Электрохимическая дезактивация металла на месте загрязнения

При выводе из эксплуатации оборудования и помещений нередко возникает необходимость очистки металлических поверхностей громоздкого лабораторного оборудования и устройств, локально загрязненных радиоактивными веществами, поскольку демонтаж оборудования для вывоза на переработку  зачастую бывает трудоемким и радиационно-опасным. Кроме того, часто требуется дезактивация действующих локально загрязненных радионуклидами помещений и лабораторного оборудования. Предлагаемый способ дезактивации дает возможность очищать металлические поверхности непосредственно в местах их расположения при минимальном участии персонала.

Установка электрохимической дезактивации

На ГУП МосНПО «Радон» разработана и испытана опытная установка для электрохимической дезактивации плоских металлических поверхностей – горизонтальных, наклонных и вертикальных.

Основным элементом является присоска, представляющая собой камеру с двумя штуцерами для вакуумирования ее внутреннего объема и для подачи в него дезактивирующего раствора.

За счет вакуумирования присоска может надежно удерживаться как на горизонтальных, так и на вертикальных поверхностях без дополнительных фиксирующих приспособлений.

Дезактивирующий раствор, подачу которого можно регулировать, поступает в рабочий объем присоски аспирационно через гибкий шланг, а удаляется – через штуцер для вакуумирования вместе с откачиваемым воздухом. Таким образом, осуществляется непрерывный проток дезактивирующего раствора через рабочий объем присоски.

Отработанный дезактивирующий раствор собирается в сборнике-ресивере, впоследствии он может быть восстановлен и использован повторно.

Дезактивация металла осуществляется за счет анодного растворения поверхностного слоя, содержащего радионуклидное загрязнение, с одновременным удалением радионуклидов-загрязнителей вместе с отработанным раствором и травильным шламом; образующиеся при электролизе газы также отсасываются через штуцер вакуумирования. При этом анодом служит дезактивируемый металл, катодом – корпус присоски.

Эффективность дезактивации определяется глубиной разрушения поверхностного слоя металла и изначально зависит, в основном, от рабочей плотности электрического тока и времени обработки.

Состав используемого дезактивирующего раствора зависит от состояния обрабатываемой поверхности − степенью коррозии, наличия лакокрасочных покрытий, масла, шлаков и т.п.

Установка электрохимической дезактивации была испытана на фрагментах металлического оборудования, имеющего радиоактивное загрязнение различной природы и разного уровня активности. Испытания проводились в лабораторных условиях и на оборудовании радиохимической лаборатории, выводимой из эксплуатации.

Схема установки дезактивации

Лабораторное тестирование

Для лабораторных испытаний были выбраны металлические материалы и фрагменты оборудования, загрязненные радионуклидами в процессе эксплуатации:

• свинцовая плита с многочисленными выбоинами глубиной до 5 мм (загрязнение глубинное, фиксированное; плотность потока β-частиц – 900-1300 част/см²*мин);
• фрагмент воздуховода установки сжигания «Факел» из нержавеющей стали, покрытый сплошным жирным слоем сажи толщиной до 3 мм (плотность потока β-частиц – до 60 част/см²*мин);
• вертикально расположенная кромка вытяжной трубы из нержавеющей стали, покрытая слоем обгоревшей краски и ржавчиной, с вкраплениями вплавленного шлака (плотность потока β-частиц – 390-460 част/см²*мин).

Использовались дезактивирующие растворы 1М KNO₃, 0,5М НNO₃, 1% NaNO₃, 10% NaNO₃, 1% NaOH, 3% Na₂CO₃. Плотность тока составляла 5-25 А/дм², продолжительность обработки – от нескольких минут до двух часов.

Свинцовая плита очищена полностью. Коэффициент дезактивации − 6.

Поверхность свинцовой плиты после дезактивации

Электрохимическая обработка фрагмента воздуховода из нержавеющей стали с установки сжигания позволяет полностью очистить поверхность от слоя сажи и радиоактивного загрязнения (коэффициент дезактивации – 15).

Участок, обработанный с помощью установки (площадь очищенного квадрата 100 см²)

Дезактивация вертикально-расположенного воздуховода проведена успешно. Коэффициент дезактивации – 10.

Присоска расположена на вертикальной поверхности вытяжной трубы. Виден вакуумирующий шланг (черный) и шланг для подачи дезактивирующего раствора (тонкий прозрачный), а также провода (белый и красный), подводящие постоянный электрический ток

Проведенные тестовые испытания показали удобство и эффективность установки, возможность масштабирования предложенного процесса дезактивации и проведения его на горизонтальной, наклонной и вертикальной поверхностях.

Выяснилось, что при относительно чистой поверхности металла (небольшом количестве продуктов коррозии, отсутствии краски и органических веществ) роль дезактивирующего раствора сводится к обеспечению достаточной электропроводности между анодом и катодом. В этом случае целесообразно применять растворы нитрата натрия или калия различной концентрации, которые можно использовать многократно. Если на поверхности металла много продуктов коррозии или шлаков (сварочных, литейных и т.д.), необходимо подбирать состав дезактивирующего раствора. Для удаления органических веществ типа смазки или нагара целесообразно использование щелочно-карбонатных растворов. При наличии лакокрасочных покрытий очистку можно проводить путем прокачки дезактивирующего раствора через рабочий объем присоски, без наложения постоянного электрического тока; при этом необходим индивидуальный подбор дезактивирующей композиции.

Испытания на загрязненном объекте

При испытаниях на выводимой из эксплуатации радиохимической лаборатории установка была дополнена узлом очистки дезактивирующего раствора и работала по замкнутому циклу (с постоянной очисткой раствора от взвесей и радионуклидов).

На следующих рисунках представлены отдельные узлы установки, смонтированные в помещении горячих камер.

Насос НП-25 с пускателем и вакуумным ресивером

Трансформатор ТД402 и выпрямитель с регулятором

Блок фильтрации и вакуумные шланги

Объектом испытаний стала внутренняя поверхность перчаточной камеры из нержавеющей стали. Сталь была покрыта темной пленкой и, местами, слоем продуктов коррозии, неравномерно загрязнена (уровень фиксированного загрязнения α- и β-излучающими радионуклидами варьировался в диапазоне от 102 част/cм²*мин до 105 част/cм²*мин). На днище камеры обнаружено «горячее» пятно с толстым слоем продуктов коррозии диаметром до 15 см (уровень загрязнения α-излучающими радионуклидами – около 2000 част/cм²*мин).

Внутренняя поверхность перчаточной камеры (вид со стороны задней стенки)

а – общий вид

б – пятно с продуктами коррозии на днище камеры

На днище камеры обнаружено «горячее» пятно с толстым слоем продуктов коррозии (рис.б). Наибольший поперечный размер пятна – до 15 см. Предварительно измеренный уровень α-загрязнения ~ 2000 част/cм²×мин. 

Камера была полностью дезактивирована путем обработки присосками разных размеров и формы.

Поверхность дверцы разделили на девять квадратов, в центре которых произвели замеры уровней загрязнения α-излучающими радионуклидами (зафиксированный уровень загрязнения изменялся в диапазоне от 9 част/cм²×мин до 270 част/cм²×мин). 

Дверца камеры до дезактивации (мелом написаны значения уровней загрязнения)

Дверцу обрабатывали с помощью присоски прямоугольной формы рабочей площадью 2,9 дм². Присоска служила катодом, дезактивируемая поверхность – анодом.

Дезактивация дверцы камеры

Дезактивацию проводили последовательно – участок за участком, при этом присоску накладывали таким образом, чтобы соседние участки дезактивируемой поверхности перекрывались на 1-2 см. Было обработано шесть участков суммарной площадью около 17 дм². Поверхность стали после обработки становилась светлой.

Рисунок 11 – Последовательность дезактивации участков: 1 (а), 2 (б), 3 (в), 4(г), 5(д), 6 (е).

Уровни загрязнения поверхности после дезактивации не превышали 10 част/cм²×мин (рис. е). Таким образом, в данных условиях коэффициент дезактивации составил 27.

Участок «горячего» пятна на днище камеры обрабатывали прямоугольной присоской с рабочей поверхностью 2,9 дм².

Дезактивация «горячего» пятна

Дезактивацию пятна проводили за несколько циклов. Результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты дезактивации "горячего" пятна

После четырех циклов дезактивации продукты коррозии частично были удалены с поверхности, а в центре пятна вскрылось значительное загрязнение α-излучающими радионуклидами (12000-100000 част/см²×мин).

Остатки продуктов коррозии на «горячем» пятне после 4-х циклов дезактивации

Поэтому последний цикл дезактивации произвели круглой присоской с площадью рабочей поверхности 0,5 дм², при этом присоску установили точно на участок, покрытый продуктами коррозии.

Дезактивация «горячего» пятна круглой присоской (внизу – поверхность после дезактивации)

После завершения цикла продукты коррозии были полностью удалены, уровень загрязнения дезактивированной поверхности составил менее 10 част/см²×мин.

Таким образом, испытания показали следующие результаты:

• очистка металлической поверхности без коррозионного повреждения с помощью установки электрохимической дезактивации может быть достигнута за один цикл обработки в течение 15 мин.;
• при наличии коррозии необходимо добиваться ее полного удаления, для чего следует использовать оптимизированные варианты присосок;
• установка, оснащенная набором сменных присосок различного размера, может обеспечить достаточно эффективную дезактивацию загрязнений различной интенсивности и формы;
• использование установки предлагаемой конструкции позволяет проводить дезактивацию плоских поверхностей любого угла наклона, включая вертикальные и потолочные;
• процесс дезактивации с помощью данной установки не требует постоянного присутствия персонала в месте нахождения объекта дезактивации – только кратковременного, при перемещении и закреплении присоски в разных местах дезактивируемой поверхности.

Заключение

Для дальнейшего развития этой технологии дезактивации предполагается разработать и изготовить мобильную установку, позволяющей проводить дезактивацию плоских горизонтальных, наклонных, вертикальных поверхностей, которая будет работать по замкнутому циклу с обеспечением очистки раствора для повторного использования. Ее использование позволит проводить дезактивацию помещений и оборудования перед фрагментацией для снижения радиационных нагрузок на персонал, а также очистку поверхностей действующего оборудования для дальнейшего безопасного использования.

Авторы

Баринов А.С., к.т.н., Юрченко А.Ю., Карлина О.К., к.х.н., Николаев А.Н., Карлин Ю.В., д.х.н. (ГУП МосНПО «Радон»)