Очистка теплоносителя на АЭС

Очистка водного теплоносителя
    Процесс очистки водного теплоносителя на АЭС можно разделить на два этапа:
    первый — приготовление химически обессоленной воды высокой чистоты для первичного заполнения контуров и для последующей их подпитки;
    второй — постоянная очистка теплоносителя, циркулирующего в контуре, а также вод бассейнов выдержки и перегрузки от различных примесей. Первый этап очистки проводят на так называемых установках химводоочистки (ХВО), а второй — на установках спецводоочистки (СВО) или конденсатоочистки (КО).     В ХВО (смотри рисунок 3) предусматриваются очистка исходной воды от механических примесей в механических фильтрах, удаление свободной кислоты в декарбонизаторах, а также ионная очистка в анионитовых и катионитовых фильтрах. В механическом фильтре, который заполняется, например, дробленым антрацитом, отделяются грубодисперсные загрязнения. Далее вода очищается в несколько приемов на ионообменных фильтрах.

Принципиальная схема химводоочистки

1—механический фильтр, 2—бак осветленной воды;
3—катионитовый фильтр I сту-пени;
4—декарбонизатор, 5—бак декарбонизированной воды,
6—катионитовый фильтр II ступени;
7—анионитовый фильтр I ступени,
8—катионитовый фильтр III ступени, 9—анионитовый фильтр II ступени

    Следует подчеркнуть, что ионообменная фильтрация в настоящее время — наиболее распространенный метод очистки водного теплоносителя. Он основан на способности некоторых материалов - ионитов, которые сами в воде практически не растворяются, изменять в нужном направлении ионный состав воды. В результате обмена ионами между водой и твердым веществом с ионной связью (ионитом) содержащиеся в воде ионы удерживаются ионитом, который отдает в воду эквивалентное количество ионов того же знака. Для очистки водного теплоносителя ядерных энергетических установок применяют ионообменные материалы, являющиеся сополимерами стирола и дивинилбензола, которые обладают сетчатой структурой — матрицей, содержащей фиксированные ионы. Подвижные противоионы уравновешивают заряд фиксированных ионов и способны к обмену. Различают иониты, способные обмениваться катионами, — катиониты и анионами — аниониты (Смотри рисунок 4).
    При катионировании водного теплоносителя обменными ионами, как правило, служат катионы водорода. Н-катионит поглощает из воды содержащиеся в ней катионы Са₂+, Na+ и др., а в воду переходит эквивалентное количество ионов Н+. При анионировании из воды удаляют анионы С1- и др., а в воду переходят ионы ОН-, СO- и т. п. В зависимости от свойств ионита фильтры называются катионитовыми или анионитовыми Фильтры могут загружаться не отдельно катионитом или анионитом, а их смесью — такие фильтры называют фильтрами смешанного действия (ФСД) Они обеспечивают очистку водного теплоносителя как от катионов, так и от анионов.

Модели катионита (а) и анионита (б)


    Между ионообменными фильтрами I и II ступеней системы ХВО установлен декарбонизатор, предназначенный для удаления из воды свободной углекислоты, содержание которой несколько возрастает после Н-катионирования I ступени. Удалять углекислоту необходимо для того, чтобы создать оптимальные условия для использования сильноосновного анионита. Удаляют ее с помощью аэрации воды воздухом в аппаратах башенного типа — декарбонизаторах.
    Установка дополнительных ионитовых фильтров для очистки воды, подпитывающей первый контур, предусмотрена для того, чтобы исключить случайное попадание туда катионов натрия Na+ и анионов сильных кислот в результате либо плохой отмывки фильтров после их регенерации — восстановления работоспособности, либо истощения Н-катионитовых фильтров.
    В результате работы системы ХВО получается химически очищенная вода, которая используется для заполнения контуров ядерной энергетической установки, а также для их подпитки.
    Система СВО включает в себя ряд установок, на которых производятся:
очистка продувочной воды первого контура, воды протечек первого контура, вод бассейнов выдержки и перегрузки. Как правило, установки СВО включают в себя механический фильтр, а также анионитовый и катионитовый фильтры (иногда используют ФСД). Кроме того, система СВО может включать в себя выпарные установки.
    Для очистки теплоносителя одноконтурных АЭС с кипящими реакторами применяется система конденсатоочистки (КО). Она состоит из механических фильтров и ионитовых ФСД и предназначена для глубокой очистки всего турбинного конденсата как от взвешенных частиц, так и от растворимых примесей. В механических фильтрах осаждаются продукты коррозии и другие механические загрязнения, а ФСД обеспечивают ионную очистку. Очищенный конденсат через систему регенеративных подогревателей направляется в деаэратор. Конденсатоочистка обеспечивает степень очистки, соответствующую нормам качества питательной воды.     Кроме системы КО, на одноконтурных АЭС с кипящим реактором используется также байпасная продувка реакторной воды, которая имеет нагрузку, отличающуюся от той, которую несет КО, поскольку система очистки продувочной воды очищает воду от примесей, которые поступают в тракт от конденсатоочистки до реактора. Ее основная роль сводится к предотвращению образования и накопления отложений на поверхности активной зоны.

Дезактивация
    Работа реакторной установки АЭС сопровождается радиоактивными загрязнениями внутренних и наружных поверхностей оборудования первого контура, а также поверхностей тех помещений, где оно расположено. Основными источниками радиоактивного загрязнения контура могут служить дефектные твэлы и продукты коррозии, а также продукты износа движущихся частей оборудования. Продукты коррозии и износа переносятся теплоносителем по контуру и активируются нейтронами в активной зоне ядерного реактора. При этом могут происходить следующие реакции, в результате которых образуются радиоактивные нуклиды:

    Различают следующие виды загрязнений: нефиксированное, слабофиксированное и прочно фиксированное. Первое вызвано адгезионным процессом и характеризуется наличием границы раздела между радиоактивным веществом и поверхностью. Второе вызывается в основном адсорбцией нуклидов и ионным обменом и характеризуется загрязнением поверхностного слоя. Третье же связано с коррозионными процессами, образованием окисной пленки и диффузией и характеризуется загрязнением глубинных слоев. На практике возможно сочетание различных видов загрязнений. Например, при попадании радиоактивных капель на поверхность первоначально имеет место адгезия и дезактивация может быть осуществлена простым удалением капель; если капли остаются на поверхности более длительное время, то радиоактивные нуклиды могут адсорбироваться на поверхности; в дальнейшем может начаться их диффузия, сопровождаемая в ряде случаев коррозией материала поверхности. Результатом описанного процесса может стать глубинное загрязнение, которое и будет определять процесс дезактивации. Под дезактивацией обычно понимают удаление с поверхностей радиоактивных загрязнений. В более широком смысле в это понятие включают также обезвреживание радиоактивных отходов. В качестве основной характеристики эффективности дезактивации принят коэффициент дезактивации:
К_д = А_н/А_к
где, А_н — начальная активность дезактивируемого объекта;
А_к — конечная активность.
    Коэффициент дезактивации — это относительная характеристика. Поэтому эффективность различных методов дезактивации можно сравнивать лишь в одинаковых условиях: для одной и той же системы и для одинакового начального загрязнения.
    Активация внутренних поверхностей контура связана прежде всего с тем, что радиоактивные нуклиды, входящие в состав продуктов коррозии, разносятся теплоносителем по контуру: часть из них (~ 40—50 %) внедряется в окисную пленку, которой покрыты внутренние поверхности оборудования и трубопроводов; часть (~ 40 %) в виде осадков и грубых взвесей скапливается в застойных зонах (щелях, тупиковых полостях и т. п.) в виде шлама, образуя на оборудовании места с высокой активностью, так называемые «горячие пятна»; и небольшая часть (~10—20 %) выводится из контура системой очистки теплоносителя, с организованными и неорганизованными протечками.
    Активация наружных поверхностей контура может вызываться либо попаданием на поверхность радиоактивной пыли или аэрозолей, либо непосредственным контактом поверхности с радиоактивным веществом.
    Как правило, основная доля поверхностной активности оборудования обусловливается активированными продуктами коррозии, причем эти продукты могут быть как прочно внедренными в тонкую окисную пленку, так и более свободно связанными с поверхностью. Таким же образом оказываются связанными и радиоактивные вещества, попавшие в теплоноситель из дефектных твэлов. Следовательно, имеют место слабо фиксированные и прочно фиксированные загрязнения. Практика показывает, что до тех пор, пока не удалена полностью окисная пленка, коэффициенты дезактивации остаются весьма низкими, т. е. надежная дезактивация оборудования и трубопроводов может быть обеспечена только после растворения и удаления окисной поверхностной пленки.
    1) При дезактивации оборудования АЭС можно выделить три группы мероприятий: дезактивация первого контура без разборки путем циркуляции специальных растворов;
    2) дезактивация съемного оборудования, связанная с демонтажем (например, дезактивация выемной части ГЦН или приводов СУЗ);
    3) дезактивация поверхностей помещений, наружных поверхностей трубопроводов, инструмента и т. п.
    Основными методами дезактивации оборудования и помещений являются:
химический, химико-механический, электрохимический, пароэмульсионный, гидродинамический.
    Выбор того или иного метода определяется характером загрязнений габаритами и конфигурацией объектов дезактивации, применяемыми конструкционными материалами и т. д.
    Химический метод дезактивации основан на том, что окисную пленку вместе с сорбированными на ней радиоактивными веществами можно удалить при помощи окислительно-восстановительных реакций. Он заключается в последовательной обработке загрязненных объектов щелочным и кислотным растворами. Такие растворы иногда сами могут вызывать коррозию дезактивируемых поверхностей. В этих случаях обрабатывают дезактивируемые поверхности гидразином (если материалом служат перлитные стали), добавляют в дезактивирующие растворы тиомочевину (для углеродистых сталей) и т. д. Однако есть данные о том, что применение некоторых ингибиторов коррозии может в несколько раз снизить эффективность дезактивирующих растворов.
    Некоторые наиболее употребительные рецептуры водных дезактивирующих растворов, применяемых для дезактивации оборудования и трубопроводов первого контура АЭС, приведены в таблице 2.
    Иногда к щавелевой кислоте вместо лимонной добавляют азотную кислоту или перекись водорода.
    Дезактивацию химическим методом обычно проводят в несколько циклов (2—3). Один цикл дезактивации включает в себя четыре последовательные обработки поверхностей:
    1) щелочная обработка;
    2) водная промывка;
    3) кислотная обработка;
    4) водная промывка.
    После каждого цикла замеряется гамма-фон. Циклы повторяются до получения желаемого эффекта.
    Рассмотренный химический метод применяют для дезактивации петель реактора, установок спецводоочистки (СВО), выемной части ГЦН и его деталей, приводов СУЗ, арматуры, инструментов и приспособлений.
    Для примера рассмотрим, как осуществляется дезактивация выемной части ГЦН. Выемная часть ГЦН устанавливается в специальную ванну, конструкция которой обычно позволяет обрабатывать только нижнюю, наиболее загрязненную часть ГЦН (смотри рисунок 5). В ванне имеются: паровой подогреватель (для подогрева дезактивирующих растворов до требуемой температуры) и барботажное устройство, через которое подается сжатый воздух для лучшего перемешивания растворов. Ванна заполняется растворами после установки в нее выемной части ГЦН. Дезактивация осуществляется попеременной подачей в ванну щелочного и кислотного растворов с промежуточной водной промывкой.

Дезактивация выемной части ГЦН: 1 —дезактивирующий раствор; 2 —греющий пар; 3 —сжатый воздух; 4 —слив.

Таблица 2. Растворы для дезактивации оборудования первого контура ЯЭУ.

    Химико-механический метод дезактивации является разновидностью рассмотренного химического метода. При использовании этого метода в дополнение к обработке десорбирующими щелочными и кислотными растворами осуществляют механическое воздействие на загрязнения с помощью скребков, швабр, щеток и пр. Этот метод применяют для дезактивации крупногабаритного оборудования, полов и стен производственных помещений.
    Особо отметим то обстоятельство, что при применении химических методов дезактивации недопустимо использование в дезактивирующих растворах соляной кислоты, поскольку хлорид-ион крайне неблагоприятно воздействует на коррозионную стойкость нержавеющих сталей. Применение соляной кислоты допускается лишь в случае загрязнения поверхности радиоактивными изотопами рутения, но с соблюдением специальных мер предосторожности и по особой программе.
    Электрохимический метод дезактивации используется для удаления прочно фиксированных радиоактивных загрязнений, когда применение химического метода неэффективно или технически затруднительно. При использовании этого метода дезактивируемую поверхность подвергают электрохимическому травлению под действием постоянного тока плотностью 10—20 А/дм², после чего производится водная промывка. Дезактивируемая поверхность служит анодом, и с нее удаляется поверхностный слой вместе с радиоактивными загрязнениями. В качестве электролита применяются водные растворы щавелевой (Н₃С₂О₄) или ортофосфорной (Н₃РО₄) кислот концентрацией 1,5—2 %.
    Рассматриваемый метод используют для дезактивации деталей и узлов насосов, приводов СУЗ, наружных и внутренних поверхностей трубопроводов, стаканов главных запорных задвижек (ГЗЗ) и т. п. Различают «мокрый» и «полусухой» способы электрохимической дезактивации. «Мокрый» способ можно применять лишь для небольших по габаритам узлов и деталей, ибо он связан с необходимостью их полного погружения в электролит. При «полусухом» способе используется выносной катод, форма которого для полного прилегания должна соответствовать форме дезактивируемой поверхности: для плоской поверхности требуется плоский катод, для выпуклой поверхности — вогнутый кагод, и т. д. Для устранения короткого замыкания между выносным катодом и дезактивируемой поверхностью прокладывают изоляцию из шерстяной или хлопчатобумажной ткани, которая непрерывно смачивается электролитом.
    Пароэмульсионный метод дезактивации основан на действии на загрязненную поверхность струи, состоящей из смеси пара и десорбирующего раствора. Это один из наиболее экономичных методов дезактивации. Струя направляется на загрязненную поверхность с помощью пароэжекционного устройства. Дезактивация поверхности обеспечивается гидродинамические воздействием пароэмульсчонной струи совместно с химическим воздействием десорбирующего раствора, имеющего температуру более 325 К. В качестве десорбирующих растворов могут быть использованы растворы минеральных кислот и щелочей (при дезактивации поверхностей из нержавеющих сталей), а также растворы органических кислот, щавелевой или лимонной (при дезактивации поверхностей из углеродистых сталей). Пароэжекционное устройство может быть использовано в любых помещениях, где имеется магистраль насыщенного пара необходимого давления (~0,5 МПа). Десорбирующие растворы могут подаваться в устройство из любых переносных открытых емкостей, поскольку струя пара, создавая разрежение при истечении из специального насадка со сверхкритической скоростью, обеспечивает подсос раствора за счет эжекционного эффекта. Этот метод находит применение для дезактивации различных помещений, например боксов ГЦН, внутренних поверхностей различных емкостей, стен бассейнов перегрузки и выдержки кассет, полов, загрязненных маслом, станков, и т. п.
    Гидродинамический метод дезактивации заключается в воздействии на загрязненную поверхность компактной высоконапорной струи воды или десорбирующего раствора. Для этого используется гидромонитор — подвесная машинка с вращающимися по сфере соплами. Вращение сопл осуществляется за счет реактивного действия струй. В качестве десорбентов могут использоваться различные моющие средства, а также слабые растворы кислот и щелочей. Гидродинамический метод целесообразно использовать для механизированной очистки емкостей от различных осаждений, а также для дезактивации производственных помещений.
    Кроме рассмотренных, существует и ряд других методов дезактивации оборудования и помещений. Среди них заслуживают упоминания следующие:
    пенный метод дезактивации — для обработки поверхностей в загроможденных помещениях: поверхности обрабатываются пеной, содержащей химические реагенты;
    метод дезактивации сухими сорбентами — для обработки больших поверхностей полов: поверхность обрабатывается небольшим количеством химического раствора с последующим покрытием слоем порошкообразного сорбента;
    метод дезактивации с использованием легкосъемных полимерных покрытий — для локализации радиоактивных загрязнений и упрощения последующей дезактивации: поверхности покрывают легкосъемными полимерными покрытиями, которые при дезактивации удаляют.

Обезвреживание радиоактивных отходов.
    Эксплуатация ЯЭУ неизбежно сопровождается накоплением твердых, жидких и газообразных радиоактивных отходов.
    Газообразные отходы являются результатом работы системы спецвентиляции, особенно в периоды ухудшенной радиационной обстановки (например, в периоды перегрузки). Они могут появляться также в результате работы системы технологических сдувок, которая обеспечивает удаление газов, выделяющихся с надводных пространств «грязных» технологических баков, а также газов, которые вытесняются из баков водой при опорожнении первого контура.
    Для дезактивации таких отходов используется либо обычная выдержка в газгольдерах в течение времени, необходимого для распада радиоактивных нуклидов (прежде всего ¹³⁸Хе), либо очистка в адсорбционных установках. Газгольдеры могут монтироваться непосредственно в нижней части вентиляционной трубы.
    Жидкие отходы появляются вследствие очистки воды первого контура, других вод АЭС и т. п. При их дезактивации придерживаются двух основных принципов:
    раздельная дезактивация вод, различающихся по радиоактивности я физико-химическим показателям;
    наиболее полный возврат очищенных вод в цикл.     Из многообразия способов дезактивации жидких радиоактивных отходов наибольшее практическое применение находят метод ионного обмена и метод ynapивания. Наиболее универсален метод многоступенчатого упаривания в выпарных аппаратах, обеспечивающий высокую степень очистки воды от радиоактивных примесей. Этот метод позволяет существенно снизить объем, занимаемый жидкими отходами.
    Твердые отходы образуются при отверждении жидких радиоактивных отходов. Отверждение жидких отходов производится потому, что захоронение их не может быть надежным, пока они находятся в жидкой фазе. Для отверждения используют методы цементирования или битумирования, заключающиеся в том, что в концентраты жидких отходов добавляют связывающие вещества - цемент или битум.
    Весьма перспективен способ отверждения жидких отходов путем добавления к ним в горячем виде веществ, образующих кристаллогидраты. При остывании раствора образуется кристаллогидрат и концентрат отвердевает.
    К твердым радиоактивным отходам относят вышедшие из строя загрязненные инструменты и детали реакторной установки, а также сильно загрязненную спецодежду и обувь, дезактивация которой нецелесообразна.
    Твердые радиоактивные отходы обезвреживают путем их захоронения. Перед захоронением твердых отходов стремятся максимально уменьшить их объем. При окончательном захоронении предусматриваются отказ от контроля за состоянием отходов и невозможность их извлечения из мест захоронения. При захоронении должно гарантироваться нераспространение радиоактивности в течение сколь угодно долгого времени.
    Твердые радиоактивные отходы захоранивают в специальных сооружаемых хранилищах. Перспективным является использование для этой цели заброшенных соляных и известковых шахт, вечной мерзлоты и глубинных геологических формаций.
    Следует подчеркнуть, что проблема надежного захоронения радиоактивных отходов — одна из наиболее острых для современной атомной энергетики.