УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ ТЯЖЕЛОЙ ВОДЫ ОТ ТРИТИЯ И ПРОТИЯ

Полезная модель относится к разделению изотопов легких элементов и предназначена для очистки тяжелой воды ядерного реактора от радиоактивного изотопа водорода трития и легкого изотопа водорода - протия и для доведения до товарного (кондиционного) состояния некондиционной дейтерийсодержащей воды, содержащей кроме дейтерия изотопы протий и тритий с концентрациями выше допустимых.
Тяжелая вода применяется в качестве замедлителя нейтронов и теплоносителя в энергетических и исследовательских ядерных реакторах на тепловых нейтронах. Во время эксплуатации тяжеловодных реакторов, тяжелая вода загрязняется обычной «легкой» водой (протием), в основном за счет натекания паров воды из атмосферы, а радиоактивный изотоп водорода - тритий, обладающий высокой радиотоксичностью, образуется в тяжелой воде вследствие захвата нейтронов атомами дейтерия. Увеличение содержания легкой воды ухудшает ядерно-физические свойства реактора, а накопление трития ухудшает радиационную обстановку на реакторе и может приводить к переоблучению персонала и выбросу трития в окружающую среду. Поэтому тяжеловодные реакторы снабжаются установками для извлечения трития и протия из тяжелой воды с целью поддержания концентрации трития и дейтерия в тяжелой воде реактора на заданном уровне. В настоящее время такие установки предложены, создаются или эксплуатируются на многих энергетических и исследовательских тяжеловодных реакторах.
Известна установка изотопной очистки тяжелой воды от трития и протия в институте Лауэ-Ланжевена, Гренобль, Франция: Ph. Pautrot, М. Damiani. Operating Experience with the Tritium and Hydrogen Extraction Plant at the Laue Langevin Institute in Grenoble, France. Symposium on Isotope Separation, Montreal, 1977 [1], состоящая из блока каталитического изотопного обмена между парами воды и водородом и блока низкотемпературной ректификации водорода. К недостаткам этой установки относится проведение изотопного обмена водорода с водой в паровой фазе. Изотопный обмен используется только для перевода протия и трития из паров воды в водород, что влечет за собой использование криогенной ректификационной колонны больших размеров. Это приводит к значительным энергетическим и капитальным затратам. Также недостатком является то, что при использовании этой установки образуется отвальная вода с высоким содержанием дейтерия, которая требует дальнейшей переработки на других установках, чтобы избежать потерь дейтерия.
Избежать недостатков изотопного обмена водорода с водой в паровой фазе позволяет метод изотопного обмена водорода с жидкой водой с использованием гидрофобного катализатора. В патенте RU 2060801 [2] приведена схема установки очистки дейтерийсодержащей воды от трития и протия, состоящая из двух обменных колонн, содержащих гидрофобный катализатор изотопного обмена. Каждая колонна снабжена собственным узлом нижнего обращения потоков, в качестве которого используется электролизер, и собственным узлом верхнего обращения потоков, в качестве которого используется аппарат сжигания выходящего из колонны изотопного обмена водорода.
К недостаткам этой установки относится следующее. Во-первых - использование аппаратов сжигания водорода, которые являются взрывоопасными устройствами. В такой аппарат подаются газообразные кислород и водород в соотношении, обеспечивающем полноту сжигания водорода. В случае сбоев в работе или отклонения соотношения подаваемых газов от оптимального в аппарате и за ним образуется гремучая смесь, возможен ее взрыв, и это, в сочетании с наличием трития в установке, создает еще и дополнительные проблемы обеспечения радиационной безопасности.
2
Во-вторых - установка энергоемкая. Она содержит в своем составе два электролизера, потребляющих для разложения воды большое количество электроэнергии. Кроме того, концентрирование трития осуществляется в форме воды (в виде молекул НТО, DTO, ТО). При высокой концентрации трития идет неконтролируемый радиолиз воды, что ведет к проблемам с обеспечением взрыво-пожаробезопасности, так же отметим, что тритий в форме воды намного токсичнее, чем в форме газа, что также создает дополнительные проблемы обеспечения радиационной безопасности. Поэтому концентрирование трития целесообразно проводить в системах с молекулярным водородом, например, криогенной ректификацией водорода.
Наиболее близкой к заявленному техническому решению является установка, описанная в статье: I.A. Alekseev, S.D. Bondarenko, О.А. Fedorchenko and al. "Development of a heavy water detritiation plant for PIK reactor", Fusion Science and Technology. 2005. Vol. 48. P. 286-289 [3] - (прототип). Установка содержит: две колонны изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором (колонны 1 и 2), колонну криогенной ректификации водорода, электролизер, аппарат каталитического сжигания водорода, емкость для сбора очищенной воды, узел перевода концентрированного трития в дейтерид-тритид титана.
Принцип работы установки. Загрязненная тритием и протием тяжелая вода из реактора подается в среднее сечение колонны 1, из нижней части которой тяжелая вода, обогащенная тритием, подается в электролизер, где разлагается на водород (дейтерий) и кислород. Кислород из электролизера подается в аппарат сжигания водорода. Часть водорода из электролизера подается в колонну криогенной ректификации для дальнейшего концентрирования трития, а остальная часть подается по трубопроводу в нижнее сечение колонны 1. Выходящий из верхнего сечения колонны 1 дейтерий, обедненный по тритию, частично подается в нижнее сечение колонны 2, а остальная часть дейтерия, обедненного по тритию, из верхней части колонны 1 подается в аппарат сжигания водорода (дейтерия), где происходит окисление поступающего дейтерия кислородом с образованием тяжелой воды. Полученная в аппарате сжигания тяжелая вода собирается в емкости.
Колонна 2 используется для того, чтобы удалить из тяжелой воды протий. Природная вода подается в верхнюю часть колонны 2. Водород с изотопным составом, близким к природному, удаляется из верхнего сечения колонны 2 в окружающую среду. Тяжелая вода, выходящая из нижнего сечения колонны 2, смешивается в емкости с водой, конвертированной из дейтерия в аппарате сжигания. Эта тяжелая вода является очищенной от трития и протия. Часть очищенной тяжелой воды возвращается в реактор, часть подается в верхнее сечение колонны 1 для ее орошения.
Обогащенная тритием дейтерий-тритиевая смесь отбирается из нижней части колонны криогенной ректификации и преобразуется в дейтерид-тритид титана. Обедненный тритием поток дейтерия отбирается из верхней части колонны криогенной ректификации и подается в нижнюю часть колонны 1.
Недостатками данной конструкции являются:
используется каталитический аппарат сжигания водорода (дейтерия), что взрывоопасно;
в схеме установки - прототип процесс очистки организован так, что она рассчитана только на определенный поток очищаемой тяжелой воды с фиксированной концентрацией дейтерия на входе, т.е. в процессе эксплуатации нельзя увеличить производительность устройства по извлечению протия, если натекание легкой воды в тяжеловодный контур окажется больше расчетного значения, или, например, в случае аварийной разгерметизации какого-либо аппарата с одномоментным попаданием легкой воды в тяжеловодный контур. Поэтому для решения этой задачи необходимо было бы увеличивать объем колонн изотопного обмена вода-водород и производительность электролизера, что увеличит капитальные и энергетические затраты;
невозможность перерабатывать на установке тяжеловодные отходы (разбавленную тяжелую воду с различным содержанием трития и протия), как образующиеся при эксплуатации самого тяжеловодного реактора, так и из других источников, без снижения производительности установки по тритию; т.к.. установка может либо очищать тяжелую воду от трития, либо перерабатывать отходы, но не может делать это одновременно;
отсутствие технической возможности получать на установке тяжелую воду, глубоко очищенную от трития (с содержанием трития не более 74 кБк/кг), которая требуется для пусковых работ на тяжеловодных установках и для использования в исследовательских лабораториях.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании устройства, исключающего недостатки прототипа.
Технический результат заключатся в повышении безопасности устройства и расширении его функциональных возможностей без увеличения энергоемкости, а именно
возможность увеличения, при необходимости, количества извлекаемого протия из тяжелой воды реактора;
8
переработка при необходимости тяжеловодных отходов (разбавленной тяжелой воды с содержанием дейтерия 10-90% и с содержанием трития ниже 3,7*10 Бк/кг) с получением кондиционной тяжелой воды;
получение при необходимости тяжелой воды глубоко очищенной от трития (с содержанием трития не более 74 кБк/кг), одновременно с извлечением из тяжелой воды реактора трития и протия и переработкой разбавленной тяжелой воды с получением кондиционной тяжелой воды;
возможность выполнения всех этих задач одновременно, без увеличения расхода электроэнергии на разложение тяжелой воды в электролизере.
8
Технический результат достигается тем, что предлагается установка для очистки тяжелой воды от трития и протия, содержащая пять колон изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором, криогенную колонну ректификации водорода; электролизер, газодувку для обеспечения циркуляции газа дейтерия между колоннами 1 и 5, узел для отбора обогащенного тритием дейтерия и перевода его в форму дейтерида-тритида титана, емкость для исходной реакторной воды, подаваемой на очистку; емкость сбора очищенной реакторной воды, емкость для тяжеловодных отходов, емкость сбора кондиционной тяжелой воды, полученной из перерабатываемых тяжеловодных отходов, емкость для сбора тяжелой воды, глубоко очищенной от трития (с содержанием трития не более 74 кБк/кг). Установка также содержит газовые и водяные магистрали с запорной арматурой, регуляторами и измерителями расхода сред. Причем колонна № 1 предназначена для предварительного концентрирования трития и исчерпывания трития до уровня 3,7⋅10 Бк/кг (0,02 Ки/кг); колонна № 2 предназначена для удаления протия из тяжелой воды реактора и для переработки разбавленной тяжелой воды с получением из нее кондиционной по дейтерию тяжелой воды и также выполняет функции верхнего узла обращения потоков для колонны 1; колонна № 3 - для очистки тяжелой воды и дейтерия от трития до уровня 74 кБк/кг; колонна № 4 - верхний узел обращения потоков для колонны № 3; колонна № 5 предназначена для передачи необходимого количества протия и трития из тяжелой воды в газовый поток дейтерия и очистки тяжелой воды реактора; колонны № 6 - криогенной ректификации водорода - предназначена для конечного концентрирования трития. Причем нижняя часть колонны № 1 соединена магистралями водорода и воды с электролизером, который связан с колонной криогенной ректификации водорода, верхняя часть которой связана с нижней частью колонны 1 магистралью водорода, и в средней части колонны 1 предусмотрен вход для подачи очищаемой воды из емкости исходной реакторной воды, а верхний выход 1 колонны через магистраль водорода связан с нижним входом колонны 2, нижний выход которой через магистраль воды связан с емкостью сбора кондиционной тяжелой воды, полученной из перерабатываемых отходов тяжелой воды, и верхним входом в колонну 1, а верхняя часть колонны 2 снабжена патрубками для подачи природной деминерализованной воды и выхода водорода с изотопным составом, близким к природному, в атмосферу, а нижняя часть колонны 6 криогенной ректификации водорода, из которой отбирается концентрат трития, связана с узлом для перевода тритиевого концентрата в форму дейтерида-тритида титана, а верхний вход по воде колонны 5 связан с магистралью подачи воды из реактора - из емкости исходной реакторной воды. Нижний выход колонны 5 соединен магистралью воды с емкостью сбора очищенной воды, и нижний газовый вход колонны 5 через газодувку связан с магистралью водорода, связывающей 1 и 2 колонну, а выход водорода из верхней части колонны 5 подведен к средней части колонны 1, так что организуется циркуляция водорода через колонну 5 и верхнюю часть колонны 1, а верхняя часть колонны 4 снабжена патрубками для подачи природной деминерализованной воды и выхода водорода с изотопным составом, близким к природному, в атмосферу, нижний выход по воде колонны 4 связан с верхним входом по воде колонны 3 и соединен с емкостью для сбора тяжелой воды с содержанием трития менее 74 кБк/кг, а верхний выход по газу (водороду) колонны 3 связан с нижним входом колонны 4, и нижний выход колонны 3 по воде связан с водной магистралью, объединяющей колонну 2 и колонну 1, а нижний вход колонны 3 связан с газовой магистралью, связывающей колонну 2 и колонну 1, причем в средней части колонны 2 предусмотрен вход для перерабатываемых тяжеловодных отходов.
Такое конструктивное решение является невзрывоопасным, т.к. исключен взрывоопасный узел сжигания водорода; обеспечивает одновременную очистку тяжелой воды реактора от трития и протия и переработку разбавленной тяжелой воды с получением кондиционной тяжелой воды, в том числе глубокое очищение ее от трития, без увеличения расхода электроэнергии на разложение тяжелой воды в электролизере.
На рис. 1 показана установка для очистки тяжелой воды от трития и протия, которая содержит:
1
2
3
4
5
6
7
1 - колонну изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором, состоящую из концентрирующей и исчерпывающей частей, где 1 - вход в колонну реакторной тяжелой воды, 1 - вход газообразного дейтерия (водорода) из колонны 5, 1 - вход тяжелой воды из колонны 2, 1 - выход газообразного дейтерия, 1 - вход газообразного дейтерия (водорода) из колонны 6, 1 - вход газообразного дейтерия (водорода) из электролизера, 1 - выход тяжелой воды из колонны;
1
2
3
4
5
2 - колонну изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором для удаления протия из тяжелой воды реактора и для переработки разбавленной тяжелой воды с получением из нее кондиционной по дейтерию тяжелой воды - верхний узел обращения потоков для колонны 1, где 2 выход тяжелой воды из колонны, 2 - вход газообразного дейтерия (водорода) в колонну, 2 - вход воды природного изотопного состава, 2 - выход газообразного водорода в атмосферу, 2 - вход в колонну тяжеловодных отходов (разбавленной тяжелой воды - нереакторной) на переработку;
1
2
3
4
3 - колонну изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором для глубокой очистки тяжелой воды и дейтерия от трития, где 3 выход тяжелой воды из колонны, 3 - вход газообразного дейтерия (водорода) в колонну, 3 - вход тяжелой воды в колонну, 3 - выход газообразного дейтерия (водорода);
1
2
3
4
4 - колонну изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором - верхний узел обращения потоков для колонны 3, где 4 выход тяжелой воды из колонны, 4 - вход газообразного дейтерия (водорода) в колонну, 4 - вход воды природного изотопного состава, 4 - выход газообразного водорода в атмосферу;
1
2
3
4
5 - колонну изотопного обмена вода-водород с гидрофобным катализатором для извлечения необходимого количества протия и трития из тяжелой воды, и передачи их в газовый поток дейтерия, где 5 - вход тяжелой воды из реактора в колонну, 5 - выход тяжелой воды из колонны, 5 вход газообразного дейтерия (водорода) в колонну, 5 - выход газообразного дейтерия (водорода),
1
2
3
6 - криогенную ректификационную колонну, где 6 выход тритиевого концентрата из колонны, 5 - выход дейтерия, обедненного по тритию из колонны, 5 вход газообразного дейтерия (водорода) в колонну;
7 - электролизер, для разложения тяжелой воды на дейтерий (водород) и кислород;
8 - газодувку для обеспечения циркуляции газа дейтерия между исчерпывающей частью колонны 1 и колонной 5;
9 - устройство для отбора обогащенного тритием дейтерия и перевода его в форму дейтерида-тритида титана.
10 - емкость для исходной реакторной воды, подаваемой на очистку;
11 - емкость сбора очищенной реакторной воды;
12 - емкость сбора кондиционной тяжелой воды, полученной из перерабатываемых отходов тяжелой воды;
13 - емкость для сбора исходных тяжеловодных отходов, подлежащих переработке;
14 - емкость для сбора тяжелой воды, глубоко очищенной от трития (с содержанием трития не более 74 кБк/кг).
Узлы установки связанны между собой магистралями подачи воды и газообразного водорода, как показано на рисунке. На магистралях установлена запорная арматура, регуляторы и измерители расхода сред (расходомеры), не показанные на рисунке.
На рисунке введены следующие обозначения:
магистрали подачи воды обозначены сплошной линией;
магистрали подачи газообразного водорода пунктирной линией,
входы и выходы жидкости и газа в каждую колонну пронумерованы.
Установка работает следующим образом.
1
1
2
3
4
4
2
Загрязненная тритием и протием тяжелая вода из реактора поступает из емкости 10 в установку и делится на два потока. Один поток воды поступает на вход 5 колонны 5 для орошения колонны 5, другой подается на вход 1 колонны 1 (в среднюю часть колонны 1) в качестве ее питания. Поток тяжелой воды, проходя колонну 5 противотоком потоку водорода, в ходе изотопного обмена обедняется по тритию и обогащается по дейтерию, отбирается из выхода 5 колонны 5, собирается в емкости 11 и возвращается обратно в реактор. На вход 5 колонны 5, навстречу стекающему потоку воды, подается с помощью газодувки 8 по магистрали, соединяющейся с выходом 1 колонны 1, заданный, обедненный по тритию, но достаточно богатый по дейтерию, поток водорода, Поток водорода, выходящий из выхода 5 колонны 5, имеющий меньшую концентрацию дейтерия, направляется по магистрали на вход 1 колонны 1 (в низ исчерпывающей части колонны 1) и добавляется к потоку водорода, выходящему из концентрирующей части колонны 1.
1
2
7
Точки ввода питания (входы 1 и 1) в колонну 1 находятся на таком уровне от низа колонны, чтобы обеспечить концентрирование трития в колонне 1 ниже точки питания в 10 раз, в то время как верхняя часть колонны 1 - исчерпывает радиоактивный изотоп водорода, уменьшая его концентрацию в 20 раз. Обогащенная тритием тяжелая вода из выхода 1 колонны 1 поступает в электролизер 7.
6
В электролизере тяжелая вода разлагается на газообразные водород (дейтерий) и кислород. Кислород после очистки и осушки удаляется в атмосферу (устройства очистки и осушки кислорода и сбросная магистраль на рисунке не показаны). Водород из электролизера поступает на вход 1 колонны 1 (низ колонны 1).
3
1
2
5
Небольшая часть водорода, выходящая из электролизера, по магистрали, после очистки и осушки (блоки очистки и осушки на схеме не показаны) подается на вход 6 криогенной ректификационной колонны 6. В колонне 6 при противоточном движении жидкого и газообразного водорода происходит концентрирование трития в форме молекул DT. Концентрат трития отбирается из выхода 6 (нижней части) колоны 6 и передается в устройство 9, где концентрат трития переводится в форму дейтерида-тритида титана для длительного безопасного хранения. Водород (дейтерий) со сниженным содержанием трития отбирается из выхода 6 (верхней части) колонны 6 и возвращается по магистрали на вход 1 (в нижнюю часть) колонны 1.
4
1
Водород (дейтерий), поднимаясь по колонне 1, в ходе изотопного обмена обедняется тритием. На выходе 1 из колонны 1 поток газа разделяется на части. Часть потока газодувкой 8 подается на вход 2 колонны 5. Для получения тяжелой воды глубоко очищенной от трития, часть потока газа подается на вход 3 колонны 3 (в нижнюю часть колонны 3).
4
2
1
3
1
3
4
Основная часть потока водорода (дейтерия) из выхода 1 колонны 1 поступает на вход 2 колонны 2 (в низ колонны 2). Из выхода 2 колонны 2 выходит поток очищенной от трития и протия тяжелой воды. Большая часть этого потока направляется на вход 1 колонны 1 (на орошение колонны 1). Остальная часть потока из выхода 2 колонны 2 по магистрали подается в накопительную емкость 12, откуда возвращается в тяжеловодный контур реактора. На вход 2 обменной колонны 2 подают дистиллят воды природного изотопного состава. По мере прохождения водорода снизу в верх колонны 2 концентрация дейтерия в нем изменяется от 99,83% до 0,01%. Выходной поток водорода из выхода 2 колонны 2 сбрасывается в атмосферу через водородный дренаж. Поток водорода на выходе в атмосферу не содержит примесей дейтерия выше природного уровня и трития выше значения установленного НРБ 99/2010.
5
8
1
5
Для переработки тяжеловодных отходов на вход 2 (в среднюю часть) колонны 2 по магистрали через расходомер подается поток питания разбавленной тяжелой воды (10-90% дейтерия и с содержанием трития ниже 3,7*10 Бк/кг). Величина выходящего из выхода 2 колонны 2 потока тяжелой воды в случае подачи питания в колонну (на вход 2 колонны 2), возрастает соответственно на произведение величины потока питания на атомную долю дейтерия в нем. Эта часть потока также собирается в накопительной емкости 12, откуда отбирается на хранение, но может также подаваться в контур реактора.
8
Колонны 3 и 4 предназначены для глубокой очистки тяжелой воды от трития до уровня 74 кБк/кг, то есть на четыре порядка меньше, чем в воде, возвращаемой в контур реактора. Подлежащая глубокой очистке тяжелая вода подается на вход 1 (в магистраль, соединяющую по тяжелой воде колонны 1 и 3).
2
4
1
3
3
1
4
2
На вход 3 в колонну 3 из выхода 1 колонны 1 направляется по магистрали через расходомер заданный поток водорода. Из выхода 3 колонны 3 поток жидкости - тяжелой воды - по магистрали направляется на вход 1 колонны 1 (где смешивается с тяжелой водой, поступающей из колонны 2 на орошение колонны 1). Колонна 3 орошается жидкостью, поступающей на вход 3 колонны 3 по магистрали из выхода 4 колонны 4. Водород (дейтерий), проходя по колонне 3 противотоком воде, в ходе изотопного обмена очищается от трития, выходит из выхода 3 колонны 3 и поступает на вход 4 колонны 4.
3
4
1
Колонна 4 служит верхним узлом обращения потоков для колонны 3. На орошение колонны 4 через вход 4 подается дистиллят воды природного изотопного состава. Покидающий через выход 4 колонну 2 поток водорода направляется в водородный дренаж. Относительно небольшой отбор воды глубоко очищенной от трития (до 0,4 кг/час) осуществляется из выхода 4 колонны 4 в накопительную емкость 14.
Процесс изотопного обмена в системе вода-водород на гидрофобном катализаторе в заявляемой установке организован без применения узла сжигания водорода, как это имеет место в прототипе, т.к. колонны 2 и 4, орошаются водой природного изотопного состава из независимого источника, служат для перевода дейтерия из газового потока в поток жидкости, и являются аналогами верхних узлов обращения потоков, т.е. заменяют взрывоопасный аппарат сжигания.
Таким образом, предлагаемая схема позволяет решать все поставленные задачи:
извлекать из тяжелой воды реактора заданное количество трития и протия;
при необходимости увеличить количество извлекаемого протия, не изменяя количества извлекаемого трития;
8
перерабатывать разбавленную (с содержанием дейтерия 10-90% и с содержанием трития ниже 3,7*10 Бк/кг) тяжелую воду с получением кондиционной тяжелой воды, не снижая количество извлекаемого трития и протия из тяжелой воды реактора;
получать тяжелую воду с содержанием трития менее 74 кБк/кг, одновременно с извлечением из тяжелой воды реактора трития и протия и переработкой разбавленной тяжелой воды с получением кондиционной тяжелой воды;
выполнять все вышеперечисленные задачи, используя единственный электролизер в качестве узла нижнего обращения потока;
выполнять все вышеперечисленные задачи, не используя взрывоопасный аппарат сжигания водорода.
Заявляемая установка разработана и прошла опытную проверку в Петербургском институте ядерной физики.
Пример конкретной реализации.
Установка имеет в своем составе следующее оборудование:
1 - колонну изотопного обмена вода-водород диаметром 150 мм и высотой 14,5 м, заполненную в соотношении 1:2 чередующимися слоями гидрофобного катализатора РХТУ 3СМ (ТУ 95 2992-2013) и спирально-призматической насадки с размерами элементов 2,5×2,5×0,2 мм (ТУ 1220-001-18961332-2014), снабженную термостатирующей водяной рубашкой для поддержания рабочей температуры 68±1°C.
2 - колонну изотопного обмена вода-водород диаметром 150 мм и высотой 7,3 м, заполненную в соотношении 1:2 чередующимися слоями гидрофобного катализатора РХТУ 3СМ (ТУ 95 2992-2013) и спирально-призматической насадки с размерами элементов 2,5×2,5×0,2 мм (ТУ 1220-001-18961332-2014), снабженную термостатирующей водяной рубашкой для поддержания рабочей температуры 75±1°C.
3 - колонну изотопного обмена вода-водород диаметром 96 мм и высотой 7,3 м, заполненную в соотношении 1:2 чередующимися слоями гидрофобного катализатора РХТУ 3СМ (ТУ 95 2992-2013) и спирально-призматической насадки с размерами элементов 2,5×2,5×0,2 мм (ТУ 1220-001-18961332-2014), снабженную термостатирующей водяной рубашкой для поддержания рабочей температуры 72±1°C.
4 - колонну изотопного обмена вода-водород диаметром 96 мм и высотой 3,7 м, заполненную в соотношении 1:2 чередующимися слоями гидрофобного катализатора РХТУ 3СМ (ТУ 95 2992-2013) и спирально-призматической насадки с размерами элементов 2,5×2,5×0,2 мм (ТУ 1220-001-18961332-2014), снабженную термостатирующей водяной рубашкой для поддержания рабочей температуры 72±1°C.
5 - колонну изотопного обмена вода-водород диаметром 96 мм и высотой 5,5 м, заполненную в соотношении 1:2 чередующимися слоями гидрофобного катализатора РХТУ 3СМ (ТУ 95 2992-2013) и спирально-призматической насадки с размерами элементов 2,5×2,5×0,2 мм (ТУ 1220-001-18961332-2014), снабженную термостатирующей водяной рубашкой для поддержания рабочей температуры 95±1°C.
6 - криогенную колонну ректификации водорода диаметром 35 мм и высотой 4,5 м, заполненную спирально-призматической насадкой с размерами элементов 2,0×2,0×0,2 мм (ТУ 1220-001-18961332-2014),

3
7 - щелочной электролизер HySTAT - 15/10, производительностью по водороду до 15 м/ч (при н.у.).
8 - газодувка для обеспечения циркуляции газа дейтерия между колоннами 1 и 5;
9 - устройство для отбора обогащенного тритием дейтерия и перевода его в форму дейтерида-тритида титана.
10 - емкость для исходной реакторной воды, подаваемой на очистку, объемом 500 л.;
11 - емкость сбора очищенной реакторной воды, объемом 500 л.;
12 - емкость сбора кондиционной тяжелой воды, полученной из перерабатываемых отходов тяжелой воды, объемом 500 л.;
13 - емкость для исходных тяжеловодных отходов, объемом 1000 л.
14 - емкость для сбора тяжелой воды с содержанием трития менее 74 кБк/кг, объемом 100 л.
Газовые и водяные магистрали установки выполнены из труб, изготовленных из стали 12Х18Н10Т. В качестве запорной арматуры используются сильфонные вентили, в качестве расходомеров жидкости и газа используются ультразвуковые расходомеры.
10
1
1
Для очистки воды тяжеловодного отражателя реактора - в установку подается тяжелая вода со следующими параметрами: удельная активность трития - 7,4⋅10 Бк/кг (2,0 Ки/кг), концентрация дейтерия - 99,80%. Из емкости для исходной реакторной воды, 10, эта вода подается с расходом 0,94 кг/ч на вход 1 колонны 1 и с расходом 6,532 кг/ч на вход 5 колонны 5.
3
3
3
7
В электролизере разлагается тяжелая вода и образуется водород (дейтерий), который с расходом 0,675 м/ч (при н.у.) подается на вход 6 колонны 6 и с расходом 11,085 м/ч (при н.у.) подается на вход 1 колонны 1.
4
3
2
3
Из выхода 1 колонны 1 водород (дейтерий) с расходом 3,476 м/ч (при н.у.) подается на вход 3 колонны 3. Водород (дейтерий) с расходом 3,47 м/ч (при н.у.) циркулирует с помощью газодувки 8 через колонну 5 и верхнюю часть колонны 1.
5
8
8
8
Для выполнения дополнительных задач установки на очистку в установку на вход 2 колонны 2 подается разбавленная тяжелая вода с расходом 2,110 кг/ч, имеющая следующие параметры: удельная активность трития 3,7⋅10 Бк/кг (0,01 Ки/кг), концентрация дейтерия 45,0%, а на вход 1 колонны 1 некондиционная тяжелая вода с расходом 0,400 кг/ч, с параметрами: удельная активность трития 3,7⋅10 Бк/кг (0,01 Ки/кг), концентрация дейтерия 99,75%.
3
3
Вода природного изотопного состава с расходом 5,551 кг/ч подается на вход 2 колонны 2 и с расходом 2,794 кг/час подается вход 4 колонны 4.
3
4
3
4
Водород с изотопным составом, близким к природному удаляется, в атмосферу с расходом 8,283 м/ч (при н.у.) из выхода 2 колонны 2 и с расходом 3,476 м/ч (при н.у.) из выхода 4 колонны 4.
10
Очищенная вода (с параметрами удельная активность трития - 5,07⋅10 Бк/кг (1,37 Ки/кг), концентрация дейтерия - 99,915%) в количестве 6,536 кг/час собирается в емкости сбора очищенной реакторной воды, 11.
8
Очищенная вода (с параметрами удельная активность трития - 7,4⋅10 Бк/кг (0,02 Ки/кг), концентрация дейтерия - 99,92%) в количестве 1,929 кг/ч собирается в емкости емкость сбора кондиционной тяжелой воды, 12, причем из этого количества 0,928 кг/ч передаются в емкость 11 и направляются в реактор, а 1,001 кг/час накапливаются в емкости 12 и, по мере накопления, отбираются.
-6
Кондиционная тяжелая вода, глубоко очищенная от трития (с параметрами: удельная активность трития 74⋅кБк/кг (2,0⋅10 Ки/кг), концентрация дейтерия - 99,90%), с расходом 0,4 кг/ч, отбирается в емкость 14.
-3
3
Концентрат трития в количестве 3,36⋅10 м/ч (при н.у.) (0,15 моль/ч) отбирается из колонны 6 и переводится в форму дейтерида-тритида титана для длительного безопасного хранения в устройстве 9.
11
Часовая производительность установки по излечению трития из реакторной воды составляет 2,22⋅10 Бк/ч (6 Ки/ч), часовая производительность установки по извлечению протиевой воды из реакторной тяжелой воды составляет 0,008 кг/ч.
15
При времени работы установки 5000 часов в год, ее производительность по извлечению трития составляет 1,11⋅10 Бк/год (30000 Ки/год), а по извлечению «легкой» воды - 40 кг/год. При этом установка также обеспечивает, путем переработки тяжеловодных отходов, получение 5000 кг/год кондиционной реакторной тяжелой воды и 2000 кг/год кондиционной тяжелой воды, глубоко очищенной от трития. Переработка тяжеловодных отходов осуществляется при том же потоке электролизного водорода, то есть без увеличения энергетических затрат на разложение дополнительной воды (нереакторной), т.е установка выполняет дополнительную функциональную нагрузку.
При этом в установке отсутствует взрывоопасный узел сжигания водорода.
В примере приведен один из вариантов работы установки. В зависимости от решаемых задач, величины потоков могут быть изменены.
В целом предлагаемая установка является многофункциональной установкой изотопной очистки тяжелой воды от трития и протия и позволяет экономично и безопасно решать задачи изотопной очистки тяжелой воды. Эффективность и экономичность предлагаемой конструкции свидетельствует о ее технико-экономических преимуществах по сравнению с прототипом и другими техническими решениями.
Заявляемая установка разработана для очистки тяжелой воды высокопоточного тяжеловодного реактора от радиоактивного изотопа водорода трития и легкого изотопа водорода - протия и для доведения до товарного (кондиционного) состояния некондиционной тяжелой воды, содержащей кроме дейтерия изотопы протий и тритий с концентрациями выше допустимых.