Опыт разработки и применения ультразвуковых технологий в ядерной энергетике

Перевод на русский язык доклада на Международной конференции NPC 2012, Париж, 23—27 сентября 2012 г.

Опубликован (с изменениями) в сборнике статей «Атомные электрические станции России», посвящённом 20-летию «Концерна Росэнергоатом», Москва, 2012 г.

Николай Лебедев (ООО «Александра-Плюс»), Россия (mail@alexplus.ru)
Дмитрий Красильников (ООО «Александра-Плюс»)
Альберт Васильев (ОАО «НИКИЭТ»), Россия (info@ices.ru)
Геннадий Дубинин (ОАО «НИКИЭТ»)
Виктор Юрманов (ОАО «НИКИЭТ»)

Содержание

Реферат

Эффективность некоторых традиционных химических технологий в различных отраслях может быть значительно увеличена добавлением ультразвукового воздействия. Например, известно, что ультразвуковая обработка улучшает процессы дезактивации. Улучшение традиционных химических технологий внедрением ультразвуковой обработки позволяет существенно сократить количество отходов, содержащих вредные и радиоактивные вещества.

В докладе представлены примеры последних разработок и применения ультразвуковой технологии в российской атомной энергетике, а именно:

  • предварительная очистка поверхностей деталей реакторов (в частности датчиков ВРК) перед сборкой и сваркой;
  • дезактивация грунтов и металлических поверхностей конструкций сложной геометрии;
  • уменьшение трения скольжения при изготовлении тепловыделяющих сборок реакторов ВВЭР;
  • удаление отложений с поверхностей твэлов в реакторах ВВЭР-440;
  • повышения плотности и прочности прессованных порошковых изделий при изготовлении топливных таблеток и твэлов, особенно из МОХ-топлива.

Чистота поверхности очень важна при изготовлении ТВС, особенно перед сваркой. Была разработана и внедрена ультразвуковая технология очистки поверхности от графита и других смазок, окислов и т. п. Ультразвуковой очистке могут подвергаться изделия не только простой формы, но и содержащие разнообразные полости. Ультразвуковая технология позволила улучшить как качество обработанных поверхностей, так и экологическую безопасность.

Целесообразно также применение ультразвуковой обработки для интенсификации химической дезактивации твердых радиоактивных отходов (ТРО), в частности металлических, а также грунта различных фракций. Ультразвуковая обработка ускоряет процесс дезактивации в 100 раз и более. Отличные коэффициенты дезактивации были получены даже на грунтах с фракцией менее 1 мм. Следует заметить, что альтернативные способы дезактивации (например, гидросепарация) мало применимы для таких фракций. Параметры ультразвуковой обработки были оптимизированы как для традиционных моющих жидкостей (кислоты, щелочи и др.), так и для современных растворителей.

Промышленные испытания показали, что ультразвуковая обработка трубок улучшает геометрию каркаса ТВС, приводит к релаксации напряжений и, соответственно, уменьшает деформации ТВС при производстве. Ультразвуковая обработка позволила уменьшить усилия, возникающие при установке трубок в дистанцирующие решетки, почти вдвое.

Накопление осадка на поверхностях трубок ТВС — проблема для ядерных реакторов. На Нововоронежской АЭС была внедрена технология эффективной ультразвуковой очистки ТВС реакторов ВВЭР. Ее использование привело к повышению надежности реакторов и увеличению срока службы ТВС.

Применение ультразвука для прессования порошковых материалов увеличивает плотность и прочность порошковой керамики и повышает качество ее поверхности. Технология была отработана на порошке диоксида циркония и рекомендована к использованию при изготовлении твэлов из труднопрессуемых материалов, например МОХ-топлива. Кроме того, ультразвуковая обработка целесообразна при изготовлении твэлов с полным заполнением.

Введение

В России накоплен значительный опыт в разработке и применении ультразвуковых технологий в ядерной энергетике. В рамках долгосрочного сотрудничества ООО «Александра-Плюс» с ОАО «НИКИЭТ», ОАО «Концерн Росэнергоатом» и рядом других предприятий отрасли удалось успешно решить широкий круг задач благодаря разработке и внедрению уникального оборудования с использованием ультразвуковых технологий. В докладе представлен обзор примеров успешного применения в отечественной атомной энергетике различных ультразвуковых технологий, включая дезактивацию металлических радиоактивных отходов и грунтов.

Расширение областей применения ультразвуковых технологий, основанных на пьезоэлектрическом эф­фекте, имеет большие перспективы в различных областях промышленности. Отдельного рассмотрения заслуживают результаты разработки и применения ультразвуковой технологии в атомной технике:

  • для подготовки (очистки) поверхности изделий перед сборкой и сваркой;
  • для дезактивации металлических конструкций сложной геометрии и грунтов;
  • для уменьшения трения скольжения при изготовлении тепловыделяющих сборок (ТВС) реакторов ВВЭР-1000;
  • для извлечения из ТВС дефектных тепловыделяющих элементов с минимальными повреждениями в период эксплуатации;
  • для эксплуатационных отмывок чехловых ТВС реакторов ВВЭР-440 с целью удаления отложений с поверхностей твэлов;
  • для повышения плотности и прочности прессованных порошковых изделий при изготовлении как топливных таблеток, так и твэлов полного заполнения, особенно из МОХ-топлива.

При проведении сборочно-сварочных работ в атомной промышленности ключевую роль играет чистота поверхности комплектующих узлов и деталей, особенно, при выполнении сварочных работ. «Александра-Плюс» разработала и внедрила технологические процессы ультразвуковой очистки поверхности от разнообразных загрязнений, в частности, смазочных жидкостей, графитовой смазки, оксидов и др. Ультразвуковой очистке могут подвергаться как изделия с простой геометрией, так и изделия, содержащие внутренние или глухие полости. Следует особо отметить, что разработанные технологические процессы позволили значительно улучшить как качество обработанных поверхностей, так и в значительной степени улучшить экологическую безопасность на рабочих местах за счет применения нетоксичных рабочих растворов. Целесообразно также применение ультразвуковой обработки для интенсификации процесса химической дезактивации металлических изделий, а также грунта различного фракционного состава.

Разработки «Александры-Плюс» защищены патентами на изобретения, авторами которых являются более 50 ведущих специалистов как в области ультразвуковых технологий, так и в отраслях, где они внедряются. Специалистами фирмы разработано более 100 ультразвуковых излучателей, на основе применения которых создано более 400 моделей оборудования. Оборудование поставлено в 9 стран. Отличительной особен­ностью разработок фирмы является широкое использование резонансных эффектов в ультразвуковой области колебаний, что позволяет существенно повысить эффективность создаваемого оборудования при существенном снижении энергопотребления. Заказчиками фирмы являются ведущие промышленные предприятия России и ближнего зарубежья. Крупнейшими партнерами «Александры-Плюс» являются пред­приятия Концерна «Росэнергоатом» и его филиалы, включая Нововоронежскую, Белоярскую, Калининскую АЭС, а также предприятия ядерного топливного цикла. «Александра-Плюс» активно сотрудничает и поставляет лабораторное и опытное ультразвуковое оборудование в ведущие российские научные центры.

Основные направления внедрения ультразвуковых технологий включают:

  • ультразвуковую очистку;
  • дезактивацию твёрдых радиоактивных отходов;
  • обогащение руд;
  • обеззараживание питьевой и сточной воды;
  • кристаллизацию металлов;
  • экстракцию растительного сырья.

Технологии ультразвуковой очистки

Применение ультразвука позволило значительно повысить эффективность очистки различного оборудова­ния и отдельных элементов в общем машиностроении, атомной технике и других областях.

Рис. 1. Оборудование для ультразвуковой очистки

На рисунке 2 представлен пример оборудования для ультразвуковой очистки проволоки для изготовления герконов. Пять нитей проволоки одновременно проходят через ультразвуковую камеру, где за счет фокусирующего ультразвукового воздействия и использования резонансных колебаний самой проволоки происходит интенсивная очистка со скоростью 400 метров в минуту. Подобная установка для ультразвуковой очистки сварочной проволоки из титана и спецсплавов поставлена в НИКИЭТ в 2006 году.

Рис. 2. Установка для ультразвуковой очистки проволоки для изготовления герконов

Технология ультразвуковой отмывки ТВС

При эксплуатации ядерных реакторов на наружных поверхностях тепловыделяющих элементов возможно накопление отложений в виде солей жесткости и других загрязнений, особенно в случае частого проведения химических дезактиваций оборудования первого контура или недостатках организации водно-химического режима. Отложения могут приводить к перегреву и разгерметизации оболочек твэлов с радиационными последствиями. С целью обеспечения надежной эксплуатации топлива применяются специальные технологии отмывок ТВС, применение которых усложняется наличием чехловых труб, как в случае ТВС реакторов ВВЭР-400. Интенсивное излучение от ТВС обуславливает необходимость проведения отмывок непосредственно в приреакторном бассейне выдержки топлива. Данная задача решена на Нововоронежской АЭС при использовании резонансного трубного излучателя конструкции ООО «Александра-Плюс» длиной более 3 м и диаметром 22 см. Внедрение ультразвуковой технологии позволило удалить отложения с ТВС, что обеспечило их дальнейшую надежную работу в реакторе, а также улучшило экономические показатели АЭС за счет увеличения продолжительности срока эксплуатации ТВС. Этот опыт имеет мировое значение, учитывая необходимость обеспечения готовности решения аналогичных задач и на других АЭС с ВВЭР, несколько десятков которых эксплуатируется за рубежом. Как известно, ранее проводившиеся массовые отмывки ТВС реакторов ВВЭР-440 на АЭС Пакш в Венгрии с применением западных технологий были связаны со значительным риском, учитывая аварийное разрушение 30 ТВС с крайне негативными последствиями. По сравнению с зарубежными аналогами данная установка снижает энергозатраты в десятки раз, а продолжительность очистки чехловых ТВС уменьшается в несколько раз.

Рис. 3. Оборудование для ультразвуковой очистки ТВС АЭС с ВВЭР

Внедрение ультразвуковых технологий при сборке ТВС реакторов

Ценным приложением ультразвуковых технологий оказались усовершенствования при фабрикации топлива для ядерных реакторов. Наложение ультразвуковых колебаний на трубки твэлов обеспечило значительное снижение трения при снаряжении ТВС (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Схема ультразвукового оборудования для снижения трения при изготовлении ТВС

В результате промышленного опробования технологии ультразвуковой резонансной обработки трубок улучшается геометрическая форма каркаса ТВС, происходит релаксация напряжений и, соответственно, уменьшаются деформации ТВС при ее эксплуатации. В процессе экспериментальной отработки данной технологии сравнивались фиксируемые усилия при сборке канальных трубок с дистанцирующими решетками: как при использовании ультразвуковой обработки, так и при традиционном способе. Сходная технология, опробованная при установке твэлов в каркас ТВС, позволила значительно уменьшить усилия, возникающие при сборке (рис. 4).

Рис. 5. Снижение трения за счет ультразвуковой обработки при сборке ТВС

Внедрение ультразвуковых технологий при изготовлении топлива реакторов

Использование ультразвуковой обработки обеспечило повышение качества прессования при изготовлении топлива ядерных реакторов (рисунки 6 и 7).

Повышение плотности и прочности позволяет рекомендовать метод ультразвуковой обработки при изготовлении твэлов из труднопрессуемых материалов, например при изготовлении таблеток из МОХ-топлива. Кроме того, применение ультразвуковой обработки твэльных трубок целесообразно и при изготовлении твэлов с полным заполнением.

Внедрение ультразвуковых технологий в процессе кристаллизации металлов

Весьма эффективно применение ультразвуковых технологий в процессе кристаллизации металлов. Данный вывод подтверждается сравнением результатов фрактографических исследований структуры металла в изломах для случаев применения ультразвуковой обработки при кристаллизации (рисунок 8). Применение данного способа позволит повысить стойкость сплавов циркония к межкристаллитной коррозии. Основная проблема при внедрении данного способа является обеспечение передачи ультразвуковых колебаний в расплав через стенки медной водоохлаждаемой изложницы при вакуумно-дуговом переплаве.

Рис. 8. Ультразвуковая обработка (справа) обеспечивает дробление оксидных включений

Использование ультразвуковых технологий при производстве питьевой воды и обеззараживании сточных вод

Совместное воздействие ультразвука и ультрафиолетового излучения эффективно при производстве питьевой воды и обеззараживании сточных вод (рисунок 9). Особое значение эта технология имеет для решения задач водоподготовки атомных станций. Использование резонансного эффекта при применении этой технологии также снимает ограничения по производительности и энергопотреблении оборудования.

Рис. 9. Оборудование для обеззараживания питьевой и сточной воды совместным воздействием ультразвука и ультрафиолетового излучения

Ультразвуковые технологии для дезактивации металлических изделий и грунтов

Использование ультразвуковых технологий обеспечило эффективность дезактивации металлических изделий, в т. ч. чехлов отработавших ТВС (ОТВС) (рисунки 10—12). Основные способы очистки крупных деталей включают использование больших ванн, погружных модулей и применение контактных методов обработки.

Рис. 10. Способы очистки крупных радиоактивных деталей

Испытания ультразвуковой технологии показали снижение β-загрязненности ОТВС с исходных 500—16 000 частиц/(см²×мин) до не более 16 частиц/(см²×мин), а средний коэффициент дезактивации составил 850.

В процессе ультразвуковой дезактивации образуются только твёрдые радиоактивные отходы (ТРО): на 25 т чехлов — 2 бочки по 200 л с цементным компаундом, 1 фильтр-контейнер (200 л). Жидкие отходы отсутствуют. В результате проведения ультразвуковой дезактивации металл чехлов ОТВС становится пригодным для вторичного использования и переплавки. Затраты на дезактивацию стали — 12 руб./кг при цене лома 40—50 руб./кг (цены 2007 г.).

Рис. 13. Фрагменты чехлов для ОТВС до (слева) и после (справа) дезактивации

На рисунке 14 представлен вид изготовленной по заказу НИКИЭТ установки для дезактивации НО-145, на которой проводились эксперименты с твердыми радиоактивными отходами (ТРО) Белоярской АЭС (рис. 15 и 16).

Рис. 14. Установка для дезактивации НО-145
Рис. 15. Характер изменения удельной активности металлических образцов в процессе опытной дезактивации на Белоярской АЭС
Рис. 16. Вид фрагментов ТРО до (сверху) и после (снизу) дезактивации по обычной технологии (слева) в течение 112 ч и с применением ультразвука (справа) в течение 2,8 ч

Внедрение ультразвуковой обработки в процесс дезактивации позволяет в десятки раз снизить продолжительность технологического процесса. Аналогичные результаты получены при дезактивации грунта фракцией менее 1 мм. Другими методами (например, гидросерапация) такие фракции практически не дезактивируются. В ходе экспериментов по поиску оптимальных параметров обработки использовались как традиционные очистители (кислоты, щелочи и др.), так и современные технологические моющие средства как кислотного, так и щелочного характера с диапазоном изменения водородного показателя 2≤рН≤12.

На основе уже созданных установок возможно создание мобильного комплекса для дезактивации и/или химической очистки металлических поверхностей, в том числе со сложной геометрией (рисунок 17).

Рис. 17. Схема предлагаемого комплекса дезактивации металлических изделий

На рисунке 18 показана поставленная во ВНИИНМ установка для дезактивации МО-128, представляющая собой передвижную ванну с системой циркуляции моющего раствора.

Рис. 18. Установка для дезактивации МО-128 во ВНИИНМ

На рисунке 19 показана изготовленная для Калининской АЭС установка МО-152 с объёмом ультразвуковой ванны 2,2 м³.

Рис. 19. Установка для дезактивации МО-152 на Калининской АЭС

На рисунке 20 показана ультразвуковая ванна МО-92 для деталей массой до 350 кг.

Рис. 20. Ультразвуковая ванна МО-92 локомотивном депо Лунинец (Белоруссия)

На рисунке 21 показана самая большая в мире ультразвуковая ванна объёмом 19 м³ используемая в локомотивном депо Хабаровск-2 для очистки деталей длиной до 5 м и массой до 7 т. На рисунке 22 показана ультразвуковая установка для очистки деталей массой до 100 кг с совмещённой ультразвуковой и струйной очисткой, предусмотренной циркуляцией, подогревом и фильтрованием моющего раствора.

На рисунке 23 представлена установка для ультразвуковой дезактивации хранилищ ЖРО. Ультразвуковой модуль с дистанционным управлением плавает, перемещаясь под действием течений, создаваемых ультразвуковыми излучателями. По мере очистки стенок хранилища снижают уровень ЖРО, на заключительном этапе производится дезактивация дна бассейна за счет действия УЗ-излучателей, расположенных на днище установки.

Рис. 23. Ультразвуковая дезактивация хранилищ ЖРО

На рисунке 24 показана ультразвуковая дезактивация почвы. Испытания проводились совместно с НИКИЭТ имени Н. А. Доллежаля в МосНПО «Радон».

Рис. 24. Опытная установка НО-180 для ультразвуковой дезактивации почвы

Вывод

Анализ представленного выше передового опыта разработки и внедрения «Александрой-Плюс» совместно с НИКИЭТ и другими предприятиями «Росатома» ультразвуковых технологий в атомной отрасли свидетельствует о перспективности данного направления для решения широкого спектра задач, включая отмывки ТВС от отложений, дезактивацию оборудования и почвы, фабрикацию твэлов и ТВС, производство питьевой и обеззараживание сточных вод.

Литература

  1. Н. М. Лебедев. Технологии дезактивации различных поверхностей с помощью ультразвука. Доклад на международном совещании ОАО «Концерн Росэнергоатом» и НАЭК «Энергоатом» «Современные методы и средства дезактивации оборудования и помещений АЭС». Белоярская АЭС, г. Заречный, 14—18 ноября 2011 г.
  2. Лебедев Н. М., Васильев А. П., Пышнограев М. П. и др. Опыт разработки и применения ультразвуковых технологий при химических эксплуатационных отмывках и изготовлении тепловыделяющих сборок атомных энергетических установок. Сборник трудов V Международной конференции «Атомэко-2011». Москва, 31 октября — 1 ноября 2011 г.
  3. Н. М. Лебедев, А. П. Васильев, А. Н. Грот, Д. А. Красильников. Ультразвуковые технологии и оборудование для интенсификации технологических процессов при обращении с ядерным топливом и дезактивации ТРО. Сборник докладов VI Международного общественного форума-диалога «Атомная энергия, общество, безопасность», Санкт-Петербург, 19—20 апреля 2011 г.