Расчет температурных режимов плазменной распылительной ячейки для дезактивации конструкционных элементов ядерных энергетических установок

Разрабатываемая нами технология «сухой» дезактивации конструкций ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с помощью ионного распыления микроразмерных радиоактивных загрязнений на очищаемой поверхности осуществляется посредством плазменного разряда специальной конфигурации в среде инертного газа с дальнейшим массопереносом распыленного материала и осаждением его на анодную подложку в режиме диффузии. В отличие от традиционных радиохимических способов в нашей технологии радионуклиды не переходят в жидкие радиоактивные отходы (ЖРО), а конденсируются в компактной твердой форме, что делает возможным их полезное использование. Поскольку эта технология может использоваться как при выводе ЯЭУ из эксплуатации (в том числе для дезактивации облученного реакторного графита), так и в процессе текущей эксплуатации и плановых ремонтов ядерных реакторов, то становится возможным регулярно извлекать концентрат нужных изотопов в необходимых количествах благодаря интенсивным нейтронным потокам в ЯЭУ. Конструкция плазменной распылительной ячейки для удаления радионуклидов с поверхности облученного графита или конструкций ЯЭУ предусматривает зажигание плазменного разряда постоянного тока в среде инертного газа (например, аргона) при давлении Р ~ 0,1–1 атм и контроль температурных режимов осаждения распыленного материала. Для этого проведен расчет температур на поверхности катода (распыляемый графит), анода (танталовый коллектор) и в аргоновой плазме в зависимости от вкладываемой мощности в разряд. Данные о температуре поверхности катода и коллектора позволяют управлять элементным составом выделяемых атомов и формировать изделия с наноразмерными слоями концентрата радионуклидов для радиационной медицины и новых бета-вольтаических батарей. Таким образом, технология имеет важное значение не только при выводе ЯЭУ из эксплуатации, но и для формирования наноразмерных слоев бета-активных материалов.

1. Патент РФ № 2580818. Способ переработки облученного реакторного графита / Беспала Е. В., Павлюк А. О., Изместьев А. М., Котляревский С. Г., Михайлец А. М. Опубл. 10.04.2016. Заявка № 2015112630/07.

2. Патент РФ № 2320038. Способ и установка для переработки радиоактивных отходов / Арустамов А. Э., Васендин Д. Р., Горбунов В. А., Дмитриев С. А., Лифанов Ф. А., Кобелев А. П., Полканов М. А., Попков В. Н. Опубл. 27.05.2007. Заявка № 2005135826/06.

3. Беспала Е. В. , Павлюк А. О., Ушаков И. А. Плазменная переработка облученного реакторного графита // Сборник трудов XXI международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Томск, 2015 г. – С. 110–112.

4. Патент РФ № 2192057. Способ переработки отходов реакторного графита и устройство для его реализации / Климов В. Л., Карлина О. К., Павлова Г. Ю., Ожован М. И., Дмитриев С. А., Соболев И. А. Опубл. 27.10.2002. Заявка № 2001117621/06.

5. LaBrier D., Dunzik-Gougar M. L. Characterization of 14C in neutron irradiated NBG-25 nuclear graphite // Journal of Nuclear Materials. – 2014. – V. 448. – P. 113–120.

6. Dunzik -Gougar M. L., Smith T. E. Removal of carbon-14 from irradiated graphite // Journal of Nuclear Materials. – 2014. – V. 451. – P. 328–335.

7. La Brier D., Dunzik-Gougar M. L. Identification and Location of 14 C-Bearing Species in Thermally Treated Neutron Irradiated Graphites NBG-18 & NBG-25: Pre-and Post-Thermal Treatment // Journal of Nuclear Materials. –2015. – V. 460. – P. 174–183.

8. Dunzik -Gougar M. L., Cleaver J., La Brier D., M., Crory S., Nelson K., Smith T. E. Chemical Characterization and Removal of Carbon-14 from Irradiated Graphite // Report. International Atomic Energy Agency (IAEA). – 2016. – V. 47. – P. 21–31.

9. La Brier D., Dunzik -Gougar M. L. Characterization of 14C in neutron irradiated NBG-25 nuclear graphite // Journal of nuclear materials. – 2014. – V. 448. – P. 113–120.

10. Павлюк А. О., Котляревский С. Г., Беспала Е. В., Беспала Ю. Р. Перспективы применения исследовательского реактора типа ИРТ-Т для решения задач в рамках проблемы графитовых радиоактивных отходов // Известия вузов. Ядерная энергетика. – 2008. – № 1.– C. 87–98.

11. Vulpius D., Baginski K., Fischer C., Thomauske B. Location and chemical bond of radionuclides in neutron-irradiated nuclear graphite // Journal of Nuclear Materials. – 2013. – V. 438. – P. 163–177.

12. Петровская А. С., Кладков А. Ю., Суров С. В., Цыганов А. Б. Инновационный метод плазменной дезактивации конструкций ядерных энергетических установок и облученного реакторного графита // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Ядерно-реакторные константы. – 2018. – Вып. 4. – С. 185–197.

13. 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. Int. Conf. on Electrical Engineering and Photonics (IEEE), Saint-Petersburg, 2018. – P. 230–232.

14. Способ дезактивации элемента конструкции ядерного реактора / Петровская А. С., Стахив М. Р., Цыганов А. Б. Заявка на изобретение РФ № 2018140999 от 21.11.2018 и международная патентная заявка PCT/RU2018/000909 от 29.12.2018.

15. Патент РФ № 2668533. Суперконденсатор и способ его изготовления / Рисованый В. Д., Булярский С. В., Марков Д. В., Синельников Л. П., Николкин В. Н., Злоказов С. Б., Джанелидзе А. А., Светухин В. В. опубл. 01.10.2018.

16. Патент РФ № 2670281 Электрод суперконденсатора / Сауров А. Н., Козлов С. Н., Живихин А. В., Павлов А. А., Булярский С. В., Светухин В. В., Рисованый В. Д. Опубл. 22.10.2018. Заявка № 2017135331.

17. Гу рская А. В., Долгополов М. В., Чепурнов В. И. 14С – бета-преобразователь // Физика элементарных частиц и атомного ядра.– 2017. – Т. 48, вып. 6. – С. 901–909.

18. Martin P. G., Tomkinson N. G., Scott T. B. The future of nuclear security: сommitments and actions – рower generation and stewardship in the 21st century // Energy Policy. – 2017. – V. 110. – P. 325–330.

19. Hon ig R. E., Kr ame r D. A. Vapor pressure data for the solid and liquid elements // RCA Rev.– 1969. – V. 30. – Р. 285–305.

20. Таблицы физических величин: Справочник / Под ред. И. К. Кикоина. – М.: Атомиздат, 1976. – 1005 с.

21. Физические величины: Справочник. / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 1234 с.

22. Мармер Э. Н. Углеграфитовые материалы: Справочник. – М.: Металлургия, 1973. – 135 с.

23. Нейнмарк Б. Е., Воронин Л. К. Теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и интегральная степень черноты тугоплавких металлов при высоких температурах // Теплофизика высоких температур. – 1968. – Т. 6, № 6. – С. 1044–1056.

24. Покровский А. С., Белан Е. П., Харьков Д. В. Теплопроводность графита ГР-280, облученного до высокого флюенса нейтронов // Технические науки. – 2015. – № 12. – С. 1126–1133.

25. Проблемы прикладной физики. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой / Под ред. Р. Бериша. – М.: Мир, 1984. – 335 с.

26. Райзер Ю. П. Физика газового разряда. – М.: Наука, 1992. – 536 с.