Технология очистки ЖРО от трития для АЭС «Фукусима – 1»

ФГУП «РосРАО»
Технология очистки ЖРО от трития
для АЭС «Фукусима – 1»
Руководитель проектного офиса
инновационного развития, к.ф.-м.н.
Сергей Флоря
Красноярск, 2014
Введение
Введение
Полувековая практика эксплуатации объектов ядерной энергетики и деятельности
организаций, связанных с использованием радионуклидов, в частности, для получения
меченых соединений, привела к накоплению большого количества радиоактивных отходов.
Одним из них является тритийсодержащая вода. Особенностью подобных ЖРО, является то,
что тритий нельзя удалить из воды применяя классические методы переработки ЖРО:
сорбция, экстракция, выпаривание и т.п. Поэтому в большинстве случаев тритиевая вода
направляется на длительное хранение, либо сбрасывается в окружающую среду.
Современным источником наработки тритиевых отходов являются: ядерные реакторы
(особенно на быстрых нейтронах и тяжеловодные), высокопоточные нейтронные мишени
ускорителей (SNS, ADS технологии), высокопоточные исследовательские реакторы (типа
ПИК), аварии и аварийные выбросы (Фукусима). Потенциальным источником большого
количества тритиевых отходов являются все термоядерные технологии.
Стоит отметить, что вышеперечисленные технологии рассматриваются всеми ядерными
странами как перспективные.
1
1
Источники
Источникиобразования
образованиятрития
тритияиизаконодательные
законодательныенормы
нормы
CANDU, CRL
SNS, продукт
переработки
ITER, JET,
CEA, FZK,
ICIT, IFIN HH,
ESS
ПИК, продукт
переработки
Тритий 3H
Период полураспада 12.32 лет
Бета эммитер18,59 кэВ
J-PARC, HANARO,
продукт переработки
Предельная допустимая концентрация
трития в питьевой воде, Бк/л
Евросоюз
США
Канада
Россия
Швейцария
Финляндия
Австралия
Норма ВОЗ*
100
740
7 000
7 700
10 000
30 000
76 103
10 000
* придерживаются большинство стран мира
Образования трития,
ТБк/ГВт год
ВВЭР
555
РБМК
814
ТВР
54 200
Переработка
топлива (1400
т/год)
30 000
2
OPAL, продукт
переработки
Тритий в окружающем мире
Атмосфера 91,8 ТБк (7,2 %)
Земля и биосфера 344 000 ТБк (27 %)
Мировой океан 829 000 ТБк (65 %)
Образование за счет космики 72 000 ТБк/год
22
Мировая практика
практика (основные
(основные технологии)
технологии)
Мировая
Ректификация воды (WD-процесс)
Отработанная технология при производстве
тяжелой воды. Очистка воды от трития основана
на разности летучести HTO и H2O. При 60⁰С,
давление H2O в 1.056 раз больше чем HTO.
Минусами технологии является большие
энергозатраты на поддержание постоянной
температуры и большой объем требуемого
оборудования.
Двухступенчастая
схема
очистки воды
методом ректификаци .
3
Комбинированный с электролизом химический
изотопный обмен в системе вода – водород
(CECE – процесс)
Технология основана на процессе изотопного
обмена атомов водорода между молекулами
воды и газообразного водорода, при котором
тяжелый изотоп (тритий) конденсируется в
жидкой фазе.
HT(gas)+H20=HTO+H2
(1)
Минусом
технологии
является
большой
расход электроэнергии
за счет электролиза
всего
объема
поступающих ЖРО, что
также
влечет
дополнительные
требования
к
безопасности.
Мировая практика
практика (основные
(основные технологии)
технологии)
Мировая
Двухтемпературный изотопный обмен в
системе вода – водород (BHW – процесс)
Технология
также
основана на реакции (1),
но не требует электролиза
поступающей
на
переработку воды. За счет
чего достигается снижение
энергетических затрат.
Минусами технологии
является высокое рабочее
давление в колонне ~ 50
атм. и большой объем
газообразного водорода.
В основном применима
при невысокой степени
очистки.
4
4
Двухтемпературный изотопный обмен в
системе вода – сероводород (GS – процесс)
Так же как и в BHW -процессе в GS
используются горячие и холодные колонны и
циркулирующий в системе газ. Однако, в GS в
качестве газа используется сероводород. Данная
технология длительное время используется для
производства тяжелой воды.
Минусом технологии является применение
высокотоксичного сероводорода под высоким
давлением ~ 20 атм.
Мироваяпрактика
практика(действующие
(действующиеустановки)
установки)
Мировая
South Korea. Wolsong tritium removal facility, 100 kg/h
Canada. Prototype CIRCE, 300-500 kg/h
Romania, ICSI - TRF, 4-8 kg/h
Данные комплексы, в основном,
создавались с использованием одной
из вышеприведенных технологий и
были направлены на её отработку.
5
5
6
Лабораторная установка
0,001 м3/ч, 2005 -2007
Макет, 0,005 м3/ч, 2009
Промышленная установка: 0,1
м3/ч,
2012
Основные результаты изложены в журнале Радиохимия, том. 56, номер 9, сентябрь 2014,
стр.1-11.
Схема
Схематехнологического
технологическогопроцесса
процессаочистки
очистки
Этап 2
Этап 1
P, XP
Этап 3
Этап 4
F2, X2
BHW
6
F1, X1
WD
CECE
(F2-B), Yв
УФ
B, XB
F, X0
X1’
X1
7
На вход установки подается тритиевый
конденсат.
Далее переработка осуществляется на
трех последовательных узлах.
-ректификационный
узел
(WD)
обеспечивает
очистку
дистиллята
от
примесей солей и органических примесей и
осуществляет
предварительное
концентрирование трития в 10 раз.
-двухтемпературный
узел
(BHW)
обеспечивает концентрирование трития в 10
раз.
-узел
конечного
концентрирования
(CECE)
трития
обеспечивает
концентрирование трития до уровня ≈
2,4×1011 Бк/л (то - есть в 200 раз) и
последующую его фиксацию (УФ) в виде
твердого, устойчивого на воздухе продукта –
тритида титана.
В результате концентрация трития в
исходных ЖРО уменьшается в 20000 раз.
7
Промышленная установка очистки ЖРО от трития
Технические характеристики:
Производительность по исходным ЖРО – 0.1 м3/ч
Коэффициент очистки – не менее 2 000
Концентрация трития ~ не менее 20 000
Энергозатраты:
- электроэнергия – 100 КВт/ч
- пар, 2.5 MPa – 2800 кг/ч
8
Достигнутые результаты
результаты
Достигнутые
9
10
В результате совместной работы
ФГУП «НПО «Радиевый институт им.
В.Г. Хлопина», ОАО «Головной
институт
«ВНИПИЭТ»,
ОАО
«СвердНИИХиммаш» и РХТУ им. Д.И.
Менделеева:
- разработана и запатентована
технология;
разработана
конструкторская
документация
на
нестандартное
технологическое оборудование;
- разработана проектная и рабочая
документация
на
строительство
комплекса с производительностью 10
л/ч и 100 л/ч;
- проработаны технологические
решения
масштабирования
установки.
Конкурентные
Конкурентныепреимущества
преимущества
10
11
Основные преимущества комплексной технологии:
-выше степень концентрирования при тех же энергозатратах;
- отсутствие выбросов;
- ниже капитальные вложения и эксплуатационные затраты;
- легкое последующее увеличение производительности.
Ориентировочная цена установки с
производительностью 100 л/ч (включая
строительство здания), млн. руб.
Данная
работа
Только
WD
Только
BHW
Только
CECE
Себестоимость литра переработки
(без учета капитальных затрат), руб.
Данная
работа
Только
WD
Только
BHW
Только
CECE
Проблема накопления тритиевой воды на АЭС «Фукусима-1»
11
Конкурс на верификацию технологии очистки ЖРО от трития
Правила открытого запроса предложения изложены на сайте Исследовательского
института Митсубиши (http://www.mri.co.jp/english/news/if20140602_e.html).
Основные требования к промышленной установке:
- Производительность не менее 400 м3/день;
- Коэффициент очистки от трития не менее 100;
- Минимальное энергопотребление и эксплуатационные затраты;
- Минимальное количество вторичных РАО.
- Для подтверждения работоспособности технологии и экономических
характеристик промышленных решений, участникам конкурса предлагается
изготовить демонстрационную систему с ценой не более 1,000,000,000 JPY.
12
1．事業概要
経済産業省は、廃炉・汚染水対策について、国内外の叡智を結集し、技術的困難性
Результаты
конкурса
の高い課題に対応するため、「廃炉・汚染水対策基金」を設置し、実現可能性がある
技術について、実証試験・要素技術開発を支援しています。（基金事務局は株式会社
三菱総合研究所に委託しています。）
福島第一原発内で発生する汚染水については、トリチウムが分離できず残ることから、
今般、トリチウム分離技術に関する最新の知見を得るため、任意の規模の設備を構
築し、分離性能、建設コスト・ランニングコスト等を評価する「トリチウム分離技術検証
試験事業」の公募を、海外企業も参加可能な形で実施いたしました。
(公募期間：平成 26 年 5 月 15 日～7 月 17 日)
平 成 26 年 8 月 26 日
資 源 エネルギー庁
2．採択結果
汚染水処理対策技術検証事業(トリチウム分離技術検証試験事業)の
基金事務局に設置された、国内外の有識者からなる審査委員会において審査を実
決定しました
採択事業者が
施し、以下のとおり採択事業者を
者の採択者全てが海外からの
決定いたしました。3
提案となっています。
廃炉・汚染水対策に資する技術開発を支援する「汚染水処理対策技術検証事業（ト
採択事業者（3 者）
リチウム分離技術検証試験事業）」について、本年
5 月 15 日から 分離手法
7 月 17 日までの
Combined Electrolysis
公募の結果、採択事業者が決定しました。
Kurion, Inc.【アメリカ】
Catalytic Exchange (CECE)
GE1．事業概要
Hitachi Nuclear Energy Canada Inc.【カナダ】
経済
産業省は、廃炉・汚染水対策について、国内外の叡智を結集し、技術的困難性
※General
Electric Company (アメリカ)と株式会社
Water Distillation
の高い課題に対応するため、「廃炉・汚染水対策基金」を設置し、実
現可能性がある
日立製作所(日本)の共同出資会社
技術について、実証試験・要素技術開発を支援しています。（基金事務局は株式会社
Federal
State Unitary Enterprise “Radioactive Combination of CECE and
三菱総合研究所に委託しています。）
Waste
Management Enterprise “RosRAO”【ロシア】 Water Distillation
※本事業はトリチウム分離技術に関する最新の知見を得るために実施するもので
福島第一原発内で発生する汚染水については、トリチウムが分離できず残ることから、
あり、トリチウムの分離処理を行うことを決定したものではありません。
今般、トリチウム分離技術に関する最新の知見を得るため、任意の規模の設備を構
築し、分離性能、建設コスト・ランニングコスト等を評価する「トリチウム分離技術検証
（本発表資料のお問い合わせ先）
試験事業」の公募を、海外企業も参加可能な形で実施いたしました。
資源エネルギー庁 電力･ガス事業部
13
Демонстрационная система для верификации
технологии
Производительность, м3/ч
Коэффициент очистки
(Исходная вода 4.2·106 Bq/L; очищенная вода 1·104
Bq/L)
Коэффициент концентрации
(Исходная вода 4.2·106 Bq/L; вода после процессинга
5·1010 Bq/L)
Проектные размеры, м
14
0.2
500
10 000
34 х 6 х 4
Спасибо за внимание!
119017, РФ, г. Москва,
Пыжевский пер., 6
Тел.: +7 (495) 710-76-48
Факс: +7 (495) 710-76-50
e-mail: info@rosrao.ru
www.rosrao.ru