Новые подходы к технологии переработки ЖРО
Дата: 29/11/2016
Тема: Обращение с РАО и ОЯТ


В.А.Узиков, ведущий инженер-технолог, ГНЦ НИИАР

Радиоактивные отходы (РАО) можно назвать «ахиллесовой пятой» ядерной энергетики, причем львиная доля приходится на так называемые жидкие радиоактивные отходы (ЖРО).  В зависимости от источника образования ЖРО их характеристики различаются в широчайшем диапазоне по степени активности, химическому и радионуклидному составу, солесодержанию и другим показателям, что обуславливает разнообразие способов обращения с этим типом РАО.


Основными технологическими стадиями при обращении с ЖРО, вызывающими наибольшие затруднения, являются переработка и кондиционирование. Под переработкой понимаются технологические операции, выполняемые в целях изменения физической формы, агрегатного состояния и (или) физико-химических свойств радиоактивных отходов для их последующего кондиционирования, а под кондиционированием – технологические операции по приведению радиоактивных отходов в физическую форму и состояние, пригодные для их захоронения и соответствующие критериям приемлемости.

Если вернуться в реальность после скучных определений терминов, можно обрисовать ситуацию в стране простыми словами – за многие десятилетия работы с РАО мы так и не смогли создать простую, надежную и дешевую технологию переработки основной массы ЖРО в безопасную форму, пригодную для захоронения, чем освободили бы будущие поколения от излишней головной боли. Накоплено и продолжает накапливаться огромное количество ЖРО средней и низкой активности (уже только в России более 500 млн. кубометров активностью 4,27·1019 Бк). Из общего количества накопленных ЖРО 92,7 % общего объёма – это низкоактивные (НАО), 6,8% - среднеактивные (САО) и 0,5 % - высокоактивные (ВАО) отходы (рис. 1)[1].


Рисунок 1 – Распределение накопленных ЖРО:
а) по объёму, б) по активности

 

Более 90% ЖРО образовалось в результате прошлой оборонной деятельности (включая утилизацию АПЛ) и находится на трёх предприятиях – ФГУП «ПО «Маяк», ОАО «СХК» и ФГУП «ФЯО ГХК». Такие РАО называются «историческими». Поэтому основная часть (99%) низкоактивных ЖРО, накопленных на предприятиях атомной отрасли, размещена на объектах ПО «Маяк» и СХК. 89% среднеактивных ЖРО сосредоточено на СХК, ГХК, НИИАР и изолирована от окружающей среды путем закачки в глубокие геологические формации. За более чем полувековой период эксплуатации в эти геотехнические сооружения было закачено более 55 млн м3 ЖРО различного уровня активности. В пунктах хранения ЖРО, не изолированных от окружающей среды, размещено около ~ 12% среднеактивных ЖРО. Все высокоактивные ЖРО изолированы от окружающей среды.

Основными источниками образования и накопления новых (не исторических) РАО являются предприятия ЯТЦ и АЭС. По оценкам, ~ 0,1 % от общей активности накопленных к настоящему времени РАО образовалось на АЭС, большая часть остальных РАО – на предприятиях ЯТЦ, что обусловлено деятельностью радиохимических производств [1].Необходимо отметить, что с момента принятия ФЦП ЯРБ объёмы переработки высокоактивных ЖРО опережают объёмы их ежегодного образования, поэтому главный вопрос в совершенствовании технологии обращения с ЖРО касается прежде всего отходов среднего и низкого уровня активности.

В качестве одного из важнейших принципов обеспечения радиационной безопасности при разработке технологий и проведении работ по обезвреживанию ЖРО средней и низкой активности должен использоваться принцип ALARA (сокр. AsLowAsReasonablyAchievable) — один из основных критериев, сформулированный в 1954 году Международной Комиссией по Радиологической Защите с целью минимизации вредного воздействия ионизирующей радиации. Этот принцип предусматривает поддержание на возможно низком и достижимом уровне как индивидуальных, так и коллективных доз облучения, с учётом социальных и экономических факторов. Таким образом, экономическому аспекту технологии должна придаваться особая роль.   

Проведенная в [2] оценка целесообразности применения различных технологий переработки РАО для захоронения, выявила приоритетные технологические схемы, позволяющие существенно снизить объем РАО, подлежащий окончательной изоляции.

В частности, делается вывод, что переработка кубовых остатков, представляющих большую проблему для АЭС из-за наполнения емкостей хранения, наиболее эффективным методом является предварительное доупаривание до солесодержания 700-800 г/л с последующим цементированием. Применяемое в настоящее время доупаривание кубовых остатков до солевого концентрата в установках УГУ-500 с расфасовкой в бочки хотя и является более выгодным как по стоимостным, так и по объемным характеристикам, однако накладывает ограничения на их окончательную изоляцию.  Необходимо признать, что установки УГУ-500 не позволяют получить качественный солевой плав ввиду быстрого зарастания теплообменных трубок отложениями, поэтому вместо допустимых 15% воды в солевом плаве в реальности содержится до 30% воды. Наличие несвязанной воды приводит к повышенной коррозии в бочках, и уже сейчас накопившиеся на станциях бочки с солевым плавом представляют огромную проблему. Загрузка этих бочек в дорогостоящие железобетонные контейнеры малоэффективна с точки зрения использования свободного объема и создает дополнительные трудности на последующих этапах обращения с РАО. Именно поэтому стоит пересмотреть практику использования УГУ-500, не позволяющую решить проблему окончательного захоронения.

Для низкосолевых ЖРО наиболее предпочтительным авторы [2] считают метод многоступенчатой фильтрации ЖРО. Однако сорбционно-мембранные технологии могут и не дать требуемой степени очистки от радионуклидов. Кроме того, после насыщения или «отравления» фильтрующего материала он сам становится существенной проблемой для окончательного захоронения. Поэтому для низкоактивных ЖРО в качестве наиболее предпочтительного варианта стоит рассмотреть старый добрый термический способ выпаривания, применив для кардинального снижения энергетических затрат технологию рекомпрессии вторичного пара.

Эта технология широко применяется в современных опреснительных установках, а также используется в установке для приработки ЖРО, созданной фирмой NUKEM. Однако, так как в этой установке применяется кипение раствора в теплообменных трубках, степень очистки вторичного пара от радиоактивных золей без применения абсорберов явно недостаточна.

Обеспечение эффективной переработки накопленных ЖРО с минимальными затратами возможно при использовании следующих принципов:

·        применение технологии пленочного упаривания в барабанных пленочных аппаратах [3];

·        непрерывная очистка греющей поверхности в процессе пленочного упаривания;

·        использование рекомпрессии вторичного пара.

 Непрерывность очистки греющей поверхности установки от отложений в процессе упаривания позволяет обеспечивать безостановочную работу по переработке ЖРО в течение нескольких месяцев, что выгодно отличает данную установку от существующих выпарных аппаратов.

К особенностям предлагаемой технологии можно так же отнести:

·   низкие энергозатраты при переработке ЖРО средней и низкой активности;

·   отсутствие охлаждающего контура;

·   нетребовательность к составу и солесодержанию перерабатываемых ЖРО;

·   широкий диапазон солесодержания получаемого концентрата;

·   очистка греющей поверхности от отложений в процессе упаривания;

·   минимальное количество вторичных ЖРО;

·   возможность создания транспортируемых модулей;

·   встраиваемость технологии в комплекс по переводу ЖРО в цементный компаунд;

·   удобство автоматизации процессов;

·   существенное снижение стоимости переработки ЖРО;

·   безреагентность.

Схема реализации парокомпрессионного метода с применением барабанно-пленочных испарителей приведена на рис.2. Этот проект выпарной установки в мобильном варианте был представлен командой МИФИ (капитан Дмитрий Правдин) на отраслевом турнире молодых профессионалов «ТеМП 2016», проводимом госкорпорацией «Росатом», и занял призовое место.

1 – барабан первой ступени; 2 – греющая (паровая) рубашка барабана первой ступени; 3 – кольца жесткости; 4 - привод вращения; 5 – вращающиеся опоры; 6 – упариваемый раствор в барабане первой ступени; 7 – трубка подвода упариваемого раствора; 8 – трубка отвода концентрата; 9 – трубка отвода конденсата из греющей (паровой) рубашки; 10 – уплотнительные элементы; 11 – паровой компрессор; 12 – нагнетательный патрубок; 13 – перепускной патрубок; 14 – всасывающий патрубок; 15 – барабан второй ступени; 16 - греющая (паровая) рубашка барабана второй ступени; 17 – упариваемый раствор в барабане второй ступени

 Рисунок 2 – Двухступенчатая схема реализации парокомпрессионного метода с применением барабанно-пленочных испарителей

 

В силу своих особенностей (низкие энергозатраты, отсутствие контура охлаждающей воды) данная технология может быть реализована в виде мобильного комплекса по переработке ЖРО. Мобильный модуль парокомпрессионной установки с основными параметрами представлен на рисунке 3, а развернутый комплекс по переработке ЖРО – на рисунке 4.

Параметры модуля упаривания:

Мощность компрессор пара             90 кВт;

Производительность                   2200 л/ч;

Температура пара на всасе             87°С;

Температура пара на напоре      130°С

Диаметр барабана                           450 мм;

Длина барабана                               11 м;

Количество ступеней                       2;

Количество барабанов                 4;

Тепловой поток                                18 кВт/м2

 Рисунок 3 – Мобильный модуль парокомпрессионной установки с основными технологическими параметрами

В развернутый мобильный комплекс кроме модуля упариванияЖРО входят модуль приготовления цементного компаунда и его расфасовки в невозвратные контейнеры, энергетический модуль, лаборатория, блок контроля и управления технологическим процессом, а так же емкостное оборудование.

Рисунок 4 – Развернутый комплекс по переработке ЖРО

Сравнительный анализ предложенной технологиис существующими аналогами представлен в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительный анализ предложенной технологиис существующими аналогами

Заключение

·        Реализация технологии позволит приступить к решению проблемы накопленных ЖРО низкой и средней активности, откладываемой на будущие поколения.

·        Технология парокомпрессионной переработки ЖРО позволяет снизить стоимость затрачиваемой энергии ниже 1$ (или 60 руб) за кубометр перерабатываемых ЖРО. Общая стоимость переработки и кондиционирования ЖРО резко снижается и определяется стоимостью цементной смеси и упаковки.

·        Безреагентность технологии обеспечивает резкое снижение объемов вторичных ЖРО, а, следовательно, объемов сухого хранения конечного отвержденного продукта (количества НЗК в хранилищах).

·        Разработанный проект парокомпрессионного модуля упаривания на базе БПИ с энергопотреблением 90 кВт и производительностью 2 куб.м/ч в случае его реализации позволит заменить применяемые ныне на АЭС двухкамерные выпарные аппараты и установки УГУ-500, обеспечивая резкое снижение эксплуатационных расходов.

 

Список источников:

1.     Муратов О.Э., Тихонов М.Н., Радиоэкологические аспекты обращения с РАО и ОЯТ в условиях инновационного развития ядерной энергетики / http://nuclear-submarine-decommissioning.ru/node/755

2.     Гупало В.С., Маслов М.В., Чистяков В.Н. Исследование схем обращения снакопленными РАО в целях их подготовки для окончательной изоляции // Горныйинформационно-аналитический бюллетень. 2012. № 1. с. 160-164.

3.     Узиков В.А., Кочнов Я.К, Осипова Н.Е., Узикова И.В., Патент РФ № 2488421 «Способ концентрирования жидких растворов»







Это статья PRoAtom
http://www.proatom.ru

URL этой статьи:
http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7167