Способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений

 

Изобретение относится к ядерным технологиям, а именно к дезактивации металлических поверхностей, загрязненных прочнофиксированными радионуклидами. Сущность изобретения: способ очистки металлических поверхностей, загрязненных радионуклидами, включает стадию формирования на очищаемой поверхности легкосъемной полимерной пленки, образующейся после нанесения пленкообразующей композиции. В состав пленкообразующей композиции входят водорастворимый пленкообразователь, пластификатор, поверхностно-активное вещество, а также минеральные кислоты в количестве, обеспечивающем рН раствора в области 0,5-2. Процесс дезактивации проводят при анодной поляризации обрабатываемой поверхности с плотностью проходящего тока 0,2-7,5 А/дм². Затвердевшую полимерную пленку удаляют вместе с фиксированными в ней радионуклидами. Преимущества изобретения заключаются в том, что оно позволяет осуществлять глубокую очистку металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений без образования жидких отходов. 2 з.п.ф-лы, 5 табл.

Изобретение относится к ядерным технологиям, в частности к дезактивации металлических поверхностей, загрязненных прочнофиксированными радионуклидами. В настоящее время в связи с возрастанием объема радиоактивных отходов, подлежащих длительному хранению или окончательному захоронению, требования, предъявляемые к способам дезактивации, в том числе металлических поверхностей, становятся более жесткими: наряду с тем, что способ должен быть эффективным, радиационно безопасным, в процессе его осуществления количество генерируемых отходов, подлежащих дальнейшей переработке, должно быть, по возможности, минимальным. Образовавшиеся же вторичные отходы должны быть технологичными в плане обращения с ними. В последние годы все большее применение находят "сухие" способы дезактивации, при осуществлении которых не образуются жидкие отходы. Эффективным средством сухой очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений являются легкосъемные пленки специального состава. Пленки образуются непосредственно на поверхности металла после нанесения на нее слоя исходной пленкообразующей композиции.

Подбором состава компонентов пленкообразующей композиции пленкам придают необходимые свойства.

Составы, рекомендованные к внедрению для сухой дезактивации металлических поверхностей, разнообразны. Компонентами, входящими практически во все композиции, являются пленкообразователь, пластификатор и поверхностно-активное вещество (ПАВ). В ряде случаев могут быть введены также комплексообразователи, растворители, сорбенты, наполнители, в зависимости от природы основного компонента - вещества, формирующего пленку. Основой пленкообразующих композиций, используемых для сухой очистки металлических поверхностей, служат: натуральные или синтетические латексы; органические растворители; водноэмульсионные или водорастворимые полимерные материалы.

Композиции на основе латексов дороги, а также требуют введения в состав пленкообразующей композиции взрыво- и пожароопасных органических растворителей.

Токсичность и повышенная пожароопасность является существенным недостатком композиций на основе органических растворителей.

Наибольшее распространение для дезактивации металлических поверхностей с помощью легкосъемных полимерных пленок получили композиции на основе водорастворимых полимерных пленкообразователей.

В состав на основе водорастворимых пленкообразователей входят (помимо последнего): пластификатор, ПАВ, а также могут быть добавлены комплексообразователи.

Способ очистки металлических поверхностей, загрязненных радионуклидами, с помощью формирования на них легкосъемной полимерной пленки путем нанесения на очищаемые поверхности пленкообразующего состава на основе водорастворимого пленкообразователя позволяет получать дезактивирующие пленки, которые сорбируют и прочно удерживают радионуклиды по всему объему пленки, обладают оптимальной адгезией - удерживаются на поверхности и в то же время легко удаляются по мере необходимости, имеют достаточную прочность и эластичность. Введение комплексообразователя, пластификатора, минеральных кислот в определенных пределах в состав водного раствора пленкообразователя не приводит к разрушению полимерной основы образующегося покрытия [1, 2]. Однако при использовании данного способа полностью удаляются только нефиксированные и, частично, слабофиксированные радиоактивные загрязнения.

Известно, что десорбция радионуклидов с металлической поверхности возрастает с повышением их положительного потенциала при прохождении тока [1].

На принципе анодной поляризации основано большинство описанных в литературе способов электрохимической дезактивации. Загрязненная поверхность служит анодом, катод представляет собой пластины из металла, стойкого в электролите.

Хорошие результаты по дезактивации и обеспечению нужной чистоты поверхности различных металлов получают при использовании электролитов на основе серной, фосфорной и азотной кислот.

Электрохимические способы позволяют провести интенсивную, полную дезактивацию металлических поверхностей независимо от состава кислотного электролита и загрязнений (при определенных электрических параметрах процесса). Однако большие объемы жидких радиоактивных отходов электрохимического процесса делают способ радиационно-опасным и экономически невыгодным, поскольку генерируемые вторичные отходы требуют значительных затрат на дальнейшую переработку.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений, обеспечивающего повышение эффективности дезактивации за счет удаления радионуклидов прочнофиксированных в структуре поверхностного слоя очищаемой поверхности. Кроме того, задачей изобретения является создание способа дезактивации металлических поверхностей, который наряду с глубокой дезактивацией давал бы в процессе своего осуществления минимальное количество вторичных отходов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений, включающем формирование на очищаемых поверхностях легкосъемных полимерных пленок путем нанесения пленкообразующей композиции, в состав которой входят водорастворимый пленкообразователь, пластификатор, ПАВ, и удаление образовавшейся полимерной пленки с фиксированными в ней радионуклидами. Особенность предлагаемого способа состоит в том, что в процессе очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений осуществляют анодную поляризацию очищаемой поверхности, при этом полимеризующаяся композиция сочетает в себе свойства пленкообразующего состава и электролита. Для усиления электрохимической составляющей процесса в состав композиции вводят минеральные кислоты (H₂SО₄, и/или Н₃РО₄, и/или HNO₃) в количестве, достаточном для того, чтобы рН раствора составляла 0,5-2. При значении рН раствора менее 0,5 поверхностный слой стравливается недостаточно, что снижает эффективность дезактивации, а при значении рН, превышающем 2, возможно сшивание полимера, входящего в пленкообразующую композицию, что приводит к увеличению адгезии пленки к металлической поверхности.

Нанесение пленкообразующей композиции осуществляют при поляризации обрабатываемых металлических поверхностей с плотностью тока от 0,2 до 7,5 А/дм². При плотности тока, меньшей 0,2 А/дм², снижается скорость процесса, а при плотности тока, превышающей 7,5 А/дм², снижается его эффективность за счет побочных процессов (например, газовыделения на электродах).

В раствор пленкообразующего состава, по одному из частных вариантов, добавляют комплексообразующее вещество, например щавелевую кислоту, которое связывает продукты электрохимических реакций, а также препятствует сшиванию полимера, уменьшая тем самым адгезию образованной полимерной пленки к металлической поверхности.

В результате решения данных задач достигается технический результат, заключающийся в повышении эффективности дезактивации за счет того, что электрохимическая обработка очищаемой поверхности инициирует переход прочнофиксированных загрязнений в раствор пленкообразующей композиции. Формирование же на заключительной стадии полимерной пленки, в которой фиксированы радионуклиды, позволяет избежать образования жидких отходов.

Оценка эффективности пленкообразующей композиции как электролита и пленкообразователя проводилась в лабораторных условиях. В качестве водорастворимого пленкообразователя использовали поливиниловый спирт (ЛВС), пластификатора - глицерин. Составы пленкообразующих растворов, электрические параметры электрохимических процессов и результаты обработки нержавеющей стали представлены в таблице 1. Из приведенных данных следует, что все исследуемые составы обеспечивают съем металла, необходимый для глубокой дезактивации нержавеющей стали. Эксперименты показали также, что наиболее оптимальными параметрами анодной обработки являются: плотность тока (0,2 -7,5 А/дм²); напряжение (5-20 В); время обработки, которое при таком электрическом режиме составляет около 5 мин.

Вязкость пленкообразующих композиций, выбранных для оценки эффективности способа, определялась с помощью вискозиметра ВЗ-4. Установлено, что время истечения указанных композиций составляет при 20^oС 46±1 сек, а при 40^oС - (38±1 сек). Данная вязкость позволяет наносить исходную композицию как наливом, так и более экономичным распылением. При расходе пленкообразующей композиции в 0,25-0,5 кг/м² толщина образующегося покрытия составляет 90-110 мкм, что обеспечивает достаточно легкое удаление отработанного покрытия с поверхности металла.

При указанном расходе пленкообразующей композиции время образования покрытия составляет 4-8 часов при нормальных условиях. Определение величины адгезии образовавшихся пленок проводилось по методике, описанной А.А. Берлиным и В. Е. Басиным в книге "Основы адгезии полимеров", Москва, "Химия", 1969.

При вышеуказанных параметрах расхода, температуры, влажности воздуха величина адгезии образовавшихся пленок на поверхности неактивной нержавеющей стали составляет 0,5-1,0 кг/м².

Для оценки эффективности дезактивации с помощью предлагаемого способа использовали следующие композиции: 1) 10 мас.% ПВС + 15 мас.% Н₃РО₄ + 3 мас.% глицерина + 0,1 мас.% ПАВ; 2) 10 мас.% ПВС + 5 мас.% H₂SО₄ + 3 мас.% глицерина + 0,1 мас.% ПАВ; 3) 10 мас.% ПВС + 15 мас.% Н₃РО₄ + 5 мас.% H₂SO₄ + 0,1 мас.% ПАВ; 4) 1 мас.% H₂SО₄ +10 мас.% ПВС +0,1 мас.% ПАВ + 1 мас.% Н₂С₂О₄ + 3 мас.% глицерина, при этом рН растворов составляла 0,5-2.

Дезактивацию осуществляли следующим образом. Образцы нержавеющей стали 12Х18Н10Т (пластины размером 20 x 20 мм) перед загрязнением обезжиривали в водном растворе ПАВ, промывали дистиллированной водой, высушивали на воздухе и протирали тампоном, смоченным в этиловом спирте.

Подготовленные образцы активировались капельным нанесением азотнокислого раствора радионуклидов ²³⁹Рu, ¹³⁷Cs, ⁹⁰Sr до уровня 1,103-9,103 Бк/см². Аликвоту раствора наносили на поверхность образца и высушивали при комнатной температуре в течение 1 месяца в эксикаторе. Слабофиксированные загрязнения удаляли влажным тампоном, после чего образцы вновь высушивали.

Дезактивацию указанными составами проводили в нормальных условиях при анодной поляризации. Режимы электрохимической обработки соответствовали режимам, которые были определены в качестве оптимальных при оценке эффективности пленкообразующих составов (см. выше).

В качестве катода использовали пластины из нержавеющей стали размером 20 x 20 мм.

Образовавшаяся полимерная пленка удалялась с образцов с небольшим усилием. Измерение уровней радиоактивного загрязнения образцов до и после дезактивации осуществлялось с помощью радиометра СПАР. Эффективность дезактивации оценивалась по величине коэффициента дезактивации К_д=А_исх/A_кон, где А_исх и А_кон - активность образцов до и после дезактивации.

Результаты дезактивации образцов из нержавеющей стали, загрязненных Cs, Sr и Pu, с применением предложенного способа представлены в таблицах 2-5.

Таким образом, использование способа позволяет значительно повысить эффективность очистки металлических поверхностей по сравнению со способами пленочной дезактивации за счет удаления прочнофиксированных радионуклидов. По сравнению со способами электрохимической дезактивации предложенный способ позволяет снизить экологическую опасность технологического процесса за счет предотвращения образования жидких отходов и снизить экономические затраты на переработку вторичных отходов, генерируемых при осуществлении способа.

Способ предназначен для использования при очистке оборудования ЯЭУ, установок радиохимических производств, а также оборудования промышленных предприятий, загрязненного в результате чрезвычайных ситуаций. Способ может быть осуществлен с помощью оборудования, используемого в электрохимическом производстве.

Источники информации 1. Шведов В.П. и др. "Ядерная технология". Москва, Атомиздат, 1979, стр. 316-317, 323-326.

2. Зимон А.Д. и др. "Дезактивация". Москва, Атомиздат, 1994, стр.194-195.

Формула изобретения

1. Способ очистки металлических поверхностей от радиоактивных загрязнений, включающий формирование легкосъемных полимерных покрытий на очищаемых поверхностях путем нанесения на них пленкообразующей композиции, в состав которой входят водорастворимый пленкообразователь, пластификатор и поверхностно-активное вещество, и удаление образовавшейся полимерной пленки с фиксированными в ней радионуклидами, отличающийся тем, что в состав композиции вводят минеральные кислоты в количестве, обеспечивающем рН раствора в области 0,5-2, а процесс очистки металлических поверхностей осуществляют при анодной поляризации этой поверхности с плотностью тока в 0,2-7,5 А/дм².

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пленкообразующую композицию наносят на очищаемую поверхность, находящуюся под анодным потенциалом.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в состав пленкообразующей композиции вводят комплексообразующее вещество, например щавелевую кислоту.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3