Новое фильтровальное обрудование для АЭС

Предотвращение выбросов радиоактивных загрязнений в воздушную среду остается одним из основных факторов, определяющим экологическую и радиационную безопасность при эксплуатации предприятий атомной, радиохимической и других отраслей промышленности, использующих «ядерные» технологии.

Эта проблема не теряет своей актуальности и в тех условиях, когда средние показатели по газо-аэрозольным радио-токсичным выбросам АЭС ниже допустимых значений, так как при этом не гарантируется исключение локальных отклонений по выбросам как внутри помещения, так и в окружающую среду в период проведения ремонтных работ, перегрузки активных зон операций при выводе из эксплуатации и утилизации оборудования, а также при возникновении аварийных ситуаций и потере профессионального контроля.

ФГУП ГНЦ РФ Физико-энергетический институт им. А.И. Лейпунского (ГНЦ РФ-ФЭИ) как генеральный разработчик фильтрационного оборудования для систем вентиляции АЭС на протяжении нескольких лет выполняет комплекс научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по следующим основным направлениям:

• фильтрационное оборудование для действующих АЭС: аэрозольные фильтры и йодные фильтры-сорберы нового поколения;

• фильтрационное оборудование для проектируемых АЭС: комбинированные фильтровальные установки (УФК) применительно к нормальным режимам работы и выводу из эксплуатации АЭС; пассивные системы фильтрации для аварийных режимов на АЭС.

Кроме того, проводятся работы, связанные с созданием новых отечественных фильтро-материалов и сорбентов, исследованием перспективных средств и методов газоаэрозольной очистки, поведения аэрозолей тяжелого теплоносителя (свинец и эвтектический сплав свинец-висмут).

Освоение наукоемкой продукции стало возможным благодаря кооперации с научными подразделениями и предприятиями смежных организаций с их высококвалифицированными кадрами, производственными помещениями, аппаратурой (ФГУП «Российский научный центр «Курчатовский институт» (РНЦ КИ), ГОУ ВПО «Московский энергетический институт (Тех-нический университет), Ассоциация передовых комплексных технологий «Аспект», ОАО Приборный завод «Сигнал», Обнинский Центр Науки и Технологий (ОЦНТ), ЗАО «Фильтр» (п. Товарково Калужской обл., ИФХЭ РАН).

Двухступенчатый аэрозольный фильтр ФАС-3500-Д

До 1990 г. основным изготовителем аэрозольных фильтров для АЭС и предприятий атомной промышленности был завод «Двигатель» (г. Таллинн, Эстония). Выпускаемые им фильтры оборудованы высокоэффективным полимерным материалом – фильтром Петрянова ФП, состоящим из слоев полимерных волокон диаметром d=1,0-2,5 мкм, нанесенных на марле-вую подложку. Оригинальность и необычность данного материала связана с формированием на волокнах фильтрующей ткани зарядов, которые могут сохраняться в течение длительного времени, обеспечивая относительно высокую эффективность улавливания частиц. Частицы поляризуются полем волокна и осаждаются на нем. Однако при прокачивании через фильтр ФП влажного или ионизированного воздуха заряды нейтрализуются (или стекают) и эффективность улавливания аэрозолей резко падает. Волокна в фильтре не скреплены между собой и поэтому при попадании влаги они собираются в «жгутики», причем необратимо, т.к. данный фильтроматериал не имеет жесткой внутренней структуры, подобной структуре фильтроматериалов из стеклянных волокон. Кроме того, следует отметить относительно низкую термостойкость (60-70°C), малый ресурс до предельного забивания примесями, выделение токсических веществ при горении материала ФП.

В течение 90-х годов прошлого века специалистами Научно-технического центра по Ядерно-радиационной безопасности (НТЦ ЯРБ) Госатомнадзора проводилось обследование работы аэрозольных фильтров типа ФП (Д-23, Д-23кл, А-17), в системах спецгазоочистки на Курской, Калининской, Ленинградской. атомных станций. Анализ полученных результатов показывает, что эффективность уловленных аэрозольных частиц для большей части исследованных фильтров не достигает значений, указанных в технической документации. При некоторых измерениях были получены недопустимо низкие значения. Подобные контрольные проверки затем были проведены также на других АЭС – Балаковской, Кольской, Запорожской и др. Результаты этих обследований мало отличаются от данных по Курской, Калининской и Ленинградской АЭС.

Следует отметить, что к настоящему времени разработчики фильтроматериала ФП су-щественно продвинулись в улучшении его технических характеристик, в частности, повысили термостойкость до ~300°C. Однако при этом соответствующее повышение себестоимости изготовления ФП сдерживает организацию серийного производства и тем самым оснащение АЭС данными фильтрами.

Альтернативой до сих пор применяемым ФП-фильтрам являются аэрозольные фильтры на основе стекловолокон. Фильтры, использующие стекло-бумаги из ультратонких стекловолокон, имеют более высокий класс по эффективности. Они термо- и огнестойки и сохраняют показатель эффективности при относительно высокой влажности фильтруемой среды, наличии в ней паров щелочей и кислот.

В ГНЦ РФ-ФЭИ разработка и изготовление высокоэффективного стекловолокнистого аэрозольного фильтра – основного для вентсистем АЭС была выполнена в стандартных габаритах фильтров Д-23 и А-17 и осуществлялась с использованием расчетной программы, учитывающей предложенное конструктивное решение – переход от одноступенчатой к двухступенчатой конструкции /1/. При этом соотношение поверхностей обеих секций может варьироваться, принимая во внимание спектр и концентрацию улавливаемых аэрозолей очищаемой среды, а также режимные параметры.

Проведенные исследования по концентрациям и дисперсному составу воздуха производственных помещений ряда АЭС (Калининская, Балаковская, Первая АЭС и др.) и радиационно-опасных предприятий показывают, что концентрация радиоактивных аэрозолей может изменяться в широких пределах – от ~0,03 мг/м³ до ~1,0 мг/м³, а размер частиц – от ~0,2 мкм до 5,0 мкм и более. В случае, если в спектре преобладают относительно мелкие частицы, возрастает роль II-ой, высокоэффективной, ступени и, наоборот – при преобладании частиц относительно крупного размера возрастает роль I-й ступени фильтра.

Первоначально, в качестве фильтрующего материала секции высокоэффективной очист-ки была использована трехслойная стеклобумага (материал фильтровальный высокоэффектив-ный) типа МФВЭ-3 с уменьшающимся диаметром ультратонких волокон по ходу очищаемой газовоздушной среды – от 0,8 до 0,25 мкм. Данный фильтроматериал, полученный с использо-ванием ряда новых рецептур, был разработан совместно с НИИ целлюлозно-бумажной про-мышленности (г. Волжск, республика Мари Эл) и НПП «Стеклопластик» (г. Крюково). Экспе-рименты по эффективности и пылеемкости показали его преимущества по сравнению с анало-гичными зарубежными образцами. Однако из-за ограниченной востребованности в период раз-работки данного материала его производство так и не было налажено. В настоящее время для оснащения аэрозольных фильтров для АЭС проводится работа по возобновлению производства стекло-бумаги МФВЭ-3 одновременно с улучшением его характеристик, связанных с повышением термостойкости – до 200°C и более, гидрофобности и улучшением гофрируемости.

В качестве фильтроматериала первой ступени используется полотно из полиэстера - либо объемный материал из стекловолокна. Двухступенчатые фильтры ФАС-3500-Д на основе стекло-бумаги, рис. 1, могут быть изготовлены в различных вариантах исполнения:

1. стекло-бумага второй ступени укладывается внутри корпуса зигзагообразно с дистанционированием с помощью алюминиевых сепараторов;

2. вторая ступень формируется путем микро-плисеровки стекло-бумаги с последующей V-образной укладкой внутри корпуса.

В обоих вариантах корпус может быть либо деревянный либо металлический, а секция предварительной очистки – выемная или неразборная.

В настоящее время идёт освоение производства варианта исполнения фильтра ФАС-3500-Д, в котором отсутствуют дорогостоящие алюминиевые сепараторы. За счет увеличения поверхности фильтрации в данной конструкции снижается аэродинамическое сопротивление фильтра, тем самым уменьшаются энергозатраты на прокачку воздуха, кроме того удешевляет-ся утилизация отработавшего фильтра.

Сравнение характеристик двухступенчатых фильтров типа ФАС-3500-Д и их аналогов – одноступенчатых фильтров типа ФП показывает, что первые имеют ряд преимуществ:

• повышенная пылеемкость (в 1,5-2 раза) и, как следствие, более длительный ресурс эксплуатации;

• высокая эффективность очистки по наиболее проникающим частицам в течение всего срока эксплуатации фильтра, в т.ч. в условиях ионизирующего излучения и повышенной влажности воздуха (до 98,0% при t = 30 );

• повышенная термостойкость фильтра (до 100°C – длительно и 150°C – кратковременно, до 4-х часов) за счет использования негорючих и трудногорючих фильтрующих материалов.

Серийное производство разработанных в ГНЦ РФ-ФЭИ фильтров освоено в ЗАО «Фильтр» (п. Товарково Калужской обл.). Поставки аэрозольных фильтров осуществлены на Курскую, Игналинскую, Калининскую АЭС и ряд радиохимических предприятий.

Фильтровальная комбинированная установка УФК-3500

Для строящихся и проектируемых АЭС в ГНЦ РФ-ФЭИ осуществлена разработка и соз-дана фильтровальная комбинированная установка УФК-3500, позволяющая проводить ком-плексную очистку воздуха от примесей.

Как правило, для действующих российских АЭС очистка воздуха производственных помещений от различных радиоактивных аэрозолей йода и йодных соединений осуществляется с помощью соответствующих аэрозольных фильтров и йодных фильтров-сорберов, пространственно разнесенных друг от друга. Такое расположение средств очистки не является оптимальным: из-за «отравления» аэрозолями, попадания капель воды существенно снижается ресурс фильтров-сорберов.

В комбинированных фильтровальных установках (УФК) в одном агрегате обеспечивается комплексная очистка воздуха от капельной влаги, аэрозолей, радиойода с требуемой эффективностью.

Установка УФК-3500 рассчитана на производительность 3500 м³/ч и включает в себя следующие последовательно установленные блоки, рис.3:

• каплетумано-уловитель;

• нагреватели;

• фильтр предварительной очистки от радиоактивных аэрозолей;

• фильтр тонкой (высокоэффективной) очистки от радиоактивных аэрозолей;

• фильтр йодной очистки, состоящий из различных типов параллельно включенных модулей.

При этом блок нагревателей гарантирует отсутствие капельной влаги и требуемое снижение относительной влажности воздуха, а блок аэрозольных фильтров – отсутствие твердой дисперсной фазы в воздухе, поступающем на блок йодной очистки.

В настоящее время наряду с макетным образцом УФК-3500, установленным на Первой АЭС, изготовлены два опытно-промышленных образца УФК-3500, один их которых уже в те-чение более 2-х лет эксплуатируется на Калининской АЭС. Другой опытно-промышленный образец УФК-3500 прошел весь цикл испытаний, включая испытания на сейсмостойкость, под-твердив свои проектные характеристики.

Испытания макетного образца УФК-3500 выполнялись в условиях разделки тепло-выделяющих стрежней, стрежней управления защиты и облучательных каналов, что обеспечивало наличие в газо-воздушном потоке содержания -активных изотопов (51Gr, 60°C) и -активных аэрозолей (239Pu, 240Pu, 238Pu, 241Аm, 242, 243, 244Cm) с объёмной активностью до 4.105 Бк/м³. Установлено, что УФК-3500 обеспечивает эффективность очистки воздуха от аэрозолей по наиболее проникающим частицам – не менее 99,96%, по молекулярному радиойоду – не менее 99,90% и по метилйодиду (СН3I) – не менее 99,0%, что отвечает требованиям Генпроектанта АЭС России.

Полученные данные позволили дать рекомендации по разработке и организации производства типоразмерного ряда установок фильтровальных комбинированных производительно-стью 3500, 7000 и 10500 м³/ч

Набор и количество секций УФК в каждом конкретном случае определяется с учетом вида и концентрации предполагаемых аэрозолей и газовых примесей, поступающих с воздухом. Сменные модули блоков (секций) УФК являются унифицированными для всего типоразмерного ряда.

В настоящее время проводятся научно-исследовательские работы по созданию фильтрующих модулей УФК-3500 основанных на других принципах более эффективных по сравнению с аэрозольной секцией. Получены положительные результаты испытаний опытного образ-ца ионно-фильтровального модуля на производительность 1500 м³/ч, что позволяет в перспективе заменить подобным модулем секцию предварительной очистки и увеличить ресурс секции тонкой очистки.

Авторы

И.В. Ягодкин – начальник лаборатории фильтрации жидкостей и газов ГНЦ РФ-ФЭИ, к.т.н.
П.Н. Мартынов – начальник отдела ГНЦ РФ-ФЭИ, д.т.н.,
А.К. Паповянц – ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ-ФЭИ, к.т.н.,
В.П. Мельников – ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ-ФЭИ, к.т.н.,
В.П. Осипов – ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ-ФЭИ, к.т.н.,
С.С. Скворцов –зам. начальника лаборатории фильтрации жидкостей и газов ГНЦ РФ-ФЭИ,
А.М. Посаженников – научный сотрудник ГНЦ РФ-ФЭИ,
А.Т. Сулим – главный конструктор - начальник отдела ГНЦ РФ-ФЭИ.