СОРБЦИОННЫЙ БЛОК ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ РАДИОАКТИВНЫХ ОТХОДОВ Российский патент 1998 года по МПК B01D27/02 B01D35/32 B01D15/00 B01J47/02 G21F9/12 

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к атомной экологии и может быть использовано при переработке жидких радиоактивных отходов (ЖРО), образующихся при эксплуатации различных атомно-энергетических установок (АЭУ) на АЭС, транспортных средствах (атомных ледоколах, подводных лодках (АПЛ), плавучих АЭС).

В процессе ядерно-энергетического цикла образуются различные типы ЖРО, которые затем необходимо перерабатывать с целью их последующей утилизации в компактном твердом виде. Как правило, процесс переработки ЖРО должен включать в себя их очистку до суммарного содержания β-активных радионуклидов меньше 10^-10 Кu/л. Такие показатели могут быть достигнуты только при использовании сорбционных процессов на стадиях предварительной очистки исходных растворов и финишной доочистки обессоленных растворов до допустимых сбросных норм. Поэтому во всех схемах переработки одним из важных узлов является сорбционный блок.

Известен сорбционный блок, представляющий собой герметичную сорбционную обечайку, заполненную сорбентом и снабженную верхними и нижними распределительными устройствами и патрубками для подвода и отвода жидкости [2]
Недостатком этого блока является необходимость гидровыгрузки сорбентов, что влечет за собой появление дополнительного количества ЖРО.

Наиболее близким к описываемому является сорбционный блок для очистки жидких радиоактивных отходов, содержащий внешний защитный контейнер и внутреннюю сменную цилиндрическую обечайку с загруженным сорбентом, снабженную подводящими и отводящими патрубками, разъемными уплотнительными узлами, верхним и нижним распределительным устройствами и верхним захватным устройством для смены обечайки [3]
Данный блок используют для очистки кубовых остатков на АЭС, содержащих радионуклиды. Его загружают селективным к удаляемым радионуклидам сорбентом. Он содержит открытый сверху внешний защитный контейнер с подводящим патрубком для ввода охлаждающей воды, подлежащей фильтрации, и отводящим патрубком для вывода очищенной воды. Открытый верх контейнера закрыт крышкой. В контейнере установлен фильтрующий патрон, который в верхней части плотно контактирует с углубленным выступом контейнера. В результате фильтрующий патрон располагается в последнем в свободно подвешенном состоянии. Патрон делит полость контейнера на две камеры, сообщающиеся соответственно с подводящим и отводящим патрубками. При отработке сорбента производят замену сорбционной обечайки и на ее место ставят новую, а отработанный сорбент вместе с обечайкой захоранивают в специальном контейнере [3]
Недостатком данного сорбционного блока является то, что при осуществлении очистки радиоактивных жидких отходов внешняя часть фильтрующего патрона подвергается загрязнению, в связи с чем перед окончательным захоронением фильтрующий патрон нуждается в поверхностной дезактивации. Эта дополнительная операция значительно усложняет процесс очистки радиоактивных жидких отходов. Помимо этого предложенная в известном устройстве кольцевая система уплотнения фильтрующего патрона в защитном контейнере предполагает предельно точную центровку фильтрующего патрона внутри контейнера, что также усложняет реализацию способа с использованием известного устройства.

Задачей изобретения является разработка устройства, позволяющего повысить экологическую и радиационную безопасность процесса эксплуатации сорбционного блока для очистки ЖРО, а также значительно упростить режим очистки радиоактивных жидкостей.

Поставленная задача достигается описываемым сорбционным блоком для очистки жидких радиоактивных отходов, содержащим внешний защитный контейнер, выполненный в виде стального или железобетонного модуля с отверстиями, в которых расположены одна или несколько цилиндрических обечаек, предпочтительно в количестве 1-8 штук, и снабженный верхней съемной крышкой и на одном уровне расположенными подводящими и отводящими патрубками, и внутреннею сменную цилиндрическую обечайку с загруженным сорбентом, снабженную центральной трубой для ввода или вывода раствора, и подводящими и отводящими патрубками, расположенными на одном уровне, причем эти патрубки соединяются с аналогичными патрубками защитного контейнера с помощью разъемного уплотнительного узла, снабженного прокладками, таким образом, что сорбционная обечайка установлена в подвешенном состоянии на отводящем и подводящем патрубках, расположенных в защитном контейнере.

Отличительным признаком сорбционного блока для очистки жидких радиоактивных отходов является то, что внешний защитный контейнер снабжен на одном уровне расположенными подводящими и отводящими патрубками, а сменная цилиндрическая обечайка снабжена центральной трубой для ввода или вывода раствора, а ее подводящие и отводящие патрубки расположены на одном уровне, причем эти патрубки соединяются с аналогичными патрубками защитного контейнера с помощью разъемного уплотнительного узла, снабженного прокладками, таким образом, что сорбционная обечайка установлена в подвешенном состоянии на отводящем и подводящем патрубках, расположенных в защитном контейнере.

Конструкция заявленного устройства предполагает, что внешний защитный контейнер может быть выполнен в виде стального или железобетонного модуля с отверстиями, в которых расположены одна или несколько цилиндрических обечаек, предпочтительно в количестве 1-8 штук, причем над каждой обечайкой установлена верхняя съемная крышка, снабженная прижимными болтами.

Компоновка сорбционного блока изображена на фиг. 1. На фиг. 1 изображены также баки для исходного и очищенного раствора, являющиеся дополнительной биологической защитой блока. Сорбционный блок состоит из следующих основных частей: 1 защитны цилиндрический контейнер, 2а сорбционные колонны доочистки, 2в сорбционные колонны предочистки, 3 подводящие и отводящие патрубки контейнера. Функциональное устройство блока, которое показывает схему крепления одной сорбционной обечайки в блоке, изображено на фиг. 2, где 1 - защитный цилиндрический контейнер, 2 сорбционные колонны, 3 подводящие и отводящие патрубки контейнера, 4 подводящие и отводящие патрубки обечайки, 5 съемная защитная крышка контейнера, 6 верхнее и нижнее распределительные устройства, 7 центральная труба, 8 разъемный уплотнительный узел, снабженный прокладками. Сорбционный блок дополнительно имеет внешние прижимные болты 9, установленные в съемной крышке контейнера, которые служат для обеспечения более надежного уплотнения прокладок в узле 8.

Данный сорбционный блок функционирует следующим образом. Исходный раствор поступает в предварительно собранный сорбционный блок, в котором, как правило, находятся несколько сорбционных обечаек, через подводящий патрубок защитного контейнера 3а и уплотнительный узел 8, в подводящий патрубок обечайки 4а и затем попадает на верхнее распределительное устройство обечайки 6а. С помощью этого устройства исходный раствор равномерно распределяется по всей ширине колонки и фильтруется сверху вниз через слой сорбента, расположенного в сорбционной обечайке 2. Отфильтрованный и очищенный от радионуклидов цезия раствор собирается с помощью нижнего распределительного устройства 6в и через центральную трубу 7 подается в обратном порядке сначала через отводящий патрубок обечайки 4в, затем через уплотнительный узел 8, в выходной отводящий патрубок защитного контейнера 3в. Очищенные таким образом растворы могут поступать как на следующую сорбционную обечайку, находящуюся в этом же блоке, так и в промежуточную емкость, оттуда насосами их подают на следующие стадии очистки.

В случае необходимости данный сорбционный блок может функционировать в режиме фильтрации снизу вверх. В этом случае после прохождения через подводящий патрубок обечайки 4а растворы через центральную трубу 7 поступают на нижнее распределительное устройство 6в и затем снизу вверх фильтруются через слой сорбента. Затем через разъемный уплотнительный узел 8 растворы поступают в выходной отводящий патрубок защитного контейнера 3в.

После выработки ресурса сорбента производят его дистанционную замену вместе с сорбционной обечайкой с помощью специального захватного устройства с следующей последовательности. Прекращают подачу исходного раствора, затем проводят осушение сорбента непосредственно в сорбционной обечайке путем ее подключения к вакуумнасосу или продувки горячим азотом. Затем с помощью ручного приспособления снимают верхнюю защитную крышку с контейнера, с помощью специального механического приспособления, снабженного механизмом дистанционного захвата с фиксатором, втягивают обечайку вместе с активным сорбентом внутрь защитного транспортируемого контейнера и транспортируют на захоронение в специальный железобетонный защитный контейнер.

На освободившееся место с помощью разъемного уплотнительного узла ставят новую сорбционную обечайку со свежим сорбентом. Таким образом, после установки сорбционная обечайка находится внутри защитного контейнера в подвешенном состоянии за счет присоединения к патрубкам контейнера, являющихся одновременно и точками опоры. За счет этого и под действием собственного веса происходит надежное уплотнение всей системы, препятствующее протеканию радиоактивного раствора.

Такое устройство сорбционного блока позволяет обеспечить требуемые нормами радиационной безопасности (СПОРО-85) условия работы обслуживающего персонала с отработанным сорбентом, исключив радиационноопасные операции по его перегрузке и обеспечив возможность его компактного и безопасного захоронения.

Пример 1. проводят комплексную очистку жидких радиоактивных отходов следующего состава: общее солесодержание 2 г/л; взвеси 100 мг/л; нефтепродукты 10 мг/л; жесткость 35 мг/л; Cl 0,8 г/л; ПАВ-6 мг/л; трилон "Б" 14 мг/л; рН 8,5; Sr 2,1х10^-6 Ku/л; Cs(134+137)1х10^-5 Ku/л, остальные радионуклиды 2,5х10^-6 Ku/л.

Очистку ведут в следующей последовательности.

На первой стадии исходный раствор направляют на стадии предочистки (для удаления механических примесей и нефтепродуктов). Эти операции проводят путем его пропускания через фильтр механической очистки, загруженный кварцевым песком или модифицированным клиноптилолитным сорбентом марки "СЕЛЕКС-КМ", и сорбционный фильтр, загруженный сорбентом для удаления нефтепродуктов - "ПОРОЛАС-ТМ". Эти фильтры помещены в общий сорбционный блок, изображенный на фиг. 1. Данный блок представляет собой прямоугольный железобетонный контейнер, во внутренней части которого находятся восемь цилиндрических отверстий для установки сорбционных обечаек. Сверху блок имеет восемь съемных крышек для обеспечения радиационной безопасности. На одной из внешних панелей блока выведены в общий регулирующий узел все подводящие и отводящие патрубки, снабженные регулирующими устройствами. В верхних частях цилиндрических отверстий блока расположены подводящий и отводящий патрубки защитного контейнера, на которых с помощью уплотнительного узла подвешиваются сорбционные обечайки. После стадий предочистки ЖРО со скоростью 10 К.О./ч (объемов раствора, равных объему сорбентов) пропускают через композиционный ферроцианидный сорбент на основе ферроцианида переходного металла (КФС) марки НЖА, который также помещен в сорбционный блок. Затем очищенный от радионуклидов цезия раствор пропускают через обечайку, заполненную синтетическим цеолитом типа "А" марки ЦМП, находящуюся в том же сорбционном блоке. Затем растворы направляют в обратноосмотический блок, снабженный двумя рулонными обратноосмотическими элементами SWHR 30-8040 и патронными фильтрами 20 и 5 мкм. Фильтрацию ведут при рабочем давлении до 5,9 МПа путем последовательного пропускания ЖРО через два элемента. Этот блок представляет собой независимое устройство, соединенное линиями входа и выхода растворов с сорбционным блоком. Он служит для обессоливания ЖРО и их очистки от гидролизных форм радионуклидов, плохо поглощающихся неорганическими сорбентами.

Обессоленные до солесодержания < 10 мг/л растворы опять подают на сорбционный блок для доочистки путем их пропускания через обечайки, заполненные синтетическим цеолитом типа "А" марки ЦМП и модифицированным цеолитом моноклинной структуры марки "СЕЛЕКС-КМ". Обечайки с сорбентами в защитном контейнере расположены таким образом, что менее "активные" сорбенты в его наружной части служат радиационной защитой для более "активных", расположенных в его внутренней части. Затем растворы направляют на финишное кондиционирование и доочистку, которые проводят путем их пропускания через фильтры с активным углем и микрофильтрационными элементами с размером пор 5-10 мкм. Эти операции необходимы для получения растворов, удовлетворяющих сбросным нормам по всем токсичным химическим примесям. Таким образом, в сорбционном блоке, состоящем из 8 сорбционных обечаек, происходит очистка от радионуклидов и вредных химических примесей.

В очищенном на конечной стадии растворе содержание b-активных радионуклидов составляет < 10^-10 Ku/л, что соответствует сбросным нормам по НРБ-96.

Отработанные сорбенты с блоков сорбционной предочистки и доочистки после достижения ими удельной активности 10^-(2-4) Ku/кг подвергают захоронению в специальном железобетонном контейнере. Захоронение ведут без выгрузки сорбентов после их осушки путем замены самой сорбционной обечайки с помощью вышеописанных специальных приспособлений. Затем на освободившееся место ставят новую сорбционную обечайку со свежим сорбентом.

Пример 2. Проводят очистку солевых растворов типа морской воды с солесодержанием 20 г/л и содержанием ионов, хлориды 55; сульфаты 7,7; бикарбонаты 0,4; фосфаты 0,07; бром-ион 0,02; натрий 30,6; магний 3,7; кальций 1,2; калий 1,1. В растворе содержится изотоп серы-35 в количестве 9х10^-7 Ku/л. Очистку проводят двухступенчатым сорбционноосадительным методом с удалением на первой стадии радионуклидов цезия путем пропускания исходных растворов через сорбционный блок, включающий в себя одну сорбционную обечайку с ферроцианидным сорбентом марки МЖА-М. Операции по очистке растворов проводят в следующей последовательности.

Исходные растворы морской воды, содержащей следовые количества радионуклидов цезия и серу-35, пропускают через сорбционный блок, изображенный на фиг. 2. В данном варианте сорбционный блок состоит из одной обечайки и выполнен в виде стального цилиндрического защитного контейнера. Так как прогнозируемая степень насыщения сорбента радионуклидом цезия будет невелика (не более 10^-4 Ku/кг), то и защитный контейнер может быть выполнен из обычной стали. Через сорбционный блок пропускают растворы со скоростью 10-20 К.О./ч (объемов раствора, равных объему сорбента). В таком режиме через один объем сорбента пропускают 50 тыс. К.О. раствора. Степень очистки исходного раствора от радионуклидов цезия составляет при этом 99% Затем фильтраты поступают в емкости для осаждения, в которых проводят операции по удалению серы-35 путем ее осаждения в виде сульфата бария. После операций осаждения, отстаивания и декантации содержание радионуклидов серы-35 в растворе снижается в 70 раз и полностью соответствует допустимым нормам в соответствии со СПОРО-85 и НРБ-96 для сброса в открытые водоемы.

Отработанные сорбент МЖА-М с блока сорбционной предочистки после достижения им удельной активности 10^-4 Ku/кг подвергают захоронению в специальном железобетонном контейнере, а на его место ставят новую обечайку с сорбентом как это описано в примере 1.

Таким образом, предложенное устройство сорбционного блока позволяет проводить операции по перегрузке сорбентов без использования ручного труда, что повышает радиационную безопасность всего комплекса операций по переработке ЖРО. Кроме того, разработанная конструкция позволяет использовать данное устройство не только в стационарном, береговом варианте, но и при установке на плавсредстве. Небольшие отклонения от вертикальной оси за счет особенностей конструкции не повлияют на положение сорбционной обечайки и, тем самым, на эффективность проведения самого сорбционного процесса.

Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Нормы радиационной безопасности НРБ-96. М. Энергоиздат 1996, с. 17-35. 2. Кузнецов Ю.В. Щебетковский В.Н. А.Г.Трусов. Основы очистки воды от радиоактивных загрязнений. М. Атомиздат, 1974, с. 17-126.

3. Патент США N 4280906, кл. D 01 В 27/02, 1981.

Сорбционный блок предназначен для очистки жидких радиоактивных отходов. Сорбционный блок содержит внешний защитный контейнер, имеющий съемные крышки, верхнее и нижнее распределительные устройства, расположенную в контейнере в подвешенном состоянии на подводящих и отводящих патрубках цилиндрическую обечайку, загруженную сорбентом, имеющую центральную трубу для ввода, вывода раствора, и верхнее захватное устройство для смены обечайки. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Сорбционный блок для очистки жидких радиоактивных отходов, содержащий внешний защитный контейнер, снабженный верхней съемной крышкой, и расположенную в нем в подвешенном состоянии внутреннюю сменную цилиндрическую обечайку, загруженную сорбентом, подводящие и отводящие патрубки, разъемные уплотнительные узлы, верхнее и нижнее распределительные устройства и верхнее захватное устройство для смены обечайки, отличающийся тем, что подводящие и отводящие патрубки присоединены к контейнеру на одном уровне и сменная обечайка снабжена центральной трубой для ввода, вывода раствора и подводящими и отводящими патрубками для присоединения к соответствующим патрубкам контейнера с помощью разъемного уплотнительного узла, имеющего прокладки, и для расположения обечайки в подвешенном состоянии. 2. Блок по п.1, отличающийся тем, что внешний защитный контейнер выполнен в виде стального или железобетонного модуля с отверстиями для расположения в нем одной или нескольких цилиндрических обечаек. 3. Блок по п.1, отличающийся тем, что во внешнем защитном контейнере под съемными крышками, снабженными прижимными болтами, предпочтительно расположены одна восемь цилиндрических обечаек.