способы снижения опасности тритиевых загрязнений и выбросов при работе термоядерных энергоустановок
(11 класс), (11 класс), (10 класс)
Москва, физико-математический лицей № 000 при МИФИ, ГОУ СОЧШ «Наследник»
Научные руководители - , доцент, , инженер
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
E-mail: *****@***ru
В работе изучались вопросы нетрадиционных видов антропогенного воздействия на природу возникающих в сфере использования высоких технологий. Выработаны принципиальные решения ряда вопросов направленных на предотвращение радиоизотопного загрязнения окружающей среды при работе промышленных термоядерных энергоустановок.
Экологическая нагрузка на природные регионы возникающая при эксплуатации существующих промышленных объектов, во многом зависит от требований по экологической безопасности, существовавших на момент строительства этих предприятий. К сожалению, эти требования отражают состояние научных исследований и технологий, обеспечивающих допустимые антропогенные нагрузки на окружающую территорию, сформулированных на основе недостаточных, или устаревших данных. К тому же промышленное развитие регионов приводит к заметному увеличению плотности неблагоприятного воздействия на окружающую среду. Производства, спроектированные и построенные по устаревшим природоохранным нормам, основаны на технологических схемах, построенных без учета экологической безопасности, а снижение уровня вредных выбросов этих предприятий достигается включением в технологический цикл дополнительных очистных установок. Эти сооружения, зачастую, плохо согласуются с имеющимся технологическим циклом, и сами являются источником ряда неблагоприятных экологических факторов. Более эффективным подходом, является перспективная разработка таких производственных циклов, в которых экологические аспекты заложены непосредственно в технологическую схему еще на стадии проектирования.
Именно поэтому, предварительное планирование мер экологической безопасности при разработке перспективных технологий и производств, является важной и неотъемлемой задачей при создании и размещении новых предприятий. Особую актуальность подобный подход приобретает в случае разработки принципиально новых установок большой мощности, опыт эксплуатации которых практически отсутствует.
Как показал опыт развития атомной энергетики, последствия таких просчетов могут быть катастрофическими [1]. Основной нормой безопасности таких предприятий, является удержание в пределах технологического цикла элементов топлива и извлекаемого плутония [2]. Продукты деления, образующиеся в этой технологии, являются отходами и подлежат захоронению. При этом часть из них оказалась сброшенной в окружающую среду [3]. Тритийсодержащим отходам, образующимся при эксплуатации ядерных реакторов, практически не уделялось внимания, вследствие их незначительных количеств и невысокой радиотоксичности трития (Т), уровень вмешательства для которого УВ=7,7·103 Бк/кг [4]. Для примера на Калининской АЭС содержание трития в озере Песьво (водоем-охладитель) колеблется в течение года в пределах 20-150 Бк/л [5,6], а его глобальный фон составляет 1-3 Бк/л [7].
Однако, для проектируемых термоядерных энергоустановок, тритий является как основой топливного цикла, так и продуктом, образующимся при ее работе. Используемое в технологическом цикле количество трития измеряется десятками килограмм с удельной активностью 3,59·1017 Бк/кг, что сопоставимо с его общим содержанием в природе. Следует упомянуть, что на 1970 год в мировом океане содержалось 250 кг трития, в континентальных водах – 45 кг, а в воздухе – 3 кг. Проведенный расчет, показывает, что аварийный выброс 10 кг трития в виде воды надолго заразит водоем-охладитель и все поверхностные воды окружающей местности. Для его разбавления до безопасного уровня необходимо 466 км3 воды, которые можно взять только в мировом океане.
В связи с этим возникает серьезная экологическая проблема тритиевой безопасности, изучению аспектов которой и посвящена данная работа. Такие экологические проблемы, как нарушение теплового режима региона, преобразование ландшафта и иные виды антропогенной нагрузки на окружающую среду достаточно хорошо изучены на примере эксплуатируемых АЭС. Однако проблема тритиевых загрязнений является абсолютно новой и требует совершенно новых подходов при проектировании технологических процессов в термоядерных установках, включающих методы удержания Т и защиту окружающей среды.
При рассмотрении ряда проектов и технологических схем термоядерных энергоустановок и изучению их максимального соответствия требованиям экологической безопасности, в качестве основы для дальнейших исследований был выбран проект инерциального термоядерного реактора. В результате проведенной работы, нами, для этого типа реакторов, была разработана технологическая схема топливного цикла, включающая решения по предотвращению утечки трития в окружающую среду, а так же аспекты географического расположения энергостанций, учитывающих способы минимизации последствий аварийных выбросов.
Являясь изотопом водорода, тритий обладает высокой проникающей способностью, что приводит к его значительной диффузии через уплотнения и металлические конструкции. Отсутствие учета этой особенности приводит к попаданию трития в окружающую среду. Для предотвращения этого, а так же последствий аварийных утечек, предлагается ряд принципиальных решений.
1. Для уменьшения последствий аварийных выбросов трития следует отказаться от водоема охладителя, используя для охлаждения проточную воду из устья рек, непосредственно перед их впадением в море. Это позволит избежать опасных уровней тритиевых загрязнений, за счет разбавления их большим объемом морской воды. Относительно небольшой период полураспада трития (Т1/2=12,34 года) позволит избежать его накопления в океане.
2. В качестве теплоносителя, предлагается использовать расплав Pb с Li в первом контуре теплообмена, расплава Pb во втором контуре, и водяного пара в третьем контуре, замкнутом на паровую турбину. Это обусловлено легкостью выделения трития из расплавов теплоносителя первого контура, непосредственно контактирующего с тритийсодержащим топливом, и второго контура, содержащего следы трития продиффундировавшего из первого контура через теплообменник. Последовательное увеличение давления в теплообменниках 1, 2 и 3 контуров препятствует попаданию трития в окружающую среду.
3. Установки по выделению трития из теплоносителя 1 и 2 контура, его очистке и повторного использования для снаряжения топливных элементов, должны находиться на станции, что снижает риск аварийной утечки трития при транспортировке.
4. Тритийсодержащие агрегаты станции должны располагаться в изолированных помещениях с защитной атмосферой из инертного газа с примесью дейтерия D2 и паров тяжелой воды D2О, из которой периодически выделяется дейтерий со следами трития. Присутствие D2 и D2О в защитной атмосфере необходимо для изотопного разбавления трития с целью его более полного извлечения, а их полного разделения не потребуется, т. к. и D и Т являются элементами используемого топлива.
5. Извлечения D и T из технологических вод станции осуществляется расположенными на ее территории установками по производству D, используемых также для удовлетворения потребности станции в дейтерии с разной степенью очистки от трития, что позволяет исключить необходимость подвоза D к станции.
6. Трубопроводы для транспортировки топливной смеси (D2+T2+DT) следует располагать коаксиально внутри трубопроводов для транспортировки дейтерия. Эта сборка, в свою очередь, помещена в трубопровод для перекачки отработанной защитной атмосферы, что способствует возврату продиффундировавшего через стенки трубопроводов трития в топливный цикл.
7. Для выделения и очистки D2, T2 и DТ из газовых смесей рекомендуется использовать гидридные аккумуляторы на основе сплавов U, Mg и редкоземельных элементов, которые при работе не производят побочных продуктов, т. к. циклы сорбции-десорбции в них основаны на изменении температуры.
8. Для охлаждения или нагрева оборудования и сред, контактирующих с тритием, не рекомендуется использовать теплообменники, через поверхность теплообмена которых тритий может попасть в объем теплоносителя. Для этой цели желательно применять электронагреватели или полупроводниковые охладители.
9. Для перекачки металлических расплавов рекомендуется применять электромагнитные насосы, не имеющие подвижных частей и сальниковых уплотнений, а также использовать электромагнитный принцип привода в исполнительных механизмах гидрозатворов на основе расплавов металлов.
Применение перечисленных принципиальных решений при проектировании термоядерных установок, позволит предотвратить утечки трития в атмосферу и загрязнение окружающей среды этим радиоизотопом в процессе их функционирования.
Литература.
1. , “Ядерные катастрофы, их последствия и перспективы развития ядерной энергетики”, ЦНИИатоминформ, 1992 г.
2. “Переработка ядерного топлива, хранение и использование энергетического и оружейного плутония”, Труды Международного семинара 14-16 декабря 1992 г. Москва.
3. Medical-biological and ecological impacts of radioactive contamination of the Techa River. Ed.:A. V.Akleyev, M. F.Kisselyov. Chelyabinsk, 2002.
4. Нормы радиационной безопасности-99.
5. 4-ая ежегодная научно-техническая конференция ядерного общества». Ядерная энергия и безопасность человека NE-93» 28 июня – 2 июля 1993г. Нижний Новгород. Рефераты конференции. ч.1 с.121-122. , , Бугаева обстановка на территории, прилегающей к Калининской АЭС, в 1991 – 1992 гг.
6. The problem of tritium release from nuclear power plants with VVER-1000 reactors. Scotnikova O, G., Kachanovsky A. E., Verzilow J. M., Ochkin A. V., Bugaeva L. G. Proceedings of International Symposium on Radiation Safety (ISRS-94). September 5-9, 1994. Moscow, Russia. P.93-101.
7. Химическая энциклопедия, т.5. М.:”БРЭ”, 1998, с.2-3.
