Материал: Лазерная дезактивация радиационно-загрязненных металлических поверхностей

Существуют два типа радиоактивных загрязнений: “наведенная” радиация и поверхностные загрязнения. Более 90% всех радиационно-загрязненных объектов имеют поверхностные загрязнения. Как правило, твердые частицы радионуклидов располагаются в поверхностном слое и могут быть удалены без разрушения всей конструкции.

Вследствие повышенного уровня радиоактивности радиационно-загрязненные объекты складируют на специально оборудованных территориях, нередко открытых, площади которых постоянно растут, увеличивая экологическую нагрузку на окружающую среду и отвлекая значительные материальные ресурсы на поддержание необходимой безопасности.

Как показывают исследования, пленка, толщина которой не превышает 150 - 200 мкм, содержит до 90 - 95% радионуклидов, загрязняющих металл. Кроме того, вследствие диффузионных процессов некоторая часть радионуклидов из коррозионной пленки может проникать в кристаллическую решетку металлической подложки, загрязняя поверхностные слои металла на глубину в несколько микрон.

Таким образом, удаление только коррозионной пленки с поверхности металла позволяет в значительной степени снизить уровень радиоактивности последнего, обеспечив при этом возможность повторного его использования либо промышленной утилизации.

По имеющимся оценкам, более 80 - 90% объема узлов и разнообразных деталей из высококачественных сталей и сплавов, хранящихся на специальных площадках АЭС, представляют собой поверхностно загрязненные радионуклидами металлические отходы, потенциальная стоимость которых в случае включения их в промышленный оборот значительно возрастает.

Основные методы дезактивации поверхностных радиоактивных загрязнений в настоящее время - химический и электрохимический, недостатком которых является образование значительного количества жидких радиоактивных отходов. Например, при химической дезактивации элементов контура АЭС с реактором типа РБМК образуется до 6000 м3 жидких радиоактивных отходов, переработка которых требует больших временных и финансовых затрат, включая проведение целого комплекса мероприятий по обеспечению радиационной и экологической безопасности.

Простые оценки показывают, что при лазерной дезактивации тех же металлоконструкций общий объем образующихся радиоактивных отходов, которые накапливаются в твердом состоянии, не превышает 1,5 - 2 м3 . Все это делает лазерную дезактивацию потенциально серьезной альтернативой традиционным методам.

Впервые задача дезактивации с применением лазеров была поставлена в 2001г научно-исследовательским институтом ЦНИИКМ ПРОМЕТЕЙ для утилизации атомных подводных лодок. На базе института ЛИЯФ в Гатчине была организована лаборатория «Лазерной Дезактивации», в которой были проведены первые эксперименты по применению лазеров для очистки фрагментов атомных подводных лодок. Обработка осуществлялась в «горячей» камере с необходимыми условиями защиты от излучения и специальной вентиляций. Лазер располагался снаружи камеры, лазерный луч подавался к обрабатываемой детали через иллюминатор (Рис. 4).

а                                                                   б

Рис. 4. Лазерная дезактивация радиационно-загрязненных образцов из стали (а), горячая камера ЛИЯФ (б).

Проведенные исследования показали возможность реализации процесса, уровень загрязнений на поверхности детали после лазерной дезактивации снизился до уровня ниже предельно допустимых концентраций ПДК (Рис. 5).

А                                                                        б

Рис. 5. Элемент узла атомной подводной лодки после зональной лазерной дезактивации (а), степень удаления радионуклидов с поверхности образца для Co60, Cs137 и Eu152(б).

На следующем этапе работ был изготовлен и предъявлен комиссии Росатома мобильный лазерный комплекс на базе AIG- лазера, работающего в импульсно - периодическом режиме с длительностью импульсов 10нс (Рис. 6).

         А                                           б

Рис. 6. Мобильный комплекс для дезактивации: а - излучатель с AIG- лазером, системой сканирования, на управляемой поворотной платформе, б - комплекс в сборе: излучатель, система охлаждения, источник питания

Для улавливания продуктов дезактивации был разработан новый способ, подтвержденный патентом РФ, заключающийся в обработке радиационно - загрязненных поверхностей сквозь прозрачные для лазерного излучения полимерные сорбирующие пленки.

В настоящее время разработан и изготовлен опытно-промышленный образец ранцевого лазера РЛ для выполнения работ по очистке и дезактивации в «стесненных» условиях. В качестве источника применен частотный волоконный лазер с длительностью импульса 100нс (Рис. 7).

а                                                       б

Рис. 7. Ранцевый лазер: а - волоконный иттербиевый лазер 50Вт, б- общий дизайн устройства

Исследования показали, что радиационное загрязнение таких конструкций протекает так, что основная доля радионуклидов накапливается в объеме тонкой оксидной пленки, покрывающей внутренние поверхности оборудования, которое в процессе эксплуатации на предприятиях ЯТЦ соприкасается с теплоносителем, например, водой. Пленка состоит, в основном, из разнообразных продуктов коррозии конструкционных материалов, соединений кальция и других элементов с включениями радионуклидов. Появление таких пленок обусловлено выносом и отложениями радиоактивных продуктов в процессе коррозии металла. При этом нерастворимые продукты коррозии отлагаются непосредственно из циркулирующего теплоносителя, а растворимые - по достижении определенного уровня концентрации, ионов тех или иных химических элементов.

Как правило, эта пленка имеет двухслойную структуру, формируемую плотным тонким сплошным слоем, примыкающим к подложке, и пористым наружным (Рис. 8,а). Последний играет особенно важную роль в образовании и накоплении источников радиации, поскольку он обладает высокими абсорбционными свойствами и, кроме того, теплоноситель, активно проникая в рыхлый объем, растворяет и вымывает растворимые фракции коррозионных продуктов из пленки, замещая их при этом нерастворимыми соединениями.

Проведенные исследования показали, что процесс дезактивации может быть выполнен с хорошим качеством и высокой производительностью. И в этом случае дезактивация проводится с применением прозрачных для излучения сорбирующих пленок. Уровень радиационного загрязнения поверхности до обработки совпадает с суммарным уровнем загрязнения, оставшимся на детали и на сорбирующей пленки после обработки (Рис. 24.б).

Рис .8. Чрезпленочная дезактивация: а - схема, 1 - основной материал, 2 - плотный нижний слой окислов, 3 - верхний пористый слой окислов, 4 - прозрачная сорбирующая плёнка, 5 - продукты очистки на плёнке, 6 - лазерный луч дезактивации, б - степень удаления радионуклидов с поверхности образца для Co60, Cs137 и Eu152

В сочетании с дистанционно управляемыми роботами (Рис.9) технология лазерной дезактивации пригодна для работы в условиях больших уровней радиации, например, при сборе россыпей ядерного топлива. В этом случаях лазер может также выполнять задачу фрагментации сорбирующих пленок для их сбора и укладки в контейнер.

Рис. 9. Мобильные роботы для ликвидации последствий катастроф (ИТУРЦ)

Опыт ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС показал, что практически вся техника, получившая поверхностные загрязнения, была оставлена в зоне катастрофы (Рис.10).

Рис. 10. Общий вид площадки с радиоактивно-зараженными машинами и аппаратами. Чернобыль 1986г.

Лазерная чрезпленочная дезактивация делает возможным не только снижение дозовых нагрузок на персонал, но и может обеспечить возврат в производство применяемой при ликвидации последствий техногенных катастроф дорогостоящей техники, в том числе роботов и лазеров.

Немаловажной особенностью лазерных методов является возможность проведения дезактивации радиационно-загрязненных конструкций не только в газовых, но и в оптически прозрачных жидких средах, поскольку при этом "естественным образом" решается задача сбора и аккумулирования радиоактивных отходов в небольшом объеме покровной жидкой среды.

Известно, что стандартные и хорошо изученные условия взаимодействия лазерного излучения и вещества обеспечиваются в газовой (атмосферной) среде или вакууме. Сбор образующихся при этом мельчайших капель и паров металла, загрязненных радионуклидами, осуществляется обычно с помощью громоздких специальных вентиляционных систем, оборудованных фильтрами. Это сопряжено с определенными техническими трудностями и неудобствами. Возможность осуществления лазерной дезактивации в жидкой среде (также как чрезпленочной дезактивации на воздухе) открывает еще один путь к созданию простых и эффективных систем сбора продуктов лазерной обработки. Принципиальная возможность дезактивации радиационно-загрязненных образцов, погруженных в жидкость, при воздействии на их поверхность лазерного частотно-импульсного излучения инфракрасного диапазона с одновременным сбором и аккумулированием высвобождаемых радиоактивных продуктов в объеме кюветы, заполненной жидкостью (использовались вода и технический глицерин) уже продемонстрирована.

Усредненные значения коэффициентов дезактивации, полученные при лазерной дезактивации металлических поверхностей в жидкости, составляют:

• по альфа - излучателям - 50-60, практически независимо от того, в какой жидкости находился металл;

• по бета - излучателям - коэффициент дезактивации зависит от жидкости, в которую погружен металл, и составил ≈ 20 для воды и ≈120 для технического глицерина.

Коэффициенты лазерной дезактивации радиационно-загрязненного металла в воздухе и жидкости по альфа - излучателям близки между собой. В то же время коэффициенты дезактивации по бета - излучателям при лазерной обработке образцов в жидкости существенно превышали соответствующие значения, полученные в воздухе.

Заключение

В настоящее время на атомных станциях накоплено большое количество отработанного оборудования, произведенного из дорогостоящих материалов. Это оборудование хранится в специально отведенных местах, при этом экологическое давление на окружающую среду и расходы на содержание мест захоронения (хранения) весьма значительны.

Для решения задачи очистки и дезактивации в атомной технике разработано большое количество способов очистки материалов от радиоактивных загрязнений (речь идёт об очистке и дезактивации поверхности, так что подразумевается, что загрязнение локализовано в приповерхностном слое, как это и имеет место на практике). В настоящее время наиболее распространенными являются химический и электрохимический методы дезактивации радиоактивно загрязненных поверхностей.

При проведении дезактивационных мероприятий необходим строго дифференцированный подход к определению объектов, которые следует обеззараживать в первую очередь, выделив из них наиболее важные для жизнедеятельности людей (особенно при ограниченных силах и средствах).

Основной целью дезактивации является снижение радиоактивного загрязнения оборудования до допустимой нормы или уровня, позволяющего проводить персоналом АЭС ремонтные работы в течение полного рабочего дня. Сами способы дезактивации должны удовлетворять следующим требованиям:

обеспечивать эффективное удаление с поверхностей радиоактивных загрязнений;

не вызывать существенной коррозии и механического разрушения (повреждения) дезактивируемого материала;

количество радиоактивных отходов должно быть минимальным;

Дезактивация является одной из эффективных мер радиационной защиты, так как предназначена для удаления радиоактивных веществ из сферы жизнедеятельности человека и, тем самым, для снижения уровней радиационного воздействия на него.

Список литературы

Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М., Шахно Е.А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - 103 с. С.41 - 49.[1]

Гражданская оборона: Учебник для вузов/В. Г. Атаманюк, Л. Г. Ширшев, Н. И. Акимов. Под ред. Д. И. Михайлика. - М.: Высш. шк., 1986. - 207 с.: ил С. 167- 172.[2]

Защита населения и хозяйственных объектов в чрезвычайных ситуациях. Радиационная безопасность: Уч. пособие в 3-х частях. Часть 3. Чрезвычайные ситуации и их предупреждение/С. В. Дорожко, В. Т. Пустовит, Г. И. Морзак. - Мн.: УП «Технопринт», 2001. - 278 с. С 248-251.[3]

Юртушкин В.И. Чрезвычайные ситуации: защита населения и территорий: учебное пособие/ В.И. Юртушкин. - М.: КНОРУС, 2008. - 368 с. С. 325-340.[4]