Устройство для электрохимической дезактивации металлических поверхностей

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а так же к эксплуатации ядерно- радиационно-опасных объектов и может быть использована для проведения электрохимической дезактивации металлических объектов, имеющих на поверхности как нефиксированные, так и прочнофиксированные загрязнения радиоактивными веществами, без необходимости проведения демонтажа обрабатываемых объектов, и для проведения электрохимической дезактивации отходов свинца, углеродистых и нержавеющих сталей, образующихся при демонтаже оборудования радиохимических лабораторий и производств, выводимого из эксплуатации. Так же описываемая полезная модель может быть использована для удаления различных отложений с металлических поверхностей, таких как накипь, продукты коррозии, сажа.

Устройство для электрохимической дезактивации, содержит кисти электропроводного открыто-пористого материала, кисти изолирующего открыто-пористого материала. При этом кисти электропроводного материала фиксируются вместе с кистям изолирующего материала ячеистой пластиной, образующей сменный электрод, кроме того, устройство содержит камеру распределения электролита, камеру сбора отработанного электролита, камеру сбора газов, причем каждая из камер снабжена, по крайней мере, одним штуцером, а кисти электропроводного материала и кисти изолирующего материала связаны с камерой распределения электролита и сбора отработанного электролита соответственно, при этом камера распределения электролита, камера сбора отработанного электролита и камера сбора газов объединены в общий корпус, камера сбора газов имеет перфорированные боковые стенки, а верхняя стенка имеет борта загнутые вниз, выполняющие функцию «колпака».

По сравнению с прототипом описываемое устройство имеет следующие преимущества. Конструкция предложенного устройства позволяет при равном напряжении достигать большей плотности тока на электродах. Высокая плотность тока на электродах обеспечивает в среднем в 2 раза более высокую скорость дезактивации.

Полезная модель относится к области охраны окружающей среды, а так же к эксплуатации ядерно- и радиационно-опасных объектов и может быть использована для проведения электрохимической дезактивации металлических объектов, имеющих на поверхности как нефиксированные, так и прочнофиксированные загрязнения радиоактивными веществами, без необходимости проведения демонтажа обрабатываемых объектов, и для проведения электрохимической дезактивации отходов свинца, углеродистых и нержавеющих сталей, образующихся при демонтаже оборудования радиохимических лабораторий и производств, выводимого из эксплуатации. Так же описываемая полезная модель может быть использована для удаления различных отложений с металлических поверхностей, таких как накипь, продукты коррозии, сажа.

Известно устройство для электрохимической дезактивации, представляющее собой камеру, устанавливающуюся на обрабатываемый участок и заполняющуюся электролитом (Dr. Gerhard Siewert, Jochen Ludwig, Pat. DDR 24843 Publ. 03.03.63). Корпус камеры выполнен из металла и при проведении дезактивации является одним из электродов в зависимости от выбранного способа обработки (анодный или катодный). Корпус камеры отделен от обрабатываемой поверхности, являющейся так же одним из электродов, изолирующей герметизирующей прокладкой, которая ограничивает зону обработки. В корпусе камеры имеется штуцер, служащий для подачи раствора электролита, в качестве которого может быть использовано любое жидкое при условиях окружающей среды, проводящее электрический ток, вещество, и штуцер для откачки отработанного электролита и образующихся в процессе дезактивации газов. Данное устройство крепится на поверхности с помощью вакуума, создающегося при откачке электролита и газов. Недостатками данной конструкции являются:

- относительно низкая скорость дезактивации;

- трудность обработки поверхностей сложной формы.

Известно устройство для дезактивации, представляющее собой металлическую раму с сеткой и слоем изолирующего пористого материала (Dr. Reinhard Winker, Klaus Langecker, Pat. DDR 59220 05.07.67). При проведении обработки устройство прижимают к обрабатываемой поверхности, ткань смачивают электролитом и оставляют на поверхности в течение нескольких минут под воздействием электрического тока. Рама и сетка изготавливаются из мягкого металла, что позволяет изгибать электрод согласно кривизне обрабатываемой поверхности. Данное устройство не предназначено для крепления к наклонным и вертикальным поверхностям без каких-либо дополнительных устройств. Достоинствами данной конструкции являются: возможность обработки поверхностей сложной формы. Недостатками данной конструкции являются:

-относительно низкая скорость дезактивации из-за низких плотностей тока;

-выгорание изолирующего пористого материала и, как следствие, ухудшение качества обработки поверхности;

-необходимость применения какого-либо другого устройства (помимо устройства откачки) для сбора отработанного электролита, выходящего за пределы рабочей зоны;

-выход электролита за пределы рабочей зоны и возможность повторного загрязнения поверхности;

-трудность (невозможность) обработки потолочных поверхностей;

-необходимость применения какого-либо другого устройства для сбора образующихся в ходе дезактивации газов;

-большая доля участия персонала, либо необходимость применения каких-либо устройств для удержания устройства на обрабатываемой поверхности.

Кроме того, вышеописанные устройства для достижения требуемой эффективности процесса дезактивации предусматривают применение в основном неорганических электролитов, имеющих большую электропроводность, что затрудняет их регенерацию или обращение с радиоактивными отходами.

Известно устройство, представляющее собой кисть из проводящего электрический ток открыто-пористого материала, которое было выбрано в качестве прототипа (Ампелогова Н.И., Симановский Ю.М., Трапезников А.А. Дезактивация в ядерной энергетике. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - 256 с.). В процессе дезактивации кисть (а именно сам пучок открыто-пористого материала) является одним из электродов в зависимости от выбранного способа обработки. Кисть смачивается электролитом либо погружением в него, либо с помощью штуцера, расположенного в месте крепления пучка открыто-пористого электропроводного материала. Отбор отработанного электролита непосредственно с поверхности затруднен, однако в некоторой степени возможен и может быть осуществлен через штуцер, расположенный в месте крепления пучка открыто-пористого электропроводного материала, но несколько ниже штуцера для подачи электролита. Недостатками данной конструкции являются:

- выход электролита за пределы рабочей зоны и возможность повторного загрязнения дезактивируемой поверхности;

- необходимость применения какого-либо другого устройства (помимо устройства откачки) для сбора всего количества израсходованного электролита, выходящего за пределы рабочей зоны;

- необходимость применения какого-либо другого устройства для сбора образующихся в ходе дезактивации газов;

- большая доля участия персонала, либо необходимость применения каких-либо дополнительных устройств для удержания устройства на обрабатываемой поверхности;

- сложность быстрой и легкой замены приходящих в негодность пучков электропроводного материала, что вызывает необходимость замены выносного электрода полностью при выходе его из строя.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание устройства для электрохимической дезактивации, позволяющего достигнуть следующего технического результата:

-повысить эффективность дезактивации;

-повысить безопасность процесса дезактивации для обслуживающего персонала и окружающей среды;

-уменьшить количество вторичных радиоактивных отходов.

Указанный технический результат достигается за счет того, что описываемое устройство для электрохимической дезактивации содержит кисти электропроводного открыто-пористого материала и кисти изолирующего открыто-пористого материала, фиксируемые ячеистой пластиной, образующей сменный электрод, так же устройство содержит камеру распределения электролита, камеру сбора отработанного электролита и камеру сбора газов, объединенные в общий корпус, причем каждая из камер снабжена, по крайней мере, одним штуцером для подачи электролита, для откачки отработанного электролита и для откачки газов, соответственно. Для дезактивации поверхностей, на которых имеются рыхлые отложения, кисти, связанные с камерой сбора отработанного электролита, могут быть выполнены из абразивного материала.

Камера сбора газов, выполнена из непроводящего электрический ток материала. Боковые стенки камеры сбора газов перфорированы. Верхняя стенка камеры имеет большую площадь, чем площадь верхней стенки камеры сбора электролита и имеет борта, загнутые вниз, высота которых на несколько миллиметров меньше, чем общая высота устройства с присоединенным сменным электродом, выполняющие функцию «колпака». Верхняя стенка и борта выполнены из непроводящего электрический ток материала, или покрыты таковым. Рабочей частью устройства является сменный электрод, фиксирующий кисти электропроводного материала и кисти изолирующего материала, крепящийся к общему корпусу с помощью быстроразъемных соединений, позволяющих проводить быструю и легкую замену отработанных кистей электропроводного материала и кистей изолирующего пористого материала.

Отличительными признаками предлагаемого устройства для проведения электрохимической дезактивации металлических поверхностей является то, что устройство содержит камеры распределения электролита, сбора отработанного электролита, сбора образующихся в ходе электрохимической обработки газов, объединенные в общий корпус, причем каждая из камер содержит, по крайней мере, один штуцер; сменный электрод, который фиксирует кисти, обеспечивающий быструю и легкую замену отработанных кистей электропроводного материала и кистей изолирующего пористого материала, являющихся рабочей поверхностью устройства.

Использование электропроводных материалов, например, углеволоконных тканей или войлока, в качестве рабочей части электрода в предлагаемом устройстве, по сравнению с известными устройствами, использующими в качестве рабочей части электрода изолирующие пористые материалы, значительно повышает скорость обработки металлических поверхностей, за счет увеличения плотности тока между электродами до 500 А/дм ², что позволяет повысить безопасность и эффективность процесса дезактивации.

Конструкция устройства для электрохимической дезактивации металлических поверхностей позволяет проводить сбор отработанного электролита с обрабатываемой поверхности непосредственно после контакта с ней, предотвращая повторное загрязнение поверхности, и ограничивает выход электролита за пределы рабочей зоны. Наличие в предлагаемом устройстве камеры для сбора газов позволяет проводить электрохимическую дезактивацию металлических поверхностей практически без потерь электролита, обусловленных его испарением. При креплении заявляемого устройства на дезактивируемой поверхности, например, с помощью каких-либо дополнительных элементов или вакуума, обеспечивается дистанционное управление в течение всего цикла дезактивации, без непосредственного участия оператора, что позволяет снизить дозовые нагрузки на персонал.

Форма, габариты устройства, наличие камеры для сбора газов и последовательность камер подачи электролита и сбора отработанного электролита могут меняться в зависимости от поставленных задач дезактивации. Для обработки неровных загрязненных поверхностей и поверхностей больших размеров может использоваться несколько предлагаемых устройств сцепленных между собой с помощью какого-либо дополнительного устройства, способного обеспечить определенную свободу перемещения каждого из сцепленных устройств в одной или более плоскостях.

Схема устройства представлена на фигуре, где:

-1 - штуцер для подачи электролита;

- 2 - штуцер для откачки газов;

- 3 - штуцер для откачки отработанного электролита;

- 4 - камера распределения электролита;

- 5 - камера сбора отработанного электролита;

- 6 - сменный электрод;

- 7 - камера сбора газов;

- 8 - дезактивируемая поверхность;

- 9 - кисти электропроводного материала;

-10 - кисти изолирующего пористого материала.

Устройство функционирует следующим образом:

Устройство устанавливается непосредственно на дезактивируемую поверхность 8. В камеру распределения электролита 4 через штуцер для подачи электролита 1 подается электролит и распределяется на кисти электропроводного материала 9, зафиксированные в сменном электроде 6, смачивает их, затем поступает на дезактивируемую поверхность. После контакта с поверхностью отработанный электролит впитывается в кисти изолирующего пористого материала 10, зафиксированные в сменном электроде 6, и поступает в камеру сбора отработанного электролита 5, находящуюся под разряжением, и удаляется через штуцер для откачки отработанного электролита 3. Образующиеся в ходе электрохимической дезактивации газы поступают с помощью разряжения через отверстия в камеру сбора газов 7 и удаляются из устройства через штуцер для откачки газов 2.

Следующие примеры иллюстрируют возможности и границы применения устройства.

Пример 1. Электрохимической дезактивации подвергалась пластина из нержавеющей стали с уровнями радиоактивного загрязнения до 1100 частиц/мин*см² по a-излучающим нуклидам и до 2600 частиц/мин*см² по -, -излучающим нуклидам. Исследуемый объект располагался в исследовательском боксе, использующемся для экспериментальных работ с имитаторами отработанного ядерного топлива в качестве подставки под сливную емкость для жидких радиоактивных отходов. На поверхности пластины было значительное количество продуктов коррозии и следы органических загрязнений. При обработке за 2 цикла при контакте рабочей поверхности электрода не более 1 минуты с обрабатываемого участка, равного по площади рабочей поверхности электрода (17 см²) при напряжении 24 В и плотности тока 230 А/дм² при расходе электролита не более 5 мл/мин уровень радиоактивного загрязнения был снижен до фоновых значений. Коэффициент дезактивации для поверхности составил не менее 1500. Было отмечено полное удаление продуктов коррозии с поверхности и ее полировка.

Пример 2. Электрохимической дезактивации подвергся лист свинца с уровнями радиоактивного загрязнения до 1000 частиц/мин*см² по -излучающим нуклидам и до 2600 частиц/мин*см² по , -излучающим нуклидам. Исследуемый объект располагался в исследовательском боксе, использующемся для экспериментальных работ с имитаторами отработанного ядерного топлива в качестве биологической защиты. На поверхности листа в большом количестве находились следы проливов растворов, различные минеральные отложения (продукты коррозии свинца, кристаллические отложения). Поверхность имела некоторые неровности и изгибы. При обработке за 2 цикла при контакте рабочей поверхности электрода не более 3 минут с обрабатываемым участком, равным по площади рабочей поверхности электрода (17 см²) при напряжении 24 В при плотности тока 230 А/дм² при расходе электролита не более 5 мл/мин уровень загрязнения был снижен до фоновых значений. Коэффициенты дезактивации обработанной поверхности составили от 1000 до 5000. В этом случае так же отмечалось осветление поверхности и удаление продуктов коррозии.

Пример 3. Электрохимической дезактивации подверглась столешница 5-той камеры пяти-секционного исследовательского бокса. Бокс использовался для экспериментальных работ с реальным ОЯТ. Уровни радиоактивного загрязнения составляли 500-1500 частиц/мин*см² по -излучающим нуклидам и 1800-3600 частиц/мин*см² по , -излучающим нуклидам. Предварительно с поверхности столешницы были удалены все сыпучие загрязнения и крупные объекты. При обработке за 2 цикла при контакте рабочей поверхности электрода не более 3 минут с обрабатываемым участком, равным по площади рабочей поверхности электрода (17 см) при напряжении 12 В при плотности тока не менее 180 А/дм² при расходе электролита не более 14 мл/мин уровень загрязнения был снижен до уровней 0,1-0,5 частиц/мин*см² по -излучающим нуклидам и 1-5 частиц/мин*см² по -, -излучающим нуклидам. В этом случае так же отмечалось осветление и полировка дезактивируемой поверхности. Таким образом, коэффициент дезактивации превысил 7000. В процессе дезактивации осуществлялся сбор отходящих газов с последующим улавливанием паров испаренного электролита. По результатам составления материального баланса эксперимента, было установлено, что в процессе дезактивации в пар перешло не более 10% электролита, а невозвратные потери электролита составили не более 5%.

По сравнению с данными, имеющимися о работе устройства-прототипа, описываемое устройство имеет следующие преимущества. Конструкция описываемого устройства при равном напряжении позволяет достигать большей плотности тока на электродах. Для сравнения при напряжении на электродах 12 В случае использования устройства-прототипа плотность тока составляет порядка 150 А/дм², а в случае использования описываемого устройства плотность тока может превышать 230 А/дм² . Точная верхняя граница значения плотности тока при его использовании не определена, однако имеются данные о пиковых значениях до 560 А/дм². Высокая плотность тока на электродах описываемого устройства обеспечивает в среднем в 2 раза более высокую скорость дезактивации по сравнению с устройством-прототипом, для которого скорость дезактивации при напряжении 12 В составляет 0,7 м ²/час.

1. Устройство для электрохимической дезактивации металлических поверхностей, содержащее кисти электропроводного открытопористого материала, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит кисти изолирующего открытопористого материала, при этом кисти электропроводного материала фиксируются вместе с кистями изолирующего материала ячеистой пластиной, образующей сменный электрод, а также устройство содержит камеру распределения электролита, камеру сбора отработанного электролита и камеру сбора газов, объединенные в общий корпус, причем каждая из камер снабжена, по крайней мере, одним штуцером, при этом камера сбора газов имеет перфорированные боковые стенки, ее верхняя стенка имеет борта, загнутые вниз, выполняющие функцию «колпака», а кисти электропроводного материала и кисти изолирующего материала связаны с камерой распределения электролита и сбора отработанного электролита соответственно.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что взаимное расположение камер распределения электролита, сбора отработанного электролита и сбора газов может быть различным.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кисти, связанные с камерой сбора отработанного электролита, выполнены из абразивного материала.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сменный электрод крепится с помощью быстроразъемных соединений.