Ультразвуковая дезактивация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Ускорить или замедлить присущий радиоактивным веществам самопроизвольный процесс распада ядер атомов в настоящее время не представляется возможным, поэтому все существующие ныне способы дезактивации позволяют лишь удалить с поверхности зараженных объектов частицы радиоактивной пыли до величин, не приводящих к поражению военнослужащих.

Способы дезактивации подразделяются на физические, физико-химические и механические.

Способы дезактивации должны удовлетворять следующим требованиям: 1) обеспечивать эффективное удаление радиоактивных загрязнений; эффективность оптимальна, если остаточное загрязнение не превышает допустимое. Назначением способа может быть удаление отдельных или всех видов радиоактивных загрязнений. Выбор способа дезактивации определяется природой поверхности радиоактивных загрязнений, а также типом и габаритными размерами дезактивируемого оборудования; 2) не вызывать существенной коррозии и разрушения дезактивируемого материала; 3) количество радиоактивных отходов должно быть минимальным, состав их должен соответствовать способу переработки; 4) способ дезактивации должен быть экономичен, безопасен, не приводить к распространению радиоактивных загрязнений, допускать возможность механизации.

Существующие способы дезактивации могут быть подразделены на три группы: физико-химические, физико-химические и химические. При использовании способов первой группы удаление радиоактивных загрязнений осуществляется с помощью механических или физических процессов без участия химических реагентов (кроме воды).

К химическим могут быть отнесены жидкостные способы, в которых основным средством воздействия служит раствор химических реагентов. В связи с остротой проблемы переработки жидких отходов созданы химические способы дезактивации, использующие минимальные количества растворов (паровая, пенная дезактивация и т.п.). Часто применяют способы, сочетающие химические, физические и механические процессы. Предложена классификация способов дезактивации в соответствии с механизмом их воздействия.

При использовании физико-механических, сухих и жидкостных способов удаляют слой материала вместе с загрязнением или только слабо фиксированные загрязнения. Применение химических способов в сочетании с физическими и физико-химическими процессами наиболее эффективно и позволяет удалять (при использовании соответствующих растворов) все виды загрязнений.

Ультразвуковая дезактивация

Распространение ультразвуковых (УЗ) колебаний в жидкости сопровождается рядом механических, физических и химических явлений, влияющих на удаление загрязнений с поверхности. УЗ колебания создают в жидкости нерегулярное поле с разрывами сплошности среды и вызывают кавитацию, акустическое воздействие на процесс очистки и усиливают химическое взаимодействие моющего раствора с загрязнениями.

Главным фактором, разрушающим поверхностные пленки загрязнений, является кавитация. УЗ поле создает в жидкости переменные давления (чередование сжатия и разрежения). Давление внутри колеблющейся жидкости в фазе разрежения может падать ниже упругости пара жидкости, она разрывается, возникают пустоты (пузырьки). Амплитуда звукового поля, при которой жидкость разрывается, называется порогом кавитации. Для лишенной газа дистиллированной воды порог кавитации примерно 28 Мпа, для загрязненных жидкостей - значительно меньше вследствие присутствия зародышей кавитации. Пузырьки, захлопываясь при увеличении давления (фаза сжатия), создают импульсы давления большой силы, вызывающие кавитационные разрушения на поверхности твердых тел. В воде при 25єC, частоте колебаний 20 кГц и амплитуде звукового давления 9,80Мпа парогазовая смесь сжимается до давления 300 Мпа и нагревается до 6000 К за время 40 мкс.

Кавитация способствует удалению поверхностных загрязнений, перемешиванию раствора у поверхности раздела, растворению осадков вследствие диспергирования частиц. Количество и размеры кавитационных пузырьков, и эффективность УЗ очистки зависят от многих параметров, главные из которых - интенсивность, звуковое давление, частота, физические свойства жидкости (вязкость, плотность, температура, газосодержание), статистическое давление.

Для УЗ дезактивации используют окислительно-восстановительные растворы (двухванный способ), причем время обработки сокращается в 3 - 4 раза. Повышение эффективности химического воздействия растворов и особенно растворов окислителей объясняется тем, что в УЗ поле ускоряются реакции окисления, происходит деполяризация некоторых реакций растворения в результате снятия диффузионных ограничений. Воздействие УЗ зависит от характера радиоактивного загрязнения: если радиоактивность сосредоточена на поверхности в рыхлых отложениях, то применение УЗ существенно ускоряет очистку. Если же радиоактивные загрязнения находятся в плотных химически стойких окисных пленках, воздействие УЗ малоэффективно.

К числу параметров ультразвукового поля следует отнести время воздействия ультразвука на жидкую среду и частоту, а также удельную мощность преобразователя. В связи с тем, что отсутствуют теоретические представления, позволяющие обоснованно выбирать оптимальные параметры ультразвукового поля, приходится обращаться к эксперименту.

Эффективность дезактивации при помощи ультразвука зависит от продолжительности обработки.

ультразвуковой колебание жидкость дезактивация

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Коэффициент дезактивации ультразвуком: 1 - прорезиненная ткань; 2 - ПХВ-пленка; 3 - молескин; 4 - резина

Рис. 2. Зависимость коэффициент?! дезактивации металлических поверхностей, загрязненных 228Ra, от времени воздействия ультразвукового поля

Эта зависимость при загрязнении различных поверхностей ¹⁴⁴Се и дезактивации с использованием преобразователя с удельной мощностью 1,6 вт/см² приведена на рис 1. Подобная закономерность получена в случае загрязнения такими изотопами, как ⁶⁰Со и ⁵⁹Fe, и с использованием преобразователя с удельной мощностью 1,8 вт/см².

Основная масса радиоактивного вещества удаляется в первые 60-90 сек; обработка в ультразвуковом поле 3-5 мин бесполезна, так как она не приводит к дальнейшему повышению коэффициента дезактивации.

Значения коэффициента дезактивации металлических поверхностей в зависимости от продолжительности воздействия ультразвукового поля приведены на рис. 2. Основная масса радиоактивного вещества удаляется в первые 10 сек; при обработке ультразвуком свыше 30 сек коэффициент практически не изменяется. Для хлопчатобумажных изделий это время увеличивается до 5 мин.

При выборе частоты ультразвуковых колебаний следует рассмотреть две противоречивые тенденции. С одной стороны, рост частоты колебаний должен привести к повышению эффекта акустического течения и радиационного давления, что должно вызвать увеличение коэффициента дезактивации. Чем выше частота колебаний, тем больше должна быть интенсивность звукового поля для возникновения кавитации, которая также ускоряет дезактивацию

На практике с увеличением частоты колебания, например, с 800 до 3000 кгц коэффициент дезактивации практически не изменяется, так как с увеличением частоты колебаний уменьшается длительность фазы низкого давления, в течение которой возникают кавитационные пузырьки. Отсюда при высоких частотах для возбуждения кавитации требуется большая интенсивность, т.е. большая удельная мощность преобразователя. При частоте 20 кгц, например, удельная мощность должна быть 1 вт/см'¹, а при частоте 200 кгц - 10 вт/см².

Высокочастотные ультразвуковые колебания имеют и другие отрицательные свойства. С ростом частоты ультразвука растет эффект ультразвукового затемнения, что ухудшает дезактивацию, особенно предметов сложной конфигурации. Высокочастотные ультразвуковые колебания поглощаются средой. Так, при частоте 22 кгц дезактивации подвергаются четыре слоя ткани, при 30 кгц - три слоя, при 46 кгц - два, а при 450 кгц - только один. С ростом частоты уменьшается к. п. д. преобразователя. При частоте 20 кгц к. п. д. магнито-стрикционных преобразователей составляет 50-80%, а при частоте 200 кгц он падает до 20%.

Таким образом, для целей дезактивации предпочтение следует отдать низким частотам. При низких частотах явление экранирования проявляется редко. Низкочастотные колебания, обладая большими длинами волн, лучше проникают вглубь жидкости. Поэтому частоты порядка 18-30 кгц могут быть рекомендованы для очистки поверхностей от радиоактивных загрязнений.

Применение ультразвуковых колебаний, частоты которых ниже этих значений, не рекомендуется, так как для эффективной дезактивации снижение частоты должно быть компенсировано увеличением амплитуды колебания, что приводит к росту размеров и массы ультразвуковых установок.

Итак, при использовании ультразвукового поля, имеющего оптимальную частоту колебаний, достигается достаточно полная дезактивация.

Коэффициенты дезактивации ультразвуком зависят от свойств жидкой среды. Прежде всего для целей дезактивации в ультразвуковом поле применяют воду. Эффективность дезактивации в водной среде сравнивали с воздействием моющего раствора. Коэффициент дезактивации некоторых тканей в ультразвуковом поле частотой 40 кгц и мощностью 0,2 вт/см² при загрязнении изотопом ²¹⁰Ро изменялся в зависимости от жидкой среды (вода, водный раствор моющих средств) незначительно. Так, коэффициент дезактивации хлопчатобумажной ткани в воде составлял 2,3 в 2%-ном растворе ПАВ - 3,9, шелковой в обоих случаях - 1,9, а шерстяной - 1,4 и 1,7 соответственно, т.е. при дезактивации текстильных материалов в ультразвуковом поле вода и раствор моющих средств обеспечивают примерно один и тот же коэффициент. Коэффициент дезактивации относительно невелик, что объясняется пониженной мощностью преобразователя. При дезактивации пластмасс на основе полистирола, полиэтилена, ацетата целлюлозы, поли-винилхлорида в этих же условиях раствор моющих средств также не дает преимуществ по сравнению с водной средой.

В водных растворах моющих средств может образовываться пена, которая способствует отражению и рассеиванию ультразвуковых колебаний, а улучшение смачивания водными растворами ПАВ затрудняет кавитацию. Это приводит к тому, что водные растворы моющих средств при использовании их в ультразвуковом поле не дают желаемых результатов в смысле повышения коэффициента дезактивации.

Если 1%-ные растворы таких моющих средств, как ОП-10, «Новость» и т.д., в ультразвуковом поле не повышают коэффициент дезактивации по сравнению с чистой водой, то раствор контакта Петрова резко улучшает полноту удаления радиоактивных веществ.

Ультразвуковая дезактивация более эффективна, если в качестве жидкой среды применяют не воду и водные растворы моющих средств, а растворы щелочей, солей и особенно кислот.

Эффективность ультразвуковой дезактивации зависит от температуры жидкой среды. С ростом температуры уменьшается растворимость газа в воде, увеличивается его давление и тем самым понижается порог кавитации, что оказывает благоприятное действие на эффективность дезактивации. В то же время для захлопывания пузырьков вследствие увеличения давления пара требуется большая энергия ультразвукового поля, что является нежелательным. В связи с этим существует оптимальная температура жидкой дезактивирующей среды.

В заключение следует отметить, что ультразвуковое поле может ускорять процесс дезактивации. Эффективность процесса определяется совокупным действием ультразвукового поля и жидкой среды, в которой распространяется это поле. Наиболее полная дезактивация достигается с использованием водных растворов кислот, а также щелочей и солей. Как и в других случаях, коэффициент дезактивации зависит от свойств обрабатываемых материалов и загрязняемой среды.

Сравнительная эффективность дезактивации с помощью ультразвука. Применение ультразвукового способа дезактивации неизбежно связано с созданием специальных установок, что требует известных материальных затрат. Ультразвуковая дезактивация целесообразна при условии, что эти материальные затраты компенсируются повышенной эффективностью и интенсивностью дезактивации по сравнению с обычными способами. При этом следует учитывать не только значения коэффициента дезактивации, но и время обработки, расход дезактивирующих растворов и т.д.

Обычно эффективность ультразуковой дезактивации сравнивают с дезактивацией обычными способами и на основе этого решают вопрос о целесообразности применения ультразвуковой дезактивации. Такое сравнение было сделано при дезактивации в водной среде металлических поверхностей, загрязненных ¹³¹1. Параметры ультразвукового поля: частота 800 и 3000 кгц_г мощность преобразователя 1,5 вт/см². Коэффициент дезактивации цинка без воздействия ультразвукового поля оказался равным 1,3, с ультразвуковым полем - 10,5; для свинца эти значения соответственно составили 1,2 и 5,2, т - е. коэффициент дезактивации ультразвуком в 5-10 раз выше, чем без ультразвукового поля. Однако в этих условиях абсолютное значение коэффициента дезактивации не столь значительно и не гарантирует надежной обработки. Большое значение коэффициента дезактивации получено при замене воды растворами кислот. В этих условиях без воздействия ультразвукового поля коэффициент дезактивации в 2-3 раза ниже, чем при его использовании.

Практика показывает, что в подавляющем большинстве случаев дезактивация в ультразвуковом поле с использованием воды и водных растворов более эффективна, чем при применении обычных способов.

Наиболее ярко преимущества УЗ дезактивации проявляются в сокращении длительности обработки. Так, с поверхности твэлов в 10%-ной HNO3 за 4 часа удаляется 70% активности, а в УЗ поле - 98% активности удаляется за 4 мин. Кроме того, УЗ дезактивацию можно осуществлять с использованием более разбавленных растворов, что приводит к экономии реагентов и снижению стоимости переработки ЖРО.

Литература

1. Н.М. Лебедев. Технологии дезактивации различных поверхностей с помощью ультразвука. Белоярская АЭС, г. Заречный, 2011 г.

2. Ядерные технологии. Дезактивация оборудования на АЭС. http://nuclearfactor.ru/energy

Размещено на Allbest.ru