Устройство и способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений

 

Изобретение относится к области дезактивации металлических поверхностей объектов, имеющих радиоактивные отложения, например элементов атомных реакторов. Технический результат: повышение эффективности очистки металлических поверхностей объектов от радиоактивных отложений, увеличение производительности, уменьшение энергозатрат. Сущность изобретения: очищаемый объект 2, например труба, соединяется с устройством 9, обеспечивающим ее вращение, и помещается в ванну 1, заполненную жидкостью или абразивной суспензией. Внутрь объекта вводится электродная система 5. Включаются источник высоковольтных импульсов 3 и устройство, синхронизирующее частоту подачи импульсов 4, скорость движения тележки 10 и скорость вращения объекта 2. Через электродную систему высоковольтные импульсы подаются на наконечники 6. Происходит пробой рабочего промежутка (R) между наконечником 6 и поверхностью очищаемого объекта 2, и при этом происходит очистка локальной поверхности металла от радиоактивных отложений. Этот процесс повторяется многократно в процессе сканирования поверхности, пока вся поверхность металла не будет очищена от отложений. Наличие на электродной системе 5 механизма 8, обеспечивающего постоянство рабочего промежутка (R) в процессе работы, позволяет равномерно, в одинаковых условиях, обрабатывать всю поверхность объекта. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

Устройство и способ относятся к области дезактивации металлических поверхностей объектов, имеющих радиоактивные отложения, например элементов атомных реакторов.

Известны электролитические способ и устройство дезактивации поверхности металла (см. А.Д. Зимон. Дезактивация - М.: Атомиздат, 1975, с. 256-264). По этому известному способу очистка поверхности металлического объекта происходит в результате электролиза, когда между изделием, помещенным в кислотный или щелочной раствор, и электродом пропускается ток. Устройство, реализующее этот процесс, состоит из ванны, источника электрической энергии и иногда снабжается дополнительным потенциальным электродом.

Недостатком известных способа и устройства является то, что очистка от загрязнений происходит в результате длительного электролитического процесса и связана с большими затратами энергии. Кроме того, сложные профили объекта и различная толщина отложений приводят к неравномерности дезактивации, что приводит к дополнительным потерям энергии, учитывая, что плотности тока в устройстве составляют ~ 100 мА/см², а время обработки может достигать нескольких часов. Форма ванны и электродов в устройстве не является универсальной, и для каждого изделия требуются специальные конструкции элементов устройства. После процесса очистки большие затраты связаны с утилизацией растворов кислот и щелочей, содержащих радиоактивные элементы.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемым результатам к заявляемым устройству и способу являются выбранные нами за прототип способ и устройство очистки поверхностей от радиоактивных загрязнений с помощью ультразвука (А. Д. Зимон. Дезактивация - М.: Атомиздат, 1975, с. 241-255). Известные способ и устройство основаны на возбуждении упругих колебаний жидкой среды, в которую помещен загрязненный объект. Разрушение и отрыв от поверхности радиоактивных отложений осуществляются за счет акустического течения, звукового давления и кавитации. Устройство для реализации этого процесса состоит из ванны с дезактивирующим раствором, вмонтированными ультразвуковыми преобразователями, число которых может достигать 40 шт. В ряде конструкций очищаемое изделие перемещается относительно ультразвуковых преобразователей. Акустическое течение и звуковое давление распространяются в жидкой среде на относительно большие расстояния от ультразвукового преобразователя и воздействуют на слабо фиксированные радиоактивные отложения. Основной вклад в очистку поверхности вносят кавитационные образования (пузырьки), которые образуются в результате разрыва жидкости в фазе растяжения. При их схлопывании в фазе сжатия жидкости формируются ударные волны с пиковым давлением до 10⁷ Па, которые и являются основным инструментом разрушения загрязнений. Иногда в качестве жидкой фазы используются растворы кислот или щелочей.

К основным недостаткам этих устройства и способа относится низкая эффективность процесса. Так, звуковое давление и акустические течения практически не влияют на отделение прочносвязанных с поверхностью отложений, а кавитационные образования распределены во всем объеме жидкости и только незначительное их количество формируется на обрабатываемой поверхности, поэтому очистка требует длительного времени и больших затрат энергии, тем более что образующиеся кавитационные поля экранируют последующие ультразвуковые волны, что ограничивает мощности ультразвуковых преобразований и приводит к большим затратам энергии на стадии формирования пузырьков кавитации на поверхности объекта.

Устройство, реализующее этот способ, требует высокоточной установки ультразвуковых преобразователей относительно очищаемого объекта, что делает его практически не пригодным для обработки сложных поверхностей, а также не обеспечивает равномерного отделения загрязнений, имеющих различную толщину.

Основной технической задачей предлагаемых устройства и способа является повышение эффективности очистки металлических поверхностей объектов от радиоактивных отложений, увеличение производительности, уменьшение энергозатрат.

Как показали результаты экспериментальных исследований, при использовании предлагаемых устройства и способа скорость очистки внутренних поверхностей изделий (например, труб вторичного контура реактора) составила ~ 12,5 см²/ч, что в 5-6 раз выше, чем при использовании ультразвука, а удельные затраты энергии при 100% очистке поверхности не превышало 72 кВт•ч/см², что в 1,2-2 раза ниже, чем при ультразвуковом воздействии.

Указанная техническая задача достигается тем, что устройство очистки металлической поверхности объектов, содержащее заполненную жидкостью емкость для размещения очищаемого объекта и источник импульсного воздействия, согласно предложенному решению снабжено электродной системой, соединенной с источником импульсов высокого напряжения, причем электродная система снабжена амортизатором, а электроды имеют съемные наконечники.

Кроме того, устройство целесообразно снабдить узлом, обеспечивающим сканирование электродной системы над очищаемой поверхностью, и элементом, синхронизирующим скорость сканирования и частоту подачи импульсов высокого напряжения.

Целесообразно также электродную систему снабдить механизмом, обеспечивающим постоянный промежуток между смежными наконечниками и очищаемой поверхностью.

Указанный технический результат достигается и тем, что в способе очистки металлических поверхностей объектов от радиоактивных загрязнений, при котором объект помещают в жидкость и осуществляют импульсное воздействие на очищаемую поверхность, согласно предложенному решению на очищаемую поверхность воздействуют высоковольтными импульсными разрядами при отношении энергии единичного импульса к длине разрядного промежутка в пределах 10 ≅ W₀/R ≅ 20 Дж/мм, где W₀ - энергия единичного импульса, Дж; R - длина разрядного промежутка, мм.

Кроме того, целесообразно в качестве жидкости использовать абразивную суспензию на основе воды или органической жидкости.

При реализации предложенных способа и устройства в разрядном промежутке между очищаемой металлической поверхностью и электродами при подаче на них высоковольтного импульса формируется электрическая искра, траектория которой проходит через жидкость или абразивную суспензию и радиоактивное отложение. При этом формируется ударная волна, которая отражается от поверхности металла, отделяет основные отложения от металла. За фронтом ударной волны в зоне разложения формируется кавитационная зона, пузырьки которой образуются на поверхности и при схлопывании создают кратковременные давления с амплитудой до 10⁸ Па, которые отделяют тонкие отложения с металлической поверхности. На завершающей стадии развития разряда образуется пульсирующая парогазовая полость, которая создает высокоскоростные потоки жидкости (до 40 м/с), что позволяет довести полную очистку металлической поверхности от радиоактивных отложений. Плотность энергии в канале разряда определяет степень и зону очистки металлической поверхности при единичном импульсном воздействии, определяет скорость сканирования электродов над очищаемой поверхностью и, соответственно, затраты энергии и производительность процесса.

Использование абразивной суспензии на основе воды или органической жидкости позволяет увеличить степень очистки объекта до металлического блеска за счет ускоренного движения абразивных частиц по поверхности металла.

Использование электродной системы, соединенной с источником импульсов высокого напряжения, снабженной амортизатором и сменными наконечниками электродов, позволяет увеличить срок службы электродной системы за счет компенсации ударных нагрузок и периодической замены изнашивающихся электродных наконечников, что повышает длительность межремонтных периодов и более эффективного использования установки. Использование сканирующего устройства и элемента, синхронизирующего скорость сканирования электродной системы над очищаемым объектом и частоту подачи импульсов высокого напряжения, обеспечивает равномерную очистку металлических поверхностей, снижает затраты энергии и увеличивает производительность, т. к. предотвращает повторное воздействие импульсов на уже очищаемые участки поверхности.

Использование устройства, обеспечивающего постоянный промежуток между сменными наконечниками и очищаемой поверхностью, позволяет поддерживать постоянное энерговыделение в канале разряда независимо от формы поверхности, что улучшает условия ее очистки при многоимпульсном воздействии.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественные всем признакам заявляемых устройства и способа очистки металлических объектов от радиоактивных загрязнений, отсутствуют. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений соответствует условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками каждого заявляемого изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками каждого из заявляемых изобретений преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, каждое из заявляемых изобретений соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

В настоящей заявке на выдачу патента соблюдено требование единства изобретения, поскольку устройство и способ предназначены для очистки металлических поверхностей объектов от радиоактивных загрязнений.

Заявляемые изобретения решают одну и ту же задачу - повышение эффективности очистки металлических поверхностей объектов от радиоактивных отложений.

Ниже приведены примеры конкретного выполнения заявляемых устройства и способа при очистке внутренних поверхностей труб вторичных контуров атомных реакторов.

На фиг. 1 приведена схема устройства для очистки внутренних поверхностей обрезков труб, на фиг. 2 - разрез крепления наконечника к электродной системе, а на фиг. 3 - разрез конструкции, обеспечивающей постоянный рабочий промежуток (А-А).

Устройство содержит емкость 1, заполненную жидкостью или абразивной суспензией, в которой размещен очищаемый объект 2; источник высоковольтных импульсов 3 с элементом 4, синхронизирующим скорость сканирования и частоту подачи импульсов высокого напряжения; электродную систему 5, помещенную внутри очищаемого объекта, соединенную с источником импульсов высокого напряжения 3, внутри которой имеются сменные наконечник 6 и амортизатор 7, а также механизм 8, обеспечивающий постоянный размер рабочего промежутка. Очищаемый объект соединен с приводом 9, обеспечивающим вращательное движение объекта, а электродная система 5 и источник импульсов высокого напряжения 3 смонтированы на тележке 10 с приводом 11, обеспечивающим поступательное движение электродной системы.

Способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных отложений и работа устройства осуществляются следующим образом. Очищаемый объект 2, например труба, соединяется с устройством, обеспечивающим ее вращение, 9 и помещается в ванну 1, заполненную жидкостью или абразивной суспензией. Внутрь объекта вводится электродная система 5. Включаются источник высоковольтных импульсов 3 и устройство, синхронизирующее частоту подачи импульсов 4, скорость движения тележки 10 и скорость вращения объекта 2, и через электродную систему высоковольтные импульсы подаются на наконечники 6. Происходит пробой рабочего промежутка (R) между наконечником 6 и поверхностью очищаемого объекта 2, при этом происходит очистка локальной поверхности металла от радиоактивных отложений. Этот процесс повторяется многократно в процессе сканирования поверхности, пока вся поверхность металла не будет очищена от отложений. Наличие на электродной системе 5 механизма 8, обеспечивающего постоянство рабочего промежутка (R) в процессе работы, позволяет равномерно, в одинаковых условиях обрабатывать всю поверхность объекта (внутреннюю часть трубы).

В таблице представлены показатели степени очистки поверхности до металлического блеска внутренней поверхности трубы диаметром 40 см с использованием в качестве жидкости воды и абразивной суспензии "вода-бакор", значения удельной энергоемкости и удельной производительности от плотности энергии в рабочем промежутке (W₀/R). Из представленных результатов следует, что с увеличением плотности энергии в рабочем промежутке степень очистки поверхности увеличивается и достигает 100% при W₀/R ≈ 10 Дж/мм.

Удельная производительность единичного импульса также растет, а зависимость удельной энергоемкости при увеличении плотности энергии в рабочем промежутке имеет минимальное значение. Это связано с тем, что при малых значениях плотности энергии в рабочем промежутке зона воздействия всех факторов, сопровождающих электрический пробой жидкости (удельные волны, кавитационные процессы, скорости движения жидкости на границе парогазовой полости), уменьшается и, соответственно, сокращается зона обработки от одного импульса. При больших значениях плотности энергии в рабочем промежутке зона обработки импульса достаточно велика и перекрывает зону, образующуюся при следующем импульсе, т.е. степень очистки становится максимальной, а удельная энергоемкость увеличивается. В результате зависимость удельной энергоемкости процесса от плотности энергии в промежутке имеет явно выраженный оптимум, который находится в диапазоне 10 ≅ W₀/R ≅ 20, Дж/мм.

В этом диапазоне энергии единичного импульса достаточно для очистки поверхности металла на расстоянии шага сканирования, т.е. эти зоны не перекрываются. Следовательно, наибольшая эффективность очистки поверхностей металла от радиоактивных отложений при использовании электрических импульсных разрядов достигается при плотностях энергии в рабочем промежутке от 10 до 20 Дж/мм. Использование абразивных суспензий в качестве жидкости позволило уменьшить удельные затраты энергии при очистке внутренней поверхности металлических труб с ~ 83•10^-4 до ~ 71•10^-4 г/см² и увеличить удельную производительность с ~ 1,9 до 2,8•10^-2 см²/имп.

Формула изобретения

1. Устройство очистки металлических поверхностей объекта от радиоактивных загрязнений, содержащее заполненную жидкостью емкость для размещения очищаемого объекта и источник импульсного воздействия, отличающееся тем, что оно снабжено электродной системой, соединенной с источником импульсов высокого напряжения, причем электродная система снабжена амортизатором, а электроды имеют сменные наконечники.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом, обеспечивающим сканирование электродной системы над очищаемой поверхностью, и элементом, синхронизирующим скорость сканирования и частоту подачи импульсов высокого напряжения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что электродная система снабжена механизмом, обеспечивающим постоянный промежуток между сменными наконечниками и очищаемой поверхностью.

4. Способ очистки металлических поверхностей объектов от радиоактивных загрязнений, при котором объект помещают в жидкость и осуществляют импульсное воздействие на очищаемую поверхность, отличающийся тем, что на очищаемую поверхность воздействуют высоковольтными импульсными разрядами при отношении энергии единичного импульса к длине разрядного промежутка в пределах 10 ≅ W₀/R ≅ 20 Дж/мм, где W₀ - энергия единичного импульса, Дж, R - длина разрядного промежутка, мм.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве жидкости используют абразивную суспензию на основе воды или жидкости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4