Atomic-Energy.ru

Сорбционно-мембранные технологии переработки радиоактивных растворов

1 июня 2010

Накопление на АЭС, спецкомбинатах и других объектах некондиционированных жидких радиоактивных отходов постепенно становится одной из основных проблем атомной энергетики. Один из способов ее решения – переработка ЖРО с использованием сорбционно-мембранных методов очистки.

ЖРО представляют собой водные растворы минеральных и органических веществ с общей концентрацией солей от 2 г/л до 200 г/л, содержащие радионуклиды с объемной активностью до 105 Бк/л (при максимально допустимом уровне 5 Бк/л). Радиоактивность в основном обусловлена изотопами 137Cs, 60Co и 90Sr. Минеральные компоненты представлены боратами, нитратами и хлоридами щелочных и щелочноземельных металлов.

Идеальный вариант переработки (кондиционирования) таких отходов должен позволить максимально сконцентрировать раствор, поскольку кондиционированные ЖРО размещают в специальных хранилищах на десятки лет, до естественного распада радионуклидов, а также вывести из обращения как можно больше нерадиоактивных компонентов (солей). При этом содержание радионуклидов в очищенном растворе не должно превышать допустимый уровень.

Таким образом, надо обеспечить высокую селективность разделения, высокую степень обессоливания и высокий коэффициент концентрирования. Ни один из известных способов разделения не отвечает этим требованиям; но им могут соответствовать комплексные технологии, где находят применение довольно сложные гидравлические системы с рециклами, многоступенчатой обработкой и т.д.

Большие перспективы может иметь включение в такие схемы мембранных методов, поскольку они характеризуются отсутствием фазовых переходов, высокой степенью конверсии, возможностью использования в широком диапазоне концентраций вредных веществ.

Такие методы успешно применялись при очистке солоноватых вод. Так, в центре атомных исследований «Тажура» (Ливия) эксплуатировалась электродиализная установка производительностью 40 м3/ч, которая опресняла воду с большим количеством сероводорода (содержание солей – около 3 г/л). В Центре дальней космической связи на озере Балхаш (СССР) крупная электродиализная станция производительностью 200 м3/ч обеспечивала опресненной водой оборудование одного из объектов министерства обороны. Надо отметить, что обе установки были оснащены отечественными ионообменными мембранами.

Использование электродиализных мембранных аппаратов

В начале 90-х годов специалисты ГУП МосНПО «Радон» совместно с сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского и проектно-изыскательс-кого института промышленной технологии разработали технологию переработки радиоактивных растворов низкого уровня активности с применением электродиализных мембранных аппаратов. По этой технологии были созданы передвижные мобильные очистные установки «ЭКО-1», «ЭКО-2», «ЭКО-3» и стационарный опытно-промышленный комплекс «ОПКО-5».

В начале 90-х годов при помощи установки типа «ЭКО-1», оснащенной каскадом электродиализных аппаратов (рис. 2), на Московском, Волгоградском и Нижегородском спецкомбинатах «Радон» было очищено до уровня, соответствующего нормам радиационной безопасности, и сброшено на грунт более 900 м3 низкоактивных ЖРО различного радионуклидного и химического состава.


Рис. 2. Аппаратурно-технологическая схема мобильных становок типа ЭКО
Ф1 – фильтр механический; Ф2, Ф3 – Na-катиони-товые фильтры; Ф4 – Н-катионитовый фильтр; УФ1-УФ6 – ультрафильтрационные аппараты; Э1 – электродиализатор обессоливания; Э2 – электродиализатор концентрирования; Б1 – бак узла ультрафильтрации; Б2 – промежуточный бак; Б3 – бак диализата; Б4 – бак концентрата

Установка «ЭКО-3» отличалась от установок «ЭКО-1» и «ЭКО-2», размещенных на автомобильном прицепе, тем, что ее габариты были уменьшены и это позволило разместить ее в транспортном контейнере. На этой установке в Государственном российском центре атомного судостроения на ФГУП «МП «Звездочка» (город Северодвинск) в 1997 году 400 м3 ЖРО впервые были дезактивированы до степени соответствия требованиям, предъявляемым к сбросу очищенной воды, и сброшены в промканализацию предприятия и далее в акваторию залива Белого моря.

В соответствии с «Соглашением о сотрудничестве между Правительством Москвы и Администрацией г. Северодвинска по развитию межрегиональных связей», ГУП МосНПО «Радон» продолжает поддерживать партнерские отношения с ФГУП «МП «Звездочка». Результатом этого сотрудничества стало создание модульного очистного комплекса по обращению с жидкими радиоактивными отходами «ЭКО-3М». Это единственная установка, которую можно использовать при переработке ЖРО любого радионуклидного и химического состава, образующихся на «Звездочке». К настоящему времени на установке «ЭКО-3» и «ЭКО-3М» очищено более 3000 м3 низкоактивных ЖРО.

Таблица 1. Радиометрический и спектрометрический состав исходных и очищенных ЖРО (из одной емкости танкера «Осетия») на ФГУП «МП «Звездочка» (нажмите, чтобы посмотреть)
Таблица 2. Радиометрический и спектрометрический состав исходных и очищенных ЖРО (из одной емкости танкера «Осетия») на ФГУП «МП «Звездочка» (нажмите, чтобы посмотреть)

Стационарный опытно-промышленный электрохимический комплекс по обессоливанию и концентрированию солевых радиоактивных растворов ОПКО-5, предназначенный для системы спецводоочистки ГУП МосНПО «Радон», разработан и создан в 2000 году. В 2004 году с его помощью дезактивировано 300 м3 спецстоков, прошедших предварительную очистку на механическом и угольном фильтрах.

В процессе опытной эксплуатации комплекса в проточно-циркуляционном режиме удалось снизить нагрузку на ионообменную смолу и увеличить ее цикл фильтрации с 35 до 45 часов.

Установка ОМУ-100

В 2006 году на ГУП МосНПО «Радон» разработана технология мембранной переработки ЖРО как низкого, так и среднего уровня активности. Эта технология с аппаратурным оформлением защищена патентом РФ (патент №2273066 от 27.03.2006 г.). В соответствии с ней в 2006 году изготовлен опытный образец мембранной установки ОМУ-100.


Передвижной вариант очистной мембранной установки ОМУ-100

Сочетание операций переработки растворов, включенных в технологическую схему, позволяет эффективно вывести из раствора и перевезти в концентрат молекулярные и коллоидные формы радионуклидов. Прежде всего, на стадии обратного осмоса мембрана разделяет компоненты смеси по размеру частиц. Степень очистки повышается и за счет ввода в раствор перед ультрафильтрацией ассоциирующих добавок (минеральных осадителей, водорастворимых полимеров, не растворимых в воде жидких экстрагентов, мелкодисперсных сорбентов). Таким образом, большинство радиоактивных веществ выводится из раствора уже на стадии ультрафильтрации. Это позволяет применять новую технологию для очистки радиоактивных растворов среднего уровня активности, поскольку их степень дезактивации должна быть на несколько порядков выше, чем у низкоактивных ЖРО.

Использование для обессоливания методов электродиализа и обратного осмоса позволяет очищать высокоминерализованные радиоактивные растворы, что значительно расширяет диапазон применения новых технологий.

Блок-схема мембранной очистной установки ОМУ-100 (нажмите, чтобы посмотреть)

Очистная мембранная установка ОМУ-100 обладает рядом существенных преимуществ перед отечественными и зарубежными аналогами – как с технологической, так и с экологической точки зрения. С ее помощью можно уменьшить объем концентратов в 180-200 раз, почти полностью отказаться от применения каких-либо реагентов (использовать только электроэнергию и отечественные мембраны различных марок в сочетании с селективными сорбентами радионуклидов 137Cs и 90Sr). Солевые радиоактивные растворы можно очистить до уровня, при котором разрешен сброс даже в рыбохозяйственные водоемы. Все это позволяет с успехом применять технологию ГУП МосНПО «Радон» не только в атомной промышленности, но и в других отраслях.