СПОСОБ ОЧИСТКИ АТМОСФЕРЫ ОТ ЙОДА Российский патент 1997 года по МПК G21F9/02 

Изобретение относится к атомной технике и радиохимической промышленности и может быть использовано на АЭС и на предприятиях отрасли для очистки атмосферы помещений АЭС и различных рабочих объемов от йода и других радионуклидов и локализации последствий аварий.

Известны способы очистки атмосферы, основанные на ее фильтрации, [1] - фильтры с активированным углем, сетчатые, гравийные, с различными покрытиями фильтрующего материала для увеличения осаждения, с охлаждением, барботеры и пр.

Недостатком известных способов является небольшая эффективность и полнота очистки атмосферы, содержащей различные радионуклиды как в газовой фазе, так и в виде аэрозолей при различных температуре и давлении, необходимость иметь большой запас фильтрующего материала, не- достаточная надежность процесса фильтрации, например, при обесточивании системы фильтрования, в случае выхода из строя системы прокачки фильтруемой среды, при перегреве фильтрующего материала или в случае разгерметизации очищаемого объема и выходе газа в окружающую среду, минуя фильтры, и др.

Ближайшим техническим решением является способ [2] основанный на очистке атмосферы от йода путем введения в нее вещества, способного к взаимодействию и связыванию йода и его соединений, обладающего растворимостью в воде и образующего с йодом и его соединениями нерастворимые осадки.

Ограничением этого технического решения является недостаточная скорость и полнота очистки атмосферы, т.к. не весь йод и соединения йода, находящиеся в очищаемой атмосфере в газовой и аэрозольной фазах, успевают достаточно полно провзаимодействовать с вводимым веществом, не весь йод и его летучие соединения переходят в раствор и осаждаются. Это делает данный способ недостаточно надежным и эффективным особенно в случае разгерметизации очищаемого объема и необходимости его быстрой очистки для уменьшения утечки. На скорость диффузионных процессов, фазовых и химических превращений, связанных с процессом очистки, накладывает ограничения способ подачи вводимого для очистки вещества, его фазовое состояние и характерный размер частиц веществ.

Задача, решаемая предлагаемым техническим решением, повышение эффективности очистки атмосферы от йода.

Техническим результатом предложения является увеличение полноты очистки атмосферы от йода и других радионуклидов; уменьшение концентрации растворенного йода; увеличение скорости конденсации пара и осаждения аэрозолей; уменьшение давления в объеме; упрощение процесса очистки атмосферы и локализации последствий аварий и повышение его надежности; повышение радиационной безопасности.

Технический результат достигается тем, что в способе очистки атмосферы от йода путем введения вещества, способного к взаимодействию и связыванию йода и его соединений, обладающего растворимостью в воде и образующего с йодом и его соединениями нерастворимые осадки, вещество вводят в атмосферу распылением, причем, если вещество вводят в твердом или расплавленном состоянии в виде порошка или капель, то частицы порошка или капель формируют размером не более 10 мкм, а если вещество вводят в фазовом состоянии водного раствора в виде частиц аэрозоля, то частицы аэрозоля формируют размером не более 60 мкм, при введении в атмосферу вещества на нее воздействуют ультразвуком в диапазоне частот от 10⁶ до 10¹²Гц.

Выбор веществ обусловлен: растворимостью их в воде, взаимодействием их с йодом и его соединениями с образованием нерастворимых осадков, термически стойких и нелетучих при повышении температуры и испарении воды.

Среди веществ, растворимых в воде и взаимодействующих в растворе с йодом и его соединениями с образованием нерастворимых осадков, наиболее пригодны:
AgNO₃ нитрат серебра;
Pb(NO₃)₂ нитрат свинца;
Hg(CH₃COO)₂ ацетат ртути.

Их приготавливают и хранят в виде концентрированного водного раствора или гидратов при температуре не выше t_хр1≈100 120^oC.

Ацетат ртути [3] в сухом нерастворенном состоянии начинает плавиться при t_пл ≈84,5^oC, а разлагается при t_разл≥178 - 180^oC. Поэтому условия его хранения должны быть следующими:
в твердом состоянии в измельченном виде при t_хр2≅58^oC;
в расплавленном состоянии при 85^oC≅t_хр3≅180^oC.

В связи с этим ацетат ртути может иметь ограниченную область применения.

Более термически устойчив нитрат свинца, начинающий в чистом виде разлагаться без плавления при t_разл > 200^oC [4] Его условие хранения в твердом измельченном виде должно быть t_хр2≅140^oC. В расплавленном виде нитрат свинца может находиться, когда он входит в состав раствора, образованного им, например, с нитратом серебра [5] В этом случае условие хранения его в расплавленном состоянии должно быть: 200^oC ≅ t_хр3≅250^oC.

Таким образом, область применения нитрата свинца ограничена уровнем температур 200 250^oC. Этого вполне достаточно для применения его, например, для очистки атмосферы защитной оболочки или контейнмента реакторов типа ВВЭР, РБМК, где средняя температура не превышает при тяжелых авариях ≈ 150 200^oC.

Наиболее термически устойчив нитрат серебра t_пл=209,7^oC (в чистом виде), t_разл>300^oC [6] Соответствующие условия хранения его должны быть следующими:
в твердом состоянии в измельченном виде при t_хр2≅145^oC;
в расплавленном состоянии при 200^oC ≅ t_хр3≅ 300^oC.

Температуру плавления изменяют за счет образования расплава с участием других веществ, при этом верхний предел хранения нитрата серебра может быть увеличен, что расширяет область применения этого вещества. Так, например, нитрат серебра может быть использован для очистки атмосферы внутри страховочного корпуса реактора ВПБЭР-600, где температура может достигать при тяжелых авариях ≈ 250^oC.

Все указанные вещества растворяются в воде с поглощением тепла. При введении их непосредственно в очищаемый объем, минуя стадию предварительного смешения их с водой, где уже имеется вода в виде жидкости, скапливающейся в нижней части объема, а также в виде пара и аэрозолей, происходит понижение температуры, увеличение конденсации пара и осаждения аэрозолей, понижение давления в этом объеме. Причем в случае, если эти вещества вводить в атмосферу очищаемого объема в виде мелкодисперсного аэрозоля, процессы конденсации пара и осаждения аэрозолей, сопровождаемые также очисткой атмосферы от йода и других радионуклидов, существенно ускоряются.

В образующемся водном растворе указанные вещества вступают в химическое взаимодействие с йодом и его соединениями с образованием нерастворимых твердых частиц. При этом смещается фазовое равновесие между летучими формами йода и растворенными в воде. При восстановлении равновесия летучие формы переносятся в раствор, где они вновь взаимодействуют с образованием нерастворимого осадка в виде ионов AgI или PbI₂ или HgI₂. Так происходит практически до полного осаждения йода и полной очистки атмосферы.

Жидкая фаза водный раствор работает как насос по отношению к летучим компонентам в атмосфере, а твердая фаза образующегося осадка выполняет роль накопителя по отношению к растворенным в воде компонентам. Чем больше поверхность фаз, тем больше массоперенос через эту поверхность, тем быстрее наступает равновесие и очищается атмосфера. Поэтому ввод в очищаемый объем осадкообразующих веществ наиболее эффективен в мелкодисперсной аэрозоли. При этом так же, как было сказано выше, для выбранных веществ активнее идут процессы конденсации и осаждения.

Размер частиц должен быть достаточно мал, чтобы диффузия йода из атмосферы успевала пройти. Это время τ_ж определяется характерным временем выравнивания концентраций в капле радиусом R:
τ_ж~R²/D_ж, (1),
где D_ж коэффициент диффузии йода в воде.

Этим же временем определяется поступление свежего реагента из центра аэрозольной частицы в обеденные в процессе поглощения йода поверхностные слои. Например, для R ≈ 25 30 мкм и D_ж ≈ 10^-9м²/с τ_ж~1 сек Таким образом, диффузионное перемешивание в капле является достаточно быстрым процессом.

Время конденсации пара τ существенно, минимум на три порядка, меньше времени гравитационного осаждения t_g аэрозольных частиц.

Для варианта ввода в очищаемый объем осадкообразующих веществ в концентрированном виде, например в виде частиц аэрозоли, их средний размер должен быть порядка 5 мкм.

Чем в более концентрированной форме будут вводиться в очищаемый объем и, соответственно, приготавливаться и храниться осадкообразующие вещества, тем больше их эффективность. Наиболее оптимальный вариант выбора и их приготовления и хранения будет зависеть от условий хранения, которые могут быть различны для объектов, контейнменты реакторов ВВЭР, РБМК, страховочный корпус ВПБЭР и др.

Для тяжелых аварий реакторов типа ВПБЭР, для которых характерно значительное заполнение водой пространства внутри страховочного корпуса, или для подобных аварий в других системах более целесообразным может оказаться ввод осадкообразующих веществ не в атмосферу, а непосредственно в объем, заполненный водой, причем возможно путем барботажа.

Даже при полном исправлении воды осажденный в ней йод остается в нелетучем состоянии. Температуры кипения образующихся йодидов лежат в интервале ≈ 350 1500^oC. Для систем, в которых возможен большой перегрев, более предпочтительным является использование в качестве исходного осадкообразующего вещества нитрата серебра.

Кроме йода, наиболее радиологически опасного, происходит очистка атмосферы и от других радионуклидов, находящихся в ней в газовой фазе или в конденсированном состоянии в виде аэрозолей. Принцип межфазного термодинамического насоса, описанный выше, работает в той или иной степени и по отношению к другим, например бромсодержащим веществам. При этом очистка атмосферы и водного раствора от йода способствует также смещению фазового равновесия и для других веществ, что сопровождается, в целом, уменьшением их содержания в атмосфере.

При облучении ультразвуками атмосферы очищаемого объема, содержащей аэрозоли, ускоряются процессы коагуляции аэрозольных частиц и капелек жидкости и, соответственно, их осаждение, а также диффузия йода и других газов из атмосферы к границе раздела фаз (поверхность аэрозольных частиц, поверхность накапливающейся жидкости) [7] Тем самым увеличивается скорость очистки атмосферы. Частота излучения (длина волны) должна соответствовать характерному размеру частиц аэрозолей (≈ 5 50 мкм) и находиться в интервале ≈ 10⁶ 10⁸ Гц.

Ультразвук в жидкой фазе (водном растворе) ускоряет протекание процессов диффузии, растворения и химических реакций (главным образом за счет образования свободных ионов), что также в целом способствует ускорению процесса очистки атмосферы. Приемлемая частота излучения в этом случае находится в интервале ≈ 10¹⁰ 10¹² Гц.

Использование изобретения позволит:
существенно уменьшить содержание йода в атмосфере и в водном растворе очищаемого объема за счет перевода его практически полностью в нерастворимый осадок, термически стойкий и нелетучий даже при значительном перегреве;
увеличить не менее, чем в 10 15 раз скорость конденсации пара и содержания аэрозолей за счет эндотермического процесса растворения вводимых в очищаемый объем мелкодисперсных осадкообразующих веществ и ультразвука;
уменьшить давление в очищаемом объеме за счет быстрой конденсации и тем самым уменьшить вероятность его разгеметизации, утечки активности и др. последствий аварий; так, например, в страховочном корпусе реактора ВВПБЭР-600 при тяжелой аварии с плавлением активной зоны суммарное давление можно снизить на 20 30%
упростить процесс очистки атмосферы и локализации последствий аварий, повысить его надежность, т.к. менее жесткими становятся требования к фильтрации атмосферы и образующегося водного раствора, к их охлаждению, к герметизации очищаемого объема;
повысить радиационную безопасность рассматриваемых систем.

Источники информации
1. Отчет ИАЭ им. И.В. Курчатова. Инв.N 35/1-1039-90.

2. EP, A2, 0261662 (ATOMIC ENERGY BUREAU, SCIENCE AND TECHNOLOGIE AGENCY), 30.03.88.

3. Свойства неорганических соединений. Справочник. А.И. Ефимов и др. Л. Химия, 1983, с.180 181.

4. Свойства неорганических соединений. Справочник. А.И. Ефимов и др. Л. Химия, 1983, с.186 187.

5. Диаграммы плавкости солевых систем. Справочник. Ч.I. Под ред. В.И. Посыпайко и др. М. Металлургия, 1977.

6. Свойства неорганических соединений. Справочник. А.И. Ефимов и др. Л. Химия, 1983, с. 192 193.

7. Справочник по физике. Б.М. Яровский и др. М. Наука, 1977, с.556 - 559.

Использование: очистка загрязненных радионуклидами газов, в частности очистка атмосферы от йода при авариях на АЭС. Сущность: способ заключается в том, что в загрязненную атмосферу вводят распылением вещество, обладающее растворимостью в воде и образующее с иодом и его соединениями осадки. Вещество распыляют в виде порошка или капель расплава со средним размером частиц 5 мкм, либо в состоянии водного раствора в виде частиц аэрозоля со средним размером не более 60 мкм. При введении вещества в атмосферу на нее дополнительно воздействуют ультразвуком. Растворимость в воде распыляемого вещества приводит к лавинообразной конденсации загрязненного пара на частицах вещества, размер выбран так, чтобы эффективно работал весь объем частиц растворяемого вещества.

Способ очистки атмосферы от йода путем введения вещества, способного к взаимодействию и связыванию йода и его соединений, обладающего растворимостью в воде и образующего с йодом и его соединениями нерастворимые осадки, отличающийся тем, что вещество вводят в атмосферу распылением, причем если вещество вводят в твердом или расплавленном состоянии в виде порошка или капель, то частицы порошка или капель формируют со средним размером порядка 5 мкм, а если вещество вводят в состоянии водного раствора в виде частиц аэрозоля, то частицы аэрозоля формируют со средним размером не более 60 мкм, при введении в атмосферу вещества на нее воздействуют ультразвуком.