СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ РАДИОАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF COLLECTING SAMPLES OF RADIOACTIVE MATERIALS AND APPARATUS THEREFOR

Изобретение относится к атомной промышленности, а именно к области специальной техники для безопасного проведения работ по отбору высокорадиоактивных, высокотоксичных и экологически вредных, в том числе твердых продуктов, например, из транспортных трубопроводов и герметичных камер, а именно к способу отбора проб высокорадиоактивных материалов - нерастворимых остатков после переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ) и устройству для его реализации.
Известны различные способы отбора проб материала, в том числе радиоактивного, например патент RU №2474900 (2013 г.), патент RU №2457459 (2012 г.), Евразийский патент №004462 (2003 г.) и другие. Так патент ЕПВ №004462 касается забора проб для анализа из технологического потока шлама, содержащего твердые частицы, путем двухэтапного забора. Патент RU №2457459 относится к способу отбора проб жидкости из трубопровода. В патенте RU №2474900 описан способ отбора проб радиоактивного осадка из емкостей-хранилищ.
В качестве прототипа заявителем выбран способ, известный из патента RU №2114410 (1998 г.).
Согласно известному способу в материал вводят цилиндр устройства для отбора проб под действием нагнетаемой в камеру давления текучей среды до тех пор, пока цилиндр не обопрется на поршень, осуществляют заполнение материалом цилиндра, нагнетают текучую среду под давлением в средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, извлекают из цилиндра отобранный материал, сдувают средства для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала и опускают внешний цилиндр на цилиндр для отбора проб. При этом в качестве текучей среды, нагнетаемой в камеру давления для перемещения цилиндра для отбора проб в материал и нагнетаемой в средство для перекрытия удерживаемого в цилиндре материала, используют газ под давлением, преимущественно сжатый воздух.
Известный способ характеризуется недостаточной надежностью, а также ограниченной областью функционального использования.
Известны различные устройства для отбора проб высокотоксичных и радиоактивных материалов.
Из патента RU №2477851 (2013 г.) известен бокс для отбора проб высокотоксичных материалов из герметичной камеры и пробоотборник. Однако указанное устройство не предназначено для надежной защиты персонала от радиоактивного излучения, т.е. взятие проб с его помощью сопровождается выполнением целого ряда ручных, продолжительных по времени и малопроизводительных операций, связанных с непосредственным контактом с отбираемыми пробами. Кроме того, устройство отличается конструктивной сложностью, что отрицательно сказывается на его работоспособности и надежности. Наконец, устройство мало пригодно для взятия проб из трубопроводов, так как кроме бокса требует монтажа на трубопроводе промежуточной герметичной камеры, что связано со значительными затратами.
Известно также устройство по патенту RU №2157009 (2000 г.), представляющее из себя контейнер для транспортировки и хранения радиоактивных материалов, содержащий герметичное перекрытие внутренней полости, выполненное в виде по меньшей мере двух съемных крышек, установленных одна над другой, и снабженный с внешней стороны глухим отверстием с установленной в нем дополнительной съемной крышкой, образующей полость, в которой размещены устройства для контроля герметичности. Данное устройство предназначено для транспортирования и хранения радиоактивных материалов, но непригодно для подсоединения к транспортному трубопроводу или к герметичной камере, содержащей высокотоксичные или радиоактивные материалы.
Возможность изъятия проб из трубопровода или герметичной камеры обеспечивает устройство по патенту RU №2114410 (1998 г.), однако из-за наличия в нем вытяжного канала и средства для перекрытия отобранного материала в виде эластичных мембран невозможно обеспечить необходимую герметичность полости для размещения изъятой пробы. Недостаток упомянутого устройства состоит также в конструктивной сложности, что отрицательно сказывается на его надежности.
Кроме того в а.с. СССР №603425 (1978 г.) описан лабораторный бокс, предназначенный для работы с высокотоксичными и радиоактивными веществами, который обеспечивает защиту рабочего персонала от вредных воздействий содержащихся в нем веществ.
В качестве прототипа заявителем выбрано устройство по а.с. СССР №1131800 (1984 г.).
Известное устройство представляет из себя двухходовой переключатель направления потока (переключатель трасс) пневматического транспортируемого материала, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями в днище и поворотный плунжер с дугообразным каналом, установленным на днище этого плунжера и предназначенным для соединения между собой отверстий в днище корпуса. Данное устройство широко используется в атомной промышленности и входит в состав работающей (действующей) системы импульсного пневмотранспорта для транспортировки высокорадиоактивных отходов - нерастворимых остатков после переработки ОЯТ и, в принципе, дает возможность доступа к транспортному трубопроводу при соблюдении требований герметичности и радиационной безопасности. Поэтому несмотря на то что данное устройство изначально не применялось для взятия проб из транспортного трубопровода, кроме выполнения функции переключения потока, оно после соответствующей доработки также может быть использовано и для отбора проб радиоактивных материалов. Из вышеуказанного следует, что известное устройство в таком качестве недостаточно надежно и имеет ограниченную область функционального использования.
Таким образом, недостатками известного способа и устройства являются низкая надежность и недостаточная область функционального использования.
Задачей, на решение которой направлены заявляемые изобретения, является повышение надежности и расширение функциональных возможностей.
Именно заявляемые конструктивные отличия, признаки устройства для отбора проб высокорадиоактивных материалов, позволяют реализовать заявляемый способ, тем самым обеспечивая достижение поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой единым изобретательским замыслом.
Для решения поставленной задачи сущность заявляемого способа состоит в том, что в отличие от известного способа, включающего заполнение отбираемым материалом емкости для отбора проб, например стакана, цилиндра и т.п., согласно изобретению отбор пробы в упомянутую емкость (стакан) осуществляют на участке транспортного трубопровода, содержащем устройство для переключения направления потока - переключатель трасс.
При этом емкость для отбора проб в процессе выполнения всех операций отбора постоянно изолирована от внешней среды, т.е. исключено проникновение из взятой пробы во внешнюю среду радиационных излучений. Отбор проб производят из подвижного в транспортном трубопроводе двухфазного (газ и остатки ОЯТ) потока. Транспортный трубопровод, из которого намечен пробоотбор, выключают из работы, размещают стакан пробоотборника в транспортном трубопроводе, затем включают в работу транспортный трубопровод, который выключают из работы после заполнения стакана пробоотборника подвижным в трубопроводе материалом - остатками ОЯТ. Таким образом, стакан заполняется при движении потока (сам). Затем перемещают упомянутый стакан в транспортный изолирующий контейнер и переносят вместе с ним на требуемое место. Размер транспортного контейнера, т.е. толщина его стенок, обусловлен необходимостью защиты. При этом в течение всего процесса пробоотбора отбираемая проба всегда находится в изолированном пространстве, чем обеспечивается полная биологическая защита персонала. После завершения процесса пробоотбора упомянутый трубопровод включают в работу.
Также для решения поставленной задачи, а именно для повышения надежности и расширения функциональных возможностей, в том числе обеспечения возможности отбора проб высокорадиоактивных материалов - нерастворимых остатков после переработки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), сущность заявляемого устройства состоит в том, что в отличие от известного устройства, содержащего герметично соединенный с транспортным трубопроводом корпус и установленный в нем с возможностью углового поворота плунжер, снабженный дугообразным каналом и уплотнительными элементами, согласно изобретению в корпусе плунжера неподвижно закреплен полый преимущественно вертикальный цилиндрический канал (труба). Нижний открытый торец данного канала по периметру герметично соединен с верхней боковой стенкой и постоянно сообщается с внутренней полостью другого, преимущественно наклонного полого канала прямоугольного сечения вблизи его нижнего открытого конца, по периметру контактирующего и герметично соединенного с боковой поверхностью дугообразного канала плунжера и постоянно сообщаемого с внутренней полостью последнего. Свободный верхний конец вышеупомянутого вертикального цилиндрического канала либо заглушен, либо входит в устанавливаемый над ним транспортный контейнер через нижнее днище последнего, при этом в транспортном контейнере размещен заборник, нижний конец которого снабжен стаканом для приема (отбора и т.п.) проб.
При этом выступающий наружу через крышку плунжера открытый верхний конец вертикального канала либо заглушен, либо по наружной боковой поверхности сопрягается с отверстием соответствующего размера в днище устанавливаемого на крышке транспортного контейнера. Выступающий наружу через крышку плунжера открытый верхний конец вертикального канала либо заглушен, либо по наружной боковой поверхности сопрягается с отверстием соответствующего размера в днище устанавливаемого на крышке транспортного контейнера, а выступающий из плунжера открытый конец наклонного канала снабжен съемной крышкой с ручным приводом поступательного перемещения подвижного в упомянутом канале и соответствующего ему по форме ползуна, в крайнем верхнем положении которого в наклонном канале проходное сечение вертикального канала свободно, а в крайнем нижнем положении ползуна вертикальный канал заперт боковой поверхностью последнего и, таким образом, изолирован от транспортного трубопровода.
Кроме того, в верхнем и нижнем днищах транспортного контейнера неподвижно закреплен перпендикулярный к ним полый цилиндрический канал контейнера, который во время взятия проб нижним концом сопряжен с боковой поверхностью выступающего из плунжера верхнего конца вышеупомянутого вертикального канала, являясь соосным продолжением последнего. В данном канале подвижно вдоль оси размещен заборник, выполненный в форме сопряженного с ним по боковой поверхности цилиндрического стержня. Верхний конец упомянутого заборника в его крайнем верхнем положении в канале через верхнее днище контейнера выступает наружу и посредством образованной на его боковой поверхности кольцевой канавки в указанном положении удерживается боковой поверхностью стопорной пластины, закрепленной в верхнем днище контейнера с возможностью поступательного перемещения в поперечном направлении относительно оси канала контейнера, причем в образованной в нижнем днище контейнера цилиндрической полости, параллельной и эксцентричной каналу контейнера, размещен с возможностью углового вращения равный ей по диаметру диск со сквозным эксцентричным, параллельным и по диаметру равным каналу контейнера отверстием, которое в одном угловом положении диска соосно с упомянутым каналом, а в другом положении смещено относительно канала таким образом, что проходное сечение последнего полностью перекрыто торцевыми поверхностями диска.
Следует отметить, что с целью исключения случайного углового поворота заборника при его перемещении по каналу контейнера и вертикальному каналу плунжера верхняя часть канала контейнера и сопряженный с ним верхний конец заборника выполнены эксцентрично соответствующим им нижним частям канала и заборника и по сравнению с последними имеют меньший диаметр.
Кроме того, нижний открытый конец вертикального канала через верхнюю стенку на заданную глубину входит внутрь герметичной камеры, где соединяется с пересекающимся с ним наклонным каналом, а верхний конец вертикального канала или заглушен или входит внутрь свободно установленного на верхней стенке камеры транспортного контейнера через его нижнее днище, при этом свободный верхний конец наклонного канала с содержащимся в нем ползуном выступает из камеры наружу через ее стенку, снабженную смотровым окном и фланцевыми перчатками.
Кроме того, с целью обеспечения возможности перемещения заборника из полого канала контейнера по вертикальному каналу плунжера к месту отбора пробы на верхнем торце заборника выполнен профилированный хвостовик, посредством которого находящийся в крайнем верхнем положении заборник образует неподвижное соединение со съемной цилиндрической штангой, диаметр которой по существу равен диаметру верхнего конца заборника и которая посредством образованной на ее верхнем конце кольцевой канавки удерживается вышеупомянутой стопорной пластиной контейнера в крайнем нижнем положении заборника во время отбора проб.
При этом на боковой поверхности диска, размещенного в нижнем днище контейнера, выполнены равномерно расположенные по окружности радиальные отверстия, по меньшей мере каждые два из которых при повороте диска на один угловой шаг находятся в пределах внутреннего контура сквозного окна, выполненного в контактирующей с диском боковой стенке контейнера.
Технический результат, который может быть получен в результате использования заявляемых изобретений, заключается в повышении надежности и расширении функциональных возможностей способа и устройства для отбора проб высокорадиоактивных материалов, в том числе нерастворимых остатков после переработки ОЯТ. Кроме того, изобретение может применяться для отбора высокотоксичных, экологически вредных и других тому подобных проб, обладающих различными физико-химическими свойствами.
Применение заявляемых способа отбора проб радиоактивных материалов - нерастворимых остатков после переработки ОЯТ и устройства для его реализации позволит расширить функциональные возможности с сохранением надежности системы импульсного пневмотранспорта (ИПТ), применяемой (используемой) в производстве, см. патент RU №2161830. Переключатель трасс - это единственное место в системе ИПТ, через которое возможен доступ к транспортному трубопроводу при соблюдении требований герметичности и радиационной безопасности.
Применение изобретения позволит контролировать есть ли потери, какие они, не уносим ли мы топливо в могильник и в каком количестве. Таким образом, применение изобретения позволит контролировать наличие топлива в транспортируемых остатках ОЯТ и его количество, что особенно важно при разработке топлива для АЭС и судовых реакторов.
Кроме того, в течение всего процесса пробоотбора отбираемая проба всегда находится в изолированном пространстве, чем обеспечивается полная биологическая защита персонала. Этим значительно улучшаются условия труда и техники безопасности.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показано заявляемое устройство (вид сверху), фиг.2 - разрез А-А устройства по оси дугообразного канала плунжера, фиг.3 - разрез В-В по нижнему днищу транспортного контейнера, фиг.4 - разрез Г-Г по оси выступающего из контейнера днища заборника; фиг.5 - разрез по оси заглушки верхнего конца вертикального канала.
Устройство состоит из установленного в корпусе переключателя (фиг.1) и закрепленного в нем с помощью проушин 1 и балок 2, 3 плунжера 4 (фиг.2), дугообразный канал 5 которого через отверстия в днище герметично с помощью прокладок 6, 7 соединен с транспортным трубопроводом, из которого предполагается отбор проб материала. В дугообразный канал 5 через отверстие в его боковой стенке входит и герметично закреплен в нем нижний конец вертикального цилиндрического канала 8. Верхний открытый конец указанного канала выступает из корпуса плунжера 4 наружу и герметично закреплен в его крышке. Вблизи нижнего конца в вертикальный канал 8 через его боковую стенку своим нижним открытым концом входит и герметично соединен с ним наклонный канал 9, размер которого в плане по меньшей мере одинаков с диаметром вертикального канала. Верхний открытый конец наклонного канала 9 выступает из корпуса плунжера 4 наружу и герметично закреплен в его крышке. Через верхний конец в наклонном канале 9 установлен соответствующий ему по форме и размерам ползун 10 с закрепленным в съемной крышке 11 приводом 12 поступательного перемещения ползуна 10. Выступающий из плунжера верхний конец вертикального канала 8 в нормальном положении герметично заглушен снабженной уплотнительными элементами 13 съемной крышкой 14 (фиг.5). Во время пробоотбора съемная крышка 14 удалена, верхний конец канала 8 охватывается отверстием нижнего днища транспортного контейнера 15 (фиг.2), с помощью центрирующего кольца 16 установленного и болтами 17 закрепленного на крышке плунжера 4. В верхнем и нижнем днищах корпуса контейнера неподвижно закреплен перпендикулярный днищам сквозной цилиндрический канал 18, в котором подвижно вдоль оси установлен заборник 19 в виде ступенчатого цилиндрического стержня, сопряженного с указанным каналом по боковой поверхности и на нижнем конце снабженного стаканом 20 для приема проб. В транспортном положении заборник 19 занимает в канале контейнера крайнее верхнее положение, при этом его верхний конец (фиг.4) через отверстие крышки 21 выступает из контейнера наружу и в указанном положении закреплен стопорной пластиной 22, входящей в кольцевую канавку 23 на верхнем конце заборника 19.
В расположенной в нижнем днище контейнера (фиг.3) цилиндрической полости, эксцентричной относительно канала, с возможностью углового вращения установлен цилиндрический диск 24 со сквозным эксцентричным отверстием, посредством которого канал контейнера с установленным в нем заборником перекрывается в транспортном положении и открывается во время пробоотбора. Поворот диска из одного положения в другое выполняется вручную посредством радиальных гнезд 25 (фиг.3), расположенных на боковой поверхности диска 24 равномерно по окружности. Для доступа к указанным гнездам служит противолежащее им окно 26, выполненное в боковой стенке контейнера.
На верхней торцевой поверхности заборника 19 выполнен фасонный хвостовик 27 (фиг.4), с помощью которого к заборнику 19 присоединяется съемная цилиндрическая штанга 28, обеспечивающая перемещение заборника 19 из контейнера к месту отбора пробы из транспортного трубопровода.
Для защиты производственного персонала от радиационного излучения внутренние полости ползуна 10, крышки 14, контейнера 15, заборника 19, крышки 21 и диска 24 залиты свинцом или заполнены свинцовой дробью, а корпус плунжера 4 заполнен водой.
Надежная герметизация транспортного трубопровода обеспечена за счет эластичных уплотнительных элементов.
Пример конкретного выполнения
Устройство работает следующим образом.
В рабочем режиме транспортирования ОЯТ пробоотбор не производится и заявляемое устройство фактически выполняет функцию переключателя транспортных трубопроводов - переключателя трасс. В указанном положении транспортный контейнер 15 с крышки плунжера 4 снят, выступающий из плунжера верхний конец вертикального канала 8 заглушен съемной крышкой 14. Расположенный в наклонном канале 9 ползун 10 занимает крайнее нижнее в канале 9 положение, своими боковыми поверхностями изолируя дугообразный канал 5 от вертикального канала 8.
Заборник 19 в канале контейнера 15 занимает крайнее верхнее положение и зафиксирован стопорной пластиной 22. Нижний конец канала 18 перекрыт торцевыми поверхностями диска 124. Контейнер 15 и съемная штанга 27 занимают установленные места в стороне от переключателя транспортных трубопроводов.
При подготовке заявляемого устройства к пробоотбору на верхний конец вертикального канала 8 вместо съемной крышки 14 грузоподъемным краном устанавливается транспортный контейнер 15 таким образом, что расположенное в нижнем днище выходное отверстие канала 18 контейнера снаружи охватывает боковую поверхность упомянутого верхнего конца. В результате образуется сквозной канал между верхней крышкой 21 контейнера и дугообразным каналом 5 плунжера 4.
На выступающий из контейнера фасонный хвостовик 26 заборника 19 нижним концом одевается и фиксируется на нем цилиндрическая штанга 27. Верхний конец штанги тросом соединяется с крюком грузоподъемного устройства. Транспортный трубопровод, из которого намечен пробоотбор, выключается из работы.
Пробоотбор связан с выполнением следующих операций.
Стопорная пластина 22 перемещается в положение «Открыто». В результате соединенный со штангой 27 заборник 19 освобождается и повисает на тросе грузоподъемного устройства. Расположенный в наклонном канале ползун 10 приводом 12 перемещается в крайнее верхнее положение, сообщая вертикальный канал 8 с трубопроводом, из которого намечен отбор пробы. Диск 24 поворачивается в положение «Открыто», сообщая с вертикальным каналом 8 канал 18 контейнера с расположенным в нем заборником 19. Грузоподъемным краном спускают стопорной пластиной 22, взаимодействующей со штангой 27, фиксируют заборник 19 в крайнем нижнем положении. В результате стакан 20 заборника располагается в транспортном трубопроводе вблизи его боковой стенки. После этого включают в работу транспортный трубопровод. Подвижный в трубопроводе материал заполняет стакан 20, транспортный трубопровод выключается из работы.
Освободив штангу 27 от сцепления со стопорной пластиной 22, грузоподъемным краном поднимают, а затем закрепляют заборник 19 с взятой пробой в крайнем верхнем положении в канале 18 контейнера. Поворачивая диск 24, перекрывают канал контейнера. Ползун 10 возвращают в крайнее нижнее положение, изолируя вертикальный канал 8 от дугообразного канала 5. Штанга 27 снимается с хвостовика 26 заборника 19 и грузоподъемным краном переносится на установленной место. Транспортный контейнер 15 освобождают от креплений на крышке плунжера 4 и переносят на установленное место. На выступающем из плунжера 4 верхнем конце вертикального канала 8 устанавливается и закрепляется съемная крышка 14. На этом процесс пробоотбора завершается и транспортный трубопровод включается в работу. Работа устройства продолжается в нормальном режиме.
Из описания устройства по изобретению следует, что конструктивные элементы, составляющие совокупность его отличительных признаков, позволяют надежно взять и доставить пробу из транспортного трубопровода в транспортный контейнер без непосредственного контакта с материалом. Наличие в устройстве ползуна, заборника, диска и съемной крышки позволяет практически полностью исключить утечку токсичных веществ и радиационного излучения в производственное помещение. Благодаря этому гарантируется высокая эффективность и полная безопасность работ, связанных с пробоотбором.
Применение заявляемых способа отбора проб радиоактивных материалов и устройства для его реализации позволит повысить надежность и расширить функциональные возможности с одновременным сохранением надежности всей системы импульсного пневмотранспорта, используемой в атомной промышленности для транспортирования нерастворимых остатков после переработки ОЯТ.