Испытания ультразвуковой установки для дезактивации металлических РАО

А. Е. Савкин, к.т.н., О. К. Карлина, к.х.н. (ГУП МосНПО «Радон»),
А. П. Васильев, к.ф-м.н., В. М. Малинкин, к.т.н. (МЦЭБ Минатома РФ),
Г. В. Дубинин, к.т.н. (ФГУП НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля),
Н. М. Лебедев, Б. А. Смирнов (ООО «Александра-Плюс»)

Для очистки металлических радиоактивных отходов (МРО) наиболее широко применяются жидкостные способы, заключающиеся в обработке металлических деталей различными дезактивирующими растворами, в том числе и в сочетании с другими методами интенсификации процесса. Одним из таких способов является дезактивация с использованием ультразвука.

Проблема очистки МРО

При выводе из эксплуатации атомных электростанций, ядерно-энергетических установок организаций Министерства обороны, оборудования научно-исследовательских учреждений и других объектов образуются металлические радиоактивные отходы, представляющие собой установки, изделия различных типов и отдельные фрагменты, загрязненные радиоактивными веществами. Объемы таких отходов весьма значительны. По разным экспертным оценкам, в мире накоплено 12,4 млн т металлических РАО, из которых примерно 2 млн т находятся в России. Уже сегодня большую проблему представляют собой десятки корабельных ядерных энергетических установок, требующих разделки и утилизации по мере вывода из эксплуатации.

Проблема заключается в том, что в России, кроме ЗАО «Экомет-С», нет специализированных предприятий, целенаправленно занимающихся переработкой металлических радиоактивных отходов. Кроме того, на многих объектах, где образуются металлические РАО, отсутствуют установки для их дезактивации и кондиционирования, в том числе вторичных радиоактивных отходов. Зачастую в местах нахождения МРО нет необходимой инженерной инфраструктуры для проведения дезактивации.

Насущная задача обеспечения радиоэкологической безопасности — разработка способа дезактивации металлических отходов, который можно было бы реализовать на предприятиях, имеющих большое количество таких РАО, но не располагающих средствами для их переработки.

Дезактивация радиоактивно загрязненных металлических поверхностей проводится, как правило, в технологических процессах для снижения мощности дозы от эксплуатируемого оборудования и обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Она осуществляется на штатном оборудовании, с использованием специальных дезактивирующих средств. Для металлических поверхностей применяется, как правило, жидкостная дезактивация.

Например, в пункте временного хранения РАО в губе Андреева, в результате деятельности ВМФ, скопилось много твердых радиоактивных отходов. В их числе металлический лом различного типа и размеров, в том числе крупногабаритные толстостенные изделия, чехлы для размещения отработавших тепловыделяющих сборок (ОТВС), подъемно-транспортные цепи и прочие отходы, находящиеся как на открытых площадках, так и в заглубленных хранилищах.

Дезактивация таких РАО на месте позволит направлять очищенные металлические изделия, в том числе из нержавеющей стали, на переплавку на специализированные предприятия и уменьшать объем РАО, подлежащих кондиционированию и долговременному хранению.

Рис. 1. Опытно-промышленная установка

Установка для ультразвуковой дезактивации

Международный центр экологической безопасности Росатома РФ и ООО «Александра-Плюс» разработали и изготовили «Опытно-промышленную установку для ультразвуковой дезактивации металлических изделий сложной геометрии модели МО-42» (рис. 1). Основные узлы установки — ванна для дезактивации, баки для подготовки дезактивирующего раствора и воды, электрошкаф с ультразвуковыми генераторами.

На ГУП МосНПО «Радон» были проведены испытания этой установки, чтобы оценить возможность ее использования для дезактивации чехлов для размещения ОТВС, находящихся в пункте временного хранения в губе Андреева.

Такие чехлы представляют собой конструкцию из труб различного диаметра (не превышающего 0,242 м) и длиной от 2,35 до 3,06 м, собранных в сборку по семь штук. В качестве металлических радиоактивных отходов, в первую очередь, рассматривались чехлы для размещения ОТВС типов 22, 22М, 24 и 24М, загрязненные радионуклидами 137Cs и 90Sr. Объектами для испытаний выбрали фрагмент чехла из семи труб длиной примерно 0,6 м и нержавеющие трубы диаметром 0,088 м и длиной 0,2—0,8 м.

Основная проблема при подготовке к испытаниям состояла в моделировании реального радиоактивного загрязнения фрагментов чехлов для ОТВС. Для испытаний использовали кубовый остаток Калининской АЭС и растворы изотопов 137Cs и 90Sr в смеси с сильными минеральными кислотами. Экспериментально было определено, что раствор изотопов 137Cs и 90Sr в соляной кислоте при воздействии на загрязняемую поверхность в течение более 40 часов обеспечивает образование на ней снимаемого и фиксированного загрязнения, причем доля фиксированного загрязнения превышает 20 %.

На рис. 2 показан внешний вид образцов нержавеющих труб и фрагмента чехла, подвергнутых обработке с целью закрепления на них радиоактивного загрязнения.

На нержавеющих трубах были отработаны режимы работы установки и определены оптимальные составы дезактивирующих растворов. Использовались кислые и щелочные водные растворы моющих средств с добавками комплексонов и ингибиторов коррозии. Температура дезактивирующего раствора — комнатная, 40 и 50°C. Время обработки: 2—20 минут.

Результаты испытаний

Эксперименты показали, что использование ультразвука в сочетании с обработкой загрязненных образцов дезактивирующими растворами существенно повышает эффективность очистки (см. таблицу). Причем увеличение продолжительности обработки до 20 минут, а температуры — от комнатной до 50°C также способствует повышению степени дезактивации металла.

Результаты испытаний установки на образцах труб
Дезактивирующий раствор Коэффициент дезактивации
Без УЗ УЗ
Техническая вода 3—5 20—30
0,5% NaOH + ЭДТА 4—8 10—28
0,5% H2SO4 + стиральный порошок 25—30 50—300
ТМС ДТ (1:20 с водой) 28—40 60—250

Ультразвуковая дезактивация искусственно загрязненных металлических отходов в кислых растворах оказалась достаточно эффективна в отношении радионуклидов цезия и стронция. Коэффициент дезактивации нержавеющих труб (при различных условиях и режимах обработки) составил 20—1000, фрагмента чехла для размещения ОТВС — 90—500.

Рис. 2. Трубы (а) и фрагмент чехла ОТВС (б) до дезактивации
Рис. 3. Трубы (а) и фрагмент чехла ОТВС (б) после дезактивации

На рис. 3 представлены нержавеющие трубы и фрагмент чехла после дезактивации. Видно, что с поверхности образцов полностью удалена оксидная пленка, образовавшаяся при их обработке солянокислым раствором изотопов 137Cs и 90Sr.

Таким образом, результаты экспериментов, полученные при ультразвуковой дезактивации искусственно загрязненных металлических труб и фрагмента чехла для ОТВС на установке ультразвуковой дезактивации, можно оценить как позитивные.

В ходе испытаний оптимизированы составы дезактивирующих растворов и режимы ультразвуковой обработки образцов, решена проблема пенообразования. Выяснили оптимальные размеры фрагментов чехлов для ОТВС, подлежащих очистке.

Определены направления усовершенствования конструкции установки. Предложенное изменение конструкции узла загрузки ускорит и упростит размещение дезактивируемых образцов, расширит их ассортимент и повысит радиационную безопасность обслуживающего персонала.

Предложен порядок подготовки металлических отходов к дезактивации, определяющий последовательность проведения дозиметрических и радиометрических измерений с целью оценки соотношения видов загрязнения и дозовых нагрузок на персонал.

Полученные результаты можно рассматривать как первый шаг на пути создания автономной установки, позволяющей дезактивировать металлические отходы, в том числе изделия сложной формы из нержавеющей стали.

По результатам работы предложено провести испытания на «реальных» отходах — загрязненных фрагментах чехлов для ОТВС в пункте временного хранения радиоактивных отходов в губе Андреева. При положительном результате испытаний установка будет дополнена узлом кондиционирования вторичных радиоактивных отходов.