Стенд для измерения эффективности очистки вентилируемого воздуха от примесей паров йода и йодистого метила в условиях, моделирующих работу систем вентиляции АЭС/Test Bench for Measurement of Efficiency of Iodine and Methyl Iodide Vapors Extraction

Отходы > WasteECo > 2009 > Опасные отходы

Стенд для измерения эффективности очистки вентилируемого воздуха от примесей паров йода и йодистого метила в условиях, моделирующих работу систем вентиляции АЭС

Колобродов В. Г., Соколенко В. И., Хажмурадов М. А., Винокуров Э. И., Сибилева Р. М., Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», Харьков, Украина

При эксплуатации атомных электростанций неизбежны утечки радиоактивных продуктов деления из тепловыделяющих элементов в первый контур реактора, а из него — в рабочие помещения АЭС. Основные газовые радиоактивные компоненты, возникающие в воздухе при работе АЭС, — изотопы ксенона и криптона, а также пары радиоактивного йода. Особо опасен изотоп ¹³¹J (период полураспада 8,05 суток) в силу его способности накапливаться в организме человека. Для локализации инертных радиоактивных газов, аэрозолей и йода, т. е. предотвращения их бесконтрольного распространения, предусмотрены системы спецгазоочистки и вентиляции помещений контролируемой зоны АЭС, в состав которых входят, в частности, угольные адсорберы (йодные фильтры). Главное предназначение фильтров систем вентиляции типа АУ-1500 — поглощение элементарного молекулярного йода и его органических соединений, из которых основным является йодистый метил СН₃J Фильтры системы спецгазоочистки рассчитаны также на значительное поглощение ксенона и криптона. Сейчас в штатных угольных фильтрах применяют активные торфяные угли рекуперационного типа СКТ-3 или СКТ-3И, которые производит ОАО «Электростальский химико-механический завод» (г. Электросталь Московской обл.).

Выбор угля СКТ-3 для систем вентиляции и спецгазоочистки АЭС в свое время был обусловлен, по-видимому, его наибольшей среди активных углей адсорбционной емкостью по основному радиоактивному газообразному продукту деления — ксенону. В настоящее время для всех атомных электростанций бывшего СССР, в том числе Украины, актуален вопрос реконструкции систем спецгазоочистки и вентиляции. Это вызвано несколькими причинами: снижением коэффициентов очистки фильтров вследствие накопления в них адсорбированных компонентов; нарастанием аэродинамического сопротивления и выходом из строя фильтров АУ-1500 из-за износа адсорбента и накопления внутри фильтров пылевой фракции; ужесточением норм допустимого выхода радионуклидов в атмосферу. При реконструкции систем очистки воздуха возникает необходимость замены адсорбента в адсорберах. В настоящее время разработаны и производятся новые угольные сорбенты. Для решения вопроса о замене адсорбента необходимо сопоставить уголь СКТ-3 с другими адсорбентами по различным параметрам (адсорбционным и прочностным свойствам, аэродинамическим характеристикам слоя). Адсорбционные характеристики желательно знать по нескольким основным летучим и газообразным продуктам деления: элементарному йоду, йодистому метилу, ксенону и криптону.

В настоящее время на АЭС Украины более 500 адсорбционных фильтров типа АУ-1500 по тем или иным причинам вышли из строя и нуждаются в замене или капитальном ремонте. В ННЦ «ХФТИ» разработана технология восстановления адсорберов АУ-1500, которая может включать как частичную, так и полную замену адсорбента. Предпочтительнее полная замена адсорбента, поскольку в угле из бывшего в употреблении адсорбера сохраняется повышенная радиоактивность. Масса угля в одном адсорбере составляет около 130 кг. Если восстанавливать 200 адсорбционных фильтров в год, необходимость в угле будет 26 000 кг, что представляет довольно большой рынок потребления. На эти поставки претендуют Россия с углями СКТ-3, СКТ-3И, СКТ-3ИК и немецкая фирма «СагbоТесh» с активными углями, импрегнированными солью КJ. На наш взгляд, весьма перспективное направление исследований по разработке активных углей на основе ископаемых углей Украины — создание и выбор адсорбентов для использования на АЭС.

Адсорбент для адсорбера АУ-1500 должен удовлетворять ряду требований:

— при более низкой стоимости не уступать углю СКТ-3 по следующим характеристикам: емкости по парам йода и йодистого метила; эффективности поглощения по сорбируемым компонентам (эффективность поглощения примесного компонента определяется как отношение разности объемных концентраций примеси на входе и выходе фильтра к концентрации на входе Е = (Q_вх − Q_в_ых)/Q_вх, где Q_вх − Q_в_ых — объемные концентрации на входе и выходе соответственно;

— в условиях, моделирующих работу на АЭС, иметь аэродинамическое сопротивление 2 500 кПа.

Имеющиеся или созданные производственные мощности должны обеспечивать получение необходимого количества адсорбента.

В ННЦ «ХФТИ» разработана методика измерения емкости адсорбентов по парам йода и йодистого метила при комнатной температуре, что дает возможность сопоставлять адсорбционные емкости СКТ-3 и исследуемых адсорбентов. Создан стенд для измерения аэродинамического сопротивления слоев адсорбентов в условиях, моделирующих работу адсорбционных фильтров АЭС. Разработан и изготовлен стенд для измерения эффективности поглощения паров йода и йодистого метила из потока вентилируемого воздуха. Газовая схема стенда изображена на рисунке.

Газовая схема стенда для изучения эффективности поглощения паров йода и йодистого метила макетами адсорберов в условиях, моделирующих работу систем вентиляции АЭС

В основу стенда заложена система отбора проб на входе и выходе макета адсорбера и накопления сорбируемой примеси на аналитических фильтрах. Массу поглощенной ими примеси можно установить различными методами: масс-спектрометрическим, весовым, «меченых атомов», γ-активационным анализом и др. Чувствительность метода определяет минимальную концентрацию примеси в вентилируемом воздухе, которую можно измерить. В разработанном стенде массу поглощенной примеси измеряют путем взвешивания фильтров на аналитических весах. В качестве фильтрующего элемента в аналитических фильтрах используют предварительно регенерированный активированный углеродный волокнистый материал АУВМ «Днепр», разработанный в ИПМ НАН Украины. Величина поглощенного примесного компонента определяется как разность масс аналитических фильтров при отборе проб вентилируемого воздуха с примесным компонентом и без него.

Поглощение паров йода и йодистого метила измеряют при удельном потоке воздуха через макет адсорбера, соответствующем удельному потоку через промышленный адсорбер типа АУ-1500. Высота слоя адсорбента в макете составляет 300 мм, что соответствует слою адсорбента в АУ-1500. Поток вентилируемого воздуха через макет адсорбера создают с помощью вентиляторного блока GRHVX-40/230 производительностью 80 м³/ч. Система вентилей позволяет регулировать удельный расход воздуха в довольно большом интервале. В стенде предусмотрена возможность исследования влияния влажности вентилируемого воздуха на эффективность поглощения паров йодистого метила.

Для введения примеси паров йода или йодистого метила в поток вентилируемого воздуха установка снабжена генераторами паров этих соединений. Они представляют собой стеклянные цилиндрические емкости с йодом или йодистым метилом, помещенные в термостат. Температура в термостате на несколько градусов ниже температуры воздуха в помещении и в течение измерений поддерживается постоянной. Количество примеси паров йода или йодистого метила, вводимого в вентилируемый воздух, задается температурой в термостате и потоком воздуха через емкость с йодом или йодистым метилом.

Разработанная установка позволит изучить процессы адсорбции примесей и влияния на них влажности и температуры воздуха, величин примесного компонента и потока воздуха. Получение комплекса таких данных позволит выбрать эффективные адсорбенты для систем вентиляции и спецгазоочистки АЭС.

Test Bench for Measurement of Efficiency of Iodine and Methyl Iodide Vapors Extraction from Ventilated Air in Conditions Simulating Ventilation Systems of Atomic Power Plants

Kolobrodov V. G., Sokolenko V. I., Khazhmuradov M. A., Vinokurov E. I., Sibileva R. M., National Science Centre «Kharkiv Institute of Physics & Technology», Kharkiv, Ukraine

This paper describes the test bench for measurements executable in conditions modeling operation of AU-1500 adsorbers in ventilating system of atomic power plants.

Сведения об авторах

Колобродов Виктор Георгиевич, и. о. нач. лаборатории, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Tел. (057) 700-24-98, факс (057) 700-05-71. Е-mail
Соколенко Владимир Иванович, д-р физ.-мат. наук, и. о. нач. отдела, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Tел./факс (057) 700-05-71. Е-mail
Хажмурадов Манап Ахмадович, д-р техн. наук, проф., нач. отдела, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 335-68-46. E-mail
Винокуров Эдуард Исаакович, нач. группы, Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Тел. (057) 700-24-98, факс (057) 700-05-71. E-mail
Сибилева Римма Михайловна, науч. сотр., Национальный научный центр «Харьковский физико-технический институт», ул. Академическая, 1, Харьков, 61108, Украина. Tел. (057) 700-24-98, факс (057) 700-05-71