- 43 -
Metody dekontaminace kovových povrchů Bernard Žižka TA
"esi hlavní úkoly dekontaminace v jaderné elektrárně je vdstranžní resp. snížení kontaminace vnějších o vnitřních povrchů zařízení a prostorů jaderné elektrárnyII kontaminovaných povrchů zařízení bude převážná část konaminace adsorbovaná v korozní vrstvě. Na první pohled by se mohlo předpokládat, že kontaminovanou korozní vrstvu bude možné bez velkých problémů rozpustit. Zkušenosti ale ukazují, že při odstraňování povrchových korozních vrstev je dekontaminační účinnost nedostatečná Proto je po-třebné v dekontaminační praxi používat různé metody, resp. jejich kombinace tak, aby se dosáhlo požadovaného dekontaminačního efektu. Mezi nejdůležitější dekontaminační metody patří: -
1
metody metody metody metody metody
mechanické, chemické, elektrochemické, paroemulzní, íauché
l.Sechanické způsoby dekontaminace:
Princip těchto způsobů je v mechanickém čištění povrchů od radioaktivních usazenin nebo jiných vnějších kontaminací. Pro mechanické čištění se používá zejména speciálních škrabek, různých zařízení pro čistění kovových povrchů, kovové a syntetické kartáře, hadry, brusky a další tradiční prostředky Pro dekontaminaci velkých součástek s hrubým povrchem je velmi účinnou metodou tsv. pískování za sucha. Proud pevných částic
- 44 -
/ostrý písek, ocelové kuličky e pod / se vrhají na kontaminovaný povrch, který se tím obrusuje spolu s tím se odstraňuje i přítomná povrchová kontaminace. Písek, resp .liné použité pevné částice je potřebné kontinuálně odsávat. Nevýhodou je poměrné veliká prašnost, kterou lze odstranit smáčením kontamonovaného povrchu kapalinou, V případě, že se jako smáčecí kapaliny použije vhodný dekontaminační roztok, dosáhne se vyšších dekontaminačních účinků, protože jde v tomto případě o kombinaci mechanického a chemického působení. Pro silne kontaminovaná místa je možné použít metody broušení pomocí přenosných brusek za sucha, případně za mokra. Metoda je vhodná jen pro místní kontaminaci, ale dekontaminační účinky jsou velmi dobré /je možné dosáhnout úplného odstranění kontaminace/ při poměrně nízkých nákladech. Mezi nejpoužívanější způsoby mechanické dekontaminace patří mytí povrchů a jejich drhnuti kartáči. Využívá se ?Ae spojených účinků mechanického ô chemického působení Metoda je vhodná, jen v případech, když je povrch slebě kontaminovaný a povrchová kontaminace je jen slabě fixovaná Pro omývání a drhnutí je potřebný velký počet pracovníků a dosažené dekonteminační efekty jsou pomorrě nízké. Přesto je teto metoda v prexi jaderných elektráren velmi rozšířená, protože pro jej: realizaci není potřebné žádné speciální zařízení p dekontaminační prostředky jsou kdykoliv snadno dostupné Modifikací uvedené metody je použití mycích aařízení s rotu;; i čími kartáči, které mohou podstatně urychlit dobu potřebnou k dekontaminaci a snížit potřebu dekontaminačního personálu. Pro dekontaminaci kobek, nádrží a rozsáhlých vnějších povrchů zařízení je velmi výhodné použití tzv, hydrononitorů, která jsou vyráběné v SSSR.
- 45 -
Princip působení hydromonitoru je založen na'vytvoření kompaktního proudu dekonteminečniho roztoku, vytéka.iícího pod velkým tlakem z trysky e jeho přemísťování po umývarém povrchu Při použití hydromonitoru dochází k součtu působení mechanické energie proudu dekontaminačního roztoku s ieho chemickou aktivitou, což dovoluje dosahovat vysokého efektu čiBtění povrchu od radioaktivních látek za dostatečně krátkou dobu., líevýhodou použití hydromonitoru je vznik poměrně velikého množství kapalných radioaktivních odpadů. Vhodnou úpravou při zachycování použitého dekontaminačního roztoku a jeho znovupouŽitím je možné dosáhnout vysokého dekonteminaoního efektu při vzniku přijatelného množství kapalných radioaktivních odpadů. Mezi mechanické způsoby dekontaminace jsou některými autory zařazované i metody vibrační. Při dekontaminaci je možné využívat jek vibrace zvukové, tak i ultrazvukové. Zvukové vibrace se mohou vytvářet elektromagnetem napojeným přímo na střídavý proud ze sítě. Tím získáme vibrace o kmitočtu 100 líz. Na tomto principu jsou založené např- vibrační pračky Mnohem účinnejší je použití ultrazvukových vibrací, tj. vibrací o frekvenci 1 0 - 3 0 ľ'Hz. Vysoký 'účinek ultrazvuku je způsobovaný tav kavitacemi, tj. mikroskopickými "espolozemi!í v kapalině J'ía určitých místech se vytvoří bubIink3' obsahující nasycené páry použité kapaliny, které vzápětí náhle splasknou, číms vnikají drobné exploze. Při kavitacích vznikají lokální tlaky cca 60 - 200 atm., případně i vyšší- Kevitace v podstatné míře ulehčují a urychlují odtrhávání nečistot od kontaminovaného povrchu protože mohou vznikat v mezerách a kapilárních prostorech mezi kontaminovaným povrchem a částečkami nečistot. Experimentálně bylo zjištěné, že největší účinek se dosahuje při použití ultrazvuku o kmitočtu 18 - 22 Iclíz, K odstraňování lehce rozpustných nečistot ;ie potv-e;:né použít pole leděr.é výkonem 10 -20F1 .
pro těžko rozpustné nečistoty cca 40 V/l" a pro nečistoty prakticky nerozpustné v bežných podmínkách 1 cca fio - 80 Wl~ .. Pro čistění kontaminovaných povrchů ultrazvukem je možné používat v podstate ste iné roztoky jako při dekontaminaci bez ultrazvuku.- Dekontaminační roztoky, které obsahují povrchově aktivní látky snižují povrchové napětí, srižují energetické ztráty zahříváním a tím urychlují dekontaminační účinek Zvyšování koncentrace povrchově aktivních látek zvyšuje dekontaminační účinek jen do určité koncentrace /cca 0,25 S syntetického saponátu na. 1 litr roztoku". Jako dekontaminační roztoky je možné používat i roztoky organických a anorganických kyselin, komjilexotvorných látek a pod. Používání roztoků kyselin ale způsobuje zvýšenou korozi jak kontaminovaných povrchů, tak i povrchů dekontaminacnich van e. ultrazvukových zářičů. TTerezové ocele a niklové slitiny této korozi poměrně dobře odolávají, ale měkké kovjr a uhlíkaté ocele korozi podléhá j í V dekontaminacnich vanách maiého objemu ultrazvukové záření zvyšuje dekontaminačni účinnost cca 5 - 1 0 krát oproti stejnému roztoku bez ultrazvuku.
2
Chemické způsoby dekontaminace
Při dekontaminaci chemickými způsoby se radioaktivní kontaminace odstraňuje na účet chemické reakce mezi kontaminovaným povrchem a dekontaminačním roztokem Bylo by možné předpokládat, že adsorbované radioaktivní produkty koroze je možné dobře odstranit rozpuštěním povrchového filmu kontaminovaného zařízení Zkušenosti z dekenteminační praxe ale ukázaly, že při odstraňování povrchových filmů se nedosáhne potřebná dekontaminační tíčinnost, aby mohl být dekontaminovaný povrch považovaný za čistý ve smyslu příslušné
- 47 -
vyhlágky Je pravděpodobné, že radioruklidy difundují do povrchového filmu nebo vrstvy korozních produktů a jsou rozptylované tak, že proniknou celou hmotu povrchového filmu Proto je při cľiemických způsobech dekontaminace potřebné odstranit nejen povrchový film, ale celou korozní vrstvu, případně i část povrchové vrstvy základního materiálu Z technologického hlediska se při chemických způsobech dekor.tamina.ce používají dva základní postupy: e/ staticky, při kterém se dekontaminuje pomocí dekontarainačního rostoku uloženého ve vaně, b/ dynamický, při kterém dekontamineční roztok cirkuluje v kontaminované1"; zařízení nebo ve vaně. Při použití stejných dekontaminacnich roztoků a stejných technických podmínek dekontaminace se při dynamickém způsobu dosahuje lepších dekontaminacnich účinků Pro dekontaminaci různých kovových povrchů neexistuje univerzální dekontaminační roztok, v praxi se nejčastěji používá kombinace kyselých a zásaditých rostoků pro odstranění matricových oxidů Pe^O., CrpO^, >T i0, uo 2 a pod V zásaditém roštoku obsahujícím silné oxidační činidlo /nepř KTbiO./ těžko rozpustné kysličníky dvojmocnélio železe © trojmocného chrómu přecházejí na rozpustnější výšemocné kysličníky, V kyselém prostředí, např. v roztoku kyseliny št8velové a dusiční, se při níahé hodnotě II vytvářejí komplexy oxalátů železa, které je možné odstranit při následovnom omývání dekontaminovaných povrchů čistou vodou, Der^unova a kol, používají pro oxidačně - redukční způsob dekontaminace kontaminovaných nerezových ocelí trojstupňový postup za pomocí těchto roztoků:
e/
2 % KOT: + 0 , 3
b/
5 5? IIKO3 + 0 , 3
c / 0,5 S
IÍ
£
A'
% KľlnO 4 ,
2G2°4
u kterého při teplotě 00 - SO °C dosáhly za. 3 dekontaminací oykly ĽV « 55 a sa 5 oyklů DP = 9 4 při době působení 10 minut pro každý rdztok v jednom cyklu. Z hlediska mechanismu procesu dekdntaminace s použitím roztoku KKuO, v kyselině dusičné je potřebné říci, že pddílrtiangenistenudraselného v uvedeném roztoku není ohraničený jen oxidační funkcí, ale velký význam má i vedlejší proces vzniku MnOp / pro který je známo několik rrystslických a amorfních modifikací a které se vysnaČují různými sorpčními vlastnostmi pro jednotlivé radionuklidy. Kysličník manganičitý vzniká nejen na povrchu korozní vrstvy, ale i v hlubších vrstvách kam proniká na účet mikrotrhnin, pórů a defektů ve struktuře vrstvy. To podporuje rozrušování pevných oxidačních útvarů na povrchu kovu, V zahraniční praxi se často používaly dekontaminační roztoky s peroxidem vodížu Jejich nevýhodou je však nestabilita systému a potřeba přesného dodržování provosních parametrů / pH, koncentrace roztoků, teplota/. Už malá úchylka od předepsaných parametrů výrazně snižuje dekontftminační efekt a zvyšuje korozivitu. Při dekontaminaci různých zařízení jaderných elektráren se velmi často používají organické kyseliny Tak např kyselina štavelová je vhodným reagentem pro odstraňování usazenin na nerezových ocelích, kýäelina citrdnová a její amonné soli se používají na dekontaminaci uhlíkatých ocelí a pod. Používají se také různé soustavy těchto kyselin s přídavkami komplexotvorných látek / E.DTA, hydra sin epod, /. V poslední době se v literatuře objevují i příklady o poiižívání fosforogeniekých sloučenin jako dekontaminačních činidel. Z hlediska technologických možností je možná jak dekontaminace celé-io primárního okruhu tak i dekon-
- 49 -
teminace jednotlivých smyček. Přitom se nejčastěji používá tento postup: e/ Rozpouštění kyselinou šíavelovou a citrónovou, b/ oxidace pomocí Ha OH a KMnO^, c/ rozpouštění kyaelinou štavelovou a citrónovou. Koncentrace chemikálií se určuje v závislosti na tlouštce odstraňovaných vrstev. Používá se cca 0,1 - 0,3 obj, % při době působení 2 - 4 hod a teplotě SO - 100 °r\. Pro zvýšení dekontaminačního účinku se v porilední době přechází k roztokům obsahujícím kyselinu citrónovou a EDTA., používaných při teplotách 120 - 150°C. TTehledľ na zvýnené náklady ne dekontaminaci se tyto roztoky vyznačují tím, že se dosahuje lesklého kovového povrchu a při dekontaminaci nedochází k resorbci rediomklidů a ke vzniku druhotných zbytků. Při výběru vhodných receptur pro chemické dekontaminace je potřebné brát do úvahy nejen velikost dosáhnutého dekonteminačního faktoru a hodnotu korozního působení na povrch dekontaminovaného zařízení* ale také jestli roztoky nepůsobí druhotné, těžko odstranitelné korozní vrstvy a jestli bude možné zpracovat radioaktivní odpady vzniklé při dekontaminaci.
3- Elektrochemické způsoby dekontaminaceTyto metody jsou v podststě anodovým leštěním kontaminovaných povrchů v elektrolytu za pomoci stejnosměrného elektrického proudu. Při tom se odstraňuje povrchová vrstva kovu, Elektrochemické způsoby dávají, v porovnání s chemickými způsoby, podstatně nižší množství kapalných radioaktivních odpadů e snižuje se i potřebné množství dekontaminačních roztoků.
?.dro;iem stejnosměrného proudu při elektrochemické dekontaminaci může být libovolný usměrňovači agregát se systémem regulace napětí a intenzity proudu. Používaná napětí se" pohybu;]í v rozmezí í> - 40 V a proudová hustoty 0,1 »- 0,4 Acm*" Doba dekontamina* ce je řádově minuty až desítky minut. Jako elektrolyty se používají roztoky růdných anorganických a organickýh kysolin V praxi jaderných elektráren ee používají dva způsoby elektrolytické dekontaminacee/ moloý b/ polosuchý i'pomocí pohyblivo katody). Při mokrém způsobu se kontaminovaný povrch ponořuje do elektrolytu ve vaně, nebo se, když to geometrické řeSení kontaminovaného zařízení r.ebo jeho části dovoluje, elektrolyt do detailu naleje, kontaminovaný povrch tvoří anodu Jako katoda se většinou používá nerezová ocel; tvat katody se má, pokud ;<e to možné, přibližovat tvaru dekontaminovaného povrchu Při polosuchém způsobu se čistění kontaminovaného povrchu provádí za pomoci tzv, vynášecí katody. Vynášecí katoda se zhotovuje z olova, hliníku, případně z ocele.. Její tvar by měl podle možností zodpovídat tvaru opracovávaného povrdhu. X vyloučení skratu mezi anodou a katodou se na vynášecí elektrodu upevní plst nebo 4 - 5 vrstev skleněné tkaniny, která se při dekontaminaci nepřetržitá zvlhčuje elektrolytem. Doba trvání dekontaminace náleží na stavu povrchu a charakteru kontaminaoe a dosahuje řádově desítky sekund aš minuty. Efektivnost dekontaminace je závislá na hustote toku proudu, rovnoměrnosti přiléhání vynášecí katody ke kontaminovanému povrchu, charakteru kontaminace e konstrukčním materiálu, z kterého je kontaminovaný povrch vyrobený Dekontamineční faktory dosahují cca 100 - 500.
- 51 -
Metody elektrochemické dekontaminace jsou velmi perspektivní Mokrý způsob může být využitý pro dekontaminaci Členitých detailů, armatur, čerpadel apod. Polosuchý způsob ie vhodný pro dekontaminaci ocelových obložení, sten 0 dalsíoh kovových povrchů, které byly v kontaktu s radioaktivním prostředím, míst se zvýšenou kontaminací, které se nepodařilo dekonatminovat chemickým způsobem apod
4
P&roemulzní metody dekontaminace-
Paroemul'.'.ní metody můžeme v podstatě rozdělit na dvo skupiny r e/ dekor.taminece pomocí vodní páry, případně par rozpouštědel b/ dekontaminace pomocí vodní páry s přídavkem dekontarainačních činidel Dekontaminace pcmocí vodní páry /par rospustidel/ se provádí v uzavřených boxech, do kterých se předměty určené na dekontaminaci vkládají. V" průběhu dekontaminace se vnitřní prostor b o n zaplní parou, která kondenzuje ne chladném povrchu e. omývá ho. Při dekontaminaci zamaštěných povrchů, kdy je kontaminant spojený s olejem, vazelínou apod., je vhodné používat par rozpustidel, které odmaš tu;jí povrch a současně odstraňují kontaminant. Konečné očištění od zbytků rozpustidel se provede nasycenou vodní parou. Pro kovové nezemastěné povrchy, kde by se použitím organických rozpustidel dosáhlo nízkého dekontaminfičního efektu, se využívá společného účinku dekontaminečního roztoku a vodní páry pod tiskem, které jsou přiváděné pomocí speciálního zařízení.. Princip použití tohoto zařízení je založený na tom, že se do proudu nasycené vodní páry vycházející s trysky přidává dekontaminační roztok, který ee v určitém poměru míchá s vodní parou.
Efektivnost dekontaminace povrchů pomocí tohoto zařízení závisí na: - materiálovém složení kontaminovaného povrchu, - způsobu kontaminace povrchu /aerosolová, korozní, mechanická ep /, - složení dekontaminačního roztoku, - teplotě procesu dekontaminace, - době působení dekontaminačního roztoku ne kontaminovaný povrch, - tlaku paroemulzní směsi apod. Pro dekontaminaci nerezových ocelí se doporučuje používat následného opracování kontaminovaných povrchů zásaditými - oxidačními a kyselými roztoky na bázi anorganických a organických kyselin a zásad. Do roztoků ,je vhodné přidat saponáty a komplexotvorná Činidla. Pro dekontaminaci povrchů vyrobených z uhlíkatých ocelí jsou vhodné roztoky organických kyselin /š£avelová, citrónová/, s přísadou saponátů a komplexotvorných látek. Povrchy z nekovových materiálů se dekontaminují roztoky detergentů s přídavkem smáčedel, případně komplexotvorných látek. Podle" zahraničních zkušeností jsou paroemulzní metody vhodné pro dekontaminaci povrchu podlah a stěn v ochranných boxech, vnějších povrchů technologického zařízení apod Ef dctivnost paroemulaních metod může b/t velmi vysoká; v případě slabě fixované kontaminace může zajistit její úplné odstranění Předností je i velká rychlost opracování kontaminovaných povrchů 2 —1 - cca 1 m'-min. "Tedostatkem paro«mulsních metod je vznik poměrně velkého množství kapalných radiooktivnícl: odpadů a jejich ztížený záchyt v místnostech a nádržích Určité komplikace mohou vznikat při použití peroemulsní metody ve volných prostorech/ dekontaminace stěn chodeb, místností, vnějších povrchů sařízení epod./ zhoršeným pracovním prostředím.
- 53 5
Suché metody dekontaminace:
Suché metody dekontaminace můžeme v podstatě rosdělit na dvě skupiny; a/ metody využívající abrasivní paaty, b/ metody využívající ocl r*mné filmy. Použití abrazivních past je omezené jen na poměrně malé rovinné plochy, případní na místní kontaminaci nízké úrovně. Příkladem může být ebrazivní pasta publikovaná Bartčakem, která má následovné složení: abrazívni p.'ášek typu SiC, zrnění 400 Mesoh bentonit glycerin voda
30 40 30 20
dílů dílů dílů dílů,
do této základní pasty byly přidávané detergenty a konplexotvorné látky v množství 0,5 - 5 %. Metody využívající ochranné dekontamineční filmy mají širší použití. Princip použití je v tom, ae ée ne. čisté povrchy před začátkem demontážních prací /nebo jiných prací s kontaminovanými předměty/ nanese specielní emulze, vytvářející pevnou ochrannou vrstvu, natřenín nebo nestříkáním. Ochranné filmy mohou být různého typu podle složení nebo zpíleobu nanesení. Emulze často obsahují povrchově aktivní a koloidní látky, případně i kompleacotvorné činidla. Kontaminace se zachycuje na povrchu filmu po ukončení práce se film jednoduše strhne a uloží jako pevný radioaktivní odpad, V poslední době se při dekontaminaci ne JE používají také specielní snímatelné dekontaminační laky, které mají silně sorpční vlastnosti. V tomto případě se laky nanášejí přímo na kontaminované povrohy. Po vyschnutí se lak odstraňuje mechanickým způsobem i se zachycenou kontaminací *i ukládá jako pevný radioaktivní odpad
- 54 -
Závěr ? I přes velké množství nejrůznějších, dekonteminačních metod a dekontaminačních roztoků používaných při delcontaminecnich pracech na JE pokračuje intensivní výskum v oblasti dekontaminace. Další rozvoi jaderné energetiky, rozšiřování využití radionuklidů ve vede a technice i nebezpečí vojenského jaderného konfliktu vyžadují hledat stále efektivnější metody dekontaminace.
Literatura' 1
Sedov V. K. a kol: Razrabotka otdelnych vidov techničeskich sredstv dezaktivecii oborudovanija i po~ meščeni,j AES, Ref na konf, IV IP, prosinec 1976, Moskva,
2
Spring S.: Očistka poverchnosti metalov, Izd, P.Iir, 1966, Moskva,
3, Ayres J.A, a kol- Decontamination of Nuclears Reactors end Equipment, The Rinald Press Cornp* , New York 1970, 4* Winkler R. ; Kemenergie 12/1970/, 11, 341. 5- Oertel L. : Kernenergie 19/1976/, 4, 129. 6. Voronin L, M. : Osobennosti ekspuatacii i remonta AES, Energoizdat, Moakva 1981. 7. Žižka B. a kolr ? Špecifikácia pošiadavie na parametry dekontaminácie, Výsk. zpráva VUJE č. 17/31, červen 1981 8. Žiška B. , Hladký E. : Likvidácia iadrovo-energetických zariadení po ukončení ich prevádzky, Výsk. zpráva VUJE 5\ 31/80, prosinec 1900. ?• Lřer> J. : Ověření korozní agresivity dezaktivačních roztoků pro jaťsrnou elektrárnu A-1. Výsk. zpráva SVUOM 5. 1/31, únor 1901. 10
Žižka B. a kol.: Experimentálne overenie dekontaminačnýcb roztokov z hlediska ich dekontaminačnej účinnosti, výsk zpráva VUJE č, 88/81, prosinec 1981
11, Žižka B. • K problematike dekontaminácie sekundárnej časti medzisrojovne obj. 32 JE A-1. Výsk. zpráva VTTJB 5. I(A0-010/Q3, květen 1933. 12. Bnrtčak T r Pazrabotka dezaktiviru.junčich obrazivnych past soderžaščich detergenty i komplekxoobrasovateli. Trudy neučno-techničeskoj konferencii v Kolobžeg, T.If. ,s.1G1, Varšava 1973.
