Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 8
1.1. Система вода-водород, краткая историческая справка 8
1.2. Изотопное равновесие 11
1.3. Гидрофобные катализаторы процесса изотопного обмена .. 14
1.4. Типы контактных устройств для осуществления многоступенчатого изотопного обмена и их массообменные характеристики 18
1.5 Использование изотопного обмена в системе вода-водород для решения задач разделения изотопов водорода 26
1.6 Выводы из литературного обзора 37
ГЛАВА 2. Определение гидродинамических и массо-обменных характеристик колонн изотопного обмена 39
2.1. Описание экспериментальной установки 39
2.2 Методика заполнения колонны катализатором и насадкой и условия проведения экспериментов 42
2.3. Методика проведения эксперимента 43
2.4. Методика проведения изотопного анализа 44
2.5. Методики обработки экспериментальных данных 45
2.6 Результаты экспериментов
2.6.1 Результаты гидродинамических исследований 50
2.6.2 Результаты исследований эффективности массообмена 53
ГЛАВА 3. Создание пилотной установки детритизации тяжеловодных отходов 57
3.1 Описание и разработка технологической схемы пилотной установки 57
3.2 Результаты эксплуатации пилотной установки 62
ГЛАВА 4 Разработка конвертора водорода на основе гидрофобного катализатора РХТУ-ЗСМ 65
4.1. Описание экспериментального стенда 65
4.2 Результаты испытаний конвертора 67
ГЛАВА 5. Детритизация тяжеловодного замедлителя реактора ЛФ-2 74
5.1 Результаты расчета основных параметров разделительной установки 74
5.2. Анализ изменения содержания трития в теплоносителе реактора ЛФ-2 в ходе работы разделительной установки ... 76
5.3 Результаты расчета установки детритизации тяжеловодных отходов 78
Заключение 84
Выводы 88
Список литературы
- Гидрофобные катализаторы процесса изотопного обмена
- Методика заполнения колонны катализатором и насадкой и условия проведения экспериментов
- Результаты эксплуатации пилотной установки
- Анализ изменения содержания трития в теплоносителе реактора ЛФ-2 в ходе работы разделительной установки
Введение к работе
Современное состояние ядерной промышленности и энергетики в России, как и во многих развитых странах, привело к появлению экологически значимой задачи очистки от трития водных и газовых потоков, образующихся как в основных технологических процессах, так и при переработке облученного ядерного топлива. Круг проблем, которые необходимо при этом решать, можно разбить на две группы: глубокая очистка тритийсодержащих потоков до уровня концентрации трития, соответствующего ПДК, и получение тритиевого концентрата вплоть до практически чистого газообразного трития. В РХТУ им.Д.И.Менделеева разработана концепция, позволяющая обе задачи решать совместно или независимо с использованием метода химического изотопного обмена между водородом и другим водородсодержащим веществом. К числу актуальнейших проблем первой категории относятся детритизация тяжеловодных отходов с целью получения кондиционной тяжелой воды, очистка от трития тяжеловодного замедлителя ядерных реакторов и ряд других.
Известно, что при эксплуатации тяжеловодных ядерных установок в тяжелой воде накапливаются легкий и тяжелый изотопы водорода - протий и тритий соответственно [1]. Появляющийся протий ухудшает ядерно-физические свойства тяжелой воды как замедлителя нейтронов, в то время как тритий, являющийся радиоактивным изотопом водорода, создает целый ряд технологических проблем и при большом сроке эксплуатации установки значительно ухудшает экологическую обстановку. Для поддержания нужных кондиций замедлителя по концентрации протия необходимо периодически проводить подпитку контура свежей тяжелой водой, что ведет к увеличению эксплуатационных затрат. Радикальным способом устранения указанных проблем является обеспечение установки системой изотопной очистки замедлителя. Опыт создания таких систем в мире имеется [2,3]. Используемая при этом технология представляет собой комбинацию каталитического изотопного обмена водорода с водой в паровой фазе для перевода изотопов из воды в водород с последующим разделением изотопной смеси методом низкотемпературной ректификации водорода. Таким образом, часть тяжелой воды ядерной установки в виде петлевого потока поступает с систему изотопной очистки, в которой извлекается нужное количество протия и трития и тем самым поддерживается необходимая кондиция замедлителя.
Используемая ныне технология изотопной очистки не лишена недостатков. Во-первых, изотопный обмен водорода с водой в паровой фазе требует дополнительных затрат для испарения воды и характеризуется трудностями организации противотока между водой и водородом. Последнее обстоятельство значительно ограничивает разделительную возможность этого узла системы изотопной очистки, поскольку противоток обменивающихся фаз является необходимым условием умножения однократного эффекта изотопного разделения и достижения больших степеней разделения [1]. Во-вторых, низкотемпературная ректификация водорода относится к весьма энергоемким и технологически взрывоопасным способам разделения изотопов водорода. Поэтому, в последнее время при рассмотрении подобных задач в мировой литературе предпочтение отдается более эффективной технологии разделения изотопов водорода -химическому изотопному обмену между водой и водородам на гидрофобных катализаторах [4,5]. Отличие технологии заключается в том, что изотопный обмен проводится между водородом и жидкой водой, а разделительная установка имеет в своем составе один (нижний) или два (нижний и верхний) узлы обращения потоков (СЕСЕ технология). Это позволяет в одной установке достигать больших степеней разделения, и, в случае, если извлечение трития из воды не должно сопровождаться его концентрированием вплоть до практически чистого трития, вообще не использовать для рассматриваемой задачи в системе изотопной очистки низкотемпературную ректификацию водорода.
В РХТУ им.Д.И.Менделеева разработан высокоактивный гидрофобный катализатор изотопного обмена между водородом и жидкой водой - РХТУ-ЗСМ. Удачный опыт применения этого катализатора в пилотных и полупромышленных установках концентрирования (депротизации) тяжеловодных отходов позволяет сделать оптимистичный прогноз и в случае разделения тритийсодержащих изотопных смесей. Спецификой детритизации тяжеловодного замедлителя и тяжеловодных отходов является высокая концентрация дейтерия в разделяемых смесях. В литературе практически отсутствуют данные по эффективности каталитического изотопного обмена между водородом и водой в присутствии гидрофобных катализаторов в тройных изотопных смесях при высокой концентрации дейтерия.
С учетом вышеизложенного целью настоящей работы является наработка банка данных, необходимых для разработки технологии детритизации некондиционной —тяжелой воды с использованием гидрофобного катализатора РХТУ-ЗСМ.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
• Получены данные по эффективности химического изотопного обмена между жидкой водой и водородом в колонне с послойной и смешанной засыпкой гидрофильной спирально-призматической насадки и гидрофобного катализатора РХТУ-ЗСМ в зависимости от различных параметров (температуры, потока водорода, соотношения потоков водорода и жидкой воды) для изотопных смесей протий -тритий (Н-Т) и протий - дейтерий (H-D), дейтерий - тритий (D). Показана зависимость величин ВЭТС от типа разделяемой смеси и концентрации изотопов.
• Изучены гидродинамические характеристики колонн изотопного обмена в зависимости от температуры, потока водорода, соотношения потоков водорода и жидкой воды. Определены значения предельной пропускной способности колонны изотопного обмена в зависимости температуры, потока водорода, соотношения потоков водорода и жидкой воды.
• Получены данные по эффективности работы гидрофобного катализатора РХТУ-ЗСМ в каталитическом конверторе водорода. Практическая значимость.
• Разработана технологическая схема пилотной установки для разделения тритийсодержащих смесей с высокой концентрацией дейтерия. Показана необходимость глубокой очистки электролитического кислорода от примеси электролитического водорода и влаги.
• Впервые в России на основе каталитического изотопного обмена между водородом и водой на гидрофобном катализаторе РХТУ-ЗСМ создана пилотная установка для очистки тяжеловодных отходов от трития. Показана высокая эффективность метода при очистке опытной партии тяжеловодных отходов с исходной концентрацией трития 1 10"
К и/л до уровня ПДК.
• Получены необходимые данные для проектирования промышленной установки изотопной очистки тяжеловодного замедлителя реактора «Людмила» на ФГУП «ПО МАЯК».
• Показаны целесообразность и преимущества использования в качестве верхнего узла обращения потоков (ВУОП) каталитического конвертора водорода катализатора. Предложена конструкция аппарата.
На защиту выносятся:
Закономерности массообмена между жидкой водой и водородом в зависимости от различных параметров для изотопных смесей протий -тритий (Н-Т), протий-дейтерий (H-D) и дейтерий - тритий (D).
Результаты, полученные при эксплуатации пилотной установки очистки тяжеловодных отходов от трития.
Результаты испытаний каталитического конвертора водорода на гидрофобном катализаторе РХТУ-ЗСМ.
Гидрофобные катализаторы процесса изотопного обмена
Впервые катализатор, подходящий для использования в реакции изотопного обмена водорода с жидкой водой, был получен в начале 70-х годов путем нанесения тонкого слоя силиконового полимера на промышленный гидрофильный катализатор Pt на AI2O3 [18]. Позднее в той же Канаде были разработаны другие катализаторы, обладающие гидрофобными свойствами, - Pt на пористом тефлоне и композитный катализатор Pt на угле в тефлоновой матрице (Pt-C-тефлон) [19, 20]. В табл. 1.3 сопоставлена относительная удельная активность этих катализаторов.
Как видно из приведенных данных, активность, например, катализатора Pt-C- тефлон более чем в 100 раз превышает активность негидрофобизированного катализатора.
Дальнейший прогресс в разработке платинового катализатора этого типа связан с поиском наилучшей технологии его приготовления. Процесс состоит из многих стадий (подготовка носителя, нанесение на его поверхность какого-либо соединения платины, восстановление платины, способ приготовления композита и пр.), изменение условий проведения каждой из которых сильно влияет на активность катализатора и на эффективность его использования в разделительных установках. Отработка оптимальной технологии получения катализатора проводилась в Бельгии [21-23], Румынии [24-26] и Индии [27]. Таким образом, собственным катализатором этого типа владеют Канада, Бельгия, Индия и Румыния.
Катализатор другого типа разработан в Японии и России (РХТУ им.Д.И.Менделеева). В качестве носителя Pt для него используются сополимеры стирола с дивинилбензолом (СДВБ) [28-30]. В ряде работ было показано, что он обладает большей каталитической активностью, чем катализатор Pt-C-тефлон [25, 31].
Следует упомянуть исследования, направленные на получение катализаторов, содержащих в качестве активного элемента металлы иные, нежели платина (родий, палладий, никель) [32-35]. Эти работы, однако, не привели к получению катализатора, способного конкурировать с платиновым. В частности, показано, что катализатор на основе никеля обладает удельной каталитической активностью на два порядка величины меньшей, чем на основе платины [35].
Таким образом, можно констатировать, что в мире существуют два типа гидрофобных катализаторов процесса изотопного обмена в системе жидкая вода - водород, пригодные для практического использования, а именно: Pt-C-тефлон и Pt-СДВБ.
Известно большое количество работ, посвященных исследованию влияния на наблюдаемую активность катализатора температуры и давления (см., например, [17, 36-48]). Отметим, что полученные авторами этих работ зависимости в большинстве случаев количественно отличаются друг от друга, хотя их характер одинаков для катализаторов обоих типов. Возникающие различия связаны с тем, что исследуемые катализаторы являются пористыми и большая часть активной платины сосредоточена во внутренних порах. Это означает, что даже при проведении исследования активности катализатора в условиях реакции (1.2) (изотопный обмен водорода с парами воды) измеряемая величина является функцией эффективности двух процессов - собственно каталитической реакции изотопного обмена и диффузии реагентов из пор катализатора в ядро парогазового потока и наоборот. При этом изменение условий (температуры и давления), а также активности катализатора в стандартных условиях, которая может изменяться за счет, например, различного содержания платины на носителе, по разному влияет на эффективность каждого из них. К тому же, изменение только температуры или только давления приводит к изменению соотношения между парциальными давлениями самих реагентов — паров воды и водорода, что в свою очередь влияет на эффективность суммарного процесса. Еще более усложняется интерпретация экспериментальных данных в случае, когда исследование проводится в условиях противотока жидкой воды и водорода, когда на измеряемую величину оказывает влияние еще один процесс - фазовый изотопный обмен между парами воды и жидкой водой (реакция 1.3). Тем не менее, из исследований, проведенных с использованием катализаторов с высокой активностью, можно выявить некоторые общие закономерности.
В температурной зависимости эффективности процесса обмена (в качестве измеряемого параметра чаще всего используют объемный коэффициент массопередачи Koyv, м Нг/м с) в диапазоне температур 293-360К прослеживаются две области, в которых величина наблюдаемой энергии активации изменяется от более чем 25 кДж/моль (диапазон температур 293-333 К) до 1-5 кДж/моль (температуры 323-360К) [36-38, 45]. В [39] в области высоких температур наблюдалась даже отрицательная температурная зависимость Koyv. Такой характер зависимости объясняется уже отмеченными выше причинами, и, в первую очередь, изменением вклада химической и диффузионной составляющих в эффективность процесса и влиянием соотношения между парциальными давлениями паров воды (Ршо) и водорода (Рц2). В качестве примера ниже приводятся полученные авторами зависимости Koyv от температуры при постоянной величине Ь=РН2о/Рн2 и, наоборот, от h при постоянной температуре [17]. Измерения проводили в условиях прямотока паров воды и водорода, проходящих через слой катализатора (реакция 1.2).
Методика заполнения колонны катализатором и насадкой и условия проведения экспериментов
Перед проведением экспериментов колонну продували в течение 5-10 минут потоком инертного газа, в конце продувки подавали в колонну поток воды, поток инертного газа перекрывали и в колонну подавали поток водорода.
В экспериментах по исследованию гидродинамики после установления необходимого режима (температура, поток водорода, соотношение потоков) следили за изменением гидравлического сопротивления колонны АР (поз. 19 на рис.2.1) до тех пор, пока его величина не переставала изменяться, после чего изменяли один из параметров режима и измерение повторяли. В случаях, если в исследуемых условиях происходило захлебывание колонны, наблюдаемое визуально по непрерывному накоплению жидкости в колонне и быстрому увеличению гидравлического сопротивления, величину потока водорода значительно уменьшали, дожидались слива накопившейся в колонне воды и затем переходили к следующему режиму измерений.
Для проведения массообменных экспериментов для изотопных смесей H-D и Н-Т были выбраны следующие условия. В колонну подавали воду, содержащую тритий на уровне микроконцентраций (около2 10"3Ки/л) и дейтерий на уровне 10 ат.%, и водород природного изотопного состава, полученный при электролизе воды. Через 1-1,5 ч после установления необходимого режима проведения конкретного эксперимента проводили отбор и анализ изотопного состава проб воды: поступающей в колонну изотопного обмена, выходящей из нее, выходящей из горелки 10 и возвращающейся в колонну из холодильника 8. Отбор проб продолжали с периодичностью 0,8-1 ч до тех пор, пока их изотопный состав в пределах точности анализа не переставал изменяться. Полученные результаты использовали для расчета ВЭТС.
В экспериментах в области высоких концентраций дейтерия концентрацию трития в газе на входе в колонну (YT HH3) при известной ее величине в подвергаемой электролизу воде определяли исходя из предварительно найденного коэффициента разделения ат,э при электролизе. Для этого образующийся при электролизе воды определенного изотопного состава (ХТ)Э) водород минуя колонну направляли в горелку и определяли концентрацию трития в образующейся воде (YT 3 = YT IIH3). При этом ат,э = XT,:/YT 3. Определенное в этих условиях значение а.т,э=1,75. Изменение соотношения мольных потоков водорода и воды (к = GH2/LH2O) осуществляли за счет изменения потока воды при неизменном потоке газа. Выполнение всех этих условий позволило нам определять ЧТСР с относительной погрешностью, не превышающей 10%.
Эксперименты проведены при концентрации дейтерия в воде больше 98,5 ат.%. В этих условиях в пределах точности эксперимента значение ат определяется только температурой. Концентрация трития в воде лежала в пределах 0,01-1 мКи/л.
В составе стенда использовали электролизер с твердым полимерным электролитом. Все эксперименты проведены при потоке водорода 500 нл/ч,. 2.4. Методика проведения изотопного анализа
Изотопный анализ проб воды на содержание трития проводили сцинтилляционным методом [2] на приборе СЖС-04к (разработка Института молекулярной генетики РАН). Для измерения использовали 0,5 см3 пробы и 8 см3 сцинтиллятора на основе диоксана (ЖС-8) [3]. Время измерения выбирали таким образом, чтобы общий счет составлял (50-60).103 импульсов, что, с учетом погрешности в приготовлении измеряемой пробы, соответствует относительной погрешности измерения 2-3%. Предварительно было определено, что эффективность счета на приборе СЖС-04к лежит в диапазоне 8-12%.
В некоторых экспериментах нами при определении ВЭТС использовали исходную воду, содержащую дейтерий на уровне концентрации 7-8 ат.%. Изотопный анализ воды на содержание дейтерия проводили методом атомной эмиссионной спектроскопии по интенсивности На-линии серии Бальмера [4] на дифракционном спектрофотометре ДФС-8. Погрешность определения концентрации дейтерия зависит от уровня его концентрации и изменяется от 5 отн.% при концентрации дейтерия на уровне 1-1,5 ат.% до 3 отн.% при концентрации 6-8 ат.%.
Результаты эксплуатации пилотной установки
Первый запуск установки проводили в режиме, обеспечивающем максимально быстрый вывод из установки протия (перед этим запуском электролизер был заполнен дистиллированной водой, поэтому, несмотря на то, что эта вода была слита, значительное количество протия осталось в застойных зонах электролизера и в твердом полимерном электролите). Поэтому, в этом запуске сразу после установления определенного профиля изотопных концентраций по высоте колонны (около 5 час) в колонну было подано питание исходным сырьем в количестве 0,080 л/час и равное количество воды выводили с отвалом (поток Р). Динамика изменения концентраций дейтерия и трития в этот период представлена в таблице 3.1. Из данных таблицы видно, что через 23 час после подачи сырья основное количество протия из установки было выведено (некоторое превышение концентрации трития к концу этого периода над максимально допустимым (3,2 мкКи/л) объясняется тем, что для ускорения вывода протия поток сырья, подаваемый в этот период в колонну, превышал расчетный. Поэтому установка была переведена в расчетный режим (величина потока сырья 0,065 л/час, поток отвала - 0,057-0,058 л/час), и через 3-4 час работы в установке установился следующий концентрационный режим: поток тритиевого концентрата (поток Р) - [D] = 99,96-99,97 ат.%, [Т]= 8-10 мКи/л поток детритированного продукта (поток В) - [D] = 88-89 ат.%, [Т]= 2,2-2,5 мкКи/л. На Рис.3.3 приведены профили концентраций дейтерия и трития в жидкости по высоте разделительной колонны.
Видно, что практически во всей колонне, за исключением верхней царги устанавливается концентрация дейтерия значительно выше концентрации питающего потока ( 99%ат.), хотя концентрирующей является лишь одна царга 4. Это объясняется тем, что величина питающего потока составляет незначительную долю ( 20%) от суммарного потока жидкости, протекающего через концентрирующую царгу 4. Таким образом, очистка от трития в основном определяется коэффициентом разделения и эффективностью массообмена изотопной смеси D. Расчет ЧТСР в установке по приведенному профилю концентрации трития при величине относительного отбора 6 = 0,41 дает величину равную 35. С учетом наличия шести царг в исчерпывающей части установки и высоте разделительного слоя в каждой царге «140 см. получаем значение ВЭТС«24 см., что хорошо согласуется с результатами, приведенными в предыдущем разделе.
В процессе опытной эксплуатации на установке было переработано 17 литров тяжеловодных отходов ([D2O]«90%, [Т] 2,5 мКи/л.), было получено 15 литров очищенного от трития полупродукта с концентрацией трития 2,5 мкКи/л, дальнейшая переработка которого позволила получить кондиционную тяжелую воду: [D20] 99,9%, [Т] 2,5 мкКи/л.
Важнейшими элементами любой противоточной разделительной установки являются узлы обращения потоков. В случае системы вода-водород надежность и безопасность эксплуатации ВУОП во многом определяют ее практическую приемлемость. Использование пламенной горелки в качестве ВУОП является самым простым и в то же время не самым безопасным решением. Каталитические конверторы водорода на основе гидрофильных катализаторов характеризуются большей безопасностью по сравнению с пламенной горелкой, но также обладают рядом недостатков. Так высокая температура процесса «горения» (800-900С ) предъявляет высокие требования к конструкционным материалам, из которых изготовлен аппарат. Возможность «замокання» катализатора осложняет эксплуатацию и снижают надежность аппарата в целом.
При разработке более безопасного каталитического конвертора водорода реализовывалась идея окисления водорода кислородом на гидрофобном катализаторе с одновременным снятием теплоты реакции за счет прямого контакта воды с реакционным объемом. Ранее эта идея описывалась в [109].
На рис. 4.1 приведена принципиальная схема экспериментального стенда для испытания каталитического конвертора водорода.
Водород в конвертор подавали из электролизера 2, образующаяся при окислении водорода вода через гидрозатвор 3 стекала в накопительную емкость 4 и с помощью насоса 7 подавалась в конвертор, предварительно проходя через охлаждаемый внешней водой теплообменник 6. Патрубок 5 предназначен для сброса избыточных газов. Стехиометрическое количество кислорода в аппарат подавали из того же электролизера. Кроме того, избыточное количество кислорода подавали от внешнего источника.
Анализ изменения содержания трития в теплоносителе реактора ЛФ-2 в ходе работы разделительной установки
Число теоретических ступеней разделения (ЧТСР) в исчерпывающей и концентрирующей частях установки рассчитываем по следующим уравнениям: NH = In [Ки(1-0)]/1п(ат A,) = ln(16700,2)/ln(l,47/l,3440) = 65 NK = ln[(KK- 0)/(1- )]/1п ат = ln(19,2/0,2)/lnl,47 = 12 . Полученные величины позволяют определить основные размеры разделительной части колонны изотопного обмена. Диаметр колонны (d) и площадь ее сечения (SK0.i) определим, задаваясь линейной скоростью водорода в полном сечении колонны шлин =0,25 м/с . Тогда: SK(W = Gm/ (3600 Ьпии) = 2,1/(36000,25) = 0,00233 м2 и dK(W1 = 5,5 см При высоте, эквивалентной теоретической ступени разделения (h3), 0,25 м высота разделительной части колонны составит Н = (NH + NK) lb = (65+12)0,3 = 20,3 м , а ее объем V= SK0.vH = 20,3 0,00233 = 0,047 м3.
Для заполнения такой колонны смесью катализатора и насадки в объемном соотношении 1:4 потребуется катализатора - 1,2 (47/5) = 11,3 л (1,2 - коэффициент запаса), насадки-45,2 л.
Для оценки времени вывода установки детритизации в режим отбора продукта важным параметром является количество воды, находящейся во всех узлах данной установки разделения. Поскольку при запуске установки первоначально во всех ее объемах будет находиться вода с изотопным составом, соответствующим составу сырья, в пусковой период должен установиться профиль изотопных концентраций по высоте колонны, причем ниже точки подачи исходного сырья концентрация тяжелого изотопа будет увеличиваться, а выше нее - уменьшаться. Отбор продуктов может быть начат, когда концентрация целевого изотопа в потоке воды по колонне достигнет заданной величины. Время для достижения этого условия зависит от объема жидкости в колонне и узлах обращения потоков.
Из данных, полученных при эксплуатации пилотной разделительной установки следует, что в динамическом режиме (установка запущена и в ней установились требуемые величины потоков воды и водорода) при линейной скорости водорода в сечении колонны 0,25м/с задержка воды в колонне диаметром 45 мм и с высотой разделительного слоя 1,5 м составляет около 240 см3. Отсюда следует, что удельная задержка смешанного слоя катализатора и насадки равна 100 см воды на 1 л внутреннего объема колонны. Это означает, что в колонне детритизации, диаметр которой составляет 55 мм, задержка воды в расчете на одну теоретическую ступень разделения при значении ВЭТС=0,25 м составит АН= 60 см3.
Оценку периода накопления в концентрирующей части установки детритизации можно провести с использованием модифицированного уравнения Бобкова-Жаворонкова [13]: то=[«от /(аот -1)]{AH/L [ xOTW -l)/(aDT -1) - n] + ЛЬУЬ (aDTn -0,-1)}. (5.4) В уравнении (5.4): То — время релаксации (время, необходимое для достижения стационарного состояния колонны при условии постоянства переноса, равного начальному переносу jo), аот - коэффициент разделения в системе дейтерий-тритий, принятый при расчете установки детритизации равным 1,55, АН — задержка воды в расчете на одну теоретическую ступень разделения, АН=60 73 см (см. выше) или при удельном весе тяжелой воды 1,1 г/см 0,066 кг, L - поток воды по колонне в безотборном режиме, L=GH2. При расчетном потоке водорода 2,1 нм3/ч , поток L= 1,88 кг/ч, п - число теоретических ступеней разделения в концентрирующей части колонны изотопного обмена, п= 12, АНЭ — задержка в электролизере. Принимаем эту величину равной 90 л или 99 кг, аэ - коэффициент разделения в электролизере, аэ= 1,3.
Последний член этого уравнения, соответствующий накоплению трития в электролизере, имеет отличие от классического выражения уравнения Бобкова-Жаворонкова, записанного для НУОП, не имеющего в процессе превращения потоков изотопного эффекта. Наличие изотопного эффекта при электролизе учитывается сомножителем аэ.
Расчет по уравнению (5.4) приводит к величине то= 21670 час. Оценку периода накопления т. можно провести по следующему уравнению [1]: т=то 1п[1/(1-ф)], (5.5) где ф - степень приближения к стационарному состоянию, причем 1- (р = 0 (-относительный отбор, принятый при расчете установки детритизации равным 0,8). Отсюда следует, что т= 4876 часов или более полугода.
Отметим при этом, что вклад в эту величину времени накопления трития в электролизере составляет более 99,8%, в то время как времени накопления в концентрирующей тритий части колонны - всего 0,18%. Учитывая, что целевой продукт этой установки - детритированная вода — будет отбираться из верхнего узла обращения потоков, на практике это означает, что через примерно 1,5-2 суток после запуска установки из нее можно будет начать отбор продукта. Режим работы установки при этом будет следующим: после установления технологических параметров работы установки в безотборном режиме в нее следует подать поток сырья и равный ему поток продукта отбирать из верхнего узла обращения потоков. Тритий при этом будет накапливаться в электролизере и в течение всего периода накопления отбора концентрата из электролизера проводить не следует. После достижения установкой стационарного состояния ее следует переводить в режим отбора и продукта и концентрата трития в соответствии с их величинами, приведенными выше.
В заключение следует отметить, что если количество электролита в электролизере будет увеличено до 300 л (величина, характерная для типовых электролизеров), то период накопления пропорционально увеличится.
Однако с точки зрения отбора детритированного продукта ситуация останется аналогичной вышеизложенной. Поэтому величина задержки в электролизере для установки детритизации не является принципиально важной.
