V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Пленочная дезактивация методом лазерного сканирования

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мансурова В.Э. 1Ожигов А.Е. 1

---

1МБОУ "Лицей №39"

Истомин И.А. 1

---

1ФГУП ПО "Маяк"

Работа в формате PDF

217.4 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Целью нашей работы являлась оценка возможности дезактивации металлических поверхностей, имеющих фиксированное радиоактивное загрязнение, методом лазерного сканирования через прозрачную полимерную пленку.

Для этого необходимо было решить следующие задачи:

1. Подобрать режимы лазерной обработки, позволяющие сохранить целостность полимерной пленки (для предотвращения образования радиоактивных аэрозолей)

2. Провести экспериментальные исследования по дезактивации в соответствии с выбранными режимами.

3. Оценить степень удаления продуктов деструкции металлов с помощью пленки.

Актуальность.

Одной из проблем, привлекающей в настоящее время внимание специалистов, является задача возврата в промышленный оборот материалов, подвергшихся радиоактивному загрязнению в процессе эксплуатации на предприятиях ядерного топливного цикла. Как правило, в результате проведения регулярных профилактических и ремонтных работ на объектах атомной отрасли накапливается большое количество отработавших свой ресурс радиоактивно-загрязненных металлоконструкций, узлов и элементов, выполненных из высококачественных дорогостоящих металлов и сплавов.

Указанные материалы складируют на специально оборудованных территориях, нередко открытых, площади которых постоянно растут, увеличивая экологическую нагрузку на окружающую среду и отвлекая значительные материальные ресурсы на поддержание необходимой безопасности.

Производственные радиоактивные загрязнения могут быть классифицированы в зависимости от физико-химического взаимодействия между загрязняемой поверхностью и носителями активности на:

поверхностные (радионуклиды находятся только на наружной части поверхности различных объектов, дезактивация заключается в удалении радиоактивных веществ, закрепленных на внешней стороне поверхности объектов);

глубинные (радиоактивные вещества проникают вглубь материала, а процесс дезактивации связан с извлечением радиоактивных веществ из глубины).

В реальных системах обычно присутствуют различные виды загрязнений. По мере увеличения времени контакта радиоактивного вещества с поверхностью снижается доля слабофиксированных загрязнений и возрастает доля хемосорбированных форм, связь с поверхностью упрочняется.

По имеющимся оценкам, до (85 ± 5) % объема металлоотходов представляют собой поверхностно-загрязненные радионуклидами металлические отходы, потенциальная стоимость которых в случае возврата их в промышленное использование значительно возрастает.

Как правило, частицы, содержащие радионуклиды, располагаются в поверхностном слое и могут быть удалены без разрушения всей конструкции. Процесс удаления радиоактивных веществ с загрязненных поверхностей называется дезактивацией.

Специалистами разработано большое количество способов очистки материалов от радиоактивных загрязнений. Например, практикуется очистка поверхности при помощи таких традиционных методов, как механическая обдирка поверхности, пескоструйная и водоструйная обработка. Существуют и более технологичные способы дезактивации, например, обработка специальными химическими реагентами, криогенная обработка, обработка струями частиц сухого льда и многие другие. Все методы имеют свои преимущества и недостатки.

Наиболее распространенными методами дезактивации поверхностных радиоактивных загрязнений в настоящее время являются: химический, гидроабразивный и электрохимический, главным недостатком которых является образование значительного количества жидких радиоактивных отходов. Например, при химической дезактивации элементов контура АЭС с реактором типа РБМК образуется до 6000 м³ жидких солесодержащих радиоактивных отходов, переработка которых требует больших временных и финансовых затрат, включая проведение целого комплекса мероприятий по обеспечению радиационной и экологической безопасности.

При лазерной дезактивации тех же металлоконструкций общий объем образующихся радиоактивных отходов, которые накапливаются в твердом состоянии, не превышает 2 м³. Все это делает лазерную дезактивацию потенциально серьезной альтернативой традиционным методам.

По сути лазерная дезактивация является лазерной очисткой.Удаление загрязнений при лазерной очистке может осуществляться не только посредством испарения тонкого слоя основного материала, но и в доиспарительных режимах, в этих случаях термическое воздействие на подложку оказывается незначительным. Также практикуется лазерная очистка в щадящем режиме взрывного испарения смачивающей жидкости (влажная лазерная очистка), а также некоторые другие комбинированные режимы. Возможность изменения в широких пределах параметров облучения позволяет подбирать режим обработки индивидуально для каждого типа загрязнения и материала подложки.

Основными достоинствами лазерной очистки являются:

- отсутствие механического повреждения поверхности;

- возможность дистанционного управления процессом,

- отсутствие загрязнения окружающей среды благодаря эффективным средства сбора продуктов очистки,

- удаление поверхностных радиационных загрязнений в твердой фазе без образования жидких радиоактивных отходов,

- мобильность оборудования.

- высокое качество и эффективность очистки.

Качество лазерной дезактивации определяется коэффициентом дезактивации поверхности - отношение начального значения радиоактивного загрязнения поверхности к его конечному значению, достигнутому в результате процесса дезактивации.

В настоящее время в России лазерная дезактивация пока не получила широкого распространения и носит, в основном, экспериментальный характер.

Проведенные исследования показали, что процесс дезактивации может быть выполнен с хорошим качеством и высокой производительностью в случае применения прозрачных для излучения сорбирующих пленок. Использование таких пленок позволяет существенно снизить, а в определенных случаях полностью исключить аэрозольный унос радионуклидов, т.е. обеспечить безопасность персонала и окружающей среды.

Литературный обзор.

В атомной промышленности в качестве пленкообразователей наиболее часто используется поливиниловый спирт и ПВБ.

Поливиниловый спирт — искусственный, водорастворимый, термопластичный полимер. Синтез ПВС осуществляется реакцией щелочного-кислотного гидролиза или алкоголиза сложных поливиниловых эфиров.

Поливинилбутираль (ПВБ) - продукт взаимодействия поливинилового спирта и масляного альдегида, содержит 65-78% ацетальных звеньев, 19-32% винилспиртовых и до 3% винилацетатных, м.м. 30-200 тыс., плотность 1,1г / см³, температура стеклования 57°С, температура разложения 160°С,

Пленки на основе ПВБ обладают высокими оптическими показателями – прозрачностью, бесцветностью и светостойкостью, хорошими адгезионными свойствами, морозостойкостью, водостойкостью высокой механической прочностью и эластичностью. Прочность пленок достигает 35 МПа, относительное удлинение от 140 до 190%, величина усадки — 6-8%.

Оборудование.

1. Все исследования проводились на системе прецизионной лазерной маркировки «МиниМАРКЕР 2^ТМ-М20» (далее СПЛМ «МиниМАРКЕР 2-М20») серийный № 886 производства ООО «Лазерный Центр», г. Санкт-Петербург.

Система представляет собой моноблочную сборную конструкцию, включающую рабочий стол оператора с Т-образными пазами с интегрированным источником лазерного излучения и электронными блоками, штатив с электроприводом перемещения маркировочной головки по оси Z, защитную кабину, маркировочную головку с объективом. Общий вид и технические характеристики установки представлены на рисунке 1 и в таблице 1.

Таблица 1 – Основные технические характеристики СПЛМ «МиниМАРКЕР2-М20»

Оборудование в представленной компоновке «Моноблок с кабиной» обеспечивает полную защиту оператора от вредного воздействия лазерного излучения благодаря наличию системы защитной блокировки, которая отключает излучение лазера при открывании передней двери кабины.

Маркировочная головка предназначена для фокусировки и перемещения лазерного луча по поверхности обрабатываемого объекта. Она представляет собой сборную конструкцию, включающую сканаторы с зеркалами, электронные платы, фокусирующий объектив и элементы крепления составляющих его элементов. Лазерное излучение заводится в маркировочную головку через оптоволокно, соединенное с расширителем луча (является составной частью лазерного излучателя). Далее расширенный лазерный пучок последовательно попадает на зеркала сканаторов, после чего выводится из системы через фокусирующий объектив и направляется на поверхность маркируемого изделия.

Управление процессом маркировки осуществляется с помощью программного обеспечения (ПО) «SinMark», разработанного в ООО «Лазерный Центр».

2. Прецизионные электронные весы AND HR-300.

Особенности:

- широкий диапазон взвешивания;

- внешняя калибровка;

- 13 единиц измерения;

- настройка под факторы окружающей среды;

- режим штучного подсчета изделий;

- режим штучного подсчета изделий;

- самодиагностика;

- возможность определения плотности вещества.

Габариты, мм: 183х164х250.

Масса, кг: 8.

Предел взвешивания, г: 310.

Рабочий диапазон температур, градусы С: 5 – 40.

Размер платформы, мм: 90.

Использованные материалы.

Для исследований использовали спиртовой раствор ПВБ с массовой долей в-ва 20%. Повышение концентрации пленкообразующих агентов в композициях приводит к невозможности их использования вследствие слишком большой вязкости.

Для проведения исследований были изготовлены образцы размером 50х50мм из нержавеющей стали марки 12х18н10т (листовой прокат толщиной 0,98 мм) и углеродистой стали марки Ст3 (листовой прокат толщиной 1,02 мм).

Сталь 3.

Сплав содержит: углерода - 0,14-0,22%, кремния - 0,05-0,17%, марганца - 0,4-0,65%, никеля, меди, хрома - до 0,3% , мышьяка до 0,08%, серы и фосфора - до 0,05 и 0,04% соответственно.

Рабочие температуры:—40 до +425 °С при переменных нагрузках.

Твердость материала: 131 МПа

Плотность: 7850 кг/м³.

Сталь 12х18н10т.

Сплав содержит: углерода - до 0,12%, кремния - до 0,8%, марганца – до 2%, никеля - 9 – 11%, меди - до 0,3%, хрома - 17 - 19% , серы - до 0,02, фосфора - до 0,035, титана - 0,4-1, железа – около 67%.

Рабочие температуры:—196 до +600 °С при переменных нагрузках.

Твердость материала: 179 МПа

Плотность: 7920 кг/м³.

Методическая честь эксперимента.

1) Образцы из нержавеющей и углеродистой стали обезжиривали этиловым спиртом, затем высушивали.

2) Далее мы взвешивали на прецизионных электронных весах марки HR-300.

3) Затем на образец наносился 20% раствор ПВБ из расчета от 0,65-0,75г на образец, равномерно распределяли стеклянной палочкой по всей поверхности образца, и оставляли сушиться на сутки.

4) Образец с формированной пленкой взвешивали и рассчитывали массу пленки по формуле:

m_{образца конечная} – m_{образца начальная (1)}

5) Далее проводили обработку лазером в заданном режиме, который позволял сохранить целостность пленки.

6) После остывания образца проводили повторное взвешивание.

7) Удаляли пленку, на который содержалась часть продуктов деструкции металла, и взвешивали образец с остатками продуктов деструкции, не перешедших на пленку.

8) Образец протирали ветошью смоченной этиловым спиртом до полной отчистки от продуктов деструкции, после чего образец снова взвешивали и рассчитывали массу продуктов деструкции, оставшихся на образце, по формуле:

m_{с пылью} – m_{без пыли} (2)

9) На основании полученных данным рассчитывали степень очистки, по формуле:

m_{пыли на образце}/m_{всей пыли}*100% (3)

Экспериментальная часть.

На первом этапе исследования для каждого конструкционного материала были подобраны режимы лазерной обработки (частота следования импульсов, мощность излучения и скорость перемещения лазерного луча), позволяющие сохранить целостность предварительно нанесенной и сформированной на поверхности образцов пленки ПВБ. Полученные результаты по подбору оптимальных режимов обработки приведены в таблицах 2 и 3.

Т а б л и ц а 2 – Подбор режимов для стали 12х18н10т

Т а б л и ц а 3 – Подбор режимов для стали 3

Из полученных результатов можно сделать вывод о том, что лазерная обработка материалов через, прозрачную полимерную пленку на основе ПВБ позволяет дезактивировать конструкционные материалы: толщина снимаемого слоя, содержащего радиоактивные вещества, может достигать 21 г/м² для углеродистых сталей и 9,25 г/м² для нержавеющих. При этом целостность пленки не нарушается и, следовательно, не происходит загрязнения воздуха радиоактивными веществами.

Однако, данный метод не позволяет полностью удалить продукты деструкции, доля остающихся на поверхности продуктов деструкции составляет от 35 до 67% для углеродистой стали, от 62 до 97% для нержавеющей стали. Для удаления продуктов деструкции на образце дополнительно наносили пленку ПВБ, которую после высушивания удаляли вместе с адсорбированными на ней продуктами очистки. Результаты экспериментов приведены в таблице 4 .

Т а б л и ц а 4 – После 2-ого нанесения ПВБ на сталь 3

Данный метод позволил снизить долю оставшихся продуктов деструкции до 3-14%, т.е. в 4-15 раз.

Вывод.

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

Показана принципиальная возможность лазерной дезактивации углеродистой и нержавеющей сталей через прозрачную плёнку ПВБ.

Толщина удаляемого слоя теоретически содержащего радионуклиды может достигать до 9,25 г/м² для нержавеющей стали, и 21 Г/м² для углеродистой стали.

Наиболее эффективна дезактивация через полностью сформировавшуюся, т.е. «сухую» пленку ПВБ.

Подобранные режимы лазерной обработки, позволяющие сохранить целостность полимерной пленки и тем самым предотвратить аэрозольные радиоактивные загрязнения.

Для полного удаления продуктов деструкции с поверхности необходимо дополнительная очистка путем нанесения и удаления полимерной пленки ПВБ.

Полученные результаты планируются использовать в рамках программы внедрения лазерных технологий на ФГУП «ПО Маяк».

Литература.

http://www.atomic-energy.ru/

ГОСТ 20286-90. Загрязнение радиоактивное и дезактивация. Термины и определения

http://www.findpatent.ru/

https://ru.wikipedia.org

http://art-con.ru/

Мутин Тимофей Юрьевич «Лазерная дезактивация металлических поверхностей»