Физики экспериментально подтвердили эффективность ионно-плазменного метода удаления радиоактивных загрязнений с поверхностей металлоконструкций ядерных реакторов. Новая технология позволяет очищать внутриконтурное оборудование от отложений сложного химического состава без образования опасных жидких радиоактивных отходов. Благодаря этому она даст возможность повторно использовать реакторные сплавы и снизит затраты на их переработку. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Известия РАН. Серия физическая».
В процессе работы ядерного реактора на поверхностях внутриконтурного оборудования (парогенераторов, трубопроводов и других элементов) осаждаются прочные радиоактивные отложения. Удалять их (дезактивировать оборудование) необходимо как при проведении планового капитального обслуживания реакторных установок, так и при их окончательном выводе из эксплуатации. Обычно процедуру дезактивации проводят, обрабатывая поверхности растворами кислот и щелочей. Такой метод вызывает коррозию оборудования и накопление огромных объемов вторичных жидких радиоактивных отходов, перерабатывать которые сложно и дорого. Поэтому ученые ищут альтернативные подходы.
Ранее исследователи из Общества с ограниченной ответственностью «ИнноПлазмаТех» (Санкт-Петербург) разработали и протестировали в лабораторных условиях «сухую» технологию очистки, которая полностью исключает образование жидких радиоактивных отходов.
В рамках такого подхода авторы обрабатывали образцы металлических сплавов в укороченном разряде аргона при давлении, близком к атмосферному, реализуя процесс ионного и термического распыления поверхностного слоя. Энергии ускоренных ионов аргона с избытком хватает, чтобы разрушить связи любых химических соединений на дезактивируемой поверхности. Это обеспечивает распыление загрязненного слоя с его последующим осаждением в твердом виде на специальном съемном электроде-коллекторе. Метод позволяет полностью исключить образование жидких радиоактивных отходов, требующих сложной переработки.
На новом этапе исследования авторы провели испытания технологии на образцах реакторной стали с модельными отложениями. Вместо чистых металлических пластин ученые использовали подложки с искусственно синтезированным оксидным слоем (шпинелями). По своей структуре и фазовому составу он полностью имитировал реальные радиоактивные отложения, образующиеся на оборудовании реакторных установок в процессе эксплуатации.
По окончании процесса авторы оценили эффективность технологии с помощью сканирующей электронной микроскопии. В качестве маркера эффективности исследователи отслеживали осаждение на поверхности электрода-коллектора железа — одного из ключевых элементов, входящих в состав шпинели. Анализ показал, что на электроде-коллекторе успешно зафиксировано более 40% этого элемента от его исходного содержания в поверхностном загрязнении. В условиях реальной АЭС такая глубина дезактивации обеспечивает кратное снижение уровня радиационного фона оборудования. В результате за несколько циклов обработки (точное их количество зависит от толщины, плотности и химического состава отложений) можно полностью очистить сплав от радиоактивных шпинелей.
Спектр SEM X−ray микроанализа элементного состава поверхности чистого электрода-коллектораПроведенные тесты подтверждают универсальность технологии: теперь доказано, что ее действительно можно применять для очистки ключевого металлического оборудования реакторов, например, парогенераторов и трубопроводов.
«Разрабатываемый метод позволит проводить глубокую очистку и обеспечит возможность повторного использования ценных конструкционных сплавов. Например, вовлечение в повторный оборот титанового проката изначальной стоимостью 50–80 долларов за килограмм превратит затратную утилизацию отходов в экономически эффективный процесс. Перспективы и результаты этой технологии наш коллектив дважды успешно представлял на семинарах ФГУП “НИТИ им. А.П. Александрова” (предприятие ГК «Росатом») в рамках Всероссийского лектория РНФ, где они получили высокую оценку экспертов атомной отрасли. В дальнейшем мы планируем детально изучить кинетику удаления радиоактивного слоя в зависимости от параметров плазменного разряда, чтобы подготовить установку к масштабированию и промышленному внедрению», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Анна Петровская, кандидат физико-математических наук, генеральный директор ООО «ИнноПлазмаТех».