Введение

Обращение с жидкими радиоактивными отходами (ЖРО) — важная составляющая безопасной и экономически эффективной эксплуатации энергоблоков АЭС. Проблеме обращения с ЖРО уделяется пристальное внимание специалистов атомной отрасли, ведутся работы по поиску оптимальных технологий переработки и кондиционирования ЖРО. Однако в процессе их нормальной эксплуатации неизбежно образуются значительные объемы радиоактивных отходов, среди которых жидкие радиоактивные отходов (ЖРО) представляют наибольшую сложность с точки зрения переработки, длительного хранения и последующего захоронения.

В соответствии с Федеральным законом «Об обращении с радиоактивными отходами.».. № 190-ФЗ, государственная политика в этой сфере направлена на обязательное кондиционирование отходов с целью приведения их в форму, безопасную для окончательного захоронения. Традиционные методы обращения с низко- и среднеактивными ЖРО на АЭС исторически основывались на упаривании солесодержащих сред до состояния кубового остатка с его последующим долгосрочным хранением в специальных емкостях. Данный подход обладает существенным недостатком: объемы жидкой фазы остаются значительными, что требует постоянного расширения парка емкостей ЖРО, увеличивает капитальные затраты и создает потенциальные риски для окружающей среды в долгосрочной перспективе.

В связи с этим концепция «сухой площадки» и минимизации объемов конечных РАО становится приоритетным направлением технологического развития, что регламентируется федеральными нормами и правилами НП-058–14 в области безопасности при обращении с радиоактивными отходами. Одним из наиболее перспективных и технически обоснованных решений данной проблемы является внедрение установок глубокого упаривания (УГУ) непосредственно в технологический контур переработки отходов энергоблоков ВВЭР-1200.

1. Источники образования ЖРО на энергоблоках ВВЭР-1200

В процессе эксплуатации двухконтурной реакторной установки ВВЭР-1200 основными источниками ЖРО являются трапные воды, регенерационные растворы ионообменных фильтров систем спецводоочистки, а также технологические сбросы контура охлаждения и дезактивационные растворы. Классификация ЖРО по уровням активности и определение критериев их отнесения к жидким отходам строго регламентируются Постановлением Правительства РФ № 1069. Трапные воды формируются в результате дренирования оборудования, протечек теплоносителя через уплотнения, проведения влажной уборки помещений строгого режима и санитарной обработки персонала. Регенерационные растворы образуются при восстановлении емкости фильтрующих материалов, очищающих продувочную воду первого контура и другие технологические потоки.

По химическому составу данные среды представляют собой сложные многокомпонентные водно-солевые системы. Главными неорганическими компонентами являются соединения бора (в основном в форме борной кислоты и боратов натрия), нитраты натрия, соли жесткости (кальций, магний), а также продукты коррозии конструкционных материалов. При проектировании и изготовлении элементов выпарных аппаратов и УГУ крайне важно использовать высоколегированные коррозионно-стойкие стали согласно ГОСТ 5632–2014, способные выдерживать агрессивные концентрированные среды при повышенных температурах. Радионуклидный состав определяется присутствием продуктов деления и активации, среди которых наибольший вклад в общую активность вносят изотопы цезия, кобальта, стронция и трития.

Высокое содержание бора и натрия накладывает специфические ограничения на физико-химическое поведение растворов при их концентрировании. На действующих АЭС предварительное упаривание на выпарных аппаратах спецводоочистки позволяет достичь солесодержания кубового остатка в пределах двухсот-трехсот грамм на литр. Дальнейшее концентрирование в стандартных аппаратах затруднено из-за риска массовой кристаллизации солей и забивания теплообменных трубок.

2. Физико-химические основы и технологические принципы глубокого упаривания

Принцип глубокого упаривания в том, чтобы нагревом сконцентрировать кубовый остаток сильнее предела насыщения солей. Раствор переходит в пересыщенное состояние, соли начинают контролируемо выпадать в осадок, и на выходе получаем густой солевой плав или кек с минимальным количеством влаги.

Главной физико-химической трудностью при реализации данного процесса заключается в налипании солей и образовании отложений на поверхностях нагрева. Соли, обладающие обратной растворимостью (например, сульфаты и карбонаты кальция), при повышении температуры склонны осаждаться на теплообменных стенках, формируя плотную накипь. Это приводит к резкому падению коэффициента теплопередачи и перегреву конструкционных материалов.

Для преодоления указанных эффектов в современных установках глубокого упаривания применяются специализированные технические решения. К ним относятся аппараты с принудительной циркуляцией теплоносителя, выпарные аппараты с падающей пленкой жидкости, а также роторно-пленочные испарители. В роторных аппаратах подвижные лопатки непрерывно очищают внутреннюю поверхность обогреваемой цилиндрической стенки, распределяя раствор тонким слоем и механически мешая солям оседать и закрепляться на металле.

Процесс разделения фаз в УГУ сопровождается интенсивным парообразованием. Вторичный пар проходит многоступенчатую систему сепарации и очистки от капельного уноса, что позволяет получить дистиллят с крайне низкой удельной активностью. Данный дистиллят может быть повторно использован в технологическом цикле АЭС, что обеспечивает замыкание оборотного водоснабжения и минимизирует подпитку чистой водой.

3. Интеграция УГУ в схему обращения с РАО энергоблока ВВЭР-1200

Внедрение УГУ в структуру энергоблока ВВЭР-1200 предполагает создание автономного модуля или интеграцию оборудования в существующее здание переработки радиоактивных отходов. Данные технические решения должны строго следовать общим положениям обеспечения безопасности АЭС согласно НП-001–15, которые требуют реализации концепции глубокоэшелонированной защиты. Технологический поток кубового остатка из емкостей хранения подается на узел предварительного кондиционирования, где при необходимости корректируется показатель кислотности раствора для предотвращения интенсивного пенообразования и оптимизации условий кристаллизации боратов.

Далее подготовленный раствор поступает в контур УГУ. В процессе упаривания солесодержание доводится до значений порядка восьмисот-тысячи грамм на литр, при этом плав сохраняет текучесть при повышенной температуре. Горячий солевой концентрат из нижней части аппарата дозированно выгружается в конечную упаковочную тару — металлические бочки или невозвратные защитные контейнеры. По мере охлаждения плав затвердевает, образуя монолитный солевой блок. Проектирование систем сбора, переработки и кондиционирования РАО на базе УГУ выполняется в соответствии с требованиями НП-019–2021.

Монолитизированный продукт характеризуется высокой механической прочностью и низкой скоростью выщелачивания радионуклидов. Внедрение этой стадии исключает необходимость последующего цементирования или битумирования кубового остатка. Классическое цементирование приводит к увеличению конечного объема отходов в полтора-два раза за счет введения матричного материала (цементного вяжущего) и воды затворения. Глубокое упаривание, напротив, обеспечивает сокращение объема отходов в несколько раз по сравнению с исходным кубовым остатком.

4. Экологические и экономические аспекты внедрения технологии

Переход на технологию глубокого упаривания оказывает положительное влияние на радиационно-экологические и технико-экономические показатели АЭС с ВВЭР-1200.

С экологической точки зрения, трансформация подвижных жидких отходов в стабильную твердую форму существенно снижает потенциальные риски радиационных инцидентов, связанных с разгерметизацией емкостей ЖРО. Твердые монолиты значительно безопаснее при транспортировке внутри площадки и при долгосрочном хранении. Возврат очищенного дистиллята вторичного пара в оборотный контур снижает объемы сбросов дебалансовых вод и уменьшает общее водопотребление ядерного объекта.

Экономический эффект складывается из нескольких ключевых составляющих:

1. достигается (до 4–6 раз) сокращение объема кондиционированных отходов, направляемых на окончательное захоронение национальному оператору. Учитывая высокую стоимость захоронения каждого кубического метра РАО, данное снижение обеспечивает прямую и долгосрочную экономию финансовых средств эксплуатирующей организации;
2. отпадает необходимость проектирования и строительства дополнительных крупногабаритных емкостей для хранения ЖРО, что снижает капитальные затраты на этапе расширения или модернизации АЭС;
3. уменьшаются затраты на расходные материалы, необходимые для матричной фиксации (цемент, добавки, гидроизоляционные составы).

Основные выводы

Внедрение установок глубокого упаривания на энергоблоках ВВЭР-1200 представляет собой высокоэффективное, технологическое решение, направленное на сокращение объемов образующихся жидких радиоактивных отходов. Данная технология полностью соответствует современным международным тенденциям в области обращения с РАО и принципам устойчивого развития атомной энергетики.

Перевод кубовых остатков в монолитизированную твердую фазу непосредственно в процессе текущей эксплуатации АЭС позволяет исключить объемные стадии цементирования, минимизировать потребность в емкостном парке хранения ЖРО и существенно снизить затраты на окончательное захоронение отходов. Анализ физико-химических свойств растворов на блоках с ВВЭР-1200 показывает, что внедрить УГУ в системы спецводоочистки вполне реально и безопасно. Это делает технологию одним из лучших решений для снижения экологической нагрузки в атомной отрасли.

Литература:

1. Федеральный закон «Об обращении с радиоактивными отходами и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» от 11.07.2011 № 190-ФЗ.
2. Постановление Правительства РФ «О критериях отнесения твердых, жидких и газообразных отходов к радиоактивным отходам, критериях отнесения радиоактивных отходов к особым радиоактивным отходам и к удаляемым радиоактивным отходам и критериях классификации удаляемых радиоактивных отходов» от 19.10.2012 № 1069.
3. ГОСТ 5632–2014. Легированные нержавеющие стали и коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные сплавы. Марки. — М.: Стандартинформ, 2015. — 53 с.
4. НП-058–14. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Безопасность при обращении с радиоактивными отходами. Общие положения. — М.: Ростехнадзор, 2014.
5. НП-001–15. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Общие положения обеспечения безопасности атомных станций. — М.: Ростехнадзор, 2015.
6. НП-019–2015. Федеральные нормы и правила в области использования атомной энергии. Сбор, переработка, хранение и кондиционирование жидких радиоактивных отходов. Требования безопасности. — М.: Ростехнадзор, 2015.