2774.Вакуумные технологии

чистоты жидкого азота. 133Xe и 85Kr, кипящие соответственно при 120 и 165 К, концентрируются в основании первой колонны. Нерадиоактивная изотопная фракция, кипящая при температуре 90 К, проходит во вторую криогенную колонну, где ее выдерживают в виде жидкости в течение примерно 3 ч.

Радиоактивные криптон и ксенон концентрируют до получения коэффициента концентрирования 2·105. Далее сжиженные газы удаляют из колонны и направляют на хранение в цилиндрических баллонах высокого давления. Длительный период полураспада радиоактивного криптона требует приблизительно 100 лет его хранения.

Практический интерес представляет процесс регенерации металлов из металлического скрапа различной степени радиоактивности, обусловленной сорбцией радионуклидов на поверхности металлов. За рубежом для дезактивации поверхностно загрязненного металлического скрапа (части реактора атомной электростанции, стальные конструкции, трубы, клапаны, насосы и прочая арматура), содержащего тритий и некоторые другие газообразные или легколетучие радионуклиды, успешно применяется переплав в вакуумных регенерационных установках

(рис. 10.10). Немецкая компания Siemelkamp Nuclear Technology, Inc. осуществляет переплав радиоактивных металлических отходов в индукционной печи при пониженном давлении.

Рис. 10.10. Отливка слитков массой 1000 кг из радиоактивного скрапа после переплава

241

Врезультате разработок в 1989 г. компанией была введена

вэксплуатацию плавильная установка CARLA (Centrale Anlage zum Recyclieren Leichtaktiver Abfälle) для безопасной, экологич-

ной и экономичной вторичной переработки активных отходов. В комбинации с производственными возможностями литейного производства компании Siempelkamp установка предлагает уникальные возможности утилизации (рис. 10.11). Загрязненные остатки преобразуются в материалы, находящие дальнейшее применение в ядерной технике, или могут использоваться вне ядерной техники, если будут выполнены необходимые условия для получения соответствующего допуска. Для предотвращения загрязнения окружающей среды радиоактивными аэрозолями вокруг печи смонтированы две вентиляционные секции, оборудованные собственными регенерируемыми системами очистки газов. Эта технология обеспечивает возврат частиц металлических отходов обратно в производственный цикл.

Плавка металлических радиоактивных отходов (МРО) позволяет достичьположительный эффект в нескольких направлениях:

1) уменьшение в 4–6 раз объемов отходов и, следовательно, объемов хранилищ и могильников;

2)переведение части МРО из категории высокоактивных

всреднеили низкоактивные и, как следствие, упрощение и удешевление их хранения;

3)переведение низкоактивной части МРО в категорию коммерческого металла, использование которого возможно в металлургических процессах в качестве оборотного металла при производстве конструкционных материалов для атомной техники (коррозионно-стойкие стали и циркониевые сплавы);

4)упрощение измерения уровня удельной и интегральной активности МРО;

5)исключение радиоактивного загрязнения окружающей среды, благодаря равномерному распределению и надежной фиксации радионуклидов в металлической матрице или шлаках.

242

Рис. 10.11. ПланировкаустановкиCARLA дляутилизации низкоуровневых радиоактивных отходов (шлаки, пыль и футеровки печей): вверху – участок демонтажа и сортировки; слева – участок плавки и разливки; справа – помещение для складирования и хранения контейнеров и слитков; внизу – помещения для персонала

243

Установки по плавке МРО (печи) располагаются в боксах, находящихся под пониженным давлением и снабжены специальной системой газоочистки.

Вакуумные дуговые печи для регенерации МРО, в основном нержавеющей стали, выпускаются фирмой «Seco Warwick S.A.» в линии продукции «оборудование для нейтрализации отходов

PACTTM» (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Вид установки для переплава МРО производства «Seco Warwick»

Плазменная центробежная дуговая обработка, примененная в системах PACTTM, обеспечивает высокую температуру процесса, что позволяет эффективно уничтожать опасные отходы. PACTTM акцептирует широкий объем отходов, характеризующихся как легкие.

244

Впроцессе переработки поставленный материал значительно уменьшает свой объем и преобразовывается в однородный твердый шлак, который не требует дальнейшей обработки.

Взависимости от перерабатываемых материалов в PACTTM продукты, полученные в этом процессе, также могут иметь коммерческое применение.

Реализуемый технологический процесс исключает прямое воздействие на персонал опасных материалов, не требуется сортировка материалов на горючие и негорючие. Контроль отрицательного давления в системе предотвращает выбросы вредных веществ в окружающую среду.

10.3. Вакуумные радиоизотопные установки

Установки β- и γ-облучения предназначены для проведения процессов в радиационных технологиях, при которых получение веществ или обработка изделий осуществляется в результате воздействия ионизирующих излучений, что приводит к изменению физических, химических и биологических свойств. Основной частью радиоизотопной установки является источник ионизирующего излучения (ИИИ). В качестве ИИИ используются закрытые радионуклидные источники (например, источниками γ- излучения являются 60Сo и 137Cs, источником β-излучения – 90Sr), ускорители заряженных частиц, гамма-носители радиационных контуров при ядерных реакторах и др.

Фирма AECL (Канада) производит промышленную установку, включающую в себя ядерный реактор с источниками γ- излучения для облучения блочных объектов (герметичных или негерметичных емкостей различной формы или объема).

Немецкая фирма Leybold-Heraeus выпускает установки для β-облучения, работающие по принципу ускорителей Ван-де- Граафа. Электроны создаются в генераторе постоянного напряжения и переносятся на конденсатор. Накаливаемый катод испускает электроны, которые выходят из лучевого окна в атмосферу и проникают в материал.

245

Радиоизотопные установки широко применяются для следующих технологических приложений:

предпосевное облучение семян – радиационная стимуляции сельхозкультур в целях повышения урожайности;

радиационно-химические процессы (РХП), в том числе:

получение новых сортов растений с заранее заданными свойствами;

радиационная вулканизация каучуков;

радиационная полимеризация с целью получения новых древесно-полимерных, асбесто-, бетоно- и туфополимерных материалов, а также нанесения полимерной пленки на поверхность гранулированных минеральных удобрений для пролонгирования срока их действия после внесения в почву;

радиационного модифицирования сантехнических изделий из полиэтилена для горячего водоснабжения и пр.;

радиационной стерилизации (радиационно-биологические процессы) пищевых продуктов для удлинения срока их хранения, фармацевтических продуктов (облучение лекарственных препаратов и т.п.), изделий медицинского назначения (перевязочных материалов, шприцев одноразового пользования и т.п.), а также продуктов сельского хозяйства с целью уничтожения вредителей;

изменения структуры материалов (радиационно-физичес- кие процессы) – кристаллической решетки твердого тела для «сшивания» продуктов электронной и химической промышленности. Так, на российской рентгеновской установке модели КРМ-1 в результате γ-облучения обладающих уникальными свойствами фторсодержащих полимеров протекают следующие процессы: частичная кристаллизация, обусловливающая рост интегральной интенсивности на большеугловых рентгенограммах и размеров кристаллов; радиационная деструкция полимеров; сшивание цепей, обусловливающее потерю деформативности (т.е. повышение хрупкости) материала в целом.

246

11. ВАКУУМ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

11.1. Электровакуумные приборы

Вакуум находит широкое применение в приборостроении при создании электровакуумных приборов, являющихся одним из основных направлений современной электроники.

Электровакуумные приборы (ЭВП) − группа электронных приборов, в которых из рабочего пространства откачан воздух

ионо защищено от окружающей атмосферы вакуумно-плотной оболочкой из стекла или металла (давление остаточных газов

врабочем режиме обычно не превышает 10–4 Па). Принцип работы ЭВП основан на взаимодействии потока электронов, эммитируемых катодом, с постоянными и переменными электрическими

имагнитными полями. ЭВП служат для преобразований элек-

тромагнитной энергии различного рода (генерации, усиления

ит.д.). К электровакуумным приборам относятся следующие:

электронные лампы для генерирования и усиления электрических колебаний в радиовещании, радиотехнике (рис. 11.1);

Рис. 11.1. Миниатюрные вакуумные электронные радиолампы с геттернойоткачкойнапыленнойбариевойпленкойпроизводства США, Германии и СССР

247

электровакуумные СВЧ-приборы (клистроны, магнетроны, лампы бегущей волны) для использования в СВЧ-печах, радиолокационных устройствах, телевидении, например, для передачи телевизионных сигналов по спутниковым линиям, телеуправлении КЛА и ИСЗ (рис. 11.2);

Рис. 11.2. Магнетронвкорпусе(а), клистронвКосмическомисследовательском центрев Канберре(б), лампабегущейволны «Штормовка» (применялась

в1980-е гг. в первыхкоммуникационных спутниках серии «Горизонт») (в)

электронно-лучевые приборы (электронные микроскопы, кинескопы осциллографы, мониторы, радиолокационные инди-

каторы) (рис. 11.3, а);

Рис. 11.3. Схема кинескопа (а) и фотоэлектронный умножитель (б)

248

фотоэлектронные приборы (вакуумные фотоэлементы,

вакуумные индикаторы (электронные индикаторы настройки, цифровые индикаторные лампы), в которых электрическая энергия преобразуется в световую (рис. 11.4, а);

Рис. 11.4. Газоразрядный индикатор GN-4 на десять цифр (а); металлокерамическая рентгеновская трубка «MXR-350HP-11» СОМЕТ, Швейцария (б); рентгеновская трубка БСВ-41, ООО НПО «Промавтоматика», г. Екатеринбург (в)

рентгеновские трубки, предназначенные для генерации рентгеновского излучения, широко применяемые в дефектоскопии, для рентгеноструктурного и рентгеноспектрального анализа, медицинской диагностики и др. (рис. 11.4, б, в) [1].

11.2. Вакуумные аналитические приборы

Широкое распространение в науке, технике и промышленности получили вакуумные аналитические приборы: массспектрометры, электронные микроскопы и многие другие. Электронные микроскопы позволяют с помощью электронных пучков, ускоренных до больших энергий (30–150 кэВ и более), в условиях высокого вакуума получать увеличенное до 106 крат изображение изучаемых объектов. Различают просвечивающие

249

электронные микроскопы (ПЭМ) (рис. 11.5), растровые электронные микроскопы (РЭМ) (рис. 11.6) и смешанные микроскопы (ПРЭМ).

Рис. 11.5. Просвечивающиеэлектронныемикроскопы: а– ПЭМJEOL JEM-2100F; б– блокпробоподготовки (приготовления фольг)

JEOL ION SLISER EM09100 IS

Рис. 11.6. Растровые электронные микроскопы: а – СРЭМ JEOL JSM-7500FA (разрешение до 1 нм) с системой элементного анализа JEOL, установкой напыления накерамические образцы в вакууме JEOL (материал напыления – платина); б – Carl Zeiss Ultra 55 (разрешение до 4 нм) с системой элементного анализа OXFORD Instruments

250