Термические методы очистки ЖРО

Термические методы предполагают перевод воды, содержащейся в ЖРО, в пар. Если задачей переработки ЖРО является очистка, получение кондиционированного конденсата, то метод называется дистилляцией, при получении концентрата (кубового остатка) - упариванием, а при обезвоживании отходов - сушкой. Эти методы требуют большого расхода тепла (до 60 кВт/м³), что определяет высокую стоимость, но и обеспечивают высокую степень очистки конденсата от радионуклидов: К_оч=10⁴-10⁶. С помощью дистилляции (упаривания) можно перерабатывать отходы любого солевого и радионуклидного состава, не увеличивая при этом общее количество солей (безреагентный метод), что позволяет в настоящее время рассматривать этот метод как основной при переработке ЖРО АЭС.

В практике обезвреживания ЖРО наибольшее распространение получила дистилляция парообразованием при кипении с подводом тепла водяным паром через стенку выпарного аппарата. Такая организация процесса обеспечивает достаточно хорошую теплопередачу при отсутствии контакта чистого теплоносителя с упариваемыми ЖРО. Загрязнение паров и соответственно конденсата радионуклидами, которое определяет степень их очистки, происходит вследствие молекулярного (летучесть, растворимость в паре), капельного (аэрозольного) и пенного уноса.

Обычно основная часть радионуклидов, содержащихся в ЖРО, в условиях дистилляции находится в нелетучей форме и молекулярный унос паров воды не лимитирует К_оч. В принципе склонностью к молекулярному уносу в условиях упаривания обладают лишь радиорутений в виде четырехокиси и радиоиод в молекулярной форме. Поэтому, переработку низко- и среднеактивных ЖРО на АЭС проводят при рН=10-11, что исключает образование как четырехокиси рутения, так и молекулярного иода.

Очистка пара от капельного уноса начинается в сепараторе выпарного аппарата (при подъеме на высоту более 1 м крупные капли падают назад в жидкость), что дает К_оч=10³-10⁴, и завершается на жалюзийных отбойниках, что обеспечивает дополнительную очистку еще на порядок. Однако, часто такая очистка паров недостаточна и тогда дополнительно используют барботажные устройства в виде насадочных или тарельчатых колонн, применяемых в отечественной практике при ректификации. Такая система очистки паров обеспечивает стабильные и высокие значения К_оч (до 10⁶).

Снижение коэффициентов очистки радионуклидов наблюдается при наличии в ЖРО поверхностно-активных веществ (ПАВ). Для устранения пенного уноса, наблюдаемого в присутствии ПАВ, на отечественных АЭС широко применяют достаточно эффективный и универсальный гидродинамический способ разрушения пены. Суть способа в высокой скорости парожидкостной смеси (пены) 50-100 м/с и минимальном содержании в ней жидкости (50-70% по массе). Используют также введение пеногасителей (силиконовые вещества 1-1,5 мг/л). Кроме того, при поддержании в кубовом остатке аппарата высокой концентрации солей (~200 г/л и более) вспенивание подавляется “солевым эффектом”.

Концентрирование ЖРО при упаривании обычно проводят до насыщения по солям. В первую очередь упариваемые отходы насыщаются солями с ограниченной растворимостью (оксалаты, бораты, карбонаты и фосфаты натрия). Причем, определяющая солевой состав ЖРО АЭС соль нитрата натрия сильно понижает растворимость как бората, так и оксалата натрия (“высаливающий эффект”), поэтому на практике концентрация солей в кубовом остатке обычно не превышает 200-400 г/л. Дальнейшее концентрирование без применения специальных мер приводит к инкрустации (обрастанию) греющих поверхностей солями, забивке кристаллами циркуляционного контура выпарного аппарата или коммуникаций.

Для упаривания ЖРО в условиях кристаллизации ограниченно растворимых солей без инкрустации греющих поверхностей аппарата применяют выносную зону кипения и высокую скорость движения жидкости в греющих трубах за счет организации принудительной циркуляции. Кубовый остаток в этом случае представляет собой гетерогенную систему, содержащую 600-800 г/л солей, из которых до 30% может находиться в твердой фазе. Недостаток такого решения - трудность последующего обращения с гетерогенным кубовым остатком. Его нельзя хранить во временных емкостях-хранилищах из-за слеживаемости кристаллов, осложняющих последующее освобождение емкости.

В то же время, можно проводить упаривание ЖРО вплоть до сухого остатка. Для этого используют роторные пленочные испарители, позволяющие осуществлять процесс до получения конечного солевого продукта с влажностью до 5-20%. Такая влажность приемлема для последующего включения продукта в связующие различного типа (битум, полимеры). Иногда отверждение концентратов ограничивают только их сушкой с временным хранением “солевого плава”, расфасованного в металлические бочки по 200 литров.