Физико химические способы дезактивации

Физико химические способы дезактивации

Дезактивацией называется удаление (снижение) радиоактивного загрязнения с какой-либо поверхности или из какой-либо среды [1]. Если при дезактивации радиоактивные загрязнения объектов снижаются ниже допустимых норм [1], то такую дезактивацию следует считать эффективной. Эффективность дезактивации обычно оценивается при помощи коэффициента дезактивации K _Д [2, 3]:

(11.14)

где А_н, А_к — соответственно начальное (до дезактивации) и конечное (после дезактивации) радиоактивное загрязнение поверхности, Бк/м 2 (Бк/см 2 , Бк/км 2 ).

Помимо K _Д эффективность дезактивации можно оценивать посредством доли удаленных в процессе дезактивации радиоактивных зазгрязнений b _F:

(11.15)

Если при дезактивации снижается мощность дозы облучения, то эффективность дезактивации оценивается коэффициентом снижения мощности дозы K_c:

(11.16)

где D _н, D _к — мощность поглощенной дозы, исходящей от загрязненного объекта до и после дезактивации, мкГр/ч или в других единицах.

Коэффициент K_c можно выразить через коэффициент дезактивации K _Д:

(11.17)

где n₂ — параметр, связывающий загрязнение поверхности объектов с дозой, получаемой от этой поверхности; n₃ — параметр, связывающий предельно допустимую дозу (ПДД) и допустимый уровень загрязнения (ДУ).

При изменении загрязнений поверхности различных объектов (транспорта, местности, одежды и др.) отношение параметров остается примерно постоянным. Поэтому коэффициент дезактивации можно определять по снижению мощности дозы от загрязненного объекта.

Переход от уровня загрязнения местности к мощности дозы над этой местностью можно представить в виде:

(11.18)

где В_Д — дозовый коэффициент, мкГр · м 2 /Бк · ч; А_м — уровень загрязнения местности, Бк/м 2 .

Оценка эффективности дезактивации из соотношения (11.14) является упрощенной, поскольку K _Д, определенный таким образом, не учитывает опасность радиоактивных загрязнений и возможность облучения людей со стороны уже дезактивированных объектов. Соотношение (11.14) не позволяет оценить, достигнута ли цель дезактивации, так как при одном и том же K _Д остаточное количество загрязнений может быть выше уровней, обусловленных нормами радиационной безопасности. С целью учета этого введено понятие о требуемом коэффициенте дезактивации K _тр, который для радиоактивных загрязнений поверхностей различных объектов можно представить в виде:

(11.19)

где А_ДП — допустимый уровень загрязнения поверхности объектов, местности или одежды.

Аналогично требуемый коэффициент дезактивации кожных покровов можно записать соотношением:

(11.20)

где А_ДК — допустимые уровни загрязнения кожных покровов, приведены в НРБ-99 [1].

При значительных авариях на ядерных объектах в зависимости от обстоятельств по согласованию с органами санитарного надзора могут быть введены временные допустимые уровни загрязнения. Так, в Чернобыле после аварии, исходя из фактической опасности и свойств отдельных радионуклидов, были временно установлены следующие допустимые уровни загрязнения местности [2]: для 239 Pu — 3,7 · 10 9 Бк/км 2 ; 90 Sr — 1,1 · 10 11 Бк/км 2 и 137 Cs — 5,5 · 10 11 Бк/км 2 .

В табл. 11.2 приведены временные уровни допустимого радиоактивного загрязнения в Чернобыле для средств защиты, транспорта и одежды. Из этой таблицы следует, что вне 30-километровой зоны мощность дозы от указанных загрязненных объектов после дезактивации составляла 0,87 мкГр/ч, что примерно в 10 раз выше среднего радиационного фона от внешнего γ-излучения на поверхности Земли.

Временные уровни допустимого радиоактивного загрязнения, установленные в Чернобыле
для оценки эффективности дезактивации различных объектов по мощности дозы (мкГр/ч) [2]

В зоне радиусом
30 км

Вне этой зоны

I Нательное и постельное белье

0,87 Одежда, Лабораторное оборудование, индивидуальные средства защиты

0,87 Транспорт

Примечание : III, II, I — соответственно зоны: отчуждения, временного отселения, жесткого контроля.

Для того, чтобы требуемый коэффициент дезактивации наиболее полно отражал эффективность и полноту обработки, введено понятие приведенного коэффициента дезактивации ПК_Д, который можно представить в виде [2]:

(11.21)

Из соотношения (11.21) следует, что ПК_Д учитывает достигнутую эффективность дезактивации K _Д и требуемую K _тр. Если при дезактивации достигнута цель и конечная загрязненность объекта равна допустимой, т. е. А_к = А_ДП, то ПК_Д = 1. Если же А_к = А_н, т. е. дезактивация не произошла, ПК_Д = 0. Следовательно, дезактивация эффективна тогда, когда ПК_Д ≥ 1. Это дает возможность сравнивать качество дезактивационных работ, проводимых различными способами и в разных условиях по величине ПК_Д. Принято считать, что если ПК_Д > 2, т. е. А_к œ А_ДП, то дезактивация отличная. Когда ПК_Д лежит в пределах 1,5–2,0 (А_к [2]

Способы дезактивации

Используемые рабочие материалы, реактивы, приспособления или операции

Жидкостные

Струя воды

Дезактивирующие
растворы

Наложение
электрического поля или
ультразвука

Стирка
и экстракция

Использование сорбентов и пенообразующих веществ

Безжидкостные

Струя газа

Пылеотсасывание

Снятие
загрязненного слоя

Изоляция
загрязненной поверхности

Пенообразующие вещества

Комбинированные

Перегретый
водяной пар

Фильтрация

Протирание
щетками,
ветошью

Применение твердеющих пленок

Пенообразующие вещества

Вследствие того, что одни способы дезактивации применяются часто, а другие намного реже, их разделяют на основные и вспомогательные. К вспомогательным относят редко применяемую дезактивацию пенами и с использованием мембранной технологии, а также способы дезактивации без применения технических средств, например, протирание поверхности ветошью.

Способы дезактивации разделяют также на физико-механические и химические. Например, механическое воздействие щетки, струи песка, воздуха или химическое взаимодействие дезактивирующего раствора с радиоактивным веществом, которое можно интенсифицировать температурой, электрическим полем, вибрацией.

11.2.3. Физико-химические основы способов дезактивации

Реализация любого способа дезактивации осуществляется в две стадии. Первая стадия процесса дезактивации заключается в преодолении связи между радиоактивным веществом (молекулы, ионы, радиоактивные частицы) и поверхностью обрабатываемого объекта. Вторая стадия включает транспортировку радиоактивного вещества с обрабатываемой поверхности загрязненного объекта. Если вторая стадия осуществляется не в полной мере, то происходит оседание радиоактивных веществ из отработанной среды обратно на поверхность и повторное загрязнение поверхности уже в процессе дезактивации. В случае глубинного загрязнения дезактивация заключается не только в преодолении связи между носителями радиоактивных загрязнений и поверхностью, но и в миграции этих загрязнений из глубины материала на поверхность и в последующем удалении их с поверхности.

Разграничение всего процесса дезактивации на две стадии дает возможность обосновать параметры, характеризующие конкретный способ дезактивации. К таким параметрам относятся: состав дезактивирующих растворов, норма их расхода на единицу поверхности, условия применения дезактивирующих сред (скорость обработки, давление и др.).

Если радиоактивные вещества удерживаются на поверхности за счет адгезии, то первая стадия дезактивации заключается в преодолении силы адгезии за счет внешней силы отрыва:

где f _отр и f _ад — сила отрыва и сила адгезии.

Однако из-за неоднозначности сил адгезии существуют максимальная и минимальная силы адгезии, и эффективная дезактивация может быть достигнута, если за счет внешнего воздействия будут удалены частицы, реализующие максимальную силу адгезии. Это достигается изменением поверхностного натяжения на границе раздела фаз (для жидкостных способов дезактивации) и внешним механическим воздействием, используемым в различных способах дезактивации.

Осуществление первой стадии дезактивации радиоактивных веществ, адсорбированных поверхностью, происходит за счет их десорбции. При десорбции радиоактивные вещества в виде различных форм покидают поверхность адсорбента, т. е. загрязненную поверхность объекта. В этом случае химический потенциал радиоактивного вещества на поверхности m _п должен быть больше его химического потенциала в дезактивирующей среде m _с, т. е.:

Условия (11.22) и (11.23) характеризуют лишь принципиальную возможность осуществления первой стадии дезактивации, которую необходимо реализовать.

Радионуклиды из глубины материала переходят на поверхность за счет процесса обратной диффузии. В данном случае поток диффузии направлен в противоположную сторону потоку, который был при загрязнении, и основное уравнение диффузии для первой стадии дезактивации имеет вид, аналогичный уравнению (11.12):

где D_o — коэффициент обратной диффузии.

Удаление радиоактивных загрязнений из пор, трещин, а также из порового пространства капиллярно-пористых тел в процессе дезактивации жидкими способами связано со смачиванием. Для лучшего смачивания трещин и пор с целью удаления из них радиоактивных загрязнений, особенно высокодисперсных частиц, должно соблюдаться условие (11.6), т. е. обрабатываемая поверхность должна быть гидрофильна. Чем лучше смачивание и гидрофильнее поверхность, тем эффективнее жидкостные способы дезактивации.

Для осуществления второй стадии дезактивации (т. е. транспортировки радиоактивного вещества, находящегося в дезактивирующей среде, с поверхности загрязненного объекта) необходимо выполнение следующего условия:

где F₂ — сила воздействия дезактивирующей среды на радиоактивное вещество; F _ос — сила, характеризующая противодействие дезактивации и стремящаяся возвратить радиоактивное вещество на обрабатываемую поверхность. В качестве противодействия могут выступать гравитационная и инерционная силы, силы межмолекулярного взаимодействия, ионообменные и адсорбционные свойства обрабатываемой поверхности.

11.2.4. Кинетика процесса дезактивации

Первая и вторая стадии дезактивации проводятся за какое-то время, поэтому введено такое понятие, как скорость дезактивации v _Д, которая показывает снижение радиоактивного загрязнения в течение времени:

. (11.25)

По аналогии с изменением скорости химической реакции можно написать:

(11.26)

где А — величина радиоактивного загрязнения; К — константа скорости дезактивации; n — коэффициент, который, подобно скорости химической реакции, характеризует порядок процесса дезактивации и может принимать значения n = 1, 2, 3. Поскольку дезактивация иногда связана с реализацией нескольких физико-химических процессов одновременно (десорбция, ионный обмен и др.), то показатель степени n может быть дробным числом.

Если процесс дезактивации осуществляется по механизму реакции первого порядка и n = 1, то из соотношения (11.26) имеем:

. (11.27)

Интегрируя это выражение от А_н до А_к, получим:

(11.28)

Поскольку то:

(11.29)

Введя время, в течение которого начальная активность при дезактивации загрязненности снизится в 2 раза, получим выражение для константы скорости дезактивации:

. (11.30)

Из соотношений (11.29) и (11.30) выведем время дезактивации для заданного К_Д K _Д.

(11.31)

Если считать качество дезактивации хорошим, например К_Д K _Д = 50, то:

(11.32)

где t ₅₀ — время, в течение которого достигается К_Д K _Д, равное 50. Выражения (11.31) и (11.32) можно использовать для вычисления константы скорости дезактивации при первом порядке процесса дезактивации, т. е. при n n = 1, используя экспериментальные данные.

В случае, когда процесс дезактивации соответствует второму порядку ( n = 2), вместо соотношения (11.27) будем иметь выражение вида:

. (11.33)

Интегрируя это выражение, получим:

; (11.34)

(11.35)

Для K _Д, равного 2 и 50 соответственно, будем иметь:

(11.36)

(11.37)

Выражения (11.36) и (11.37) используются для вычисления константы скорости дезактивации при n = 2.

Если порядок, характеризующий процесс дезактивации, не является целым числом, то для определения константы скорости дезактивации и самого порядка реакции используют прием, основанный на логарифмировании уравнения (11.26):

(11.38)

Текущее значение скорости дезактивации можно представить в зависимости от оставшейся активности, т. е. lgv _Д = f(lgA). Эта зависимость в логарифмических координатах выражается прямой линией или близкой к ней. В соответствии с уравнением (11.38), тангенс угла наклона этой прямой будет равен n, т. е. порядку реакции, а отрезок, отсекаемый на оси ординат, есть логарифм константы скорости процесса дезактивации. В [29] проанализирована кинетика первой стадии процесса дезактивации конструкции реактора бассейного типа ИВВ-ММ с использованием водного раствора, содержащего 0,1 % Na₂CO₃ и 0,025 % трилона Б. Контроль полноты дезактивации осуществлялся при помощи образцов-свидетелей, что позволило определить константу скорости дезактивации с использованием формул (11.31), (11.32) и (11.36), (11.37). В экспериментах были получены средние значения времени t _0,5 и t ₅₀ для смеси различных радионуклидов, которые равны 3 и 60 мин соответственно. Вычисленные при этом по формулам (11.31) и (11.32) константы скорости дезактивации при n = 1 составили 0,115 и 0,0544 мин –1 соответственно, а значения К, полученные для механизма дезактивации по второму порядку n = 2, составили 0,163 и 0,0163 (активность · мин) –1 соответственно. Из этих данных видно, что разброс значений констант скорости дезактивации для первого порядка значительно меньше, чем для второго (пять раз против десяти), что дает основание предположить, что кинетика скорости дезактивации в этом эксперименте более соответствует первому порядку, чем второму.

Таким образом, при помощи константы скорости дезактивации, которая рассчитывается на основе модели механизма процесса с учетом порядка этого процесса, представляется возможным оценить скорость дезактивации и провести сопоставление кинетики дезактивации при использовании различных способов. Уравнения (11.30)–(11.37) характеризуют кинетику процесса дезактивации, связанного с удалением активности без учета особенностей поверхностного и глубинного загрязнений, подробно рассмотренных в [30].

В случае периодически повторяющихся циклов загрязнение—обработка при условии, что уровень загрязнения от цикла к циклу находится в пределах одного порядка, происходит постепенное накопление радиоактивности на дезактивируемой поверхности, что, например, наблюдалось в Чернобыле при дезактивационных работах [2]. При этом происходит насыщение поверхности радиоактивными загрязнениями до предельных количеств и .

Изменения начального и конечного значений радиоактивных загрязнений с учетом их накопления до предельного количества в зависимости от числа циклов дезактивации можно представить в виде [28]:

(11.39)

(11.40)

где n — число циклов загрязнение—дезактивация; b — коэффициент, который получают на основе экспериментальных данных.

Выражения (11.39) и (11.40) можно представить в обратных величинах:

(11.41)

(11.42)

В координатах и уравнения (11.41) и (11.42) аппроксимируются прямыми линиями, а отрезки, отсекаемые на оси ординат, соответственно равны и .

Тангенс угла наклона этих прямых соответствует значениям или . По известным величинам и можно, зная тангенс угла наклона, вычислить значение коэффициентов. Зная величину и коэффициент b, можно, используя уравнения (11.39) и (11.40), оценить эффективность дезактивации в условиях многократного радиоактивного загрязнения в зависимости от числа циклов загрязнение—дезактивация [31].

По числу циклов загрязнение—дезактивация можно прогнозировать остаточное радиоактивное загрязнение на различных объектах, когда в процессе дезактивации не удается полностью убрать радиоактивность.

Источник