RU2171511C1 - Method for spark-discharge decontamination of metal surfaces in water - Google Patents
Method for spark-discharge decontamination of metal surfaces in water Download PDFInfo
- Publication number
- RU2171511C1 RU2171511C1 RU2000108698A RU2000108698A RU2171511C1 RU 2171511 C1 RU2171511 C1 RU 2171511C1 RU 2000108698 A RU2000108698 A RU 2000108698A RU 2000108698 A RU2000108698 A RU 2000108698A RU 2171511 C1 RU2171511 C1 RU 2171511C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- water
- electrode
- discharge
- decontamination
- radioactive
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к ядерной технике и может быть использовано для дезактивации загрязненных радионуклидами металлических поверхностей оборудования атомных энергетических установок. The invention relates to nuclear engineering and can be used to decontaminate metal surfaces of nuclear power plant equipment contaminated with radionuclides.
Известен способ дезактивации металлических поверхностей, при котором дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют путем ее сканирования локальным высокотемпературным источником тепла (сфокусированным лазерным пучком), при этом расплавленный металла закипает, разбрызгивается и частично испаряется. Процесс испарения расплавленного металла сопровождается выходом газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые вместе с частицами расплавленного металла улавливаются водой (патент Франции N 2700882, МПК G 21 F 9/30, опубл. 29.07.94 г.). A known method of decontamination of metal surfaces, in which the surface to be decontaminated is covered with a layer of water and melted by scanning it with a local high-temperature heat source (focused laser beam), while the molten metal boils, sprays and partially evaporates. The process of evaporation of the molten metal is accompanied by the release of gaseous and aerosol radioactive waste, which together with the particles of the molten metal are trapped in water (French patent N 2700882, IPC G 21 F 9/30, published on July 29, 94).
Недостатком известного способа является значительное количество выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые не улавливаются водой, что увеличивает радиационную опасность для обслуживающего персонала. Кроме этого, недостатком является образование большого количества жидких радиоактивных отходов, которые также необходимо дезактивировать, что приводит к удорожанию известного способа. The disadvantage of this method is the significant amount of gaseous and aerosol radioactive waste leaving the treatment area that is not trapped in water, which increases the radiation hazard to the operating staff. In addition, the disadvantage is the formation of a large amount of liquid radioactive waste, which also needs to be deactivated, which leads to an increase in the cost of the known method.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является способ дезактивации металлических поверхностей, при котором дезактивируемую поверхность покрывают слоем воды и оплавляют локальным высокотемпературным источником тепла (высокотемпературной плазмой) путем ее сканирования плазмотроном. Затем осуществляют гранулирование расплавленного металла путем его распыления с помощью струи высокотемпературного газа, выходящей из плазмотрона, и охлаждения частиц расплавленного металла в воде (акц. заявка Японии N 63-33116, МПК G 21 F 9/28, опубл. 04.07.88 г.). The closest set of essential features to the invention is a method of decontamination of metal surfaces, in which the decontaminated surface is covered with a layer of water and fused with a local high-temperature heat source (high-temperature plasma) by scanning it with a plasmatron. Then, granulation of the molten metal is carried out by spraying it with a jet of high-temperature gas leaving the plasma torch and cooling the particles of molten metal in water (acc. Japanese application N 63-33116, IPC G 21 F 9/28, published 04.07.88 g. )
Недостатком известного способа является значительное количество выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, которые не улавливаются водой, что объясняется проведением процесса оплавления и распыления практически на сухом месте, поскольку струя выходящего из плазмотрона газа не только оттесняет воду с обрабатываемого участка, но и испаряет ее за счет своей высокой температуры, при этом газообразные и аэрозольные отходы смешиваются с паром и попадают в атмосферу помещения. Этот недостаток приводит к увеличению радиационной опасности для обслуживающего персонала. Кроме этого, недостатком известного способа является большой разброс в размерах гранул, что объясняется разницей в величинах скоростей истечения газа по сечению кольцевой струи (в центре - максимальная скорость, а по периферии - минимальная). Центральная струя распыляет расплавленный металл на более мелкие частицы, а периферийные струи - на частицы большего диаметра. Частицы большего размера тонут в воде под действием силы гравитации, а мелкие частицы могут находиться в воде достаточно длительное время во взвешенном состоянии и даже частично растворяться в воде, увеличивая тем самым количество жидких радиоактивных отходов, утилизация которых удорожает весь процесс дезактивации. The disadvantage of this method is the significant amount of gaseous and aerosol radioactive waste leaving the treatment zone that is not trapped by water, which is explained by the process of melting and spraying almost in a dry place, because the jet of gas leaving the plasma torch not only forces water from the treated area, but also evaporates due to its high temperature, while gaseous and aerosol wastes are mixed with steam and enter the atmosphere of the room. This disadvantage leads to an increase in the radiation hazard for the maintenance staff. In addition, the disadvantage of this method is the large dispersion in the size of the granules, which is explained by the difference in the values of the velocities of gas outflow over the cross section of the annular jet (in the center - the maximum speed, and at the periphery - the minimum). The central jet sprays molten metal onto smaller particles, and the peripheral jets spray onto larger particles. Larger particles drown in water under the influence of gravity, and small particles can remain in water for a long time in suspension and even partially dissolve in water, thereby increasing the amount of liquid radioactive waste, the disposal of which makes the entire decontamination process more expensive.
Задачей настоящего изобретения является создание способа дезактивации металлических поверхностей, который обеспечивает повышение радиационной безопасности путем уменьшения облучающей нагрузки на персонал при одновременном удешевлении дезактивации путем снижения стоимости обработки единицы площади. The present invention is the creation of a method of decontamination of metal surfaces, which provides increased radiation safety by reducing the radiation load on personnel while reducing the cost of decontamination by reducing the cost of processing a unit area.
Техническим результатом настоящего изобретения является значительное уменьшение количества выходящих из зоны обработки газообразных и аэрозольных радиоактивных отходов, что достигается локализацией зоны расплава за счет ограничения ее объема рабочим зазором между обрабатываемой поверхностью и электродом, а также удержанием практически всех атомов и ионов радиоактивных элементов в плазменном столбе и лунке расплава за счет образования сжимающего электромагнитного поля вокруг оси импульсного искродугового разряда (пинч-эффект). Кроме этого, техническим результатом является образование из радиоактивного расплава гранул заданного размера за счет дробления и разбрызгивания расплава импульсной силой электрогидравлического удара, который возникает при гашении разряда, так как исчезает сжимающее действие пинч-эффекта. The technical result of the present invention is a significant reduction in the amount of gaseous and aerosol radioactive waste leaving the treatment zone, which is achieved by localizing the melt zone due to the limitation of its volume by the working gap between the treated surface and the electrode, as well as the retention of almost all atoms and ions of radioactive elements in the plasma column and the melt hole due to the formation of a compressive electromagnetic field around the axis of the pulsed spark-arc discharge (pinch effect). In addition, the technical result is the formation of granules of a given size from a radioactive melt due to crushing and spraying of the melt by the pulsed force of electro-hydraulic shock, which occurs when the discharge is quenched, since the compressive effect of the pinch effect disappears.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе дезактивации металлических поверхностей, при котором покрытую слоем воды дезактивируемую поверхность оплавляют путем сканирования локальным высокотемпературным источником тепла и осуществляют гранулирование расплавленного металла, в качестве высокотемпературного источника тепла используют импульсный искродуговой разряд, который создают с помощью импульсного генератора в зазоре между обрабатываемой поверхностью и электродом, при этом гранулирование расплавленного металла осуществляют электрогидравлическим ударом, который создают в воде гашением разряда. The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of decontamination of metal surfaces, in which a decontaminated surface coated with a water layer is melted by scanning with a local high-temperature heat source and granulation of the molten metal is carried out, a pulsed spark discharge, which is created using a pulsed generator, is used as a high-temperature heat source. in the gap between the treated surface and the electrode, while the granulation spread metal carried claimed electrohydraulic shock, which is created by quenching in water discharge.
Кроме того, за один импульс разряда поверхность оплавляют до образования, по крайней мере, одной лунки с жидким расплавом глубиной не более 1 мм. In addition, in one pulse of the discharge, the surface is melted until at least one hole with a liquid melt with a depth of not more than 1 mm is formed.
Кроме этого, величину зазора выбирают в интервале от 0,05 до 1 мм. In addition, the gap value is selected in the range from 0.05 to 1 mm.
Кроме этого, длительность импульса выбирают в интервале от 10-5 до 10-2 сек.In addition, the pulse duration is selected in the range from 10 -5 to 10 -2 sec.
Кроме этого, скорость сканирования выбирают в интервале от 0,01 до 30 м/сек. In addition, the scanning speed is selected in the range from 0.01 to 30 m / s.
Кроме того, электрод подключают к отрицательному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к положительному или электрод подключают к положительному выводу генератора, а обрабатываемую поверхность - к отрицательному. In addition, the electrode is connected to the negative terminal of the generator, and the treated surface is connected to the positive or the electrode is connected to the positive terminal of the generator and the surface to be negative.
Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.
Изделие с загрязненной радионуклидами металлической поверхностью размещают для проведения дезактивации в рабочую емкость. Затем устанавливают подвижный электрод, выполненный из эрозионностойкого материала, с зазором по отношению к дезактивируемой поверхности. Величину зазора выбирают в пределах от 0,05 до 1 мм расчетным путем исходя из степени радиационной загрязненности поверхности изделия, материала и требуемой производительности: чем больше величина поверхностной активности, тем больше зазор. Изделие и электрод подключают к выводам импульсного генератора, причем возможно подключение электрода как к положительному, так и к отрицательному выводам и соответственно возможно подключение обрабатываемой поверхности как к отрицательному, так и к положительному выводам, при этом величину напряжения выбирают в пределах от 50 до 1500 вольт. Затем подают в зазор воду и зажигают искродуговой разряд. Длительность импульсного разряда выбирают в пределах от 10-5 до 10-2 сек в зависимости от необходимой степени перемешивания в образовавшейся лунке жидкого металла изделия и расплавленной радиоактивной пленки. Частоту разрядов выбирают в пределах от 5 до 1000 разрядов в секунду, причем производительность процесса дезактивации прямо пропорциональна этому параметру. Величину амплитуды импульса выбирают в пределах от 50 до 2500 вольт в зависимости от величины зазора, поверхностной активности изделия и электрической проводимости применяемой воды. При этом обеспечивают надежные искровые пробои зазора, каждый из которых способствует нормальному развитию импульсного искродугового разряда. Электрод перемещают (сканируют) относительно дезактивируемой поверхности со скоростью, которую выбирают в пределах от 0,01 до 30 м/сек исходя из требований получения высокой производительности, т. е. чем больше скорость, тем больше может быть допустимая энергия каждого искродугового разряда при относительно невысокой средней температуре электрода и тем меньше будет его износ. Сочетание геометрической формы дезактивируемой поверхности и электрода может быть самым различным: плоскость - плоскость, плоскость - цилиндр (или вращающийся цилиндр), цилиндр - цилиндр и т. п. В течение всего процесса обработки величину зазора сохраняют примерно постоянной, для чего электрод снабжают механизмом автоматического регулирования выбранной величины зазора. Высокая температура искродугового разряда вызывает оплавление поверхностного слоя металла (или смеси металла с его окислами), причем за один импульс разряда оплавление поверхностного слоя производят до образования, по крайней мере, одной лунки с жидким расплавом глубиной не более 1 мм. Жидкий расплав в лунке закипает и перемешивается до тех пор, пока длится разряд, при этом его выходу из лунки препятствует сжимающее электромагнитное поле вокруг оси столба разряда, а также весьма малые геометрические размеры области искродугового разряда, которая ограничена зазором. В момент гашения разряда под действием силы электрогидравлического удара, который возникает в воде, расплавленный металл выбрасывается из лунки, дробится на мелкие капли, которые остывают в холодной воде и превращаются в гранулы сферической или близкой к ней формы диаметром несколько мкм. В совокупности этих радиоактивных гранула практически отсутствуют частицы малого диаметра (менее 1 мкм), а основную массу составляют гранулы с характерным размером (диаметром) от 10 до 120 мкм, в которых сосредоточены практически все радиоактивные элементы - до 99,9 процентов всей исходной активности дезактивируемой поверхности.A product with a metal surface contaminated with radionuclides is placed for decontamination in a working container. Then install a movable electrode made of erosion-resistant material, with a gap in relation to the decontaminated surface. The size of the gap is selected in the range from 0.05 to 1 mm by calculation based on the degree of radiation contamination of the surface of the product, material and the required performance: the greater the surface activity, the greater the gap. The product and the electrode are connected to the terminals of the pulse generator, and it is possible to connect the electrode to both positive and negative terminals and, accordingly, the work surface can be connected to both negative and positive terminals, while the voltage value is selected in the range from 50 to 1500 volts . Then water is fed into the gap and a spark discharge is ignited. The duration of the pulse discharge is selected in the range from 10 -5 to 10 -2 sec, depending on the required degree of mixing in the formed hole of the liquid metal of the product and the molten radioactive film. The frequency of the discharges is chosen in the range from 5 to 1000 discharges per second, and the productivity of the decontamination process is directly proportional to this parameter. The magnitude of the pulse amplitude is selected in the range from 50 to 2500 volts, depending on the size of the gap, the surface activity of the product and the electrical conductivity of the water used. At the same time, reliable spark breakdowns of the gap are provided, each of which contributes to the normal development of a pulsed spark-arc discharge. The electrode is moved (scanned) relative to the surface to be decontaminated at a speed that is selected in the range from 0.01 to 30 m / s based on the requirements for obtaining high performance, i.e., the higher the speed, the greater the permissible energy of each spark arc discharge at relatively low average temperature of the electrode and the less will be its wear. The combination of the geometric shape of the surface to be decontaminated and the electrode can be very different: plane - plane, plane - cylinder (or rotating cylinder), cylinder - cylinder, etc. Throughout the entire processing process, the gap value is kept approximately constant, for which the electrode is equipped with an automatic mechanism regulation of the selected gap value. The high temperature of the spark discharge causes the surface layer of the metal (or a mixture of metal with its oxides) to melt, and in one pulse of the discharge, the surface layer is melted until at least one hole with a liquid melt no more than 1 mm deep is formed. The liquid melt in the well boils and mixes until the discharge lasts, while the compressive electromagnetic field around the axis of the discharge column prevents its exit from the well, as well as the very small geometric dimensions of the spark arc region, which is limited by the gap. At the time of quenching of the discharge under the action of the force of electro-hydraulic shock that occurs in water, the molten metal is ejected from the hole, crushed into small droplets that cool in cold water and turn into granules of a spherical or close to it shape with a diameter of several microns. In the aggregate of these radioactive granules, there are practically no particles of small diameter (less than 1 micron), and the bulk are granules with a characteristic size (diameter) from 10 to 120 microns, in which almost all radioactive elements are concentrated - up to 99.9 percent of the entire initial activity of the deactivated surface.
Пример. Example.
В качестве дезактивируемого изделия был выбран образец - часть стояка канала реактора РБМК из стали 08Х18Н10Т, площадью 6 см2 и поверхностной радиоактивностью 2500 мкр/час. Дезактивацию производили вручную в кювете со стоячей водопроводной водой, величину зазора выбрали в интервале 0,08-0,15 мм, параметры которого обеспечивали с помощью двухкоординатного рейсмусного столика. Режим дезактивации был выбран следующим:
- длительность импульса - 5•10-4 сек;
- величина напряжения - 100-150 вольт;
- скорость сканирования - 0,03-0,05 м/сек;
- амплитуда импульса - 100-150 вольт.A sample was chosen as a decontaminated product - part of the riser of the RBMK reactor channel made of 08Kh18N10T steel, with an area of 6 cm 2 and a surface radioactivity of 2500 μR / h. Decontamination was carried out manually in a cuvette with standing tap water, the gap value was selected in the range of 0.08-0.15 mm, the parameters of which were provided using a two-coordinate thicknessing table. The decontamination mode was selected as follows:
- pulse duration - 5 • 10 -4 sec;
- voltage value - 100-150 volts;
- scanning speed - 0.03-0.05 m / s;
- the amplitude of the pulse is 100-150 volts.
В качестве материала электрода был выбран реакторный графит с рабочей площадью - 2 см2. При этом во время дезактивации контролировали мощность дозы излучения, которая не превышала фоновых значений (т.е. 15-20 мкр/час) на выходе в вентиляционную шахту тяговой установки. Мощность дозы излучения дезактивированного образца составила менее 30 мкр/час, т.е. коэффициент дезактивации равен 80. Вода кюветы после ее фильтрации через многослойный фильтр с размером пор 2 мкм также имела мощность дозы излучения 20 мкр/час. Мощность дозы излучения фильтра вместе со стеклянной воронкой составляла 2300 мкр/час, что с учетом поправочного коэффициента формы излучателя совпадает с исходной активностью образца. Практически вся исходная активность образца (около 98 процентов) выделилась в виде крупнодисперсного шлама, при этом доля жидких радиоактивных отходов составила не более 2 процентов, а доля газовых и аэрозольных отходов очень мала, не более 0,1-0,5 процента.Reactor graphite with a working area of 2 cm 2 was chosen as the material of the electrode. At the same time, during the decontamination, the radiation dose rate was controlled, which did not exceed background values (i.e., 15-20 μR / h) at the outlet to the ventilation shaft of the traction unit. The radiation dose rate of the deactivated sample was less than 30 mcr / h, i.e. the decontamination coefficient is 80. The water of the cuvette, after filtering it through a multilayer filter with a pore size of 2 μm, also had a radiation dose rate of 20 μr / h. The radiation dose rate of the filter together with the glass funnel was 2300 μR / h, which, taking into account the correction factor of the shape of the emitter, coincides with the initial activity of the sample. Almost all the initial activity of the sample (about 98 percent) was allocated in the form of coarse sludge, while the share of liquid radioactive waste was no more than 2 percent, and the share of gas and aerosol waste was very small, not more than 0.1-0.5 percent.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000108698A RU2171511C1 (en) | 2000-04-11 | 2000-04-11 | Method for spark-discharge decontamination of metal surfaces in water |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2000108698A RU2171511C1 (en) | 2000-04-11 | 2000-04-11 | Method for spark-discharge decontamination of metal surfaces in water |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2171511C1 true RU2171511C1 (en) | 2001-07-27 |
Family
ID=20232999
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2000108698A RU2171511C1 (en) | 2000-04-11 | 2000-04-11 | Method for spark-discharge decontamination of metal surfaces in water |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2171511C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2724106C1 (en) * | 2019-03-22 | 2020-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение наук Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН) | Metal surfaces decontamination method |
-
2000
- 2000-04-11 RU RU2000108698A patent/RU2171511C1/en active
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2724106C1 (en) * | 2019-03-22 | 2020-06-22 | Федеральное государственное бюджетное учреждение наук Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН) | Metal surfaces decontamination method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kearns et al. | Laser removal of oxides from a copper substrate using Q-switched Nd: YAG radiation at 1064 nm, 532 nm and 266 nm | |
| CN103747898B (en) | For the method and apparatus being formed product by atomization metal and alloy | |
| US6056827A (en) | Laser decontamination method | |
| KR200478396Y1 (en) | Protective nozzle cap, protective nozzle cap retainer, and arc plasma torch having said protective nozzle cap and/or said protective nozzle cap retainer | |
| JP3373062B2 (en) | Method for incineration and vitrification of waste in a crucible | |
| US20010003697A1 (en) | Laser machining | |
| US7500623B2 (en) | Process for the Treatment of a Nuclear Graphite Contaminated with Radioelements by Milling the Said Graphite in a Liquid Medium | |
| US8097765B2 (en) | Method of decontaminating radioisotope-contaminated surface vicinity region by use of nonthermal laser peeling without re-melting, without re-diffusion and without re-contamination, and apparatus therefor | |
| RU2171511C1 (en) | Method for spark-discharge decontamination of metal surfaces in water | |
| RU2172992C1 (en) | Method for spark decontamination of surfaces with closed-circuit water supply cycle | |
| RU2724106C1 (en) | Metal surfaces decontamination method | |
| Peligrad et al. | Ash characteristics in controlled diode laser pyrolysis of chlorinated rubber | |
| RU2288515C1 (en) | Method for decontaminating metal surfaces | |
| JPH0763895A (en) | Melting treatment for radioactive miscellaneous solid waste | |
| JP2001116892A (en) | Method for decontaminating surface layer of inorganic layer by use of laser beam and high-pressure gas and apparatus for use therein | |
| Savina et al. | Efficiency of concrete removal with a pulsed Nd: YAG laser | |
| CN109590620B (en) | Laser shearing process for spent fuel simulation element rod | |
| Li | The potential role of high-power lasers in nuclear decommissioning | |
| DE102005009324B9 (en) | Method and device for decontamination of surfaces | |
| JP4528936B2 (en) | Method for preventing stress corrosion cracking of stainless steel surface using ultrashort pulse laser beam | |
| Serra et al. | Structural characterization of laser-treated Cr3C2–NiCr coatings | |
| Ananthapadmanabhan et al. | Particle morphology and size distribution of plasma processed aluminium powder | |
| WO2006079336A1 (en) | Method and device for processing object surfaces with an electrically conductive molten material, which is removed or moved by a high-frequency field | |
| JP2000346990A (en) | Decontamination method for contaminated inorganic substance surface layer | |
| DE4305318C2 (en) | Process for converting solid and / or liquid residues and waste materials and their use |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HK4A | Changes in a published invention |