Петровская А.С.1, Кладков А.Ю.2, Суров С.В.2, Цыганов А.Б.1
В настоящей статье предлагается инновационный метод - технология «сухой» плазменной дезактивации для снижения активности облученных металлических конструкций ядерных энергетических установок (ЯЭУ) и отработанного реакторного графита. Разрабатываемая технология основана на приложениях физики плазмы в области ядерной энергетики и может быть эффективно использована при конструировании и эксплуатации энергетических ядерных реакторов, в реакторном материаловедении, при решении задач наработки концентратов выбранных изотопов. Особый интерес представляет применение данной технологии к решению мировой проблемы дезактивации облученного реакторного графита, также проделан сравнительный анализ других технологических подходов, имеющихся в настоящий момент для решения задач по дезактивации конструкций ЯЭУ и облученного отработанного графита при выводе из эксплуатации объектов ядерной энергетики. В статье приводится описание технологии «сухой» плазменной дезактивации с основным набором технических параметров, оценивается техническая и экономическая эффективность ее применения на объектах ЯЭУ по сравнению с известными методами дезактивации, а также сравнение со сценарием захоронения отработанного реакторного графита без дезактивации. Предлагаемая технология является актуальной не только для вывода из эксплуатации канальных реакторов большой мощности (РБМК), но и при эксплуатации реакторов водно-водяных энергетических реакторов (ВВЭР). Что касается проблемы утилизации облученного графита, проведенный технико-экономический анализ показал, что технология сокращает общие расходы в несколько раз по сравнению с простым захоронением облученного графита или при дезактивации другими методами.
1. Franco M.B., Kastner G.F., Monteiro R.P.G. Decontamination process applied to radioactive solid wastes from nuclear power plants. Proc. 4th Int. Nuclear Atlantic Conference - Innovations in Nuclear Technology for a Sustainable Future - INAC 2009. Rio de Janeiro, 2009.
2. Gurau D., Deju R. The use of chemical gel for decontamination during decommissioning of nuclear facilities. Radiation Physics and Chemistry, 2015, vol. 106, no. 1, pp. 371.
3. Туктаров М.А., Андреева Л.А., Роменков А.А. Кондиционирование реакторного графита выводимых из эксплуатации уран-графитовых реакторов для целей захоронения. Российское Атомное Сообщество, 2016. Доступно на: http://www.atomic-energy.ru/articles/2016/06/08/66585 (дата обращения 12.10.2018).
4. Павлюк А.О., Котляревский С.Г., Михайлец А.М., Беспала Е.В., Изместьев А.М. Способ переработки облученного реакторного графита. Патент РФ, № 2580818, 2016.
5. Podruzhina T. Graphite as radioactive waste: Corrosion behavior under final repository conditions and thermal treatment. Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft, 2004. Report no: Juel-4166, pp. 127.
6. Дмитриев С.А., Карлина О.К., Климов В.Л., Павлова Г.Ю., Юрченко А.Ю., Ярмоленко О.А., Роменков А.А., Сударева Н.А., Суховский Е.В. Способ переработки отходов реакторного графита и устройство для его реализации. Патент РФ, № 2192057, 2002.
7. Роменков А.А., Туктаров М.А., Карлина О.А., Юрченко А.Ю. Способ обработки облученного реакторного графита. Патент РФ, № 2546981, 2013.
8. Cleaver J., McCrory S., Smith T.E., Dunzik-Gougar M.L. Chemical Characterization and Removal of C-14 from Irradiated Graphite. Proc. WM Conference. Phoenix, Arizona, USA, 2012.
9. Fachinger J., Podruhzina T., von Lensa W. Decontamination of Nuclear Graphite by Thermal Treatment. Proc. Conf. Solutions for Graphite Waste. Manchester, 2007.
10. Mason J.B., Bradbury D. Pyrolysis and its potential use in nuclear graphite disposal. Nuclear Energy, 2000, vol. 39, no. 5, pp. 305.
11. El-Genk M.S., Tournier J.P. Development and validation of a model for the chemical kinetics of graphite oxidation. Journal of Nuclear Materials, 2011, vol. 41, pp. 193.
12. Ojovan M.I., Lee W.E., Sobolev I.A., Dmitriev S.A., Karlina O.K., Klimov V.L., Petrov C.N., Semenov C.N. Thermochemical processing using powder metal fuels of radioactive and hazardous waste. Proc. Instn Mech. Engrs Part E: J. Process Mechanical Engineering, 2004, vol. 218.
13. Fachinger J., Lensa W.V., Podruhzina T. Decontamination of nuclear graphite. Nuclear Engineering and Design, 2008, vol. 238, pp. 3086.
14. Womack R.K. Using the centrifugal method for the plasma-arc vitrification of waste. Journal of Minerals, Metals & Materials Society, 1999, vol. 51, no. 10, pp. 14.
15. Lee W.E., Ojovan M.I., Stennett M.C., Hyatt N.C. Immobilization of radioactive waste in glasses, glass composite materials and Ceramics. Advances in Applied Ceramics, 2006, vol. 105, no. 1, pp. 3.
16. LaBrier D., Dunzik-Gougar M.L. Characterization of 14C in neutron irradiated NBG-25 nuclear graphite. Journal of Nuclear Materials, 2014, vol. 448, pp.113.
17. Dunzik-Gougar M.L., Smith T.E. Removal of carbon-14 from irradiated graphite. Journal of Nuclear Materials, 2014, vol. 451, pp. 328.
18. Electric Power Research Institute. Graphite Decommissioning: Options for Graphite Treatment, Recycling, or Disposal, including a Discussion of Safety-Related Issues. EPRI Technical Report No. 1013091. March 2006.
19. Kopecky J. Atlas of Neutron Capture Cross Sections. INDC(NDS)-362. 1997. P. 369.
20. Петровская А.С., Цыганов А.Б. Плазменные методы дезактивации облученного реакторного графита. Труды 16-й конференции молодых ученых и специалистов «Новые материалы и технологии» НИЦ "Курчатовский институт" ФГУП ЦНИИ Конструкционных материалов "Прометей". Санкт-Петербург, 2017.
21. Petrovskaya A.S., Tsyganov A.B., Kladkov A.Yu., Surov S.V., Stakhiv M.R., Polischuk V.A. Surface deactivation of the nuclear power plants constructions by a new plasma method. Proc. IEEE Int. Conf. on Electrical Engineering and Photonics. Saint-Petersburg, 2018.
22. Жиглинский А.Г., Кучинский В.В. Массоперенос при взаимодействии плазмы с поверхностью. М.: Энергоатомиздат, 1991. 208 c.
23. Бериша Р. Проблемы прикладной физики. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Москва, Мир, 1984. 335 с.
24. Randhawa H. Review of plasma-assisted deposition processes. Thin Solid Films, 1991, vol. 196, no. 2, pp. 329.
25. Abdelrahman M.M. Study of Plasma and Ion Beam Sputtering Processes. Journal of Physical Science and Application, 2015, vol. 5, no. 2, pp. 128.
26. Jacob W., Hopf C., Schlüter M. Chemical sputtering of carbon by nitrogen ions. Applied physics letters, 2005, vol. 86, pp. 204103.
27. Hopf C., von Keudell A., Jacob W. Chemical sputtering of hydrocarbon films. Journal of applied physics, 2003, vol. 94, no. 4, pp. 2373.
28. Schlüter M., Hopf C., Jacob W. Chemical sputtering of carbon by combined exposure to nitrogen ions and atomic hydrogen. New Journal of Physics, 2008, vol. 10, pp. 053037.
29. Bystrov K., Morgan T. W., Tanyeli I., Temmerman G. D., van de Sanden M. C. M. Chemical sputtering of graphite by low temperature nitrogen plasmas at various substrate temperatures and ion flux densities. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 114, pp. 133301.
30. Tartz M., Neumann H., Leiter H., Esch J. Pyrolytic graphite and carbon-carbon sputter behaviour under xenon ion incidence. Proc. 29th Int. Electric Propulsion Conf. – IEPC. Princeton, 2005, pp. 143.
31. Ferreira C.M., Loureiro J., Ricard A. Populations in the metastable and the resonance levels of argon and stepwise ionization effects in a low pressure argon positive column. Journal of Applied Physics, 1985, vol. 57, no. 1, pp. 82.
32. Karoulina E.V., Lebedev Y.A. Computer simulation of microwave and DC plasmas: comparative characterisation of plasmas. Journal of Physics D: Applied Physics, 1992, vol. 25, no. 3, pp. 401.
33. Borst W. L. Excitation of metastable argon and helium atoms by electron impact. Physical Review A, 1974, vol. 9, pp. 1195.
34. Ferreira C.M., Loueiro J. Electron transport parameters and excitation rates in argon. Journal of Physics D: Applied Physics, 1983, vol. 16, pp. 1611.
35. McGuire E.J. Scaled electron ionization cross sections in the Born approximation for atoms with 55≤Z≤102. Physical Review A, 1979, vol. 20, pp. 445.
36. Rapp D., Englander-Golden P. Attachment in gases by electron impact. I. Positive ionization. Journal of Chemical Physics, 1965, vol. 43, pp. 1464.
37. Wiese W.L., Martin G.A. CRC Handbook of’ Chemistty and Physics.71st ed. CRC. Boca Raton. FL. 1990.
38. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 c.
