《水处理系统》PPT课件.ppt

压水堆放射性水处理系统,循环净化冷却剂，保持规定的水质 处理堆排放的冷却剂并加以回收利用 处理放射性废液,冷却剂水质恶化的原因及后果,回路结构材料的腐蚀 大型压水堆主回路系统每天可产生数十克腐蚀产物, 腐蚀产物的积累不仅会恶化传热条件, 提高冷却剂及设备表面的辐射剂量, 甚至有可能造成堆芯燃料组件局部流道阻塞.,裂变产物从元件中逸出 使冷却剂的放射性水平大大提高, 对核电站的运行维护以及环境保护都十分不利.,中子反应的影响 例如10B (n,)反应可生成7Li , 7Li能逐渐改变冷却剂的pH值.,1 冷却剂循环净化系统,系统功能,减少反应堆冷却剂中裂变产物和腐蚀产物杂质的数量, 使主系统的放射性在允许水平.,保持冷却剂内合适的腐蚀抑制剂的浓度(pH值), 减少冷却剂对设备和管系的腐蚀.,调节冷却剂中硼浓度, 控制堆芯反应性.,系统工艺,在化学和容积控制系统中, 由反应堆高压回路引出的一股下泄流, 经再生和下泄热交换器冷却并降压后, 顺次通过前置过滤器、混合离子交换器和后过滤器, 经喷嘴雾化后喷入容积控制箱, 而后再经泵加压通过再生热交换器的被加热侧升温补入主回路.,前置过滤器去除冷却剂中悬浮腐蚀产物颗粒; 离子交换器去除可溶性裂变产物和腐蚀产物; 系统中设有并联的除锂离子交换器和除硼的离子交换器, 分别用于去除冷却剂中超限值的锂离子和硼酸离子.,后过滤器的作用是防止细碎树脂漏入主回路; 在容积控制箱中将净化流雾化的目的在于除去部分裂变气体。 一般净化流量为主回路流量的0.05-0.1, 对一座百万千瓦级的压水堆来说, 约在10-20吨/小时左右, 可使所有的冷却剂能在一天内得到一到两次净化.,系统组成及其各部性能,前置过滤器,前置过滤器置于锂-硼型混合树脂床之前的机械过滤器, 具有截获不溶性腐蚀产物和放射性物质的功能. 在水处理中常采用高温过滤器或电磁过滤器.,高温过滤器 用于高温过滤的设备是由抗腐蚀的惰性陶瓷材料所构成, 它们可有效地除去0.5微米的悬浮物质点, 水冷反应堆开发早期阶段, 采用多层不锈钢网过滤器.,目前采用高温磁性过滤器. 其特点是利用反应堆一、二回路系统冷却剂中的腐蚀产物85%以上是磁性的Fe3O4或含有Co, Ni, Cr的Fe3-xCOxO4固态悬浮物. 磁性过滤曾用过永久性磁铁. 但永久性磁铁的磁性会随着冷却剂温度的升高不断下降. 近年来对永久性磁铁的材料进行了很大改进以减少温度的影响. 但也有采用电磁过滤器. 内装直径为6毫米铁素体钢小球. 在直流电场下, 小钢球均成为小磁性体.,试验结果表明: 试验中如含有Fe3O4等悬浮物固体, 尺寸小于0.2微米, 浓度40 g/kg, 以30cm/sec流速流经过滤器, 过滤效率通常是97%, 有时高达99.5%, 如浓度为25 g/kg, 过滤效率下降到72%.,低温过滤器 目前广泛应用于压水反应堆处理系统的是低温(60)过滤器. 一般由不锈钢环, 不锈钢网或高分子聚合物有孔纤微板组成. 主要功能是除去以悬浮物固体和胶体形式存在于水中的腐蚀产物和粉碎的离子交换树脂微粒(化容系统净化器后过滤器).,锂型和硼酸型混合离子交换器,冷却剂中都加入硼酸作为反应性补偿控制手段, 同时还要加入一定量的pH控制剂(LiOH), 这就要求净化系统的离子交换树脂在吸附杂质的同时, 不改变冷却剂中硼和pH控制剂的含量. 因此，混合离子交换器必须采用硼酸型阴离子树脂和pH控制剂相应的阳离子交换树脂(如锂型阳离子树脂)混合组成. 实现去除冷却剂中的杂质如腐蚀产物和放射性物质.,运行经验表明, 此混合床对各种离子(除铯外)的交换作用都十分令人满意. 其中对腐蚀产物中的Ni2+, Cr2+, Fe2+以及I-的去污因子可达到数百以上. 但是,这种混合床对于Cs, Mo, Y和惰性气体等去除效果不理想.,综上所述, 锂硼酸型树脂能有效地去除冷却剂中大多数放射性核素, 但设计时考虑到辐照等原因, 树脂的工作交换容量宜取理论值的50%-70%, 净化效率以90%计(Cs, Mo, Y和惰性气体除外), 以留有充分的余地.,虽然, 混床对冷却剂总放射性的去除率并不高, 如对冷却剂放射性组分中的惰性气体的放射性水平, 但是, 在保持冷却剂的化学水质和减少活化腐蚀产物的累积方面效果显著. 在一回路净化系统中, 混床的使用周期很长, 更换树脂的原因常常不是因为饱和,而是由于表面剂量过大或树脂层压降过高所致, 施塔德电厂的混床连续运行了3年仍无需更换.,除锂离子交换器,冷却剂循环净化系统还备有两种离子交换器, 一种是H型阳离子树脂交换器, 另一种是OH-型阴离子交换器. 其主要功能在于维持合适的冷却剂水质.,在冷却剂中, 10B(n,)反应将生成7Li, 特别在堆芯运行初期, 7Li的生成量相当大, 需要适时地使净化流通过H+型阳树脂床, 以除去冷却剂中多余的7Li, 故常将其称为除锂离子交换器. 该离子交换器除了对锂有很好的吸附作用外, 还能吸附Li型和硼酸型混合离子交换器所不易吸附的Mo, Y, Cs等. 这些微量放射性元素的浓度远小于水中锂浓度, 所以最终该床吸附的元素主要仍是锂.,H+型树脂与7Li的交换反应为:,离子交换剂对溶液中不同离子具有不同的结合力,结合力的大小取决于离子交换剂的选择性. 离子交换剂的选择性用K表示:,如果反应溶液中H+等于Li+, 则KRLi/RH. 若K1, 即RLiRH, 表示离子交换剂对Li+的结合力大于H+; 若K=1, 即RLiRH, 表示离子交换剂对H+和Li+的结合力相同; 若K1, 即RLiRH, 表示离子交换剂对Li+的结合力小于H+.,选择系数KLiH约等于0.8. 若溶液中有硼酸存在, 则因pH值的变化将使反应向左移动. 但是, 当溶液硼浓度超过800ppm时, 它对pH值的影响已不显著, 树脂上的锂的释放也基本趋于稳定. 所以, 冷却剂中硼酸的存在对于除锂树脂性能影响并不大. 而且, 树脂对锂的交换容量也不受溶液锂浓度的影响.,除硼离子交换器,功用: 采用OH-型阴离子交换器去除冷却剂中硼酸. 随着反应堆的运行, 燃料的过剩反应性逐渐下降, 冷却剂中的硼也应随之逐渐稀释. 在换料周期的前半段时间, 当冷却剂中硼浓度较高时, 用注入清水的方法使之稀释. 而在后半段时间, 当硼酸浓度已较低时(小于l00ppm), 充水稀释将引起大量的冷却剂排放.此时, 启用OH-型除硼离子交换器以去除冷却剂中的硼酸, 更为经济合理.,为什么在冷却剂中硼浓度较高时不用树脂除硼?,在较高的硼浓度下树脂极易饱和, 再生树脂将产生大量难以处理的放射性再生废水. 如果将一次饱和了的树脂当作固体废物抛弃, 树脂的消耗量太大.,树脂不论是再生或者是直接抛弃, 吸附的硼酸都不能回收使用, 这将造成每年数十吨的硼酸消耗.,秦山核电 化容系统里的水净化装置,容积控制箱,功能：承担反应堆从冷态到热态零功率启动过程中的最大温升速率和从热态零功率到冷停堆过程中的最大降温速率所引起的水容积的变化.,变功率运行时, 承担负荷线性变化最大速率为5%满功率/分的约40%的水容积变化.,当下泄流被雾化喷入容积控制箱上部空间时, 其余部分裂变气体即会通过液滴表面扩散而出, 借此而被除去. 短半衰期的裂变气体在容积控制箱滞留过程中很快衰变了; 而对长期半衰期的核素(如85 Kr),喷雾除气的效果被气体重新溶解抵消了许多, 因此,喷雾除气对长半衰期裂变气体不明显.,2 反应堆排水处理与硼回收系统,2.1 反应堆排水的来源,反应堆的停闭和启动,停堆时, 特别是冷停堆时, 一定要使冷却剂硼浓度维持较高值, 以保证足够的反应性抑制量, 而在堆启动时, 则要将冷却剂硼浓度降低到临界所需数值. 反应堆的停闭和启动, 要求用改变硼浓度的方法来补偿反应性变化:,补偿多普勒效应引起的反应性变化;,补偿冷却剂(慢化剂)温度效应引起的反应性变化;,补偿中子吸收截面很高的裂变产物135Xe和149Sm引起的反应性变化;,由维持足够的停堆深度到堆启动所需反应性变化;,一般来说, 一个大型压水堆的冷停堆和启动要求冷却剂中溶解硼的反应性控制量在百分之几到百分之十几之间, 相应的硼浓度变化量为300-500mg/L.即在停堆时需要将冷却剂硼浓度提高300-500mg/L 而在启动时, 将硼浓度降低相应值(减硼).,通常用注入浓硼酸或清水的方法来加硼或减硼, 则向堆中注入多少量的浓硼酸溶液或清水, 相应地需要由堆中排出相同数量的冷却剂. 充水和排水并不是简单的容积置换, 而是一种注入-混合-排放过程. 由于主回路冷却剂循环量每小时达10万吨, 大大超过注水流量, 可以认为注入的水迅速与整个回路混匀, 排出的已是混匀了的冷却剂.,如果以C0表示注入溶液的硼浓度, C1表示冷却剂中的初始硼浓度, C2表示需要达到的硼浓度, 可导出如下关系式:,V-需要注入的清水或浓硼酸量; V0-主回路总水量, 米3. 停堆时，由于C0远远大于C1和C2, 故注水量(就相当于排放量)很小. 在启动时注入的清水(C0=0)量就大得多, 并且C1/C2的值越大, 需要充入和排出的水量越大.,例如：设V0=200米3, 冷却剂运行时的硼浓度为800mg/L, 停堆所需的硼浓度增值为400mg/L, 则停堆一次需注入C0=7000mg/L的浓硼酸约为14米3, 而启动时需注入清水80米3. 当冷却剂运行硼浓度为100mg/L, 停堆所需的硼浓度增值为300mg/L时, 冷停堆一次需要充入的浓硼酸和清水分别约为6米3和280米3.,这说明了为什么在冷却剂硼浓度较低时, 用充水法稀释将引起大量的堆水排放. 此外, 反应堆启动升温时, 由于水体积的膨胀, 也引起部分冷却剂的排放, 但其量很小.,补后备反应性的降低,随着反应堆的运行, 后备反应性逐渐降低, 需要不断降低冷却剂硼浓度. 在换料周期的前期, 当冷却剂硼浓度较高时, 需要降低冷却剂硼浓度必须采取排出部分冷却剂注入同体积的纯水来实现, 从而引起冷却剂的排放.,反应堆负荷变化,对负荷跟踪电站, 运行负荷随电网用电要求改变, 在用电高峰时满功率甚至超功率发电, 在用电低谷时低功率甚至停止发电. 现代压水堆电站的功率变化也用调节冷却剂的硼浓度来实现, 因而引起相应的排水, 如果功率变化很频繁, 由此引起的排水量是很可观的.,反应堆换料或检修排水,在反应堆换料或检修后, 都需要排出一定量的水. 显然其排水量与停堆检修的次数有关.,主回路系统的泄压、引漏,主回路超压时, 稳压器泄压阀开启, 将蒸汽排入泄压箱, 并为箱中积水冷凝、吸收, 最后排入堆排水贮槽. 由于辐射安全和环境保护的考虑, 主回路压力法兰以及泵阀的密封处都设有引漏装置, 以收集泄漏出来的冷却剂并送往堆排水贮槽.,可见, 负荷跟踪引起的排水量是很大的, 而基本负荷电站的排水量的就要少得多.,由堆中排出的冷却剂有很强的放射性, 未经严格处理是绝对不能向环境排放的. 经过处理的冷却剂,完全可以满足堆补给水的要求. 将堆排水处理后重新补回堆内, 既减少了对环境的污染, 又可使排出的水复用, 节省水资源.,出于冷却剂硼浓度控制的要求, 必须使复用补水的硼含量降低到允许程度. 因此, 堆排水系统除了处理之外, 还有一个硼水分离任务, 即生产合格的堆补给水和浓硼酸. 再生硼酸的浓度应符合堆浓硼酸贮存要求, 有的取4%, 有的取12%, 主要考虑到硼酸水溶液的结晶温度. 4硼酸的结晶温度为15,一般无需进行特殊加热保温, 但设备容量要大些. 12%硼酸的结晶温度为50, 为避免硼酸结晶, 需将所有的管道及设备的温度保持在50以上, 虽然比较麻烦, 但设备容积相对可以小些.,如年处理量为17200米3的堆排水, 平均硼浓度700mg/L(相应的硼酸浓度为4200mg/L), 每年可回收硼酸72吨. 通常把这个系统称为硼回收系统.,堆的排水是间歇式, 所以硼回收系统的运行也必然是间歇式的. 系统的时间负荷因子一般取30-50%,即系统仅有1/3或1/2的时间运行. 在堆排水量和系统运行时间负荷因子确定以后, 系统的处理能力亦随之而定. 一个100万千瓦负荷跟踪电站的硼回收系统的处理能力一般在6-8吨/小时, 基本负荷电站则要小些.,2.2 硼的回收系统,硼回收系统的功能,为堆排水提供足够的贮存容量；,去除堆排水中的放射性物质及其它杂质；,为堆的运行再生补给水和浓硼酸.,硼回收系统组成与各部功能,堆排水贮存和输送单元,净化单元,硼水分离单元,堆排水贮存和输送单元,包括堆排水贮槽和相应的泵组. 为保证反应堆排水顺畅, 并为本系统的运行保留足够的机动能力, 通常堆排水贮槽的容量取一回路冷却剂总体积的2.5倍以上. 这样的容量能够容纳任何条件下连续两次停堆启动的排水.,较大的贮存能力同时也可提供堆排水较长的放射性衰变时间, 对于去除短半衰期核素很有效. 贮槽采用氮封, 防止冷却剂中逸出的氢气和空气相混引起爆炸的可能性.,净化单元,组成: 由过滤器、离子交换器和脱气器构成, 分别去除堆排水中的不溶性颗粒杂质、可溶性离子杂质以及溶解气体.,净化: 本系统的原料水大部分己经冷却剂循环净化系统混合床离子交换器处理, 所以一般仅仅设置一组H+型阳树脂床, 用以去除Cs, Mo, Y等循环净化系统不易除去的核素以及pH添加剂的阳离子(Li+, K+, NH4+). 树脂床后过滤器是用以防止破碎树脂流出的. 为提高净化效果有的增设混合离子交换器.,除气: 在冷却剂放射性组份中, 裂变气体占90以上, 为使净化水的比放显著降低, 就必须相当彻底地除去这些气体, 因为即使将90裂变气体除去,其剩余比放仍然等于其它核素的比放之和. 所以, 除气效率必须达到103以上才能符合要求.,一般采用热力除气方法以达到深度除气的目的. 水流先经预热, 雾化喷入脱气器, 使大部分气体由水中释出. 随后使水流通过填料表面, 与本系统蒸发器产生的二次蒸汽逆流接触, 蒸汽将水中剩余的气体带出, 进入脱气冷凝器, 把蒸汽冷凝下来, 使不凝性气体进入废气系统.,在原料水贮存期间, 水中包含的氢和部分裂变气体逐渐释放到氮封气体中, 而氮气则溶解于水中, 并逐渐达到平衡. 当堆排水送去脱气时, 主要的溶解气体是氮气. 在常温常压下, 氮气在水中的溶解度为10-15毫升(标准状态)/升水, 脱气器的设计以此为基础. 除尽水中的不凝性气体, 利于其后的蒸发器、冷凝器的运行, 因为二次蒸汽中只要含有少量的不凝性气体, 即会显著降低冷凝器的传热系数.,硼水分离单元,组成：硼水分离是通过蒸发来实现的. 本单元由蒸发器、雾沫去除器、吸收塔、冷凝器以及冷却器构成.,流程：绝大部分堆排水在蒸发器中被转为二次蒸汽, 经雾沫去除器除去夹带的雾沫, 以及经吸收塔除去挥发硼后, 在冷凝器中凝结下来, 再经过冷却器冷却, 检测合格后送堆补给水箱贮存. 蒸发器釜底溶液浓缩到一定程度后, 经冷却过滤送往浓硼酸贮槽.,蒸发的目的在于硼、水分离. 蒸发后有两种产物:二次蒸汽冷凝液和浓硼酸, 最后都被重新补入回路,蒸发对去除冷却剂中的放射性无效. 硼回收系统对堆排水放射性的去除仅借助于净化单元的过滤、离子交换和脱气来完成. 这就是为什么硼回收系统与废液处理系统的工艺流程不同, 并把离子交换放在蒸发之前的道理.,既然蒸发以硼水分离为主要目的, 那么就希望二次蒸汽中挥发硼的含量越少越好, 所以蒸发单元除了一般的雾沫去除器之外, 还要加一个吸收塔以淋洗吸收挥发硼. 这样处理后的二次蒸汽冷凝液的硼浓度实际上降低到难以检测的水平. 必要时, 可以借助于一组附加的阴离子交换器或混合离子交换器,进一步去除凝结水中的残余硼, 即净化冷凝液.,硼回收蒸发器也可作为废液蒸发器使用. 事实上,为了控制冷却剂的氚浓度, 每年都要排掉数百吨蒸发冷凝液, 有时也要排掉部分不合格的浓硼酸, 蒸发器起了废液处理的作用, 必要时可以替换使用.,回收硼 硼酸的热再生,存在的问题：用硼酸进行反应性补偿控制的压水堆, 经常要循环往复地“加硼” 或“减硼”, 冷却剂循环净化系统和硼回收系统对硼酸的处理都有缺陷. 除硼离子交换器低温下很易除去水中的硼, 但被吸附了的硼很难回收使用; 如用清水将树脂上的硼洗下来, 得到的硼酸溶液浓度太低; 如用碱溶液再生树脂, 则从再生液中提取硼又是一个难题. 实际上, 硼酸一旦被吸附在硼床上即成了废物.蒸发法回收硼是有效的, 但成本很高, 特别是在排水硼浓度很低时, 蒸发大量的清水仅能回收数量很少的硼酸.,解决办法：从强碱型树脂对硼酸吸附的研究中发现, 树脂对硼酸的吸附有一个明显的特点: 吸附容量随温度而变, 在低温下的吸附容量高于高温下的吸附容量. 由此引出这样的设想: 用调节除硼离子交换器工作温度的办法来改变冷却剂的硼含量. 在需要“减硼”时, 降低循环净化流的温度, 使其通过阴树脂床, 这时硼被吸附, 水液中的硼浓度降低；在需要“加硼”时, 则提高水流的温度, 使其通过同一个阴树脂床, 这时硼由树脂上解吸下来, 水流中的硼浓度提高. 这种用改变通过离子交换器水流温度来调节硼浓度的方法, 叫硼酸的热再生法.,下泄流经过循环净化系统净化之后, 进入硼热再生系统, 水流温度在50左右. 如果冷却剂要“减硼”,打开阀门1, 水流经冷却器降温, 由上向下通过热再生阴离子交换器(硼热再生器), 其中部分硼被吸附.相反, 如果冷却剂需要“加硼”, 关闭阀门1, 开启阀门2, 温度为50的水流由下至上将硼热再生器的部分硼洗下来, 水流最后经容积控制箱重新补回堆中. 贮槽1, 2及阀门3, 4可机动用.,实际上, 因温度变化引起的树脂对硼酸的吸附容量的变化量有限, 如果冷却剂调硼全都采用硼热再生法, 则需设置很庞大的树脂床, 给堆的设计带来许多不便, 经济上也不合算. 比如, 为使34m3的冷却剂硼浓度发生100mg/L变化, 需硼热再生树脂8.5m3. 此外, 硼热再生法只适用于调节冷却剂硼浓度的缓慢变化. 因此硼热再生法不能完全替代充水或充浓硼酸的调硼方法.,合理的方法：采用充水与硼热再生综合调硼法. 在换料周期的前期仍沿用充水调硼方法, 此时充水法有效, 且排水不多. 在换料周期的后期, 启用硼热再生装置. 用硼热再生调节负荷跟踪电站的负荷变化是比较理想的. 西屋公司压水堆的标准设计已采用硼热再生系统, 该系统包括3个热交换器和4个容积为6.5米3的硼热再生树脂床, 主要用来调节负荷跟踪要求冷却剂硼浓度变化.,3 放射性废水处理系统,放射性废水概况与处理原则,放射性废水的来源: 在运行和检修过程中, 一回路各个系统不可避免地会产生相当数量的放射性废水,如放射性设备排放水, 泵、阀门的泄漏水, 放射性设备冲洗水, 实验室的下水和洗涤水, 乃至淋浴水、洗衣水, 以及一回路侧的高压放射性冷却剂进入二回路侧, 随着蒸汽和蒸汽发生器排污水散布到整个二回路系统等.,计算表明, 一个大型压水堆电站, 当主回路向二回路侧的泄漏率为每天75升时, 蒸汽发生器炉水的放射性水平可达到主回路冷却剂的十万分之一, 相应的汽轮机凝水的放射性水平可达到主回路冷却剂的千万分之一. 如果反应堆燃料包壳没有破损或破损率很低, 主回路冷却剂的放射性水平较低(3.7104Bq/L) , 二回路可以不必当作放射性废水处理, 而当燃料破损率较高时, 漏入二回路的放射性就不可忽视.,废水处理的目的: 废水处理的目的在于保护环境. 为此, 在废水处理系统中应该对废水的收集、贮存、净化以及检测排放具备充分有效的手段, 严格控制废水的排放渠道和比放, 保证符合标准. 美国规定瞬时最大排放浓度小于3.7Bq/L. 国际上对各种核设施的放射性排放提出了“尽可能少”的原则, 要求尽一切可能减少放射性的排放量.因此, 除了对排放水的比放加以限制外, 还应对放射性的年排放量作出规定. 例如, 美国规定每一个压水堆机组每年经由水中排出的放射性总量不得超过5居里(不包括氚)(18.51010Bq/L).,一回路废水处理,废水来源不一, 成分复杂, 不能采用一种处理方法, 必须按低、中、高放射性分级处理.,放射性较高的设备排水、取样废水和辅助设备泄漏水, 采用过滤、蒸发处理, 必要时. 将二次蒸汽冷凝液再经一次离子交换. 这样得到净化水的比放低于37Bq/L, 可以重新用