Radionuklidy w układzie chłodzenia i w układach pomocniczych EJ z reaktorami PWR

Transkrypt

1 Energetyka Jądrowa, IFJ PAN, Kraków, 26 listopad2007 Radionuklidy w układzie chłodzenia i w układach pomocniczych EJ z reaktorami PWR Jerzy Narbutt Zakład Radiochemii, Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, Warszawa

2 Energetyczne reaktory jądrowe chłodzone wodą wrzące BWR jeden obieg chłodzenia ciśnieniowe PWR dwa obiegi chłodzenia: pierwotny i wtórny inne Eksploatacja EJ generuje różnorodne radionuklidy - głównie w paliwie jądrowym a także (w niewielkim stopniu) w układzie chłodzenia reaktorów (obieg pierwotny).

3 Paliwo jądrowe - związki uranu wzbogacone w 235 U Produkcja energii - rozszczepienie jąder 235 U neutronami termicznymi 235 U(n,f) 235-X-y FP1 + X FP2 + yn + energia 235-X-y FP1 i X FP2 produkty rozszczepienia, np. 85 Kr, 131 I, 133 Xe, 137 Cs Reakcje wtórne w chłodziwie reaktorów PWR 59 Co(n,γ) 60 Co (E γ = 1,17 i 1,33 MeV; T 1/2 = 5,3 lat) 59 Co produkt korozji; 60 Co produkt aktywacji neutronowej 6 Li(n,α) 3 H (E β = 18 kev; T 1/2 = 12,3 lat) 10 B(n,2α) 3 H (σ term 3,8 kb) inne Radionuklidy obserwowanew układzie chłodzenia: powstają w wyniku reakcji wtórnych; przedostają się z paliwa przez defekty koszulek prętów paliwowych.

4 W pomocniczych układach technologicznych EJ radionuklidy, które powstały w układzie chłodzenia (produkty aktywacji) lub przedostały się do niego z prętów paliwowych (produkty rozszczepienia), są: w niewielkim stopniu uwalniane do otoczenia, np. tryt, jod, gazy szlachetne; lub po oczyszczeniu zawierających je mediów i przeróbce chemicznej stają się zasadniczym składnikiem odpadów promieniotwórczych średnio-i niskoaktywnych.

5 Reaktor PWR Westinghouse, Ringhals

6 Chemia chłodziw obiegu pierwotnego reaktorów PWR Regulacja borowa sterowanie mocą reaktora stężeniem H 3 BO 3 wchłodziwie obiegu pierwotnego W wyniku reakcji jądrowej 10 B(n,2α) 3 H jądra izotopu bor-10 intensywnie (σ term 3,8 kb) pochłaniają neutrony termiczne (E n-term = 0,025 ev). Stężenie H 3 BO 3 wchłodziwie zmieniane w zakresie ppm B Regulacja ph chłodziwa 7 LiOH (PWR): [Li + ] = 0,2 2,2 ppmdo ph 300 = 7,4 lub KOH (VVER): [K + ] = 2 22 ppmdo ph 300 = 7,2 ±0,1 Optymalne ph (osadzanie się radioaktywnych produktów korozji) zależy od wyboru materiałów konstrukcyjnych (rozpuszczalność Fe 3 O 4 ). Minimalizacja stężenia agresywnych jonów (korozja): [Cl - ] < 0,2 0,05 ppm [F - ] < 0,1 ppm H 2 (2,2 4,5 ppm) reguluje stężenie agresywnego tlenu do [O 2 ] < 0,01 ppm

7 Wybrane pomocnicze układy technologiczne EJ z PWR Układ oczyszczania i regulacji chemicznej chłodziwa obiegu pierwotnego (CVCS) -by-pass obiegu pierwotnego: - filtry mechaniczne -usuwanie osadów radioaktywnych (crud); -wielofunkcyjne równoległe kolumny z żywicami jonowymiennymi (kationit, anionit, złoże mieszane): regulacja ph, regulacja stężenia kwasu borowego (termiczna), regulacja stężenia LiOH, usuwanie chlorków, usuwanie radionuklidów. Efektywność dekontaminacji: DF ~ Układ oczyszczania upustów chłodziwa Układ oczyszczania wody basenów wypalonego paliwa Układ oczyszczania ścieków podłogowych i innych ciekłych odpadów promieniotwórczych -kolumny jonitowe, instalacje membranowe, wyparki.

8 Najważniejsze radionuklidy w ciekłych odpadach z EJ Cr d Ru d Mn d Ag-110m 250 d Fe d Sb d Co d Sb-125 2,7 l Co-60 5,3 l I-131 8,1 d Zn d Cs-134 2,1 l Sr d Cs l Sr-90 19,9 l Ba d Zr d La h Nb d Ce d Tc l Ce d Zawartość: % 10-20% 5 10% 1 5% Główny wkład w pole promieniowania gamma w pobliżu obiegu pierwotnego (osady wewnątrz rurociągów)

9 Inne radionuklidyw chłodziwie PWR W chłodziwie obiegu pierwotnego mogą pojawiać się znikome ilości aktynowców (Np, Pu, Am, Cm) w wyniku uszkodzeń koszulek elementów paliwowych lub aktywacji śladów U na powierzchni elementów paliwowych, np. 238 U(n,γ) 239 U 239 Np., ale emitery α są toksyczne tylko przy skażeniach wewnętrznych. Porównanie równoważnej dawki spowodowanej wewnętrznym skażeniem ciała 1 Bq radionuklidu: Pu-239 α 140 μsv Cm-244 α 76 μsv Am-241 α 140 μsv Co-60 β+γ 0,06 μsv Cs-134 β+γ 0,013 μsv I-131 β 0,008 μsv H-3 β 0, μsv

10 Najważniejsze radionuklidy gazowe emitowane przez EJ Radioizotopy gazów szlachetnych Kr i Xe Stały monitoringpowietrza atmosferycznego: 85 Kr (β-γ; T 1/2 = 10 lat) przerób paliw jądrowych (np. wykrywanie nielegalnej produkcji plutonu), 133 Xe (β-γ; T 1/2 = 5,3 dni) eksploatacja EJ Radioizotopy jodu w związkach organicznych, np. CH I Tryt (HT i HTO) Stężenie trytu w chłodziwie PWR (I obieg) Bq/cm 3 Typowe wartości zrzutów trytu z EJ (PWR): gazowe ~ 1,5 TBq/(GWe y) wodne ~ 15 TBq/(GWe y)

11 Problem radiocezu Mała jest efektywność oczyszczania chłodziwa I obiegu PWR od długożyciowych 137 Cs i 134 Cs na zwykłych filtrach jonitowych. Żywice formaldehydo-fenolosulfonowe, selektywne na Cs +, dość dobrze pracują w roztworach zawierających jony Li +, ale całkowicie zawodzą przy niewielkich nawet stężeniach jonów K + (chłodziwo VVER) i umiarkowanych stężeniach Na + (np. ciekłe odpady). Wysokoselektywnena Cs + jonity nieorganiczne (np. żelazocyjanki metali przejściowych, fosforomolibdenian amonu i in. są zbyt kruche, by móc je stosować w skali technologicznej.

12 Problem radiocezu (cd.) W połowie lat 80. zespół IChTJ we współpracy z IFJ opracował nowego typu sorbenty, wysoce efektywne względem jonów cezu, t.zw. kompozytowe wymieniacze jonów i opatentował je w wielu krajach: J. Narbutt, B. Bartoś, A. Bilewicz, Z. Szeglowski: a) Sposób otrzymywania kompozytowych wymieniaczy jonowych, Patent PRL, Nr (1988); b) Method ofobtainingcompositeion exchangers, US Patent, No 4,755,322 (1988); c) Verfahren zurherstellungvon Komposit-Ioneaustauschen, Patent GDR, Nr A5 (1988); d-f) Patenty CSRS, Bułgarii i Węgier; g) Compositeion exchangerand method for preparingit, European Patent Nr B1 (1991) -RFN, Francja, Szwecja, Wielka Brytania i Włochy

13 Sproszkowany jonit nieorganiczny (żelazocyjanek tytanu) został trwale wbudowany w matrycę żywicy fenolosulfonowej w procesie syntezy jej kulistych ziaren: Ziarno (x200) i powierzchnia (x2500) ziarna sorbentu kompozytowego zawierającego 20% żelazocyjanku tytanu (IChTJ, 1985)

14 Problem radiocezu (cd.) Kompozytowy sorbent radiocezu, łączący wysoką selektywność jonitu nieorganicznego i dobre właściwości technologiczne żywicy (odporność mechaniczna, kuliste ziarna), przeszedł pomyślnie testy praktyczne w EJ Bohunice, EJ Lovissai EJ Kozłoduj. Opracowaliśmy technologię produkcji sorbentu w skali przemysłowej i wyprodukowaliśmy (ZA Kędzierzyn) serię półtechniczną (170 kg). Niestety, zaniechanie budowy EJ Żarnowiec uniemożliwiło realizację zatwierdzonego już projektu wdrożenia wynalazku.

15 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ