Способы дезактивации и локализации радиоактивных загрязнений

Существующие способы дезактивации можно классифицировать по различным признакам, которые, с одной стороны, определяются особенностями РА загрязнения, а с другой – условиями проведения самой дезактивации, выбор которой диктуется спецификой РА загрязнения различных объектов.

На рисунке 2 приведена классификация основных способов обеззараживания. В ее основу положены агрегатное состояние дезактивирующей среды и особенности проведения собственно дезактивации. В зависимости от агрегатного состояния дезактивирующей среды все способы можно разделить на безжидкостные, жидкостные и комбинированные. Жидкостные могут быть основаны на использовании механического воздействия (например, за счет напора струи воды) или в результате обработки специальными растворами.

Желание повысить эффективность дезактивации привело к осуществлению об­работки путем сочетания различных способов. Под комплексной дезактивацией следует понимать обработку одного и того же объекта различными способами. Например, в Чернобыле оборудование и помеще­ния обезвреживались сначала при помощи пылесосов, а затем с помощью ДР. Такая же последовательность соблюдалась при дезактивации полимерных полов помещений после локальных аварийных РА загрязнений порошкообразным препа­ратом. В условиях массового загрязнения может возникнуть необходимость мно­гократной очистки. В Чернобыле многократная дезактивация проводилась вынужденно в связи с множественным вторичным загрязнением одних и тех же объектов и недостаточной эффективностью одноразовой обработки.

Рис.2. Классификация способов дезактивации

Не все способы применяются одинаково часто. По этой причине их можно ус­ловно разделить на две группы — основные и вспомогательные. На рис.2 приведе­ны основные способы дезактивации, особенности которых будут более подробно рассмотрены в дальнейшем.' К вспомогательным следует отнести те, которые осу­ществляются без применения технических средств (протирание загрязненной по­верхности щетками или ветошью) или при помощи ультразвука, с использованием энергии электрического поля, оплавлением верхнего загрязненного слоя, шлифо­ванием. Последняя группа вспомогательных способов в системе не применяется.

1-б

Процесс дезактивации происходит в две стадии, рис. 3. Первая заключается в пре­одолении связи между носителями РА за­грязнений и поверхностью обрабатывае­мого объекта (1-б). В случаях глубинно­го РА загрязнения сначала производят из­влечение глубинных загрязнений, на по­верхность (1-а). После этого загрязнение переходит из глубинного в поверхностное и затем удаляется.

Рис. 3. Стадии процесса дезактивации \

Не менее важной является вторая стадия процесса дезактивации. Она заключается в транспортировке РА загрязнений с об­рабатываемого объекта (2) рис. 3. Когда вторая стадия проводится не в полной мере,. а тем более отсутствует, то происходит оседание РА загрязнений (3). А это значит, что мы встречаемся со вторичным загрязнением уже в процессе самой дезак­тивации. Фактически имеет место перераспределение загрязнений на поверхности, а не их удаление.

Подобное разграничение процесса дезактивации на две стадии несколько условно. Эта условность определяется тем, что обе стадии могут происходить одновременно, либо с преимуществом какой-либо из них. Исключение составляет дезакти­вация снятием верхнего загрязненного слоя, когда две стадии процесса происходят одновременно. Далее приведена краткая характеристика основных способов дезактивации.

Дезактивация струей газа (воздуха) и пылеотсасыванием. В первой стадии процесса дезактивации струей газа (воздуха) с поверхности уда­ляются РА загрязнения в виде жидкости, мелких частиц и структурированных масс; РА загрязне­ния переводятся во взвешенное или аэрозольное состояние. Для повышения эффективности используется воздушная струя с. введенным в нее порошка, обладающего абразивным действием и способного снять верхний слой, загрязнение которого вызвано проникновением РА веществ вглубь материала. Коэффициент дезактивации резко возрас­тает и может достигнуть 200, что гарантирует отличное качество обработки. Вторая стадия связана с удалением РА загрязнений с обрабатываемого объекта, когда эти загрязнения во взвешенном состоянии приобретают способность двигаться по инерции.

Данный способ можно использовать для дезактивации окрашенных металлических из­делий и пористых материалов, например, бетона и кирпича, в случае глубинного загрязнения. Существенными недостатками является расход абразивного порошка, возникновение смеси РА загрязнений с отработавшим абра­зивным порошком, механическое повреждение обрабатываемых поверхностей, воздействие на человека аэрозолей. В связи с этим предпочтение следует отдать установкам, работающим на при­нципе замкнутого цикла.

При дезактивации пылеотсасыванием поток воздуха направлен не на обрабатываемую поверхность, а от нее. Фильтрация за­грязненного потока позволяет улавливать удаленные частицы и осуществлять очистку на основе замкнутого цикла— в этом преимущество способа пылеотсасывания от дезактивацией струей газа или воздуха.

В процессе работы пылесосов загрязняются внутренние поверхности воздушного тракта и особенно пылесборник и фильтр. Это представляют опасность для персонала, а сама дезактивация пылесоса трудоемка и требует соблюдения особых мер безопасности.

Дезактивация снятием загрязненного слоя и изоляцией загрязненной поверхности. При снятии загрязненного слоя совмещаются две стадии процесса дезактивации. Этот способ может быть реализован в отношении местности, дорог, окрашенных изделий, строительных материалов и конструкций и т.п.

С учетом гарантии эффективной дезактивации, неровнос­тей обрабатываемых поверхностей и грунта, неравномерности проникновения РН можно считать, что снимаемый верхний загрязненный слой должен быть в два раза толще глубины проникновения РН.

К недостаткам данного метода следует отнести сопутствующие процессы, связанные с транспортировкой снятого загрязнен­ного материала, его захоронением, что оборачивается неизбежным вторичным РА загрязнением и требует проведения дополнительных дезактивационных работ. Весь процесс дезактивации снятием загрязненного слоя весьма трудоемок.

Изоляция загрязненной поверхности направлена, главным образом, на защиту от гамма-излучения. В таблице 3 приведены расчетные значения толщины для среднего значения энергии гамма-излучения, составляющего 0,4 МэВ.

Таблица 3

Расчетные значения толщины изолирующего слоя различных материалов для ослабления уровня гамма-излучения

Снижение гамма- излучения	Изолирующий материал, толщина слоя, см
	бетон	железо	свинец	вода
в 2 раза	10,0	2,9	0,43	21,1
в 50 раз	57,0	16,5	2,4	119,6

Изолирующая способность щебня, песка и грунта примерно соответствует пока­зателям, характерным для бетона.

Для создания изолирующего слоя используют сыпучие порошкообразные мате­риалы, природные (песок, грунт, щебень и др.) и промышленные строительные заготовки в виде железобетонных ибетонных плит, различных блоков, листового, материала, в том числе полимерного.

Изоляция загрязненной поверхности связана с рядом существенных недостатков. Выгрузка сыпучего материала на загрязненной местности невольно приводит к загрязнению транспортных средств и к пылеобразованию, способствующему вторич­ному РА загрязнению, в том числе и самого сыпучего материала, предназначенно­го для изоляции загрязненных участков. После укладки бетонных плит возникают между ними щели, через которые могут проникать загрязнения на чистую сторону этих плит. Хороший результат дает асфальтирование дорог. Наиболее эффектив­ными оказались полимерные пленки, о которых речь пойдет ниже.

Дезактивация струей воды и паром. Является доступным и широко применяемым способом дезактивации оборудования, участков местности с твердыми покрытиями, тран­спортных и др. средств. Эффективность ее зависит от структуры струи, расхода воды и напора (давления) перед насадкой, генерирующей водную струю. Введение в низко- и средненапорные струи абразивных препаратов, использование импульсного режима обработки позволяет добиться сравнительно высокого значения КД.

Обработку транспорта, оборудования, аппаратуры, зданий и сооружений можно осуществлять струей пара, где он используется в качестве рабочего тела для непос­редственной обработки загрязненной поверхности. КД может достигать в некоторых случаях 100 и более. Кроме того пар применяют для эжектирования воды или дегазирующих растворов (ДР) из емкости.

Однако этот способ имеет ряд слабых сторон. Для генерации пара требуются
специальные установки с относительно большой производительностью.
Применение и эксплуатация котлов требует значительных материальных затрат и расхода энергетических ресурсов. Кроме того, при работе с котла­ми, как с аппаратами под давлением, требуется строгое соблюдение многих правил техники безопасности. Снижение расхода пара при достаточной эффективности дезактивации достига­ется применением пароэмульсионного способа. Он предусматривает использова­ние ДР, которые стойки к воздействию пара и не теряют дезактивирующей способ­ности.

Дезактивация с помощью дезактивирующих растворов. Дезактивация значительной части объектов (транспорта, одежды, оборудования, зданий, помещений, дорог с твердым покрытием) осуществляется с применением. ДР различного состава и целевого назначения. Известны и используются сотни различных композиций ДР. Вне зависимости от их состава процесс дезактивации идет по следующей схеме: (Поверхность + РА загрязнения) + ДР —> Поверхность + (ДР + РА загрязнения). Эту схему можно интерпретировать следующим образом: для дезактивации ДР должны преодолеть связь РА загрязнений с поверхностью объекта (первая стадия процесса дезактивации) и удерживать эти загрязнения, предотвратив их возможность осаждения на уже обработанную поверхность. Затем со­здать условия для удаления загрязнений вместе с отработавшими ДР.

При использовании ДР, как и других жидкостных способов, не рекомендуется
обработка пористых материалов, таких как кирпич, шифер, некоторые сорта бетона, древесина неокрашенная и некоторые другие, так как в водной среде усугубляется процесс проникновения РА загрязнений вместе с водой на еще большую глу­бину.

В зависимости от состава ДР можно разделить на три основные группы: ДР на основе поверхностно-активных веществ (ПАВ), окислителей и сорбентов.

ДР на основе ПАВ применяют для дезактивации различных объектов путем орошения поверхности с одновременным протиранием щетками, меха­ническое воздействие которых позволяет интенсифицировать процесс де­зактивации, т.е. способствовать извлечению загрязнений и удалению их вместе с отработавшим ДР. КД повышается при введении 10-40% абразивного порошка и может достигать 80.

Некоторые ПАВ, могут быть использованы для дезактивации пеной. Пена позволяет обрабатывать авиационную технику, некоторые виды оптической, электронной и другой аппаратуры. Недостатки данного способа связаны с осуществлением второй стадии процесса дезактивации — транспортирующая способность пены незначи­тельна. С течением времени пена гаснет, образуется очень тонкий и порой не сплош­ной слой жидкости, что дает возможность РА загрязнениям вновь вернуться на уже обработанную поверхность. Это обстоятельство предопределяет двухстадийную обработку: нанесение пены и ее выдержка (экспозиция) в течение определенного времени; затем происходит удаление пены струей воды, воздействием вакуума или механическим путем.

ДР растворы на основе окислителей многокомпонентны. В их состав входят кислоты (например, азотная и щавелевая), щелочи (едкий натр), а также некоторое количество ПАВ,. ДР на основе окислите­лей применяются для дезактивации замасленных, сильно загрязненных и подвер­гшихся коррозии металлических поверхностей, а также в случаях удаления глубин­ных РВ вместе с верхним загрязненным слоем. Растворы подобного типа являются одними из основных в атомной энергетике при дезактивации аппаратуры и главным образом внутренних контуров различных агрегатов, соприкасающихся с теплоносителем и подвергшихся коррозии.. Кроме того эти ДР используются при обеззараживании оборудования отработавших ЯЭУ. Обычно численные значе­ния КД не меньше 30, что по шкале качества определяют как удовлетворительные.

Третью группу ДР составляют суспензии, т.е. такие системы, в водной среде ко­торых распределены твердые частицы. Этими твердыми частицами являются со­рбенты, о них более подробно будет рассказано в следующем пункте. В качест­ве сорбентов могут применятся бентонитовые глины, сульфитно-спиртовая барда, цеолиты и др. Суспензии этой группы применяются для дезактивации внутренних и внешних вертикально расположенных стен зданий.

Использование сорбентов и полимерных пленок. Сорбентами называют порошки, способные поглощать на своей поверхности различные вещества, в том числе и РН. Процесс поглощения веществ называют адсорбцией, в результате которой вещества самопроизвольно извлекаются из раз­личной среды: жидкой и газообразной. Концентрация извлеченных на поверхность веществ всотни и даже тысячи раз превышает их концентрацию в среде, окружаю­щей сорбент.

Способность адсорбировать различные вещества придает им пористая структу­ра поверхности. Многочисленные поры, резко увеличивают поверхность сорбен­тов, а следовательно способность адсорбировать. Такая способность определяется размерами пор и удельной поверхностью. Поры имеют очень небольшие размеры, порой соизмеримые с размерами молекул.

Удельная поверхность пор измеряется в м²/кг, она показывает размер поверхности сорбента с учетом пор, приходящих на 1 кг порошка. Удельная поверхность такого сорбента как глина превышает 10 000 м²/кг, активированного угля в сотни раз больше.

Сорбенты применяют для извлечения РН из газовой и водной сред в процессе
очистки воды и воздуха, а также с различных поверхностей загрязненных объек­тов. Сорбенты, которые применяются для дезактивации, могут быть на основе мине­ральных веществ. К минеральным сорбентам относятся упомянутые ранее глины и цеолиты. Глинистые сорбенты (бентониты различного класса, монмориллонит, каолин, гидрослюда) желательно подвергнуть активации, что увеличивает их ад­сорбционную способность. К минеральным сорбентам относятся также диатониты, опоки и терпелы, которые образовались из мельчайших микроорганизмов.

При использовании минеральных сорбентов помимо адсорбции, происходит набухание - процесс увеличения массы вещества путем поглощения воды, содержащей РН. Заметим, что сорбенты в результате адсорбции извлекают РН, находящиеся в молекулярной и ионной фор­ме.

К угольным сорбентам относятся углеродные материалы, получаемые высоко­температурной обработкой различных ископаемых углей, древесных пород, торфа и других веществ, богатых углеродом. После обработки паром или инертными га­зами, которая необходима для очистки пор, вводят добавки, связывающие различ­ные РН.

Процесс дезактивации при использовании сорбентов идет в две стадии, которые отличаются от стадий других способов дезактивации. Сначала имеет место движение РН к поверхности сорбента, а затем собственно их адсорбция на этой поверхности. Эти стадии процесса продолжительны по времени. Если струей воды, например, процесс дезактивации осуществляется за секунды, то в случае применения сорбентов он исчисляется десятками минут, а иногда и часами. Сорбенты способны избирательно поглощать различные РН (селективность).

Для образования пленок приме­няются главным образом поли­мерные материалы, а также сорбенты.В зависимости от целевого назначения следует различать три группы пленок: изолирующие (акку­мулирующие), дезактивирующие и локализующие. Изолирующие пленки предвари­тельно (наносятся на чистую незагрязненную поверхность_; в отличие от локализующих, которые наносят на поверхность уже подвергшуюся РА загрязнению. Действие дезактивирующих пленок заключается в закрепле­нии их на поверхности объекта и проникновении РА загрязнений в глубь матери­ала пленки. Дезактивирующие удаляются с поверхности объекта вместе с удержи­ваемыми ими РА загрязнениями. Срок действия изолирующих (неудаляемых) мо­жет исчисляться месяцами и даже годами. Локализующие в зависимости от объек­та и целевого назначения могут быть как удаляемыми так и неудаляемыми.

Локализация радиоактивных загрязнений.Под локализацией РА загрязнений следует понимать, применение способов, предотвращающих переход РВ с загрязненной поверхности или из воздушной и водной среды на другие незагрязненные поверхности или в какую-либо среду, не содержащую радиоактивные вещества в опасных количествах. В связи с тем, что локализация осуществляется при помощи тех же технических средств и способов, что и дезактивация, уместно их рассмотреть в совокупности.

Локализация по существу есть предотвращение вторичного загрязнения объектов. Основными способами локализации считаются:

1. Изоляция загрязненной поверхности. Подвергаются загрязненные местности, дорога, сооружения, транспорт и одежда.

2. Пылеподавление. Относится главным образом к местности. Причем одновременно происходит изоляция загрязненной территории

3. Обваловка. Связана с закреплением грунта, обрамляющего акватории, и предотвращением распространения загрязнений течением рек, паводком, перемещением грунтовых и других вод.

4. Химико-биологическое задернение грунта. Направлено на рекультивацию земель, подвер­гшихся загрязнению с тем, чтобы исключить возможность поражения растений и животных.