Cостояние разработок современного фильтрационного оборудования в обеспечение новых проектов АЭС с ВВЭР

Введение

Проблема газоочистки на АЭС является одной из важнейших для успешного развития ядерной энергетики, поэтому во всех странах мира она вызывает повышенный интерес. Увеличение мощности АЭС и повышение требований к чистоте газовых выбросов требуют непрерывного совершенствования средств и методов газоочистки.

Выбор оптимальной технологии очистки и конструкции системы фильтрации обуславливается спецификой обеспечения экологической безопасности АЭС в эксплуатационных и аварийных условиях. Главные требования, предъявляемые к таким системам, состоят в достижении высокоэффективной очистки воздуха (99,0-99,95 %) и надежности.

ФГУП «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-адсорберы 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 фильтроматериалов 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 (Технический университет), Ассоциация передовых комплексных технологий «Аспект», ОАО Приборный завод «Сигнал», Обнинский Центр Науки и Технологий (ОЦНТ), ЗАО «Фильтр», 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 марлевую 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 0С), 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 существенно продвинулись в улучшении его технических характеристик, в частности, повысили термостойкость до ~300 0С. 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 стеклобумаги 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 очистки была использована трехслойная стеклобумага (материал фильтровальный высокоэффективный) типа МФВЭ-3 с уменьшающимся диаметром ультратонких волокон по ходу очищаемой газо-воздушной среды - от 0,8 до 0,25 мкм. Данный фильтроматериал, полученный с использованием ряда новых рецептур, был разработан совместно с НИИ Целлюлозно-бумажной промышленности (г. Волжск, республика Мари Эл) и НПП «Стеклопластик» (г. Крюково). Эксперименты по эффективности и пылеемкости показали его преимущества по сравнению с аналогичными зарубежными образцами. Однако из-за ограниченной востребованности в период разработки данного материала его производство так и не было налажено. В настоящее время для оснащения аэрозольных фильтров для АЭС проводится работа по возобновлению производства стеклобумаги МФВЭ-3 одновременно с улучшением его характеристик, связанных с повышением термостойкости - до 200 0С 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 стеклобумаги, рис. 1, могут быть изготовлены в различных вариантах исполнения:

1) стеклобумага второй ступени укладывается внутри корпуса зигзагообразно с дистанционированием с помощью алюминиевых сепараторов;

2) вторая ступень формируется путем микроплиссеровки стеклобумаги с последующей V-образной укладкой внутри корпуса.

Рис. 1. Двухступенчатый фильтр ФАС-3500-Д (без алюминиевых сепараторов)

аэрозольный фильтр аварийный йодный

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 удешевляется 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 0С);

- повышенная термостойкость фильтра (до 100 0С - длительно и 150 0С - 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.

Фильтр-адсорбер АУИ-1500ВМ с выемным модулем

Для улавливания радиоактивного йода в различных формах наиболее широко применяются фильтры-адсорберы типа АУИ-1500 (адсорбер угольный импрегнированный на проивзодительность 1500 м3/ч) различных модификаций, установленные в системах вентиляции действующих АЭС и радиационно-опасных производств. Сорбент (активированные импрегнированные угли) за счет вибраций в процессе эксплуатации подвержен измельчению, что вызывает пылеобразование и увеличение аэродинамического сопротивления фильтра-адсорбера. Необходимо отметить высокую степень пожароопасности сорбентов на основе активированных углей. В то же время, фильтры-адсорберы АУИ-1500 неразборны и неремонтопригодны, утилизация их практически исключена [2].

В процессе модернизации энергоблоков целесообразна замена АУИ-1500 на фильтры-адсорберы нового типа. Важность решения данной проблемы определяется в первую очередь необходимостью ликвидации возможных неблагоприятных последствий при аварийных ситуациях, связанных с повышенным выбросом радиоактивного йода, высокой стоимостью используемых конструкций (при замене отработавшего фильтра-адсорбера дорогостоящий корпус вторично не используется) и требованиями по усовершенствованию сорбента.

В этой связи возможность возникновения указанных аварийных ситуаций исключает замену фильтров-адсорберов на основе гранулированного угля на фильтры-адсорберы на основе хемосорбционных полотен ввиду того, что ёмкость по улавливаемому йоду последних значительно уступает ёмкости первых.

В отличие от фильтра-адсорбера АУИ-1500 для улавливания радиоактивного йода в ГНЦ РФ-ФЭИ разработан фильтр-адсорбер АУИ-1500ВМ с выемным легкозаменяемым модулем (кассета), оснащенным сорбентом с улучшенными техническими характеристиками, рис. 2.

Рис. 2. Фильтр-адсорбер АУИ-1500ВМ с выемным модулем

В качестве сорбента в разработанном фильтре-адсорбере АУИ-1500ВМ используется модифицированный и гидрофобизированный уголь марки СКТ-3 или импрегнированный сорбент на основе высокотемпературного, износостойкого неорганического материала. За счет возможности производить замену отработавшего сорбента с сохранением несущих конструкций, снижения затрат на изготовление и обслуживание и за счет повышения основных характеристик - эффективности, ресурса, термостойкости существенно улучшаются технико-экономические показатели фильтра-адсорбера. В конструкции сохранены габариты и присоединительные размеры фильтра-адсорбера - прототипа, что позволяет избежать дорогостоящей реконструкции вентсистем АЭС.

Фильтр-адсорбер АУИ-1500ВМ успешно прошел государственные приемочные испытания. Испытания установочной партии этих фильтров показали, что эффективность очистки по молекулярному радиойоду составляет 99,92 % (при норме 99,90 %), а по органическим формам радиойода - 99,87 % (при норме 99,0 %). Фильтр-адсорбер АУИ-1500ВМ изготовлен для опытной эксплуатации в вентсистеме исследовательского реактора Первой АЭС.

Фильтровальная комбинированная установка УФК-3500

Для строящихся и проектируемых АЭС в ГНЦ РФ-ФЭИ осуществлена разработка и создана фильтровальная комбинированная установка УФК-3500, позволяющая проводить комплексную 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 (рис.3) рассчитана на производительность 3500 м3/ч и включает в себя следующие последовательно установленные блоки: каплетуманоуловитель; нагреватели; фильтр предварительной очистки от радиоактивных аэрозолей; фильтр тонкой (высокоэффективной) очистки от радиоактивных аэрозолей; фильтр йодной очистки, состоящий из различных типов параллельно включенных модулей.

Рис. 3. Фильтровальная комбинированная установка УФК-3500

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.

Наряду с макетным образцом УФК-3500, установленным на Первой АЭС, изготовлены два опытно-промышленных образца УФК-3500, один их которых уже в течение более 2-х лет эксплуатируется на Калининской АЭС. Другой опытно-промышленный образец УФК-3500 прошел весь цикл испытаний, включая испытания на сейсмостойкость, подтвердив 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, 60Co) и -активных аэрозолей (239Pu, 240Pu, 238Pu, 241Аm, 242, 243, 244Cm) с объёмной активностью до 4.105 Бк/м3 [3]. 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 производительностью 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 образца ионно-фильтровального модуля на производительность 1500 м3/ч, что позволяет в перспективе заменить подобным модулем секцию предварительной очистки и увеличить ресурс секции тонкой очистки [4].

Пассивная система фильтрации (ПСФ)

Ещё одно направление работ связано с созданием пассивной системы фильтрации межоболочного пространства (ПСФ МОП) на случай запроектной аварии с полной потерей источников электроснабжения на АЭС, предназначенной для защиты населения, персонала АЭС и окружающей среды от воздействия радиоактивных выбросов. Основным элементом созданной пассивной системы фильтрации является фильтровальная установка, располагаемая в верхней точке внешней защитной оболочки [5]. За счет естественной конвекции организуется выброс парогазовой среды из межоболочечного пространства в атмосферу и локализация радиоактивных примесей на фильтровальной установке.

Установка ПСФ МОП включает 6 автономных фильтровальных секций, включенных параллельно и содержащих два модуля аэрозольной очистки и четыре модуля сорбционной (йодной) очистки с сорбентом «Физхимин». Уникальность разработки заключается в достижении высокой эффективности очистки - не менее 99,9 % при одновременном обеспечении сверхнизкого аэродинамического сопротивления - не более 48 Па, а также в работоспособности установки в диапазоне температур от 20 до 300 0С.

Опытный образец ПСФ успешно выдержал комплекс испытаний, проведенных на базе полигона Первой АЭС в ГНЦ РФ-ФЭИ. Пассивная система фильтрации поставлена на АЭС «Куданкулам» в Индии.

Список литературы

1. Ягодкин И.В., Мельников В.П., Мартынов П.Н., Паповянц А.К., Кушнарев Р.А. и др. Высокоэффективные аэрозольные фильтры для вентсистем действующих АЭС/ тез. докл. Четвертой международной научно-технической конференции «Безопасность, эффективность и экономика атомной энергетики».- М., 2004.