К чистоте гелия, который используется для охлаждения высокотемпературного реактора, предъявляются очень серьезные требования. Ведь даже небольшие примеси кислорода, водорода, водяного пара или углекислого газа способны повреждать защитную графитовую оболочку тепловыделяющего элемента – и со временем это может привести к утечке радиоактивных веществ.
Ученые Курчатовского института изучили эти процессы на экспериментальной установке и разработали ряд рекомендаций, предотвращающих возможное радиоактивное загрязнение. Материал о работе опубликован в журнале "Российские нанотехнологии".
Тепловыделяющие элементы для атомных реакторов спроектированы так, чтобы быть максимально безопасными. Ядерное топливо в их сердечнике находится в виде микросфер, окруженных графитом. Графитовая оболочка надежно изолирует плутоний или диоксид урана от окружающей среды.
Тем не менее, риск утечек существует: если в гелии, охлаждающем реактор, содержатся примеси, они могут вступать в реакцию с графитом. В графите при этом образуются микротрещины, через которые улетучиваются радиоактивные наночастицы.
С помощью экспериментальной установки, где неблагоприятные условия (примеси водяного пара, йода и кислорода) были созданы намеренно, ученые выяснили, при каких условиях формируется наибольшее количество наночастиц, определили их размеры и сравнительную опасность.
В ходе исследований выяснилось, что при штатных режимах работы утечки радиоактивных веществ крайне малы. Однако при аномальном увеличении концентрации водяного пара в потоке гелия ученым удалось получить заметное количество аэрозоля из наночастиц.
Анализ аэрозолей показал, что порядка 80% радиоактивности приходятся на самые мелкие частицы, размером от 2 до 500 нм. Поэтому для эффективной фильтрации необходимо улавливать именно эти "сверхмалые" элементы.
В ходе исследования выяснилось, что металлокерамические HEPA-фильтры, выпускаемые Уральским электрохимическим комбинатом, эффективно задерживают частицы самого опасного размера. При этом с течением времени качество фильтрации возрастает за счет эффекта автофильтрации частиц в порах осадка. Таким образом, фильтр способен защищать персонал АЭС от опасных наночастиц в воздухе в течение продолжительного времени.
"Эти эксперименты оказались весьма трудоемкими, — комментирует начальник Лаборатории гетерогенных процессов и сенсорных систем Курчатовского комплекса промышленной безопасности Александр Загнитько. — Но радует, что с радиоактивными аэрозолями при высокой температуре гелия можно бороться с помощью металлокерамических фильтров, произведенных по технологии, в разработке которой участвовал Курчатовский институт. Они были запатентованы в начале 1990 г. и сейчас применяются в ряде отраслей промышленности РФ и за рубежом. Примечательно, что когда из-за накопленных частиц сопротивление фильтра возрастает, его можно регенерировать с помощью продувки потоком гелия — эта технология освоена при промышленной переработке радиоактивных материалов. Также фильтры могут использоваться и для высокоэффективной очистки гелия при повышенной температуре, снижая вероятность распространения в контуре высокотемпературных ВТГР опасных радиоактивных аэрозолей".