Снижение активности ИРГ
От ИРГ очищаются в первую очередь технологические сдувки. Очистка от них вентиляционного воздуха нецелесообразна из-за малой их концентрации.
Для снижения активности ИРГ в выбросе АЭС применяют проточные камеры выдержки (КВ), газгольдеры (ресиверы) и радио- хроматографические системы, а также сочетание их. Принцип во всех случаях используется одинаковый - задержка выбрасываемых в трубу ГРО в течение некоторого времени, за которое часть радионуклидов ИРГ распадется и их активность в газовом потоке снизится. Естественно, что чем больше время задержки, тем меньше активность ИРГ после задерживающего устройства, на входе в вентиляционную трубу.
Первый из указанных выше способов - проточные камеры выдержки - прост в технологическом оформлении и довольно часто используется на АЭС, но так как с газами в камеру поступает водород, что может привести к образованию в нем гремучей смеси и взрыву, то газ предварительно очищают от водорода путем сжигания его в специальных устройствах. Недостатки этого способа - необходимость делать камеру весьма большого объема. Такой способ очистки применен, например, на АЭС РБМК, где КВ сделаны в виде герметичных сооружений с лабиринтом для движения газа. Недостаток ресиверов, где газ хранится под давлением, - возможность утечки газа.
Метод сорбции газов активированным углем осуществляется по двум схемам: либо с применением устройства для очистки газа от водорода, либо с разбавлением очищаемого газа азотом для снижения в нем концентрации водорода. Очистку газов от аэрозолей осуществляют с помощью специальных аэрозольных фильтров.
Рассмотрим последовательно все эти способы. Проточная камера выдержки
Простейшее, но достаточно эффективное устройство для снижения активности ИРГ - проточная камера выдержки (КВ). Она представляет собой герметичную конструкцию объемом 2000-3000 м3, внутри которой для газового потока организован лабиринт. Такая камера была единственным очистным устройством в системе выброса эжекторных газов на первых блоках с реакторами РБМК.
Как уже отмечалось, на АЭС с РБМК два основных источника ИРГ - эжекторные газы, содержащие нуклиды Kr и Xe, и сдувки газового контура, в составе которых 41Ar. Поэтому на этих АЭС делались две камеры выдержки: одна для эжекторных газов, другая - для сдувок газового контура.
Например, на Курской АЭС [37] камеры выдержки 1-го и 2-го блоков размещены в отдельном здании (рис. 5.2) с толщиной стен, выполненных из железобетона, 700 мм, что обеспечивает биологическую защиту. Камеры 1-го блока расположены на отметке 0,0; 2-го - над ними на отметке +4,8. Показанная на рис. 5.2 камера 6-2 объемом 1870 м3 предназначена для выдержки эжекторных газов,
КВ разделены на отсеки, образующие лабиринт, за счет чего формируется направленный поток газа и сокращается возможность его перемешивания. По внутренней поверхности они облицованы стальным листом. Проходки трубопроводов герметизированы.
Из-за большого объема и наличия лабиринта очищаемый газ появляется на выходе из камеры выдержки с задержкой на время тзад, которое в первом приближении можно оценить как
Эффективность работы КВ иллюстрирует табл. 5.5.
Газ из КВ отсасывается технологической вентиляцией, работающей постоянно. За счет этого в КВ поддерживается разрежение -30...-80 мм вод. ст. При продувках давление кратковременно возрастает до +150.200 мм вод. ст.
В связи с тем, что в основном режиме камера, связанная с газовым контуром, работает с расходом не более 30 м3/ч, на Курской АЭС КВ были объединены, и эжекторные газы по перемычке направлены параллельно и в КВ газового контура. Более выгодной является последовательная схема соединения камер, но ее реализация потребовала бы существенных капитальных затрат. Однако и такое изменение схемы дало положительный эффект. Указанный в табл. 5.5 среднегодовой коэффициент снижения активности (11,75) относится к объединенной схеме, до объединения он составлял 2,4.
Состав и удельная активность эжекторных газов до и после КВ первого блока КуАЭСНук
Большое внимание уделяется содержанию водорода в КВ, поскольку в отечественной практике были взрывы, полностью разрушавшие КВ (ЛАЭС) [18]. Поэтому перед сбросом в КВ эжекторные газы проходят через устройство сжигания водорода (на катализаторе). Ведется также постоянный контроль за концентрацией водорода. Допускаемое объемное содержание Н2 - 0,4 %. При превышении его на БЩУ подается сигнал. В этом случае проводится продувка КВ. В [37] отмечается, что такие случаи происходят крайне редко.
«Дочерними» и «внучатыми» радионуклидами ИРГ являются короткоживущие нуклиды рубидия и цезия, поэтому при прохождении газового потока через камеру выдержки в ней образуются
Ресиверы для выдержки газовых сдувок для выдержки газовых сдувок
Другой упоминавшийся выше способ снижения активности ИРГ - выдержка их в специальных ресиверах (газгольдерах). Они используются для хранения и выдержки высокоактивных газов, сбрасываемых из 1-го контура при подготовке к ремонту или перегрузке. В [22] приведен один из возможных вариантов схемы включения таких ресиверов для реактора с водным теплоносителем (рис. 5.3). Газы из, например, надводного пространства баков «грязного» конденсата по линии 1 поступают в газоохладители 2, где конденсируется водяной пар, вынесенный вместе с газами. Радиоактивный конденсат направляется на спецводоочистку (линия 3), а газы проходят аэрозольные фильтры 4 и компрессором 5 закачиваются в один из ресиверов 6. После выдержки газы через аэрозольные фильтры по линии 7 сбрасываются в вентиляционную трубу. Обычно один из ресиверов заполнен и радионуклиды в нем распадаются, а сдувки в это время направляются в другой ресивер. Время выдержки определяется по распаду 133Хе.
Схемы, используемые в реальных установках, могут отличаться от описанной. Ниже на рис. 5.8 показана система очистки газовых сдувок, использовавшаяся на первых блоках НВАЭС. В ней предусмотрено два газгольдера объемом по 100 м3, рассчитанные на давление 0,7 МПа. Они размещались непосредственно у основания вентиляционной трубы. В схемах современных АЭС с ВВЭР описанные ресиверы (газгольдеры) не используются.
Однако очень похожая система применяется на блоках с реакторами БН. Отличия ее от описанной выше (см. рис. 5.3) в том, что в случае БН нет необходимости в устройствах для осушки и очистки подаваемого в ресиверы газа.
В технологической схеме энергоблока БН-600 предусмотрена система выдержки активного газа (СВАГ). Она предназначена для сбора активного аргона из газовых полостей оборудования 1-го контура при его замене (перед ремонтом или перегрузкой), выдержки активного аргона с целью снижения его активности и обеспечения повторного использования выдержанного аргона.
В состав СВАГ входят:
• два ресивера для хранения и выдержки аргона емкостью по 4 м3, рабочее давление - 1,25 МПа;
• два компрессора «грязного» аргона, предназначенные для закачки его в ресиверы (производительность - 20 м3/ч, давление на напоре - 1,25 МПа);
• фильтр аэрозольный с пропускной способностью до 11 м3/ч, расположенный на линии сброса выдержанного аргона в вентиляцию;
• ресивер на всасе компрессоров «грязного» аргона для сглаживания пульсаций давления.
Оборудование и трубопроводы системы расположены в герметичных необслуживаемых и полуобслуживаемых боксах. Управление и контроль за работой СВАГ производятся дистанционно с БЩУ.
В процессе эксплуатации СВАГ может находиться в двух режимах:
• выдержки и хранения грязного газа;
• приема грязного газа из систем 1-го контура при замене газа на чистый.
В режиме выдержки система отсечена от систем 1-го контура арматурой, но имеется возможность отбора пробы газа для определения его активности. При снижении активности до предусмотренного уровня аргон из ресиверов может быть снова использован для подпитки газовых полостей 1-го контура либо сброшен через аэрозольный фильтр в вентиляционную трубу.
В режиме приема «грязного» газа включается один из компрессоров и осуществляется закачка газа в ресиверы выдержки. Сброс аргона из газовой подушки реактора в систему производится через ловушку паров натрия.
Радиохроматография
Радиохроматографический способ снижения активности ИРГ в выбросе АЭС использует процесс фронтальной хроматографии - непрерывной адсорбции ИРГ на поверхности твердого тела. По- видимому, целесообразно пояснить упомянутые в предыдущей фразе термины.
Адсорбция - уплотнение газа на поверхности твердого тела (сорбента). В радиохроматографической колонне (герметичной емкости, заполненной углем) происходит физическая (не сопровождающаяся какими-либо химическими превращениями) адсорбция ИРГ на активном угле. В процессе адсорбции молекулы газа осаждаются на поверхности твердого тела и удерживаются на ней физическими силами притяжения (силы Ван-дер-Ваальса). Процесс сопровождается выделением тепла. Существуют и способы химического удержания (так называемая хемосорбция), но в системах АЭС они не используются и ниже не рассматриваются.
Твердые вещества, пригодные для адсорбции, должны иметь высокую пористость, т.е. хорошо развитую поверхность с большой эффективной площадью. Свойства сорбента определяются именно характером пористости, размерами микропор. Считают, что в процессе адсорбции принимают участие не все поры, а только те, которые имеют размеры, близкие к размерам сорбируемых молекул газа. То есть разные молекулы сорбируются с разной эффективностью. Поэтому стремятся создавать материалы с такими поверхностными свойствами, которые были бы способны улавливать молекулы заданного типа (типов). Следует также оговориться, что процесс адсорбции сопровождается обратным процессом - десорбции, т.е. отрывом молекул с поверхности и уносом их потоком газа.
Для улавливания ИРГ эффективным сорбентом являются активированные угли, которые получают при пиролизе подходящих сортов каменного угля, торфа, дерева и некоторых других материалов. Например, хорошим исходным материалом для получения активированного угля оказалась скорлупа кокосовых орехов. Для получения активированного угля скорлупу обугливают при температуре 1150 °С и затем активируют путем обработки водяным паром. Из разных видов углей промышленного изготовления для отечественных АЭС экспериментально был выбран уголь марки СКТ-3 -торфяной уголь сернисто-калиевой активации, имеющий ультра- микропористую стуктуру.
Газовая хроматография - процесс разделения газовых смесей при пропускании их через твердое активное вещество с развитой поверхностью, сопровождающийся массообменом между этим веществом и газом. Сорбент размещается в специальной емкости - хроматографической колонне (или адсорбере, рис. 5.4). При прохождении потока газа через колонну молекулы некоторых газов (выбранных за счет подбора свойств сорбента) адсорбируются на поверхности последнего и на выходе из его слоя отсутствуют. По мере насыщения сорбента фронт концентраций сорбируемого газа сдвигается к выходу колонны. Когда он достигнет выхода колонны, и, соответственно, концентрации всех газов в смеси на выходе из колонны сравняются с концентрациями на входе, процесс разделения газовой смеси заканчивается. Колонна перестает работать на разделение газов.
Вход очищаемого газа
Но время прохождения каждой молекулой газа всего слоя сорбента с учетом процессов сорбции и десорбции достаточно велико. Это свойство и используется для снижения активности ГРО.
Мысленно разделим массу сорбента в колонне на более тонкие слои. Молекула, адсорбированная первым слоем, задерживается в нем какое-то время, затем отрывается (десорбирует) и переносится во второй или третий или какой-то следующий слой. В нем она снова сорбируется. Такой процесс повторяется неоднократно. В результате радиоактивные молекулы достигают выхода колонны с заметной задержкой по времени.
Если время движения фронта смеси ИРГ по колонне достаточно велико по сравнению с периодом полураспада нуклидов, по длине колонны со временем установится стационарное распределение активности каждого нуклида. И поскольку наша цель не удаление соответствующего радиоактивного нуклида, а создание условий для его возможно большего распада, то колонна может работать в этом режиме сколь угодно долго. Такую колонну называют «вечной», в том смысле, что на выходе ее устанавливается стабильный фронт разделяемой газовой смеси, в которой остались главным образом только долгоживущие радионуклиды.
Как пример, угольные колонны на Кольской АЭС имеют объем 20 м3 и работают при температуре +20 °С. Время прохождения хроматографического фронта через колонну составляет 42 сут для Xe и 3,5 сут для Кг. На АЭС «Ловиза» (Финляндия), где также установлены реакторы ВВЭР- 440, но объем колонны увеличен до 40 м3, соответствующие времена составляют 120 сут для Xe и 10 сут для Kr.
Необходимо обратить внимание на то, что примеси, содержащиеся в газе, поступающем в РХК, в том числе такие «обычные» для ВВЭР, как влага или аммиак, влияют на эффективность ее работы. При определенных концентрациях примесей в поступающем газе они не только конкурируют с ИРГ по сорбции на угле, но могут и «отравить» уголь, сделать его неспособным сорбировать ИРГ. Поэтому при использовании РХК в проекте всегда предусматривается предварительная очистка и осушка газа.
