Опыт применения технологии и оборудования ультразвуковой дезактивации ТРО при выводе из эксплуатации энергоблоков АЭС

Доклад на IX Международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики» (МНТК-2014), Москва, 21—23 мая 2014 г.

Диплом МНТК-2014

Лебедев Н. М., Красильников Д. А., Арефьева А. Н., Жирнова Т. И. (ООО «Александра-Плюс», г. Вологда)

Васильев А. П., Дубинин Г. В. (ОАО «НИКИЭТ», г. Москва)

Савкин А. Е. (ФГУП «РАДОН», г. Сергиев Посад)

Доильницын В. А., Акатов А. А. (СПбГТИ (ТУ), г. Санкт-Петербург)

Иванов Н. В., Герасимов Р. А. (Калининская АЭС, г. Удомля)

Производство электрической энергии на энергоблоках атомных электрических станций является основной задачей ядерного топливного цикла. При эксплуатации энергоблоков, в частности, при проведении ремонтных и профилактических работ, образуется значительное количество металлических радиоактивных отходов (МРО). Для их дезактивации используют различные варианты окислительно-восстановительного двухванного химического способа дезактивации[1] с переработкой образующихся жидких радиоактивных отходов (отработавших дезактивирующих растворов и промывных вод) дистилляционным методом с последующим хранением и кондиционированием высокосолевых кубовых остатков, образующихся при выпарке ЖРО.

В связи с выработкой эксплуатационного ресурса энергоблоков АЭС и выводом их из эксплуатации, проблемы, связанные с дезактивацией оборудования и освобождением хранилищ ЖРО, многократно возрастают. Количество металлических радиоактивных отходов (МРО), образующихся при выводе из эксплуатации одного энергоблока АЭС, находится в диапазоне от 8 до 15 тысяч тонн. Например, при снятии с эксплуатации блока ВВЭР-440, объем МРО составляет 8—10 тысяч тонн, а для РБМК-1000 ожидаемый объем МРО составляет 10—14 тысяч тонн.

Металлические отходы, образующиеся при демонтаже трубопроводов, арматуры и т. п., относятся к средне- и низкоактивным. Их радиоактивность определяется, в основном, активированными продуктами коррозии. Удельная активность МРО составляет от 1×10-8 до 1×10-4 Ки/кг.

Нормативные документы, принятые в последние годы, устанавливают настолько высокие тарифы захоронения отходов, что делает экономически неразрешимой задачу прямого захоронения всех РАО без предварительной их дезактивации, снижения категории активности или уменьшения их количества. Также представляет существенный экономический интерес повторное использование высококачественного металла после проведения его дезактивации до допустимых значений активности.

Проблемы транспортировки радиоактивных отходов добавляют свои специфические задачи, повышающие актуальность дезактивации крупногабаритных узлов энергоблоков АЭС для исключения их перевозок на площадки длительного хранения и захоронения.

Подавляющее большинство МРО, образующихся на энергоблоках атомных станций, имеют поверхностные загрязнения. Как правило, поверхностная коррозионная пленка, содержащая радионуклиды, не превышает величину 150—200 мкм. Кроме этого, небольшая часть радионуклидов, вследствие диффузионных процессов, может проникать в кристаллическую решетку металлической подложки на несколько микрон. Удаление пленки продуктов коррозии с поверхности металла позволит существенно снизить его радиоактивность и позволит направить металл на вторичное использование или вторичную утилизацию.

Учитывая вышеизложенное, можно с уверенностью утверждать, что задача интенсификации технологических процессов дезактивации МРО является ключевой не только при обеспечении вывода из эксплуатации энергоблоков АЭС, но и в более широком плане — для устранения последствий использования ядерных технологий как мирного, так и военного применения.

Наиболее перспективным способом интенсификации жидкостных технологических процессов является использование эффекта кавитации, возникающего при высокой ультразвуковой частоте колебаний источника (ультразвукового излучателя), помещенного в раствор.

В процессе развития техники, в качестве источников ультразвуковых колебаний использовались гидродинамические, магнитострикционные, и пьезокерамические излучатели. Пьезокерамические ультразвуковые излучатели имеют ряд очевидных достоинств, позволяющих создавать надежное и эффективное ультразвуковое оборудование. Единственным недостатком пьезокерамических излучателей является ограничение единичной мощности пьезокерамического элемента. Но этот недостаток не является критичным и может быть легко устранен либо использованием большого количества излучателей, либо более сложным путем — использованием явления резонанса на собственных частотах колебаний механических систем в ультразвуковой области.

Фирмой «Александра-Плюс» за сравнительно короткое время накоплен большой опыт разработки и применения различного оборудования, основанного на применении пьезокерамических ультразвуковых излучателей с широким использованием резонансных явлений. За время работы специалистами фирмы разработано и используется более 100 различных типов ультразвуковых излучателей и изготовлено более 500 моделей технологического оборудования с их применением. Наиболее важным для решения проблемы интенсификации процессов жидкостной дезактивации является возможность создания ультразвуковых ванн большого объема с высокой интенсивностью кавитационных процессов. В настоящее время в доступных источниках информации нет упоминания о зарубежных производителях ультразвуковых ванн большого размера (более 5 м³), а лучшее достижение ООО «Александра-Плюс» — это ванны объемом до 20 м³, которые эффективно используются в промышленности. Такие успехи предприятия привлекли внимание специалистов атомной отрасли в части использования ультразвука не только с целью интенсификации процессов жидкостной дезактивации, но и в плане разработки сложных и комбинированных технологий.

Начало работы ООО «Александра-Плюс» в области дезактивации твердых радиоактивных отходов положила совместная разработка с МЦЭБ Госкорпорации Росатом опытно-промышленной установки для дезактивации металлических изделий сложной геометрии модели МО-42. Установка ультразвуковой дезактивации была вначале опробована на искусственно загрязненных металлических отходах в ГУП МосНПО «Радон». Испытания были проведены успешно, поэтому далее оборудование прошло испытания во время опытно-промышленной дезактивации металлических РАО в губе Андреева, где с помощью установки МО-42 было дезактивировано около 10 м³ металлических РАО. При эксплуатации на месте установку дооборудовали узлами очистки промывной воды, кондиционирования отработавшего дезактивирующего раствора и очистки газо-воздушных технологических сдувок. В процессе работы была достигнута возможность дезактивации до фоновых значений фрагментов чехлов для размещения ОТВС из нержавеющей стали типов 22М и ЧТ-4, имеющих суммарное β-загрязнение от нескольких сотен до 18 000 частиц/см²×мин. При использовании примененной технологии объем кондиционированных РАО уменьшился более чем в 30 раз. 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, тем более, что сокращение объема кондиционированных РАО при этом значительно снижает расходы на дорогостоящее долговременное хранение и захоронение[2][3][4].

Следующим этапом в данном направлении стала совместная работа ООО «Александра-Плюс» и ОАО НИКИЭТ, которая была ориентирована на уменьшение объема высокоактивных ТРО, загрязненных в основной своей массе радионуклидами, сорбированными продуктами коррозии углеродистых сталей, и исключение (или минимизацию) выхода с их поверхности радиоактивных аэрозолей при обращении с ними. Для этой цели был разработан опытный погружной модуль НО-145 для ультразвуковой дезактивации ТРО (рис. 1), предназначенный для удаления с поверхности металлических изделий радиоактивных загрязнений и продуктов коррозии, образующихся при разделке отработавшего ядерного топлива реакторов АМБ на Белоярской АЭС. Модуль прошел полный комплекс испытаний, не только подтвердивших соответствие своих фактических характеристик требованиям эксплуатации, но и доказавших эффективность работы при дезактивации металлических ТРО. Апробация опытного модуля проводилась в условиях, максимально приближенных к реальным, с ее помощью дезактивировали фрагменты чехловых труб кассет К-17у. В процессе работы была доказана эффективность применения модуля НО-145 при дезактивации образцов чехловых труб, было показано, что скорость дезактивации при применении ультразвука возрастает в 20—50 раз (рис. 2, 3). 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, меньших, чем минимально значимый уровень активности (МЗУА), и, таким образом, вывести их из категории ТРО[5].

Рис. 1. Опытный модуль для дезактивации НО-145
Рис. 2. Изменение удельной активности МРО с ультразвуковой обработкой и без ультразвуковой обработки в одном дезактивирующем растворе
Рис. 3. Фрагменты чехловых труб до и после дезактивации

В 2009 году впервые в России выполнена эффективная ультразвуковая очистка ТВС, загрязненных отложениями, сформированными на поверхности тепловыделяющих сборок при их эксплуатации в реакторе ВВЭР-440 энергоблока № 3 Нововоронежской АЭС. Применение резонансного трубного излучателя длиной более трех метров (рис. 4) конструкции ООО «Александра-Плюс» позволило удалить отложения с ТВС, что обеспечило дальнейшую безопасную и экономичную работу реактора, а также улучшило экономические показатели АЭС за счет увеличения продолжительности срока эксплуатации ТВС[6]. Также на Нововоронежскую АЭС обществом «Александра-Плюс» была поставлена установка ультразвуковой очистки деталей оборудования и фрагментов трубопроводов модели НО-60Э.

Рис. 4. Установка ультразвуковой очистки ТВС на Нововоронежской АЭС

Таким образом, проведенные исследования подтвердили высокую эффективность применения ультразвуковой интенсификации процессов химической дезактивации.

Одновременно с проведением исследований фирмой «Александра-Плюс» разрабатывалось и изготавливалось специальное промышленное оборудование для ультразвуковой дезактивации металлических ТРО. В некоторых установках были предусмотрены дополнительные опции, такие как возможность регенерации (фильтрации) рабочего раствора и струйная очистка.

В 2008 году ООО «Александра-Плюс» стало соисполнителем работ по проекту «Вывод из эксплуатации и консервация исследовательского корпуса ОАО ВНИИНМ им. акад. А. А. Бочвара», выполняемого в рамках Федеральной Целевой Программы «Ядерная и радиационная безопасность России». ООО «Александра-Плюс» был разработан, изготовлен и поставлен в ОАО ВНИИНМ комплект оборудования ультразвуковой дезактивации металлических поверхностей модели МО-128 (рис. 5), предназначенный для дезактивации радиоактивно-загрязненных фрагментов технологического оборудования и изделий жидкостным методом с применением ультразвука. В процессе эксплуатации подтверждена эффективность дезактивации изделий, фрагментов и узлов технологического оборудования путем их ультразвуковой обработки в ванне с дезактивирующими растворами[7]. В данной установке предусмотрены опции дополнительной очисткой струями низкого и высокого давления, а также нагрев и фильтрация рабочего раствора.

Рис. 5. Комплект оборудования ультразвуковой дезактивации металлических поверхностей МО-128

В 2011 году для Калининской АЭС была разработана ванна ультразвуковой дезактивации МО-152 (рис. 6). Оборудование было установлено в цехе дезактивации для промывки трубопроводов, арматуры, оборудования, металла от радиоактивных загрязнений, масляных отложений, нагара. Высокое качество дезактивации на ультразвуковой ванне подтверждено в процессе работы оборудования. За прошедший период интенсивной промышленной эксплуатации в двухсменном режиме оборудование не имело ни одного отказа.

Рис. 6. Ванна ультразвуковой дезактивации МО-152

Также для решения специальной задачи — дезактивации оболочек ТВЭЛ была изготовлена установка, в которой сочетается ультразвуковая и электрохимическая обработка. На этой установке, которая находится в интенсивной эксплуатации более 2-х лет, получены достаточно высокие степени дезактивации оболочек ТВЭЛ от поверхностного альфа-загрязнения: при исходной загрязненности труб, равной 1000 альфа-частиц/мин×см², после очистки достигнуты значения, равные не более 5 альфа-частиц/мин×см².

Следует отметить, что сочетание этих двух методов дезактивации требует соблюдения весьма специфических требований к геометрии рабочего пространства оборудования. В настоящее время на кафедре инженерной радиоэкологии и радиохимической технологии СПбГТИ (ТУ) проводятся исследования возможности усовершенствования этого способа. Для проведения исследовательских работ на кафедру было передано специально изготовленное оборудование. Результаты работ еще раз доказали преимущества совмещения электрохимической и ультразвуковой обработки, при котором наблюдается резкий рост коэффициента дезактивации (рис. 7). Эта особенность приобретает крайне важное значение при решении задач обращения с металлическими радиоактивными отходами, образующимися при выводе из эксплуатации ядерно- и радиационно-опасных объектов. Например, при дезактивации парогенераторных трубок НВАЭС соотношение коэффициентов дезактивации, полученных при обычной двухванной химической обработке, химической обработке с ультразвуковой интенсификацией и химической обработке с совмещенной (электрохимия + ультразвук) интенсификацией за одно и то же время, составило 1:2:40. К тому же, совмещенная обработка эффективна даже в однокомпонентных растворах малых концентраций, что выгодно с точки зрения снижения эксплуатационных затрат и упрощения переработки вторичных отходов.

Вид дезактивации Коэффициент дезактивации
1 мин 5 мин 7 мин 10 мин
Электрохимическая обработка (с механическим перемешиванием) 2,1 3,0 3,9 4,5
Ультразвуковая обработка 2,8 3,5 3,9 4,9
Электрохимическая и ультразвуковая обработка 2,3 3,5 20 27
Рис. 7. Дезактивация образцов парогенераторных трубок НВАЭС

В 2014 году предприятием «Александра-Плюс» были созданы две новые установки ультразвуковой жидкостной дезактивации крупногабаритных изделий: установка МО-304 (рис. 8), предназначенная для проведения дезактивации имитаторов фрагментов пеналов АМБ и других крупногабаритных фрагментов оборудования, выполненного из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, загрязненного альфа- и бета-радионуклидами, и установка МО-332 (рис. 9), 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. 8. Установка ультразвуковой жидкостной дезактивации модели МО-304
Рис. 9. Установка ультразвуковой жидкостной дезактивации модели МО-332

Накопленный опыт промышленной эксплуатации оборудования, разработанного и изготовленного фирмой «Александра-Плюс», подтвердил не только высокую эффективность дезактивации МРО, но и получил высокую оценку потребителей в плане надежности работы и организации сервисного обслуживания.

Высокие технические параметры оборудования и квалификация специалистов фирмы привлекают внимание специализированных ведущих научных центров Госкорпорации «Росатом». Несколько творческих коллективов, созданных из сотрудников таких предприятий как ОАО «НИКИЭТ», СПбГТИ (ТУ), ФГУП «РАДОН», Калининская АЭС, ФГУП ПО «Маяк», Нижегородское отделение филиала «Приволжский территориальный округ» ФГУП «РосРАО», ОАО ОКБ «ГИДРОПРЕСС», НПО «Уральская химико-технологическая компания, ОАО «Концерн Росэнергоатом» «Опытно-демонстрационный инженерный центр по выводу из эксплуатации» работают совместно с ООО «Александра-Плюс» над разработкой методов решения актуальных задач, связанных с выводом из эксплуатации энергоблоков АЭС и устранением негативных последствий аварий на объектах использования атомной энергии.

Из наиболее перспективных работ можно отметить разработку технологии дезактивации радиоактивного грунта, проводимую совместно с ФГУП «Радон», ОАО «НИКИЭТ» и ФГУП «РосРАО». Также намечаются совместно с НИАЭП-АСЭ (г. Москва) опытно-промышленные работы по дезактивации внутренних поверхностей оборудования АЭС без его фрагментации с использованием резонансных эффектов. Представляет интерес разработка плавающего ультразвукового модуля для растворения прочных донных и пристеночных отложений в хранилищах ЖРО, содержащих радионуклиды.

Список литературы

  1. ^ Технологии обеспечения радиационной безопасности на объектах с ЯЭУ / Под общ. ред. В. А. Василенко. — СПб.: НИЦ «Моринтех», 2010. — 576 с.
  2. ^ Предварительные испытания опытно-промышленной ультразвуковой установки модели МО-42 для дезактивации металлических ТРО на ПВХ в Губе Андреева. Научно-технический отчет № 0258, утвержден 11.12.2007 ФГУП «СевРАО», 06.12.2007 АНО «МЦЭБ».
  3. ^ 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.
  4. ^ А. Е. Савкин, О. К. Карлина, А. П. Васильев. Ультразвуковая дезактивация чехлов для ОЯТ. Безопасность окружающей среды, 2010. — №1. — с. 116—119.
  5. ^ Проведение экспериментов по отработке установки ультразвуковой дезактивации на фрагментах кассеты К-17У. Отчет о научно-исследовательской работе НИКИЭТ им. Н. А. Доллежаля. Инв. № 112-097-8703 от 25.11.2010.
  6. ^ Н. М. Лебедев, А. Н. Грот, Д. А. Красильников, А. П. Васильев, Г. В. Дубинин, В. А. Юрманов. Опыт разработки и применения ультразвуковых технологий в отечественной ядерной энергетике. Атомные электрические станции России. Сборник научых статей, г. Москва, 2012. — с. 121—134.
  7. ^ 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