Применение пенных технологий на объектах атомной энергетики
Дата: 21/10/2005
Тема: Безопасность и чрезвычайные ситуации


И.К.Степанов, ФГУП ЛСК «Радон», г.Сосновый Бор
В.А.Доильницын, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)
А.И.Степанов, В.П.Тишков, ГУП НПО «Радиевый институт им.В.Г.Хлопина», г.Санкт-Петербург


Рассмотрены основные этапы ликвидации радиационной аварии на примере аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствий. Оценена возможность применения пенных технологий с использованием пенообразующих составов, обладающих новыми свойствами, для решения задач на объекте "Укрытие", а также при возникновении чрезвычайных ситуаций, которые могут возникнуть на ядерно- или радиационно-опасных объектах.

Обоснована необходимость применения пенных технологий для нормализации радиационной обстановки при проведении работ по снятию с эксплуатации АЭС и других объектов атомной энергетики и атомной промышленности.

В настоящее время большое внимание специалистов и широких слоев общественности привлекают вопросы ядерной и радиационной безопасности как составной части экологической безопасности. Одним из важнейших аспектов этой проблемы является ликвидация чрезвычайных ситуаций на ядерно- и радиационно-опасных объектах и разработка соответствующих технологий.

В этом контексте может быть рассмотрен опыт ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС (ЧАЭС) с использованием нового класса технологий – пенных технологий /1-3/.

Неотложные аварийно восстановительные и дезактивационные (НАВД) работы на промышленной площадке ЧАЭС можно разделить на два этапа. Первый – ликвидация основных последствий аварии, которая длилась около 7 месяцев и закончилась пуском в эксплуатацию объекта "Укрытие"; второй – проведение НАВД работ до момента преобразования объекта "Укрытие" в экологически безопасную систему /1-4/.

Первоочередные меры были направлены на ликвидацию пожара на битумно-рубероидном покрытии машинного зала, поскольку огонь угрожал перекинуться на 3-й энергоблок /1-2/.

Проведение этих работ осуществлялось в условиях высоких радиационных полей и при существовании опасности возникновения самоподдерживающейся цепной реакции (СЦР) деления.

Условия, при которых в процессе обращения с радиоактивными отходами, содержащими малое удельное количество урана или плутония (от 2,1 до 6,3 г/л), может возникнуть СЦР деления, оценили авторы работы /5/.

Сценарий аварии – медленное введение малой реактивности, затем возникновение кипения воды и установления постоянного уровня мощности. Доза, которую получит персонал, будет зависеть от места возникновения СЦР и концентрации урана или плутония. В непосредственной близости от источника излучения нейтронная доза составит от 35 до 100 рад, а доза гамма излучения от 22 до 60 рад. На расстоянии 90 м от источника она будет почти на три порядка меньше.

Расчеты сотрудников РНЦ "Курчатовский институт" показывают, что для реальных композиций, находящихся в объекте "Укрытие": топливосодержащие массы + твэлы или тепловыделяющая сборки + вода эффективный коэффициент размножения нейтронов может достигать единицы /3/. При этом в композициях концентрация делящихся материалов может оказаться намного больше, чем в вышеописанном примере, а СЦР привести к тепловому взрыву с возникновением более мощного потока излучения нейтронов и гамма квантов.

По этой причине на случай такой маловероятной, но все же возможной ситуации в состав пенообразователей и в воду, предназначенные для тушения ядерно-опасных пожаров, необходимо вводить такие нейтронопоглощающие добавки, как водорастворимые соли бора и гадолиния в количествах, при которых эффективный коэффициент размножения нейтронов в композициях "делящиеся материалы + вода"не достигает единицы /3/.

Одной из первоочередных задач, решаемых в процессе ликвидации последствий катастрофы (ЛПК), являлись локализация радионуклидов в местах выпадения и при необходимости последующее их удаление с помощью специальных технических средств.

Основными пылящими объектами являлись грунтовые дороги, грунтовые обочины шоссейных дорог и основные магистрали вокруг зоны отчуждения. Большую опасность представляли также открытые участки местности: свежие пашни, территории намытого песка под новое строительство, пустоши, карьеры.

Миграция радионуклидов возможна, главным образом, двумя путями: через воздушный бассейн и гидросферу. При этом миграция через гидросферу включает как загрязнение грунтовых вод, так и сухие выпадения на зеркало рек и водоемов. Закрепление радионуклидов на поверхности загрязненных объектов весьма существенно предотвращает их миграцию в целом.

Следует отметить, что на момент аварии к проведению работ такого масштаба не было подготовлено ни одно ведомство СССР как с точки зрения наличия соответствующих научных разработок или четких рекомендаций, так и в отношении пылеподавляющих материалов и технических средств для их нанесения /6/.

Одним из непременных условий широкомасштабного использования рекомендованных пылеподавляющих составов (ППС) является простота технологии их приготовления и применения в полевых условиях, а также их низкая стоимость. Для практического применения были рекомендованы лишь составы на основе технических лигносульфонатов (ТЛС) и омыленного таллового пека (ОТП), эмульсия латекса, рецептура ММ-1 и нефтяной шлам (НШ).

Затраты на пылеподавление слагаются, главным образом, из стоимости составов и затрат на работу разливочной техники. Работа воздушных разливочных технических средств несоизмеримо дороже работы наземной техники (стоимость 1-го вертолет-часа составляла 700 руб. по ценам 1986-1988 гг.), поэтому авиация применялась для целей пылеподавления, главным образом, в аварийной ситуации 1986 г. и в самом начале сезона 1987 г., хотя даже в 1986 г. основными техническими средствами были армейские авторазливочные станции АРС-14 (15), а также большегрузные цистерны на шасси типа БелАЗ. Это позволяет при исчислении расходов на мероприятия по пылеподавлению ориентироваться, главным образом, на наземную технику. Опыт пылеподавления на ЧАЭС показал, что затраты по разливу составов не превышали 10% от стоимости самых дешевых рецептур, т.е. находились на уровне 30-40 руб. в расчете на 1 га. Значения прямых затрат (по ценам 1986-1988 гг.), составляли: 850, 1900, 140, 1040 и 6440 руб./га для ТЛС, НШ, ОТП, ММ-1 и латекса соответственно. Таким образом, состав ОТП находился вне конкуренции по ценовым показателям. С учетом хороших эксплуатационных характеристик это позволило рекомендовать его для широкого применения в зоне отчуждения и за ее пределами /6/.

Техническая сущность пылеподавления заключается в обработке верхнего слоя грунта ППС, способными после высыхания или полимеризации формировать покрытие со структурой, стойкой к ветровой эрозии.

Организационно предотвратить пыление загрязненного грунта можно поливом или распылением полимерных покрытий, а также с помощью пен, если использовать ППС, которые обладают пено– и пленкообразующими свойствами. Этому способствуют следующие предпосылки.

Во-первых, пена имеет значительно больший объем, чем раствор, расходуемый на ее образование. Это позволяет при сравнительно небольшом расходе жидкости существенно увеличить плотность ее взаимодействия с пылящей поверхностью.

Во-вторых, слой пены позволяет изолировать очаги пылеобразования и воспрепятствовать переходу пыли во взвешенное состояние.

В-третьих, пена способна равномерно растекаться по пылящей поверхности, не оставляя сухих пятен.

В-четвертых, пена способствует слипанию частиц пыли, затрудняя ее распространение в воздухе рабочей зоны.

Рассмотрим на примере Чернобыльской катастрофы обязательные области применения пенных технологий на всех этапах НАВД работ.

Первое применение пенной технологии с использованием штатного пенообразователя для пожаротушения ПО-1 произошло при тушении многочисленных пожаров (более 30), возникших в результате взрыва 4-го энергоблока ЧАЭС.

Последующее широкое применение пенных технологий могло начаться при проведении мероприятий по улучшению радиационной обстановки у аварийного блока с целью организации плацдарма для начала работ по возведению объекта "Укрытие". Пылеподавление на промплощадке ЧАЭС можно было бы осуществлять с помощью водных растворов ОТП вертолетами и штатными пожарными машинами, у которых кабины водителя снижали бы МЭД излучения на два три порядка, если к моменту катастрофы эта разработка была бы завершена. Однако использовать пленкообразующие свойcтва водных растворов ОТП для предупреждения пыления К.И.Патриляк с сотрудниками предложили только в 1988 г. /6/, а пенообразующую способность этих растворов выявил И.К.Степанов c коллегами еще позже /7–10/.

Водные растворы ОТП легко пропитывают песчаный грунт на нужную глубину, а после высыхания образуют полимерное покрытие, выдерживающее (в зависимости от удельного расхода реагента) механическое давление 0,8-1,2 МПа. С помощью малой механизации (колесные автопогрузчики, мини-трактора), снабженной устройствами в виде широких вилок, можно удалять верхний слой почвы (1-2 см), в котором находится практически вся радиоактивность и получать коэффициенты дезактивации приближающиеся к 100. На практике использовалась строительная и автодорожная техника, как правило гусеничная, которая перемешивала верхний слой почвы с нижележащими, загрязняя почву на глубину 20 и более сантиметров. Естественно в десять и более раз увеличивался объем твердых радиоактивных отходов, который надо было загружать в контейнеры, перевозить и складировать в специальные хранилища.

Объект "Укрытие" фактически является сосредоточением в форме произвольных скоплений радиоактивных и ядерно-опасных делящихся материалов, находящихся в смеси с конструкционными, строительными и примененными при ликвидации аварии материалами, что делает его уникальным ядерно-опасным объектом, требующим разработки специальных (не имеющих аналогов) мер по обеспечению его ядерной безопасности. В мире нет достаточного опыта обращения с большими объемами открытых радиоактивных масс с высокой МЭД излучения.

В этом смысле как сам объект "Укрытие", так и любая технология его преобразования – явление уникальное.

В процессе проведения работ по преобразованию объекта "Укрытие" возникнет задача, ранее не встречавшаяся в отечественной и мировой практике – удаление лавообразных топливосодержащих масс (ЛТСМ). Эти работы будут проводиться с помощью дистанционно управляемых механизмов (роботов), т.к. МЭД излучения в местах нахождения ЛТМС высока, допустимое время пребывания человека в них исчисляется минутами – десятками секунд. При проведении механических работ, например, при отборе проб ЛТСМ, при извлечении ЛТСМ и др., необходимо будет свести к минимуму процесс пыления. Эта задача может быть решена как за счет инженерных мероприятий, так и за счет пылеподавления с использованием пенных технологий.

Для измельчения и подготовки ЛТСМ к загрузке в контейнеры наиболее приемлемыми механическими методами являются: резка алмазными дисковыми пилами, сверление, фрезерование, бурение и долбежка, при использовании которых будет образовываться большое количество измельченных и порошкообразных частиц. К ППС, предназначенным для работы с ЛТСМ, будут предъявляться новые требования: наличие в их составе нейтронопоглощающих элементов и повышенная радиационная стойкость. Такие свойства как водостойкость и водопрочность не будут являться в данном случае определяющими.

При проведении работ по организации новых проходов, расширению коридоров, дезактивации помещений, демонтажу старого технологического оборудования необходимы будут мероприятия по предотвращению пыления и закреплению радиоактивных загрязнений на поверхностях.

Очень важным требованием к ППС, которые будут применяться в помещениях блока, является адгезия ко всем материалам, на которых необходимо образовать защитный полимерный слой.

В процессе преобразования объекта "Укрытие" в экологически безопасную систему, например, при строительстве "Укрытия 2" с надвижкой его на существующее "Укрытие", необходимо будет предотвращать пыление принципиально на четырех типах объектов:

1) В помещениях, где находятся ЛТСМ, как во время их хранения, так и в процессе производства механических работ по их извлечению. Основные требования к ППС: совместимость с соединениями, которые являются ней тронопоглощающими после высыхания полимерные пленки, надежно фиксирующие радиоактивные загрязнения. Нанесение составов добавками (соли гадолиния, бора и порошок карбида бора) и радиационная стойкость. В результате взаимодействия гамма излучения с основой состава не должны образовываться токсичные вещества;

2) В коридорах и помещениях объекта "Укрытие", в которых находится более 20 тонн радиоактивной пыли, осевшей на конструкционных и строительных материалах ППС должны эффективно смачивать и пропитывать все материалы, образуя должно осуществляться разбрызгиванием и с помощью пен;

3) На территориях, прилегающих к объекту "Укрытие", которые будут готовиться под строительно-монтажные площадки. Требования к ППС: доступность, технологичность и дешевизна (простота нанесения, приготовления, наличие эффективных технических средств);

4) На дальних участках, песчаных территорий, находящихся за оградой охранной территории и части территории охранной зоны, на которых не будут проводиться земляные работы. Основные требования к ППС: водостойкость, водопрочность, доступность, технологичность и дешевизна.

При решении вышеперечисленных задач в качестве основы новых пенообразующих составов (ПОС) многоцелевого назначения могут использоваться штатные пенообразователи для пожаротушения как общего, так и целевого назначения, например, ПО-1, ПО-3АИ, ПО-3НП, ТЭАС, ПО-6НП, ПО-6НП-М, "Морской" и некоторые продукты целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБП) такие, как технические лигносульфонаты, омыленные: талловый пек и сульфатное мыло. Для придания составам и получаемым на их основе пенам требуемых свойств (кратность, устойчивость, текучесть, пластичность, водорастворимость полимерных покрытий, эффективность снижения нейтронного потока и некоторых других) необходимо, во-первых, использовать раздельно или совместно продукты ЦБП и штатные пенообразователи, во-вторых, к основным компонентам добавлять специальные добавки: жидкое мыло, хлористый кальций, соли, содержащие нейтронопоглощающие элементы /7, 9, 10/.

Следует отметить, что все входящие в разработанные ПОС химические реагенты и продукты относятся к 3 и 4 группам токсичности; они – радиационно стойкие. Адгезия и условная твердость покрытий на основе побочных продуктов ЦБП с увеличением поглощенной дозы (106 Гр) возрастают, радиолитическое газовыделение покрытий под действием ионизирующего излучения можно с полной уверенностью считать безопасным. Жидкие радиоактивные отходы (ЖРО), которые будут образовываться при обращении с вышеуказанными ПОС, могут перерабатываться по штатной схеме станции вместе с другими ЖРО объекта.

Авторами данной работы подобраны и частично апробированы технические средства, с помощью которых можно применять разработанные ПОС. Нанесение ПОС на труднодоступные для других технических средств пылящие объекты, особенно в первый период аварии, возможно только посредством вертолетов через профилированные отверстия распыляющих устройств МИ-26 или через водосливное устройство МИ-8 при скорости движения вертолетов до 60 км/ч с высоты 60-70 м. При этом ширина обрабатываемой полосы составляет 10-15 м за один пролет вертолета.

Для нанесения ПОС на пылящие территории 30-ти км зоны ЧАЭС использовали, преимущественно: авторазливочные станции типа АРС-14,15,12Д, установки УМП-1 на шасси БелАЗ-543А, поливомоечные машины /10/. Эта серийно выпускаемая техника с небольшой модификацией пригодна для выполнения работ в полевых условиях с использованием разработанных ПОС. Суть модификации сводится к установке на машины гребенки, к которой можно подключить 4-6 генераторов пены низкой или средней кратности с производительностью 100-200 л/c по пене.

Для нормализации радиационной обстановки при проведении монтажно-демонтажных работ в аварийном блоке, а также в блоках АЭС, подлежащих демонтажу, разработана и апробирована мобильная пеногенерирующая установка многоцелевого назначения, которая состоит из следующих узлов: узел приготовления ПОС, узел подачи растворов, узел пеногенерации, состоящий из гребенки, к которой можно подсоединять генераторы пены низкой, средней и высокой кратности и разбрызгивающее устройство. Для работы установки необходимы воздуходувка или компрессор с производительностью 1,5-2 м3/мин, или штатная воздушная линия с давлением воздуха в ней до 6 атм, или баллон высокого давления с редуктором.

Предложен наиболее оптимальный вариант мобильной установки пеногенерации, которую можно будет устанавливать на робототехнику. При выводе из эксплуатации АЭС основное количество трудозатрат будет связано с демонтажем трубопроводов и оборудования технологических контуров и систем блока, а также с разрушением строительных конструкций.

При демонтаже оборудования и строительных конструкций следует ожидать интенсивного пылеобразования, возникновения трудностей с его подавлением, очисткой воздуха, обнаружения загрязненности поверхностей тела и одежды (как спецодежды, так и личной) отдельными "горячими частицами". Так, при демонтаже оборудования АЭС с РБМК следует ожидать большого количества "горячих частиц", содержащих Zr-93 и Nb-94, которые обусловлены осыпанием оксида циркония с внутренних поверхностей тех участков технологических каналов, которые выполнены из циркониевого сплава. Особенного внимания заслуживает проблема возможного "размыва" и "разноса" дисперсных частиц оксида циркония по трубопроводам и оборудованию контура многократной принудительной циркуляции и других технологических систем после проведения дезактивации перед началом демонтажных работ /11/.

Вот, вероятно, неполный перечень мероприятий с использованием пенных технологий, позволяющих повысить эффективность проводимых работ при меньших трудозатратах, что приведет к существенному снижению коллективных доз облучения.

Необходимо сосредоточить усилия специалистов для разработки новых технологий, включая пенные технологии, которые могут быть применены не только при ликвидации последствий радиационных аварий, но и при снятии АЭС с эксплуатации. Поскольку эта проблема уже в ближайшее время коснется практически всех ведущих ядерных держав, необходимо сконцентрировать опыт и финансовые ресурсы этих и других стран для создания новых технологий и средств их реализации. При этом целесообразно новые технологии отрабатывать в реальных условиях на объекте "Укрытие" и на других объектах, находящихся в аварийной зоне Чернобыльской АЭС.

Список использованных литературных источников:
1. Чернобыльская катастрофа / Под ред.Академика НАНУ В.Г.Барьяхтара. Киев: Наукoва думка, 1995 – 559 с.
2. Чернобыль. Пять трудных лет: Сборник материалов. – М.: ИздАТ, 1992 – 381 с.
3. Объект "Укрытие". История, состояние и перспективы / В.Н.Герасько, А.А.Ключников, А.А.Корнеев и др. Под ред. А.А.Ключникова. Киев: Интеграфик, 1997 – 224 с.
4. Андреев Ю.Б., Самойленко Ю.Н. Опыт ликвидации аварии на ЧАЭС и проблемы создания аварийно технической службы. –В кн. Чернобыль 88. Доклады 1 Всесоюзного Научно-технического совещания по итогам ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, т.4. Организация ЛПА и перспективы использования 30-ти км зоны. М.: ИТК "Индекс", 1989, с.28-37.
5. Внуков В.С., Сичкарук О.В., Чкуасели Л.И. Ядерная безопасность при обращении с радиоактивными отходами. – В сб. докл.: Безопасность ядерных технологий 2004: обращение с радиоактивными отходами.(VII Международная конференция, Санкт-Петербург, сентябрь 2004). СПб, Рестэк, 2004. – c.137–140.
6. Патриляк К.И., Благоев В.В., Бойко В.В., и др.Опыт пылеподавления и закрепления пылящих территорий в зоне отчуждения и за ее пределами. – В кн. Чернобыль-88. Доклады 1 Всесоюзного Научно-технического совещания по итогам ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС, т.6. Меры по уменьшению миграции и захоронение радиоактивных отходов. М.: ИТК "Индекс", 1989, с.192-206.
7. Научно-техническое обеспечение эксплуатационных работ по дезактивации и пылеподавлению в помещениях объекта "Укрытие". Разработка технологии использования осаждающихся (дезактивирующих) пен для пылеподавления и предотвращения выбросов радиоактивной пыли и золей / Токаревский В.В., Степанов И.К., Макаров В.И.и др. – отчет МНТЦ "Укрытие", арх. №3227. – Чернобыль, 1994. – 127 с.
8. Патент РФ 2191200. Пенообразующий состав / Cтепанов И.К., Мартынов Д.А., Степанова О.И., Степанов А.И. – Бюллетень изобретений N 29,20.10.2002.
9. Степанов И.К., Доильницын В.А., Степанов А.И., Тишков В.П. Разработка новых пенообразователей, предназначенных для решения некоторых задач на предприятиях ядерно-топливного цикла. – В сб. докл.: Безопасность ядерных технологий-2004: обращение с РАО (VII Международная конференция, Санкт Петербург, сентябрь 2004). СПб, Рестэк, 2004. – с.426-428.
10. Степанов И.К., Степанов А.И., Доильницын В.А. Разработка новых пенообразующих составов для тушения радиационно– и ядерно-опасных пожаров. Экология и атомная энергетика, 2004, вып. 2, с.71-76.
11. Носков А.А., Былкин Б.К., Зверков Ю.А. Технические проблемы обеспечения радиационной безопасности при выводе из эксплуатации АЭС. – В сб. тезисов докл.: Защита от ионизирующих излучений ядерно-технических установок (VII Всероссийская конференция, Обнинск, 22-24 сентября 1998).


По материалам конференции «Безопасность ядерных технологий: экономика безопасности и обращение с ИИИ»





Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=135