NEW FILTERING EQUIPMENT FOR NPP

Preventing emissions of radioactive contaminants into the air remains one of the main factors that affect environmental and radiation safety in operating the companies of nuclear, radiochemical and other industries applying “nuclear” technologies.

Эта проблема не теряет своей актуальности и в тех условиях, когда средние показатели по газо-аэрозольным радиотоксичным 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 оС), 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 исследо-ванных 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 оС. 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 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 стеклобумаги МФВЭ-3 одновременно с улучшением его характеристик, связанных с повышением термостойкости – до 200оС 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 дистан-ционированием с помощью алюминиевых сепараторов;
2. вторая ступень формируется путем микроплиссеровки стеклобумаги 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 ^оС);
• повышенная термостойкость фильтра (до 100 оС – длительно и 150 оС – 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 осуществля-ется 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:

• 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.

При этом блок нагревателей гарантирует отсутствие капельной влаги и требуемое сни-жение 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 обеспечи-вало 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 аэрозо-лей 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 произ-водства 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 фильт-рующих модулей УФК-3500 основанных на других принципах более эффективных по сравне-нию с аэрозольной секцией. Получены положительные результаты испытаний опытного образ-ца ионно-фильтровального модуля на производительность 1500 м3/ч, что позволяет в перспек-тиве заменить подобным модулем секцию предварительной очистки и увеличить ресурс секции тонкой очистки /4/.

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.