УСТАНОВКА ПО ОЧИСТКЕ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ ОТ ТРИТИЯ

Изобретение относится к области обращения с радиоактивными отходами и может быть использовано для очистки жидких радиоактивных отходов от трития.
2
Тритий содержащие жидкие радиоактивные отходы в больших объемах образуются на АЭС, заводах по переработке ОЯТ и при производстве меченых тритием соединений. Для очистки от трития тяжеловодных отходов (тяжелой воды ДО, содержащей тритий) в ряде стран: Франция, Канада, Южная Корея созданы и эксплуатируются крупные промышленные установки [Б.М. Андреев, Я.Д. Зельвенский, С.Г. Катальников. Тяжелые изотопы водорода в ядерной технике. ИздАт. М., 2000 г]. Установки данного типа (т.н. CECE типа) включают колонну жидкофазного каталитического изотопного обмена (LPCE), заполненную катализатором изотопного обмена вода-водород, соединенную в нижней части с электролизером для электролитического разложения обрабатываемой воды на водород (дейтерий, тритий) посредством трубопровода для подачи воды из колонны в электролизер и газопроводом для подачи водорода из электролизера в колонну, и соединенную в верхней части с горелкой для окисления водорода до воды посредством трубопровода для передачи воды из горелки в колонну и газопроводом для подачи водорода из колонны в горелку. При этом колонна дополнительно оборудована в центральной или нижней части линией подачи загрязненной тритием вода, в верхней части - линией отбора очищенной воды, а электролизер снабжен линией отбора тритиевого концентрата [John P. Butler et al., US Patent 4190515 A, Atomic Energy Of Canada Limited, 18.05.1978, 26.02.1980]. Установки данной конструкции позволяют достичь высокой степени очистки от трития при небольших габаритах, однако требует больших расходов на электролиз воды - 13 тыс. $ и более на 1 литр очищаемой воды [Robert H. Drake. Recovery of Tritium from. Tritiated Waste Water. Cost-Effectiveness Analysis. LA-UR-97-3767, Los Alamos National Laboratory, June 1997, 9 р.]. Поэтому использование такого типа установок оправдано при переработке только такого ценного сырья, как тяжелая вода и экономически нецелесообразно при очистке от трития обычной, легкой воды.
При очистке обычной воды, загрязненной тритием, применяются установки более сложной конструкции, сочетающие устройства с высокой пропускной способностью для предварительного извлечения и незначительного концентрирования трития с устройствами для конечного, высокого концентрирования трития, рассчитанные на переработку уже малых объемов тритий содержащих продуктов. Данные конструкции позволяют сократить затраты электроэнергии на процесс очистки и уменьшить накопление промежуточных продуктов, имеющих высокое содержание трития.
Так, известна установка для очистки воды от трития, содержащая колонну для парофазного каталитического обмена вода-водород (VPCE), имеющую в верхней своей части трубопровод для подачи загрязненной тритием воды и в нижней части - трубопровод для отбора очищенной воды, и оборудованную линиями для противоточной циркуляции через колонну водорода, которые соединены с каскадом газодиффузионных колонн (GD), на выходе которого имеются трубопроводы для передачи обогащенного тритием водорода в термодиффузионные колонны (TD), снабженные линией отбора высоко концентрированного трития [А. Busigin, US Patent 7815890 B2, Process for tritium removal from water by transfer of tritium from water to an elemental hydrogen stream, followed by membrane diffusion tritium stripping and enrichment, and final tritium enrichment by thermal diffusion, Special Separations Application, Inc., 19.10.2010]. Установка позволяет перерабатывать большие потоки в газодиффузионном каскаде, обеспечивая предварительное концентрирование трития, и осуществлять конечное концентрирование трития в термодиффузионном каскаде. Однако установка данной конструкции требует больших расходов дорогих материалов (палладий, серебро) на газодиффузионный каскад, а сам процесс газовой диффузии чрезвычайно энергоемкий.
Также описана установка для очистки воды от трития, функционирующая на предприятии «Дженерал Электрик» (GE-Hitachi), включающая колонну для ректификации воды (WD - процесс) для получения очищенной воды и предварительного концентрирования трития, соединенную в средней своей части с линией подачи загрязненной воды, в верхней части соединенной с вакуумной линией и линией отбора очищенной воды и в нижней части соединенной с электролитической ячейкой (или реактором для каталитической конверсии), катодная часть которой, в свою очередь, соединена трубопроводом подачи водорода с термодиффузионной колонной, имеющей в нижней части линию отбора высоко обогащенного трития, а в верхней части - линию отбора низко обогащенного трития [I. Bonnett and A. Busigin, US Patent №7470350, Ge Healthcare Uk Limited, Process for tritium removal from light water. 30.12.2008].
Близкую конструкцию имеет установка, разработанная компаниями Special Separations Applications Inc. (SSAI) и GE-Hitachi [A. Bonnet, A. Busigin and A. Shapiro, Tritium Removal and Separation Technology Developments, Fusion Science and Technology, 2008, Vol. 54, pp. 209-214], включающая колонны ректификации воды (WD - процесс), соединенные с колоннами каталитического изотопного обмена, снабженные в нижней своей части электролизерами (CECE - процесс), водородные линии которых соединены с каскадом газодиффузионных колонн (GD - процесс).
В обеих указанных выше установках для переработки больших входящих потоков загрязненной тритием воды используются ректификационные колонны, энергия к которым может подводиться с использованием дешевого энергоносителя, например, отработанного пара. Ректификационные колонны соединены линиями передачи предварительно обогащенного тритием раствора с электролизерами или реакторами каталитической конверсии, предназначенными для переноса трития из жидкой фазы (вода) в газовую фазу (водород) и концентрирования трития в газовой фазе. Электролизеры или реакторы каталитической конверсии, в свою очередь, имеют трубопроводы для подачи обогащенного тритием водорода в газодиффузионные или термодиффузионные колонны для конечного концентрирования трития. В установках данного типа чрезвычайно энергоемкими оказываются электролизеры или реакторы каталитической конверсии, что является недостатком данных конструкций. Кроме того, газодиффузионные или термодиффузионные колонны, входящие в состав установок, требуют для своего размещения помещений больших объемов с повышенным уровнем радиационной опасности, что ведет к существенному увеличению стоимости установки в целом.
В последнее время с целью сокращения энергозатрат на процесс очистки предложены более эффективные установки, которые для переработки входящих потоков воды также используются ректификационные колонны, однако исключают из конструкции энергоемкие аппараты для электролиза или каталитической конверсии. Вместо этих энергоемких аппаратов применяют последовательно соединенные колонны каталитического химического изотопного обмена вода-водород, работающие при высокой температуре (т.н. горячие колонны) и низкой температуре (т.н. холодные колонны) [W.R.C. Graham, US Patent №6858190, AECL, Heavy Water Production Process and Apparatus, 22.02.2005; А.В. Демин и др., Патент РФ на полезную модель №112842, Установка для очистки тритиевого конденсата от трития. 27.01.2012; А.И. Костылев и др., Патент РФ на полезную модель №126185, Установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития, 20.03.2013]. Такое конструктивное исполнение позволяет резко снизить энергетические затраты. Дополнительно в указанных конструкция вместо колонн газовой диффузии или термодиффузии применяются колонны химического изотопного обмена вода-водород, что позволяет уменьшить габариты оборудования.
Наиболее эффективной из этих трех конструкций является установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития, описанная в патенте РФ на полезную модель №126185. Установка согласно данному патенту имеет в своем составе ректификационную колонну, оборудованную конденсатором паров и кубом-испарителем и связанную трубопроводами с последовательно соединенными колоннами химического изотопного обмена вода-водород, работающими при высокой температуре (горячая колонна) и низкой температуре (холодная колонна) и оборудованными магистралью для циркуляции водорода по указанным холодной и горячей колоннам. Последовательно соединенные горячие и холодные колонны химического изотопного обмена вода-водород подсоединены, в свою очередь, к дополнительной колонне химического изотопного обмена, снабженной электролизером в нижней части, каталитической горелкой в верхней своей части и контейнером для сбора тритиевого концентрата.
Эта установка по конструкции является наиболее близкой к заявляемой и выбрана нами в качестве прототипа.
Недостатком данной конструкции являются, прежде всего, большой расход энергии на ректификацию воды. Энергетические затраты на этот процесс практически определяют стоимость очистки радиоактивных отходов (воды) от трития в этой установке и составляют около 20 кВт час на 1 л очищенной воды.
Также технически сложным при эксплуатации и достаточно дорогостоящим является устройство для отбора и фиксации тритиевого концентрата в виде тритида титана.
Задача, на решение которой направлено данное техническое решение, заключается в устранение указанных недостатков, а именно:
- в снижении энергетических затрат на ректификацию воды, определяющих суммарные энергозатраты на процесс очистки;
- в повышении технологичности операции отбора и фиксации тритиевого концентрата.
Техническим результатом данного технического решения является снижение энергетических затрат на процесс очистки. Данный результат получен за счет использования в составе ректификационной колонны контура теплового насоса, обеспечивающего за счет циркуляции теплоносителя-фреона рекуперацию тепла, затрачиваемого на испарение воды в испарителе, в конденсоре. Отбор и фиксация тритиевого концентрата в виде воды из электролизера повышает безопасность и технологичность этой операции и установки в целом. Это является дополнительным результатом заявляемого технического решения.
Кроме того, предлагаемая полезная модель позволяет расширить арсенал технических средств, предназначенных для очистки жидких радиоактивных отходов от трития.
Технический результат заявляемого решения достигается тем, что установка для очистки жидких радиоактивных отходов от трития содержит ректификационную колонну, оборудованную конденсором паров, расположенным сверху ректификационной колонны, и испарителем, расположенным снизу ректификационной колонны. В частном случае выполнения испаритель может представлять собой куб.
Для снижения энергетических затрат на процесс очистки от трития испаритель оборудован нагревающим теплообменником, а конденсор оборудован охлаждающим теплообменником. В частном случае выполнения теплообменники испарителя и конденсора могут быть выполнены в виде змеевиков. Теплообменники испарителя и конденсора связаны магистралью с установленным на ней компрессором и расширительным клапаном для циркуляции теплоносителя. В качестве теплоносителя может быть применен фреон. Циркуляция теплоносителя-фреона согласно заявляемому решению обеспечивает высокую степень экономии энергии, затрачиваемой на испарение воды в ректификационной колонне, за счет возврата тепла, выделяемого парами воды при конденсации в конденсоре, в испаритель.
Ректификационная колонна посредством трубопровода соединена со входом холодной колонны химического изотопного обмена, работающей при низкой температуре. Установка, также, содержит горячую колонну химического изотопного обмена, работающую при высокой температуре. Выход горячей колонны химического изотопного обмена соединен трубопроводом с испарителем. Холодная и горячая колонны химического изотопного обмена объединены магистралью для циркуляции по ним водорода.
Выход холодной колонны химического изотопного обмена соединен трубопроводом со входом дополнительной колонны химического изотопного обмена. Электролизер связан с дополнительной колонной химического изотопного обмена таким образом, что в него поступают жидкие отходы (например, вода) из дополнительной колонны, а обратно в колонну поступает водород, полученный в результате электролиза. То есть вход электролизера связан по жидкой фазе (вода) с выходом дополнительной колонны химического изотопного обмена, а выход электролизера связан по газовой фазе (водороду) со входом дополнительной колонны. Электролизер, также, соединен с каталитической горелкой магистралью для передачи полученного в результате электролиза кислорода в каталитическую горелку. Каталитическая горелка, в свою очередь, связана с дополнительной колонной химического изотопного обмена таким образом, что водород из дополнительной колонны поступает в каталитическую горелку. То есть первый вход горелки связан по газовой фазе (кислороду) с выходом электролизера, а второй вход горелки связан по газовой фазе (водороду) с выходом дополнительной колонны. Выход каталитической горелки соединен трубопроводом со входом горячей колонны химического изотопного обмена.
Кроме того, в частном случае выполнения заявляемой конструкции для вывода тритиевого концентрата в виде воды из установки используется контейнер, соединенный с электролизером.
Полезная модель поясняется конкретным вариантом выполнения со ссылками на чертеж, где на фиг. представлена обобщенная схема установки.
На фигуре чертежа приняты следующие обозначения:
1 - ректификационная колонна;
2 - испаритель;
3 - конденсор паров;
4 - трубопровод подачи исходной загрязненной тритием воды;
5 - трубопровод отбора очищенной от трития воды;
6 - трубопровод подачи обогащенной тритием воды из ректификационной колонны в холодную колонну химического изотопного обмена;
7 - холодная колонна химического изотопного обмена;
8 - горячая колонна химического изотопного обмена;
9 - магистраль для циркуляции водорода по холодной и горячей колонне химического изотопного обмена;
10 - трубопровод для подачи обогащенной тритием воды из холодной колонны в дополнительную колонну химического изотопного обмена;
11 - трубопровод для подачи воды из каталитической горелки в горячую колонну химического изотопного обмена;
12 - трубопровод для подачи тритий содержащей воды из горячей колонны химического изотопного обмена в куб-испаритель ректификационной колонны;
13 - дополнительная колонна химического изотопного обмена;
14 - электролизер;
15 - каталитическая горелка для сжигания водорода, поступающего по колонне 13 из электролизера 14, в кислороде, поступающем из электролизера 14 по магистрали 16;
16 - магистраль для подачи кислорода из электролизера в каталитическую горелку;
17 - контейнер для тритиевого концентрата;
18 - нагревающий змеевик-теплообменник теплового насоса, обеспечивающий кипение воды;
19 - охлаждающий змеевик-теплообменник теплового насоса, обеспечивающий конденсацию паров воды;
20 - магистраль циркуляции теплоносителя-фреона контура теплового насоса, связывающая нагревающий и охлаждающий змеевики;
21 - компрессор, обеспечивающий циркуляцию теплоносителя-фреона;
22 - расширительный клапан на магистрали циркуляции теплоносителя.
F
Установка по очистке очистки жидких радиоактивных отходов (воды) от трития работает следующим образом: исходная, загрязненная тритием вода поступает по трубопроводу 4 (поток F с концентрацией трития x) в ректификационную колонну, в нижней части которой расположен испаритель 2. В испарителе вода испаряется, в виде пара проходит по ректификационной колонне 1 и конденсируется в конденсоре 3. Образующаяся вода стекает по ректификационной колонне 1 в испаритель 2. При многократно повторяющемся 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.
p
Вода, поступающая из конденсора 3 в верхнее сечение колонны и практически не содержащая трития, через трубопровод 5 отбирается в виде потока очищенной воды P, x.
Для достижения высокой степени очистки воды от трития процесс испарения воды в испарителе 2 и ее конденсации в конденсоре 3 должен повторяться многократно. Это означает, что энергия на испарение воды постоянно подводится в испаритель 2 в виде, например, электричества, а в конденсоре 3 эта энергия рассеивается (отбирается и безвозвратно теряется) с охлаждающей водой, циркулирующей через конденсор. Для экономии энергии, затрачиваемой на испарение, в предлагаемой конструкции испаритель оборудован дополнительно нагревающим змеевиком-теплообменником 18 теплового насоса, обеспечивающим кипение воды за счет сжатия компрессором 21 теплоносителя-фреона. После передачи теплоты в испарителе 2 фреон испаряется через расширительный клапан 22, охлаждается и поступает в охлаждающий змеевик-теплообменник 19 конденсора 3. Водяной пар в конденсоре 3 конденсируется на змеевике-теплообменнике 19, передавая свое тепло фреону. Фреон, отобрав тепло от конденсирующихся паров воды, поступает на вход компрессора 21. Циркуляция указанным образом теплоносителя-фреона по магистрали 20 обеспечивает функционирование теплового насоса: тепло, запасенное в парах воды, возвращается из конденсора назад в испаритель.
Предварительно обогащенная тритием вода из нижнего сечения ректификационной колонны 1 по трубопроводу 6 поступает на орошение колонны 7 химического изотопного обмена, работающей при низкой температуре (т.н. холодной колонны). Холодная колонна 7 связана с горячей колонной 8 (т.е. работающей при высокой температуре) магистралью 9, посредством которой обеспечивается циркуляция через колонны 7 и 8 водорода. В результате химического изотопного обмена между водой и водородом в нижнем сечении холодной колонны 7 достигается дополнительное обогащение воды тритием, а в нижнем сечении горячей колонны 8 - обеднение воды тритием. Обогащенная тритием вода из колонны 7 по трубопроводу 10 поступает на орошение дополнительной колонны 13 химического изотопного обмена, а обедненная тритием вода по трубопроводу 12 возвращается в испаритель 2.
W
Обогащенная тритием вода, поступившая в дополнительную колонну 13 по трубопроводу 10 проходит через колонну, поступает в электролизер 14, где разлагается на водород и кислород. Выделяющийся водород возвращается в колонну 13 и на выходе колонны сжигается до воды в каталитической горелке 15. Для сжигания водорода используется кислород, выделяющийся в электролизере 14 при электролизе воды и поступающий в каталитическую горелку по магистрали 16. Получающаяся в горелке вода, содержащая тритий, возвращается для доочистки на вход в горячую колонну 8 по трубопроводу 11. При противоточном движении воды и водорода в колонне 13 в результате химического изотопного обмена между водой и водородом происходит концентрирование трития в нижнем сечении колонны и в электролизере. Вода с высокой концентрацией трития (поток W, x) по мере накопления в ней трития отбирается на выходе из электролизера 14 в контейнер 17. В контейнере 17 вода с высоким содержанием трития (до 10-50 Ки/л) фиксируется на окиси алюминия, окиси магния или ином адсорбенте.
Установка по данному техническому решению обеспечивает очистку воды от трития с низким уровнем энергетических затрат и имеет высокую степень технологичности и безопасности.
Техническое решение иллюстрируется следующим примером. Установка для очистки воды от трития имеет в своем составе следующее оборудование:
- ректификационную колонну 1 диаметром 300 мм и высотой 15 м, заполненную массообменными устройствами в виде насадки Левина [Авт. свид. СССР N 75115, C12F 1/00, опубл. 1949 г.] с размерами 2,5×2,5×0,2 мм, выполненной из оксидированной нержавеющей стали. Рабочие параметры колонны: температура/давление в голове колонн - 60-65°C/0,02 МПа, в нижней части колонны - 70-75°C/0,045 МПа. Колонна имеет трубопровод 4 для подачи исходной воды с расходом до 6 л/час, трубопровод для отбора очищенной воды с расходом до 6 л/час, трубопроводы 6 и 12 для передачи и отбора раствора в колонны химического изотопного обмена 7 и 8 с расходом до 10 л/час;
- куб-испаритель 2, соединенный с ректификационной колонной 1 и оборудованный змеевиком-теплообменником 18 с поверхностью испарения 3,6 м;
- конденсор 3, соединенный с ректификационной колонной и оборудованный змеевиком-теплообменником 19 с поверхностью конденсации 7,2 м;
- контур теплового насоса, включающий магистраль 20 для циркуляции теплоносителя-фреона (R407, R134 и т.п.), расширительный клапан 22 с ресивером, компрессор 21 мощностью 15 кВт;
- холодная колонна 7 химического изотопного обмена высотой 6 м и диаметром 200 мм, заполненная гидрофобным катализатором [J. Li et al., US 7153486 B2, Wetproofed catalysts for hydrogen isotope exchange, AECL, 26.12.2006]. Рабочая температура - 60°C, давление - 0,1 МПа; Горячая колонна 8 химического изотопного обмена высотой 6 м и диаметром 200 мм, заполненная гидрофобным катализатором [J. Li et al., US 7153486 B2, Wetproofed catalysts for hydrogen isotope exchange, AECL, 26.12.2006]. Рабочая температура - 130°C, давление - 1,0 МПа. Колонны снабжены трубопроводами 11 и 10 для передачи обогащенного тритием раствора с расходом до 6 л/час и магистралью 9 для циркуляции водорода с расходом до 50 м /час;
- колонна 13 химического изотопного обмена высотой 3 м и диаметром 100 мм, заполненная гидрофобным катализатором [J. Li et al., US 7153486 B2, Wetproofed catalysts for hydrogen isotope exchange, AECL, 26.12.2006]. Рабочие условия - температура - 60°C, давление - 0,1 МПа. Колонна соединена с электролизером 14 с производительностью по водороду до 1000 л/час типа МЭл 500 и каталитической горелкой 15 с тепловыделением до 10 МДж/час с контуром охлаждения проточной водой с расходом 100 л/час;
- контейнер для сбора и фиксации трития - сосуд из нержавеющей стали емкостью 5 л, оборудованный соединительной арматурой.
6
10
На установке перерабатывается вода, загрязненная тритием до уровня ~1·10 Бк/л. Производительность установки составляет 5 л/час по исходной воде. При работе установки образуется очищенная от трития вода в количестве ~5 л/час (остаточное содержание трития ~300-500 Бк) и тритиевый концентрат, который отбирается в виде тритий содержащей воды со скоростью ~0,5 мл/час из электролизера и фиксируется на окиси алюминия в контейнере для захоронения (5-6% массовых). Концентрация (активность) трития в концентрате составляет ~1·10 Бк/л.
Установка в данном исполнении имеет производительность 5 л/час, обеспечивает очистку воды от трития до норм сброса (степень очистки более 2000) и концентрирование трития в 10000 раз по сравнению с его исходным содержанием. Потребляемая электрическая мощность установки - не более 20 кВт. Потребляемая электрическая мощность установки по прототипу - не менее 120 кВт (оценка).
Таким образом, установка для очистки воды от трития по данному техническому решению обладает преимуществами в сравнении с техническим решением по прототипу по уровню энергопотребления: заявляемая установка примерно в 6 раз более эффективна, чем установка по прототипу.
Установка также имеет повышенную по сравнению с прототипом безопасность и технологичность, поскольку высокоактивный тритиевый концентрат отбирается в форме воды.
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 жидких радиоактивных отходов.