Газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления (варианты)
GAS PURIFIER FOR CAPTURING VOLATILE FISSION PRODUCTS (OPTIONS)

Группа изобретений относится к радиохимическим производствам атомной промышленности и может быть использована в составе установки для улавливания летучих продуктов деления, таких как радиоактивные аэрозоли и соединения радиоактивного йода, из отходящих газов в процессах пирохимической переработки облученного ядерного топлива.
Для локализации радиоактивных аэрозолей и радиоактивного йода в различных формах на различных переделах переработки облученного ядерного топлива (ОЯТ) применяются газоочистные аппараты, основным элементом которых являются сорбенты на основе активированных углей, углеродных и керамических волокон, стекловолокна, металлической ваты, а также гранулированные керамические контактные элементы на основе цеолитов, силикагелей или алюмогелей, импрегнированных химическими адсорбентами, среди которых наиболее эффективными являются соединения серебра.
Так, в российских промышленных фильтрах-адсорберах типа АУИ-1500, выпускаемых АО "Прогресс-Экология", для улавливания радиоактивных аэрозолей и радиойода в условиях АЭС, заменяемые йодные модули заполнены углеродными сорбентами на основе активированных углей СКТ-3, импрегнированных йодидами металлов (Ягодкин И.В., Мартынов П.Н., Мельников В.П., Посаженников А. М., Паповянц А.К., Осипов В.П., Гришин А.Г. Состояние разработок современного фильтрационного оборудования для новых проектов АЭС с ВВЭР // Тяжелое машиностроение. 2010. №2. С.5-9).
Фильтр комбинированного типа ФАИ-3000 оснащен многослойным волокнистым материалом "Филосорб-2", который содержит высокодисперсный активированный уголь ОУ-А, импрегнированный иодидами бария (калия) или аминоспиртами, а также 1-2 слоя углеволокнистого материала (Корниенко В.Н. Создание йодных фильтров-адсорберов для атомных электростанций и радиохимических производств: автореф. дис. канд. хим. наук. СПб., 2005. 16 с.). Недостатком угольных сорбентов является потеря эффективности при повышении температуры выше 100°С и пожароопасность в аварийных ситуациях.
Известно устройство для фильтрации газового потока, содержащего радиоактивные аэрозоли и/или газообразный радиоактивный йод (патент RU 2606751, МПК G21F 9/00, опубл. 10.01.2017, Заявитель, ЮИТ Джермани ГмбХ (DE). Устройство содержит герметичный корпус, по меньшей мере с одним входом для неочищенного газа, одним выходом для очищенного газа и одним фильтрующим элементом, через который проходит газовый поток.
Как следует из описания к данному патенту, специально для преобладающих при авариях, подобной Чернобыльской, с оплавлением активной зоны экстремальных условий в защитной оболочке, а именно температурах газа до 160°С и давлениях до 9 бар, в центре ядерных исследований в Карлсруэ разработана фильтровальная система, основанная на методе сухой фильтрации, с помощью которой может быть уменьшено на несколько порядков загрязнение окружения радиоактивными аэрозолями и радиоактивным газообразным йодом. Метод сухой фильтрации является полностью пассивной системой, обычно состоящей из фильтров из металлической ваты для задерживания переносимых воздухом радиоактивных аэрозолей, а также специально легированных, образующих молекулярное сито цеолитов для хемосорбции газообразного радиоактивного йода и его органических соединений.
2
0
2+
+
Известен комбинированный фильтр для очистки радиоактивной парогазовой смеси (патент RU №184350, МПК G21C 13/10, опубл. 23.10.2018), предназначенный для локализации летучих форм радиоактивного йода и радиоактивных аэрозолей в системах вентиляции, как при нормальной работе АЭС, так и при аварийной разгерметизации ТВЭЛов, с целью предотвращения радиоактивного заражения окружающей среды. Комбинированный фильтр состоит из одинаковых цилиндрических секций, при этом первая и замыкающая по ходу очищаемого потока газа секции заполнены сорбентом из неорганического материала SiO-Cu, или силикагелем марки КСКГ или их смесью, а в качестве наполнителя каждая из промежуточных секций для улавливания летучих форм радиоактивного йода заполнена гранулированным сорбентом на основе активированного угля марки СКТ-3И или неорганическим гранулированным сорбентом «Физхимин» на основе силикагеля, на гранулы которого нанесен сорбционно-активный слой. Для нанесения этого слоя использован метод пропитки раствором азотнокислых солей серебра и никеля в аммиаке или смесью водных растворов солей серебра и никеля с аммиаком с концентрацией серебра в готовом сорбенте 1.0-2.0 мас. % и мольным отношением Ni:Agот 2:1 до 4:1.
Секции комбинированного фильтра расположены таким образом, чтобы размер пор гранулированного сорбента уменьшался в направлении от первой секции к замыкающей по ходу очищаемого газового потока. Общим недостатком фильтров с насыпным сорбционным слоем и многослойным волокнистым материалом является невысокая механическая прочность, общая пористость, внешняя удельная поверхность и высокое газодинамическое сопротивление. Склонность к механическому разрушению и истиранию под воздействием вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации приводит к засорению продуктов реакции, частичному спеканию при высоких температурах в аварийных режимах работы, вызывает повышение газодинамического сопротивления газоочистного аппарата и сокращение его эффективного ресурса. Также общим для всех насыпных фильтров недостатком является образование неравномерных каналов с градиентом скоростей и температур по сечению аппарата, резко снижающих эффективность очистки, что приводит к необходимости значительно увеличивать толщину фильтрующего слоя и соответственно габариты установки для улавливания летучих продуктов деления, таких как радиоактивные аэрозоли и соединения радиоактивного йода из отходящих газов в процессах пирохимической переработки облученного ядерного топлива.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка малогабаритного газоочистного аппарата для улавливания аэрозолей и соединений радиоактивного йода с повышенной сорбционной емкостью и сроком службы.
Для решения поставленной задачи предложена группа изобретений, состоящая из двух вариантов.
2
3
По первому варианту, предназначенному для улавливания радиоактивных аэрозолей, предложен газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления, содержащий закрепленные на раме сменный картридж, верхнюю и нижнюю крышки и механическое плунжерное прижимное устройство, сменный картридж заполнен без разделения на секции комплектом блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащего более 90% α-АlО, с нанесенным на каркас сорбционно-активным слоем γ-оксида алюминия в количестве 15% масс., при этом аппарат оснащен датчиками контроля температуры газового потока на входе и выходе из аппарата и контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов радиоактивными аэрозолями.
2
3
По второму варианту, предназначенному для локализации соединений радиоактивного йода, предложен газоочистной аппарат для улавливания летучих продуктов деления, содержащий закрепленные на раме сменный картридж, верхнюю и нижнюю крышки и механическое плунжерное прижимное устройство, сменный картридж заполнен без разделения на секции комплектом блочных контактных элементов, расположенных с увеличением плотности пор каждого последующего элемента по ходу очищаемого газового потока от 10 до 45 ppi, представляющих собой жесткий каркас из керамического высокопористого блочно-ячеистого материала с размером ячейки 0,5-1,2 мм, общей открытой пористостью 85-90%, содержащего более 90% α-АlО, с нанесенным на каркас сорбционно-активным слоем нитрата серебра в количестве 20% масс., при этом аппарат оснащен датчиками контроля температуры газового потока на входе и выходе из аппарата и контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов соединениями радиоактивного йода.
2
3
3
Использование предлагаемых керамических блочно-ячеистых контактных элементов, обладающих высокой доступной внешней удельной поверхности (до 2700 м/м), обеспечивает необходимую степень очистки по молекулярному йоду и метилйодиду >10 при значительно более высокой по сравнению с гранулированными сорбентами сорбционной емкостью по аэрозолям и соединениям йода, что позволяет значительно уменьшить массогабаритные характеристики аппаратов газоочистки и продлить срок их эксплуатации. Минимальное газодинамическое сопротивление контактных элементов ячеистой структуры снижает затраты на подачу очищаемого газа.
В отличие от известного комбинированного фильтра для локализации, как летучих форм радиоактивного йода, так и радиоактивных аэрозолей, скомпонованного, как набор заполненных гранулированным сорбентом секций, расположенных от первой до замыкающей, с уменьшением размера пор сорбента по ходу очищаемого газового потока, заявляемый газоочистной аппарат содержит сменные картриджи, заполненные комплектом жестких блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания аэрозолей или соединений йода.
Высокая механическая прочность используемого материала позволяет устанавливать в сменный картридж контактные элементы последовательно в виде отдельных блоков-секций заданных размеров с увеличением плотности пор по ходу очищаемого газа без разделения дополнительными перегородками. Из отдельных аппаратов с разными картриджами можно компоновать установку для улавливания летучих продуктов деления в зависимости от состава очищаемого газового потока.
Новый технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в расширении компоновочных возможностей малогабаритного газоочистного аппарата с повышенной сорбционной емкостью и сроком службы, а также улучшении его экономических и экологических характеристик, снижении металло- и энергоемкости.
Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг. 1 изображен газоочистной аппарат; на фиг. 2 - сменный картридж с комплектом блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания аэрозолей или соединений йода.
Газоочистной аппарат состоит из сменного картриджа 1, верхней 2 и нижней 3 крышки, механического плунжерного прижимного устройства 4, закрепленных на раме 5. Для измерения температуры газового потока на входе и выходе из аппарата установлены термопары 6, а для контроля повышения газодинамического сопротивления по мере насыщения контактных элементов аэрозолями или соединениями йода - дифманометр 7.
Сменный картридж состоит из верхнего 8 и нижнего 9 прижимных фланцев и корпуса 10 в который установлены 5 керамических высокопористых блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания аэрозолей или соединений йода, расположенных с увеличением плотности пор по ходу очищаемого газа: один блок 11 с плотностью пор 10 ppi, один блок 12 с плотностью пор 20 ppi, два блока 13 с плотностью пор 30 ppi и один блок 14 с плотностью пор 45 ppi - при максимальной эффективности очистки в последнем блоке, причем первый блок равномерно распределяет газовый поток по сечению.
Для получения керамической основы контактных элементов исходный ретикулированный пенополиуретан с размером ячейки 0,5-1,2 мм (соответствует плотности пор 45-10 ppi) пропитывают керамическим шликером, содержащим в основном α-оксид алюминия, сушат при температуре 110…120°С и прокаливают при температуре 1470…1510°С. В результате такой обработки органическая основа выгорает полностью и получают жесткий каркас из керамического высокопористого ячеистого материала с общей открытой пористостью 85-90%.
По первому варианту изобретения на полученный керамический каркас методом многократной пропитки водным раствором алюмозоля и последовательной термообработки при температуре 500-550°С наносят активный сорбционный слой γ-оксида алюминия в количестве 15% масс.
По второму варианту изобретения на полученный керамический каркас методом многократной пропитки водным раствором нитрата серебра и последовательной термообработки при температуре 120-150°С наносят активный сорбционный слой нитрата серебра в количестве 20% масс В зависимости от состава очищаемого газового потока (аэрозоли и/или соединения радиоактивного йода) могут использоваться оба заявляемых варианта газоочистного аппарата с картриджами, заполненными контактными элементами обоих описанных типов. Возможно также последовательное соединение двух аппаратов с картриджем для предварительной фильтрации аэрозолей в первом по ходу газа аппарате и картриджем для локализации соединений радиоактивного йода во втором. Аппарат работает при температуре окружающей среды, температура газа на входе может находиться в интервале 25-1000°С. Материал корпусных деталей аппарата и сменного картриджа - нержавеющая сталь 20Х23Н18. Размеры контактных элементов, сменных картриджей и габариты аппаратов могут быть масштабированы в зависимости от необходимой производительности по очищаемому газу (ограничение линейной скорости газового потока, проходящего через картридж - не более 0,5 м/с) и концентрации улавливаемых веществ при заданной сорбционной емкости в интервале 0,05-0,1 г/г контактного элемента. Смена картриджей производится после накопления расчетного количества аэрозолей или соединений йода в соответствии с допустимым для последующей утилизации уровнем радиоактивности или по заданной максимальной величине газодинамического сопротивления картриджа.
Рекомендованное применение предлагаемых картриджных газоочистных аппаратов - предварительная очистка отходящих газов от радиоактивных аэрозолей и локализация летучих соединений радиоактивного йода на пирохимическом переделе переработки ОЯТ в головном процессе высокотемпературной обработки, а также в процессе электролиза при выделении из расплава токсичных аэрозолей LiCl.