Расколоть и обезвредить: как работает установка по дезактивации бетона

В Томском политехническом университете (ТПУ) разрабатывают установку для дезактивации радиоактивно загрязненного бетона при помощи электроимпульсов. Мы заинтересовались деталями технологии.

При выводе из эксплуатации ядерно и радиационно опасных объектов (ВЭ ЯРОО) серьезные проблемы доставляет радиоактивно загрязненный бетон. С цельными бетонными конструкциями работать дорого и трудоемко: как правило, они большие, массивные, а если внутри арматура, еще и трудноразрушаемые. В силу физико-химических принципов радиоактивное загрязнение концентрируется в поверхностных слоях бетонных конструкций — ​поэтому материал и применяют для долговременной работы в условиях высоких радиационных полей. Задача дезактивации бетонных конструкций почти всегда сводится к удалению и изоляции поверхностного радиоактивно загрязненного слоя. С остальной массой бетонных конструкций — ​арматурным каркасом и чистым бетонным щебнем — ​можно делать что угодно, в частности использовать повторно.

Вопрос — ​как снять загрязненный слой? Обычно его удаляют механическими резцами, но они часто выходят из строя по причине высочайшей прочности бетона. А это дополнительные затраты. Поэтому ТВЭЛ (отраслевой интегратор направления «ВЭ ЯРОО и обращение с сопутствующими радиоактивными отходами (РАО)») проявил большой интерес к работе ученых ТПУ.

В вузовской лаборатории импульсно-­пучковых электроразрядных и плазменных технологий предложили разрушать бетон электрическим импульсом. Сам метод не нов. Он хорошо зарекомендовал себя в горнодобывающей отрасли: при помощи быстрых и коротких электроимпульсов можно бурить каналы в массивных скальных породах или получать без повреждений полезные компоненты, например алмазы, из рудного сырья.

Применительно к дезинтеграции радиационно загрязненных монолитных структур первым научно-исследовательским и опытно-конструкторским работам ТПУ больше 10 лет. Проводились они в интересах потенциального зарубежного заказчика. Сейчас эти наработки оказались важны ТВЭЛ в свете нарастающей потребности в выводе из эксплуатации объектов использования атомной энергии.

«Важно добиться пробоя по твердому телу, которое необходимо разрушить на заданную глубину, — ​объясняет руководитель исследовательской группы, научный сотрудник ТПУ Артем Юдин. — ​Как мы показали, при подаче напряжения порядка 300 кВ на электроды удается отделять куски характерным линейным размером несколько сантиметров от монолита бетона марки М‑300, широко применяемого в строительстве. Кстати, и сами электроды, и вся экспериментальная установка — ​наша оригинальная разработка».

На данном этапе технологической готовности образцы загрязненного бетона необходимо погружать в емкость с жидкостью. Отсюда технический парадокс и одновременно задача научного обоснования метода: добиться, чтобы пробой шел не по жидкой фазе, а по твердой.

«Это как раз и достигается кратковременным импульсным электрическим воздействием, — ​продолжает Артем Юдин. — ​Известно, что при длительности разряда порядка микросекунды и менее канал пробоя формируется именно в твердом теле — ​конечно, если расположить электроды сравнительно близко к его поверхности. Дальше сам канал становится источником ударных волн, разрывающих твердую материю изнутри. Происходит нечто вроде микровзрыва. Есть, правда, еще одно существенное но. В силу высокой проводимости жидкость может взять на себя большую долю разности потенциалов, которая нужна для пробоя в твердом теле. Мы максимально изолировали все нерабочие поверхности электродной системы, чтобы повысить омическое сопротивление ее как единого целого и направить ток куда нужно».

Основное преимущество метода — ​долговечность расходных материалов: электроды служат куда длительнее механических резцов при примерно одинаковом энергопотреблении (несколько сотен джоулей на кубический сантиметр удаляемого бетона). За это приходится платить поверхностными шероховатостями — ​фреза при обработке выдает более ровную поверхность по сравнению со скалыванием электроимпульсными разрядами, когда в отвал попадает больше чистого бетона.

Как отмечает Алексей Рыбин, руководитель направления отдела по научно-технической деятельности ВЭ ЯРОО ТВЭЛ, в ходе будущих экспериментов по разрушению образцов бетона, содержащих имитаторы радиоактивных веществ, ученым предстоит решить вопрос обращения с вторичными жидкими РАО, а также определить оптимальный состав и компоновку экспериментальной установки.

Эдуард Никитин
Директор по ВЭ ЯРОО и обращению с радиоактивными отходами, ТВЭЛ

— Применение технологии электроразрядной дезактивации бетона перспективно в том числе при выводе из эксплуатации объектов использования атомной энергии. Это обусловлено наличием на объектах топливного цикла множества строительных конструкций зданий и сооружений из железобетона, бетона, кирпича. Результаты работ будут использованы организациями и предприятиями отрасли на этапе ВЭ ЯРОО в России и за рубежом.