Niebezpieczne cząstki w przemyśle jądrowym

Podczas różnych procesów, zachodzących w reaktorach jądrowych, poszczególne cząstki ulegają rozpyleniu i trafiają do powietrza w formie aerozolu. Odkładają się na powierzchniach stałych, skąd bardzo trudno jest je usunąć, a stanowią zagrożenie, ulegając rozkładowi z emisją niebezpiecznego promieniowania. Deponują się również w miejscach bardzo trudno dostępnych, co generuje wysokie koszty późniejszej dekontaminacji. 

Metody czyszczenia powierzchni można podzielić na chemiczne i mechaniczne, jednak w przemyśle nuklearnym czyszczenie chemiczne nie jest stosowane. Wynika to z ryzyka zajścia niebezpiecznych reakcji między związkami czyszczącymi a używanymi w reaktorach. Najprostszą metodą, należącą do grupy czyszczenia mechanicznego, jest spłukiwanie skażonej powierzchni wodą. Jej zaletą jest niewielki koszt, ale charakteryzuje się ona niestety małą wydajnością oraz dużym ryzykiem wtórnego zanieczyszczenia powietrza. Podobne wady można zauważyć w przypadku odkurzania, ścierania, szorowania i szczotkowania powierzchni. Dodatkowo istnieje ryzyko, że radioaktywne cząstki osadzą się na sprzęcie, używanym do czyszczenia. 

Podobnie mało wydajną metodą jest czyszczenie za pomocą strumienia pary. Zanieczyszczenia są uwalniane za pomocą gorących strumieni pary, a następnie odprowadzane przez wentylację i filtrację powietrza. Może to jednak doprowadzić do nadmiernego i niebezpiecznego wzrostu ciśnienia oraz wprowadzenia nadmiaru tlenu, który może negatywnie wpłynąć na działanie reaktorów. Istnieją również metody mechaniczne, które są wydajne, ale powodują duże uszkodzenie powierzchni czyszczonej, np. czyszczenie strumieniowo-ścierne z użyciem dwutlenku węgla.

Wychodząc naprzeciw wymienionym wyżej ograniczeniom, naukowcy opracowali i przetestowali metodę, wykorzystującą działanie zestawu dysz powietrznych, skierowanych na zanieczyszczoną powierzchnię wewnątrz zamkniętej komory. Uwolnione z powierzchni cząstki były natychmiast zbierane przez strumień ssący odkurzacza, usuwane z objętości komory i osadzane na filtrze HEPA. Urządzenie zostało przetestowane na kilku rodzajach powierzchni, zanieczyszczonych radioaktywnymi izotopami berylu. Skuteczność metody wynosiła do 99,3% dla powierzchni, takich jak: stal nierdzewna, szkło oraz plastik gładki lub chropowaty. Wydajność różniła się dla rozmiarów badanych cząstek, natomiast nawet dla najmniejszych rozmiarów była większa niż dotychczas stosowane metody (ok. 85%). Porównywane metody wykazują maksymalną wydajność na poziomie 65%. 

W nowoczesnych technologiach, używanych przy czyszczeniu powierzchni z odpadów radioaktywnych, wykorzystuje się również hydrożele, czyli układy dyspersyjne ciecz-ciało stałe. Hydrożele w postaci złuszczających lub zdejmowalnych powłok na powierzchnie wykorzystuje się do usuwania izotopów radioaktywnych o długim czasie połowicznego rozpadu, np. cezu, kobaltu lub strontu. Hydrożele, którymi pokrywana jest powierzchnia, podczas kontaktu z zanieczyszczeniami wiążą je w swoje struktury chemicznie lub fizycznie. Następnie są utwardzane mechanicznie i następuje enkapsulacja zanieczyszczeń w strukturze hydrożelu. Takie układy są odrywane z powierzchni, bez ryzyka wtórnego zanieczyszczenia lub przedostania się szkodliwych związków do powietrza.

Mikrowłókna polimerowe

Czyszczenie powierzchni stałych jest kluczowe nie tylko w przemyśle jądrowym, ale również w mikroelektronice, lotnictwie, optyce czy kserografii. Problem w tych dziedzinach stanowi osadzanie się cząstek mikrometrycznych i submikronowych, których nie da się usunąć za pomocą podmuchów powietrza, jak w przypadku większych cząstek. Podobnie nieskuteczne w tym przypadku są metody czyszczenia na mokro, np. poprzez zanurzenie powierzchni w rozpuszczalniku. Oprócz małej wydajności, metody te wiążą się z ryzykiem zanieczyszczenia środowiska lub wtórnego osadzenia się cząstek. Stosowane rozpuszczalniki mogą być też niekompatybilne z czyszczoną powierzchnią i doprowadzić do jej nieodwracalnego uszkodzenia. Nieskuteczne są również metody czyszczenia mechanicznego, opisane wcześniej, także ze względu na zbyt duże ryzyko uszkodzenia powierzchni, które w tych gałęziach przemysłu są niewielkie i delikatne.

W wyniku badań opracowano mikrowłókna polimerowe, wykonane z elastycznego polimeru o niskiej energii powierzchniowej. Do ich produkcji wykorzystuje się polidimetylosiloksan (PDMS), który jest powszechnie używanym materiałem w produkcji soczewek kontaktowych. Polimerowe mikrowłókna, wchodząc w kontakt z zanieczyszczoną powierzchnią, nie naruszają integralności powierzchni ze względu na swoją elastyczność i miękkość. Ich rozmiar i właściwości sprawiają, że przy minimalnych interakcjach z powierzchnią ciała stałego rozwijają się silne wiązania na powierzchni międzyfazowej z cząstkami zanieczyszczeń. Dzięki temu łatwiejsze jest oderwanie ich od podłoża wraz z włóknami. Kolejną zaletą wykorzystania mikrowłókien polimerowych jest możliwość kontrolowania ich rozmiarów i geometrii. Można zatem dokładnie dopasować ten środek czyszczący do morfologii powierzchni, co zapewni wysoką wydajność czyszczenia.