Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ ОТХОДОВ АТОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Изобретение относится к области ядерной технологии, а именно к переработке жидких отходов атомных электростанций (АЭС), и может быть использовано при утилизации дебалансных вод АЭС.

В процессе работы АЭС образуются жидкие радиоактивные отходы (ЖРО), состоящие из трапных вод (организованные протечки основного и вспомогательного оборудования, вода санпропускников и саншлюзов, сливы лабораторий, сливы от мытья пола и дезактивации помещений), растворы от регенерации и отмывки ионообменных и угольных фильтров, вод намыва и регенерации намывных перлитных фильтров, вод гидротранспорта отработанных ионообменных смол и фильтр перлита, отработанных растворов от дезактивации и отмывки оборудования и трубопроводов, вод гидроиспытаний и опрессовки оборудования и трубопроводов, отработанных вод спецпрачечной. Образующиеся ЖРО направляют на переработку, которая состоит из выпаривания в выпарных аппаратах, деаэрирования конденсата в деаэраторах, очистки конденсата от масел на угольных и намывных перлитных фильтрах, дальнейшего глубокого обессоливания на ионообменных фильтрах (1, стр. 127; 2, стр. 135-168). Кубовый остаток выпарных аппаратов с солесодержанием 300-400 г/дм³ направляют на временное хранение и дальнейшую переработку, которая может заключаться в его битумировании, цементировании, остекловывании и получении солевого плава. Обессоленный конденсат, по качеству соответствующий подпиточной воде реактора, вновь используют для различных нужд АЭС: подпитки контуров ядерной энергетической установки, приготовления регенерационных и дезактивационных растворов, гидроиспытаний и опрессовки оборудования и трубопроводов, стирки спецодежды и других собственных технических нужд. Получаемый обессоленный конденсат имеет электропроводность не более 0,1 мкСм/см, значение pH 7,0, содержание солей жесткости не более 0,2 мкг-экв/кг, хлорид иона не более 4-50 мкг/кг (3, стр. 34; 4, стр. 192). Поскольку часть ЖРО образуется за счет попадания хозпитьевой и технической воды, то количество обессоленного конденсата превышает потребность для собственных нужд. Разницу между реально получаемым количеством обессоленного конденсата и потребностью для собственных нужд называют дебалансной водой.

Сброс жидких отходов в водоемы, в том числе моря и океаны практикуется во всем мире (5, стр. 66-74). При сбросе дебалансных вод в водоемы хозяйственного, рыбопромыслового, рыборазводного назначения и отдыха используется понятие "допустимый сброс", персонально определенный для каждой АЭС в технико-экономическом обосновании проекта. Территориальными природоохранными органами по согласованию с органами санитарно-эпидемиологического надзора утверждаются проектные значения выбросов и сбросов радиоактивных веществ и оформляется заключение и их соответствие дозовой квоте, которая может быть выделена для данной АЭС с учетом сложившейся радиационной обстановки и радиационного воздействия на регион планируемого размещения АЭС региональных и отдаленных радиационно-опасных предприятий. Причем в проекте и при эксплуатации АЭС дозы облучения критической группы населения не должны превышать 5% от установленного НРБ-76/87 (6, стр.9-10). При этом величина удельной радиоактивности в сбрасываемой воде может быть установлена значительно ниже величины ДК_б, регламентируемой Нормами радиационной безопасности (7). Такой подход совершенно справедлив, поскольку при попадании в водоемы происходит концентрирование радионуклидов:
- пена - 100-10000 раз;
- фитопланктон - 500-75000 раз;
- зеленые водоросли - 800-50000 раз;
- личинки насекомых - 100-100000 раз;
- рыба - 100-30000 раз;
(5, стр.61-65; 8, стр. 25-42). Таким образом, для снижения влияния радиационно опасных производств на население необходимо максимально снижать производимые сбросы. При продолжительной эксплуатации АЭС в результате физического износа оборудования возрастает количество протечек технической воды, подсосов в конденсаторах, а соответственно и циклов регенераций ионообменных фильтров. В результате количество образовавшейся дебалансной воды может превысить проектное значение, а поступление радионуклидов в гидросферу может превысить величину допустимого сброса. Практика показывает, что количество дебалансных вод снизить практически невозможно, и, как правило, они возрастают с увеличением возраста АЭС и степенью износа оборудования.

Наиболее близким по заявляемой сущности аналогом является утилизация жидких отходов атомных электростанций путем выпаривания, охлаждения конденсата вторичного пара, очистки и дальнейшего обессоливания его на фильтрах, с последующим направлением обессоленного конденсата на нужды АЭС и сбросом дебалансной воды в водоемы. (5, стр.201-204).

Недостатком ближайшего аналога является выход всех содержащихся в дебалансной воде радионуклидов в окружающую среду, а также бесполезная потеря обессоленного конденсата.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение степени очистки путем уменьшения выхода радионуклидов в окружающую среду и полезного использования дебалансной АЭС.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе очистки жидких радиоактивных отходов атомных электростанций, включающем выпаривание жидких радиоактивных отходов АЭС в выпарных аппаратах, охлаждение конденсата вторичного пера, очистку и обессоливание его на фильтрах, предложено концентрировать часть обессоленного конденсата - дебалансную воду, многократно пропуская его через испарительную градирню и теплообменный аппарат, и удалять радионуклиды в системе байпасной очистки. В качестве теплообменного аппарата предложено использовать конденсаторы вторичного пара и холодильники штатной установки переработки жидких радиоактивных отходов, а в качестве системы байпасной очистки - штатную систему переработки жидких радиоактивных отходов. При определенных условиях может быть применена система байпасной очистки, состоящая из комплекса механических, сорбционных и ионообменных фильтров.

Новизна способа заключается в том, что при охлаждении воды в градирне часть ее испаряется и переходит в атмосферу без кипения, и при этом не происходит испарения радионуклидов, так как они находятся в виде растворенных в воде солей. Это приводит к увеличению концентрации радионуклидов в оборотной воде до величин, при которых становится возможным отбирать часть оборотной воды на байпасную очистку и улавливать часть радионуклидов с организацией эффективного радиометрического контроля за процессом. При этом радионуклиды выводятся из оборотной воды и в составе кубового остатка выпарных аппаратов или регенератов ионообменных фильтров направляются на дальнейшую переработку совместно с другими ЖРО АЭС. Для реализации способа на АЭС организуют локальную систему оборотного водоохлаждения, включающую в себя: требующий подачи охлаждающей воды теплообменный аппарат, градирню и систему байпасной очистки оборотной воды. В качестве требующего подачи охлаждающей воды теплообменного аппарата целесообразно использовать конденсаторы вторичного пара и холодильники перерабатывающих ЖРО АЭС штатных выпарных установок. Выпарные установки выбраны с учетом годового количества образующихся дебалансных вод, а именно, потребление греющего пара в выпарном аппарате должно приблизительно соответствовать величине испаряющейся воды в градирне. В качестве градирни необходимо использовать только испарительные градирни, каплеунос в которых не превышает 0,1-0,01%. К таковым можно отнести современные пленочные или эжекторные испарительные градирни, снабженные эффективными водоуловителями (9, стр. 81). Байпасная очистка может осуществляться на последовательно включенных: механическом фильтре, сорбционном фильтре, ионообменных фильтрах или фильтрах с селективным сорбентом на радионуклиды цезия, например, на основе ферроцианидов никеля, железа, меди, на основе термоксидов циркония или каких-либо других высокоэффективных цеолитов. Также в качестве системы байпасной очистки можно использовать штатную систему переработки ЖРО, при этом часть охлаждающей оборотной воды надо направлять на выпаривание совместно с ЖРО. При реализации данного способа ограничивается сброс дебалансной воды в гидросферу, снижается выход радионуклидов в окружающую среду, который в данном случае обуславливается лишь каплеуносом в градирне. В системе байпасной очистки улавливаются, выводятся из оборота и направляются на переработку радионуклиды, находит полезное применение обессоленный конденсат, который не вызывает коррозии охлаждаемого оборудования. Использование градирен в технике известно, например, для создания систем оборотного водоохлаждения, предназначенных для экономии охлаждающей технической воды (9, 10). Здесь испарение влаги и концентрирование примесей в оборотной воде играет отрицательную роль, и принимаются, меры направленные на их устранение. Так используют радиаторные градирни и аппараты воздушного охлаждения, в которых отсутствует процесс испарения оборотной воды, а в системах с испарительными градирнями для уменьшения солесодержания производят периодическое обновление (продувку) оборотной воды со сбросом ее в водные бассейны или использованием для технических нужд, после которых она также попадает в окружающую среду (9, стр.83; 10, стр. 114, 164, 183). В предлагаемом способе нельзя использовать брызгальные бассейны, открытые, башенные и вентиляторные градирни с капельными или брызгальными оросителями, охладители, каплеунос в которых может достигать 2-3%. Можно использовать испарительные пленочные или эжекционные испарительные градирни, снабженные эффективными водоуловителями, каплеунос в которых не превышает 0,1-0,01%. Испарение влаги и концентрирование радионуклидов в предлагаемом способе играет положительную роль, так как только при увеличении концентрации радионуклидов может эффективно работать система байпасной очистки и появляется возможность контролировать процесс очистки. Здесь градирня выступает в новом для нее качестве, в качестве испарителя и сепаратора пара условного выпарного аппарата.

Охлаждаемый оборотной водой теплообменный аппарат в данном сравнении является вынесенной греющей камерой условного выпарного аппарата. Он определяет производительность системы по количеству утилизируемых жидких отходов АЭС (дебалансной воды) и имеет возможность изменять тепловую нагрузку в соответствии с потребностью в данный момент, т.к. количество дебалансной воды не постоянно во времени и может меняться в зависимости от времени года, проводимых плановых ремонтов и наличия аварийных ситуаций. Использование, в качестве требующего подачи охлаждающей воды теплообменного аппарата, конденсаторов и холодильников выпарных аппаратов системы переработки ЖРО предпочтительно, поскольку легко позволяет изменять тепловую нагрузку путем уменьшения или увеличения расхода греющего пара в выпарном аппарате. В отличие от используемой в технике продувки оборотной воды, в системе охлаждения с градирней предлагается использовать систему байпасной очистки оборотной воды от радионуклидов. Это становится возможным из-за очень низкого содержания солей в очищенном конденсате, благодаря чему до минимума снижается поступление нерадиоактивных балластных солей в ЖРО.

Примеры конкретного выполнения 1 и 2 можно проследить по фиг. 1 и 2.

ЖРО АЭС (поз.1) подают в выпарные аппараты на выпаривание (поз.2). При этом процессе образуются: кубовый остаток (поз.9), который далее направляют на хранение и переработку (поз. 10), и конденсат вторичного пара в конденсаторе выпарного аппарата (поз.3). Для отвода выделяющегося при конденсации пара тепла в трубное пространство конденсатора подают холодную техническую воду (поз. 11), а выходит из конденсатора теплая техническая вода (поз.12). Конденсат вторичного пара затем охлаждают в холодильнике (поз.4), куда для удаления тепла подают холодную техническую воду (поз.11), а удаляют теплую техническую воду (поз. 12). Охлажденный конденсат подают в систему (поз.5) механических, сорбционных, ионообменных фильтров и др. для удаления масел, поверхностно-активных веществ и солей. Полученный обессоленный конденсат направляют на нужды АЭС, что составляет 70-90% от его общего количества (поз.8), а 10-30% от его общего количества составляет дебалансная вода (поз. 7). Поскольку дебалансная вода теплая, ее подают на подпитку в пленочную испарительную градирню, где она охлаждается (поз.13) и смешивается с общим потоком охлажденной воды. Охлажденную в градирне воду (поз.15) подают для отвода тепла из части конденсаторов и холодильников (поз.3 и 4), которые должны быть отключены от подачи технической воды. Отводимую из них нагретую воду (поз.15) направляют на охлаждение в градирню (поз.13). При многократной циркуляции воды по контуру и ее испарении: градирня (поз.13) - охлажденная вода (поз. 14) - теплообменные аппараты, требующие подачи охлаждающей воды (поз. 3 и 4) - нагретая вода (поз.15) - градирня (поз.13), происходит концентрирование радионуклидов и создаются условия для их улавливания и удаления. В примере конкретного выполнения 1 (фиг.1), где в качестве системы байпасной очистки используют имеющуюся на АЭС систему переработки ЖРО, часть циркулирующей воды отбирают, смешивают с другими ЖРО АЭС (поз.1) и в общем потоке направляют на выпаривание (поз.2). При этом процессе количество дебалансной воды (поз.7) возрастает на величину отобранной на байпасную очистку воды. В примере конкретного выполнения 2 (фиг.2), где в качестве системы байпасной очистки используют механические, сорбционные и ионообменные фильтры, часть охлажденной воды (поз.14) направляют на фильтры (поз.16) и после очистки смешивают с потоком нагретой воды (поз.15). Удаление радионуклидов происходит периодически с регенератами, промывными водами и водой взрыхления в момент восстановления работоспособности фильтров или же совместно с отработанными фильтрматериалами.

Эффективность функционирования системы утилизации дебалансных вод можно оценить на примере Ленинградской АЭС, учитывая следующие конкретные данные:
- удельная радиоактивность очищенного конденсата составляет А_д=5·10^-11 Ku/дм³;
- количество дебалансной воды 80000 м³/год;
- необходимая производительность системы утилизации жидких отходов (дебалансной воды) G_д = 10 м³/ч;
- качество воды после байпасной очистки соответствует качеству очищенного конденсата;
- расход на байпасную очистку G_б м³/ч;
- удельная радиоактивность оборотной воды A_об Ku/дм³;
- производительность по оборотной воде G_об = 1000 м³/ч;
- потери оборотной воды с каплеуносом, G_унос = 0,01-0,1% от производительности по оборотной воде 1000 м³/ч·G_унос/ 100% = 0,1-1 м³/ч;
Эффективность работы предлагаемого способа можно оценить по отношению количества выводимой из системы радиоактивности к величине радиоактивности поступающей на переработку:
Эф.%=G_б(А_об-А_д)·100% / А_д(G_д+G_б);
Величину А_об можно найти из уравнения баланса радиоактивности:
5·10^-11 Ku/дм³·1000 дм³/м³·(10 м³/ч+G_б)=А_обKu/дм³·1000дм³/м³ (G_унос+G_б)
Результаты расчетов приведены в таблице 1.

Уже с расхода на байпасную очистку 2% от производительности системы утилизации жидких отходов (поз.2) можно говорить о заметной эффективности работы предлагаемого способа, здесь удаляется 15-60% радиоактивности. При дальнейшем увеличении расхода на байпасную очистку 5, 10, 20, 50, 100% (поз. 3, 4, 5, 6 и 7) эффективность работы возрастает до 98%. Это означает, что такое количество радионуклидов по отношению к исходному улавливается в системе переработки и не попадает в окружающую среду, дебалансная вода не сбрасывается в гидросферу региона, а полезно используется для охлаждения действующего оборудования. Расход на байпасную очистку менее 2% нельзя применять из-за низкой эффективности системы, а более 100% нецелесообразно из-за достаточности получаемого эффекта.

Предлагаемый способ может быть осуществлен с использованием выпускаемого отечественной промышленностью оборудования. Он позволяет повысить степень очистки и предотвратить выход в окружающую среду значительной части радионуклидов, что способствует улучшению экологической ситуации в районе расположения АЭС. Достигается экономический эффект за счет уменьшения выхода из строя теплообменного оборудования, обусловленного снижением коррозии при охлаждении его обессоленным конденсатом.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ядерная энергетика, человек и окружающая среда / Бабаев Н.С., Демин В. Ф. , Ильин Л.А. и др.; под. ред. акад. Александрова А.П., М., Энергоатомиздат, 1984, 312 с.

2. А. С. Копылов, Е.И.Верховский. Спецводоочистка на атомных электростанциях: М.: Высшая школа, 1988. - 208 с.

3. Очистка вод атомных электростанций / Кульский Л.А., Страхов Э.Б., Волошинова А.М. и др., Киев, Наукова думка, 1979, 209 с.

4. Атомные электрические станции. Учебник для вузов по специальности "Атомные станции и установки" / Маргулова Т.Х., М., "Высшая школа", 1974, 359 с.

5. Очистка радиоактивно-загрязненных вод лабораторий и исследовательских ядерных реакторов. Изд. 3-е, переработанное и дополненное/ Хоникевич А.А. Атомиздат, 1974, 312 с.

6. Правила и нормы в атомной энергетике. Санитарные правила проектирования и эксплуатации атомных станций (СП-АС-88/93)/2-е издание, исправленное и дополненное, 1993, 85 с.

7. Нормы радиационной безопасности. НРБ 76/87. Приложение 2.

8. Основы очистки вод от радиоактивных загрязнений / Кузнецов Ю.В., Щебетковский В. Н. , Трусов А.Г., под ред.чл.-кор. АН СССР В.М.Вдовенко, изд. 2-е, перер. и доп., М., Атомиздат, 1974, 360 с.

9. Беличенко Ю.П. Замкнутые системы водообеспечения химических производств. М.: Химия, 1990, 208 с.

10. Шабалин А.Ф. Оборотное водоснабжение промышленных предприятий. М., Стройиздат, 1972, 296 с.