1.3 Пути решения проблемы газовых выбросов трития

Современный уровень технологий и радиационной защиты на ядерных объектах при штатных режимах эксплуатации обеспечивает достаточно низкий уровень содержания трития в производственных помещениях и, следовательно, в вентиляционных выбросах. Однако при проведении ремонтных работ и, особенно в аварийных ситуациях уровень концентрации трития может повышаться на порядки и приводить к большим разовым выбросам в окружающую среду. Для решения этой проблемы необходимы соответствующие системы детритизации.

До недавнего времени на большинстве объектов атомной отрасли России проблема очистки от трития газовых выбросов в окружающую среду не решалась. Это стало одной из причин того, что допустимые выбросы трития в России в соответствии с НРБ-99 примерно на порядок больше, чем в США (7700 Бк/л против 740 Бк/л), и более чем в 75 раз выше норм Евросоюза (100 Бк/л). Отечественные нормативы соизмеримы только с установленными в Канаде, где атомная энергетика, в отличие от российской, основана на использовании тяжеловодных реакторов CANDU (при их эксплуатации образуется на два порядка больше трития, чем в легководных реакторах).

С точки зрения радиационной безопасности тритий как радионуклид (мягкий β-излучатель, Е_ср.=5.71 кэВ), на первый взгляд, менее значим, чем, например, Sr⁹⁰или Cs¹³⁷. Однако в газовых выбросах он, как правило, содержится в химической форме воды и его попадание в организм человека может привести к крайне опасным последствиям, в том числе и на генетическом уровне.

С точки зрения обращения с радионуклидами следует учесть особенность трития, находящегося в форме воды. По своим физическим и химическим свойствам тритированная вода очень мало отличается от обычной, содержащейся в воздухе. Поэтому ее удаление из воздуха не может быть проведено привычными для тяжелых радионуклидов методами (с использованием селективных сорбентов и т.д.). Из воздуха необходимо удалять всю воду, к примеру, за счет его глубокой осушки на цеолитах. Однако этот процесс является циклическим и требует регенерации сорбента. Последняя, в свою очередь, проводится при температурах выше 300 °С, и, следовательно, требует значительных энергетических затрат. Кроме того, необходимо решать технологические проблемы, связанные с организацией потока продувочного газа, необходимого для регенерации, и извлечением из него содержащей тритий воды.

1.3.1 Фазовый изотопный обмен

В настоящее время предложена альтернативная технология очистки воздуха от паров тритированной воды. Она основана на противоточном процессе фазового изотопного обмена паров воды в воздухе с жидкой водой природного изотопного состава. По своему аппаратурному оформлению этот процесс очень прост и освоен в промышленных масштабах для абсорбционной очистки различных газов. Его суть заключается в том, что в колонну, заполненную какой-либо насадкой для развития поверхности контакта между газом и жидкостью, сверху подается природная вода, а снизу – поток очищаемого воздуха. Учитывая, что процесс является противоточным, по высоте колонны концентрация трития в парах воды в воздухе снизу вверх уменьшается, а в воде – увеличивается. Процесс проводится при температуре от 20 до 30 °С. Фазовый изотопный обмен воды сопровождается изотопным эффектом, при этом равновесная концентрация трития в жидкой воде при температуре 20 °С на 10 % выше, чем в водяных парах. Это означает, что количество подаваемой в колонну воды, и, следовательно, образующихся вторичных радиоактивных отходов, меньше, чем количество паров воды в очищаемом воздухе. Изменяя высоту колонны, можно достигать любой требуемой степени очистки воздуха от трития.

Экспериментальные данные доказывают, что для детритизации 1500 м³/ч воздуха (степень очистки равна 1000) необходима колонна диаметром около 600 мм и высотой около 10 м. При этом, если очищаемый воздух имеет относительную влажность 100 % при температуре 20 °С, количество образующихся вторичных отходов в виде воды, выходящей из колонны, составит около 30 кг/ч.

При небольших концентрациях трития задачу очистки воздуха с использованием этого процесса можно решить и таким образом, чтобы вода, выходящая из колонны, соответствовала нормам, позволяющим сбрасывать ее в спец канализацию. Для этого необходимо лишь увеличить количество воды, поступающей на орошение колонны. Формально в этом случае вообще не образуется отходов, подлежащих переработке или захоронению.

Данную технологию также можно применять в случаях, когда тритий в воздухе содержится не только в виде паров воды, но и водорода. Тогда очищаемый воздух перед его поступлением в колонну фазового изотопного обмена предварительно подается в блок каталитического окисления водорода до воды.

Существуют катализаторы, позволяющие проводить глубокую конверсию водорода в воду даже при комнатной температуре. Таким образом, по сравнению с адсорбционной очисткой воздуха процесс фазового изотопного обмена имеет следующие преимущества:

– количество вторичных тритий содержащих отходов меньше на 6 %;

– очистка проводится при температуре окружающей среды и практически не требует энергетических затрат;

– процесс прост в аппаратурном оформлении и управлении, легко регулируется в случае изменения исходных параметров очищаемого воздуха (концентрации трития, величины потока, температуры и влажности).