§ 11.4. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИОНООБМЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ
Особенность применения ионообменных материалов в ядерной энергетике обусловлена их недостаточной стойкостью в полях ионизирующих излучений, более жесткими требованиями к водному режиму первого контура АЭС, в частности по содержанию хлор-иона, и спецификой ядерной энергетики, связанной с необходимостью переработки и захоронения отработавших ионитов и продуктов их регенерации.
Отработавший ионообменный материал иногда не подвергают регенерации, а после истощения удаляют пневмогидротранспортом на хранение и заменяют свежим.
Рис. 11.1. Схема подготовки ионообменных фильтрующих материалов: 1 — вход сжатого воздуха; 2 — пневмогидровыгрузка фильтрующего материала; 3 — ионитный фильтр; 4 — сигнализатор уровня; 5 — загрузка фильтрующего материала; 6 — манометр; 7 — сдувка; 8 — обессоленная вода; 9 — выгрузка мелкой фракции; 10 — гравитационный фильтр; 11 — перепадомер; 12 — бак; 13 — насос; 14 — расходомер; 15 — спецканализация
Замену материала производят после пропуска через него примерно 80 тыс. объемов воды на один объем ионита или после его истощения, что определяется по результатам анализов фильтрата. При таком методе «регенерации» фильтрующего материала используются особо чистые иониты в водородной и гидроксильной форме (см. табл. 11.1), которые предварительно подготавливают и перегружают в фильтры с помощью специального узла подготовки во избежание облучения персонала при непосредственной работе в фильтрах.
Сущность подготовки ионообменных материалов заключается в замачивании их с целью набухания и последующей отмывке от мелкой фракции (менее 0,4 мм). Ионообменные особо чистые материалы поставляются потребителям во влажном состоянии. Материалы загружают в ионитный фильтр 3 (рис. 11.1) узла подготовки и заливают обессоленной водой. После замачивания в течение примерно суток иониты отмывают от мелкой фракции восходящим потоком воды, который создается при циркуляции по замкнутому контуру насосом 13. Подача насоса должна обеспечивать скорость воды в фильтре 2,8 см/с, контроль ведут по расходомеру 14. Мелкие фракции ионита выносятся водой и задерживаются гравитационным фильтром 10, а вода возвращается в промежуточный бак 12.
Контроль полноты отмывки ионитов от мелкой фракции ведут по отсутствию загрязнений гравитационного фильтра или посредством отбора определенного объема фильтрующего материала и рассева его во влажном состоянии на лабораторных ситах струей воды. При атом измеряется не масса, а объем оставшейся на сите фракции. Фильтрующий материал считается отмытым, если объем ионита, не прошедшего сито с ячейкой 0,4 мм, превышает 95 %.
Рис. 11.2. Схема узла перекачки отработавшего фильтрующего материала:
1 — бак; 2 — сигнализатор уровня; 3 — сигнализатор протока; 4 — сжатый воздух; 5—7 — фильтрующий материал с установок спецводоочистки; 8 — мешалка; 9 — сдувка; 10 — обессоленная вода; 11— фильтрующие материалы на захоронение
Отмытый фильтрующий материал пневмогидротранспортом перегружается в фильтры установок обработки радиоактивной воды. Принцип пневмогидротранспорта заключается в следующем: снижается уровень воды в фильтре (контроль по сигнализатору 4); осуществляется интенсивный барботаж фильтрующего материала сжатым воздухом для разрыхления и придания ему текучести; закрывается вентиль на линии сдувки и в фильтре создается давление воздуха 0,3—0,5 МПа (контроль по манометру 6); открывается арматура и выгружается фильтрующий материал без прекращения подачи воздуха. Аналогичным образом выгружается фильтрующий материал из всех насыпных фильтров установок обработки радиоактивной воды.
Во время выгрузки необходимо следить за давлением воздуха в фильтре, не допуская снижения его ниже 0,3 МПа, во избежание закупоривания трубопровода гидротранспорта радиоактивным фильтрующим материалом при снижении его скорости. После удаления материала иногда (например, при значительной протяженности трассы гидротранспорта или для более полного удаления материала из фильтра перед выводом гидротранспорта в ремонт) проводят промывку посредством заполнения фильтра водой с последующим вытеснением ее сжатым воздухом.
Для выгрузки отработавших радиоактивных фильтрующих материалов в ХЖО могут устанавливаться промежуточные узлы перекачки, особенно при значительном удалении ХЖО. Узел перекачки (рис. 11.2) состоит из вертикального бака 1 с мешалкой 8. Материал подается в бак только при работающей мешалке. Для придания большей текучести пульпу разбавляют водой примерно в 2 раза (контроль по сигнализатору уровня 2). В баке создается давление воздуха 0,5—0,6 МПа, и при продолжающемся перемешивании материал перегружается в емкость ХЖО. Для удаления остатков материала трубопровод гидротранспорта промывается чистой водой.
Наряду с заменой ионообменного фильтрующего материала в установках обработки радиоактивных вод АЭС применяют и регенерацию ионитов кислотой и щелочью. Эту операцию ведут или непосредственно в фильтрах, или в отдельных фильтрах-регенераторах (выносная регенерация). Последний вариант в новых схемах обработки радиоактивных вод АЭС считают более предпочтительным, так как он уменьшает вероятность ошибочного поступления регенерационных растворов в питательную воду установки.
На АЭС в отличие от ТЭС большее применение нашла раздельная регенерация, при которой анионит после разделения перегружается в отдельный фильтр-регенератор. Иониты объединяются после регенерации и отмывки. Данная схема более надежна, так как исключает ошибочное поступление кислоты в анионит и щелочи в катионит.
В отличие от ТЭС регенерацию анионита в установках обработки радиоактивных вод и последней ступени водоочистки выполняют едким натром улучшенного качества, содержание хлоридов в 4%-ном растворе которого не превышает 30 мг/л.
Для регенерации катионита па АЭС используют серную и азотную кислоты. Преимуществом серной кислоты является ее дешевизна, возможность использовать для хранения и транспортировки оборудование из углеродистой стали, а также способность сульфатов образовывать кристаллогидраты, что очень важно при отверждении жидких радиоактивных отходов (см. § 15.3). К недостаткам серной кислоты относится низкая растворимость сульфата кальция, следствием чего является образование накипи на греющих поверхностях выпарных аппаратов.
В отличие от сульфатов нитраты не образуют накипи, соли азотной кислоты хорошо растворимы. Недостатками азотной кислоты можно считать более высокую стоимость, необходимость изготовления оборудования для транспортировки и хранения кислоты из нержавеющей стали, а также то, что нитраты не образуют кристаллогидраты.
В ядерной энергетике в схемах обработки радиоактивных вод попиты, как правило, используют в смешанном слое при соотношении катионита и анионита 1:1 или 1:2. Однородная смесь ионитов (шихта) может рассматриваться как многоступенчатая обессоливающая установка. Благодаря этому удается избежать загрязнений фильтрата не только при некачественной отмывке анионита от щелочи, случайном поступлении реагентов при регенерации соседних фильтров, но и при разложении ионообменных материалов под воздействием ионизирующего излучения и высокой температуры. Продукты разложения — серная и угольная кислоты поглощаются анионитом, аммиак — катионитом. Катионит в смешанном слое разрушается так же, как и при индивидуальном облучении, скорость разложения анионита несколько возрастает при удалении продуктов радиолиза, тормозящих реакцию.
Иониты в установках обработки радиоактивных вод используются в разных формах в зависимости от принятого водного режима первого контура: Н+—ОН-; ΝΗ4+—ОН-; Ν2Η5+—ОН-; Li+—ОН-; К+—ОН-, а в случае борного регулирования реактивности реактора К+—Н2ВО3-.
Вопросы для повторения
- Почему фильтроперлит является лучшим сорбционным материалом для обработки радиоактивных вод АЭС?
- Каковы недостатки активированного угля?
- Каковы преимущества высокотемпературных сорбентов?
- Почему в ядерной энергетике нашли применение только сильнокислотный и сильноосновной иониты?
- Почему на анионитные фильтры нецелесообразно подавать воду, содержащую соли, а не свободные кислоты?
- Почему истощение ионитов контролируется по проскоку слабых ионов?
- Чем загрязняется вода при радиолизе и термолизе ионов?
- Почему фильтрующий материал после истощения удаляется на захоронение без регенерации?
- Почему свежий фильтрующий материал перед загрузкой в фильтры проходит специальную подготовку, и в чем она состоит?
- Почему на АЭС для регенерации катионита используется азотная кислота?
