Установка для очистки газовых потоков от летучих соединений цезия и йода, образующихся в процессе высокотемпературной обработки отработавшего ядерного топлива Российский патент 2023 года по МПК G21F9/02 

Изобретение относится к оборудованию для радиохимических производств атомной промышленности и может быть использовано в процессах локализации летучих продуктов деления из отходящих газов на различных высокотемпературных переделах переработки облученного ядерного топлива, в частности на операции высокотемпературной обработки (ВТО) отработавшего ядерного топлива пирохимического передела (ОЯТ).

Улавливание максимального количества соединений ЛПД, среди которых наиболее значимыми в количественном отношении и по радиационным характеристикам являются соединения цезия и йода, на головной операции ВТО ОЯТ является важнейшей задачей, решение которой повышает технологичность, экологические и экономические показатели последующих переделов переработки ОЯТ и всего замкнутого ядерного топливного цикла.

Частично данная задача может решаться применением ряда устройств, предназначенных для локализации летучих форм радиоактивного йода и радиоактивных аэрозолей, которые являются составной частью отходящих газов для головных и ряда последующих операций пирохимического и гидрометаллургического переделов переработки ОЯТ.

Известно устройство аварийного сброса и фильтрации газа содержащее расположенные в технологической последовательности по ходу очищаемого потока среды входной патрубок, секцию механической фильтрации, секцию высокоэффективной очистки от аэрозольных частиц, секцию локализации летучих соединений йода методом адсорбции и выходной патрубок, в котором устройство дополнительно снабжено секцией распределения газового потока на необходимое количество параллельных потоков с поддержанием допустимого давления и выравниванием в них расходов очищаемой среды и секцией гравитационно-инерционного осаждения [RU №174059, опубл. 28.09.2017].

В качестве фильтрующего материала секции высокоэффективной очистки от аэрозольных частиц использован стекловолокнистый материал, в качестве сорбента секции локализации летучих соединений йода использован гранулированный сорбент на основе кремниевой кислоты.

Известен комбинированный фильтр для очистки радиоактивной парогазовой смеси, разработанный для локализации летучих форм радиоактивного йода и радиоактивных аэрозолей в системах вентиляции на АЭС с целью предотвращения радиоактивного заражения окружающей среды [RU184350, опубл. 23.10.2018]. Комбинированный фильтр разделен на одинаковые цилиндрические секции. Каждая секция имеет верхнюю крышку для установления спиральных фильтрующих элементов с переменной поверхностью (СФЭПП) и нижнюю крышку с сеткой для удержания сорбентов.

Первая и замыкающая по ходу очищаемого потока газа секции заполняются сорбентом из неорганического материала SiO₂-Cu⁰, или силикагелем марки КСКГ или их смесью. В качестве наполнителя каждой из промежуточных секций для улавливания летучих форм радиоактивного йода используется гранулированный сорбент на основе активированного угля марки СКТ-ЗИ или неорганический гранулированный сорбент «Физхимин» на основе силикагеля.

Размер пор СФЭПП уменьшается в направлении от первой секции к замыкающей по ходу очищаемого потока газа, а количество секций, которые снаряжаются сорбентом для очистки газов от радиоактивных йодсодержащих примесей, составляет не менее трех. Предлагаемый комбинированный фильтр является пожаробезопасным и позволяет проводить локализацию летучих соединений радиоактивного йода как при нормальной работе АЭС, так и при аварийной разгерметизации ТВЭЛов. В число улавливаемых комбинированным фильтром радиоактивных аэрозолей входят радиоаэрозоли ¹³⁷Cs¹³¹I, при этом разделения на цезий и иод не происходит.

Примерный состав сорбента «Физхимин» предложен в известном способе получения сорбента для улавливания летучих форм радиоактивного йода при эксплуатационных режимах работы и при авариях на АЭС, а также для очистки паровоздушных потоков от летучих соединений радиоактивного йода в технологических схемах по переработке отработавшего ядерного топлива [RU 2479347, опубл. 20.04.2013]. Сорбционно-активный слой наносится на гранулы силикагеля методом пропитки раствором азотнокислых солей серебра и никеля в аммиаке или смесью водных растворов солей серебра и никеля с аммиаком с концентрацией серебра в готовом сорбенте 1.0-2.0 мас. % и мольным отношением Ni²⁺:Ag⁺ от 2:1 до 4:1.

Общим недостатком фильтров с гранулированными сорбентами является невысокая механическая прочность, общая пористость и внешняя удельная поверхность. Склонность к механическому разрушению и истиранию под воздействием вибрационных нагрузок в процессе эксплуатации приводит к засорению продуктов реакции, частичному спеканию при высоких температурах в аварийных режимах работы, вызывает повышение газодинамического сопротивления газоочистного аппарата и сокращение его эффективного ресурса.

Известно, что главенствующей формой радиоактивного йода в ОЯТ является йодистый цезий и лишь незначительная доля йода (<5%) может выделяться при переработке ОЯТ в форме молекулярного йода, иодоводорода или метилиодида.

В тоже время цезий, вследствие значительно большего содержания в составе ОЯТ может выделяться как в связанном виде в форме иодида, так и в виде паров металла или его бескислородных соединений (гидридов и сплавов с другими металлами). В окислительной среде весь цезий переходит в оксидную форму, а образовавшийся при окислении CsI иод выделяется в молекулярной форме I₂.

Известна экспериментальная система локальной газоочистки, состоящая из трубчатой электропечи с температурой нагрева до 1000°С, содержащей нагревательный элемент и собственный корпус, и сменного картриджного фильтрэлемента, имеющего корпус в виде керамической трубки, в которой размещен комплект непосредственно контактирующих между собой блочных фильтров-сорбентов, полученных нанесением на корундовый каркас ВПЯМ соответствующего сорбционно-активного слоя для улавливания йода, цезия и трития, а также слоя гранулированного цеолита [М.Д. Гаспарян и др. Комплексное улавливание летучих продуктов деления в процессе переработки облученного ядерного топлива, Экология промышленного производства, 2015, с. 40-45]. Вместе фильтрэлемент и электропечь представляют собой единый газоочистной аппарат, а не установку из двух аппаратов. Такая конструкция известной экспериментальной системы локальной газоочистки, не имеющей теплоизоляции, приводит к выравниванию температуры по длине фильтрэлемента и невозможности раздельного селективного улавливания отдельных летучих продуктов деления теми или иными фильтрами-сорбентами.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является создание установки для высокоэффективного одновременного улавливания соединений радиоактивного йода и цезия из отходящих газов процесса высокотемпературной обработки ОЯТ при раздельной их локализации в соответствующих газоочистных картриджных аппаратах.

Для решения этой задачи предложена установка для очистки газовых потоков от летучих соединений цезия и йода, образующихся в процессе высокотемпературной обработки ОЯТ, состоящая из двух последовательно соединенных газоочистных аппаратов, снабженными сменными картриджами с комплектом полифункциональных керамических высокопористых блочно-ячеистых контактных элементов, при этом первый по ходу очищаемого газа аппарат снабжен сменным картриджем, снаряженным контактными элементами с активным слоем из композиции оксидов алюминия и кремния (30% γ-Al₂O₃+70% SiO₂), а также теплоизолированной электропечью для нагрева очищаемого газа до температуры 800-900°С, а второй - сменным картриджем, снаряженным контактными элементами с активной подложкой из γ-оксида алюминия и сорбционно-активным компонентом - азотнокислым серебром, а также теплоизолированной электропечью для нагрева очищаемого газа до температуры 150-200°С.

При высокой температуре нитрат серебра в активном слое контактных элементов разлагается до металлического серебра, имеющего значительно меньшую сорбционную способность по иоду. Кроме того, образовавшийся иодид серебра начинает испаряться, что приводит к десорбции радиоактивного иода. Именно поэтому выбраны оптимальные температуры двух последовательных процессов.

Применение сорбентов обеспечивают необходимую степень очистки по молекулярному йоду >10³ при значительно более высокой по сравнению с гранулированными сорбентами сорбционной емкости по соединениям йода, что позволяет значительно уменьшить массогабаритные характеристики аппаратов газоочистки и продлить срок их эксплуатации. Локализованные в отдельных картриджах и разных аппаратах цезий и йод позволяют проводить их дальнейшую утилизацию в качестве твердых радиоактивных отходов также раздельно по принятым технологиям утилизации, соответственно, высокоактивных и среднеактивных отходов.

Таким образом, технический результат, достигаемый изобретением, заключается в возможности дальнейшей раздельной утилизации цезия и йода в качестве твердых высокоактивных и среднеактивных радиоактивных отходов.

Изобретение иллюстрируется рисунками, где на фиг 1 изображена установка, состоящая из двух последовательно соединенных через выходной и входной патрубки газоочистных аппаратов; на фиг. 2 - сменный картридж с комплектом блочно-ячеистых контактных элементов для улавливания соединений ЛПД.

В заявленной установке первый по ходу очищаемого газа аппарат, предназначенный для улавливания газообразного радиоактивного цезия, снабжен сменным картриджем с комплектом полифункциональных керамических высокопористых блочно-ячеистых контактных элементов, каждый из которых представляет собой пористую основу из корундового блочного высокопористого ячеистого материала (ВПЯМ) с размером ячейки 0,5-1,5 мм, с открытой пористостью от 85 до 90% и с активным слоем из композиции оксидов алюминия и кремния (30% γ-Al₂O₃+70% SiO₂), нанесенным на пористую основу из корундового блочного ВПЯМ в суммарном количестве до 30% мас. Этот сорбент известен из RU 2569651, опубл. 27.11.2015.

Второй аппарат предназначен для улавливания радиоактивного йода и его соединений из газовой фазы и снабжен сменным картриджем с аналогичным по структуре сорбентом с активной подложкой из γ-оксида алюминия, нанесенного в количестве до 6,5 мас. % и нанесенным на нее сорбционно-активным компонентом - азотнокислым серебром - до суммарного содержания AgNO₃, равного 8-18 мас. %. Данный сорбент известен из RU 2576762, опубл. 10.03.2016.

Оба газоочистных аппарата являются универсальными по конструкции и взаимозаменяемыми и состоят из корпуса 1, в который устанавливается сменный картридж 2; теплоизолированной электропечи 3, перемещаемой по раме 4 с помощью механизма подъема-опускания 5 для обслуживания или замены; теплоизолирующей крышки 6, верхнего фланца 7 с прижимным механизмом 8; механизма подъема-опускания и отведения крышки 9; патрубков для входа 10 и выхода 11 очищаемого газа, датчиков контроля температуры и давления на входе 12 и выходе 13.

Сменный картридж состоит из корпуса 14; приспособление 15 для замены и уплотнения картриджа в нижнем фланце корпуса аппарата; уплотняющего элемента 16 "песочного затвора", заполненного нитридом бора; керамических высокопористых блочно-ячеистых контактных элементов: один блок 17 с плотностью пор 10 ppi, два блока 18 с плотностью пор 20 ppi, два блока 19 с плотностью пор 30 ppi и один блок 20 с плотностью пор 45 ppi. Такая последовательность расположения блоков контактных элементов с увеличением плотности пор по ходу очищаемого газа обеспечивает максимальную эффективность очистки, а первый блок с плотностью пор 10 ppi дополнительно распределяет газовый поток равномерно по сечению картриджа.

В первом по ходу очищаемого газа аппарате в атмосфере воздуха или аргонокислородной смеси в температурном интервале 800-900°С происходит окисление CsI с образованием оксида цезия и молекулярного йода, а также окисление паров цезия или других его бескислородных соединений. В результате практически полного протекания процесса хемосорбции оксида цезия образуется преимущественно наиболее устойчивый алюмосиликат цезия - поллуцит (CsAlSi₂O₆), а сорбционная емкость составляет 0,16-0,32 г Cs₂O/г фильтра-сорбента. Оставшийся йод поступает во второй аппарат, где локализуется в процессе хемосорбции в интервале температур 150-200°С нанесенным на контактные элементы активным слоем нитрата серебра в форме иодида серебра (AgI).

Все механизмы перемещения и уплотнения составных частей обоих газоочистных аппаратов установки управляются пневмоприводами. Материал корпусных деталей аппарата и сменного картриджа - нержавеющая сталь 20Х23Н18. Размеры контактных элементов, сменных картриджей и габариты аппаратов могут быть масштабированы в зависимости от необходимой производительности по очищаемому газу.

Локализованные в отдельных картриджах и разных аппаратах цезий и иод позволяют проводить их дальнейшую утилизацию в качестве твердых радиоактивных отходов также раздельно по принятым технологиям утилизации, соответственно, высокоактивных и среднеактивных отходов. При этом за счет более высокой сорбционной емкости контактных элементов по сравнению с известными устройствами, использующими гранулированные контактные элементы, и применения унифицированных газоочистных картриджей снижается количество образующихся вторичных ТРО и повышается технологичность процессов утилизации.

Изобретение относится к оборудованию для радиохимических производств атомной промышленности и может быть использовано в процессах локализации летучих продуктов деления из отходящих газов на различных высокотемпературных переделах переработки облученного ядерного топлива. Установка состоит из двух последовательно соединенных газоочистных аппаратов. Первый по ходу очищаемого газа аппарат снабжен сменным картриджем, снаряженным контактными элементами с активным слоем из композиции оксидов алюминия и кремния (30% γ-Al₂O₃+70% SiO₂), а также теплоизолированной электропечью для нагрева очищаемого газа до температуры 800-900°С. Второй - сменным картриджем, снаряженным контактными элементами с активной подложкой из γ-оксида алюминия и сорбционно-активным компонентом - азотнокислым серебром, а также теплоизолированной электропечью для нагрева очищаемого газа до температуры 150-200°С. Изобретение позволяет утилизировать цезий и йод в качестве твердых радиоактивных отходов раздельно. 2 ил.

Установка для очистки газовых потоков от летучих соединений цезия и йода, образующихся в процессе высокотемпературной обработки ОЯТ, состоящая из двух последовательно соединенных газоочистных аппаратов, снабженных сменными картриджами с комплектом полифункциональных керамических высокопористых блочно-ячеистых контактных элементов, при этом первый по ходу очищаемого газа аппарат снабжен сменным картриджем, снаряженным контактными элементами с активным слоем из композиции оксидов алюминия и кремния (30% γ-Al₂O₃ + 70% SiO₂), а также теплоизолированной электропечью для нагрева очищаемого газа до температуры 800-900°С, а второй - сменным картриджем, снаряженным контактными элементами с активной подложкой из γ-оксида алюминия и сорбционно-активным компонентом - азотнокислым серебром, а также теплоизолированной электропечью для нагрева очищаемого газа до температуры 150-200°С.