, бюл. №7) и предусматривает сканирование сформированным пучком лазерного излучения по загрязненной поверхности объекта через прозрачный для лазерного излучения пленочный материал, выполненный из полимерного материала. Размещают пленку на расстоянии 0,1-50 мм от загрязненной поверхности объекта, на которой и осаждается радиоактивный материал, после окончания процесса пленку удаляют. Способ позволяет повысить эффективность процесса дезактивации за счет уменьшения потенциальной опасности радиоактивного заражения и уменьшения объемов продуктов дезактивации.
Недостаток способа в том, что при помощи лазерного пучка часть поверхностного радиоактивного загрязнения в процессе дезактивации вплавляется в кристаллическую решетку дезактивируемого металла. Кроме того использование лазерного способа дезактивации поверхностей затруднено для обработки поверхностей сложной геометрической формы, так как при этом необходимы сложные системы сканирования лазерного луча и сложное программное обеспечение, описывающее форму объекта, что в ряде случаев является проблематичным.
Наиболее близким к заявляемому способу по совокупности существенных признаков и выбранным за прототип является способ дезактивации металлических поверхностей (Патент РФ №2171511, авторы Васильев А.П., Нетеча М.Е. и др., МПК G21F 9/28, опубл. 10.08.2001, бюл. №21), при котором покрытую слоем воды дезактивируемую поверхность оплавляют Путем сканирования локальным высокотемпературным источником тепла и осуществляют гранулирование расплавленного металла, при этом в качестве высокотемпературного источника тепла используют импульсный искродуговой разряд, который создают с помощью импульсного генератора в зазоре между обрабатываемой поверхностью и электродом, а гранулирование оплавленного металла осуществляют электрогидравлическим ударом, который создают в воде гашением разряда.
Сущность прототипа состоит в том, что изделие с загрязненной радионуклидами металлической поверхностью размещают в рабочей емкости, устанавливают подвижный электрод с зазором по отношению к дезактивируемой поверхности и подключают изделие и электрод к выводам импульсного генератора. Затем подают в зазор воду и зажигают искродуговой разряд. Высокая температура искродугового разряда вызывает оплавление поверхностного слоя металла. Под действием силы электрогидравлического удара происходит гашение разряда, расплавленный металл выбрасывается из лунки и гранулируется в холодной воде. При этом величину зазора выбирают в интервале от 0,05 до 1 мм, а скорость сканирования (скорость перемещения электрода над дезактивируемой поверхностью) выбирают в интервале от 0,01 до 30 м/с. В течение всего процесса обработки выбранную величину зазора сохраняют постоянной, для чего электрод снабжают механизмом автоматического регулирования выбранной величины зазора. Высокая температура искродугового разряда вызывает оплавление поверхностного слоя металла. 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.
Недостатком прототипа является необходимость поддержания постоянного зазора (0,05-1,0 мм) между дезактивируемой поверхностью и электродом, что приводит к невозможности дезактивации рифленых поверхностей и поверхностей сложной геометрической формы и снижению производительности. Кроме того, мелких гранул образуется больше, чем крупных, они дольше осаждаются, загрязняя воду, которую со временем нужно будет дезактивировать или утилизировать.
Задачей заявляемого изобретения является создание «сухого» способа дезактивации металлических поверхностей без использования технологических жидкостей, обеспечивающего дезактивацию поверхностей сложной геометрической формы, безопасность окружающей среды и персонала, простоту и высокую производительность процесса.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе дезактивации металлических поверхностей, заключающемся в нагреве и локальном оплавлении дезактивируемой поверхности изделий локально концентрированным высокоэнергетическим источником тепла процесс нагрева поверхностного слоя изделия, локальное оплавление дезактивируемой поверхности и удаление радиоактивного материала производят в вакууме в диапазоне давлений от 1 Па до 300 Па за счет энергии, локализованной в перемещающихся по поверхности изделия катодных пятнах вакуумно-дугового разряда, горящего между изделием, являющимся катодом, и анодом.
Использование в качестве источника теплового воздействия на обрабатываемую поверхность энергии перемещающихся катодных пятен вакуумно-дугового разряда обеспечивает:
- осуществление дезактивации металлических поверхностей без использования технологических жидкостей;
- обработку поверхности сложной геометрической формы;
- простоту и высокую производительность процесса дезактивации;
- безопасность окружающей среды и персонала
Изложенная сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1 - схема установки для реализации способа;
фиг. 2 - фотографии воздействия катодного пятна на поверхность изделия: а - разряд на поверхности катода, б - след, оставляемый катодным пятном на поверхность, в - результат начальной стадии дезактивации поверхности;
фиг. 3 - фотографии реализации способа дезактивации для изделий сложной геометрической формы: а - труба с внутренними ребрами в вакуумной камере установки после дезактивации ее внутренней поверхности, б - вырезанный фрагмент трубы после дезактивации.
Схема технологической установки для дезактивации поверхности изделий представлена на фиг. 1, и состоит из вакуумной камеры 1, откачной системы 2, дезактивируемого изделия (катода) 3, анода 4, источника питания вакуумно-дугового разряда 5 и инициирующего электрода 6. На данной схеме в качестве изделия для дезактивации 3 используется цилиндр (труба), у которого дезактивации подвергается внутренняя поверхность.
Дезактивируемое изделие 3 с радиоактивной пленкой на внутренней цилиндрической поверхности размещают в вакуумной камере 1. Для реализации предлагаемого способа дезактивации в рабочем объеме камеры 1 с помощью откачной системы 2 создают необходимую степень разрежения в диапазоне давлений от 1 Па до 300 Па. Отрицательный полюс источника питания 5 подключают к цилиндрическому изделию 3, положительный полюс источника питания 5 подключают к аноду 4. С помощью инициирующего электрода 6 на внутренней цилиндрической поверхности изделия 3 возбуждают вакуумно-дуговой разряд, существующий в перемещающихся по поверхности изделия 3 катодных пятнах. Разряд горит между изделием (катодом) 3 и анодом 4, который, например, вращается вдоль внутренней цилиндрической поверхности, как изображено на фиг. 1. Можно реализовать процесс дезактивации и без вращения анода.
В ряде случаев можно обойтись и без вакуумной камеры, когда в качестве вакуумной камеры может служить само цилиндрическое изделие.
9
2
Вакуумно-дуговой разряд на рабочей поверхности катода возникает и развивается в парах испаряемого материала катода и существует в перемещающихся по поверхности катода катодных пятнах. Данный тип разряда относится к вакуумно-дуговому разряду с интегрально-холодным катодом. Вакуумно-дуговой разряд отличается от дугового разряда на воздухе или среде другого газа тем, что для его существования газ не нужен. Он может гореть в сколь угодно высоком вакууме по остаточным газам и горит в парах испаряемого металла. В этом случае эмиссионным центром разряда является катодное пятно (фиг. 2а), характеризующееся высокой скоростью перемещения до 100 м/с, малыми геометрическими размерами, в среднем от единиц до сотен микрометров, в котором выделяющаяся мощность достигает значений 10 Вт/м, что и обусловливает его интенсивное тепловое воздействие на материал катода.
8
9
2
8
8
2
7
2
Фотографирование горящей вакуумной дуги и анализ следов катодных пятен (фиг. 2б) показали, что движение катодных пятен носит прерывистый характер: некоторое время пятно остается на одном месте, а затем перепрыгивает на новый участок поверхности, отстоящий от первоначального на один-два радиуса пятна. Плотность тока в катодных пятнах имеет порядок 10-10 А/см. Для обеспечения таких высоких плотностей тока электрическое поле на поверхности катода должно быть на уровне Е~10 В/см. В катодном пятне вакуумной дуги это поле создается ионами, образовавшимися из испарившихся атомов, поэтому температура катода в пятне должна быть достаточно высока. Так, при плотности тока j~10 А/см плотность ионного тока будет на уровне 10 А/см. В этом случае температура в катодном пятне превышает температуру кипения материала катода и находится на уровне 5000°С. Область, разогреваемая катодным пятном на рабочей поверхности катода, превышает размеры самого катодного пятна. Однако, учитывая высокие скорости перемещения катодных пятен и их малые размеры, средняя температура поверхности металла остается интегрально "холодной". При наличии в зоне катодного пятна высокой плотности ионного тока над катодным пятном создается высокое давление плазмы на уровне 100-300 атм. Давление, оказываемое на поверхность лунки жидкого металла в катодном пятне, приводит к выдавливанию жидкого металла, который вылетает из катодного пятна в виде микрокапель. За счет испарения металла и выброса расплавленного металла в виде микрокапель все загрязнения, находящиеся на поверхности металла, в том числе и радиоактивные пленки, удаляются (фиг. 2в). При этом не происходит вплавления поверхностного радиоактивного материала в материал изделия. В результате этого обнажается чистая поверхность металла (фиг. 2в).
На фиг. 2в для демонстрации процесса показана частично дезактивированная поверхность стальной пластины, покрытой слоем ржавчины со следами в виде белых дорожек, оставленными катодными пятнами вакуумно-дугового разряда. Испаряя поверхностные пленки и другие загрязнения, эти многочисленные дуги создают благоприятную среду для своего горения и, концентрируясь на поверхностных загрязнениях и перемещаясь по ним, осуществляют процесс дезактивации, обеспечивая равномерное воздействие на обрабатываемое изделие. В связи с этим для равномерной обработки поверхности, в том числе и сложной геометрической формы, нет необходимости в сканировании источника нагрева (катодного пята) по поверхности. Процесс равномерной обработки поверхности происходит автоматически. Для случая обработки локальной поверхности управление движением катодных пятен по заданной поверхности может осуществляться за счет использования системы дополнительных экранов, применением магнитного поля, коммутацией тока за счет применения различных токоподводов и др.
В качестве примера дезактивации поверхностей сложной геометрической формы на фиг. 3 показан результат удаления пленок с внутренней поверхности трубы с проточками в виде канавок и ребер. Процесс дезактивации осуществлялся по схеме, представленной на фиг. 1. Различие только в том, что в данном случае (фиг. 3а), в отличие от фиг 1, вдоль своей оси вращается обрабатываемое цилиндрическое изделие (труба - катод), а анод установлен неподвижно на некотором расстоянии от внутренней поверхности трубы. На фиг. 3б представлен вырезанный фрагмент трубы с очищенной поверхностью. Как видно из фиг. 3б внутренняя поверхность равномерно очищена от загрязнений и на ней визуально не видно следов поверхностных пленок, как, например, на внешней поверхности трубы (фиг. 3а). Что характерно, для предложенного способа дезактивации металлической поверхности ни ребра, ни канавки на внутренней поверхности трубы не мешают процессу дезактивации (очистки), который осуществляют автоматически без управления движением катодных пятен вакуумно-дугового разряда. Это обстоятельство существенно отличает предложенный способ дезактивации поверхности своей простотой в отличие от представленных выше аналогов и прототипа.
В предлагаемом способе процесс дезактивации выполняют при давлении остаточной атмосферы воздуха от 1 Па до 300 Па, которое относится к форвакуумному диапазону давлений. Несмотря на то, что вакуумно-дуговой разряд может гореть при сколь угодно высоком вакууме (низком давлении), процесс дезактивации нецелесообразно выполнять при давлении ниже 1 Па, так как в этом случае существенно увеличивается длительность и снижается производительность процесса дезактивации металлических поверхностей.
При давлении выше 300 Па начинают существенно проявляться окислительные процессы поверхности изделий и на поверхности формируются значительные по толщине оксидные пленки, что в ряде случае недопустимо. Кроме того, при увеличении давления выше 300 Па уменьшается скорость движения катодных пятен по поверхности, что сказывается на длительности и производительности процесса дезактивации. При низких скоростях движения катодных пятен вакуумно-дугового разряда (вплоть до их остановки при высоких давлениях) может происходить существенное локальное оплавление поверхности, что приведет к нарушению процесса дезактивации, т.е. вплавлению радиоактивной пленки в материал поверхностного слоя изделия, и созданию дефектов на поверхности изделий.
Несмотря на то, что большая часть радиоактивного материала с дезактивируемой поверхности в предлагаемом способе дезактивации осаждается на поверхности анода, незначительная его часть осаждается на стенках вакуумной камеры и вместе с откачиваемыми из камеры газами может уноситься в откачную систему. Поэтому при осуществлении способа стенки вакуумной камеры целесообразно закрыть фольгой или другим пленочным материалом, а на выходе из камеры перед трубопроводом системы откачки установить фильтр (например фильтр из ткани Петрянова) для радиоактивных частиц из потока, уносимого в систему откачки. По мере накопления радиоактивных материалов на поверхности анода, на поверхности пленки, закрывающей стенки камеры, и в объеме фильтра их утилизируют как твердые радиоактивные отходы, не занимающие больших объемов в местах захоронения.
Результаты, полученные при реализации способа.
137
Д
Д
Для оценки коэффициента дезактивации использовались образцы из нержавеющей стали Х18Н10Т диаметром 24 мм и толщиной 0,75 мм с радиоактивной пленкой изотопа Cz на одной поверхности пластины. Образцы размещались в вакуумной камере на подставке, к которой подключался отрицательный полюс источника питания, в качестве которого использовался сварочный выпрямитель ВД-306. Положительный полюс источника питания подключался к аноду. В качестве анода использовался графитовый стержень диаметром 25 мм, торец которого устанавливался на расстоянии 1 см над образцом. Около образца на незначительном расстоянии устанавливался инициирующий электрод для зажигания вакуумно-дугового разряда. После закрытия вакуумной камеры из нее осуществлялась откачка воздуха. При достижении в камере давления около 10 Па включался сварочный выпрямитель и на электроды подавалось напряжение холостого хода около 80 В. При включении инициирующего электрода зажигался вакуумно-дуговой разряд с током 100 А. При этом падение напряжения на электродах составляло около 21 В. Исследования показали, что при времени обработки разрядом в течение 4 секунд, средний коэффициент дезактивации К составлял приблизительно величину 20000. Дополнительная обработка поверхности еще в течение 2 секунд приводила к полному удалению радионуклида с поверхности (К>100000). При дезактивации поверхности образцов в течение 2 секунд средний коэффициент дезактивации был на уровне 15000. Полученные результаты свидетельствуют о высоких скоростях дезактивации при высоких коэффициентах дезактивации.
Такой эффект обеспечивается за счет того, что нагрев поверхностного слоя изделия, локальное оплавление дезактивируемой поверхности, удаление радиоактивного материала производят в вакууме в диапазоне давлений от 1 Па до 300 Па за счет энергии, локализованной в перемещающихся по поверхности изделия катодных пятен вакуумно-дугового разряда, горящего между изделием, являющимся катодом, и анодом. Радиоактивные отходы осаждались преимущественно на аноде, частично на пленке или фольге, закрывающей стенки камеры, и на фильтре в камере перед трубопроводом откачной системы, которые со временем вынимаются из вакуумной камеры установки и утилизируются как твердые радиоактивные отходы. Процесс дезактивации, осуществляемый в закрытой вакуумной камере, безопасен для человека и окружающей среды.