CC BY
71
3. Определены коэффициенты конкордации и выявлены критичные факторы, влияющие на процесс экстракции.
4. Разработан алгоритм диагностики работы оборудования химико-технологического процесса
с применением метода математической статистики.
5. Проведена апробация методики в производственных условиях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Афанасьева Т.А., Блиничев В.Н. Надежность химико-технологических производств. - Иваново, 2007. - 199 с.
2. Кривопустов С.И. Диагностика работы экстракционного оборудования // Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров: Матер. Всеросс. научно-практ. конф. -Уфа: УГНТУ, 2006. - С. 262-265.
3. Рузинов Л.П. Статистические методы оптимизации химических процессов. - М.: Химия, 1972. - 200 с.
Поступила 26.02.2009 г.
УДК 541.138.2
УДАЛЕНИЕ ПРОЧНОФИКСИРОВАННЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Г.Н. Колпаков, Н.А. Колпакова, В.А. Кузов*, В.И. Хвостов*
Томский политехнический университет *Сибирский химический комбинат, г. Северск E-mail: [email protected]
Показана возможность очистки лома нержавеющих сталей контура охлаждения промышленного реактора, работающего при высоких температурах («горячая» нитка) от радиоактивных загрязнений электролитическим методом. Установлено, что для труб «горячей» нитки системы охлаждения реакторов очистка происходит ступенчато путем замачивания очищаемой детали в фоновом электролите и последующем электролизе на каждой ступени. Процесс обработки осуществляется сначала в растворе 140 г/дм3 NaCl, а затем в растворе 3 % HNO. Образцы труб очищаются от радиоактивных загрязнений с 104 ß-частиц/см2. мин) до фоновых значений.
Ключевые слова:
Радиоактивность, дезактивация, оксидные отложения, электролитическая дезактивация. Key word:
Radiatioactivity, decontamination, oxide layer, electrolytic decontamination.
При выводе из эксплуатации ядерно-энергетических установок образуются металлические отходы, представляющие собой изделия различных типов, загрязненные радиоактивными веществами. Объемы таких отходов весьма значительны. Задача дезактивации состоит в удалении оксидных слоев и коррозионных отложений, содержащих радиоактивные вещества. Для этих целей применяют химические, механические, физические, электрохимические и электромагнитные способы [1, 2].
В качестве объектов исследований были выбраны стальные трубы выводимого из эксплуатации оборудования промышленных реакторов.
Исследования, проведенные нами ранее, показали, что для удаления фиксированных отложений «холодной» нитки наиболее удобен электрохимический метод [3]. Однако при работе оборудования при высоких температурах радиоактивные отложения более прочно связаны с металлом трубопровода, потому что отложения при высокой температуре спекаются.
Целью данной работы было выбрать условия очистки лома нержавеющих сталей контура охлаждения реактора, работающего при высоких температурах («горячая» нитка), от радиоактивных загрязнений электролитическим методом.
Для эксперимента отобраны 3 образца труб отводящего коллектора 1-го контура охлаждения реактора «горячей» нитки длиной 100 мм с внешним диаметром 195 мм и внутренним - 170 мм. Площадь внутренней поверхности образца составляла - 534 см2, внешней поверхности - 613 дм2. Образцы промаркированы номерами - 1, 2, 3.
Трубы контура охлаждения реактора не входят в состав активной зоны и не имеют наведенную активность. Плотность потока ^-излучения и мощность экспозиционной дозы образцов труб, подлежащих очистке, измерялась с помощью дозиметрических приборов РУП-1, ДКС и /-спектрометра Канберра. Установка дезактивации представляет собой бездиафрагменный электролизер, где в качестве одного из электродов служит дезактивируе-
Химия
мый образец. Второй электрод выполнен из графитовой втулки внешним диаметром 80 мм, коакси-ально расположенный внутри дезактивируемого образца. Если дезактивируемый образец является катодом, то такой режим называется катодным, а если анодом - анодным.
На внутренней стороне образцов «горячей» нитки имеются гладкие отложения от желтовато-коричневого до красновато-бурого цвета, толщиной около 0,5 мм. Радиоактивное загрязнение внутренних отложений на образцах составляло (3...8).103 в-частиц/(см2-мин). Внешняя поверхность образцов не имела отложений, её загрязнённость не превышала Ф104 в-частиц/(см2-мин). Дезактивация в катодном режиме оказалась неэффективна и далее нами не исследовалась. Образцы обрабатывались в несколько циклов со сменой условий. Условия дезактивации [3] и радиоактивность образцов по окончании каждого цикла приведены в табл. 1.
Образец 1. Первоначальное поверхностное радиоактивное загрязнение было равно 0,9404 в-ча-стиц/(см2-мин); мощность ионизирующего излучения на внутренней поверхности образца -6.103 мкР/ч. В первых двух циклах дезактивация образца проводилась в анодном режиме в отсутствие диафрагмы. Для интенсификации процесса была опробована асбестовая диафрагма.
Образец 2. Первоначальное поверхностное радиоактивное загрязнение 104 в-частиц/(см2.мин), мощность ионизирующего излучения на поверхности образца - 3,5103 мкР/ч. Образец обрабатывался в анодном режиме в растворе 140 г/дм3 №01. Затем был сменён тип электролита на раствор 3 % ЫК03.
Образец 3. Этот образец имел первоначальное поверхностное радиоактивное загрязнение 104 в-частиц/(см2.мин), мощность ионизирующего излучения на поверхности образца - 6403 мкР/ч. Сначала образец обрабатывался 40 мин в анодном режиме в растворе ЙаС1, а затем 40 мин в электролите 6 % ИШ3.
Анализ поверхности образцов выявил во всех случаях наличие питтинговой и язвенной электроэрозии, потому что при длительном воздействии электрического тока начинается электрорастворение обнажившегося металла, а оставшаяся пленка отложений не претерпевает видимых изменений. Радиоактивность образцов оставалась высокой. Одновременно температура дезактивирующего раствора увеличивалась до 60...65 °С для №С1 и 80...85 °С для кислотного электролита.
Нами была исследована зависимость напряжения, приложенного к клеммам электролизера, от времени очистки при дезактивации образца в разных электролитах. Процесс обработки был стабилизирован по току, плотность тока 200 мА/см2.
Характер зависимостей, приведенных на рисунке, показал, что спад напряжения обусловлен сте-
пенью очистки поверхности металла от пленки. Это связано с тем, что пленка отложений не пропускает электрический ток. Следовательно, чем меньше отложений остается на поверхности металла, тем меньше электрическое сопротивление электродной системы. Критерием окончания процесса очистки может служить выход напряжения на стационарный режим очистки, когда уже не происходит изменения сопротивления прохождению тока.
Таблица 1. Результаты дезактивации отрезка трубы «горячей нитки»
№ цикла 1 2 3
Образец № 1
Активность в-частиц/(см2-мин) 3000 1000 200
у, мкР/ч 1200 670 150
Наличие диафрагмы Нет Нет Есть
Время опыта, мин 20 20 20
Плотность тока, мА/см2 187 187 374
Электролит №С! №С! №С!
Коэффициент дезактивации КДв 0,66 0,88 0,97
Коэффициент дезактивации КДг 0,8 0,88 0,97
Образец № 2
Активность в-частиц/(см2-мин) 8000 4000 10
у, мкР/ч 2500 670 20
Время опыта, мин 20 40 40
Плотность тока, мА/см2 187 187 374
Электролит №С! №С! НШ3
Коэффициент дезактивации КДв 0,11 0,56 ~1
Коэффициент дезактивации КДг 0,58 0,90 ~1
Образец № 3
Активность в-частиц/(см2-мин) 7000 10 -
у, мкР/ч 2500 20 -
Время опыта, мин 40 40 -
Плотность тока, мА/см2 187 230 -
Электролит №С! ИШз -
Коэффициент дезактивации КДв 0,22 ~1 -
Коэффициент дезактивации КДу 0,58 ~1 -
Как видно из рисунка, время выхода на стационарный режим не превышает 10 мин.
-1-1-1-1-1-1-1-1
О 10 20 30
Время дезактивации, мин
Рисунок. Зависимость межэлектродного напряжения от времени электроочистки: 1) фон 140 г/дм3 №С; 2) фон 6 % HNOз
Увеличение температуры, при которой происходит электролитическая очистка поверхности, приводит к увеличению спада напряжения, что характеризует большую скорость очистки. Для нагретого электролита меньше потери электроэнергии, которые уходят на его разогрев до рабочей температуры.
Ранее нами показано [3], что электрохимический процесс тогда проходит эффективно, когда пленка проницаема для прохождения электролита к поверхности металла. Поэтому для обеспечения процесса дезактивации необходимо обеспечить контакт электролита с металлической поверхностью. Это можно сделать за счет химического разрушения отложений, что можно осуществить путем предварительного замачивания образца в отработанном электролите без наложения электрического тока. Электролитическая обработка при высоких плотностях тока, как мы видим, приводит к питинговой и язвенной эрозии металла, что не желательно.
По результатам проведенной работы предложен комбинированный способ электрохимической очистки: сначала замачивание в фоновом электролите, что приводит к смачиванию отложений и увеличивает их пористость, затем электролитическая дезактивация. Замачивание в растворе №ОН с концентрацией 15...20 мас. %, температура раствора 20...40 °С, время пропитки не менее 24 ч, затем электролитическая обработка в анодном режиме в растворе №С1 (240 г/л), время обработки 30 мин, плотность тока 100 мА/см2, температура электролита 50 °С.
После этого образец трубы замачивался повторно в растворе азотной кислоты (60 г/дм3) и выдерживался не менее 100 ч. Температура раствора поддерживалась 20...40 °С. Затем в этом же растворе проводилась электрохимическая обработка образца трубы в анодном режиме. Обработку в растворе кислоты рекомендуется проводить при следующих условиях: время обработки 10 мин, плотность тока не менее 100 мА/см2. Результат дезактивации комбинированным способом, описанным выше, показан в табл. 2.
Процесс пропитки можно интенсифицировать различными способами, например, за счет увеличения температуры раствора или путем воздействия на отложения ультразвуком и др.
Таким образом, проведенные нами исследования показали, что перед электрохимической обработкой металла с радиоактивными отложениями
необходимо проводить пропитку отложений в фоновом электролите, что приводит к проникновению электролита на границу между отложениями и металлом. Пропитка в №ОН способствует разрушению отложений, что улучшает контакт электролита с металлической поверхностью и уменьшает сопротивление прохождению тока.
Таблица 2. Результаты дезактивации образца «горячей» нитки комбинированным способом
Сторона трубы Величина радиоактивного загрязнения/мощность дозы ионизирующего излучения
Внутренняя ß-ча-стиц/(см2.мин) 2600 490 40 Фон
Y, мкР/ч 4,6102 3,2102 31
Наружная ß-ча-стиц/(см2.мин) 96 75 14 Фон
Y, мкР/ч 2,07102 2,5102 12
Примечание Исходные характеристики образца Обработка в NaCl Замачивание в HNO3 Электролиз в HNO3
Более плотные и прочные соединения удаляются в растворах кислот. При электрохимической обработке дезактивируемой поверхности в анодном режиме, помимо его воздействия на отложения, происходит электрорастворение поверхностного слоя металла на границе раздела «металл-отложения», что ослабляет силу сцепления отложений с металлом и позволяет удалить радионуклиды, проникшие в металл за счет диффузионных процессов.
Выводы
Показана возможность очистки лома нержавеющих сталей «горячей» нитки контура охлаждения реактора от внешнего радиоактивного загрязнения электролитическим методом.
Предложено очистку труб «горячей» нитки системы охлаждения реакторов проводить замачиванием очищаемой детали в фоновом электролите и двухступенчатым электролизом сначала в растворе №С1, а затем в растворе НКО3.
Образцы труб очищаются от отложений с начальным радиоактивным загрязнением 104 /З-ча-стиц/(см2.мин) и мощностью ионизирующего излучения на поверхности образца - 6.103 мкР/ч до фоновых значений, допускающих повторное использование металла в народном хозяйстве.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ампелогова Н.И., Симановский Ю.М., Трапезников А.А. Дезактивация в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 130 с.
2. Зимон А.Д., Пикалов В.К. Дезактивация. - М.: Атомная техника, 1994. - 180 с.
3. Колпаков Г.Н., Колпакова Н.А., Кузов В.А., Хвостов В.И. Очистка лома нержавеющих сталей от радиоактивных загрязнений электрохимическим методом // Известия Томского политехнического университета. - 2009. - Т. 314. - № 3. - С. 74-78.
Поступила 21.09.2009 г.
