Способ защиты контейнера для транспортирования и/или хранения отработанного ядерного топлива (варианты)

Изобретение относится к способам защиты внутренней поверхности контейнеров для длительного хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива. Предложены три варианта обработки поверхности контейнера. Наносят антикоррозийное покрытие на основе никеля, производят механическую обработку поверхности контейнера и затем химическую обработку поверхности контейнера последовательно слабым раствором азотной или серной кислоты и концентрированными щелочами. Или покрытие наносят из псевдосплава металлов, имеющих разный электродный потенциал, после этого производят механическую обработку поверхности покрытия, затем производят химическую обработку поверхности слабым раствором кислоты, способной взаимодействовать с более активным из металлов пары псевдосплава, после чего поверхность обрабатывают раствором щелочи. Технический результат - повышение эффективности обработки поверхности дезактивирующими растворами, повышение качества газотермического покрытия, уменьшение материальных и временных затрат. 3 н. и 9 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к контейнерам транспортно-упаковочных комплектов (ТУК) для длительного хранения и транспортировки отработавшего ядерного топлива (ОЯТ), в частности к способам защиты внутренней поверхности контейнера, в котором размещается ОЯТ.

Контейнеры производятся из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом (ВЧШГ). Для защиты внутренней поверхности от коррозии наносится слой никеля. Известно решение, при котором никель наносится гальваническим способом, что характеризуется низкой скоростью процесса, неэкологичностью и высокой стоимостью.

Нанесение покрытий газотермическим способом на внутренние поверхности контейнеров в настоящее время серийно не производится. Основным ограничением на применение газотремических покрытий было то, что такие покрытия имели некоторую поверхностную пористость, которая может привести к удержанию остатков радиоактивного вещества в порах поверхности покрытия. Пористость покрытия, в частности, проявляется в том, что при цветной (капиллярной) дефектоскопии изделий с газотермическими покрытиями пенетрант проявляется на поверхности в виде общего изменения цвета, даже если изделие было предварительно отшлифовано до предельно возможного класса чистоты

Одно из основных требований к покрытию - его достаточная очищаемость для дезактивации изделия после использования.

Радиоактивное загрязнение какой-либо поверхности (способность удерживать радиоактивное вещество, с которым она соприкасается) происходит в результате сорбции на ней твердых или жидких частиц, содержащих радиоактивные вещества, участия радиоактивных изотопов в ионном обмене с поверхностными структурами загрязненного материала и дальнейшего проникновения радиоактивных веществ в глубь материала.

Радиоактивное загрязнение поверхностей обуславливается физико-химическими свойствами материала поверхности и загрязняющих веществ. Материалы с более гладкими поверхностями меньше сорбируют радиоактивные вещества, их легче дезактивировать. Неровность, шероховатость, пористость, высокая смачиваемость материала обуславливают ее повышенную загрязненность, поэтому такие материалы, как асфальт, бетон, дерево, кирпич, метлахские (керамические) плитки, прочно сорбируют радиоактивные вещества и практически не поддаются очистке. Напротив, такие материалы, как пластикат, полиэтиленовые пленки, силикатное стекло, нержавеющая сталь значительно менее загрязняются радиоактивными веществами и сравнительно легко дезактивируются.

Таким образом, для применения газотермических покрытий на рабочих поверхностях контейнеров необходимо устранение поверхностной пористости, приводящей к удержанию радиоактивных частиц.

Ближайшим аналогом к заявленному изобретению является способ защиты контейнера для транспортирования и/или хранения отработавшего ядерного топлива, описанный в патенте РФ №2510770 C1, МПК G21F 5/00, опубликовано 10.04.2014. В представленном аналоге на внутреннюю поверхность детали контейнера наносят покрытие методом газодинамического напыления (ГДН), при этом покрытие представляет собой композицию, включающую хром и никель.

Недостатками указанного прототипа являются:

1. Очень низкая производительность процесса газодинамического напыления по скорости депозита материала. Скорость нанесения покрытия коммерчески доступным оборудованием типа «ДИМЕТ» - до 0,8 кг/час. Время нанесения покрытия на площади 1 кв.м в результате составит не менее 10 часов чистого времени напыления, а с учетом технологических остановок (замена быстро изнашиваемых частей) - практически сутки. Таким образом, нанесение покрытия на внутреннюю поверхность одного контейнера может занимать до месяца и более.

2. В порошках для напыления газодинамическим методом всегда присутствует технологический абразив. При нанесении покрытий методом ГДН на ВЧШГ в тех точках поверхности чугуна, где зерна графита оказываются на поверхности из-за специфики формирования напыленного слоя, образуются каверны в виде лунок диаметром до 2 мм на толщине слоя 1 мм. Поскольку плотность частиц графита, оказывающихся на поверхности, достаточно высока, количество каверн доходит до нескольких десятков на 1 кв.м.

3. Наличие технологического абразива в толще сформированного покрытия препятствует возможности необходимой механической обработки в области уплотнения (крышки).

4. Коэффициент использования материала (КИМ) при ГДН составляет не более 20%, что вместе с крайне низкой производительностью приводит к высокой стоимости напыления, в десятки раз выше чем при ЭДМ, рассматриваемом в данном случае.

5. Наличие поверхностной пористости.

Задачей, на которую направлено настоящее изобретение, является минимизации удержания поверхностным слоем газотермического покрытия радиоактивных загрязнений, модификация поверхности газтермического покрытия, исключающая или существенно уменьшающая поверхностную пористость и, следовательно, возможность проникновения радиоактивных веществ в поверхностный слой покрытия, устранение поверхностной пористости ГТП.

Техническим результатом является повышение эффективности обработки поверхности дезактивирующими растворами, повышение качества газотермического покрытия, уменьшение материальных и временных затрат и экологической нагрузки.

Технический результат достигается тем, что в способе защиты контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, включающем нанесение антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность контейнера методами газотермического напыления, после нанесения никелевого покрытия производят механическую обработку поверхности покрытия, после чего производят химическую обработку поверхности слабым раствором азотной или серной кислоты и затем химическую обработку поверхности концентрированными щелочами.

Покрытие наносят с припуском 50 к требуемой по чертежу толщине.

Покрытие могут наносить методом электродуговой металлизации (ЭДМ).

Покрытие могут наносить высокоскоростным газопламенным методом.

После нанесения покрытия любым из указанных способов производят механическую обработку одним из способов:

Абразивная обработка до полного устранения шероховатости ГТП до Ra не более 0,8 со съемом до 300 мкм покрытия. Обработку производят лепестковыми абразивными кругами, алмазной фрезой или другим способом со съемом верхнего слоя покрытия, имеющего высокую шероховатость и повышенную к основной толщине покрытия пористость.

Струйная уплотняющая обработка поверхности ГТП. Обработку производят материалами невысокой плотности и пониженной абразивности - керамическая или стеклянная дробь, полимерное зерно, зерно из скорлупы грецкого ореха и т.п. до устранения «матовости» покрытия.

После механической обработки поверхности производят химическую «блокировку» оставшихся пор. Поры блокируются в результате следующих химических процессов. Сначала поверхность обрабатывают слабым раствором азотной, серной кислоты или другими кислотами. Выбираются кислоты, которые взаимодействуют с никелем покрытия с образованием водорастворимых солей никеля. Растворы солей никеля из-за особенностей влияния поверхностного натяжения скапливаются преимущественно в микроскопических порах и трещинах. Затем поверхность обрабатывают концентрированными щелочами. В результате соли никеля, скопившиеся в порах, преобразуются в нерастворимый гидрооксид никеля, который плотно блокирует поры. Затем остатки щелочи тщательно смывают с поверхности.

Производят цветной (капиллярный) контроль пористости для выявления недостаточно обработанных участков. Недостаточно обработанные участки повторно обрабатывают.

Гидроксид никеля полностью блокирует поры от проникновения радиоактивных материалов стоек к воздействию воды и дезактивирующих растворов. Покрытие не меняет свойств и остается беспористым до 250 °С.

В другом варианте изобретения в способе защиты контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, включающем нанесение антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность стакана методами газотермического напыления, после нанесения покрытия на основе никеля производится механическая обработка поверхности стакана и затем, по меньшей мере, двукратная последовательная обработка поверхности стакана в начале слабым раствором азотной, серной или другой кислоты, затем концентрированными щелочами, после чего обработанную поверхность нагревают до температуры 350-400 °С.

В таком способе блокировка пор производится более стойким оксидом никеля.

Покрытие наносят с припуском не менее 50 мкм.

Покрытие могут наносить методом электродуговой металлизации (ЭДМ).

Покрытие могут наносить высокоскоростным газопламенным методом.

После нанесения покрытия любым из указанных способов производят механическую обработку одним из способов:

Абразивная обработка до полного устранения шероховатости ГТП до Ra не более 0,8 со съемом до 300 мкм покрытия. Обработку производят лепестковыми абразивными кругами, алмазной фрезой или другим способом со съемом верхнего слоя покрытия, имеющего высокую шероховатость и повышенную к основной толщине покрытия пористость.

Струйная уплотняющая обработка поверхности ГТП. Обработку производят материалами невысокой плотности и пониженной абразивности - керамическая или стеклянная дробь, полимерное зерно, зерно из скорлупы грецкого ореха т.п. до устранения «матовости» покрытия.

После механической обработки поверхности производят химико-термическую «блокировку» оставшихся пор. Поры блокируются в результате следующих химических процессов. Сначала поверхность обрабатывают слабым раствором азотной или серной кислоты или другими кислотами. Выбираются кислоты, которые взаимодействуют с никелем покрытия с образованием водорастворимых солей никеля. Растворы солей никеля из-за особенностей влияния поверхностного натяжения скапливаются преимущественно в микроскопических порах и трещинах. Затем поверхность обрабатывают концентрированными щелочами. Под его воздействием соли никеля, скопившиеся в порах, преобразуются в нерастворимый гидрооксид никеля, который плотно блокирует поры. Затем остатки щелочи тщательно смывают с поверхности.

После химической обработки поверхность нагревают до 350-400 °С.

Нагрев поверхности могут проводить индукционным методом или газовой горелкой с контролем температуры. При этом гидрооксид никеля преобразуется в оксид, но поры частично восстанавливаются за счет увеличения плотности при переходе гидрооксида никеля в оксид никеля и некоторого «усыхания» вещества, блокирующего поры. При этом в порах появляются участки, не укрытые оксидом никеля. Затем поверхность подвергают обработке кислотой меньшей концентрации, чем в предыдущий раз, которая взаимодействует с открывшимися микроучастками никеля, затем концентрированными щелочами, и смывают остатки щелочи. Производят цветной (капиллярный) контроль пористости.

Последовательность процедур циклически повторяют несколько раз, постоянно уменьшая концентрацию кислоты. При этом происходит выращивание «оксида никеля» в порах, который, в конечном итоге, полностью блокирует поры. Циклы химико-термической обработки повторяют до достижения приемлемого результата цветной (капиллярной) дефектоскопии.

Данный способ дает покрытие, которое более стойко к химическим воздействиям, поскольку оксид никеля, формирующий «пробки», которые обеспечивают устранение пористости в этом способе, имеет высокую стойкость к химическим воздействиям, чем сам никель и гидрооксид никеля. Покрытие не меняет свойств и остается беспористым до 1200 °C.

В третьем варианте изобретения в способе защиты контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, включающем нанесение антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность контейнера методами газотермического напыления, покрытие наносят из псевдосплава металлов, имеющих разный электродный потенциал, после этого производят механическую обработку поверхности покрытия, затем производят химическую обработку поверхности слабым раствором кислоты, способной взаимодействовать с более активным из металлов пары псевдосплава, после чего поверхность обрабатывают раствором щелочи. Затем смывают остатки щелочи.

Покрытие могут наносить методом электродуговой металлизации с использованием проволок их 2-х разных металлов.

Покрытие могут наносить высокоскоростным газопламенным методом с использованием смеси порошков из разных металлов, при этом контролируют температуру напыляемой поверхности.

Покрытие наносят с припуском не менее 50 мкм.

После нанесения покрытия любым из указанных способов производят механическую обработку одним из способов:

Абразивная обработка до полного устранения шероховатости ГТП до Ra не более 0,8 со съемом до 300 мкм покрытия. Обработку производят лепестковыми абразивными кругами, алмазной фрезой или другим способом со съемом верхнего слоя покрытия, имеющего высокую шероховатость и повышенную к основной толщине покрытия пористость.

Струйная уплотняющая обработка поверхности ГТП. Обработку производят материалами невысокой плотности и пониженной абразивности - керамическая или стеклянная дробь, полимерное зерно, зерно из скорлупы грецкого ореха т.п.до устранения «матовости» покрытия.

После механической обработки поверхности производят химическую «блокировку» оставшихся пор. Поры блокируются в результате следующих химических процессов. Сначала поверхность обрабатывают слабым раствором кислоты, способной взаимодействовать с более активным из металлов. При этом на поверхности и в порах образуется электролит, насыщенный ионами более активного из металлов. За счет разности электродных потенциалов металлов начинается диффузия ионов в электролите и нарастание слоя более активного металла на частицах из менее активного из металлов. Поскольку диффузия происходит по кратчайшему расстоянию, она наиболее активна в порах, которые при этом «зарастают». Затем поверхность обрабатывается концентрированным раствором щелочи для прекращения реакции. Затем остатки щелочи тщательно смывают с поверхности.

Производят цветной (капиллярный) контроль пористости для выявления недостаточно обработанных участков. Недостаточно обработанные участки повторно обрабатывают.

1. Способ защиты контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, включающий нанесение антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность контейнера методами газотермического напыления, отличающийся тем, что после нанесения покрытия на основе никеля производят механическую обработку поверхности контейнера и затем химическую обработку поверхности контейнера последовательно слабым раствором азотной или серной кислоты и концентрированными щелочами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что покрытие наносят с припуском не менее 50 мкм.

3. Способ по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что покрытие наносят методом электродуговой металлизации.

4. Способ по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что покрытие наносят газопламенным методом.

5. Способ по любому из пп. 1-2, отличающийся тем, что покрытие наносят высокоскоростным газопламенным методом.

6. Способ защиты контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, включающий нанесение антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность стакана методами газотермического напыления, отличающийся тем, что после нанесения покрытия на основе никеля производится механическая обработка поверхности стакана и затем, по меньшей мере, двукратная последовательная обработка поверхности стакана в начале слабым раствором азотной или серной кислоты, затем концентрированными щелочами, после чего обработанную поверхность нагревают до температуры 350-400 °С.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что покрытие наносят с припуском не менее 50 мкм.

8. Способ по любому из пп. 6-7, отличающийся тем, что покрытие наносят методом электродуговой металлизации.

9. Способ по любому из пп. 6-7, отличающийся тем, что покрытие наносят газопламенным методом.

10. Способ защиты контейнера для транспортировки и/или хранения отработавшего ядерного топлива, включающий нанесение антикоррозионного покрытия на внутреннюю поверхность контейнера методами газотермического напыления, отличающийся тем, что покрытие наносят из псевдосплава металлов, имеющих разный электродный потенциал, после этого производят механическую обработку поверхности покрытия, затем производят химическую обработку поверхности слабым раствором кислоты, способной взаимодействовать с более активным из металлов пары псевдосплава, после чего поверхность обрабатывают раствором щелочи.

11. Способ по любому из пп. 10-11, отличающийся тем, что покрытие наносят методом электродуговой металлизации с использованием проволок их 2-х разных металлов.

12. Способ по любому из пп. 10-11, отличающийся тем, что покрытие наносят высокоскоростным методом с использованием смеси порошков из разных металлов.