Исследование процесса изотопного обмена в системе вода-водород на экспериментальной установке ЭВИО (реакторная база ПИЯФ)

Обоснована актуальность совершенствования процесса изотопного обмена в системе вода-водород путем его детального экспериментального исследования на установке ЭВИО (реакторная база ПИЯФ РАН) для решения задачи детритизации воды (очистки воды от радиоактивного изотопа трития).
Рассмотрены принципиальная технологическая схема установки ЭВИО, состав входящего в установку оборудования и имеющийся набор необходимых для экспериментов измерительных приборов. Выявлены возможные диапазоны величин подаваемых в установку потоков и их концентраций, приведены погрешности измерения изотопных концентраций в воде и водороде при использовании имеющихся средств измерения в различных концентрационных диапазонах. Составлен перечень аттестованных методик измерения, а так же перечень имеющихся поверенных приборов. Выполнено планирование экспериментальных работ по изучению зависимостей ВЕП (и общего коэффициента массопередачи) от вида изотопа (протий, дейтерий и тритий), а также от условий проведения процесса изотопного обмена в системе вода-водород.
Определены основные направления модернизации установки ЭВИО и дооснащения её измерительными приборами. Выполнены маркетинговые исследования, подготовлены технические требования и объявлен тендер на закупку научных приборов и оборудования.
Выполненная работа удовлетворяет условиям государственного контракта, технического задания и календарного плана.

Выполнено экспериментальное изучение зависимости эффективности процесса обмена вода-водород от температуры при постоянном давлении при решении задачи детритизации тяжелой воды. Получены экспериментальные профили концентрации трития по высоте обменной колонны в четырех температурных режимах. Получена температурная зависимость ВЕП по тритию при разных давлениях. Проведено сравнение экспериментальных результатов с расчетами по ранее разработанной компьютерной модели процесса. Приобретены научные приборы и оборудование.

В соответствие с дополнительным соглашением от 23 июля 2007 г. № 1 к контракту № 02.518.11.7015 проведены работы по монтажу приобретенного в рамках контракта оборудования на установке ЭВИО. Смонтирован корриолисов расходомер жидкости фирмы Bronkhorst CORI-FLOW M53C2 с диапазоном измеряемых расходов - 0,7 - 6 кг/час и точностью измерения не хуже, чем 0,25%. Точное измерение потока питания воды в колонну изотопного обмена повысит эффективность работы установки.
Проведены пуско-наладочные работы на ИК - Фурье спектрометре NICOLET 380 для изотопного анализа тяжелой воды. Использование этого прибора позволит усовершенствовать методику анализа тяжелой воды на содержание дейтерия.
Выполненная работа удовлетворяет условиям дополнительного соглашения от 23 июля 2007г. № 1 к государственному контракту, государственного контракта, технического задания и календарного плана.

Показана перспективность использования процесса изотопного обмена в системе вода-водород для решения задачи детритизации тяжелой воды (очистки воды от радиоактивного изотопа трития) исследовательского реактора ПИК).
Проведена доработка компьютерной модели процесса изотопного обмена вода-водород (программа «ЭВИО-4»), давшая возможность визуального представления результата расчета с помощью диаграммы Мак-Кеба–Тиля (ZXY-диаграммы) и представления процесса в виде XY-диаграммы, соответствующей классическому двух поточному подходу с расчетом ВЕП и общего коэффициента массопередачи. Теоретически показано наличие зависимости высоты единицы переноса от вида изотопа в процессе изотопного обмена вода-водород.
Описана принципиальная технологическая схема установки ЭВИО, порядок проведения экспериментальных работ по изучению процесса изотопного обмена в системе вода-водород на установке ЭВИО.
Экспериментально исследованы разделительные характеристики обменной колонны в системах дейтерий-тритий и дейтерий-протий.
Приобретены научные приборы и оборудование.
Выполненная работа удовлетворяет условиям государственного контракта, технического задания и календарного плана.

Проведено теоретическое и экспериментальное исследование зависимости высоты единицы переноса (ВЕП) и общего коэффициента массопередачи от удельной нагрузки водорода. Получено экспериментальное подтверждение зависимостей, предсказываемых компьютерной моделью. Показано, что ВЕП зависит в значительной мере не только от условий (температура и дав-ление) и вида изотопа, но и от удельной нагрузки, что значительно усложняет возможность использования привычных характеристик колонных процессов массопередачи, ВЕП и Kya, в качестве надёжной меры общей эффективности процесса изотопного обмена в системе вода – водород.
Продемонстрирована высокая эффективность работы колонны изотоп-ного обмена. Показана возможность достижения высоких степеней очистки тяжёлой воды от трития (на 3 и более порядков) в сравнительно невысоких колоннах (общей высоты ~ 7 м), работающих при умеренных температурах (65-75?С) и давлении (150 – 180 кПа).
Сравнение с лучшими зарубежными результатами по детритизации тя-желой воды в установках на основе обмена вода-водород показывают, что полученные в нашей работе результаты, по крайней мере, не уступают лучшим мировым результатам.