Экология/ 3. Радиационная безопасность и социально-экологические проблемы

К.т.н. Обручиков А.В.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

ВЛИЯНИЕ УВЕЛИЧЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ГАЗОВОГО ПОТОКА НА РАБОТУ ИОДНОГО АДСОРБЕРА АУИ-1500

Для локализации инертных радиоактивных газов, аэрозолей и иода, то есть предотвращения их распространения по помещениям контролируемой зоны атомных электростанций (АЭС), предусмотрены системы спецгазоочистки и вентиляции, в состав которых входят, в частности, иодные адсорберы, снаряжаемые импрегнированным активированным углем. При этом главное предназначение фильтров систем вентиляции типа АУИ-1500 – поглощение элементарного молекулярного иода и его органических соединений, из которых наиболее трудноулавливаемым является иодистый метил СН₃I [1]. Другая задача вентиляционных систем – обеспечение допустимых температур во всех технологических помещениях, а также охлаждение оборудования реакторной установки. Для этих целей существует рециркуляционная вентиляция с отводом тепла в воздухоохладителях технической водой. Очевидно, что при нарушении организованного отвода тепла, основная тепловая нагрузка ляжет на угольный сорбент, что неизбежно приведет к снижению его качества, а также вызовет пожароопасную ситуацию.

В настоящей работе проведено сравнение сорбционной способности образцов промышленных сорбентов СКТ-3ИК и СКТ-3И, подверженных влиянию различных температур. Оба сорбента изготовлены на основе активированного угля марки СКТ-3 и содержат в качестве импрегнанта иодид бария и триэтилендиамин (ТЭДА).

Для моделирования работы иодного адсорбера при повышенных температурах газового потока часть сорбентов выдерживали в сушильном шкафу в течение 6 часов при 90°С, часть – при 130°С, а третью часть – при 170°С (табл. 1). Выдержку осуществляли с принудительной циркуляцией воздуха.

После этого активированный уголь загружали в разборную секционированную колонку и определяли его сорбционную способность на иодном стенде РХТУ им. Д.И. Менделеева [2] в соответствии с ГОСТ Р 54443-2011 «Сорбенты иодные для атомных электростанций. Метод определения индекса сорбционной способности» при следующих условиях:

температура, ^оС	30,0±0,1;
относительная влажность газового потока, %	90,0±1,5;
полный объем, занимаемый сорбентом, см^3	100±0,2;
массовая концентрация метилиодида в газе, мг/м^3	19,6 ÷ 45,9;
объемная активность радиоактивного метилиодида (CH3^131I), Бк/м^3	(2 ÷ 4)^.10^4;
объемная скорость газового потока в колонке, см^3/с	115 ÷ 120;
время нахождения объема газового потока в объеме сорбента, с	0,25.

Таблица 1

Испытуемые образцы сорбентов

Сорбент	Образец	Импрегнант	tвыдержки, °С
СКТ-3И	А1	ТЭДА (3% масс.)	-
	А2		90
	А3		130
	А4		170
СКТ-3ИК	Б1	ТЭДА (3% масс) BaI2 (2% масс.)	-
	Б2		90
	Б3		130
	Б4		170

Критерием для оценки качества служил индекс сорбционной способности a, рассчитываемый с помощью формулы:

(1)

где А – суммарная активность радиоиода, введенная в сорбент, Бк; А_х – активность радиоиода на длине слоя сорбента, Бк; c – отношение свободного объема (V_св) к полному объему, занятому сорбентом (V_с), которое учитывает влияние размера и формы гранул испытуемого сорбента на индекс сорбционной способности; L – общая длина слоя сорбента, см; х £ L – текущая координата, см; U – линейная скорость газа в полном сечении колонки, см/с.

Очевидно, что член отражает фактическое время нахождения объема газового потока в объеме сорбента, определяемое по соотношению , где Q_кол – объемная скорость газового потока в колонке при условиях испытаний, см³/с.

После проведения сорбции испытуемую колонку разбирали и определяли активность каждой секции на гамма-рентгеновском спектрометре «Мультирад-гамма» по энергетической линии 0,364 МэВ (табл. 2).

Таблица 2

Распределение удельной активности радиоиода вдоль слоя сорбента

Отношение активности i-го слоя сорбента к общей активности радиоиода,								Длина слоя сорбента, см
А1	А2	А3	А4	Б1	Б2	Б3	Б4
0,485	0,526	0,517	0,246	0,529	0,578	0,572	0,300	1,0
0,263	0,278	0,256	0,196	0,254	0,261	0,241	0,226	1,9
0,116	0,117	0,125	0,146	0,119	0,102	0,102	0,170	2,9
0,066	0,048	0,046	0,091	0,058	0,036	0,047	0,116	3,8
0,041	0,018	0,021	0,070	0,023	0,015	0,024	0,083	4,8
0,015	0,008	0,009	0,062	0,010	0,005	0,008	0,049	5,8
0,006	0,003	0,003	0,042	0,005	0,002	0,004	0,030	6,7
0,004	0,001	0,001	0,033	0,002	0,001	0,001	0,015	7,7
0,002	фон	фон	0,027	0,001	фон	фон	0,006	8,6
0,001	фон	фон	0,022	фон	фон	фон	0,003	9,6
0,001	фон	фон	0,017	фон	фон	фон	0,001	10,6
фон	фон	фон	0,012	фон	фон	фон	0,001	11,5
фон	фон	фон	0,007	фон	фон	фон	фон	12,5
фон	фон	фон	0,008	фон	фон	фон	фон	13,4
фон	фон	фон	0,005	фон	фон	фон	фон	14,4

На основании полученных экспериментальных данных были рассчитаны индексы сорбционной способности для каждого образца аналогично, как и в работе [3].

Индексы сорбционной способности, при которых можно считать сорбент пригодным для использования на АЭС, установлены, исходя из требований МАГАТЭ [4], в которых указано, что содержание радиоактивного метилиодида в газообразных радиоактивных отходах должно быть снижено не менее, чем в 100 раз. Это соответствует значению 4,605 логарифма в уравнении (1).

Таким образом, зная технические характеристики адсорбера АУИ-1500 (табл. 3), можно определить время контакта газового потока с сорбентом:

где V_св – свободный объем в насыпном слое сорбента, Q_пр – номинальная производительность аппарата, приведенная к условиям его работы.

Таблица 3

Технические характеристики адсорбера АУИ-1500

Номинальная производительность (Р = 10^5 Па; Т = 293 К)	1500 м^3/ч;
Допустимая относительная влажность	до 90 %;
Допустимая рабочая температура	не более 90 °С;
Внутренний диаметр корпуса	1104 мм;
Высота слоя сорбента	320 мм.

тогда минимальное значение индекса a, ограничивающее возможность использования иодного сорбента равно .

На рисунке 1 представлены расчетные значения индексов a испытанных образцов иодных сорбентов, а также ограничение возможности их использования в системах вентиляции АЭС.

1

2

3

Рис. 1. Зависимость индекса сорбционной способности от температуры выдержки сорбента и ограничение его применения в адсорбере: 1 - значение a_min; 2 – сорбент СКТ-3И; 3 – сорбент СКТ-3ИК

Видно, что моделирование работы иодного сорбента при повышенных температурах приводит к уменьшению его сорбционной способности. При этом стоит отметить, что большее влияние температуры сказывается на качестве угля, содержащего только триэтилендиамин (уже при воздействии температуры выше 130°С он не может быть применим в иодном адсорбере) вследствие высокой упругости паров импрегнанта.

В свою очередь, сорбент СКТ-3ИК даже при 170°С имеет индекс сорбционной способности выше минимального, что свидетельствует о его более надежной работе в угольных адсорберах систем вентиляции АЭС при различных внештатных ситуациях по сравнению с сорбентом СКТ-3И.

Литература:

1. Казаков В.А. Экспериментальные исследования выхода радиоактивного иода в технологические помещения АЭС при истечении теплоносителя первого контура // Радиационная безопасность и защита АЭС. М.: «Энергоатомиздат». 1983. вып. 8. 49 с.

2. Обручиков А.В., Широков В.В., Растунов Л.Н. Создание контрольно-исследовательского иодного стенда / Сб. науч. тр. МКХТ “Успехи в химии и химической технологии”. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2008. Т. XXII. № 8. С. 9 – 12.

3. Обручиков А.В. Работоспособность иодных фильтров АЭС при длительном воздействии на сорбент атмосферного воздуха // Сб. науч. тр. по материалам международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011». Т.3. Технические науки. – Одесса: Черноморье, 2011. С.74 – 78.

4. Testing and Monitoring of Off-Gas Cleanup Systems at Nuclear Facilities / Technical Reports Series No 243, IAEA, Vienna, 1984. 64 p.