комплекс для очистки воды контура охлаждения каналов системы управления и защиты реактора

Формула изобретения

Комплекс для очистки воды контура охлаждения каналов системы управления и защиты реактора, включающий последовательно расположенные намывной фильтр, содержащий смесь порошковых сильноосновных ионообменных смол - Н-катионита и ОН-анионита, и насыпной ионообменный фильтр с послойной загрузкой сильноосновного Н-катионита и сильноосновного ОН-анионита, отличающийся тем, что в намывном ионообменном фильтре использована смесь порошковых сильноосновных ионообменных смол - Н-катионит и ОН-анионит в соотношении катионита к аниониту 1:1÷1:1,5, а в насыпном ионообменном фильтре ОН-анионит расположен первым по ходу потока очищаемой воды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной энергетики, в частности к очистке воды контуров охлаждения каналов активной зоны ядерных уран-графитовых реакторов, и может быть использовано для повышения уровня безопасности реакторов большой мощности канальных (РБМК).

Для обеспечения температурного режима каналов системы управления и защиты (СУЗ), камер деления, датчиков контроля энерговыделения, отражателя и быстродействующей аварийной защиты (БАЗ) предусмотрено их охлаждение водой. Для удаления радиолитических газов (водорода, кислорода) каналы БАЗ продувают азотом («Вопросы безопасности АЭС с канальными реакторами: Барьеры безопасности". Белянин Л.А., Лебедев В.И., Шмаков Л.В. и др. - М.: Энергоатомиздат, 1996, с.27-30). Опыт эксплуатации энергоблоков АЭС с РБМК показал, что продувка каналов БАЗ азотом ведет к образованию азотной и азотистой кислот и, как следствие, к превышению нормируемых значений рН охлаждающей воды. Азотная и азотистая кислоты образуются за счет радиационно-химических реакций растворенного в воде каналов БАЗ азота с продуктами радиолиза воды: ОН-радикалами, перекисью водорода, кислородом (концентрация Н₂О ₂ в контуре достигает 8 мг/л, О₂ - 10 мг/л):

Для очистки воды контура СУЗ предусмотрена байпасная очистка.

Известна система очистки воды контура охлаждения каналов системы управления и защиты реактора, включающая последовательно расположенные намывной перлитный и насыпные ионообменные Н-катионитовый и ОН-анионитовый фильтры, причем в качестве фильтрационного материала намывного фильтра используется перлит (Доллежаль Н.А., Емельянов И.Я. «Канальный ядерный реактор». - М.: Атомиздат, 1980. - 208 с.). Вода контура СУЗ поступает на намывной перлитный фильтр, где происходит очистка от органических примесей и нерастворенных продуктов коррозии конструкционных материалов, затем на последовательно включенные ионообменные Н-катионитовый и ОН-анионитовый фильтры, на которых удаляются примеси в ионной форме (соли, радиолитические кислоты - HNO₃, HNO₂ ) и радионуклиды.

Недостатками аналога являются:

- недостаточная степень очистки воды от азотной и азотистой кислот (опыт эксплуатации реакторов типа РБМК показал, что при большом количестве каналов БАЗ система очистки, выполненная с использованием аналога, не обеспечивает требуемого качества воды в контуре СУЗ);

- значительная коррозия конструкционных материалов в результате высокого содержания в воде радиолитических кислот;

- необходимость снижения мощности реактора при превышении нормируемых показателей качества воды

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является установка для очистки воды контура охлаждения каналов системы управления и защиты реактора, включающая последовательно расположенные намывной фильтр, содержащий смесь порошковых сильноосновных ионообменных смол в соотношении катионита к аниониту 2,8:1÷3,2:1 и насыпной ионообменный фильтр с послойной загрузкой сильноосновного Н-катионита и сильноосновного ОН-анионита в соотношении 1:10÷1:8. Слой катионита расположен первым по ходу потока очищаемой воды (Патент РФ на полезную модель №47566).

Недостатком наиболее близкого аналога является низкая эффективность очистки воды от катионов растворенных примесей (натрия, железа, алюминия) и радионуклидов натрия, цезия, кобальта, железа и других радиоактивных изотопов, присутствующих в воде контура охлаждения СУЗ в виде катионов и, как следствие, неполное использование обменной емкости катионита.

Задача, решаемая изобретением, заключается в повышении степени очистки воды от катионов растворенных примесей и радионуклидов при сохранении высокой степени выведения из контура азотной и азотистой кислот и, как следствие, исключение вынужденной необходимости снижения мощности реактора из-за превышения значений нормируемых показателей в воде контура охлаждения СУЗ.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в комплексе для очистки воды контура охлаждения каналов системы управления и защиты реактора, включающем последовательно расположенные намывной фильтр, содержащий смесь порошковых сильноосновных ионообменных смол - Н-катионита и ОН-анионита и насыпной ионообменный фильтр с послойной загрузкой сильноосновного Н-катионита и сильноосновного ОН-анионита, предложено в намывном ионообменном фильтре использовать смесь порошковых сильноосновных ионообменных смол - Н-катионит и ОН-анионит в соотношении катионита к аниониту 1:1÷1:1,5, а в насыпном ионообменном фильтре ОН-анионит расположить первым по ходу потока очищаемой воды.

В предлагаемом техническом решении использованы следующие отличительные признаки:

Признак 1 - в качестве сорбирующего материала намывного фильтра используется смесь порошковых сильноосновных ионообменных смол в соотношении катионит к аниониту 1:1÷1:1,5.

Признак 2 - в насыпном ионообменном фильтре ОН-анионит расположен первым по ходу потока очищаемой воды.

В порядке обоснования соответствия заявленной совокупности признаков изобретения критериям новизна, изобретательский уровень приводим следующее:

По признаку 1. Использование в качестве сорбирующего материала намывного фильтра смеси порошковых сильноосновных ионообменных смол в соотношении катионит к аниониту 1:1÷1:1,5 позволяет, по сравнению с ближайшим аналогом, значительно увеличить очистку воды от радионуклидов натрия, цезия, кобальта, железа и других радиоактивных изотопов, присутствующих в воде контура охлаждения СУЗ в виде катионов, а также катионов растворенных примесей (натрия, железа, алюминия).

Повышение коэффициента очистки может быть объяснено изменениями процесса сорбции катионов на катионите.

Сорбция катионов на катионите описывается обратимой реакцией:

где RH - катионит в Н-форме;

Ме ⁺ - катион.

Согласно законов химической термодинамики для обратимых реакций уменьшение концентрации вещества в правой части уравнения увеличивает скорость реакции в прямом направлении.

Изменение соотношения в намывном фильтре катионита к аниониту в сторону увеличения количества анионита, по сравнению с ближайшим аналогом, приводит к увеличению сорбции анионов по реакции:

где ROH - анионит в ОН-форме;

А ^- - анион.

Увеличение концентрации гидроксил-ионов приводит к уменьшению концентрации ионов водорода:

Снижение концентрации ионов водорода должно приводить согласно реакции 1 к увеличению сорбции катионов металлов.

Оптимальное соотношение катионита к аниониту, при котором происходит эффективное удаление катионов и анионов, составляет 1:1÷1:1,5. При соотношении анионита к катиониту более 1,5 эффективность процесса выведения из контура катионов металлов и радионуклидов снижается, а при соотношении анионита к катиониту менее 1 уменьшается процесс сорбции нитрат и нитрит-ионов.

По признаку 2. Расположение в насыпном ионообменном фильтре ОН-анионита первым по ходу потока очищаемой воды позволяет создать более благоприятные, по сравнению с ближайшим аналогом, условия для более глубокой очистки воды контура охлаждения каналов СУЗ от катионов и радионуклидов натрия, цезия, кобальта, железа и других радиоактивных изотопов. Это связано с тем, что после сорбции анионов в слое анионита по реакции 2 происходит повышение рН воды. Согласно реакции 1 повышение рН (снижение концентрации ионов водорода) увеличивает эффективность очистки от катионов.

Предлагаемое техническое решение проиллюстрировано графическим материалом. На чертеже представлена принципиальная схема комплекса для очистки воды контура охлаждения каналов СУЗ, состоящая из намывного фильтра 1 с фильтрующими элементами 2, намытыми смесью порошковых сильноосновных ионообменных смол в соотношении катионита к аниониту 1:1÷1:1,5, насыпного ионообменного фильтра 3, содержащего слой ОН-анионита 4 и слой Н-катионита 5.

Очистка воды контура охлаждения каналов СУЗ производится следующим образом. Контурная вода, содержащая нерастворимые и растворимые примеси и радионуклиды, поступает на намывной фильтр 1, который предварительно намывается смесью порошковых сильноосновных ионообменных смол в соотношении катионита 5 к аниониту 4 1:1÷1:1,5. Контактируя с сорбентом, вода очищается от основного количества растворимых, нерастворимых продуктов коррозии и радионуклидов. После намывного фильтра 1 вода поступает в насыпной ионообменный фильтр 3, загруженный послойно анионитом 4 и катионитом 5. Первым по ходу потока очищаемой воды расположен слой анионита 4. На анионите 4 происходит доочистка воды от нитрат-, нитрит- и хлорид-ионов. После анионита 4 вода проходит слой катионита 5, на котором происходит ее очистка от растворенных форм продуктов коррозии и радионуклидов.

Опытно-промышленные испытания предлагаемого комплекса для системы очистки воды были проведены на первом энергоблоке Ленинградской АЭС, система управления и защиты которого снабжена 33 каналами БАЗ. Производительность установки 18 м³/ч. Фильтрующие элементы намывного фильтра были намыты смесью порошкового сильноосновного ионита фирмы «Ром энд xaac» Microionex MB 400 (соотношение катионит/анионит - 1:1). Насыпной фильтр загружался послойно: верхний слой - анионит АВ-17-8чс, нижний слой - катионит КУ-2чс. Испытания показали, что использование данного технического решения позволяет очистить воду от взвесей, ионных примесей и обеспечить необходимое качество воды контура охлаждения СУЗ. Среднее значение удельной электропроводности составляет 0,07÷0,08 мкСм/см (теоретическое значение для абсолютно чистой воды 0,056). По сравнению со способом ближайшего аналога удельная электропроводность снижается в 10 раз, а эффективность удаления радионуклидов натрия, цезия повышается в 8÷12 раз, радионуклидов железа кобальта в 3÷5.

Таким образом, использование предлагаемого технического решения позволяет значительно повысить эффективность очистки воды от катионов растворенных примесей и радионуклидов, присутствующих в воде контура охлаждения СУЗ в виде катионов, поддерживать на допустимом уровне показатели качества воды контура СУЗ и, как следствие, снизить коррозионное воздействие продуктов радиолиза водной среды на конструкционные материалы контура охлаждения каналов системы управления и защиты и исключить необходимость снижения мощности реактора из-за превышения значений нормируемых показателей.