Система и способ удаления растворенного кремния из борированной воды на атомной электростанции (АЭС)
SYSTEM AND METHOD OF REMOVING DISSOLVED SILICON FROM BORATED WATER AT NUCLEAR POWER PLANT (NPP)

Данная группа изобретений относится к технической области водно-химического управления на атомных электростанциях (АЭС), и она касается системы и способа удаления растворенного кремния из борированной воды на АЭС.
Борная кислота добавляется в первичный контур АЭС для контроля реакционной способности и обеспечения безопасности и контроля атомной электростанции. В настоящее время на атомных электростанциях в стране и за рубежом обычно возникает проблема с высоким содержанием растворенного кремния в борсодержащей воде. Когда кремниевая кислота и коллоиды кремниевой кислоты, содержащиеся в растворенном кремнии, одновременно присутствуют с кальцием, магнием, алюминием и другими ионами, силикатное осаждение легко образуется на поверхности оболочки топлива, что ставит под угрозу безопасную работу устройства, химические и физические свойства растворенного кремния и борной кислоты, очень близки, что приводит к тому, что сложно отделить борную кислоту и растворенный кремний.
В связи с особенностью АЭС, имеется строгое требование к качеству воды, т.е., во время удаления растворенного кремния не допускается вовлечение примеси, и одновременно необходимо обеспечиться высокий коэффициент рекуперации борной кислоты, иначе это приводит к большому объему радиационных отходов.
В данный момент растворенный кремний в борированной воде на отечественных и зарубежных АЭС накопляется из года в год, однако отсутствует эффективная методика по удалению растворенного кремния. В связи с этим необходимо разработать высокоэффективный способ для удаления растворенного кремния из борированной воды на АЭС.
Так, из уровня техник и известна система и способ удаления кремния из борированной воды изложенная в заявке JP 2005147788, опубликованная 09.06.2005. Эта система и способ представляют собой систему очистки и повторного использования борированной воды от кремния, в которой используется тонкая пленка с обратным осмосом для разделения сред, удаляет другие компоненты, включая двуокись кремния, и получает высокую концентрацию борной кислоты. Она применима к основным системам охлаждения атомной электростанции. При этом система содержит: резервуар для хранения борной кислоты, резервуар временного хранения концентрата, резервуар тонкопленочной мембраной и обратным осмосом, электрическое устройство управления и устройство мониторинга двуокиси кремния борной кислоты и соответствующие устройства соединены друг с другом и основаны на конкретном этапе операции. Однако известная группа изобретений не позволяет полностью из борной кислоты извлечь кремний, поскольку одной тонкопленочной мембраны недостаточно для удаления полноценного удаления диоксида кремния.
Таким образом, ранее известные системы и способы удаления кремния из борной воды не позволяли минимизировать отходы на ядерном объекте, сократить потерю борной кислоты в бассейне отработавшего топлива на атомных электростанциях, обеспечить наиболее полное удаление растворенного кремния со скоростью извлечения борной кислоты.
Технической задачей, которая должна быть решена в соответствии с настоящим изобретением, является система и способ удаления растворенного кремния в борсодержащей воде атомной электростанции, эффективно удаляя растворенный кремний в борсодержащей воде атомной электростанции без введения других примесей и обеспечения высокого восстановления борной кислоты.
Технический результат заключается в минимизации отходов на ядерном объекте, сокращении потерь борной кислоты в бассейне отработавшего топлива на атомных электростанциях, обеспечении удаления растворенного кремния с извлечением борной кислоты до 99,5%, при этом обрабатывании 10 тонн радиоактивных жидкостей, производится только 13,5 литров отработанной жидкости.
Указанный технический результат реализуется за счет следующих особенностей системы и способа удаления кремния из борированной вода с АЭС.
Система для удаления растворенного кремния в борсодержащей воде атомной электростанции, включая резервуар для хранения борной кислоты атомной электростанции, буферный резервуар для диализата, резервуар для первичной воды, систему первичной нанофильтрацию, с двумя ступенями: нонофильтр А и нанофильтр В; вторичный буферный резервуар для воды и систему вторичную нанофильтрации. При этом боросодержащую воду из резервуара для хранения борной кислоты направляют в резервуар для первичной воды, резервуар для первичной воды имеет два выхода, один выход соединен с резервуаром для вторичной воды, а другой выход соединен с резервуаром для нанофильтрации первой ступени: нанофильтр А и нанофильтр В. Нанофильтрация используется для диализа жидкости. При диализе борная кислота проходит через мембрану нанофильтрации, а растворенный кремний захватывается мембраной нанофильтрации. Диализат транспортируется в буферный резервуар для диализата, а концентрированная жидкость возвращается в резервуар для первичный воды. Второй буферный резервуар имеет два выхода, один выход соединен с системой рекуперации радиоактивных отходов АЭС, другой выход связан с системой вторичной нанофильтрации. Система вторичной нанофильтрации используется для диализа борированной воды, она проходит через мембрану нанофильтра во время диализа. Кремний захватывается мембраной нанофильтрации, а диализат, оставшийся после фильтрации отправляется в буферный резервуар для диализата, а борированная вода возвращается во вторичную буферную емкость, при этом из буферного резервуара для диализата, диализат транспортируют в резервуар для хранения борной кислоты атомной электростанции.
При этом первичный насос для нанофильтрации расположен между резервуаром первичной воды и системой первичной нанофильтрации. Между вторичным буферным резервуаром и системой вторичной нанофильтрацией предусмотрен вторичный насос для нанофильтрации. Кроме того между буферный резервуаром для диализата и резервуарами для хранения борной кислоты атомной электростанции расположен диализный насос.
Мембрана для нанофильтрации, используемая, как в системе первичной нанофильтрации, так и вторичной нанофильтрации, имеет диаметр пор 3-5 нм.
При этом способ удаления растворенного кремния в борированной воде атомной электростанции включает следующие этапы.
Первый этап.
3
3
Резервуар для хранения борной кислоты АЭС выгружают в резервуар для первичной воды объемом V1, равный 10 м. Затем под давлением первичного насоса нанофильтрации, борированная вода диализуется через два нанофильтра системы первичной нанофильтрации: нанофильтр А и нанофильтр В последовательно. Затем поток борированной воды после системы возвращают в резервуар для первичной воды, а скорость потока на входе в резервуар для первичной воды регулируется так, чтобы она была равна скорости потока борированной воды, гарантируя, что уровень борированной воды в резервуаре для первичной воды поддерживается на фиксированном уровне H1, равной 0,9 м. Когда объем V1, т.е. 10 м достигнут, вход воды прекращается, и основная система нанофильтрации, включающая в себя основной насос нанофильтрации, система первичной нанофильтрации нанофильтров А и В продолжают работать до тех пор, пока уровень резервуара для первичной воды не упадет до Н2, равного 0,3 м. Насос нанофильтрации первой ступени останавливают достигнув объема резервуара для первичной воды до V2, равным 100 л.
Второй этап
В оставшийся объем борированной воды V2 (100 л) в резервуаре для первичной автоматически добавляется объем V3, равный 150 л из резервуара для хранения борной кислоты на атомной электростанции, которые потом выгружают в буферный резервуар для вторичной воды, то есть оставшаяся борированная вода, содержащая высокую концентрацию растворенного в ней кремния после системы первой нанофильтрации, разбавляют водой объема 150 л и направляют в систему вторичной нанофильтрации. Очень важно добавлять воду, главным образом для ополаскивания системы первичной нанофильтрации и резервуара для первичной воды, чтобы удалить нерастворимые материалы и предотвратить блокировку трубопровода и мембран нанофильтров. При этом, когда уровень буферного резервуара для вторичной воды достигает высоты Н3, равного 0,2 м, вторичный нанофильтрационный насос начинает подавать борированную воду на вторичный диализ через систему вторичной нанофильтрации, а диализат, оставшийся после системы вторичной нанофильтрации течет в буферный резервуар для диализата, а отфильтрованную борированную воду возвращают в буферный резервуар вторичной воды.
Третий этап
Когда система вторичной нанофильтрации, включающая вторичный нанофильтрационный насос и систему вторичной нанофильтрации, имеет объем кумулятивной обработки V2+V3, т.е. 100+150 л, а буферный резервуар для вторичной воды заполнен до уровня жидкости Н4 (0,4 м). Оставшаяся борированная вода, содержащая высокую концентрацию растворенного в ней кремния, разбавляют деминерализованной водой 24,5 л. Очень важно добавлять деминерализованную воду. Добавление деминерализованной воды увеличивает концентрацию борной кислоты после системы вторичной нанофильтрации, обеспечивая борную кислоту на следующую партию. Коэффициент восстановления борной кислоты составляет 99,5%. Затем продолжают подвергать диализу разбавленную борированною воду на системе вторичной нанофильтрации. Диализат, оставшийся после фильтрации, выгружают в буферный резервуар для диализа и выводят в резервуар для хранения борной кислоты на атомной электростанции. Отфильтрованную борированную воду возвращают в буферный резервуар для вторичной воды для продолжения диализа, т.е. увеличить коэффициент рекуперации борной кислоты при помощи многократного диализа.
Четвертый этап
На четвертом этапе система вторичной нанофильтрации непрерывно работает до тех пор, пока вторичный буферный резервуар не будет заполнен до уровня Н5, равным 0, 15 м жидкости, после чего вторичный насос нанофильтрации будет остановлен. При этом оставшаяся концентрированная жидкость вторичного буферного резервуара обрабатывается системой регенерации радиационных отходов АЭС в виде жидких радиационных отходов.
Отходы 781.93mg / L 45.2g / L 13.5 литров
При этом задают верхний уровень Н6 (0,2 м) и нижний уровень Н7 (0,1 м) для буферного резервуара диализата. Когда уровень воды в буферном резервуаре диализата находится между Н7 и Н6, приводят систему по удалению растворенного кремния из борированной воды АЭС в непрерывную работу. Когда уровень воды в буферном резервуаре диализата достигает верхнего уровня Н6, автоматически начинают подачу воды в бак-хранилище борной кислоты для АЭС диализирующим насосом. Когда уровень воды в буферном резервуаре диализата достигает нижнего уровня Н7, прекращают подачу воды диализирующим насосом. До данного момента выполнена одна партия обработки борированной воды системой.
Пятый этап.
После завершения процесса работы системы систему переводят в режим очистки. При этом раствор в резервуаре для хранения борной кислоты на атомной электростанции автоматически очищается один раз, очищенная вода возвращается в резервуар для хранения борной кислоты на атомной электростанции, а затем завершается следующая партия процесса очистки воды, тем самым завершая процесс. Удаление растворенного кремния из охлаждающей жидкости атомной электростанции.
Таким образом, система и способ удаления растворенного кремния в борсодержащей воде атомной электростанции по изобретению используют многоступенчатую систему нанофильтрации для эффективного отделения борной кислоты и растворенного кремния и обеспечения эффективного удаления растворенного кремния без введения других примесей, с эффективностью извлечения борной кислоты 99,5, уменьшая количество радиоактивных отходов, образующихся на атомных электростанциях.
Описание прикрепленных схем
Фигура 1 представляет собой схематический вид составляющей частей системы по удалению растворенного кремния из борированной воды на АЭС.
На фиг.1: 1 - резервуар для хранения борной кислоты на атомной электростанции, 2 - буферный резервуар для диализата, 3 - резервуар для первичный воды, 4 - нанофильтр А, 5 - первая нанофильтр В, 6 - буферная емкость для вторичной воды; 7 - система вторичной нанофильтрации, 8 - нанофильтрационный насос для первичной нанофильтрации, 9 - нанофильтрационный насос для вторичной нанофильтрации, 10 - диализный насос.
Конкретные методы реализации
Система и способ удаления кремния, растворенного в борсодержащей воде атомной электростанции в соответствии с настоящим изобретением, будут подробно описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи и варианты осуществления.
Группа изобретений объединяет рабочие характеристики атомной электростанции для разработки системы удаления растворенного кремния в борированная вода атомной электростанции: борированная вода сбрасывается в систему удаления кремния для обработки, а система удаления кремния состоит из последовательных двух систем нанофильтрации первой ступени (нанофильтры А и В) и вторичной нанофильтрации. Системы нанофильтрации и их вспомогательное оборудование обеспечивают следующее: когда борсодержащая вода проходит через систему нанофильтрации, борная кислота проникает через мембрану нанофильтра, а растворенный кремний удерживается мембраной нанофильтра, диализат после систем первичной и вторичной нанофильтрации возвращается в резервуар для диализата, а концентрированная борированная вода возвращается к первичной или вторичной системам нанофильтрации, чтобы продолжить диализ. При этом первая оставшаяся на нанофильтрации борсодержащая вода, содержащая высокую концентрацию растворенного кремния, разбавляется исходной водой и затем поступает в систему вторичной нанофильтрации для обработки. Наконец, оставшаяся борсодержащая вода, содержащая высокую концентрацию растворенного кремния, разбавляется деминерализованной воды и затем проходит через вторичную систему нанофильтрации для увеличения концентрированной борной кислоты путем повторного диализа, конечный оставшийся концентрат вторичной системы нанофильтрации в качестве радиоактивных отходов его обрабатывают специальной системой для атомных электростанций, после того как система снова использует оборудование для очистки воды, оно завершает удаление растворенного кремния из борной воды в партии атомных электростанций.
Пример реализации 1
Как указано в фиг. 1, система удаления кремния из борированной воды для атомной электростанции согласно настоящему варианту осуществления включает в себя резервуар 1 для хранения борной кислоты атомной электростанции, буферный резервуар 2 для диализата, резервуар 3 для первичной воды, систему первичную нанофильтрацию, имеющую 2 ступени нанофильтрация А 4 и нанофильтрация В 5, и систему вторичной нанофильтрации 7. Буферный резервуар для вторичной воды 6 и вторичная нанофильтрация 7. Боросодержащая вода в резервуаре 1 для хранения борной кислоты атомной электростанции отправляется в резервуар 3 для первичной воды, который имеет два выходных порта, один выходной порт соединен с буферным резервуаром вторичной воды, а другой выходной порт соединен с системой первичной нанофильтрации. При диализе борная кислота проходит через мембрану нанофильтра, а растворенный кремний остается на мембране нанофильтра, а диализат, оставшийся после нанофильтрации транспортируются в буферный резервуар для диализата 2. Буферный резервуар для вторичной воды 6 имеет два выхода, один выход соединен с системой рекуперации радиоактивных отходов атомной электростанции, другой выход соединен с вторичной нанофильтрацией 7. Система вторичной нанофильтрации 7 для жидкого диализа. При диализе борная кислота проходит через мембрану нанофильтра, а растворенный кремний захватывается мембраной нанофильтра, а диализат, оставшийся после нанофильтрации транспортируют в буферный резервуар 2 для диализата, а концентрированная борированная кислота возвращается в буферный резервуар для вторичной воды 6. Резервуар для диализата 2 подключен к резервуару 1 для хранения борной кислоты АЭС.
В этом варианте осуществления первичный насос нанофильтрации 8 может быть расположен между резервуаром 3 первичной воды и системой первичной нанофильтрацией, чтобы подавать жидкость на нанофильтр. Вторичный нанофильтрационный насос 9 расположен между буферным резервуаром 6 вторичной воды и системой вторичной нанофильтрацией 7 для ускорения подачи жидкости в систему вторичной нанофильтрации 7.
В настоящем варианте осуществления диализный насос 10 расположен между буферным резервуаром 2 для диализата и резервуаром 1 для хранения борной кислоты АЭС
В этом варианте осуществления система первичной нанофильтрации имеет две последовательные ступени нанофильтров А и В.
В этом варианте осуществления нанофильтрационные мембраны, используемые как в системе первичной нанофильтрации, так и вторичной нанофильтрации 7, имеет диаметр пор 3-5 нм.
Пример реализации 2
Методика по удалению растворенного кремния из борированной воды на АЭС, основанный на вышеуказанном примере реализации 1, включает в себя нижеследующие этапы:
Первый этап
Из накопительного резервуара для хранения борной кислоты 1 борированную воду выгружают в буферный резервуар 3 для первичной воды объемом V1, а затем под давлением насоса первичной нанофильтрации 8 борированную воду диализуют через две ступени нанофильтров первичной А 4 и В 5 системы первичной нанофильтрации последовательно. Диализат, оставшийся после фильтрации подают в буферный резервуар 2 для диализата, а концентрированную борированную воду возвращают в резервуар 3 для первичной воды. Расход воды на входе в буферный резервуар 3 для первичной воды автоматически настраивается так, чтобы быть скорость потока была такой. Чтобы уровень в резервуаре 3 для первичной воды поддерживался на фиксированном уровне жидкости H1. Когда объем кумулятивной обработки достигает объема V1, вход воды прекращают. Система первичной нанофильтрации, включающая в себя насос первичной нанофильтрации 8, нанофильтры А 4 и В 5, непрерывно приводится в действие к первой жидкости для входного буферного резервуара 3. Когда уровень в резервуаре понижают до Н2, насос первичной 8 нанофильтрации останавливают, и, наконец, резервуар 3 для первичной воды имеет оставшийся объем раствора V2.
3
В данном примере реализации: V1=10 m, H1=0.9 m, H2=0.3 m, V2=100 L.
Второй этап
К оставшемуся борированной воды объемом V2 в резервуаре 3 для хранения воды автоматически добавляют к объему V3 воды из резервуара 1 для хранения борной кислоты на атомной электростанции, полученное выгружают в буферный резервуар 6 для вторичной воды. Таким образом первый оставшийся высококонцентрированный раствор борированной воды с растворенным в ней кремнием в нанофильтрации первой ступени, разбавляют исходной борированной водой, полученное направляют в систему вторичной нанофильтрации, когда уровень буферного резервуара для вторичной воды 6 достигает высоты Н3, вторичный нанофильтрационный насос 9 автоматически начинает производить вторичную нанофильтрацию 7. Диализ, полученный после нанофильтрации, подают в буферный резервуар 2 диализата, и концентрат борированной воды возвращается в буферный резервуар для вторичной воды 6.
В данном примере реализации: V3=150 L, H3=0.2 m.
Третий этап
Когда вторичная система нанофильтрации, включающая в себя вторичный нанофильтрационный насос 9 и вторичную нанофильтрацию 7, накапливает объем (V2+V3), а буферный резервуар 6 для вторичной воды достигает уровня Н4, концентрированная борированная вода, содержащая высокую концентрацию кремния разбавляют деминерализованной водой, например, добавляется оставшийся объем V4 борсодержащей воды, содержащей высокую концентрацию растворенного кремния в буферном резервуаре 6 для вторичной воды. Объем V4 разбавляется деминерализованной водой, а затем диализ продолжается в системе вторичной нанофильтрацией 7. Диализат, полученный после нанофильтрации, выгружаются в буферный резервуар 2 для диализа и транспортируют в резервуар 1 для хранения борной кислоты на атомной электростанции. Концентрированную борированную воду выгружают обратно в буферный резервуар 6 вторичной воды для продолжения диализа, то есть, повторный диализ увеличивает восстановление борной кислоты, ее концентрацию.
В данном примере реализации: H4=0.4 m, V4=24.5 L.
Четвертый этап
На четвертом этапе система вторичной нанофильтрации непрерывно работает до тех пор, пока буферный резервуар 6 для вторичной воды не будет заполнен до уровня Н5 жидкости, вторичный насос нанофильтрации будет остановлен. Сконцентрированный раствор борированной воды, оставшийся в буферном резервуаре для вторичной воды 6 обрабатывается системой регенерации радиационных отходов АЭС в виде жидких радиационных отходов.
В данном примере реализации: Н5=0.15 m.
В данном примере реализации задают верхний уровень Н6 и нижний уровень Н7 для буферного резервуара диализата. Когда уровень воды в буферном резервуаре диализата находится между Н7 и Н6, приводят систему по удалению растворенного кремния из борированной воды АЭС в непрерывную работу. Когда уровень воды в буферном резервуаре диализата достигает верхнего уровня Н6, автоматически начинают подачу воды в бак-хранилище борной кислоты для АЭС диализирующим насосом. Когда уровень воды в буферном резервуаре диализата достигает нижнего уровня Н7, прекращают подачу воды диализирующим насосом. До данного момента выполнена одна партия обработки борированной воды системой.
В данном примере реализации: H6=0.2 m, Н7=0.1 m.
Пятый этап
После завершения процесса работы системы систему переводят в режим очистки. При этом раствор в резервуаре для хранения борной кислоты на атомной электростанции автоматически очищается один раз, очищенная вода возвращается в резервуар для хранения борной кислоты на атомной электростанции, а затем завершается следующая партия процесса очистки воды, тем самым завершая процесс. Удаление растворенного кремния из охлаждающей жидкости атомной электростанции.