Ультразвуковой способ дезактивации

Относится к одному из наиболее эффективных способов химической дезактивации.

Ультразвук – упругие волны с частотами примерно от 1,5 ¸ 2,0 10⁴ Гц (15¸20 кГц) до 10⁹ Гц (1ГГц). 1 Гц соответствует одному колебанию в секунду.

Ультразвуковые колебания подразделяют по частотам на следующие области: низких частот (от 1,5·10⁴ ¸ 10⁵); средних частот (10⁵ ¸ 10⁷); высоких частот (10⁷ ¸ 10⁹).

Ультразвуковой способ основан на возбуждении упругих колебаний в жидкой среде, в которую помещается объект дезактивации.

Возбуждение ультразвуковых колебаний производится с использованием пьезоэлектрических кристаллов или магнитнострикционных генераторов, которые погружаются в жидкость. Наиболее применимые частоты для УЗ – дезактивации отвечают диапазону 15¸25 кГц.

Дезактивация или удаление радиоактивных загрязнений с поверхностей ультразвуковым способом достигается за счет совместного действия на объект жидкой среды и факторов, возникающих в этой среде под действием ультразвука. В качестве жидкой среды используются растворы химических реагентов. Эффективность дезактивации, заключающейся в десорбции с поверхностей радионуклидов, в растворах при действии ультразвука выше, чем просто в растворах. Это связано с тем, что ультразвуковые колебания вызывают в жидких средах ряд дополнительных механических, физических и химических явлений, оказывающих влияние на удаление радиоактивных загрязнений с поверхностей объектов.

К основным явлениям, возникающим под действием ультразвука в жидких средах относят:

- акустическое течение жидкости;

- звуковое или радиационное давление;

- кавитацию.

Возникновение акустического течения в жидкости связано с тем, что генератор ультразвука (УЗ) не только приводит прилегающие к нему частицы среды в колебательное движение относительно положения равновесия, но и вызывает постепенное их смещение. В результате образуется стационарный вихревой поток жидкой среды относительно поверхности дезактивируемого оборудования – акустическое течение. Данное явление способствует интенсивному перемешиванию жидкости относительно радиоактивных загрязнений, удержанию частиц последних в растворе, уменьшению диффузионных ограничений реакций растворения загрязнений за счет постоянного обновления раствора у поверхности.

Главным фактором, способствующим разрушению поверхностных пленок радиоактивных загрязнений, является кавитация. УЗ поле приводит к возникновению в жидкости переменных давлений (чередование сжатий и разряжений). Кавитация заключается в образовании в жидкой среде разрывов сплошности в виде пузырьков, заполненных парами жидкости или растворенными в ней газами.

Амплитуда звукового поля, при которой жидкость разрывается, называется порогом кавитации. Для лишенной газа дистиллированной воды порог кавитации отвечает примерному значению 28 МПа, для растворов химических реагентов – значительно меньшему значению вследствие присутствия в жидкостях примесей – зародышей кавитации. При увеличении давления (фаза сжатия) пузырьки, захлопываясь создают импульсы давления большой силы, вызывающие кавитационные разрушения на поверхности твердых тел. В воде при 25 ⁰С, частоте колебаний 20 кГц и амплитуде звукового давления ~ 10 МПа парогазовая смесь кратковременно (около 40 микросекунд) сжимается до давления порядка 300 МПа и нагревается до температур свыше тысяч градусов по Цельсию. Кавитация способствует удалению поверхностных загрязнений, перемешиванию раствора у поверхности раздела фаз, растворению осадков вследствие диспергирования радиоактивных загрязнений.

Количественно воздействие ультразвука на обрабатываемую поверхность характеризуется звуковым или радиационным давлением, под которым подразумевают переменное давление, действующие на препятствие со стороны УЗ колебаний. Звуковое давление создает избыточное давление жидкости у обрабатываемой поверхности объекта дезактивации и определяет полноту удаления радиоактивных веществ с поверхностей. Звуковое давление пропорционально плотности жидкой среды, амплитуде и частоте колебаний. Порядок величин звукового давления на границе излучатель – жидкость в УЗ установках для дезактивации составляет 2·10⁵ ¸ 1,8·10⁶ Н/м².

С повышением звукового давления увеличивается число пульсирующих пузырьков и их объем. При их оптимальном соотношении эрозионная активность жидкости максимальна.

Сила взрыва кавитационных пузырьков и очищающий эффект пропорциональны интенсивности УЗ. Оптимальная интенсивность УЗ для дезактивации в водных растворах составляет 0,5¸3 Вт/см² в диапазоне частот 18¸25 кГц и зависит от химического состава растворов.

Факторами, влияющими на эффективность ультразвуковой дезактивации, также являются: внешнее статическое давление над жидкостью; поверхностное натяжение жидкости; температура жидкости; химический состав раствора. При определенном соотношении атмосферного и звукового давлений, равном для воды 0,4, можно значительно повысить кавитационную эрозию радиоактивных загрязнений на поверхности объекта. Общая закономерность – чем больше разность давления снаружи и внутри пузырька, тем больше интенсивность его схлопывания.

Увеличение поверхностного натяжения жидкости приводит к возрастанию порога кавитации и эрозии поверхности. Повышение плотности раствора затрудняет образование пузырьков, количество и размеры кавитационных пузырьков уменьшаются. При высокой плотности растворов возможно вырождение кавитационных пузырьков в пульсирующие.

С повышением температуры растворов порог кавитации понижается, уменьшается вязкость, поверхностное натяжение, но увеличивается давление парогазовой смеси. Оптимальная температура растворов, когда интенсивность кавитации и эффективность дезактивации максимальны, отвечает диапазону 50¸60 ⁰С.

Так как все физические и химические параметры УЗ дезактивации взаимосвязаны, оптимальные параметры дезактивации подбирают индивидуально для каждого раствора с учетом материала обрабатываемого объекта и характера радиоактивных загрязнений.

Ультразвуковую дезактивацию осуществляют ванным способом, то есть дезактивируемый объект помещается в специальную ванну с растворами, в которой определенным образом (в зависимости от габаритов ванны) размещены генераторы ультразвука.

На эффективность УЗ дезактивации также влияет расстояние поверхности объекта от УЗ-генератора. Дезактивация протекает тем эффективнее, чем меньше это расстояние. Поэтому, при больших габаритах дезактивируемых изделий используют несколько источников УЗ-колебаний, расположенных определенным образом.

Зависимость эффективности УЗ – дезактивации от химического состава растворов не всегда однозначна. Так, при введении в растворы поверхностно-активных веществ, вызывающих понижение величины поверхностного натяжения растворов и улучшающих смачиваемость поверхностей, коэффициент дезактивации повышается незначительно, но резко сокращается длительность процесса. В то же время, сильное пенообразование в присутствии ПАВ затрудняет обработку и приводит к рассеянию УЗ колебаний. В присутствии электролитов эффективность дезактивации повышается, Так, если К_д нержавеющей стали в 2 % растворе ПАВ соответствует ~ 10, то для 0,1 Н раствора азотной кислоты - 100, а для 0,1 Н раствора серной кислоты – 450 за время обработки ~ 2 минуты. Введение в растворы комплексообразующих веществ (гексаметафосфата, этилендиаминтетрауксусной кислоты) дополнительно улучшает эффективность дезактивации за счет комплексообразования радионуклидов и улучшения условий их удержания в растворах.

При ультразвуковой дезактивации возможно использование самых разных растворов, которые применяют для погружной химической дезактивации, в том числе окислительных и восстановительных растворов. При этом время дезактивации по сравнению с погружным способом значительно сокращается. Скорость очистки поверхностей возрастает в 50¸100 раз, а концентрации реагентов в растворах могут быть снижены. Повышение эффективности химического воздействия растворов при УЗ обработке, особенно растворов окислителей объясняется тем, что в УЗ – поле ускоряются реакции окисления, снижаются диффузионные ограничения реакций растворения поверхностных загрязнений.

Повышение эффективности дезактивации в УЗ – поле проявляется в большей степени в средах с низкой дезактивирующей способностью. В более химически агрессивных средах К_д при «озвучивании» растворов возрастает в меньшей степени (до 10 раз).

Наибольшее преимущество УЗ – дезактивации проявляется в сокращении времени обработки. Так, с поверхностей ТВЭЛ в 10 % растворе азотной кислоты удаляется до 70 % активности за время порядка 4 часов, а в УЗ – поле – до 90 % активности за ~ 4 минуты.

При дезактивации поверхностей стали – 3 от Со⁶⁰ в растворе состав, которого 10 % H₂SO₄ + 1,5 % K₂Cr₂O₇ коэффициент дезактивации порядка 200 достигается при погружной дезактивации за 13¸20 минут, а в УЗ – поле - за 1,5 ¸2 минуты. При удалении более прочно фиксированных загрязнений время обработки составило 2,5 часа и 5 минут, соответственно.

Важным преимуществом способа УЗ – дезактивации является возможность использования более разбавленных растворов, что обеспечивает экономию реагентов, снижение стоимости переработки образующихся ЖРО.