СПОСОБ ДЕЗАКТИВАЦИИ РАДИОАКТИВНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
METHOD TO DECONTAMINATE RADIOACTIVE METAL WASTES

Изобретение относится к области обработки радиоактивных металлических отходов (РМО) с целью удаления с их поверхности твердых радиоактивных отложений и может найти применение для дезактивации РМО нержавеющих сталей, образующихся при ремонте или демонтаже оборудования, трубопроводов и металлоконструкций АЭС исследовательских, экспериментальных и транспортных реакторов, а также для очистки металлических поверхностей от окалины, накипи и других посторонних отложений.
Из литературы известно, что в зависимости от физико-химических процессов загрязнение может быть адгезионным, поверхностным и глубинным. Адгезионное загрязнение эквивалентно нефиксированному загрязнению и легко удаляется, например, струей воды. А поверхностное и глубинное соответствуют слабофиксированному и прочнофиксированному соответственно.
Для дезактивации нержавеющих сталей часто применяют химические методы. При этом процессы химической дезактивации подразделяются на «мягкие» методы, в которых используются разбавленные растворы дезактивирующих реагентов, с концентрацией около 1 мас.% и «жесткие» - с высокой концентрацией, до 15 мас.% «Мягкие» методы, не вызывающие потерь металла, пригодны для периодической обработки работающего оборудования. «Жесткие» методы характеризуются более высокими коэффициентами очистки, могут сопровождаться потерями металла и применяются для дезактивации металлических отходов (Ж. Атомная техника за рубежом. №7, 8, 2007 г.).
Для усиления эффективности химических методов дезактивации на очищаемую поверхность может подаваться электрический потенциал, обеспечивающий электрохимическую дезактивацию.
Известен способ химической дезактивации РМО нержавеющих сталей (А.с. №1783585, МПК G21F 9/34, 1992 г.). Сущность способа заключается в том, что обработку загрязненной поверхности производят в две стадии: на первой стадии - раствором, содержащим 100÷250 г/л тетрафторборной кислоты (ТФБК) при температуре 70÷90°С, а на второй стадии поверхность РМО обрабатывают в окислительном растворе при рН >0,5÷2,0, используя перекись водорода или азотную кислоту. При этом если используется перекись водорода, ее концентрация должна быть в пределах 5÷50 г/л и иметь подкисляющую добавку в виде серной кислоты или ТФБК. Азотная кислота должна быть с концентрацией 10÷100 г/л.
Недостатками данного способа дезактивации являются:
- необходимость использования дорогих реагентов повышенной концентрации;
- химическая опасность;
- сложность реализации.
Известен также способ электрохимической дезактивации РМО сталей в растворах хлоридов щелочных металлов (японская заявка №57-76500 МПК G21F 9/28, заявл. 30.10.1980). Сущность данного способа заключается в анодной обработке загрязненной поверхности в электролите, которым является 10% раствор натрия хлорида. В этих условиях радионуклиды концентрируются в образующемся осадке в виде нерастворимых окисей и гидроокисей, а слаборадиоактивный раствор после очистки может использоваться повторно. Таким образом, количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО) значительно снижается.
Несмотря на привлекательность данного способа, в наших условиях он оказался неэффективным (табл.1). Причина здесь, скорее всего, в том, что удаляемое загрязнение является полиоксидным (табл.2) и прочнофиксированным.
Таблица 1
Результаты дезактивации образца нержавеющей стали в растворе натрия хлорида по методу-аналогу
№ опыта
Концентрация электролита (г/л)
Время электролиза (мин)
Плотность тока (А/м<sup>2</sup>)
Загрязненность поβ-частицам, <img file="00000001.tif" he="10" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />,(β-част/(см<sup>2</sup>·мин))
Режим
1
40
60
1200
<img file="00000002.tif" he="10" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
Катодный
2
40
60
1000
<img file="00000003.tif" he="10" wi="14" img-content="undefined" img-format="tif" />
Анодный
Таблица 2
Состав полиоксидного прочнофиксированного отложения на поверхности нержавеющей стали
Содержание, %
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
MgOCaO
NiO
SiO<sub>2</sub>
SO<sub>4</sub> <sup>-2</sup>
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
Потери при прокаливании
17,0
15,2
0,8
0,03
21,8
2,1
19,1
23,4
3
4
2
3
2
4
2
3
Известен метод удаления радиоактивных загрязнений с поверхности металлов (патент США №4481089 от 06.11.1984) (прототип). Авторами данного метода показано, что путем циклической анодно-катодной обработки очищаемой поверхности металла, с его поверхности эффективно удаляются оксиды железа (FeO, FeO, FeO), содержащие радионуклиды. Электрохимическая очистка проводится в растворах нейтральных солей (NaCl, KCl, NaSO). При этом на стадии катодной обработки происходит восстановление трехвалентного железа до железа двухвалентного (FeO→FeO), что способствует разрыхлению удаляемой пленки и увеличению ее проницаемости. На анодной стадии оксидная пленка железа удаляется в силу электроокисления «базового» металла.
Недостатками описанного выше метода являются:
2
1. Значительные энергозатраты - способ осуществляют при плотности тока 5 000 А/м, напряжении ±5 В и длительности процесса 20÷30 мин. Кроме того, исследования, проведенные авторами по методу-прототипу, показали, что применение больших плотностей тока при длительной обработке в условиях неравномерной толщины пленки оксидного загрязнения приводит к неравномерному его удалению и образованию на поверхности металла глубоких дефектов - каверн.
2
2. В качестве вспомогательного электрода используется графит, не загрязняющий межэлектродное пространство при длительной обработке (20÷30 мин). Однако когда электролитом является раствор NaCl, в анодном цикле обработки на графите выделяется опасный газ (Cl).
3. Дополнительные затраты на систему средств контроля для обеспечения заданной цикличности катодно-анодной обработки.
Задача, решаемая изобретением, - разработка наиболее эффективного, сравнительно недорогого и безопасного метода дезактивации РМО нержавеющих сталей от полиоксидных прочнофиксированных радиоактивных загрязнений, обеспечивающего возможность повторного использования «отмытой» стали.
Поставленная задача решается тем, что в способе дезактивации радиоактивных металлических отходов, включающем контактирование металлических отходов с водным раствором хлорида натрия и их электрохимическую дезактивацию в этом же растворе в анодном режиме, электрохимической дезактивации в растворе хлорида натрия подвергают отходы, предварительно выдержанные в этом растворе в течение 50÷100 часов, после электрохимической дезактивации в растворе хлорида натрия отходы выдерживают в течение 50÷100 часов в водном растворе кислоты, выбранной из группы: серная кислота, ортофосфорная кислота, азотная кислота или в водном растворе смеси ортофосфорной, азотной и угольной кислот, с последующей электрохимической дезактивацией соответственно в том же растворе в анодном режиме.
2
2
2
Кроме того, поставленная задача достигается также дополнительными техническими решениями, заключающимися в том, что используют водный раствор хлорида натрия с концентрацией 4÷7 мас.%; что в качестве водного раствора кислоты используют раствор серной кислоты с концентрацией 3÷6 мас.%; что в качестве водного раствора кислоты используют раствор ортофосфорной кислоты с концентрацией 3÷6 мас.%; что используют смесь ортофосфорной, азотной и угольной кислот концентрации 100 г/л, 50 г/л и 20 г/л соответственно; что в качестве водного раствора кислоты используют раствор азотной кислоты с концентрацией 3÷6 мас.%; что электрохимическую дезактивацию в водном растворе хлорида натрия ведут в течение 10÷15 мин при плотности тока 600÷1000 А/м; что электрохимическую дезактивацию в водном растворе кислоты или смеси кислот ведут в течение 10÷15 мин при плотности тока 600÷1000 А/м; что отходы после электрохимической дезактивации в растворе серной кислоты выдерживают в азотной кислоте с концентрацией 3÷6 мас.% в течение 50÷100 часов, после чего проводят электрохимическую дезактивацию в этом растворе кислоты/ в течение 10÷15 мин при плотности тока 600÷1000 А/м в анодном режиме.
Для осуществления способа используют многостадийную химическую дезактивацию с наложением положительного электрического потенциала на обрабатываемую поверхность, при этом в качестве катода используют сталь.
В результате проведенных исследований определяют условия заявляемого способа, составляющие его отличительные признаки:
1) выбор растворов, обеспечивающих эффективную дезактивацию;
2) число стадий дезактивации и порядок их следования;
3) была найдена необходимость на каждой стадии дезактивации проводить комбинированную обработку стали, вначале химическую, а после электрохимическую, различающиеся по времени.
В результате в качестве дезактивирующих растворов были взяты:
а) 4÷7 мас.% раствор хлорида натрия;
б) 3÷6 мас.% раствор серной кислоты;
в) 3÷6 мас.% раствор ортофосфорной кислоты;
д) 3÷6 мас.% раствор азотной кислоты;
3
4
3
2
2
4
г) раствор смеси кислот: 100 г/л HPO+50 г/л HNO+20 г/л HCO.
На первой стадии дезактивации испытуемый образец нержавеющей стали подвергают комбинированной обработке в растворе натрия хлорида.
На второй стадии дезактивации образец нержавеющей стали подвергают комбинированной обработке в серной кислоте, либо ортофосфорной кислоте, либо азотной кислоте, либо смеси кислот.
Третья стадия дезактивации требуется после комбинированной обработки в серной кислоте, когда необходимая степень дезактивации еще не достигнута. В этом случае используется азотная кислота.
Число стадий дезактивации может определяться числом оксидов, дающих основной вклад в полиоксидное загрязнение.
2
Сущность предлагаемой комбинированной обработки, которая проводится на каждой стадии дезактивации, заключается в том, что вначале образец загрязненной стали обрабатывают химически (выдерживают) в подготовленном растворе длительное время (50÷100 часов), достаточное для попадания раствора в поры полиоксидной пленки и к поверхности металла, а последующая электрохимическая обработка стали проводится в течение непродолжительного времени (10÷15 минут) при плотности тока 600÷1000 А/м в анодном режиме. При этом вспомогательным электродом (катодом) могут служить такие же образцы дезактивируемой стали. Предварительная выдержка повышает эффективность электрохимической дезактивации, вследствие чего полиоксидное отложение, содержащее радионуклиды, эффективно удаляется с поверхности нержавеющей стали (табл.3, 4, 5, 6, 7).
Таблица 3
Результаты дезактивации РМО 3-стадийным способом без предварительной выдержки
Образец 1
Образец 2
Исходное загрязнение, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
6200
7300
Загрязнение после электрохимической дезактивации в растворе NaCl (7 мас.%) в течение 15 минут, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
5200
4450
Загрязнение после электрохимической дезактивации в растворе H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> (3 мас.%) в течение 15 минут, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
2400
2120
Загрязнение после электрохимической дезактивации в растворе HNO<sub>3</sub> (3 мас.%) в течение 15 минут, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
400
660
Таблица 4
Результаты дезактивации РМО предлагаемым способом с выдержкой 50 часов в электролите на каждой стадии
Образец 1
Образец 2
Исходное загрязнение, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
5900
8200
Загрязнение после предварительной выдержки в течение 50 час в растворе NaCl (7 мас.%) и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 15 мин, (β-част./см<sup>2</sup>·мин))
4420
3770
Загрязнение после предварительной выдержки в течение 50 час в растворе H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub> (3 мас.%) и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 15 мин, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
240
490
Загрязнение после предварительной выдержки в течение 50 часов в растворе HNO<sub>3</sub> (3 мас.%) и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 15 мин, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
29
20
Таблица 5
Результаты дезактивации РМО предлагаемым способом с выдержкой 96 часов в кислоте H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>
Исходное загрязнение, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
2160
Загрязнение после предварительной выдержки в растворе NaCl (7 мас.%) в течение 96 часов и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 15 мин, при плотности тока 1000 А/м<sup>2</sup>, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
490
Загрязнение после предварительной выдержки в растворе 3 мас.% H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub> в течение 96 часов и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 10 мин, при плотности тока 600 А/м<sup>2</sup>, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
24
Таблица 6
Результаты дезактивации РМО предлагаемым способом с выдержкой 100 часов в смеси кислот 100 г/л H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>+50 г/л HNO<sub>3</sub>+20 г/л H<sub>2</sub>C<sub>2</sub>O<sub>4</sub>
Исходное загрязнение, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
2430
Загрязнение после предварительной выдержки в растворе 7 мас.% NaCl в течение 100 часов и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 15 мин при плотности тока 1000 А/м<sup>2</sup>, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
460
Загрязнение после предварительной выдержки в растворе смеси кислот в смеси кислот 100 г/л H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>+50 г/л HNO<sub>3</sub>+20 г/л H<sub>2</sub>C<sub>2</sub>O<sub>4</sub> в течение 100 часов и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 10 мин при плотности тока 600 А/м<sup>2</sup>, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
50
Таблица 7
Результаты дезактивации РМО предлагаемым способом с выдержкой 96 часов в HNO<sub>3</sub>
Исходное загрязнение, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
2600
Загрязнение после предварительной выдержки в растворе 7 мас.% растворе NaCl в течение 96 часов и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 15 мин при плотности тока 1000 А/м<sup>2</sup>, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
490
Загрязнение после предварительной выдержки в растворе 3 мас.% HNO<sub>3</sub> в течение 96 часов и последующей электрохимической дезактивации в этом растворе в течение 10 мин при плотности тока 1000 А/м<sup>2</sup>, (β-част./(см<sup>2</sup>·мин))
40
2
Во всех приведенных в приложениях примерах образцы дезактивируемой стали являлись анодом, а катодом служили такие же образцы стали. Плотность тока составляла 600÷1000 А/м, время электролиза 10÷15 минут.
Использование предлагаемого способа обеспечивает уменьшение радиоактивного загрязнения нержавеющей стали до уровня, позволяющего обеспечить повторное использование стали в промышленности. Эффективность способа обеспечивается при невысоких энергозатратах и использовании сравнительно низких концентраций электролитов.