Очистка радиоактивных газовых выбросов

Раздел 7

Технологические процессы, сопровождающие эксплуатацию АЭС, предусматривают постоянное удаление из теплоносителя присутствующих и образующихся в нем газов. На АЭС, работающих по двухконтурной схеме, газы удаляются сдувкой с фильтров внутриконтурной очистки теплоносителя и из компенсаторов объема. На АЭС, работающих по одноконтурной схеме, газы удаляются из конденсаторов турбин (эжекторные газы) и на деаэраторных установках. Кроме этого, на АЭС могут быть различные другие устройства и оборудование, в которых по тем или иным причинам могут скапливаться газообразные продукты. К числу таких устройств на АЭС с РБМК относятся циркуляционные баки контура охлаждения СУЗ.

Вместе с тем, образование газообразных продуктов происходит в процессе переработки жидких радиоактивных отходов на АЭС, которые подлежат удалению из оборудования, применяемого для переработки. Газообразные отходы образуются также вследствие дегазации различного рода протечек теплоносителя, как организованных, так и неорганизованных, выхода газов при обмене реакторной воды, при отборе проб теплоносителя, в бассейнах выдержки отработанного топлива и при дегазации растворов в баках выдержки.

В плане экологического воздействия на окружающую среду, радиационного воздействия на персонал и население, имеет значение тот факт, что организованные газовые выбросы и сдувки содержат радиоактивные элементы. Прежде всего, их образование связано с делением ядерного топлива. Большая часть из 250 различных радионуклидов, образующихся при делении урана-235, 233 – инертные газы или летучие элементы. Важнейшими из них для промышленных АЭС являются газовые продукты деления, которые всегда присутствуют в теплоносителе первого контура за счет деления топливосодержащих материалов на поверхностях тепловыделяющих элементов. Активность газовых продуктов деления (йода, криптона, ксенона и продуктов активации аргона) в теплоносителе значительно возрастает при возникновении и развитии газовых дефектов в твэлах. С учетом периода полураспада газовых радионуклидов и их радиационного воздействия наибольшую опасность представляют радионуклиды
йода-131,133, ксенона-133,135, криптона-85 и аргона-41.

Содержащие газообразные продукты деления, активации и отводимые из контура и технологического оборудования газы состоят обычно из N₂, H₂, содержат примеси водяного пара. На АЭС с ВВЭР расход этих газов сравнительно невелик и составляет
4 - 70 м³/час, а на АЭС РБМК он составляет 300-350 м³/час. Активность этих газов достаточно велика, и поэтому они перед выбросом в атмосферу подвергаются очистке. Данная очистки заключается во временной выдержке, в течение которой активность газов уменьшается за счет естественного распада. Поскольку в газах содержится водород, то при выдержке могут образовываться взрывоопасные смеси. Для предотвращения образования взрывоопасной смеси газ разбавляют азотом или пропускают через дожигатели водорода (УСГС - установка сжигания гремучей смеси).

Разница в расходах технологических газов на АЭС с реакторами различных типов в первую очередь обусловлена различием объемов основных контуров и расхода теплоносителя на внутриконтурную очистку, а также особенностями технологических схем АЭС. Особенности технологического контура обуславливают и различие в активности газа и в его радионуклидном составе. Так, первый контур АЭС с ВВЭР замкнут, время пребывания в нем радиоактивных благородных газов (РБГ) достаточно велико, период полувыведения их из контура составляет несколько часов или даже суток. Соответственно, активность радионуклидов и газовых сдувок заметно снижается и определяется в основном долгоживущим Xe–133 (Т_1/2 = 5.27 сут.). На АЭС с РБМК контур многократной принудительной циркуляции по газу разомкнут и РБГ удаляются из него в течение нескольких секунд или десятков секунд после образования (не более 30 с). Поэтому наряду с долгоживущим Xe–133 в эжекторных газах присутствуют и другие РБГ с меньшими периодами полураспада.

АЭС с реакторами на быстрых нейтронах (БН) из-за высокой химической активности жидкометаллических теплоносителей, в частности натрия, имеют конструктивные отличия по сравнению с АЭС с ВВЭР или РБМК. На этих АЭС достигается высокая степень герметичности первого контура, а газовые объемы заполняются аргоном или гелием (осушенным и очищенным от кислорода) с давлением выше атмосферного на 10 – 50 кПа. Повышенное давление защитного газа может явиться дополнительной причиной его утечки, а вместе с ним и РБГ, за пределы первого контура. Активность газовых утечек в основном определяется Xe–133. Достаточно большой она может быть при работе АЭС с 0.1 % газонеплотных твэлов и при непрерывной утечке
0.1 % объема защитного газа, достигая величин до 10¹⁴ – 10¹⁵ Бк.

Кроме Xe–133 активность технологических газов АЭС с БН и ВВЭР определяет
b-активный Kr-85 (Т_1/2 = 10.76 года), он присутствует также в технологических газах АЭС с РБМК. Однако вклад Kr-85 в дозовую нагрузку на население, проживающее вблизи АЭС, невелик. Выброс его в атмосферу более значим с точки зрения глобального загрязнения атмосферы.

Особенностью газовых радиоактивных сбросов, образующихся при сдувке газов из жидких технологических сред, является наличие аэрозольных форм радионуклидов. Это микрокапли жидких радиоактивных сред и уносимые газовым потоком твердые микрочастицы, присутствующие в жидкой среде. Поставщиком радиоактивных аэрозолей являются, также неорганизованные протечки теплоносителя. Образование при протечках аэрозолей – весьма сложный физико-химический процесс. Часть теплоносителя, поступая в помещение в паровой или парожидкой фазах, осаждается на поверхностях оборудования и помещений, высыхает, впитывается поверхностями, а часть образует аэрозоли. В начальный момент это гидроаэрозоли, которые по мере высыхания становятся твердыми, часть их коагулирует с частицами пыли и между собой и оседает на пол, стены помещения.

При рассмотрении радиоактивных газовых выбросов отдельно выделяются выбросы, содержащие радионуклиды йода. Это связано со способность йода аккумулироваться в щитовидной железе человека, оказывая значительное локальное радиационное воздействие. Физико-химические формы существования радионуклидов йода в газовых выбросах отличаются многообразием. Радиоактивные изотопы йода, как продукты деления образуются в атомарном виде, что приводит к образованию молекулярной формы. В теплоносителе за счет реакций йода с микроколичеством органических веществ, присутствующих в теплоносителе, образуются йодо-органические соединения, в частности йодистый метил (СН₃I). Количественное соотношение форм меняется в процессе их переноса в газовую атмосферу, транспортировки по вентиляционным системам и зависит от многообразия внешних условий, что затрудняет математическое моделирование процессов формирования данной газовой активности.

Радиоактивные аэрозоли и изотопы радиоактивного йода удаляются из помещений вентиляционными системами, работающими либо по принципу рециркуляции, либо на выброс.

Кроме изотопов йода, в аэрозольной форме на АЭС присутствуют радионуклиды, являющиеся продуктами активации элементов, входящих в состав конструкционных материалов (Fe-59, Co-60, Co-58, Mn-56, Mn-54 и др.) и продукты деления, главным образом Cs-137, Sr-89, Sr-90. Дисперсность, размеры аэрозолей различны, однако подавляющая часть аэрозолей мелкодисперсная.

Основной задачей очистки газоаэрозольных выбросов, образующихся при работе АЭС, является снижение активности аэрозолей, радионуклидов йода и РБГ, поступающих на выброс до допустимых значений. Данные значения рассчитываются на основании допустимых пределов годового поступления радионуклидов в воздух для персонала и населения и регламентируются НРБ-99/2009 и СП АС-93.

Поскольку упомянутые три составляющих выбросов имеют разное агрегатное состояние, обладают различными физическими и химическими свойствами, которые могут отличаться даже для одного радионуклида, то для снижения их активности приходится прибегать к различным приемам и методам удаления их из газового потока.

Аэрозоли – частицы и для их улавливания и удержания пригодны аэрозольные фильтры, используемые и в других отраслях промышленности. Для улавливания радиоактивных изотопов йода целесообразно использовать свойства некоторых веществ, например, активного угля, или использовать химическую активность йода и выводить его из газового потока путем химических реакций с прочно закрепленными в фильтрах веществами. В тоже время единственной возможностью снижения в газовых выбросах активности РБГ является их временная задержка или выдержка до выброса или поступления в атмосферу.