Перспективы применения нанокавитантов в атомной энергетики
реклама
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОКАВИТАНТОВ В АТОМНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ С.Б. Хубецов, ОАО «ВНИИАЭС», г. Москва Е.К. Арефьев, ОАО «ВНИИАЭС», г. Москва, В.А. Максимец, ООО НПК «БИОЭКОПРОМ» г. Москва Исследования применения в атомной энергетике технологий с использованием рецептур на основе нанокавитантов ОАО «ВНИИАЭС», НТЦ по обращению с РАО и ОЯТ АЭС Участники разработки ООО НПК «БИОЭКОПРОМ», НТЦ по обращению с РАО и ОЯТ АЭС ООО НПФ «Пульсар» 2 Объекты исследования применения технологии с использованием нанокавитантов на НВАЭС Использование нанокавитантов для дезактивации металлических радиоактивных отходов (МРАО); Использование нанокавитантов для дезактивации технологического и контурного оборудования; Использование нанокавитантов для очистки греющих поверхностей теплообменного оборудования. 3 Цели и задачи исследований 4 Возможность применения нанокавитантов в атомной энергетике для проведения дезактивации контурного, технологического оборудования и МРАО; Сравнительные испытания испытания эффективности технологии дезактивации с использованием нанокавитантов и штатных технологий дезактивации, применяемых на АЭС; Экспертная проверка и адаптация дезактивирующих рецептур на основе нанокавитатантов, определение технологических режимов процесса дезактивации; Возможность альтернативного применения нанокавитантов для очистки греющих поверхностей технологического оборудования АЭС с использованием нанокавитантов; Повышение безопасности при обращении с РАО; Продление сроков эксплуатации технологического оборудования АЭС; Повышение рентабельности производства тепловой и электрической энергии за счет снижения себестоимости технологических процессов и повышения их эффективности. Основные требования, предъявляемые к технологическим процессам дезактивации 5 Основными требованиями, предъявлямыми к процессам дезактивации являются: Высокая эффективность; Низкая скорость коррозии; Минимальное количество вторичных радиоактивных отходов после дезактивации и возможность их переработки; Экологическая безопасность и экономическая обоснованность процесса при его реализации. Новый класс веществ, объединенных под названием «Нанокавитанты» ( «Нанотранзиты») 6 Нанокавитанты и их модифицированные аналоги (нанотранзиты) представляют собой направленноориентированные макромолекулярные изомеры на основе высокомолекулярных хелатных соединений, катализаторов и иммобилизированной перекиси водорода в буферной стабилизирующей среде. Наночастица обеспечивает аномально высокое концентрирование действующего вещества (пероксид) в зоне гетерофазной реакции и принципиальное изменение кинетики реакции. В состав рецептуры для дезактивирующего раствора входят: - перекись водорода или перекисьгенерирующий препарат; - иммобилизирующие матрицы- носители – полифосфаты с фиксированной длиной цепи, комплексоны и краун-эфир; - буферная смесь фосфатов и воды. Новый класс веществ, объединенных под названием «Нанокавитанты» ( «Нанотранзиты») Механизм действия При иммобилизации перекиси водорода на матрицахносителях образуются новые комплексные соединения с измененной кинетикой химических и физико-химических реакцией. При каталитическом распаде, инициируемом автокаталитическими реакциями взаимодействия с отложениями, температурой или химическим способом нанокавитанты образуют локальные зоны повышенного и пониженного давления – «зоны микровзрывов и кавитации» с разрушающим действием расклинивающего типа на нереакционные коррозионные отложения, содержащие радионуклиды. 7 Новый класс веществ, объединенных под названием «Нанокавитанты» ( «Нанотранзиты») Положительно- заряженные ионы, высвобождаемые из отложений, связываются в неадсорбционную водорастворимую форму. Присутствующие в нанокавитантах полифосфаты оказывают антикоррозионное действие путем покрытия обрабатываемых поверхностей высокоустойчивой полифосфатной пленкой, оказывая в отдельных случаях реставрационное воздействие на микрощели на обрабатываемой поверхности металлов. При возрастании температуры и концентрации эффективность очистки увеличивается. Рабочий диапазон температур для очистки от минус 30 до плюс 1500 С. 8 Новый класс веществ, объединенных под названием «Нанокавитанты» ( «Нанотранзиты») Разрушающее действие эффективно как для неорганических отложений (окисидные, карбонатные, селикатные и т.д.), так и на отложения биологического характера (биопленки, пирококсы, парафины, конгломераты микро- и макро-организмов и т.д.). При этом, биологические организмы, высвобождаемые из конгломератов, уничтожаются биоцидным хелатноперекисным комплексом, а неорганические примеси переводятся в неадсорбционную форму. Препараты разработаны с учетом эффектов «чувства кворума микроорганизмов» и открытий механизмов их адаптации к химиопрепаратам, т.е. свойств микроорганизмов, ответственных за лавинообразное накопление биоминерализуемых нереакционных отложений. 9 Новый класс веществ, объединенных под названием «Нанокавитанты» ( «Нанотранзиты») При этом у биологических организмов не возникает привыкания к препаратам, а извлечение оксидных и других неорганических радиоактивных отложений с загрязненных поверхностей существенно облегчается технологически. Принципиальным отличием технологии от аналогов (в т.ч. Штатных технологий дезактивации, применяемых на АЭС) является одностадийное комплексное действие препаратов, связывание примесей и их «транзитный» проход на переработку ЖРО и антикоррозионная обработка внутренних поверхностей оборудования и коммуникаций 10 Новый класс веществ, объединенных под названием «Нанокавитанты» ( «Нанотранзиты») СТРОЕНИЕ НАНОЧАСТИЦ Наночастицы – кавитанты – направленно-ориентированные элементоорганические макромолекулярные изомеры на основе хелатных и полимерных соединений, катализаторов и перекиси водорода в буферной стабилизирующей среде. Линейное 11 Хелатное Сетчатое Результаты исследований Испытания технологии дезактивации оборудования (МРАО) с использованием нанокавитантов 12 Место проведения испытаний технологии – узел дезактивации 3 энергоблока Нововоронежской АЭС. Испытания проводились персоналом Нововоронежской АЭС (ЦД) с участием сотрудников ЗАО «РАОТЕХ». Научно-техническое сопровождение работ при проведении испытаний - ОАО «ВНИИАЭС». Основными целями испытаний ставились: - определение эффективности разработанной технологии малореагентной дезактивации с использованием рецептур, содержащих нанокавитанты как основного технологического оборудования, так и металлических радиоактивных отходов действующих и выведенных из эксплуатации энергоблоков АЭС; Результаты исследований Испытания технологии дезактивации оборудования (МРАО) с использованием нанокавитантов - разработка и внедрение передовых технологий дезактивации с достижением высоких коэффициентов и снижением коррозионной активности дезактивирующих растворов; - оптимизация состава дезактивирующих растворов и условий проведения процесса дезактивации; - отработка рабочих режимов малореагентной дезактивации технологического оборудования и МРАО с использованием нанокавитантов для разработки технологического регламента дезактивации; - определение сравнительных данных по эффективности дезактивации при использовании традиционных химических методов и методов, основанных на применении рецептур, содержащих нанокавитанты. 13 Результаты исследований Испытания технологии дезактивации оборудования (МРАО) с использованием нанокавитантов Испытания технологии проводились на реальных образцах элементов технологического оборудования энергоблока № 2, представляющих фрагменты трубопроводов компенсатора объема (КД), имеющих фиксированное загрязнение радионуклидами Cs, Sr, Co и др. с мощностью дозы гамма-излучения от 0,10 мЗв/час (2 образца – фрагмента трубопроводов впрыска КД, Ду 200, высотой 0,15 м с заранее снятыми показателями - удельная активность радионуклидов в поверхностных отложениях (Бк); поверхностная плотность загрязнения радионуклидами (Бк/м2); мощность дозы γ-излучения на расстоянии 1 м от образца и 0,1 м от образца). 14 Результаты исследований Испытания технологии дезактивации оборудования (МРАО) с использованием нанокавитантов № п.п Реагент % масс. Температура, С Время обрабо тки, ч Мощность дозы, мЗ/ч до дезакт. Общая коррозия, мкм КД 0,03 13,2 30 0,02 13,2 45 после дезакт 1 –й цикл дезактивации 1 «Нанокавитант -1П» 25 2 Азотная кислота (HNO3) 0,5 3 Чистый конденсат 0,75 60-70 2 0,8-1 2 –й цикл дезактивации 15 1 «Нанокавитант -1П» 25 2 Азотная кислота (HNO3) 0,5 3 Чистый конденсат 0,75 60-70 2 0,8-1 Результаты исследований Испытания технологии дезактивации оборудования (МРАО) с использованием нанокавитантов Выводы 16 Технология малореагентной дезактивации оборудования АЭС с применением дезактивирующих растворов (ДР), содержащих нанокавитанты показала высокую эффективность. Результаты испытаний могут служить основанием для внедрения технологии и разработки технологического регламента дезактивации оборудования АЭС и МРАО. Технология дезактивации с применением ДР, содержащих нанокавитанты, имеет несомненное преимущество перед химическими способами дезактивации, так как позволяет сократить расход реагентов и поступление солей в ЖРО в 2 – 4 раза. Технология реализуется на штатном оборудовании и не требует применения специальных установок и дополнительного оборудования Результаты исследований Испытания технологии дезактивации оборудования (МРАО) с использованием нанокавитантов 17 При проведении испытаний технологии достигнуты высокие показатели по коэффициенту дезактивации (Кд), на порядок боле высокие - в случае применения химических (кислотных) методов дезактивации, сравнимые - при применении механических и комбинированных методов (ультразвук, электрохимия). Технология, очевидно, применима и при проведении контурных дезактиваций (промывок), что позволит при значительно более высокой эффективности исключить промывки с использованием ДР на основе агрессивных коррозионноопасных неорганических кислот. Технология обеспечивает возможность многократного использования ДР (3 – 4 раза, после восстановления концентрации реагентов), что позволит значительно снизить количество вторичных РАО, образующихся в процессе дезактивации. Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 18 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ Работы проводились на тестовых отрезках трубчатки конденсатора турбины Курской АЭС с выраженными эксплуатационными неорганическими отложениями длинной 0,15 м специалистами ООО «НПК «БИОЭКОПРОМ» с участием представителя ОАО «ВНИИАЭС» (научный руководитель) с использованием рецептур, содержащих нанокавитанты различного состава. ОСНОВНЫМИ ЦЕЛЯМИ ИСПЫТАНИЙ СТАВИЛИСЬ: - определение эффективности воздействия рецептур на основе нанокавитантов на нереакционные прочнофиксированные эксплуатационные отложения на внутренней поверхности трубчатки конденсатора турбины; Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов - выбор рецептуры на основе нанокавитантов и определение оптимального процентного содержания рецептур на основе нанокавитантов в реакционном растворе; - оценка возможности адаптации технологии очистки теплообменного оборудования на АЭС с РБМК и замены дорогостоющей импортной технологии «шарикоочистки». Примечание: Рецептуры на основе нанокавитантов разработаны ООО «НПК «БИОЭКОПРОМ» и представляют собой стабилизированные в буферной среде иммобилизированные перекисные высокомолекулярные комплексы в с добавлением катализаторов запуска автокаталитической реакции, антикоррозионных препаратов и препаратов герметизации микротрещин металла. 19 Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 20 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ До очистки После очистки Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 21 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ Нанокавитационный способ очистки с использованием рецептур на основе нанокавитантов позволяют провести полную очистку трубчатки конденсатора турбины от нереакционных отложений в режимах экстренной очистки в течение 10-60 минут в рециркуляционном режиме в течение 3-8 часов. Продолжительность технологического цикла (время обработки) зависит от состава препарата и его концентрации и проходит в режиме регулируемого кавитационного разрушения отложений. Нокавитанты обеспечивают режим пролонгированной превентивной защиты поверхностей трубчатки от коррозионных и неорганических отложений (соли жесткости) после предварительной очистки путем введения малых доз (1-1,5% от массы оборотной воды) в оборотную воду теплообменного контура. Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 22 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ Отработанный раствор представляет собой гетерогенную смесь нерастворимых частиц в водном растворе неорганических солей. Очистка оборотной воды и концентрирование отходов может быть достигнуто использованием штатных методов. Нанокавитационный способ очистки не требует дополнительного специального оборудования и демонтажа оборудования, подвергаемого очистке. Нанокавитанты позволяют провести «герметизацию» микротрещин поверхностей черных металлов и легированной стали (других сплавов), а также образуют защитную антикоррозионную пленку на поверхности металлов, предположительно представляющую собой металлополимерный (металлокомпозитный) состав. Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 23 ВЫВОДЫ Результаты испытаний показали высокую эффективность технологии очистки теплообменного оборудования от коррозионных и неоргнических нереакционных прочнофиксированных отложений. Органолептические и приборные наблюдения показали полное отсутствие отложений на внутренних поверхностях трубчатки после проведения цикла очистки. Для внедрения технологии очистки теплообменного оборудования с использованием нанокавитантов необходимо проведение полномасштабных испытаний на теплообменном оборудовании АЭС с РБМК с изучением: Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 24 ВЫВОДЫ - механизмов нанокавитации на греющих поверхностях, кинетике протекающих реакций; - физикохимического состава и количества образующихся вторичных отходов, способам их переработки и концентрирования; - антикоррозионного воздействию рецептур, состава образующихся антикоррозионных покрытий, металлографических исследований; - оптимальных параметров технологического процесса с определением процентного состава вводимых в раствор рецептур, содержащих нанокавитанты, рН среды, температуры раствора, времени обработки и т.д.; - воздействия «чистых» отработавших растворов на экологическую обстановку при сбросе в очистные сооружения. Результаты исследований Испытания технологии очистки теплообмнного оборудования с использованием нанокавитантов 25 При положительных результатах испытаний необходимо разработать технико-экономическое обоснование внедрения технологии . При принятии решения на внедрение технологии необходимо разработать и согласовать технологический регламент. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 26 Представленные и испытанные технологии малореагентной дезактивации оборудования АЭС и очистки теплообменного оборудования от отложений с применением рецептур, содержащих нанокавитанты показала высокую эффективность. Проведенные исследования и испытания могут служить основанием для ее внедрения и разработки технологического регламента дезактивации оборудования АЭС, как находящегося в эксплуатации, так и выводимого из эксплуатации. Малореагентная технология дезактивации с применением рецептур, содержащих нанокавитанты, имеет несомненное преимущество перед химическими способами дезактивации, так как позволяет сократить расход реагентов и поступление солей в ЖРО в 2 – 4 раза пр достижении гораздо более высоких Кд. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 27 При проведении испытаний достигнуты высокие показатели по коэффициенту дезактивации (практически до фоновых значений), что, очевидно, позволит в условиях реализации технологии в промышленных условиях сократить количество средне- и низкоактивных металлических радиоактивных отходов и вывести их в разряд промышленных отходов соответствии с требованиями ОСПОРБ-99-2010, значительно снизить дозовые нагрузки на персонал при проведении ППР и обслуживании контурного оборудования АЭС . Проведенные исследования и испытания подтвердили эффективность предлагаемого состава ДР и возможность его многократного использования (3 – 4 раза, после восстановления концентрации реагентов), что позволит значительно снизить количество РАО, образующихся в процессе дезактивации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 28 Испытания позволяют сделать вывод о том, что внедрение технологии дезактивации с использованием нанокавитантов в значительной степени будет способствовать повышению безопасности эксплуатации АЭС и обращении с РАО. Предварительные исследования показывают возможность применения нанокавитантов в установках переработки РАО (установки ионселективной сорбции) с исключением сложного, дорогостоющего и ненадежного узла озонирования. Уникальные физико-химические свойства нанокавитантов и нанотранзитов, обеспечивающие прологированную защиту технологического оборудования и коммуникаций от коррозионных и других отложений в значительной степени позволят снять проблему снижения теплоотдчи на теплообменном оборудовании АЭС ЗАКЛЮЧЕНИЕ 29 Предварительные расчеты показывают, что экономический эффект только от внедрения технологии на АЭС с РБМК очистки теплообменного оборудования с использованием нанокавитантов, могут составить десятки млн руб. Благодарю за внимание 30
