Радиобелсенді газдар мен аэрозолдарды тазалау технологиясы

Радиациялық қауіпсіздікті қамтамасыз ету бойынша АЭС - тағы энергия өндірісі басқа ядролық отын циклінен айрықша ерекшеленеді. Жұмыс істеп тұрған АЭС реакторында ²³³U,²³⁵U, немесе ²³⁹Pu ыдырау процесінде немесе түрлі материалдарды нейтрондармен белсендендіру кезінде реактордың белсенді зонасындағы (құрылымдық материалы, отын, жылу тасымалдаушының баяулатқыштың, отынның және т.б қоспалары,) радиобелсенділік. Көп жағдайда бұл заттардың белсенділігі қысқа өмір сүретін радионуклидтарға негізделген. Биосферадағы радионуклидтардың физикалық-химиялық құрамы мен қасиетіне байланысты бірнеше минут немесе бірнеше сағаттағы жартылай ыдырауы ортаның радиобелсенді ластануына әкелуі мүмкін.

Бөліну өнімдері. Бөлінетін өнімнің көп мөлшері және де туынды өнімдер -радиобелсенді.(тек қана βжәне γ-белсенді).Олардың жартылай ыдырау кезеңі секунд үлесінен ондаған жылдарға дейін созылады.

Барлық өнім ядролық-отын таблеткасының ішінде қалыптасады және көп жағдайда сонда қалып қойып жатады. Диффузия құбылысының әсерінен бөлінетін өнімнің аз мөлшері отын таблеткалары мен отынның бөліп шығарушы элементтің (твэл) ортасына түседі.

Ауа өткізбейтін қабаты бар твэлдан салқын суға өтуі де осы диффузия арқылы жүзеге асады. Бұл шығыс тритийден (сутектің радиобелсенді изотопы) басқа барлық нуклидтер үшін өте аз. Соңғы аталған изотоп қабаттың материалдарының құрамына кіретін циркониймен байланысқа түседі. Нәтижесінде тритийдің қабат арқылы шығуы 1% дан жоғары аспайды.

Белсенді зонада реактордың жұмыс жасау процесінен пайда болған кейбір твэлдар әр түрлі қабат дефектісін құрайды. Олар газ тәріздес өнімнің бөлінуіне әкелетін микросызаттар немесе нәтижесінде отын немесе өнімнің біршама ұшпайтын бөлігі суға түсуі мүмкін болатындай су мен отын арасында тікелей байланыыс туғызатын үлкен сызаттар. ВВЭР және РБМК отандық реакторында, PWR және BWR шетелдік реакторында қою емес газдытвэлдардың саны 1% - дан жоғары аспайды, ал үлкен дефектоларда 0,1% дан аспауы керек.

Ыдырау бөлшектерін физико-химиялық жағдайына және АЭС технологиялық жүйелерінде, қоршаған ортада жұмыс істеу ерекшеліктеріне қарай келесі топтарға бөлінеді:

1) асыл газдар(Аг, Kr, Хе);

2) ұшқыш заттар(I, Cs);

3) тритий(Т);

4) аз ұшатын заттар(La, Sr, Rb және т.б).

Барлық топтарда, үшіншіден басқа, көп мөлшерде түрлі биологиялық маңызды радионуклидтер бар. 8.1 кестеде ядролық реактордың жұмысы кезінде түзілетін биологиялық маңызды газтәріздес радионуклидтар келтірілген.

Ескерту: кестеде берілген барлық нуклидтер β және γ – белсенді; Т½ - жартылай ыдырау периоды.

Ядролық реакторда есептік жолмен алынған тритийдің мөлшері 8.2. кестеде ұсынылған. ядролық реактордың жұмысы кезінде түзілетін асыл газдардың және иодтың биологиялық маңызды радионуклидтары.

 

8.2 кесте Энергетикалық реакторда түзілетін q тритийдің есептік саны

Реакция	q,Ки/[МВт(эл.) *жыл]
ВВЭР (PWR)	РМБК(BWR)
Бөлу Белсендендіру D 6Li 10B 3He	18-20   0,001 0,02 0,5 -	18-20   0,01 0,5* - ≤0,6**

* қаратастағы литийдің қоспасында.

** РБМК газды контурында.

 

Белсендіру азық-түліктері. Бұл азық-түліктер конструкциялық материалдарды, жылутасымалдағыштың қоспасы, баяулатқыш және отынның өзін нейтрондарымен белсендіруде туады.

Бұл ретте келесі газтәріздес радионуклидтер түзіледі: ⁴¹Аr,Т,¹⁴C.

Соңғысы оттекпен әрекеттескенде көміртектің радиобелсенді оксидтерін береді.

Ауамен бірге салқын суда ыдыраған ⁴⁰Аr –ды нейтронды белсендіргенде ⁴¹Аr изотопы түзіледі:

Ауаның құрамында ⁴⁰Аr мөлшері аз болғандықтан, ⁴¹Аr бірінші ретті жылутасымалдағышты жалпы белсендіруі елеусіз.

Алайда РБМК реакторында осы радионуклид дәл сол реакция есебінен газ контурында түзіледі. ⁴¹Аr түзілу жылдамдығы едәуір болуы мүмкін және ол газ қоспасының құрамына тәуелді.

Судың бірінші ретті контурында қоспа есебінде болатын бор, литий, дейтерийді белсендендіру реакциясы нәтижесінде тритийдің түзілу реакциясы жүреді.

Дейтерий судың құрамына (0,015%) кіреді, литий мен бор - ВВЭР және PWR жылутасымалдағыш реакторына қосатын литий гидроксиді (жылу тасымалдағыштағы сутегінің мөлшерін реттеу үшін) және бордың қышқылының (реакторды қосымша реттеу үшін) құрамында бар. РБМК типті реакторында тритий мына жағдайда да түзіледі:

РБМК – ның газ контурында гелий болады. Ядролық реакторда ¹⁴С негізгі көзі деп мына реакцияларды айтамыз:

Әр реакцияның үлесі реактордың конструкцияларының типіне өзгешеліктеріне тәуелді болады. Су мұздатқыш реакторларда азот және оттек негізінде реакциялар жүреді. Бұл реакцияларда ¹⁷0 және ¹⁴N (сияқты қоспаны) отынның, жылутасымалдағыштың және баяулатқыштың құрамында бар. ВВЭР(PWR) және BWR жеңіл сулы реакторларында авторлардың есептеуі бойынша түзілетін ¹⁴С нормаланған саны 0,02-0,03 Ки/ [МВт(эл.) жыл] келеді.

АЭС – тің газтәріздес қалдықтары және оны өңдеу. Газтәріздес қалдықтардың негізгі бастауы - ВВЭР немесе PRW реакторлары бар АЭС - тегі бірінші контурлы жылутасымалдағышты тазалаудың байпас жүйесі (сурет 8.1) және конденсатордың эжекторы (РБМК немесе BWR реакторлары бар АЭС) (8.2 сурет). Сонымен қатар, газтәріздес қалдықтар жылутасымалдағышта сыртқа шығып кету болатын девагация кезінде, судың сынамасын алу үшін реакторда суалмасу кезінде газдың бөлінуінен пайда болады.

8.1 сурет. ВВЭР реакторы бар АЭС - тің негізгі технологиялық контурының схемасы (ВВЭР - 1000 бірінші контурының сипаттамалары көрсетілген):

- ректор; 2 – бу генераторы; 3 - турбогенератор; 4 - инжектор; 5 -конденсатор; 6 - екінші контурдың арнайы су тазартуы; 7 - деаэратор; 8 – қоректендіру насосы; 9 – байпасты тазалау; 10 - басты циркуляциялық сорап.

 

Газ тәріздес қалдықтар өңдеудің тұтас жүйесін өтеді, кейін газ жіберетін тқрба арқылы шығарылады. 8.3 суретте суда және су буында жұмыс істейтін PWR және BWR американдық реакторларда қолданылатын радиобелсенді газ тәріздес қалдықтарды жою схемасы көрсетілген. Схеманың жоғарғы (8.3 сурет) жағында бірінші контурдағы радиобелсенді газдарды ұшыру жүйесі көрсетілген. Ең қауіпті деп иодты, криптонды және ксенонды қарастырады. Иод белсенді элемент болып табылады және химиялық жолмен байланысқан болуы мүмкін. Асыл газдар үшін ұстап тұрудың физикалық әдістері пайдаланылады. Бұл компрессормен ұсталым ыдыстарына (газгольдер) жібереді және ауаны жаңартатын құбыр арқылы атмосфераға нақты жіберу алдында 30-45 күн бойы ұстап тұрады.

Электр қуаттылығы 1000 МВт PWR – ден шығатын радиобелсенді газдың қалдықтарының жылдық сан мәні 8.3 кестеде ұсынылған. Газ тәріздес қалдықтарды өңдеудің ең үлкен үлесі ⁸⁵Кr (шамамен 1013 Бк) байланысты.

BWR – де қоректендіру суының тұрақты деаэрациясы әсерінен жойылатын газдың көлемі көбірек.

Деаэраторда түзілетін газдар радиобелсенді, себебі олар ядролық отынмен тікелей жанасқан. Газдың құрамына, радиолизде түзілетін Н₂ және 0₂ басқа, ¹³N, ¹⁶N, ¹⁸0 кіреді.

Егер PWR – де радиобелсенді газдар жеке үлестермен өңделсе, BWR - де жойылатын газдың көп мөлшері әсерінен олар қоршаған ортаға минимум 30 минуттық кідіріс жасап үздіксіз өңделіп, үлкен тұрбалармен шығарылып отырады.

 

8.2 сурет. РБМК реакторы бар АЭС-тің негізгі технологиялық контурының схемасы:

1 - реактор; 2 - графит қалау; 3-биологиялық қорғаушы; 4-технологиялық арналар; 5 – барабан - айырғыш; 6 -турбогенератор; 7 - инжектор; 8 -конденсатор; 9 – конденсаторды тазалағыш; 10-деаэратор; 11 – қоректендіру насосы; 12- ион алмасу сүзгіштеріндегі байпасты тазарту; 13-басты циркуляциялық сорап; 14 - ауаны жаңарту құбыры; 15 - аэрозольдық сүзгіш; 16 - газды ұстап тұру үшін газгольдер; 17 - С0₂, CO, H₂, NH₃ абсорберлері; 18 - компрессор; 19 - аэрозольдық және йодты сүзгіштер

 

Радиобелсенді газдар белсендендірілген көмір қабатыбар сүзгілерге бағытталуы мүмкін,онда олар ұзақ уақыт кідіреді. Аз өмір сүретін криптон үшін кідірістің уақыты 16 күн келеді, ал ксенон үшін - 9 күн. 30 минут ұсталымы бар радиобелсенді газдар ауамен араласқаннан кейін биік тұрба(шамамен 100 м) арқылы атмосфераға шығарылады.

Араластыру мен шашырату АЭС төңірегіндегі атмосфераға радиобелсенді газдардың концентрациясын мүмкін болатын ең төменгі деңгейге дейін (⁸⁵Кr - 3,7-10^-4 Бк/л) азайтады.

1000-мегаваттық BWR - ден шығатын жанатын газдардың қалдықтарының мәні 8.4 кестеде келтірілген.

BWR - дің газтәріздес қалдықтарды жою жүйесінде оттек пен сутекті суға айналдыратын аппарат бар. 30 минуттық кідірістен кейін ылғал қату нүктесінен бірнеше градус жоғары температурада конденсация нәтижесінде жойылады. АЭС – тен шығар алдында газдар көмірлі сүзгіште қосымша кідіреді.

8.3 сурет. PWR - дің газтәріздес қалдықтарының жойылу жүйесі:

1 - бірінші контурдың газды үрлеу коллекторы; 2 - бірінші контурға қайтарым; 3 - компрессор; 4 – тұндырғы бак; 5 - радиобелсендікті ыдырау үшін кідірістің сыйымдылығы; 6 - шайба; 7 –салалы вентиляция; 8 - бірінші контур; 9 – бу генераторы; 10 - бу; 11 - конденсат; 12 - турбина; 13 - конденсатор; 14 – ауа сорғыш; 15 – үрлеу құрылғысын кеңейткіш; 16 - ауаны жаңартудың шахтасы; 17 – қорғаныс қабаты; 18 – қалдықтарды жою жүйесіне дренаж; 19 – қорғаныс қабатының ауаны жаңартуы; 20 – грубая тазарту сүзгіші; 21 - белсендірілген көмірі бар сүзгіш; 22 - жіңішке тазартудың аэрозольдық сүзгіші.

8.3 кесте - Электр қуаттылығы 1000 МВт PWR – дегі асыл газдар үшін газ тәріздес қалдықтарды өңдеудің түрлі жүйесінің тиімділігі

Шығару көзі	Жылдық шығару, Ки
газ тәріздес қалдықтарды өңдеудің жүйелері: өңдеусіз кідірістен кейін белсендендірілген ағаш текті көмірмен бір ыдыста ксенон, индий және криптон үшін 72 күн Газгольдерде сақтау 60 күн 90 күн Басқа көздер (бағалар) Қорғаныс қабат Қосымша корпус	329*   412* 306*   88* 10**

* Осы саннан шамамен 300 Ки ⁸⁵Кr береді.

** толық кемуі 0,00473 м³/с

8.4 кесте - Электр қуаттылығы 1000 МВт PWR – дегі асыл газдар үшін газ тәріздес қалдықтарды өңдеудің түрлі жүйесінің тиімділігі

Шығару көзі	Жылдық шығару, Ки
газ тәріздес қалдықтарды өңдеудің жүйелері: 30минуттық кідіріспен Белсендендірілген көмірде кідіріс жасаған байланысу апаратымен** (Хе үшін 80 күндік кідіріс, Kr үшін 2,7 күн) Басқа көздер Қорғаныс қабат Қосымша корпус Машиналық зал Радиобелсенді қалдықтарды сақтау орны Турбинаның тығыздалуынан шығатын сорғы Механикалық вакуумды насостар	1260000*

* Осы саннан шамамен 240 Ки ⁸⁵Кr береді.

** 21800 кг көмірі бар жүйе үшін, Т= -18˚С жұмыс жасайтын, шық нүктесі -29˚С және 36 м³/сағ ауа шығынымен.

 

Өңдеудің осы технологиясында BWR – де бөлінетін газдың шығарылуы берілген шаманың 10% құрайды.

Ара РWR – де бірінші контур сутек қысымының әсерінде орналасқан, бұл радиолитикалық оттек пен сутектің суға айналуының үздіксіз қайта әрекет етуіне әкеледі. Ауаны өңдеу және сутектің концентрациясын азайту үшін американдық АЭС – те түйістіру аппараттары қолданылады. Түйістіру аппараты дегеніміз химиялық катализатордан тұратын іші немесе қабаты ауыстырылатын болат бак. Химиялық катализатор алюминий оксидінен жасалған таблеткаға ұқсас металл пластинаға немесе керамикаға қапталған платина мен палладийдің ұсақ бөлшектерінен тұрады. Түйістіру аппаратының ең жақсы сипаттамасы 120˚С – тан 480˚С аралығында беттік бірліктің шығынға тәуелділігінен алынады. Бағынбайтын өрт қаупін болдырмас үшін аппаратқа түсетін газдағы сутектің мөлшері 4% кем болып тұруы керек.

Американдық жүйеде атмосфераға түсетін газды радиобелсенді қоспадан тазарту үшін газ тәрізді қалдықтарды жоюды сүзгілеу процесі кең қолданылады. Үш сүзгі тізбектей қосылады: шыныталшық қабаты бар қатқылтазалау сүзгісі, галогендерді, ең алдымен йодты жұту үшін көмір сүзгі және ионды тазалайтын, тиімділігі жоғары аэрозольді сүзгі.

Қатқыл сүзгі әдетте жіңішке сүзгінің пайдалы қызмет ету мерзімін ұзарту үшін ағын жолында бірінші қолданылады.

Йодтан қорғану үшін арнайы проектәленген сүзгілер қарастырылады. Сүзгілерде йодты жұтатын, аэрозольді сүзгінің алдыңғы және артқы жағында белсендендірілген көмір болады.

Сонымен сүзгілеу қабықшасы қорғану мен қосалқы ғимараттардан ауаның үлкен көлемін қңдеуді қамтамасыз етеді. Радиобелсенді газдардан АЭС –тегі газ тәрізді қалдықтарды тазалаудың отандық жүйесі келесі тазалау түрлерінен тұрады: су неме сутек буынан, аэрозольді сүзгілердегі аэрозольдан және йодты көмір сүзгілердегі йодтан.

АЭС – тегі шығарылатын газдардың белсенділігін кеміту үшін американдық станциялардағы сияқты тұрбаға жіберер алдында уақытша кідіріс жүзеге асырылады. Бұл кезде қысқа өмір сүретін радионкулидтердің ыдырауы жүреді. Бұл үшін газдарды (арнайы) белгілі бір уақытқа арнайы газгольдерге тартып қояды немесе газды тазалаудың радиохроматографикалық (РХС) жүйесі арқылы жіберіледі. Бұл жүйенің негізгі элементі – белсендендірілген көмірмен толтырылған сүзгі абсорбер. Көмірдегі динамикалық абсорбция әсерінен РХС – тің құрылысына эксплуатация шарттарына, радионуклидтердің массалық санына тәуелді бірнеше күннен бірнеше онкүндіктер аралығында көмірде РХС – тен өтетін газдардың уақытша кідірісі болады.

 

8.4 сурет Жеңіл сулы ВВЭР немесе РБМК типті реакторы бар АЭС - тің газ тәрізді схемасы:

Г – қатқыл тазарту сүзгісі; А(И) - аэрозольді (йодты) сүзгі; РХС – газды тазартудың радиохроматографикалық жүйесі.

 

Сонымен жұмысшы көлемі 20 м³ абсорбер ксенонның 42 күндік кідірісін және ксенонның 3,5 күндік кідірісін қамтамасыз етеді. Көлемі 40 м³ абсорбер криптонды 10 күнге кідірте алады. Газ тәрізді қалдықтардың уақытша кідірісі олардың белсенділігін көп есе азайтады. Бұл эквивалентті радионуклидтердің үлкен мөлшерін ұстауға қажет.

АЭС – тегі газ тәріздес қалдықтардың қосымша көзі – станцияның негізгі және қосымша вентиляция орны. Жаңартылатын ауа ағыны тұрбаға жіберілу алдында аэрозольді және иодты сүзгілерде тазартылады. Қосымша орындардан шығатын ауаның салыстырмалы белсенділігі аз болса, онда оны тазарту жүйесіне жібермей, бірден шығаруға болады. Радиобелсенді қалдықтардың түзілуіне қарай ВВЭР (BWR) және ВВЭР(PWR) реакторларының бір – бірінен өзгешелігі - ВВЭР(PWR) – дің бірінші контурының тұйықтығының арқасында рболу уақытыадиобелсенді заттардың реакторда ВВЭР (BWR) – дің бірінші контурындағыға (жалғыз контур) қарағанда кішкене көбірек. ВВЭР – дегі бірінші контурдан қауіпсіз тазарту жүйесіне немесе ағып кету әсерінен шығатын су ағыны салыстырмалы аз, сондықтан радиобелсенді газдардың бірінші контурдан жартылайшығу периоды үлкен: реактордың құрылымдық өзгешеліктерінің типіне және жұмыс істеу режиміне байланысты.

РБМК немесе BWR қайнап жатқан реакторында газдар судан буға айналады және тез арада конденсатор эжекторы арқылы контурдан шығады. Сондықтан ВВЭР немесе РWR реакторы бар АЭС – тегіге қарағанда осы типті реакторы бар АЭС - те тұрбадан сыртқа шығару алдында уақытша кідіріс үлкен маңызға ие.

Отандық АЭС – тердегі газ тәріздес радиобелсенді қалдықтардың құрамына радиобелсенді асыл газдар (РБГ) тритийдің аз мөлшері (көп мөлшері сұйық қалдықтарда), тазартуда шықпай қалған аэрозольдар үшін будың аз мөлшері кіреді.

Асыл газдар криптон мен ксенонның изотоптарынан және ⁴¹Ar белсендендіру өнімінен тұрады. Газ тәріздес қалдықтарда иод негізінен аэрозольді және элементар иодтың(-10%). қоспасы бар органикалық қосылыстар (~90%) ретінде кездеседі.

Жоғарыда көрсетілген ВВЭР және РБМК реакторларының өзгешеліктері мынадан көрінеді: РБМК реакторы бар АЭС – тен атмосфераға шығарылатын асыл газдардың шамасы ВВЭР реакторы бар ВВЭР реакторында ұзақ өмір сүретін ¹³³Хе мөлшері көп болса, РБМК реакторларында ұзақ өмір сүретін криптон мен ксенон көп мөлшерде.

 

8.5 кесте - Радиобелсенді қолайлы газдардың (РБГ) және иодтың газ тәріздес қалдықтардағы құрамы

* ⁴¹Аr– сыз газ контуры

 

8.6 кесте - Нормаланған "аэрогенді" радиобелсенді газдардың АЭС - тен атмосфераға шығуы.

Ки /[Мвт(эл.) /жыл]

АЭС – ті радиобелсенді газдардан тазарту жүйесі және шығарылатын радиобелсенді газдардың ауада араласуынан азайтуға АЭС жанында тұратын халықтың сәуле алу дозасын азайтуға мүмкіндік береді.

АЭС – тен 100 км дейінгі қашықтықта ВВЭР типті реактордың эквивалентті дозасы 0,35 мкЗв/жыл, ал РБМК үшін - 4,2 мкЗв/жыл, бұл мүмкін болатын шекті шамалардан біраз кем (5 мЗв/жыл), ал қуаттың тиімді жиынтық дозасы сәйкесінше ВВЭР үшін - 0,013адам Зв/жыл. Бұл белгіленген генетикалық қауіпті шамалардан біраз кем.

Сонымен, АЭС – тен сыртқа шығарылатын ауаны радиобелсенді газдардан тазалаудың қазіргі заманғы нормаланған режимде жұмыс істейтін технологиялары АЭС жанында өмір сүретін адамдарға қауіп төндірмей, атмосфераға радиобелсенді газдарды шығаруға мүмкіндік береді.