Универсальный промышленный комплекс для дезактивации металлических радиоактивных отходов с использованием ультразвука и электрохимии

Доклад на IV Международной научно-технической конференции «Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики» (МНТК НИКИЭТ — 2016), Москва, НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля, 27—30 сентября 2016 г.

Лебедев Н. М., Арефьева А. Н. (ООО «Александра-Плюс», Вологда, Россия),
Васильев А. П., Дубинин Г. В. (АО «НИКИЭТ», Москва, Россия),
Доильницын В. А., Акатов А. А. (СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург, Россия)

Старение мирового реакторного парка ставит задачу по реализации крупномасштабных программ вывода из эксплуатации выработавших свой ресурс ядерных энергоблоков. При этом на первый план выступают экономические вопросы, поскольку, как показала практика, затраты на вывод из эксплуатации ядерного энергоблока могут быть сопоставимы с расходами на его сооружение. При выводе из эксплуатации подобного объекта существенная экономия средств может быть достигнута путем применения высокоэффективных и малоотходных технологий дезактивации радиоактивно загрязненных материалов. Это заключение в полной мере относится к проведению процессов дезактивации оборудования и трубопроводов реакторного контура, изготовленных из высоколегированных сплавов. Их глубокая дезактивация позволит не только достичь существенной экономии средств, направляемых на окончательную изоляцию радиоактивных отходов, но и вернуть металл в промышленное использование. К сожалению, существующие способы дезактивации либо недостаточно эффективны в отношении прочнофиксированных («застаревших») загрязнений, либо связаны с образованием больших объемов вторичных отходов, либо не обладают необходимой производительностью. Для решения этих проблем необходимо использовать приемы интенсификации процесса дезактивации, которые должны быть не только эффективными, но и экономичными, технологичными и безопасными. Иными словами, способ дезактивации должен за разумно короткое время обеспечивать высокие коэффициенты дезактивации при условии образования минимального количества вторичных радиоактивных отходов, легко поддающихся кондиционированию.

Практический опыт разработки и изготовления установок для ультразвуковой дезактивации предприятия «Александра-Плюс» продемонстрировал эффективность данной технологии и изготовленного для ее реализации оборудования.

В 2007 году ООО «Александра-Плюс» совместно с АО «НИКИЭТ» была разработана опытно-промышленная установка для ультразвуковой дезактивации металлических изделий сложной геометрии модели МО-42. Оборудование было успешно опробовано на искусственно загрязненных металлических отходах в ГУП МосНПО «Радон», после чего прошло испытания. Во время опытно-промышленной эксплуатации в губе Андреева с помощью установки МО-42 обработали около 10 м³ металлических РАО. В процессе работы была продемонстрирована возможность дезактивации до фоновых значений фрагментов чехлов для размещения ОТВС из нержавеющей стали, имеющих суммарное β-загрязнение свыше 300 Бк/см². Объем кондиционированных РАО уменьшился более чем в 30 раз по сравнению со стандартной технологией. Предварительный расчет себестоимости дезактивации радиоактивно загрязненных металлических отходов по ценам 2007 года составил не более 15 рублей за килограмм. В расчет были включены полные затраты на ультразвуковую дезактивацию и кондиционирование РАО. Данный оценочный расчет показал, что дезактивация с помощью ультразвуковой установки является рентабельной; более того — сокращение объема кондиционированных РАО при этом значительно снижает расходы на дорогостоящее долговременное хранение и захоронение[1][2].

Следующим этапом в данном направлении стала совместная работа ООО «Александра-Плюс» и АО «НИКИЭТ», в результате которой был спроектирован и изготовлен опытный погружной модуль НО-145 для ультразвуковой дезактивации ТРО. Он был предназначен для удаления с поверхности металлических изделий радиоактивных загрязнений и продуктов коррозии, образующихся при разделке отработавшего ядерного топлива реакторов АМБ на Белоярской АЭС. Апробация опытного модуля проводилась в условиях, максимально приближенных к реальным: с его помощью дезактивировали фрагменты чехловых труб кассет К-17у. Результаты испытаний показали, что скорость дезактивации при применении ультразвука возрастает в 20—50 раз (рис. 1, 2). Достигнутые значения удельных активностей образцов чехловой трубы при ультразвуковой дезактивации позволяют не только перевести их из категории «среднеактивных» в категорию «низкоактивных» ТРО, но и достичь значений, позволяющих вывести их из категории ТРО.

Рис. 1. Изменение удельной активности МРО с ультразвуковой обработкой и без ультразвуковой обработки в одном дезактивирующем растворе
Рис. 2 Фрагменты чехловых труб до и после дезактивации

В 2008 году в рамках федеральной целевой программы «Ядерная и радиационная безопасность России» предприятием «Александра-Плюс» был разработан, изготовлен и поставлен в АО «ВНИИНМ» комплект оборудования ультразвуковой дезактивации металлических поверхностей модели МО-128 (рис. 3). В процессе эксплуатации подтверждена эффективность дезактивации изделий, фрагментов и узлов технологического оборудования путем их ультразвуковой обработки в ванне с дезактивирующими растворами[3]. В данной установке предусмотрены опции дополнительной очисткой струями низкого и высокого давления, а также нагрев и фильтрация рабочего раствора.

Рис. 3. Комплект оборудования ультразвуковой дезактивации металлических поверхностей МО-128

В 2011 году для Калининской АЭС была разработана ванна ультразвуковой дезактивации модели МО-152 объемом 2,2 м³. Оборудование было установлено в цехе дезактивации для промывки трубопроводов, арматуры, оборудования, других металлических изделий от радиоактивных загрязнений, масляных отложений, нагара. Высокое качество дезактивации в ультразвуковой ванне подтверждено в процессе интенсивной промышленной эксплуатации в двухсменном режиме.

В 2012 году для решения специальной задачи — дезактивации оболочек твэлов была изготовлена установка модели МО-174, совмещающая ультразвуковую и электрохимическую обработку. Во время эксплуатации оборудования получены достаточно высокие степени дезактивации оболочек твэлов от поверхностного альфа-загрязнения: при исходной загрязненности труб около 17 Бк/см² достигнуты значения не выше 0,08 Бк/см². Эксплуатация этой установки в течение нескольких лет в двусменном режиме подтвердила высокую надежность оборудования.

В 2014 году предприятием «Александра-Плюс» были созданы две установки ультразвуковой жидкостной дезактивации крупногабаритных изделий: установка МО-304 (рис. 4), предназначенная для дезактивации имитаторов фрагментов пеналов АМБ и других крупногабаритных фрагментов оборудования, загрязненного альфа- и бета-радионуклидами, и установка МО-332 (рис. 5), предназначенная для ультразвуковой дезактивации крупногабаритных металлических изделий от поверхностных радиоактивных и коррозионных загрязнений. В установке МО-304 предусмотрено использование дополнительного вставного блока ультразвуковых излучателей для проведения дезактивации цилиндрических фрагментов.

Рис. 4. Установка ультразвуковой жидкостной дезактивации модели МО-304
Рис. 5. Установка ультразвуковой жидкостной дезактивации модели МО-332

В 2015 году по заказу филиала АО «Концерн Росэнергоатом» «Опытно-демонстрационный инженерный центр по выводу из эксплуатации» НВАЭС изготовлена установка ультразвуковой дезактивации модели МО-382 для обработки крупногабаритных изделий (рис. 6). Запуск оборудования запланирован на 2016 год. В этом же году для ФГУП «ПО «Маяк» изготовлены две установки модели НО-369 для ультразвуковой отмывки радионуклидных источников и две ванны дезактивации для ООО ПК ПВП «Деймос ЛТД».

Рис. 6. Установка ультразвуковой жидкостной дезактивации модели МО-382

Накопленный опыт промышленной эксплуатации оборудования подтвердил высокую эффективность ультразвуковой дезактивации МРО и позволил приступить к разработке технологии и оборудования для достижения более высоких результатов.

В 2015 году на базе СПбГТИ(ТУ) с применением оборудования компании «Александра-Плюс» была проведена научно-исследовательская работа, направленная на углубленное исследование сочетанной ультразвуковой и электрохимической (УЗ-ЭХ) дезактивации. В ходе работы было выполнено большое количество испытаний, при которых дезактивацию металла проводили электрохимическим методом с одновременным воздействием ультразвуковых колебаний. Результаты экспериментов в очередной раз подтвердили преимущества совмещения электрохимической и ультразвуковой обработки. Выявлен резкий рост коэффициента дезактивации, высокая скорость процесса, максимально полное удаление поверхностного загрязнения, экономическая эффективность (рис. 7). При этом оказалось возможным использование простых по составу растворов малых концентраций, что позволяет сократить объемы вторичных РАО. Например, для проведения высокоэффективной совмещенной ультразвуковой и электрохимической обработки сталей и других металлов были рекомендованы растворы серной кислоты, использование которых допускает возвращение значительной части воды в дезактивационный цикл после отделения от нее соединений, хорошо включаемых в цементную матрицу.

Рис. 7. Результаты однованной дезактивации образцов из нержавеющей стали в растворе H2SO4 с концентрацией 10 г/л

На основании полученных результатов компанией «Александра-Плюс» была разработана комплексная установка дезактивации твердых радиоактивных отходов и кондиционирования образующихся жидких радиоактивных отходов. Комплексная установка включает в себя несколько ультразвуковых ванн, одна из которых оборудована узлом электрохимической обработки. Также в состав комплекса включено оборудование для ополаскивания и сушки дезактивируемых узлов и деталей. Предусмотрен узел кондиционирования жидких радиоактивных отходов. Оборудование универсально по отношению к удаляемым радионуклидам и материалам дезактивируемых поверхностей. Материалы, применяемые для изготовления оборудования, являются легко дезактивируемыми и стойкими к воздействию дезактивирующих рецептур. Благодаря автоматизации процесса оборудование обеспечивает минимальный контакт персонала с радиоактивными загрязнениями. Предусмотрена возможность комплектования оборудования различными технологическими модулями в зависимости от его назначения, либо как отдельного производственного объекта, либо в составе уже имеющихся дезактивационных подразделений, например, цехов и участков дезактивации атомных станций.

Список литературы

  1. ^ Н. М. Лебедев, А. Е. Савкин, О. К. Карлина, А. П. Васильев, В. М. Малинкин, Г. В. Дубинин, Б. А. Смирнов. Испытания ультразвуковой установки для дезактивации металлических РАО. Безопасность окружающей среды, 2007. — № 3. — с. 38—41.
  2. ^ А. Е. Савкин, О. К. Карлина, А. П. Васильев. Ультразвуковая дезактивация чехлов для ОЯТ. Безопасность окружающей среды, 2010. — № 1. — с. 116—119.
  3. ^ М. А. Черников, Д. В. Утробин, М. А. Фелицын. Малоотходные технологии дезактивации радиационно загрязненных поверхностей. Безопасность ядерных технологий и окружающей среды, 2011. — №3. — с. 98—101.