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.
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.
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». 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°С. 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°С также способствует повышению степени дезактивации металла.
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.
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.
