Перспективы применения нанокавитантов в атомной энергетики

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