Александра-Плюс
ультразвуковые технологии и оборудование
Публикации

Ультразвуковые технологии и оборудование для ядерного топливного цикла

Сборник трудов XI Международной научно-практической конференции «Развитие урановой и редкометальной промышленности», Алматы, 16—18 мая 2024 г. С. 258—262

Лебедев Н. М.1, Грот А. Н.1, Пастухова И. А.1, Акатов А. А.2, Борсук А. Н.3, Кылышканов М. К.3
1 ООО «Александра-Плюс», Вологда, Россия
2 СПбГТИ (ТУ), Санкт-Петербург, Россия
3 АО «Ульбинский металлургический завод», г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан

Производительность и эффективность традиционных химических, физических и физико-химических технологий, используемых в дореакторном ядерном топливном цикле, может быть значительно повышена за счет использования ультразвуковых (УЗ) колебаний и эффектов, возникающих под их воздействием, таких как кавитация и акустические течения.

На сегодняшний день накоплен значительный опыт разработки и применения ультразвуковых технологий в ядерной энергетике. В рамках сотрудничества ООО «Александра-Плюс» с российскими и казахскими предприятиями атомной отрасли было продемонстрировано, что ультразвуковые технологии могут успешно применяться для решения широкого спектра задач, в том числе:

Рисунок 1

Был проведен ряд опытных работ на скважинах России и Казахстана, доказавших эффективность данного метода. Устройство и способ очистки фильтров скважин с помощью ультразвука был запатентован совместно с НАК «Казатомпром».

Важной особенностью ультразвука является интенсификация различных химических процессов, что позволяет в разы ускорить протекание процесса, снизить концентрацию используемых химических реагентов и понизить температуру рабочего раствора.

Данная особенность позволяет интенсифицировать процесс десорбции ионообменных смол. Проведенные в УППР рудника «Семизбай» (рис. 2) и «Уванас» (рис. 3) промышленные испытания технологии ультразвукового воздействия на десорбцию урана показали, что под действием ультразвука происходит интенсификация процесса десорбции урана с ионообменных смол, увеличивается извлечение урана в десорбат и снижается расход кислоты.

На многих предприятиях существует проблема зарастания трубопроводов линий транспортировки технологических растворов. Например, на урановом производстве АО «УМЗ» интенсивность зарастания внутренней поверхности настолько высокая, что менее чем за полгода приходится ставить производство на технологическую паузу для проведения очистки. Проведенные нами совместные опытно-промышленные работы продемонстрировали эффективность применения ультразвуковых колебаний для решения этой задачи. На протяжении трех месяцев испытаний участок трубопровода, оснащенный ультразвуковыми излучателями оставался чистым, в то время как без ультразвука увеличить пропускную способность сита (просеивание ведется до 20 мкм):

Также ультразвук может быть успешно применен при прессовании топливных таблеток. Опытные работы, проведенные в том числе, на ЧМЗ, во ВНИИНМ и для ПО «Маяк», показывают, что наложение УЗ колебаний на пресс-форму (рис. 4) в процессе прессования позволяет достичь равномерного распределения плотности порошка в пресс-формах любой сложности, и тем самым повысить качество прессованных изделий. Повышение плотности и прочности позволяет рекомендовать метод ультразвуковой обработки при изготовлении твэлов из труднопрессуемых материалов, например при изготовлении таблеток из МОХ-топлива. Кроме того, наложение ультразвуковых колебаний на твэльные трубки целесообразно при изготовлении твэлов с полным заполнением и — особенно — с кольцевым заполнением порошковым топливом.

На базе ООО «Александра-Плюс» с АО «НИИФИ» (Научно-исследовательский институт физических измерений) проводились опытные работы по применению ультразвуковых колебаний в процессе прессования пьезокерамического материала, предназначенного для изготовления пьезокерамических колец. Полученные результаты показали увеличение расчетной плотности при применении ультразвука на 7—8 %.

Совместно с ООО «Элекон», г. Кинешма проводились опытные работы по засыпке пресс-порошка в матрицу роторного пресса по изготовлению графитовых щеток. Проблема заключалась в подвисании порошка при засыпке (особенно в случае хранения порошка при повышенной влажности), что влияло на размер готовых изделий, и соответственно, приводило к их отбраковке.

При засыпке порошка в пресс-форму при производстве таблеток, а также при транспортировании сыпучих материалов, ультразвук позволяет интенсифицировать процесс загрузки и исключить зависание порошка за счет снижения трения между частицами порошка и плоскостью, по которой он движется.

Снижение трения с помощью ультразвука при сборке ТВС позволяет уменьшить в несколько раз усилие при снаряжении каркасов, уйти от стружки и механических повреждений, а также полностью отказаться от лака, которым предварительно покрывают твэлы и канальные трубки перед сборкой.

Так как при сборке ТВС все еще широко используется технология с применением лакового покрытия или водорастворимой смазки, остается актуальной задача удаления остатков этих покрытий с элементов, а также стружки, образовавшейся при сборке. Нами предложена технология отмывки ТВС с ультразвуком, которая в настоящее время отрабатывается на НЗХК.

При изготовлении тепловыделяющих сборок большое значение имеет чистота поверхности. Особую важность это требование приобретает перед сварочными операциями. И здесь ультразвуку нет равных. Он очень эффективно очищает изделия от различных загрязнений: от простейших СОЖ после механической обработки, до нагаров после эксплуатации.

Варианты исполнения оборудования так же могут быть различные: от обычных ультразвуковых ванн до сложнейших полностью автоматизированных линий очистки (рис. 4).

Рисунок 4. Примеры оборудования для ультразвуковой очистки

Ультразвук может эффективно очищать не только детали в УЗ ваннах, но и ленту, проволоку, трубу. Они проходят через ультразвуковую камеру, где за счет сфокусированного ультразвукового воздействия и использования резонансных колебаний самого объекта (проволоки, ленты, трубы) происходит интенсивная очистка со скоростью до 400 м/мин.

На рис. 5 представлен пример оборудования для ультразвуковой очистки проволоки. Пять нитей одновременно проходят через ультразвуковую камеру, где за счет сфокусированного ультразвукового воздействия и использования резонансных колебаний самой проволоки происходит интенсивная очистка со скоростью 400 м/мин. Подобная установка для ультразвуковой очистки сварочной проволоки из титана и специальных сплавов была поставлена в НИКИЭТ в 2006 году и успешно эксплуатировалась до конца сентября 2019 года, когда была заменена на такую же, но более современную.

Рисунок 5. Установка для ультразвуковой очистки проволоки

На сегодняшний день абсолютно инновационной является технология бесконтактной ультразвуковой очистки внутренней поверхности труб, разработанная нашим предприятием. За счет применения запатентованных фокусирующих УЗ излучателей очищаемая труба вводится в резонанс и загрязнения начинают интенсивно удаляются как снаружи, так и внутри). В 2018 г. была поставлена первая такая установка на ТМК-ИНОКС. На ней отмывались трубы длиной до 42 метров для парогенераторов проекта «Прорыв». В 2023 году на ТМК-ИНОКС была поставлена уже полностью автоматическая линия ультразвукового обезжиривания (рис. 6) в водном растворе ТМС труб длиной до 20 м, диаметром от 12 до 32 мм. Данная установка обеспечивает производительность отмывки 36 труб в час. Для ЧМЗ изготовлена промышленная установка для очистки труб с увеличенной производительностью 120 труб в час. На ней выполняется межоперационная отмывка от прокатных смазок труб диаметром от 8 до 90 мм в процессе производства твэлов из циркониевых сплавов. В настоящее время проходят заводские испытания, после которых установка будет поставлена заказчику.

Рисунок 6. Установка ультразвукового обезжиривания труб

Для ФГУП «ГХК» решена сложная задача дезактивации поверхности твэлов в процессе изготовления от радиоактивных загрязнений с применением электрохимического и ультразвукового воздействия без участия оператора в зоне высокой радиации. Аналогичная установка эксплуатируется на ПО «МАЯК» с 2013 года.

Актуальной на сегодняшний день является и проблема межкристаллитной коррозии твэлов. Применение ультразвуковой обработки расплава позволяет значительно повысить стойкость сплавов циркония к межкристаллитной коррозии.

Ультразвуковые колебания, вводимые в расплав, интенсифицируют процесс дегазации, способствуют дополнительному перемешиванию, препятствуют возникновению дендритной ликвации и концентрации неметаллических включений на границах зерен, что положительно влияет на формирование однородной структуры металла в процессе кристаллизации. Данный вывод подтверждается сравнением результатов фрактографических исследований структуры металла в изломах для случаев применения ультразвуковой обработки при кристаллизации (рис. 7).

Рисунок 7. Ультразвуковая обработка (справа) обеспечивает дробление оксидных включений

Основной проблемой при внедрении данного метода может стать обеспечение передачи ультразвуковых колебаний в расплав через стенки медной водоохлаждаемой изложницы (при вакуумно-дуговом переплаве), но эта задача успешно решается использованием резонансных эффектов: в ряде случаев удается ввести в резонанс кристаллизаторы весом несколько тонн.

Заключение

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 компании разработано более сотни ультразвуковых излучателей различной конструкции, на основе применения которых создано более 1000 моделей оборудования. Оборудование поставлено в 15 стран мира.

За последние годы ультразвуковое оборудование компании доказало свои преимущества в сравнении с лучшими мировыми аналогами и широко применяется на предприятиях объединений «Казахмыс», «Казцинк» и «Казхром», а также предприятиях «Казатомпрома».

Отличительной особенностью наших разработок является широкое использование резонансных эффектов посредством ультразвуковых колебаний (особенно для массивных деталей), что позволяет значительно повысить эффективность создаваемого оборудования при существенном снижении энергопотребления.

Список использованных источников

  1. Сайт Росатома
  2. Сайт МАГАТЭ
  3. Лебедев Н. М. 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.
  4. Опыт разработки и применения ультразвуковых технологий при химических эксплуатационных отмывках и изготовлении тепловыделяющих сборок атомных энергетических установок / Лебедев Н. М., Васильев А. П., Пышнограев М. П. и др. Сборник трудов V Международной конференции «Атомэко-2011». Москва, 31 октября — 1 ноября 2011 г.
  5. Ультразвуковые технологии и оборудование для интенсификации технологических процессов при обращении с ядерным топливом и дезактивации ТРО. / Н. М. Лебедев, А. П. Васильев, А. Н. Грот, Д. А. Красильников. Сборник докладов VI Международного общественного форума-диалога «Атомная энергия, общество, безопасность», Санкт-Петербург, 19—20 апреля 2011 г.
  6. Тепловыделяющая сборка ТВСА ВВЭР-1000: направления развития и результаты эксплуатации / В. Б. Кайдалов и др. // Атомная энергия. — 2007. — Т. 102. — С. 43—48.
  7. Росатом: история и современность. / А. А. Акатов, Ю.С Коряковский, н. к. Н. Е. Кухаркин. — Энциклопедия атомной отрасли. — М., 2015 г.
конференция Казахстан Алматы СПбГТИ Ульбинский металлургический завод атомная энергетика выщелачивание уран десорбция ионообменные смолы ядерное топливо цирконий прессование ТВС трение скважина Казатомпром Семизбай Уванас испытание опытные работы трубопровод топливная таблетка твэл НИИФИ пьезокерамика Элекон графит очистка проволоки НИКИЭТ очистка труб ТМК-ИНОКС Прорыв дезактивация расплав дегазация кристаллизация