Горячая дезактивация

Инновация актуальна для всех предприятий отрасли, где работают с трансурановыми радионуклидами: плутонием, америцием и др. Технология не позволяет работать с наведенной активностью, то есть дезактивировать отработавшую активную зону реактора с ее помощью не получится. Она нужна в других случаях. Например, цех радиохимического завода отработал свой срок, и его пора выводить из эксплуатации. Встает проблема обращения с загрязненным радионуклидами металлом: это и боксы, и емкости для хранения радиоактивных веществ, и трубы спецканализации, и т. д.

«С такими РАО трудно обращаться: металлоконструкции часто имеют нестандартную форму и поэтому занимают большой объем», — говорит ведущий инженер отдела вывода из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов ВНИИНМа Анна Норсеева. Стоимость хранения РАО у Национального оператора зависит от объема, а не от массы отходов. Для хранения детали сложной формы, которая весит всего 100 кг, может потребоваться большой контейнер, за который придется платить. Также стоимость хранения зависит от уровня активности РАО. Можно перед передачей нацоператору дезактивировать металлоконструкции на предприятии, тогда хранение обойдется дешевле. Но дезактивировать их стандартными методами проблематично. «Особенность загрязнений металлов трансурановыми радионуклидами, в частности плутонием, заключается в миграции этого нуклида в кристаллическую решетку. Механически удалить радиоактивные загрязнения с поверхности металла сложной геометрии невозможно», — поясняет А. Норсеева.

Ученые предложили очищать и компактизировать металлические РАО в два этапа. «Предварительный этап — жидкостная дезактивация — позволяет снять радионуклиды с поверхности. То, что ушло вглубь, убираем на основном этапе — методом переплавки с флюсом», — разъясняет главный специалист того же отдела Сергей Широков.

Пять шагов к дезактивации
Разберем предложенную инновацию пошагово. Предположим, есть «фонящая» конструкция из нержавеющей стали. Первый шаг: измеряем уровень ее активности, относим к определенной категории. Второй шаг — фрагментация: разрезаем конструкцию на небольшие части. Третий шаг — жидкостная дезактивация: фрагменты «отмывают» в специальной ванне. «На этом этапе необходимо разрушить наиболее загрязненный поверхностный слой дезактивируемого материала, поэтому в состав дезактивирующих растворов были введены химически агрессивные ингредиенты: минеральные кислоты, окислители и комплексообразователи, — рассказывает А. Норсеева. — В результате предварительной дезактивации активность материала, поступающего на переплавку, снижается кратно — до 5, 3 тыс. раз. Дезактивирующий раствор сохраняет эффективность в течение как минимум трех циклов без обновления». В принципе, на предварительной стадии можно использовать любой известный метод дезактивации, не только жидкостной. Подойдет и пенная, и электрохимическая. Жидкостную выбрали просто потому, что она получила наиболее широкое применение на предприятиях отрасли.

Четвертый шаг: снова измеряем удельную активность металлических РАО. Для того чтобы можно было их переплавлять, она должна составлять не более 200 беккерелей на грамм. Пятый шаг — переплавка РАО.

Даже если просто переплавить загрязненный радионуклидами металл в аккуратные слитки, это уже даст существенную экономию при обращении с ним, ведь объем его сократится в 4−5 раз. «Как показал опыт работ по выводу из эксплуатации объектов ВНИИНМа, при затаривании металлических радиоактивных отходов в упаковочные контейнеры плотность их загрузки составит 1−1,2 т/м³ объема контейнера, — объясняет С. Широков. — Загрузка слитков металла в контейнер позволит поднять ее плотность до 5−6,5 т/м³ объема контейнера».

Но ученые пошли дальше: при переплавке они добавляют к металлическим РАО флюс. Это смесь компонентов, помогающих «вытягивать» из основной массы металла трансурановые радионуклиды. «При индукционном плавлении металл перемешивается с флюсом, и нуклиды переходят во флюс, — объясняет С. Широков. — Флюс всплывает на поверхность за счет разницы плотностей металла и флюса. После застывания флюс по консистенции становится похож на пемзу и легко откалывается от металлического слитка».

Переплавили дочиста
Ученые ВНИИНМа проводили эксперименты на реальных РАО. «На территории ВНИИНМа выводят из эксплуатации ряд зданий. Одно из них — У‑5, где получали первые граммовые количества плутония, — рассказывает С. Широков. — Там были и тяжелые боксы, и вытяжные шкафы, и трубы различного сортамента. При их демонтаже мы отбирали представительные пробы, потом фрагментировали и на них проводили испытания как жидкостной дезактивации, так и переплавки».

На выходе получали компактные слитки с равномерным остаточным радиоактивным загрязнением. «Слитки мы распиливали, высверливали пробы, растворяли их и анализировали, — добавляет А. Норсеева. — Анализ подтвердил: внутри слитков остаточные радионуклиды распределились равномерно. Мы доказали, что наш метод гарантированно понижает класс металлических РАО и делает обращение с ними существенно дешевле».

Более того, в отдельных случаях ученые получали такой хороший коэффициент дезактивации, что слитки и к РАО-то отнести не получалось. Просто чистый металл, из отходов — только флюс, впитавший радионуклиды. «Мы очистили материал до возможности возврата в хозяйственную деятельность, — подчеркнула А. Норсеева. — Мы не знаем, как поведет себя технология на промышленном оборудовании, но на лабораторном мы этого добились несколько раз».

Из лаборатории — на завод
Идея ученых ВНИИНМа не нова: патентный поиск показал, что наработки есть, например, у шведской компании Studsvik, специализирующейся на завершающей стадии ядерного топливного цикла. Но коэффициент очистки у шведов получался ниже, они не возвращали металл в хозяйственную деятельность после переплавки. Кроме того, удельная активность металла для переплавки должна была быть не выше 100 Бк/г. «Мы обоснованно подняли эту планку до 200 беккерелей и дезактивировали дочиста, — отмечает А. Норсеева. — Скорее всего, можно еще в разы ее поднять и, возможно, загружать металл в печи вообще без предварительной дезактивации. Но нужны дополнительные НИОКР».

В технологии еще многое можно усовершенствовать, рассуждает С. Широков: «Можно рассмотреть возможности автоматической загрузки фрагментированных РАО в печь и автоматического слива расплавленного металла из нее, чтобы уменьшить дозовую нагрузку на персонал. Также необходимо продумать специфику отведения газов, газоочистку».

Но в первом приближении лабораторная технология полностью готова, установка для переплавки собрана. Самое важное теперь — масштабировать технологию и внедрить ее в промышленность. «Мы можем поставить установки на каждое предприятие, — утверждает А. Норсеева. — Но мне представляется, что выгоднее создать отраслевой центр, куда со всей отрасли на переплавку будут свозиться металлические РАО. Строить его целесообразно там, где больше всего таких отходов образуется: в Озерске, в Северске».

Во ВНИИНМе уверены, что за 2−3 года доведут разработку до стадии промышленного применения. «Нашими промышленными партнерами могут стать ПО „Маяк“, СХК, АЭХК», — считает С. Широков. Специалисты совместно с коммерческим блоком ищут варианты его привлечения.