Развитие ядерной энергетики особо остро ставит вопросы обеспечения безопасности, как самого технологического процесса, так и обслуживающего персонала. Одним из путей обеспечения безопасности является регулярная дезактивация обслуживаемого оборудования.
Накопление активных отложений, рост радиационных полей, образование значительного количества радиоактивных отходов, высокие дозозатраты при модернизации, диагностике и ремонте оборудования атомных станций требуют разработки эффективных технологий его дезактивации.
Используемые в настоящее время на отечественных АЭС технологии дезактивации оборудования первых контуров предусматривают применение окислителей (перманганата калия, азотной кислоты, перекиси водорода) и комплексообразователей (щавелевой кислоты и других). Это предусматривает значительную концентрацию реагентов и необходимость проведения нескольких циклов обработки для достижения требуемой эффективности, что приводит к образованию большого количества отходов. Отмеченные недостатки обусловливают поиск более совершенных технологий дезактиваций.
Озон как дезактивирующий агент
Одним из наиболее перспективных направлений совершенствования процессов дезактивации оборудования АЭС является использование озона в качестве окислителя. Озон активно вступает в реакцию с окисью хрома (рис.1), образовавшейся в процессе эксплуатации на поверхности теплообменника первого контура охлаждения реактора из стали 12Х18Н10Т:
Сr2O3 + 3O3 + 2H2O = 2Cr O4- + 4H+ + 3O2,
причем в растворе отсутствуют продукты реакции или разложения озона.
Рис. 1. Схема дезактивации поверхности нержавеющей стали озоном и щавелевой кислотой
Кроме того, озон является сильнейшим окислителем. Его применение эффективно для дезактивации элементов из любых коррозионно-стойких сталей и сплавов, при этом степень концентрации озона в 1000 раз меньше, чем перманганата калия или других традиционных окислителей.
Озон также позволяет поддерживать высокую скорость процесса водной очистки без периодических замен дезактивирующего раствора, умножающих количество отходов и расход реагентов.
В начале 1990-х годов технология дезактивации с использованием озона была использована при выводе из эксплуатации АЭС «Августа» (США), а также парогенераторов АЭС «Дампьер» (Франция), что позволило вернуть в промышленное использование коррозионно-стойкую сталь. Данная технология была рекомендована для работ по утилизации атомных подводных лодок.
Японскими исследователями разработана и опробована на модели реактора технология дезактивации с использованием озона T-OZON. В результате тестирования этот метод предложен к использованию в качестве штатной технологии дезактивации на АЭС Японии.
Применение озона для дезактивации оборудования на российских атомных электростанциях сдерживается отсутствием опыта промышленной отработки технологии и высокими затратами электроэнергии на производство озона обычными озонаторами.
В настоящее время в нашей стране освоено промышленное производство высокоэффективных озонаторов, превосходящих лучшие зарубежные аналоги по надежности, экономичности, производительности, компактности и создаваемой концентрации растворенного озона (свыше 200 мг/дм3, что в два раза больше, чем в обычно используемых растворах).
На ряде промышленных предприятий атомной отрасли России (в частности, на Кольской АЭС) подтверждена перспективность озонирования для переработки ранее накопленных жидких радиоактивных отходов с большим содержанием щавелевой кислоты, комплексонов и других органических веществ.
Накопленный опыт применения озона может быть эффективно использован на отечественных атомных электростанциях для внедрения технологий переработки радиоактивных отходов и дезактивации оборудования АЭС, как перед проведением модернизаций и ремонтов, так и при выводе энергоблоков из эксплуатации.
Преимущества концентрированного озона
Известно, что скорость химической реакции пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Процесс окисления озоном окислов хрома, а также применяемой в процессе дезактивации щавелевой кислоты имеет псевдопервый порядок, следовательно, скорость этого процесса прямо пропорциональна концентрации озона.
Экспериментальные исследования подтвердили перспективность использования концентрированного озона, по сравнению с озоном, традиционно получаемым на отечественных и зарубежных озонаторах, для разрушения щавелевой кислоты и других комплексонов.
Так, при применении концентрированного озона скорость разрушения щавелевой кислоты и ЭДТА (этилендиаминтетраацетат натрия) более чем в два раза больше, чем при использовании озона обычной концентрации (80-100 мг/дм3).
В проведенных авторами исследованиях по дезактивации оборудования из нержавеющей стали впервые было установлено, что взаимодействие окислов хрома происходит не с растворенным в воде озоном (при 90°С озон практически не растворим в воде), а с газообразным. Такой озон в процессе диффузии проникает через стенку пузыря мелкодисперсной водно-газовой смеси, контактирующей с поверхностью металла (рис. 2). В пользу данного предположения свидетельствует влияние на скорость дезактивации размера пузырька газа в водно-газовой смеси а, следовательно, и толщины пленки воды в ней. Чем меньше размер пузыря газа, тоньше пленка воды и, следовательно, быстрее проходит диффузия озона – тем быстрее идет окисления хрома. Таким образом, показана возможность интенсификации процесса дезактивации использованием концентрированного озона и регулированием размера пузыря озононесущего газа.
Рис. 2. Зависимость степени очистки поверхности нержавеющей стали от окисной пленки при различных температурах. Время обработки 7 мин.
Широкое внедрение на отечественных АЭС технологий переработки радиоактивных отходов и дезактивации оборудования с использованием концентрированного озона предотвратит образование большого количества отходов и другие негативные последствия традиционных технологий дезактивации.
Авторы
Б.Г. Ершов, член-корреспондент РАН, А.Ф. Селиверстов, к.х.н. (Институт физической химии и электрохимии им. А.Н.Фрумкина РАН)
А.Г. Басиев, к.ф.-м.н., А.А. Басиев (ООО «Лаборатория Озоновых Технологий»)
Ю.П. Корчагин, к.х.н. (ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт по эксплуатации атомных станций»)
