Способы обработки жидких радиоактивных отходов

     Различают два режима фильтрации через слой зернистого материала — медленный и быстрый.

     Для медленной фильтрации характерны низкие скорости и, следовательно, очень большие площади фильтрующей поверхности, измеряемые тысячами квадратных метров. В практике обработки радиоактивных вод такой способ применяется в виде фильтрации вод, содержащих большое количество моющих веществ (воды спецдушевых), через песчаный грунт, так называемые поля фильтрации. При медленном просачивании воды через песок в самом верхнем его слое толщиной несколько сантиметров на поверхности песчинок образуется тонкая илистая пленка, состоящая из биологической массы — продуктов жизнедеятельности микроорганизмов. Эта пленка выполняет основную функцию по очистке воды от органических и радиоактивных загрязнений. Очистка осуществляется как простым фильтрованием взвешенных радиоактивных частиц, так и сорбцией и биологическим поглощением растворенных и коллоидных радионуклидов.

     В самом верхнем слое песка толщиной около 8 см сосредоточено 90% всех радиоактивных продуктов, в следующем слое (толщиной около 20 см) —8 %, а в остальном материале (толщиной примерно 170 см) — только 2 %. Наиболее полно удаляются при этом радионуклиды , , , для которых Коч = 5 / 30. Хуже удаляются , , (Коч < 2).

     Недостатком медленной фильтрации является наличие большого количества радиоактивного песка (верхний слой), сбор и удаление которого на захоронение представляют серьезные технические трудности. Промывка песка нерациональна, так как образуется большое количество жидких радиоактивных отходов, требующих дальнейшей переработки.

     Очистка методом быстрой фильтрации осуществляется посредством пропуска воды под напором, создаваемым насосом, через слой крупнозернистого (насыпные фильтры) либо порошкообразного (намывные фильтры) фильтрующего материала. Выпускаемые промышленностью крупнозернистые фильтрующие материалы имеют размер частиц от 0,3 до     1,5 — 2 мм, порошкообразные — от 0,04 до 0,08 мм.

     При быстрой фильтрации хорошо удаляются только радионуклиды, предварительно связанные с хлопьями коагулянта или сорбированные на продуктах коррозии, например оксидах железа. Поэтому быстрая фильтрация используется чаще всего совместно с объемной коагуляцией в качестве предварительной ступени очистки. Хорошо сортируются радионуклиды коррозионного и осколочного происхождения, находящиеся в дисперсном состоянии: , , , , , , , для них Коч = 15 / 20. Хуже удаляются радионуклиды, находящиеся в ионном состоянии: , , , , , , . При использовании в качестве фильтрующего материала активированного угля степень очистки для радионуклидов Ru и I повышается и составляет соответственно около 95 и 83 % (Коч =20 и 6).

     Для более эффективной очистки воды фильтрующий материал должен иметь высокую пористость. Этому условию удовлетворяют используемые в ядерной энергетике перлит, диатомит, активированный уголь и искусственные высокотемпературные сорбенты.

     Эффективно  удаляются взвешенные вещества с помощью материалов, вблизи поверхности которых частицы взвеси теряют свой электрический заряд, в результате чего улучшаются условия слипания и образования более крупных агрегатов. Примером таких материалов являются иониты, вблизи поверхности которых имеется диффузионный слой противоионов. Так как частицы продуктов коррозии имеют, как правило, отрицательный заряд, в качестве загрузки механических фильтров должны использоваться катиониты, причем предпочтение должно быть отдано материалам с развитой поверхностью, например сульфоуглю. Использование анионитов менее эффективно, так как в их диффузионном слое отрицательно заряженные частицы получают дополнительный заряд, что приводит к их взаимному отталкиванию и проскоку через фильтрующий материал. Хорошим фильтрующим материалом для механических фильтров в условиях АЭС является смешанная загрузка (катионит плюс анионит), хорошо задерживающая частицы продуктов коррозии, имеющие как отрицательные, так и положительные заряды.

     В процессе улавливания взвешенных частиц фильтрующий материал загрязняется, в результате чего возрастает его гидравлическое сопротивление или наблюдается проскок взвешенных частиц в фильтрат. Последнее характерно для активированного угля и искусственных высокотемпературных сорбентов. Для удаления загрязнений фильтрующий материал промывают потоком воды снизу вверх с расходом, обеспечивающим расширение загрузки примерно в 1,5 раза, что позволяет зернам фильтрующего материала свободно перемещаться в потоке воды. Отрывающиеся с поверхности зерен частицы загрязнений и измельченные частицы фильтрующего материала удаляются вместе с водой. Для повышения эффективности промывки и снижения расхода промывочной воды производится взрыхление фильтрующего материала сжатым воздухом.

     Загрязненный  фильтрующий материал намывных фильтров не промывается, а совместно с радиоактивными загрязнениями удаляется на захоронение. Высокотемпературные сорбенты помимо водной промывки подвергаются химической регенерации растворами кислот. Периодической регенерации подвергаются также катиониты в механических фильтрах.

 
 
          

     Насыпные  фильтры в зависимости от загруженного фильтрующего материала используют для очистки ЖРО от механических, коллоидных и ионных примесей, что приводит к удалению из воды радионуклидов. Коэффициент очистки насыпных фильтров для механических примесей равен 2,5—3, для коллоидных (масла)— 2—2,5, для ионных примерно 10. Коэффициент дезактивации насыпного фильтра изменяется от 15 (радионуклиды Cr, Mn, Cu, Fe) до  — ,(Nа, Cs, I, Sr).

     Ввод ЖРО в фильтр осуществляется через верхнее распределительное устройство. Через это устройство также отводится промывочная вода после промывки фильтра, вводятся регенерационные и дезактивационные растворы. Очищенная вода покидает фильтр через нижнее распределительное устройство, состоящее из коллекторов и набора щелевых труб. Через нижнее распределительное устройство также подводятся сжатый воздух и вода для взрыхления и промывки фильтрующего материала. Для гидравлической выгрузки и загрузки материала фильтр снабжен специальными патрубками. Сдувка воздуха осуществляется из верхней части фильтра.

     Фильтры для обработки ЖРО в основном монтируются в необслуживаемых боксах. Защитный кожух засыпается чугунной дробью. Диаметр насыпных фильтров колеблется в пределах 600 — 3000 мм, расчетное давление составляет 1 — 14 МПа, расчетный объемный расход ЖРО — 24 — 900 м/ч, высота фильтрующего слоя— 1000—2700 мм.

     Для предупреждения поступления фильтрующего материала в очищенную воду при нарушении целостности нижнего распределительного устройства на выходе всех установок обработки радиоактивных вод располагаются фильтры-ловушки. Они представляют собой цилиндрический корпус со сферическим днищем и плоской съемной крышкой. В корпусе установлена съемная трубная доска, в которой закреплены щелевые дырчатые трубы. Предусматривается подвод воды и сжатого воздуха в верхнюю и нижнюю части фильтра-ловушки для промывки от задержанных фильтрующих материалов.

     Намывные фильтры в зависимости от применяемого фильтрующего материала могут быть как механическими (сорбционными), так и ионообменными.

     Коэффициент очистки намывного фильтра для механических примесей (продуктов коррозии) составляет 2 — 20, для коллоидных — 2,5 — 3,0, для ионных не менее 10. Коэффициент дезактивации намывного фильтра изменяется в тех же пределах, что и насыпного.

В отличие от насыпного фильтра в намывном вода фильтруется через тонкий несколько миллиметров) слой материала. В практике обработки радиоактивных вод АЭС в качестве материала чаще всего используются фильтроперлит и смесь порошкообразных ионитов в Н- и ОН-форме, которые намываются на фильтрующие элементы (патроны). Благодаря большой суммарной фильтрующей поверхности всех патронов намывные фильтры имеют меньшие по сравнению с насыпными габаритные размеры. По этой же причине скорость фильтрования в взрывных фильтрах на порядок ниже, чем в насыпных, следствием чего является более высокая степень очистки. Фильтрующий материал намывных фильтров не восстанавливается, а после загрязнения или истощения смывается встречным потоком воды и удаляется в виде пульпы на хранение. Объем жидких радиоактивных отходов от намывных фильтров примерно в 3 раза меньше объема таких же отходов от насыпных фильтров той же пропускной способности, что является важным преимуществом намывных фильтров при использовании их в схемах обработки радиоактивных вод АЭС.

     К недостаткам намывного фильтра относятся более сложная по сравнению с насыпным фильтром конструкция и необходимость предварительного намыва и периодического удаления фильтрующего слоя, а также более низкая надежность, связанная со «сползанием» фильтрующего слоя с патронов даже при кратковременном прекращении подачи воды. Тем не менее благодаря меньшим габаритным размерам, высокому коэффициенту очистки, меньшему объему жидких отходов, сложности полной автоматизации и работы при высокой температуре воды намывные фильтры находят широкое применение. Намывной фильтр состоит из корпуса и съемной сферической крышки.

Между корпусом и крышкой установлена трубная доска с закрепленными           фильтрующими элементами, которые представляют собой дырчатую трубу, обвитую проволокой. Диаметр проволоки и шаг навивки выбирают таким образом, чтобы зазор между витками был равен 0,1 мм. Фильтр снабжен патрубками для подвода и отвода воды, сжатого воздуха и пульпы фильтрующего материала. Все элементы фильтра изготовляются из нержавеющей стали. Работа фильтра начинается с намыва фильтрующего слоя, для чего через фильтр снизу  вверх пропускается пульпа фильтрующего материала с концентрацией примерно 2,5 г/л. Намыв продолжается до полного осветления воды, возвращаемой на установку приготовления пульпы. Расход фильтрующего материала составляет примерно 600 г на 1 м квадратный площади фильтрующей поверхности. Не прекращая намыва, в нижнюю часть фильтра подают обрабатываемую воду, первые порции также сбрасывают на установку приготовления пульпы. После достижения примерно 50 % номинальной нагрузки фильтра намыв прекращается.

В намывном фильтре очистка воды в основном производится наружной частью фильтрующего слоя, которая при этом загрязняется и гидравлическое сопротивление фильтра резко возрастает. Чтобы увеличить продолжительность фильтроцикла, в обрабатываемую воду непрерывно добавляется необходимое         количество фильтрующего материала, т.е. выполняется непрерывное обновление наружной части фильтрующего слоя на патронах.

 
 

     Во  время работы намывного фильтра контролируют нагрузку, не допуская ее снижения более чем на 50% во избежание «сползания» фильтрующего слоя.

     Критерием отключения фильтра и замены фильтрующего слоя (регенерации) является увеличение на нем перепада давления до 0,5 МПа или истощение ионообменной смолы. В настоящее время в ядерной энергетике находит применение «шоковая» регенерация, дающая наименьшее количество жидких отходов. Фильтр отключают и через патрубок в него подают сжатый воздух, который вытесняет воду из нижней части фильтра через фильтрующие элементы в верхнюю часть, откуда она сливается через патрубок. После снижения уровня воды в нижней части фильтра на 100 мм ниже трубной доски, а в верхней части на 50 мм выше нее слив воды прекращается, а в фильтре создается давление не менее 0,5 МПа. Затем под трубной доской давление резко сбрасывается, для чего патрубок через электромагнитный клапан со временем сбрасывания около 0,15 с сообщается с атмосферой. Из-за резкого перепада давления находящиеся над трубной доской вода и воздух устремляются через фильтрующие элементы в нижнюю часть фильтра, происходит гидравлический удар («шок»), в результате которого

фильтрующий слой малым количеством воды удаляется с фильтрующих элементов (патронов) и вместе с водой через патрубок направляется на хранение. На очищенные патроны намывается свежий слой фильтрующего материала. Диаметр намывных фильтров составляет 400 — 1200 мм, расчетное давление 1,0 МПа; производительность по ЖРО — 10 — 100 м3 /ч.

     Для удаления из воды магнитных продуктов коррозии нашли применение электромагнитные фильтры. Фильтр состоит из корпуса, окруженного обмоткой соленоида и содержащего засыпку из стальных шариков диаметром 6 7 мм. Под действием магнитного поля соленоида оксиды железа располагаются между шариками в виде концентрических сфер; при этом электромагнитный фильтр частично работает и как механический фильтр. Соленоид работает на постоянном токе напряжением до 500 В. Степень очистки ЖРО от магнитных продуктов коррозии зависит в основном от «железоемкости» фильтра, т.е. от количества оксидов железа, приходящихся на 1 кг шариковой засыпки, и с ростом «железоемкости» снижается. Реальное значение «железоемкости» составляет 1,5 r/Kг. Высота слоя шариковой засыпки колеблется в пределах 500— 1000 мм, производительность по ЖРО составляет 100 — 3600 м3 /ч, мощность соленоида 16 — 140 кВт.

 
 
 
 
 
 

                                             

 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Дистилляция

     Дистилляция один из наиболее эффективных способов очистки ЖРО от растворимых солей. Дистилляцию проводят, испаряя ЖРО в дистилляторах (испарителях, выпарных аппаратах) с последующей конденсацией пара в охладителях (конденсаторах).

     Очистка воды основана на весьма малой растворимости примесей в паре. Переход вещества из кипящей воды в пар снижается с уменьшением давления пара и при значениях, принятых в практике обработки воды, может не учитываться.

Загрязнение пара за счет капельного уноса зависит от размера капель, образующихся при кипении воды, и содержания в них примесей. Так как содержание примесей в воде, обрабатываемой методом дистилляции на АЭС, велико, капельный унос приобретает основное значение. Загрязнение пара вследствие капельного уноса описывается соотношением :

 
 

     Sп= Sк.вω,

 

     где Sп и Sк.в — содержание примесей соответственно в паре и кипящей воде; ω — коэффициент механического уноса (влажность пара).