CC BY
20
УДК 66.096.3 Розенкевич М.Б.
НАУЧНАЯ РАБОТА КАФЕДРЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗОТОПОВ И ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ В ПЕРИОД ПОСЛЕ 2009 ГОДА
Розенкевич Михаил Борисович, заведующий кафедрой, кафедра технологии изотопов и водородной энергетики e-mail: rozenkev@mail.ru
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская площадь, д. 9
Рассмотрены результаты научных исследований, проведенных сотрудниками кафедры в области процессов разделения изотопов легких элементов, и их внедрения на различных предприятиях России и за рубежом.
Ключевые слова: изотопы легких элементов, физико-химические методы разделения
SCIENTIFIC WORK OF THE DEPARTMENT OF ISOTOPE TECHNOLOGY AND HYDROGEN ENERGETIC IN THE PERIOD AFTER 2009
Rozenkevich M.B.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The results of scientific research conducted by the staff of the department in the field ofprocesses of separation of isotopes of light elements, and their implementation at various enterprises in Russia and abroad are considered
Key words: isotopes of light elements, physico-chemical methods of separation
Период 2009-2015 гг. на кафедре характеризуется большим циклом работ, проведенных по контрактам с термоядерными центрами JET (Великобритания) и IO ITER (Франция). Цель этих работ заключалась в разработке комплексных технологий обращения с тритированными водными и газовыми технологическими и сбросными потоками. В соответствии с концепцией, принятой на большинстве крупных объектах, имеющих дела с большими количествами трития, системы детритизации предусматривают первоначальное окисление всех водородсодержащих соединений до воды с последующим удалением из газового потока паров воды. В случае, если образовавшееся количество тритированной воды велико и извлечение из нее трития экономически целесообразно, используются методы разделения изотопов, позволяющие в конечном счете довести концентрацию трития до продуктовой [1]. В соответствии с упомянутыми выше контрактами, на кафедре проводилось исследование эффективности использования гидрофобных и гидрофильных катализаторов, произведенных в Великобритании, Японии и России в реакции окисления следовых количеств водорода при комнатной и повышенных (до 4000С) температурах. Особое внимание уделялось вопросам работоспособности этих катализаторов при возникновении на объекте пожара. В этом случае катализаторы будут работать в условиях, когда в очищаемом газовом потоке появляются продукты горения, в частности, изоляции электрических кабелей - оксиды углерода, предельные и непредельные углеводороды. Эффект от их присутствия двойной. Во-первых, содержащийся в дымовых газах оксид углерода является каталитическим ядом и отравляет катализаторы,
работающие при комнатной температуре [2]. Во-вторых, на катализаторах, работающих при высокой температуре, органические соединения подвергаются окислению с большим тепловым эффектом, что при определенных условиях может привести к катастрофическому разрушению каталитического реактора. Проведенная на кафедре серия экспериментов позволила сформулировать необходимые условия для выполнения катализаторами своих функций в процессе детритизации даже в условиях пожара и предложены варианты обеспечения их работоспособности [3].
Первый из них основан на использовании в реакторе катализатора с пониженной каталитической активностью в реакции окисления углеводородов при рабочей температуре реактора. В этом случае выходом может быть применение катализатора, способного эффективно окислять водород, будучи неактивным в реакциях углеводородов с кислородом воздуха, например, использование гидрофобных катализаторов, применяемых в пассивных автокаталитических реакторах ядерных станций. Эти катализаторы предназначены для работы при комнатной температуре. Однако, как отмечено выше, платиновые катализаторы, работающие при комнатной температуре, при наличии оксидов углерода в газовом потоке теряют свою активность и в реакции окисления водорода. Кроме того, в случае возникновения пожара отсутствие окисления в реакторе тритий содержащих органических молекул приведет к тому, что в последующей системе очистки, основанной на удалении тритированной воды, эти молекулы не будут задерживаться и, следовательно, произойдет выброс трития в окружающую среду.
Другим возможным способом является разбавление образующихся при пожаре дымовых газов за счет увеличения потока воздуха,
направляемого в каталитический блок системы детритизации. Степень разбавления, требуемая для снижения эффекта критического роста температуры, была оценена по результатам наших экспериментов. Эта величина также определяет максимальное количество горючих материалов в рабочем помещении, обслуживаемым существующей системой детритизации воздуха. Так, например, было определено, что для системы детритизации воздуха реактора JET с максимальным перерабатываемым потоком 500 м3/час количество горючих материалов в конкретном вентилируемом помещении должно быть не более 50 кг. Разумеется, из-за значительного увеличения объёма газовых потоков, подлежащих детритизации, этот подход хоть и является обоснованным, но не выглядит привлекательно, т.к. значительно увеличивает объем аппаратуры и энергозатраты на обеспечение ее работы.
Наконец, последний предложенный вариант основан на особой конструкции самого каталитического реактора. Применительно к каталитическим реакторам с насыпным катализатором, такой подход может быть реализован применением не только контроля подачи тепла на обогрев реактора, но и контролем скорости отвода тепла из реактора. Если температура катализатора меньше заданной рабочей температуры, подвод тепла обеспечивается нагревом питающего газа. При температуре катализатора, превосходящей заданную рабочую температуру реактора, нагрев питающего газа отключается. В это же время включается циркуляция теплоносителя через реактор и внешний контур охлаждения. В качестве теплоносителя можно выбрать инертный газ с большой теплоёмкостью, например, гелий. Холодильник внешнего контура
должен быть спроектирован с охлаждающей способностью, рассчитанной на аварию с наибольшим масштабом предполагаемого пожара.
Другим значимым результатом контрактных работ стала новая технология удаления паров третированной воды из газовых потоков, основанная на процессе фазового изотопного обмена (ФИО). Ее суть аналогична процессу абсорбционной очистки газов в противоточных колоннах с той разницей, что в целях минимизации образующихся радиоактивных отходов количество природной воды, орошающей колонну, в которую поступает газовый поток с тритированными парами воды, не должно быть больше количества паров, поступающих в колонну с газом. Так, при потоке очищаемого газа в 1000 м3/ч со 100% относительной влажностью при 200С количество поступающих паров воды равно 19 кг/ч, а на орошение колонны должно поступать какое же количество природной воды. При обычной линейной скорости газа в насадочных колоннах 1,2-1,5 м/с диаметр колонны должен быть 43-54 см, и, следовательно, плотность орошения колонны водой составит 83-100 кг/м2ч, что не превышает 3-5% от предельной для любого типа насадки в колонне. Изучение режимов работы противоточной колонны при такой экстремально низкой плотности орошения и составило содержание проведенного исследования, основные результаты которого можно найти в работах [4,5]. С их использованием в табл. 1 проведено сравнение технических характеристик технологии детритизации газа, основанной на процессе ФИО, с используемой в настоящее время на большинстве крупных тритиевых объектов технологией осушки газа на цеолитах.
Таблица 1. Сравнение технологий детритизации газовых потоков методами адсорбционной осушки и ФИО
Параметр сравнения Метод детритизации
Адсорбция Фазовый изотопный обмен
Максимальная степень детритизации газа <106 * Не ограничена, зависит только от высоты колонны
Режим проведения процесса Периодический Непрерывный
Количество р/а воды как отхода (НТО) Равно количеству пара в осушаемом газе Равно или меньше на 10-12% количества пара в осушаемом газе
Сложность технологической схемы Большое количество переключающихся вентилей, контроллеров газовых потоков, КИП для измерения и регулировки температуры Контроллеры потока газа и воды, контроль и регулировка температуры не требуется
Расход энергии =12 кВт на 1 кг НТО (регенерация сорбента) Только на подачу потоков в колонну
Объем основных аппаратов при очистке потока газа в 1000м3/ч Около 2 м3 Не более 1,2 м3
Убедительные преимущества технологии ФИО послужили основанием для того, чтобы ранее принятая в проекте реактора ITER технология детритизация технологических и вентиляционных газовых потоков адсорбционным методом была в 2014 году заменена на технологию ФИО.
Следует отметить, что последнее прошедшее десятилетие показало, что бытовавшее мнение о том, что изотопные технологии для России, мягко говоря, малозначимы, фактологически не подтверждаются. В этот период кафедра принимала участие в ряде
работ, связанных с использованием накопленного опыта сотрудников.
Отметим, в первую очередь, что продолжает спрос на разработанный в конце 80-х годов гидрофобный платиновый катализатор РХТУ-3СМ [6]. В 90-х годах с использованием этого катализатора на кафедре вначале были созданы пилотные установки удаления протия и трития из некондиционной тяжелой воды методом химического изотопного обмена (ХИО) между водой и водородом [7], а затем с нашим участием в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова (ПИЯФ) была запущена
опытно-промышленная установка, решающая те же задачи [8], в которой этот катализатор без замены работает вплоть до настоящего времени [9]. В 2000-х этим катализатором в основном интересовались наши китайские коллеги, которым кафедра по контрактам поставлял небольшие партии катализатора, а в 2018 году он понадобился для большой установки нормализации изотопного состава тяжеловодного теплоносителя реактора ПИК, который запускается в ПИЯФ, и на кафедре была наработана и отправлена в ПИЯФ большая его партия. Следует отметить, что в результате большого объема работ по улучшению характеристик этого катализатора его активность по сравнению с начальной 90-х годов увеличена в 3-5 раз. С таким катализатором в разделительной колонне достигается приемлемая эффективность массообмена в системе даже при комнатной температуре, что позволило начать цикл работ по исследованию возможности реализации в ней эффективного двухтемпературного изотопного обмена.
Кратко перечислю другие работы сотрудников кафедры, которые были проведены в 10-х годах:
- по заказу РосРАО и Радиевого института им. А.Г. Хлопина проведена работа по расчету разделительных колонн и разработке технологической схемы для демонстрационной установки детритизации легкой воды, появившейся после Фукусимской аварии. Проект закончился построенной в Ленинградском отделении РосРАО установкой, с которой можно познакомиться в красивом рекламным фильме [10];
- в 2018 году сотрудники кафедры привлечены к экспертизе большой установки разделения изотопов бора методом ректификации трихлорида бора в г. Саров, для которой ранее в РХТУ были проведены предварительные эксперименты и расчеты, а затем установка была спроектирована и построена в РФЯЦ ВНИИЭФ. При эксплуатации установки появились технологические проблемы, разобраться с которыми теперь поручено нашим сотрудникам;
- по заказу АО ВНИИНМ им. А.А. Бочвара разработана технология, построена и запущена установка детритизации газового потока из бокса, предназначенного для работы с тритием. В установке использованы все технологические стадии процесса, разработанные ранее для IO ITER, описанные выше;
- на кафедре на основе того же процесса ФИО создан монитор для отбора проб трития из газовых потоков. Его особенность заключается в том, что при контрольном заборе проб воздуха в районах расположения АЭС монитор по сравнению с обычным барботажным пробоотборником обеспечивает на порядок более низкий предел обнаружения трития, что позволяет сократить время отбора проб с десятков часов до 1 часа. Монитор прошел практическую проверку силами специалистов ФМБА России и получил положительную оценку;
- продолжается сотрудничество с предприятием ПО «Маяк», где используется практический опыт кафедры по разделению изотопов водорода методами ректификации и химического изотопного обмена;
- в содружестве с Институтом ядерной физики РАН сотрудники кафедры выполняют важную работу в
рамках крупного международного проекта GERDA -подготовке физического эксперимента по исследованию двойного двухнейтринного бета-распада на ядрах Ge-76, который может дать информацию об абсолютной массе нейтрино. Экспериментальная установка с германиевым детектором находится в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия). В этой же лаборатории в 2019 году наши сотрудники запустили созданную ими установку, предназначенную для переработки дорогостоящих отходов Ge-76, возникающих при создании детектора, и доведения их до кондиционного металла со степенью чистоты 99,999%.
Список литературы
1. Розенкевич М.Б., Магомедбеков Э.П. Пути решения проблемы газовых выбросов трития // Безопасность окружающей среды. 2009. № 1. С. 90-93.
2. Иванова А.С., Букин А.Н., Марунич С.А., Пак Ю.С., Розенкевич М.Б. Каталитическое окисление следовых количеств водорода в тритийсодержащих газовых потоках при возникновении пожара на ядерных объектах // Атомная энергия. 2016. Т. 120. № 2. С. 101-105.
3. Ivanova A. S., Bukin A. N., Marunich S. A., Pak Yu. S., Perevezentsev A. N., Rozenkevich M.B. Safety of Air Detritiation System Operation // Fusion Science and Technology. 2019. V. 75. No. 1. P. 24-35.
4. Perevezentsev A.N., Rozenkevich M.B., Pak Yu. S., Marunich S.A., Bukin A.N. Phase Isotope Exchange of Water as a Gas Detritiation Method// Theoretical Foundation of Chemical Engineering. 2013. V.47. No.1. P. 47-54.
5. Rozenkevich M., Pak Yu., Marunich S., Bukin A., Ivanova A., Perevezentsev A., Lepetit L. Main Features of the Technology for Air Detritiation in Scrubber Column // Fusion Science and Technology. 2016. V.70. No 3. P. 435447.
6. Способ приготовления платинового катализатора изотопного обмена водорода с водой: пат. 2307708 Рос. Федерация, №2006102805, заявл.31.01.06; опубл. 10.10.07.
7. Андреев Б.М., Магомедбеков Э.П., Пак Ю.С., Розенкевич М.Б., Сахаровский Ю.А., Селиваненко И.Л. Детритизация водных потоков и концентрирование трития изотопным обменом в системах с молекулярным водородом (Н2-Н2О, Ш-Pd) // Радиохимия. 1999. Т. 41. № 2. С. 131-135.
8. Andreev B., Sakharovsky Y., Magomedbekov E., Park Y., Rozenkevich M., Uborskiy V., Trenin V., Alekseev I., Fedorchenko O. et al. Installations for Separation of Hydrogen Isotopes by the Method of Chemical Isotope Exchange in the "Water-Hydrogen" System // Fusion Technology. 1995. V. 28. No. 3. part 1. P. 515-518.
9. Alekseev I.F., Bondarenko S. D., Fedorchenko O. A., Vasyanina T. V., Konoplev K. A., Arkhipov E. A., Uborsky V. V. Fifteen Years of Operation of CECE Experimental Industrial Plant in PNPI // Fusion Science and Technology. V. 60 . No. 3. P. 1117-1120.
10. http://rosrao.ru/press-czentr/mediateka/ videogalereya/tritium-separation-technology-for-lrw-treatment.html.
