Методы спецгазоочистки радиоактивных газов и аэрозолей на АЭС

Для поддержания норм качества теплоносителя и очистки его от различных примесей часть теплоносителя выводится из контура и направляется в системы очистки. В состав таких систем входят фильтры, дегазаторы, выпарные установки, деаэраторы. Дегазированный теплоноситель возвращают в первый контур, а радиоактивные газы и аэрозоли направляют в специальные емкости выдержки или системы очистки. Кроме того, газообразные отходы возникают в результате дегазации разного рода протечек теплоносителя, при водообмене в реакторе и при отборе проб воды в бассейнах выдержки. Газообразные и аэрозольные отходы из монтажных пространств, боксов парогенераторов и насосов, защитных кожухов оборудования, емкостей с жидкими отходами выводят с помощью вентиляционных систем. Эти отходы перед выбросом в вентиляционную трубу очищаются на аэрозольных и йодных фильтрах.

Отводимые от технологического оборудования газы состоят из азота с примесью водяного пара, водорода, газообразных продуктов деления. Объем этих газов равен 4-70 м³/ч для реакторов типа ВВЭР, в которых первый контур замкнут и герметичен. Время пребывания в нем радиоактивных веществ намного больше, чем в разомкнутом первом контуре кипящего реактора типа РБМК, т.к. расход воды из первого контура реактора типа ВВЭР в систему очистки с учетом протечек мал: 20-50 т/ч. Поэтому период полувыведения радиоактивных газов из первого контура большой: часы и даже сутки. Дезактивацию технологических газов осуществляют в камерах выдержки или на специальных установках, имеющих фильтры с активированным углем. При выдержке в камерах газов с высокой концентрацией водорода возможно образование взрывоопасной гремучей смеси. Для устранения этого газы разбавляют азотом, что, однако, увеличивает габариты камер. Сократить объем дезактивируемых газов можно за счет сжигания водорода.

Схема обработки и удаления газообразных отходов АЭС с реакторами типа ВВЭР и РБМК приведена на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 Ї Схема обработки и удаления газообразных продуктов на АЭС с реактором типа ВВЭР или РБМК: Г -- фильтр грубой очистки; А (И) -- аэрозольный (йодный) фильтр; РХС -- радиохроматографическая система очистки газов

На финской АЭС «Ловица» источники газообразных отходов подключены к циркуляционному газовому контуру. В контуре в специальном аппарате с платиновым катализатором дожигается радиолитический водород. Из циркуляционного контура газ поступает в систему газоочистки, которая состоит из трех параллельных взаимозаменяемых ниток. Одна нитка работает постоянно, другая принимает на себя газ эпизодически в процессе дренирования первого контура, когда наблюдается повышенное газовыделение, третья нитка - резервная.

В системе газоочистки третьего и четвертого блоков Нововоронежской АЭС и первой очереди Кольской АЭС (Рис. 4.2) рабочий объем адсорбера 20 м³. Время прохождения хроматографического фронта инертных газов через адсорбер в нормальном режиме составляет 42 сут. для ксенона и 3,6 сут. для криптона. Рабочий объем адсорбера в системе газоочистки АЭС "Ловица" 40 м³, а время прохождения хроматографического фронта криптона 10 сут, что с избытком обеспечивает заданный коэффициент очистки. Вместимость адсорбера по йоду и его соединениям очень велика. Поэтому система практически полностью адсорбирует радиоактивный ¹³¹I

Рисунок 4.2 Ї Принципиальная схема радиохроматографической газовой системы ВВЭР-440: 1, 4 - теплообменник; 2 - влагоохладитель; 3 - цеолитовые адсорберы; 5 - угольные адсорберы; 6 - газодувка: 7 - вентиляционная труба

Узел очистки состоит из теплообменника 6, где газ охлаждается до минимально возможной по условиям эксплуатации температуры, самоочищающегося аэрозольного фильтра 7, где газ освобождается от капельной влаги, и двух цеолитовых колонн 4, предназначенных для глубокой осушки газа. Аэрозольный фильтр работает непрерывно в режиме самоочистки. Цеолитовые колонны включаются поочередно. Когда в одной колонне происходит осушка газа, другая регенерируется или находится в резерве. Переключение цеолитовых колонн выполняется по сигналу влагометра. Остаточное влагосодержание осушенного газа не превышает 0,1 г/м³. Регенерация цеолитовых колонн осуществляется нагретым атмосферным воздухом. Для этого в системе предусмотрен электронагреватель 5, вход которого оборудован аэрозольным фильтром.

Во время регенерации нагретый воздух подается в колонну в направлении, противоположном рабочему ходу газа в режиме сушки. Регенерация заканчивается после того, как температура воздуха на выходе цеолитовой колонны достигает заданного значения.

Для осушки газа от влаги предусматривают три адсорбера, работающие в следующем режиме: один работает, второй регенерируется, третий - в резерве. Момент отключения адсорбера на регенерацию определяется по показаниям прибора, измеряющего влажность газа на выходе из адсорбера. Регенерацию адсорбера осуществляют продувкой через адсорбер атмосферного воздуха, нагретого до температуры 620-650К, и заканчивают, если температура цеолита достигает 573К. Время регенерации при указанной температуре равно 2-3 часа.

При относительно простой технологии осушки газовых смесей цеолитовыми абсорберами и небольших капитальных затратах на её осуществление адсорбционный способ имеет ряд существенных недостатков. Так, например, в процессе эксплуатации гранулы цеолита измельчаются, уменьшается их влагоёмкость. Это требует замены цеолита. Кроме того, на цеолите сорбируются твёрдые продукты распада РБГ, что приводит к росту полей г-излучения от оборудования. Цеолит необходимо охлаждать в режиме осушки и после регенерации. В технологии осушки газовой смеси имеются высокотемпературные (до 570К) режимы без использования тепла регенерации.

Первые два недостатка приводят к увеличению твёрдых радиоактивных отходов на АЭС и ухудшению условий обслуживания и ремонта указанного оборудования. Размельчение цеолита требует включения в схему противопыльных фильтров. Цеолитовый узел осушки и узел адсорбции РБГ углем работают в противоположных температурных режимах. Процесс адсорбции газа углем требует понижения температуры, процесс осушки газовой смеси цеолитом сопровождается выделением тепла. Необходимость периодического разогрева цеолита до 570К для регенерации и последующего охлаждения в режиме осушки газовой смеси существенно усложняет схему узла осушки.

Чтобы в газодувку 2 не поступали горячий воздух и радиоактивный йод, линия регенерации оборудована теплообменником 8 и йодным фильтром-адсорбером 9. Влагоотделитель теплообменников 6, 8 и самоочищающегося фильтра 7 имеют дренажи для слива конденсата. Чтобы газ не перетекал по дренажному трубопроводу от одного аппарата в другой, в дренажных линиях предусмотрены индивидуальные гидрозатворы. Система газоочистки АЭС призвана не только осушать газы и удалять радионуклиды, но и избавляться от взрывоопасных газов (например, водорода), превращая их в безобидные вещества (например, в воду). Водород сжигают на катализаторах в контактных аппаратах. Наиболее важной и трудной технической задачей, решаемой при конструировании контактного аппарата, является обеспечение заданной температуры в зоне реакции. Это обусловлено тем, что теплопроводность зернённого слоя катализатора мала, и поэтому всегда тепловыделение по длине слоя неравномерно. В большинстве промышленных контактных аппаратов химической промышленности для поддержания определённой температуры в нём тепло отводят из зоны реакции.

Конструкционно контактный аппарат выполняют в виде теплообменника с катализатором в трубах и теплоносителем в межтрубном пространстве. Преимущество такой конструкции контактного аппарата - хорошие условия для отвода тепла от катализатора. При небольших диаметрах труб с катализатором и достаточно высокой скорости газового потока в них создаются необходимые условия для передачи тепла реакции к стенке и, следовательно, его отвод теплоносителем.

На ВВЭР-440 очистка газов от водорода производится на узле сжигания водорода (УСГС, Рис. 4.3). На контактный аппарат поступает газовая смесь, где основным компонентом является азот, а содержание воды незначительно.

Поэтому в некоторых режимах для сжигания водорода подаётся кислород, дозируемый автоматически в зависимости от количества поступающего водорода. Допускается режим с повышенным расходом кислорода. В этом случае дополнительно подаётся водород. Особенность схемы этой установки в том, что по замкнутому технологическому контуру (газодувка - электронагреватель - контактный аппарат - холодильник газа - газодувка) циркулирует азот с расходом 200 м3/ч. Избыток азота после сжигания водорода направляют на угольные адсорберы.

Рисунок 4.3 Ї Установка сжигания водорода АЭС ВВЭР-440: 1 - деаэратор, 2 - конденсатор выпара, 3 - холодильник газа; 4 - буферная ёмкость; 5 - газодувка; 6 - электронагреватель; 7 - контактный аппарат, 8 - бак протечек первого контура.

В качестве катализатора используют шариковый платиновый катализатор ШПК-2, в последнее время больше применяют катализатор марки ОПК-2, содержащий меньше хлора. Контактный аппарат в этой установке имеет электронагреватель, который постоянно поддерживает аппарат в горячем состоянии на резервной нитке. Установка сжигания водорода для АЭС с ВВЭР-440 наиболее отработана, режимы её полностью автоматизированы. Концентрация водорода снижается с 2,5% объемных на входе в контактный аппарат до 0,02% после него.

4.2 АЭС с реакторами РБМК

Объем отводимых от технологического оборудования газов для реакторов типа РБМК составляет 300 - 350 м³/ч - во много раз больше, чем для реактора ВВЭР. На АЭС с реакторами кипящего типа (одноконтурными) время пребывания большой части радиоактивных газообразных продуктов деления (около 95%) в теплоносителе не превышает нескольких десятков секунд (не более 30 с). Вместе с продуктами радиолиза воды они в виде парогазовой смеси выбрасываются из конденсатора турбин и направляются в систему спецгазоочистки или газгольдер выдержки. В схеме установки для очистки сбросных газов кипящего реактора типа РБМК (Рис. 4.4) использован конденсационный способ очистки газа. Он более экономичен, что для кипящих реакторов важно ввиду значительного объема отходящих радиоактивных газов. Сначала влагу конденсирует в пароэжектором холодильнике до точки росы, близкой к температуре 273К, а затем вымораживают в газоохладителе. Источником холода служит одноступенчатая фреоновая холодильная машина. Сухой и охлажденный газ подают в угольные адсорберы, причем сначала в головной адсорбер с малым объемом угля. Назначение головного адсорбера - предотвратить попадание влаги и радиоактивных аэрозолей в основной адсорбер.

Рисунок 4.4 Ї Принципиальная схема РХГС РБМК

1 - холодильная машина; 2 - теплообменник; 4 - регенеративный газоохладитель; 5 - вымораживатель влаги; 6 - фильтр для улавливания аэрозольного снега; 7 - угольные адсорберы; 8 - фильтр; 9 - турбохолодильная машина; 10 - газодувка

В составе системы очистки газобразных отходов АЭС угольная колонна может быть использована в режиме до проскока, рециркулярном режиме и в режиме "вечной" колонны.

Режим работы до проскока. Наиболее высокая степень очистки газа от удаляемого компонента может быть достигнута, если использовать попеременно работающие колонны. Одна находится в работе, другая - регенерируется. Цикл регенерации должен быть короче рабочего, либо в работу включают резервную колонну. В рабочем цикле колонна работает до

момента появления компонента в регистрируемом приборами количестве или концентрации.

На АЭС режим работы угольных фильтров до проскока используют в двух случаях. При очистке газообразных, технологических отходов для достижения максимальной очистки газов, сбрасываемых в атмосферу, например, на кипящих реакторах и реакторах с водой под давлением. В быстрых реакторах газообразных отходов из первого контура практически нет или они чрезвычайно малы.

Но необходимость в очистке газовой подушки реактора есть. Ее очищают либо периодически, перед остановом на планово-предупредительный ремонт, либо непрерывно. При периодической очистке также используется режим работы адсорберов до проскока, но с возвратом очищаемого газа в газовую систему реактора.

Режим "вечной" работы колонны. В этом режиме используют то обстоятельство, что многие радионуклиды криптона и ксенона имеют достаточно короткие периоды полураспада в сравнении с временем движения вещества по колонне. Каждый нуклид распадается за некоторое среднее время движения по колонне до уровня, зависящего от его постоянной распада. Можно показать, что эффективность угольной колонны: коэффициент очистки от радиоактивных газообразных продуктов, объем угля в адсорберах в рассматриваемом режиме определяются равновесным коэффициентом адсорбции. Осушка газов на реакторе РБМК представляет собой более сложную задачу, чем на реакторе ВВЭР. Для АЭС с кипящим реактором с большим расходом технологических сдувок (до 500 м³/г) и значительной влажностью газа (20 - 30 г/м³) применение осушки газа при помощи цеолитовых адсорберов технически нецелесообразно и экономически не выгодно

Осушку газовой смеси можно проводить за сёт конденсации влаги при охлаждении. При положительной температуре процесса сконденсированная влага удаляется постоянно, а при отрицательной температуре вымороженная влага осаждается в виде инея на охлаждающей поверхности. Удаляют иней с охлаждающей поверхности, оттаивая его при помощи горячего воздуха, подаваемого вгазоохладитель. Количество отложившейся влаги в виде инея на охлаждающей поверхности ограничено, поэтому чем больше газ осушается при положительной температуре, тем меньше нагрузка на вымораживатель, тем благоприятнее происходит процесс вымораживания влаги.

Технической водой из оборотного водоснабжения можно охладить газ до температуры 305-313К и осушить его таким образом до влажности 35-40 г/м³. Охлаждение до температуры 285К проводят при помощи фреоновой

холодильной машины. Предварительную осушку технологических газовых сдувок АЭС необходимо проводить, снижая их температуру до 273К. Для улавливания частиц инея при охлаждении ниже 223К необходимо устанавливать фильтры внутри вымораживателя. Следует учитывать, что в вымораживателе одновременно с выведением из газового потока влаги происходит его очистка от твёрдых продуктов распада РБГ, и нелетучих форм йода. При оттаивании они переходят в конденсат.

Для обеспечения перепада температур 3-5К между температурой газа и температурой стенки в воздухоохладителе по всей охлаждающей поверхности наиболее экономична регенеративная схема вымораживания. В этом случае расход энергии в 8-10 раз меньше, чем при выпуске охлаждающего газа наружу. При большом содержании паров воды (более 5 г/м3) в газовом потоке часть холода расходуется на конденсацию пара, поэтому необходим дополнительный источник холода. В технологических схемах между холодильником-вымораживателем и регенеративным газохладителем устанавливают угольные адсорберы, которые дополнительно охлаждают хладагентом от того же источника холода.

На РБМК вымораживание влаги и охлаждение угольных адсорберов осуществляют с помощью холодного воздуха. Охлаждение воздуха в УПАК

осуществляют воздушной турбохолодильной машиной.

Сжигание водорода на РБМК (Рис. 4.5) проводится на контактных аппаратах ёмкостного типа, обладающих низким динамическим сопротивлением. Парогазовая смесь, состоящая из рабочего пара соплового аппарата 3-ей ступени основного эжектора турбины, воздуха, присасываемого в конденсатор турбины, и продуктов радиолиза воды в реакторе (водород, кислород), поступает в электронагреватели 2. Для поддержания взрывобезопасной концентрации водорода в парогазовую смесь перед электронагревателем подаётся пар. В электронагревателе эта парогазовая смесь нагревается до температуры 413К и поступает в контактный аппарат. В постоянной работе используют один аппарат, другой находится в резерве. Из контактного аппарата парогазовая смесь с температурой 620К поступает в барботажную колонку, где при проходе пара через слой конденсата конденсируется основная доля пара. Охлаждение неконденсируемых газов с 373 до 313К осуществляется в теплообменнике 4. Слив конденсата с конденсаторов и теплообменника производят через гидрозатвор в конденсатор турбины. На этой установке сжигается до 50 м3/ч водорода. После контактного аппарата концентрация водорода не превышает 0,03% объёма.

Конструкционно, контактный аппарат представляет собой сосуд с эллиптическими днищами. Для уменьшения температурных напряжений, связанных с резким приростом температуры в небольшом по высоте слое катализатора, последний размещают внутри специальной корзины. Между корзиной и корпусом контактного аппарата имеется зазор.

Рисунок 4.5 Ї Установка сжигания водорода АЭС РБМК: 1 - конденсатор; 2 - электронагреватель; 3 - контактный аппарат; 4 - теплообменник; 5, 6 - гидрозатвор; 7 - барботажная колонка.

Регулирование температуры осуществляют изменением концентрации водорода паром, подаваемым перед электронагревателем. Температура в контактном аппарате возрастает за счёт тепловыделения при сгорании водорода. При адиабатическом сгорании 1% (объёмного) водорода температура парогазовой смеси возрастает на 70К. поэтому с учётом допустимой температуры катализатора ОПК-2, равной 670К, содержание водорода в парогазовой смеси должно быть не более 3%.

4.3 АЭС с быстрыми реакторами

Рециркуляционный режим. Примером использования режима рециркуляции газа в замкнутой газовой системе, включающей угольный фильтр и очищаемую газовую полость, являются реакторы на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем. Защитный газ реактора на быстрых нейтронах заключен в сложные геометрические объемы, содержащие различные конструкционные элементы. При высокой удельной активности даже незначительные неорганизованные протечки защитного газа могут привести к повышению газовой активности в смежных помещениях или в вентсистеме. Приходится непрерывно очищать газ.

Первоначально, после длительного останова системы или при ее пуске, осуществляется режим работы до проскока. Затем в газовую полость будет поступать газ с пониженной переменной концентрацией радионуклидов. За время удержания ф происходит спад активности газа, а после проскока радионуклидов через уголь спустя время ф Ї рост активности. Это приводит к формированию второго фронта или пика активности в угольном адсорбере, проскок которого наступает через время 2ф после включения установки.

Принципиальная схема УПАК-II быстрого реактора ВК-50 представлена на рис. 4.6.

Рисунок 4.6 Ї Принципиальная схема УПАК-II быстрого реактора ВК-50:

1 - конденсатор турбины; 2 - основной эжектор турбины; 3 - пусковой подогреватель; 4 - регенеративный подогреватель; 5 - контактный аппарат; 6 - конденсатор; 7 - одноступенчатый эжектор; 8 - пароэжекторный холодильник; 9 - вымораживатель; 10, 13 - холодильная машина; 11 - головной абсорбер; 12 - основные адсорберы; 14 - доохладитель газа, 15 - вентиляционная труба

Угольная колонна в режиме рециркуляции практически не уменьшает активность относительно короткоживущих радионуклидов (^85mKr, ⁸⁵Kr, ⁸⁷Kr, ^135mXe) из-за натечки их в газовую полость из натрия. В таком случае снижение активности ¹³³Хе имеет смысл проводить лишь до значения суммарной активности этих короткоживущих газообразных продуктов деления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным потенциальным источником загрязнения биосферы и облучения населения, проживающего вблизи АЭС, являются газоаэрозольные отходы, образуемые в процессе эксплуатации станции. Хотя газоаэрозольные выбросы станции не ведут к заметному загрязнению окружающей среды, сохраняют актуальность работы, направленные на дальнейшее их снижение. В перспективе следует не допустить не только облучения населения, проживающего вблизи АЭС, но и возрастания популяционной дозы. Проблема большой важности - обеспечение гарантий против аварийного загрязнения внешней среды. Решение ее существенно облегчит задачу размещения объектов ядерной энергетики вблизи крупных городов.

В настоящее время используются различные методы очистки газовых сдувок АЭС, такие как фильтрование, осаждение, однако создание безопасных и экономичных установок для обезвреживания радиоактивных технологических газов АЭС является задачей комплексной. Решать ее нужно не только за счет совершенствования таких установок, но и совершенствования и создания основного и вспомогательного оборудования АЭС, имеющих минимум технологических сдувок радиоактивных газов.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шведов В.П., Сидов В.М., под общей редакцией Морохова И.Д. Ядерная технология - М.: АТОМИЗДАТ - 1979 г.

2. Коростелев Д.П., Обработка радиоактивных вод и газов на АЭС - М.: АТОМИЗДАТ - 1988 г.

3. Бекман И.Н., Ядерная индустрия. Курс лекций - М.: Изд-во МГУ - 2005 г.

Размещено на Allbest.ru