Лаборатория разделения изотопов водорода
Заведующий лабораторией И.А.Алексеев, ст. научн. сотр.

УСТАНОВКА ИЗОТОПНОЙ ОЧИСТКИ

(История, современное состояние и перспективы)
И.А.Алексеев, К.А.Коноплев, В.Д.Тренин

1. СУТЬ ПРОБЛЕМЫ

    В начале 70 годов один из авторов статьи знакомился с высокопоточным реактором HFR в институте Лауэ-Ланжевена в Гренобле и привез информацию о том, что там создается установка изотопной очистки (detritiation plant) тяжелой воды от трития и поддержания на постоянном уровне концентрации трития в воде, а также для очистки от протия с поддержанием на постоянном уровне (99.8% D2O) изотопной концентрации тяжелой воды. Задача очистки тяжелой воды от трития была новой для реакторной техники, и ни один из действовавших в то время реакторов в нашей стране и за рубежом не имел таких установок. Хотя с проблемой разделения изотопов водорода реакторная техника была знакома, так как в процессе эксплуатации тяжеловодных реакторов происходило разбавление тяжелой воды и необходимо было удалять из тяжелой воды протий, используя те же методы разделения изотопов водорода, что и при производстве тяжелой воды.

    Очистка тяжелой воды от трития является гораздо более сложной задачей, так как, во-первых, концентрация трития в исходной тяжелой воде мала (очень разбавленные растворы), во-вторых, коэффициенты разделения для тритий-дейтериевых смесей водорода имеют существенно меньшие значения по сравнению с протий-дейтериевыми смесями, и, в третьих, тритий радиоактивен и радиотоксичен как в виде воды, так и особенно в виде других соединений (сероводород, аммиак и др.), используемых в качестве рабочих веществ при производстве тяжелой воды. Кроме этого, все эти соединения подвержены радиолизу под действием собственного излучения. Эти факторы следует учитывать при выборе метода конечного концентрирования трития. Все это существенно усложняет и удорожает очистку тяжелой воды от трития. По этим причинам, а также из-за сравнительно меньших значений потоков нейтронов и соответственно небольшой скорости образования и накопления трития очистка воды от трития не производилась, а образующиеся тритиевые отходы после разбавления сбрасывались в окружающую среду.

    Развитие ядерной техники (строительство АЭС с тяжеловодными реакторами, например канадский проект CANDU, создание высокопоточных тяжеловодных исследовательских ядерных реакторов, накопление загрязненных тритием тяжеловодных и легководных отходов, в том числе образующихся при снятии с вооружений ядерных боеприпасов) привело к тому, что ежегодная скорость образования и накопления техногенного трития в глобальном масштабе (килограммы или десятки миллионов Ки в год) стала более, чем на порядок, превышать скорость образования его естественным путем (0.2 Кг или 2·105 Ки в год). Ситуация усложнится в случае развития термоядерной энергетики. В глобальном масштабе тритий пока не оказывает заметного влияния на растительный и животный мир из-за малой эмиссии его в атмосферу, однако, в местах размещения ядерных установок, особенно тяжеловодных реакторов и заводов по переработке ядерного топлива, существует потенциальная опасность загрязнения окружающей среды тритием и облучения персонала выше допустимых пределов.

    В настоящее время наиболее остро тритиевая проблема стоит для тяжеловодных реакторов, где ежегодная скорость образования трития (в замедлителе энергетических реакторов 2.5 Ки/кг D2O в год, в исследовательских ядерных реакторах 1.0 - 4.0 Ки/кг D2O в год) находится на том же уровне или превышает принятое как допустимое значение концентрации трития (2.0 Ки/кг D2O) в тяжелой воде, что вызывает необходимость либо производить ее замену и соответствующие затраты на покупку тяжелой воды (примерно по 6 млн. долларов/год в ILL и в ПИЯФ, около 50 млн. долларов/год для замены замедлителя в реакторах проекта CANDU), либо производить очистку тяжелой воды от трития и поддерживать концентрацию трития на заданном уровне с помощью установки изотопной очистки.

    Первый в мире образец установки изотопной очистки был создан и в 1973 году пущен в эксплуатацию на реакторе НFR ILL. Установка была спроектирована и изготовлена совместными усилиями швейцарской фирмы SULZER и французских фирм. Много позднее (в 1987 году) аналогичная, но гораздо более мощная установка и тоже в основном фирмой SULZER была создана в Канаде для канадских АЭС.

    В основу этих установок заложен комбинированный метод изотопного обмена в системе "пары воды-водород" и низкотемпературной ректификации изотопов водорода. По реакции каталитического изотопного обмена (КИО) между парами воды и дейтерием, DTO + D2 = DT + D2O   HDO + D2 = HD + D2O при температуре 200 oС происходит извлечение трития и протия из тяжелой воды и перевод в газовую фазу. Степень извлечения трития из тяжелой воды ограничена константой равновесия вышеприведенной реакции и при трехступенчатой очистке составляет около 30%. Очищенная от трития и протия тяжелая вода возвращается в реактор. Смесь изотопов водорода: D2, DT, HD после очистки от примесей и охлаждения до температуры 25 К подается в низкотемпературную колонну. За счет процесса массообмена между газообразной и жидкой смесью изотопов водорода происходит концентрирование трития в нижней части колонны, а протия - в верхней части колонны. Обедненный по тритию и протию поток дейтерия возвращается в блок КИО. Из верхней части низкотемпературной колонны происходит отбор концентрата протия, а из нижней - концентрата или чистого трития.

2. СОЗДАНИЕ УСТАНОВКИ ИЗОТОПНОЙ ОЧИСТКИ РЕАКТОРА ПИК

    В 1975 году было принято решение о снабжении реактора ПИК установкой изотопной очистки (УИО). Три ведущих министерства СССР (Минсреднемаш, Минхиммаш, Минхимнефтемаш), имевшие опыт работы с тритием, производством тяжелой воды и ее подкреплением и созданием криогенной техники, отказались принять участие в создании УИО для реактора ПИК из-за отсутствия опыта проектирования подобных установок. Решение министерств первоначально было для нас неожиданным, так как ПИЯФ и ФТИ им. А.И.Иоффе тоже не были знакомы с этой проблемой и естественно не могли оценить уникальность и сложность поставленной задачи. Поэтому было принято решение закупить ее за рубежом. Минвнешторг с нашим участием проводил переговоры с представителями швейцарской фирмы SULZER, а один из авторов статьи смог ознакомиться с опытом эксплуатации (именно с опытом эксплуатации, а не с конструктивными особенностями установки, что тщательно охранялось) этой установки в ILL.

    Однако позднее, в 1978, году Президентом АН СССР академиком А.П.Александровым было принято решение отказаться от импорта этой установки и создать ее в нашей стране. Таким образом перед институтом была поставлена довольно сложная задача, так как, как оказалось, не было не только опыта проектирования этих установок, но и не было даже исходных данных, которые были необходимы для разработки проекта УИО. У авторитетных специалистов СССР не было единого мнения относительно того, какой же метод разделения изотопов водорода из нескольких существующих можно было бы заложить в основу УИО.

    Поэтому для работы над созданием установки в 1977 было решено организовать специальную группу - группу изотопной очистки, которая позднее, в 1986, году была реорганизована в лабораторию разделения изотопов водорода. Первая задача этой группы состояла в том, чтобы разобраться, какой же метод из многих методов разделения изотопов водорода, как реализованных на практике, так и не вышедших еще из стадии лабораторных исследований, заложить в основу установки изотопной очистки. Хотя министерства и отказались принимать участие в создании установки, однако, специалисты по разделению изотопов водорода были, и они предлагали свои разработки в качестве основы УИО. Наиболее активны в этом отношении были специалисты из МХТИ им. Д.И.Менделеева, которые предлагали двухтемпературный изотопный обмен в системе "сероводород-вода", привлекательный сравнительно высокими значениями коэффициентов разделения. А.П.Александров предложил рассмотреть метод плазменного центрифугирования - разделение изотопов водорода в скрещенных магнитном и электрическом полях, который интенсивно развивался тогда в ИАЭ им. И.В.Курчатова, а также метод электролиза воды. Были и другие предложения, например ГИАП предлагал использовать изотопный обмен в системе пары воды-водород, а сотрудник ПИЯФ А.И.Егоров предлагал использовать электролиз воды, метод ректификации азеотропа азотной кислоты, обмен в аммиачной системе.

    Даже предварительное изучение этих предложений показало, что применение любого из предлагавшихся методов к разделению тритийсодержащих изотопов водорода требовало более или менее всесторонних полномасштабных исследований. Для того, чтобы не затрачивать впустую средства, не потерять время на выполнение исследований и разобраться, наконец, какой же метод действительно перспективен, группа разделения изотопов водорода ПИЯФ выполнила детальные проработки как использовавшихся при производстве тяжелой воды методов разделения изотопов водорода (ректификация воды и жидкого водорода, комбинированный метод изотопного обмена и низкотемпературной ректификации изотопов водорода, электролиз воды, изотопный обмен в системе "вода-водород", адсорбция на палладии), так и находящихся на стадии лабораторно-теоретических проработок (плазменное центрифугирование, лазерный метод разделения изотопов водорода и др.).

    Были составлены технологические схемы установок, произведены расчеты материально-технических затрат, произведена оценка габаритных размеров оборудования (напр., ректификационных колонн) и здания установки, а также были сделаны оценки влияния рабочих веществ (сероводород, аммиак, водород), побочных процессов (радиолиз воды) на технологичность и безопасность (взрыво- и радиационная, токсичность веществ) установки. Произведена оценка капитальных и эксплуатационных расходов. В результате этой работы был сделан вывод, что с точки зрения технико-экономических аспектов и с учетом общей и радиационной техники безопасности комбинированный метод изотопного обмена в системе "вода(пары)-водород" и низкотемпературной ректификации изотопов водорода является наиболее конкурентноспособным и предпочтительным для создания установки изотопной очистки.

    Это заключение ПИЯФ было рассмотрено на совещании с участием представителей всех организаций, имевших отношение к этой проблеме. Совещание по поручению А.П.Александрова шло под председательством академика В.А.Легасова. На совещании было одобрено предложение ПИЯФ. Несколько позднее это предложение ПИЯФ в присутствии авторов статьи было рассмотрено лично А.П.Александровым. А.П.Александров после консультаций с академиком А.Ф.Шальниковым также одобрил предложение ПИЯФ и подписал письма министрам вышеназванных министерств с просьбой заняться разработкой УИО.

    Так, группой разделения изотопов водорода ПИЯФ был выполнен очень важный этап работы, и с высоты сегодняшнего дня видно, что попытка использования для создания УИО любого другого из вышеперечисленных методов завела бы всю работу в тупик. Результаты этой работы были оформлены отчетами ЛИЯФ, а позднее препринтом ЛИЯФ [1].

    Дополнительно выполнена еще одна работа по вопросу, о котором было известно, но который требовал ясности и обосновывал бы тем самым решение о необходимости создания установки изотопной очистки для реактора. Хотя и было известно о том, что в реакторе HFR ILL с помощью установки изотопной очистки поддерживают концентрацию трития в тяжелой воде на уровне 2 Ки/кг D2O, нами была выполнена работа, в которой было показано, что при этом значении концентрации трития в воде возможна организация работы на реакторе ПИК без переоблучения персонала [2]. Позднее эта работа была использована в качестве обоснования необходимости УИО, так как Генпроектировщик реактора ПИК весьма активно возражал против строительства УИО для реактора ПИК.

    Письма Президента АН СССР министрам и их согласие на участие в работе дали возможность определиться с организациями-участниками разработки проекта УИО. В качестве Генерального проектировщика был определен ВНИПИЭТ, генеральным конструктором - НПО "Криогенмаш", одна из наиболее мощных организаций в области криогенной техники, но не имевшая опыта работы в области разделения изотопов водорода. Проектировщиком и изготовителем оборудования блока каталитического изотопного обмена стал СвердлНИИХиммаш, имевший большой опыт в создании оборудования для радиохимической промышленности. Проектирование важных систем контроля процессов УИО поручалось Северодонецкому ОКБА.

3. СОЗДАНИЕ В ПИЯФ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ БАЗЫ И ПОЛНОМАСШТАБНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

    Отсутствие опыта у НПО "Криогенмаш" и других организаций в области разделения изотопов потребовало создания экспериментальной базы, чтобы получить исходные данные для разработки проекта низкотемпературной части УИО. В достаточно короткие сроки по техническому заданию ЛИЯФ в НПО "Криогенмаш" был выполнен проект экспериментального стенда ректификации изотопов водорода (ЭСРВ) и изготовлено и поставлено уникальное (глядя даже с высоты сегодняшнего дня) оборудование. Еще ранее был создан проект помещения по нормам "ВОДОРОД" в строившейся в тот период (1976-80 годы) криогенной пристройке к корп.1 ПИЯФ и другие помещения для размещения оборудования ЭСРВ. Стенд включал в себя полномасштабную по диаметру и величине циркуляционного потока колонну для ректификации жидкого водорода (высота колонны - 5500 мм, диаметр 300 мм, циркуляционный поток жидкого водорода - до 10 Кмол). Колонна имела массообменную часть высотой 3000 мм, соединенную с кубом-испарителем и конденсатором колонны сваркой "на ус", что давало возможность заменять одну конструкцию массообменной секции на другую и тем самым проводить исследования массообменных устройств различного типа и в колоннах разного диаметра (до 300 мм). Колонна снабжена 15 пробоотборными устройствами для измерения профиля концентраций по высоте колонны. Для теплоизоляции и безопасности колонна заключена в вакуумный кожух диаметром 1200 мм и высотой 6500 мм. Конденсация водорода (дейтерия) осуществлялась в теплообменном устройстве конденсатора колонны потоком холодного гелия при температуре 12 К. Поток холодного гелия формировался в агрегате охлаждения специально приобретенной для этой цели КГУТ-4000/20, куда подавался под давлением 3 МПа гелиевыми компрессорами с расходом 2800 м3/час. Испарение жидкого водорода производилось в кубе-испарителе колонны потоком теплого гелия. Кроме этого, ЭСРВ включает в себя систему компрессии, глубокой очистки водорода от примесей и систему хранения смесей изотопов водорода в составе двух ресиверов объемом 20 м3 и давлением 1.6 МПа каждый, реципиента и водородной рампы. ЭСРВ снабжен также системой питания жидким и газообразным азотом для плановых и аварийных продувок колонны, а также системой анализа изотопного состава водорода методами газовой хроматографии и ионизационным (на тритий). Таким образом, в то время в ПИЯФ был создан уникальный даже по мировым масштабам экспериментальный стенд. Этот стенд не имеет аналогов и в настоящее время. Интересно вспомнить фразу специалиста по криогенике ПИЯФ на Научно-техническом совете: "В схеме ошибок нет, но построить установку нельзя, а если построить, то она не будет работать."

3.1. Исследования ректификации водорода

    В 1985-1991 годах на ЭСРВ был выполнен большой цикл работ по исследованию гидравлических и разделительных характеристик низкотемпературной колонны с массообменными вставками диаметром от 80 до 300 мм. Предварительные исследования, отладка оборудования и приобретение опыта работы с большим количеством водорода (до 70 литров жидкого водорода) проводились при ректификации смесей Ar-O2 и орто-Н2 - пара-Н2 . Основные исследования проводились при ректификации смесей H2-HD-D2 и HD-D2-DT. Были исследованы следующие массообменные устройства: тарельчатого типа с межтарельчатой сепарацией фаз конструкции НПО "Криогенмаш", спирально-призматическая насадка и из химически обработанной медной проволоки, рулонная насадка из нержавеющей и латунной сетки, насадка регулярного типа из слоев зигзагообразной сетки. Исследования проводились при давлении в колонне 0.15 и 0.3 МПа. Было исследовано:

  • влияние потока (скорости) газа в колонне на перепад давления в колонне;
  • влияние потока (скорости) газа на задержку жидкости на массообменном устройстве. Этот параметр определяет количество дейтерия и трития в колонне и отсюда капитальные и эксплуатационные расходы;
  • определены значения величины единицы переноса (ВЕП) для каждого массообменного устройства и их зависимость от нагрузки (скорости) газа в колонне и диаметра колонны.

    Было показано, что все насадки за исключением регулярной насадки из слоев зигзагообразной сетки могут быть использованы в качестве массообменных устройств, но предпочтение может быть отдано тарельчатой конструкции и спирально-призматической насадке из медной проволоки. На ЭСРВ был выполнен также цикл исследований по обеспечению безопасности (теплофизические исследования при нарушениях нормального режима работы колонны, уменьшение объема жидкости в кубе-испарителе колонны, исследование намораживания компонентов воздуха на корпусе колонны при потере герметичности кожуха колонны и др.). Результаты исследований опубликованы, последняя публикация [3]. По результатам этих исследований НПО"Криогенмаш" выполнил проект дейтериевого контура УИО с низкотемпературной колонной.

3.2. Исследования ректификации воды

    Одной из первых работ лаборатории разделения изотопов водорода была работа по созданию установки депротизации тяжелой воды физмодели реактора ПИК. По техзаданию ЛИЯФ проект и оборудование установки были изготовлены СверлдНИИХиммашем. В установке используется метод ректификации воды в насадочных колоннах. Она состоит из 4 ректификационных колонн высотой 14 метров, диаметром 80 мм. Установка смонтирована в ПИЯФ. Колонны заполнены спирально-призматической насадкой из нержавстали на высоту 10 метров. Предварительные испытания показали относительно невысокие разделительные характеристики. Поэтому был выполнен комплекс работ по усовершенствованию технологической схемы, конструкции колонн и, главное, была разработана и освоена технология подготовки ректификационных колонн к работе, в результате чего были получены исключительно высокие разделительные характеристики колонн (величина ВЭТС=2.5см). После некоторой реконструкции в настоящее время эта установка используется для подкрепления разбавленной тяжелой воды, и, кроме этого, на ней отрабатывается технология переработки тяжеловодных отходов, которая будет использована на соответствующих блоках УИО.

    Для этой же цели был создан экспериментальный стенд ректификации воды, на котором были выполнены исследования различных типов насадочных массообменных устройств в колоннах диаметром 80 и 150 мм. В частности, было показано, что кольцевая насадка из латунной оксидированной сетки при весьма малом значении ВЭТС (~4 см) обладает также очень высокой пропускной способностью [4].

3.3. Исследования адсорбции изотопов водорода на цеолитах

    Уникальность установки изотопной очистки требовала нестандартных методов при создании технологии установки. Несмотря на то, что метод ректификации жидкого водорода является наиболее предпочтительным методом концентрирования изотопов водорода, осуществление процесса на водородном уровне температур требует больших затрат. Поэтому интересно было рассмотреть возможность применения для этой цели сорбционных методов разделения, в частности, адсорбцию на цеолитах. Кроме того, процесс адсорбции мог найти применение для транспортировки смесей изотопов водорода, в том числе и высокорадиоактивных, внутри установки.

    Поэтому в лаборатории был выполнен комплекс работ по исследованию адсорбции изотопов водорода на цеолитах различных типов. Впервые были измерены коэффициенты разделения молекул Н2-НТ и D2-DT на цеолитах NaA и СаЕТ-4В в широком интервале температур. На цеолите NaA коэффициент разделения D2-DT при температуре 77.6 К равен 1.29 и растет при понижении температуры, достигая при Т=22.5 К значения 4.3, что более, чем в 3 раза, превышает значение при ректификации жидкого дейтерия [5]. Если бы удалось найти удачные инженерные и конструкторские решения по осуществлению процесса адсорбция-десорбция в колонне, заполненной цеолитом, то вполне возможно, что этот процесс мог бы быть более конкурентоспособным по сравнению с криогенной ректификацией жидкого водорода. Были исследованы изотермы адсорбции изотопов водорода на цеолитах NaA, NaX, CaEH- 4В и особенно на специально синтезированном по заданию ПИЯФ Нижегородским опытным заводом цеолите CaET- 4B в широком интервале давлений. Оказалось, что адсорбционная емкость цеолита СаЕТ- 4В по изотопам водорода при низких давлениях (1.0 - 102 Па) примерно в 10 раз превышает емкость других типов цеолитов. Это дало возможность создать цеолитовые крионасосы для транспортировки дейтерий-тритиевых смесей. Опытный образец такого крионасоса используется на ЭСРВ для удаления из низкотемпературной колонны остаточных количеств дейтерия. Исследования опытного образца и опыт его эксплуатации позволили разработать и внедрить в проект УИО экологически чистую технологию транспортировки и временного хранения D-T-смесей без применения механических средств (вакуумных насосов, компрессоров). Результаты исследований опубликованы в нескольких отчетах, препринтах и статьях, последняя [6].

3.4. Изучение системы титан-водород (дейтерий)

    Чистый тритий или его концентрат, отбираемый из низкотемпературной колонны, предполагается переводить в форму гидрида (тритида или дейтерид- тритида) титана для длительного и безопасного хранения. Для исследования физико-химических свойств системы титан-водород, необходимых для разработки технологии процесса, был создан близкий к полномасштабному экспериментальный стенд.

    При исследованиях на этом стенде было показано, что достижение состава, близкого к стехиометрическому для водорода и дейтерия, для предварительно подготовленных (отжиг в вакууме при 600 - 900 oC) образцов высокопористой титановой губки происходило в течение примерно 4 минут. Емкость по водороду (дейтерию) составила около 0.45 л(н.у.)/грамм титановой губки. Не было обнаружено каких-либо заметных изменений характера реакции при изменении изотопной разновидности водорода. Исследование термической стабильности образцов в диапазоне температур 250 - 950 oС показало, что рост давления диссоциации (разложение гидридов) начинается при увеличении температуры выше 300 oС. Экстраполяцией были получены очень низкие значения давления диссоциации Тi-D и Ti-H при комнатных температурах, установлена слабая зависимость этой величины от изотопной разновидности водорода. Исследован процесс окисления активированного губчатого дейтерида титана в атмосфере воздуха при комнатной температуре. Показано, что основным механизмом выделения трития из тритида титана является процесс поверхностного окисления образцов.

    Полученные результаты позволяют считать титан надежной с точки зрения радиационной безопасности матрицей для хранения изотопов водорода. По результатам исследований на стенде была разработана и внедрена в проект УИО технология получения и хранения тритиевых концентратов. Результаты этих исследований опубликованы в [7].

3.5. Исследование гидрофобных катализаторов

    Для исследования гидрофобных катализаторов, которые позволяют проводить процесс каталитического изотопного обмена в системе "жидкая вода-водород" (а не пары воды-водород) была создана лабораторная установка, на которой были исследованы катализаторы, как предоставленные другими организациями(ИФХ РАН, Институт катализа СО РАН, РХТУ им.Д.И.Менделеева), так и изготовленные в лаборатории разделения изотопов водорода ПИЯФ. Работа была начата еще в 1980-81 гг., но из-за нехватки сил проводилась не очень активно. Проведенные исследования показали перспективность использования гидрофобных катализаторов в УИО и необходимость более глубокого их исследования в полномасштабных системах. Результаты опубликованы в отчетах и препринте [8]. Результаты этих исследований и приобретенный опыт работы с гидрофобными катализаторами был использован в дальнейшей работе по усовершенствованию УИО.

3.6. Компьютерное моделирование и разработка расчетных программ

    При обработке результатов измерений выяснилось, что принцип геометрического подобия профиля концентраций, принятый в качестве основы расчетов нестационарных процессов может быть использован только в ограниченной области концентраций. Поэтому были разработаны новые методики компьютерного моделирования нестационарных процессов разделения.

    Был создан пакет программ, позволяющий рассчитывать широкий спектр различных процессов. Программы были опробованы при расчетах процесса разделения изотопов водорода методами ректификации воды, ректификации водорода и изотопного обмена в системе вода - водород [9].

3.7. Анализ тяжелой воды и дейтерия

    Естественно, что выполнение всего этого комплекса исследований было невозможно без соответствующего уровня аналитического обеспечения. Была разработана методика изотопного анализа тяжелой воды в широком диапазоне концентраций методом инфракрасной спектрофотометрии с использованием прибора Specord M80. Как известно, этим методом в обычном исполнении невозможно было измерить абсолютное значение концентрации D2О. Поэтому была разработана и аттестована абсолютная методика измерения изотопной концентрации D2O. Точность измерений в области высоких значений концентраций ( >: 99.5% D2О) составляет ± 0.005%. Концентрация трития в воде измеряется методом жидкого сцинтилляционного счета. Изотопный состав дейтерия и наличие в нем микропримесей определялось методом газовой хроматографии. Концентрация трития в смеси изотопов водорода определялась ионизационным методом.

    При разработке проекта УИО реактора ПИК серьезное внимание было уделено вопросам безопасности. Были найдены технические решения, повышающие безопасность установки и отвечающие одновременно противоречащим друг другу нормам и правилам по водородной и радиационной безопасности. Всё взрыво- и радиационноопасное оборудование размещено в части здания, выполненной с учетом землетрясения 6 баллов. Низкотемпературная колонна, содержащая наибольшее количество дейтерия (~70 нм3) и трития (~105 Ки), заключена в вакуумный кожух. При разгерметизации оборудования внутри колонны D-T-смесь попадает в кожух, откуда может быть удалена имеющимися средствами в емкости системы безопасности. Сама колонна в кожухе находится в специальном помещении с бетонными стенами толщиной 900 мм. В случае взрыва D-T-смеси с разрушением колонны и кожуха (эта авария отнесена к запроектной аварии), образовавшаяся смесь паров воды, разогретая до высокой температуры, через легкосбрасываемую кровлю в виде направленного потока удаляется в атмосферу и со скоростью 10 м/с поднимается вверх. Даже в случае такой маловероятной аварии загрязнение тритием почвы, стен, оборудования не будет превышать допустимых пределов. При аварийном отключении электропитания пневмоклапаны, соединяющие колонну с емкостями системы безопасности, переводятся в положение "открыто", и испаряющаяся и разогревающаяся дейтерий-тритиевая смесь удаляется из колонны в емкости. Давление в колонне при этом не превышает допустимое значение. Наличие второго пульта управления с минимальным объемом приборов позволяет контролировать ход технологического процесса при возникновении нестандартных и даже опасных ситуаций (в частности, при отключении электроэнергии, пожаре и др.) и предотвращать тем самым опасное их развитие.

    Таким образом, результаты этих исследований позволили разработать проект УИО реактора ПИК с замкнутым технологическим циклом, не имеющим аналога в нашей стране.

4. ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ РАБОТ. УИО - УСТАНОВКА ДВОЙНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

    В России и в других странах в результате эксплуатации тяжеловодных реакторов и решения проблемы разоружения происходит накопление тяжеловодных отходов, загрязненных тритием. В процессе переработки выгоревшего топлива, в котором тритий образуется по реакции тройного деления и удерживается в нем плакирующей оболочкой твэлов, происходит образование и накопление легководных тритиевых отходов. В настоящее время разработаны и внедрены в практику технологии очистки теплоносителя и радиоактивных отходов практически от всех радионуклидов за исключением трития. Для снижения или исключения вредных последствий утечек трития из этих больших и сложных систем на персонал и окружающую среду необходимо тритий извлекать из этих систем, концентрировать и переводить в соединения малого объема для длительного и безопасного хранения.

    Выше было сказано, что в действующих установках изотопной очистки степень извлечения трития сравнительно невелика и для более глубокого извлечения трития необходим каскад из большого количества ступеней обмена "пары воды-водород", что делает систему нетехнологичной. Поэтому эти установки не могут быть использованы для глубокой очистки от трития тяжеловодных и легководных отходов.

    Глубокая очистка от трития реакторной тяжелой воды и тяжеловодных отходов может быть реализована на основе каталитического изотопного обмена в системе "жидкая вода-водород" на гидрофобных катализаторах с использованием электролизера в качестве узла обращения фаз и/или генератора газа. Процесс может быть осуществлен в колонне каталитического изотопного обмена вместо каскада аппаратов, применяемых в действующих во Франции и Канаде установках. Это позволяет существенно упростить технологическую схему установки и сделать ее более технологичной. Исследованию гидрофобных катализаторов посвящено большое количество работ, в том числе и предпринятых для разделения тритийсодержащих изотопов водорода. Особенно интенсивно эти работы проводятся за рубежом (канадская фирма Ontario Hydro и ее дочерние фирмы, напр. CFFTP, и Chalk River Nat. Laboratories, японский Japan Atomic Energy Research Institute, индийский Bhabha Atomic Research Center и др.), включая попытки разработки технологии процесса на лабораторных и небольших пилотных установках. Однако полномасштабной демонстрации как самого процесса изотопного обмена, так и в комбинации с концентрирующей тритий низкотемпературной колонной до сих пор не было. Поэтому этот процесс нигде в мире пока не реализован.

    В Петербургском институте ядерной физики РАН совместно с АО "ДОЛ" создана полномасштабная экспериментальная установка в составе электролизера, колонны изотопного обмена с гидрофобным катализатором, системы сжигания и ряда вспомогательных систем (ЭВИО). Результаты исследований на этой фактически полупромышленной установке и отработанные технологические приемы показали перспективность использования гидрофобных катализаторов. В настоящее время исследования продолжаются с целью усовершенствования процесса [10]. Объединение установок ЭВИО и ЭСРВ (рис.1) позволит создать экспериментальную установку для полномасштабной демонстрации работы УИО с широкими возможностями.


Рис.1 Технологическая схема установки ЭВИО-ЭСРВ. 1 - емкости для исходного и конечного продукта; 2 - насос-дозатор; 3 - электролизер; 4 - колонна изотопного обмена "вода-водород" на гидрофобных катализаторах; 5 - каталитические дожигатели водорода; 6 - емкость для нижнего продукта ректификационной колонны; 7 - емкость для верхнего продукта ректификационной колонны; 8 - низкотемпературная ректификационная колонна для разделения изотопов водорода; 9 - конвертор; 10 - испаритель жидкого водорода; 11 - ресивера; 12 - блок очистки водорода; 13 - мембранный компрессор; 14 - газгольдер; 15 - реципиент; 16 - водородная рампа.

    Результаты этой работы внедряются в проект установки изотопной очистки тяжелой воды реактора ПИК для создания, таким образом, не имеющей пока аналогов в мировой практике установки двойного назначения:

  • для поддержания в тяжелой воде реактора ПИК концентрации трития и протия на определенном уровне с обеспечением принятого, как безопасный, уровеня концентрации трития в тяжелой воде и ее изотопную чистоту (не менее, чем 99,8% D2 O) и
  • для переработки загрязненных тритием тяжеловодных (и легководных) отходов внешнего происхождения с глубокой их очисткой от трития.
Двойное использование установки помимо решения проблемы очистки загрязненных тритием тяжеловодных отходов и защиты тем самым окружающей среды является еще и выгодным делом, так как получаемые в процессе переработки тяжеловодных отходов дейтерий или тяжелая вода, тритий и продукт его распада Не-3 являются дорогостоящими продуктами и их реализация не только может окупить все расходы на создание установки и ее эксплуатацию, но и в будущем приносить прибыль.

    В заключение следует отметить научных сотрудников и инженеров, принимавших участие в работах по созданию установки изотопной очистки тяжелой воды реактора ПИК: И.А.Баранова, В.А.Новожилова, Г.А.Сухорукову, Г.И.Попова, С.П.Карпова, Т.В.Васянину, С.Д.Бондаренко, О.А.Федорченко, А.И.Грушко, сотрудников АО "ДОЛ" В.В.Уборского, Т.В.Воронину, Е.А.Архипова, а также сотрудников кафедры РХТУ им. Д.И.Менделеева Б.М.Андреева, Я.Д.Зельвенского, Ю.А.Сахаровского, М.Б.Розенкевича и др. за изготовление гидрофобного катализатора и обсуждение результатов, сотрудников АО "Криогенмаш" В.С.Кортикова, А.С.Бронштейна, А.К.Головченко, С.Н.Комову за разработку проекта низкотемпературной части ЭСРВ И УИО, сотрудника Северодонецкого ОКБА С.М.Хаймса, сотрудников ПИЯФ А.Н.Ерыкалова и Ю.В.Петрова за участие в работе по обоснованию допустимой концентрации трития в тяжелой воде реактора ПИК, сотрудника ПИЯФ А.И.Егорова за постоянный интерес к работе и попытки найти решение проблемы нетрадиционными методами разделения изотопов. Работа выполнена при финансовой поддержке Миннауки России.

Литература

  1. И.А.Алексеев, К.А.Коноплев, В.Д.Тренин и др. Оценка возможности использования различных методов разделения изотопов для создания установок изотопной очистки тяжеловодных контуров реакторов. Препринт ЛИЯФ-887, Л., 1983, 55 с.
  2. А.Н.Ерыкалов, К.А.Коноплев, З.К.Красоцкий, Ю.В.Петров, Л.М.Площанский, В.А.Тренин. Генерация трития и выбор его допустимой контуре реактора ПИК. Препринт ЛИЯФ-508, Л., 1979, 55 стр. Ленинград.
  3. V.D.Trenin, I.A.Alekseev, I.A.Baranov, K.A.Konoplev et.al. Full-Scale Experimental Assembly for Hydrogen Isotopes Separation Studies by Cryoogenic Distillation: Assembly and Results of the Studies. FUSION TECHNOLOGY, vol.28, No 3, 761, (1995).
  4. V.D.Trenin, I.A.Alekseev, G.A.Sukhorukova et al. Full-scale Experimental Studies of the Various Type Mass Exchange Packings by Water Distillstion. FUSION TECHNOLOGY, vol.28, No 3, 1579, (1995).
  5. И.А.Алексеев, В.Д.Тренин. Температурная зависимость коэффициентов разделения изотопов водорода при адсорбции на цеолите NaA. Журн. прикладной химии, т.66, вып.1, стр.132 (1993).
  6. I.A.Alekseev, S.P.Karpov, V.D.Trenin. Zeolite Cryopumps for Hydrogen Isotopes Transportation. FUSION TECHNOLOGY, vol.28, No 3, 499, (1995).
  7. И.А.Алексеев, В.А.Новожилов, В.Д.Тренин и др. Изучение системы титан-изотопы водорода. Кинетика взаимодействия и термическая устойчивость. Препринт ЛИЯФ, N 1015, 23 стр. (1984).
  8. И.А.Алексеев, Т.В.Васянина, В.Д.Тренин. Исследование процесса изотопного обмена между водородом и водой на гидрофобном Pd катализаторе. Препринт ПИЯФ, No 1955, 23 стр. Гатчина, 1994 год.
  9. O.A.Fedorchenko, I.A.Alekseev, V.D.Trenin, V.V.Uborski. Computer Simulation of the Water and Hydrogen Distillation and CECE Process and Its Experimental Verification. FUSION TECHNOLOGY, vol.28, No 3, 1485
  10. 10} V.D.Trenin, I.A.Alekseev, K.A.Konoplev et al. Full-Scale Experimental Facility for the Development Technologies for the Reprocessing of Tritium Contaminated Light and Heavy Water Wastes by CECE Process and Cryogenic Distillation. FUSION TECHNOLOGY, vol.28, \ No 3, 767, (1995).
На начало страницы


На главную страницу ОНИ