Установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития
Установка относится к области переработки жидких радиоактивных отходов, а именно, к конструкции оборудования для очистки радиоактивных отходов от трития. Предлагаемая установка состоит из емкости для исходного раствора, ректификационной колонны для ректификации воды под вакуумом, двухтемпературных колонн изотопного химического обмена в системе вода - водород (холодная и горячая колонны), дополнительной колонны изотопного химического обмена в системе вода - водород с электролизером и контейнером для сбора трития. При этом дополнительная колонна холодного изотопного химического обмена оборудована каталитической горелкой для сжигания водорода на выходе из колонны и магистралью для подачи образовавшейся воды на вход колонны холодного изотопного химического обмена. Установка позволяет проводить очистку воды от трития до норм, допускающих ее сброс в гидросферу, обеспечивает высокую степень концентрирования трития, извлекаемого из воды, и исключает сброс трития в окружающую среду.
Настоящая полезная модель относится к области обращения с радиоактивными отходами и может быть использована для очистки жидких радиоактивных отходов от трития.
Тритий - радиоактивный изотоп водорода - образуется при эксплуатации предприятий ядерного топливного цикла и характеризуется высокой радиотоксичностью. Поэтому в настоящее время большинство ведущих ядерно-энергетических компаний создали и эксплуатируют специальные установки, предназначенные для удаления трития из сбросных растворов АЭС и радиохимических предприятий. Канадское Агентство по Атомной Энергии (AECL) - Дарлингтон, Онтарио - с 1998 года для очистки от трития жидких отходов использует установку, работающую по технологии однотемпературного химического изотопного обмена в системе вода-водород (СЕСЕ - процесс) [W.R.C. Graham et al., 6th. International Conference on Tritium Science and Technology, Tsukuba, Ibaraki, Japan, 2001 November 11-161]. Аналогичные установки существуют в США, Южной Корее, Японии и России. Установка включает колонну химического изотопного обмена, электролизер в качестве нижнего узла обращения потоков и горелку в качестве верхнего узла обращения потоков. Недостатком этой установки являются очень большие затраты электроэнергии, необходимые для электролитического разложения всего потока очищаемой воды.
На промышленном предприятии «Дженерал Электрик» (GE-Hitachi) - Кардифф, Великобритания - используется установка для очистки от трития легкой воды, включающая колонну для ректификации воды (WD - процесс) для получения очищенной воды и предварительного концентрирования трития, реактор для каталитической конверсии обогащенной тритием воды в обогащенный тритием водород (PMR - процесс) и термодиффузионные колонны для конечного концентрирования трития (TD - процесс) - [I. Bonnett et al. US Patent 7470350, 30.12.2008]. Недостаткамйданной конструкции является необходимость высокой степени разделения в ректификационной колонне и накопление вследствие этого значительных объемов тритиевого концентрата, что не рационально по соображениям радиационной безопасности, и значительные энергетические затраты в узле каталитической конверсии.
Для применения в составе международного термоядерного реактора (ITER) (Кадараш, Франция) разработана установка «Trit
Ex®» [A. Bonnet., Fusion Science and Technology, 2008, Vol.54, pp.209-214], включающая колонны ректификации (WD - процесс), колонны изотопного обмена с электролизером (СЕСЕ - процесс) и каскад газодиффузионных колонн (GD - процесс). Подобная установка рассчитана на получение высокообогащенного трития и требует больших энергетических затрат на процесс электролиза. Это делает нерациональным ее использование для очистки от трития больших потоков воды со сравнительно невысоким содержанием трития.
Для сокращения энергетических затрат на электролиз, являющихся основной составляющей стоимости очистки от трития, предложены установки, в составе которых используются колонные аппараты для двухтемпературного химического изотопного обмена (BWH - процесс) [W.R.C. Graham et al., US Patent 
6858190, 22.02.2005; А.В.Демин и др., Патент Ru на полезную модель 112842, 16.08.2011]. Это позволяет отказаться от электролитического разложения всего потока перерабатываемой воды и существенно снизить стоимость переработки.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является установка по патенту Ru на полезную модель 112842, выбранная в качестве прототипа, которая имеет в своем составе емкость с тритиевым конденсатом, ректификационную колонну, снабженную конденсатором, размещенным в верхней ее части и греющей камерой в нижней части, емкостью для сбора тритиевого концентрата, колонны холодного и горячего изотопного химического обмена, дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена, электролизер и контейнер для фиксации трития. Исходный тритиевый конденсат подается в среднее сечение ректификационной колонны, при этом из конденсатора колонны отбирается очищенная вода, а предварительно обогащенная тритием вода через емкость для сбора тритиевого концентрата подается на орошение колонны холодного изотопного химического обмена. Из нижнего сечения колонны холодного изотопного химического обмена вода с промежуточным обогащением тритием поступает на орошение колонны горячего изотопного химического обмена и дополнительной колонны холодного изотопного химического обмена. Вода, обедненная тритием, отбирается из нижнего сечения колонны горячего изотопного химического обмена и возвращается для доочистки в емкость с тритиевым конденсатом. Предварительно обогащенная тритием вода проходит через дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена и разлагается в электролизере на водород и кислород. Обогащенный тритием водород частично отбирается на выходе из электролизера и поступает в контейнер для фиксации трития, частично поступает в дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена, после чего сбрасывается в атмосферу.
Недостатком данной конструкции являются:
- низкая степень концентрирования трития в дополнительной колонне холодного химического изотопного обмена, поскольку в ней не обеспечивается полнота обращения потоков водорода и воды (отсутствует верхний узел обращения потоков). Низкая степень концентрирования трития в данной колонне ведет к увеличению потока обогащенного тритием водорода и, соответственно, объема контейнеров для фиксации трития и увеличения объема отходов, подлежащих захоронению;
- сброс водорода, содержащего тритий. На выходе дополнительной колонны холодного изотопного химического обмена водород не перерабатывается в воду, которую можно вернуть для доочистки, а выбрасывается в атмосферу.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в устранении указанных недостатков, а именно:
- повышении степени концентрирования трития и сокращении, тем самым, объема отходов, подлежащих захоронению без увеличения энергетических затрат;
- исключении выбросов трития вместе с водородом в окружающую среду.
Для решения поставленной задачи предлагается установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития, содержащая емкость для исходного раствора, ректификационную колонну, оборудованную конденсатором паров и кубом-испарителем, накопительную емкость для обогащенной тритием воды, колонну холодного изотопного химического обмена и колонну горячего изотопного химического обмена, магистраль для циркуляции водорода по колоннам холодного и горячего изотопного химического обмена, дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена, электролизер и контейнер для сбора водорода, обогащенного тритием. Для обеспечения условий высокой степени концентрирования и исключения выброса водорода, содержащего тритий, в окружающую среду, дополнительная колонна холодного изотопного химического обмена в верхней своей части оборудована каталитической горелкой, предназначенной для сжигания водорода до воды, и магистралью для возвращения образовавшейся воды для доочистки в колонну горячего изотопного химического обмена. Кроме того, для вывода солевого концентрата установка оборудована емкостью для сбора солевого концентрата. В противном случае, при накоплении солевого концентрата в кубе-испарителе может иметь место выход установки из строя.
Техническим результатом данного технического решения является снижение объема образующихся твердых радиоактивных отходов за счет повышения степени концентрирования трития, исключение выброса в атмосферу содержащего тритий водорода и увеличение ресурса работы установки.
На чертеже (фиг.) представлена схема установки, которая содержит:
1 - емкость для исходного раствора;
2 - ректификационную колонну;
3 - конденсатор паров;
4 - куб-испаритель;
5 - накопительную емкость для обогащенной тритием воды;
6 - колонну холодного изотопного химического обмена;
7 - колонну горячего изотопного химического обмена;
8 - дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена;
9 - электролизер;
10 - контейнер для сбора водорода, обогащенного тритием;
11 - каталитическая горелка для сжигания водорода;
12 - емкость для сбора солевого концентрата.
Установка оборудована магистралью для циркуляции водорода по колоннам 6 и 7, магистралью для подачи кислорода из электролизера 9 в каталитическую горелку 11.
Установка работает следующим образом. Исходный раствор поступает из емкости 1 (поток Х0) в ректификационную колонну 2, которая оборудована кубом-испарителем 4 и конденсатором паров 3. В кубе-испарителе вода испаряется и конденсируется в накопительной емкости для приема предварительно обогащенной тритием воды 5. При противоточном движении паров воды и жидкости в ходе фазового изотопного обмена достигается обогащение воды тритием в нижнем сечении колонны и очистка воды от трития в верхнем сечении колонны. Вода, поступающая из конденсатора паров 3 в верхнее сечение ректификационной колонны 2 и практически не содержащая трития, отбирается в виде потока Хp очищенной воды. Предварительно обогащенная тритием вода (поток Х1) из нижнего сечения колонны через накопительную емкость для обогащенной тритием воды 5 поступает на орошение колонны 6. В противотоке к движению воды в колоннах 6 и 7 организовано движение водорода. В результате химического изотопного обмена между водой и водородом в колоннах 6 и 7 достигается обогащение тритием воды на выходе из колонны 6 и обеднение по тритию воды в нижнем сечении колонны 7. Вода с промежуточным обогащением тритием (поток Х2 ) из нижнего сечения колонны 6 поступает на орошение колонны 8, а вода (поток Y1), обедненная тритием, которая отбирается из нижнего сечения колонны 7, поступает для доочистки в ректификационную колонну 2. Предварительно обогащенная тритием вода (поток X1) проходит через колонну 8 и разлагается в электролизере 9 на водород и кислород. Выделяющийся водород (основной поток) возвращается в колонну 8 и на выходе колонны сжигается до воды в каталитической горелке 11. Для сжигания водорода используется кислород, выделяющийся в электролизере 9 при электролизе воды. Сжигание водорода в каталитической горелке 11 исключает выброс трития в атмосферу и обеспечивает полноту обращения фаз в колонне 8, что является необходимым условием для достижения высокой степени концентрирования. Получающаяся в горелке 11 вода, содержащая тритий, возвращается для доочистки на вход в колонну 7. При противоточном движении воды и водорода в колонне 8 в результате изотопного химического обмена происходит концентрирование трития в нижнем сечении колонны и в электролизере. Водород с высокой концентрацией трития (поток Х3) частично отбирается на выходе из электролизера 9 перед входом в колонну 8 и поступает в контейнер 10. В контейнере 10 тритий в смеси с водородом фиксируется в виде гидрида металла и отправляется на хранение или захоронение. Для достижения оптимального режима очистки и концентрирования в колонне 2 поток отвальной воды Y1 из колонны 7 вводится в сечение ректификационной колонны 2, расположенное между точкой ввода исходной воды и точкой отбора концентрата. Куб-испаритель 4 дополнительно снабжен емкостью 12 для периодического отбора солевого концентрата, накапливающегося при испарении воды в ходе эксплуатации. Это увеличивает ресурс работы установки.
Техническое решение иллюстрируется следующим примером. Установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития имеет в своем составе следующее оборудование:
1 - емкость для исходного раствора объемом 1000 л;
2 - две параллельно работающие ректификационные колонны диаметром 150 мм и высотой 18 м, заполненные спирально-призматической насадкой с размерами элементов 3,5×3,5×0,2 мм по ТУ 2873-001-780401001-2009. Вакуум в колонне поддерживается с помощью вакуумного насоса НВБМ-10. Рабочие параметры колонны: температура/давление в голове колонн -60°С/0,02 МПа, в нижней части колонны -75°С/0,045 МПа;
3 - конденсатор паров в виде трубчатого теплообменника, охлаждаемого проточной водой с площадью конденсации 1,25 м 2. Расход охлаждающей воды -300 л/час;
4 - куб - испаритель с электрическим нагревом мощностью до 20 кВт;
5 - накопительная емкость для обогащенной тритием воды объемом 40 л;
6 - колонна холодного изотопного химического обмена высотой 4 м и диаметром 100 мм, заполненная гидрофобным катализатором (ТУ 2172-001-470301001-2009) на высоту 2,5, снабженная термостатирующей рубашкой для поддержания рабочей температуры 50±1°С;
7 - колонна горячего изотопного химического обмена высотой 4 м и диаметром 100 мм, заполненная гидрофобным катализатором (ТУ 2172-001-470301001-2009) на высоту 2,5 м, снабженная термостатирующей рубашкой для поддержания рабочей температуры 100±1°С. Циркуляция водорода в колоннах 6 и 7 обеспечивается водородным компрессором марки AD 162С при давлении 0,1 МПа;
8 - дополнительная колонна холодного изотопного химического обмена высотой 1,5 м и диаметром 30 мм, заполненная смесью (1:1) гидрофобного катализатора марки РХТУ-3СМ/
2 и спирально-призматической насадки с размерами элементов 2,0×2,0×0,2 (ТУ 2873-001-780401001-2009) на высоту 1,5 м, снабженная термостатирующей рубашкой для поддержания рабочей температуры 60±1°С;
9 - электролизер марки «Цвет-Хром 60» с производительностью по водороду 60 л/час;
10 - контейнер для сбора водорода, обогащенного тритием - металлический сосуд из нержавеющей стали высотой 250 мм и диаметром 30 мм, заполненный губчатым титаном марки ТГ100 по ГОСТ 17746-96 (Технические Условия «Контейнер для хранения тритий содержащего гидрида титана. КТТ. ТУ 69 68-001-07625447-2010);
11 - горелка для сжигания водорода каталитического типа с контуром охлаждения.
Горелка представляет собой вертикальный цилиндрический сосуд диаметром 50 мм и высотой 400 мм, заполненный катализатором марки РХТУ-3СМ. Водород и кислород подаются в горелку через штуцеры, снабженные пламегасителями;
12 - емкость для сбора солевого концентрата - сосуд из нержавеющей стали емкостью 5 л, оборудованный соединительной арматурой.
Газовые и водяные магистрали установки выполнены из трубки 12Х18Н10Т DN12 и DN6, оборудование соединяется между собой посредством фланцев и резьбовых штуцеров, в качестве уплотнения использован фторопласт-4, в качестве регулирующей (запорной) арматуры использованы сильфонные вентили Ду10 Ру10, циркуляция и подачи жидкости осуществляется насосами мембранными марки НР/2АН.
На установке перерабатывается вода, загрязненная тритием до уровня 1,2·107 Бк/л с солесодержанием ~ 0,05 г/л. Производительность установки составляет 2 л/час по исходной воде. При работе установки образуется очищенная от трития вода (остаточное содержание трития менее 7600 Бк/л, что ниже УВ), которая после контрольных анализов сбрасывается, и тритиевый концентрат, который отбирается в виде водорода со скоростью из электролизера и фиксируется в виде гидрида титана в контейнере для захоронения. Концентрация (активность) трития в концентрате составляет 2,4·1011 Бк/л. Солевой концентрат (50 г/л) отбирается из кубов-испарителей колонн 1 раз в месяц в количестве 1,0-1,5 л и передается на захоронение (после отверждения методом цементирования).
Установка в данном исполнении имеет производительность 2 л/час, обеспечивает очистку воды от трития до норм сброса (степень очистки более 1500) и концентрирование трития в 20000 раз по сравнению с его исходным содержанием. Основное концентрирование трития в этой установке происходит в колонне 8 за счет наличия в ней верхнего узла обращения потоков - горелки: степень концентрирования трития составляет 200. (При отсутствии горелки степень концентрирования не превышает 3,5). Конструкция установки исключает выброс трития в атмосферу с водородом или иными продуктами и рассчитана на долговременную эксплуатацию.
Таким образом, установка для очистки воды от трития по данному техническому решению обладает преимуществами в сравнении с техническим решением по прототипу по степени концентрирования трития (степень сокращения отходов по сравнению с прототипом примерно 70 раз) без увеличения энергетических затрат и обеспечивает экологическую безопасность производства - исключает выброс трития в окружающую среду. Установка также имеет повышенный по сравнению с прототипом ресурс работы. Эффективность и экономичность предлагаемой конструкции свидетельствуют о ее технико-экономических преимуществах в сравнении с конструкцией по прототипу и другими известными техническими решениями. Поэтому установка может успешно использоваться для очистки от трития радиоактивных отходов, образующихся при эксплуатации предприятий ядерного топливного цикла.
1. Установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития, содержащая емкость для исходного раствора, соединенную с ректификационной колонной, оборудованной конденсатором паров и кубом-испарителем, накопительную емкость для обогащенной тритием воды, колонну холодного изотопного химического обмена, колонну горячего изотопного химического обмена, магистраль для циркуляции водорода по колоннам двухтемпературного изотопного химического обмена, магистраль для подачи воды из колонны горячего изотопного химического обмена в голову процесса, дополнительную колонну холодного изотопного химического обмена, вход которой соединеняется магистралью с выходом колонны холодного изотопного химического обмена, электролизер и контейнер для сбора водорода, обогащенного тритием, отличающаяся тем, что на выходе из верхней части дополнительной колонны холодного изотопного химического обмена установлена каталитическая горелка для сжигания водорода, сообщающаяся магистралью для возвращения образовавшейся воды для доочистки в колонну горячего изотопного химического обмена.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что электролизер имеет магистраль для подачи кислорода из электролизера в каталитическую горелку.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что магистраль для подачи воды из колонны холодного изотопного химического обмена в голову процесса соединена с ректификационной колонной в точке, расположенной между точкой подачи исходного раствора и точкой отбора обогащенной тритием воды.
4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что куб-испаритель ректификационной колонны оборудован емкостью для сбора солевого концентрата.
