Gáztsztító rendszerben üzemelı adszorber retencó mérés módszerének továbbfejlesztése a Paks Atomerımőben Egemann Gábor 1, Gmes Ottó 2, Zslle Ottó 2, Vncze Árpád 3, Solymos József 4 1 Paks Atomerımő Zrt, 2 Somos Kft, 3 Országos Atomenerga Hvatal 4 Zríny Mklós Nemzetvédelm Egyetem Abstract There are radoactve consttuents of hgh volatlty comng nto the prmary crcut coolant from fuel elements n a nuclear power plant. They are usually appear n the ar of the confnement and are fltered by nuclear power plant gas purfer systems before releasng nto envronment. For the retenton of noble gas sotopes the gas mxture s dred and passed through the adsorber flters where ther actvty decreases n accordance wth ther half lfe. The requrement for the charge of the adsorbers s to provde an approprate retenton tme for the ndvdual noble gas sotopes. For the n-stu testng of these adsorbers, a procedure has been elaborated the essence of whch s that sotope selectve actvty concentraton of radoactve noble gases s contnuously measured at the nlet and outlet of the adsorber. Knowng the mass of the charge, t s possble to calculate the current dynamc adsorpton factors from the corrected retenton tme. Wth ths method however, due to the short operaton tme of flter branches, we can not measure the retenton tme of Xe-135. In ths paper the development of a new procedure for the testng of the adsorber, usng samplng nozzles of the flter contaners, shall be descrbed. For the retenton measurement samples are taken from each contaner va samplng nozzles n order to measure sotopes Ar-41, Kr-85m and Xe-135. Keywords: purfer system, adsorber, retenton, qualfcaton, method, noble gas, sotope Kvonat Az atomerımőv gáztsztító rendszerek feladata, hogy a főtıelemekbıl a prmerkör hıhordozóba kerülı llékony radoaktív komponenseket a kéménykbocsátás elıtt kszőrje, lletve a kbocsátott légszennyezık aktvtás-koncentrácóját a lehetı legalacsonyabb szntre csökkentse. Ez a gázelegy nagy hatásfokú szárítást követıen az adszorberen halad keresztül, ahol végbemegy a nemesgázok részleges vsszatartása, mközben az aktvtás az alkotók felezés dejének megfelelıen csökken. Az adszorberek töltetével szemben elvárás a megfelelı retencós dı bztosítása. A szőrıágak helyszín mnısítésére, azaz retencós tulajdonságának vzsgálatára eljárást került kdolgozásra, amelynek lényege, hogy a szőrıág be- és kmenetén folyamatosan mérjük a radoaktív nemesgázok zotóp szelektív aktvtáskoncentrácóját. A korrgált retencós dıbıl a töltet tömegének smeretében kszámíthatjuk az aktuáls dnamkus adszorpcós tényezıket. Ezzel az eljárással a szőrıágak rövd üzemdeje matt nem tudjuk mérn a Xe-135 zotóp retencó dejét. A ckkben beszámolunk a módszer továbbfejlesztésérıl, amelyhez felhasználtuk a szőrı tartályok mntavétel csonkjat. A retencó méréséhez az egyes szőrı tartályokat a mntavétel csonkokon keresztül mntáztuk az Ar-41, Kr-85m és a Xe-135 zotópok mérése érdekében. Kulcsszavak: gáztsztító, adszorber, retencó, mnısítés, eljárás, nemesgáz, zotóp I. BEVEZETÉS Az atomerımőv gáztsztító rendszerek feladata, hogy a főtıelemekbıl a prmerkör hıhordozóba kerülı llékony radoaktív komponenseket a kéménykbocsátás elıtt kszőrje, lletve a kbocsátott légszennyezık aktvtás-koncentrácóját a lehetı legalacsonyabb szntre csökkentse. Az llékony radoaktív komponensek eltávolítása céljából a hıhordozót kgázosítják, amkor a I2, HI, Ar, Kr, Xe, H 2,O 2 -t elkülönítk. Ez a gázelegy megfelelı elıkészítést követıen kerül a kataltkus hdrogénégetıbe, majd a nagyhatásfokú szárítást követıen az aktív szenet tartalmazó szőrıágon halad keresztül, ahol végbemegy a nemesgázok részleges vsszatartása, mközben az aktvtás az alkotók felezés dejének megfelelıen csökken [4]. Az adszorberek töltetével szemben elvárás a megfelelı retencós dı bztosítása, amely nagy fajlagos felülettel ( 1000 m 2 /g) és megfelelı pórusmérettel (0-2 µm) bztosítható. Elvárás továbbá az áramló gázzal szemben mnmáls ellenállás, valamnt a stabl szőrıágy bztosítása. http://www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem 1
A fent követelményeket a retencós szőrıkben alkalmazott, mkropórust nagy részarányban tartalmazó SZKT-3 típusú aktív szén kelégít. Mvel a mkropórusok könnyen elzáródnak az átáramló gázban lévı fnom aeroszol részecskéktıl, valamnt a magas nedvesség tartalom okozta páralecsapódás következtében, a retencós szőrıket megfelelı technológával védk [1]. A retencós szőrık nemesgáz vsszatartó képességét a reaktor normál üzeme deje alatt, erre a feladatra kdolgozott és az alábbakban smertetett technológa segítségével mérjük. Az említett technológa alkalmas a szőrıágak be- és kmenetén mérn az Ar és Kr zotópok aktvtását és az ágak ezen zotópokra specfkus retencós paraméteret Mvel azonban a Xe retencós deje túl nagy az ágak üzemdejéhez képest, annak mérése megkövetelte az eredet mérés technológa továbbfejlesztését, amrıl az alábbakban számolunk be. II. A RETENCIÓ MÉRÉSÉNEK EREDETI MÓDSZERE A. A retencó mérésére kfejlesztett folyamatos mérırendszer Az általunk korábban kdolgozott mérés módszer lényege az egyes nemesgázzotópok aktvtáskoncentrácójának folyamatos montorozása az adszorber bemenetén és kmenetén [2, 3]. Ezt félvezetı detektoros gamma spektroszkópás mérırendszerekkel oldottuk meg. A méréshez a szőrıágat terheletlen állapotból ndítjuk, így lehetséges az egyes zotópokra a retencós dı kmérése. B. Az eljárás elve Az adott ág k- ll. bemenetén mért spektrumok megfelelı kértékelésével kapjuk az egyes nemesgázzotópokhoz tartozó aktvtás értékeket, jelöljük ezt az zotóp esetében A m -el. A mntatartó edény térfogata legyen V. Egy cklusdı alatt mért aktvtás-koncentrácó az zotópra nézve: A m a = (1) V Ez az aktvtás-koncentrácó érték megegyezk az adszorberre kerülı levegıben az zotóp aktvtáskoncentrácójával, tekntettel arra, hogy a kérdéses zotópok gázok, így a mntavételezéskor esetlegesen fellépı fajtázódástól elteknthetünk. Az adszorberre dıegység alatt jutó zotóp aktvtását (A ) az adszorberre jutó levegı térfogatáramának (F be ) smeretében az aktvtás-koncentrácóból egyszerően számíthatjuk: A = a * F be (2) Az adszorberrıl dıegység alatt lejövı aktvtás értéket (A k ) hasonlóan számíthatjuk a kmenet spektrumok kértékelésével. Az rodalom [5] alapján az adszorbernek egy adott zotópra vonatkozó maxmáls retencós deje ( t max ) az az dıtartam, am alatt az adszorber bemenetére kerülı zotóp - szlárd-gáz adszorpcós/deszorpcós dnamkus egyensúlyok által vsszatartva - a kmeneten megjelenk. Ha ábrázoljuk az A k értékét az dıben, akkor elméletleg egy határértékhez smuló görbét kapunk, ha a bemenet térfogatáram állandó. Regenerált adszorber ág esetében az ndulás dıpontjától e határérték eléréség eltelt dı megadja t max értékét. Ez az érték fordítottan arányos az ág terhelésével. A fent egyszerő számítás csak akkor engedhetı meg, ha a terhelés a vzsgálat deje alatt gyakorlatlag állandó sznten van. Az így mérhetı maxmáls retencós dı az adszorber ág technka mnısítése szempontjából az egyk legfontosabb paraméter. Az deálsan mőködı adszorber esetében ennek az dınek akkorának kellene lenn, hogy ez alatt az zotóp gyakorlatlag teljesen elbomoljon. A maxmáls retencós dık kmérésével meghatározhatjuk az adszorber ág zotópspecfkus dnamkus adszorpcós tényezıjét az rodalmakban [5, 6] levezetett összefüggés segítségével: http://www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem 2
tmax Fbe k = (3) m ahol t max - adott zotópra vonatkozó maxmáls retencós dı (h) F be - adszorberre jutó levegı térfogatárama (m 3 /h) m - az adszorber széntöltetének tömege (t), A dnamkus adszorpcós tényezı számértéke azt a levegı térfogatot adja meg, amelybıl a szén egységny tömege az adott zotópot bztosan kszőr. Használata a szén jellemzésére azért elterjedt, mert ez - a retencós dıvel ellentétben - független a terheléstıl, és csak a szén típusának és pllanatny állapotának a függvénye. Ezt a paramétert adják meg az egyes gyártók s termékük kapactásának jellemzésére. C. A mérırendszer telepítése A mérés geometra kválasztását a radoaktív hteles anyagmnták (RHA) elérhetısége nagyban befolyásolta. Mvel gáz halmazállapotú, hteles radoaktív sugárforrás az OMH által rendszeresített lekerekített, üreges hengerekben állt rendelkezésre, ezért a mérés megvalósításához hasonló geometra paraméterekkel rendelkezı Marnell edényeket használtunk. A spektrumok felvételét, kértékelését és tárolását a CANBERRA gyártmányú, hordozható félvezetı detektorral ellátott INSPECTOR rendszerekkel végeztük. Ezt az ndokolta, hogy a mérırendszer lehetıséget ad több mérıhely szmultán kezelésére egyetlen számítógép segítségével. Ehhez a mérést megfelelıen rányító program megírására volt szükség a Gene-PC és az REXX nyelv nyújtotta támogatások felhasználásával. Az eredet mérés módszer szernt elrendezést az 1. ábra mutatja. 1. ábra Retencó mérés elrendezése az eredet mérés módszer esetén III. A RETENCIÓ MÉRÉSI MÓDSZERÉNEK TOVÁBBFEJLESZTÉSE Az elızıekben smertetetett mérés eljárás az adszorber szőrık vonatkozásában sajnos csak az Ar és a Kr zotópokra vonatkozó retencós tényezı kmérését tette lehetıvé. Ennek oka az volt, hogy az adszorberek elıtt zeolt töltető gázszárítók kmerülése matt az adszorberek maxmáls üzemdeje 2-3 hét, am a Xe front áttörésére nem elegendı. Szükség volt tehát olyan mérés módszer kfejlesztésére, amely lehetıvé tesz a Xe zotópokra vonatkozó hatóság krtérumnak való megfelelıség ellenırzését s. Az új módszer kfejlesztését az adszorber kalakítása tette lehetıvé. Az adszorber 12 db sorosan kapcsolt tartályból áll. Mndegyk tartály alsó fordító kamráján egy menetes csonk található. A csonkokon ke- http://www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem 3
resztül az adott tartályból gázmntát lehet venn, és így követn lehet az adszorbereken a frontok elırehaladását. Sajnos a tartályok elhelyezése matt gázmntákat csak az 1., 2., 5., 8. és 11. tartályokról lehet venn, de ez nem befolyásolja az új módszer alkalmazhatóságát. A méréshez használt berendezések teljes mértékben megegyeznek a korább mérés módszernél használtakkal, a különbség a mntavétel helyekben és az értékelés módszerében van. Az új mérés módszer szernt elrendezést a 2. ábra mutatja. 2. ábra Retencó mérés elrendezése az új mérés módszer esetén Az egyes helyeken a fent zotópokra mért aktvtás függését a mntavétel helytıl (a szorbens ágymélységétıl) az egyszerő radoaktív bomlás knetkája és a (3) egyenlet kombnálása eredményeként a következı képlet segítségével számíthatjuk: k m ln(2) F T1/2 A = A * e (4) 1 ahol: A 1 az elsı adszorberen mntavételezett gázban mérhetı aktvtás (MBq) A az adszorberen mntavételezett gázban mérhetı aktvtás (MBq) k az adott zotópra jellemzı dnamkus adszorpcós tényezı (m 3 /t) m az -k mntavételezés helyhez tartozó adszorbens tömege (t) F az ágy terhelése a mérés dıpontjában (m 3 /h) T 1/2 az adott zotóp felezés deje (h) A kértékelés elve a következı. Az egyes mntavétel pontokhoz tartozó adszorber tömeg (m ) függvényében ábrázoljuk az adott zotópra jellemzı fotocsúcs alapján meghatározott nettó ntenztás, vagy megfelelı hatásfokkalbrácó esetén, az aktvtásértékek természetes alapú logartmusát. Így ábrázolva a mért pontok egyenest kell hogy meghatározzanak, amelynek meredeksége llesztéssel meghatározható. A meredekségbıl az adott zotópra jellemzı dnamkus adszorpcós tényezı (k) az ágy terhelésének smeretében (F) számítható. A módszer alkalmasságának bzonyítására elvégeztük a 01TS70N002-es retencós ág vzsgálatát a rég és az új módszer segítségével s. http://www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem 4
IV. A 01TS70N002-ES ÁG MÉRÉSE AZ EREDETI MÓDSZER SZERINT A gáztsztító rendszerben elvégeztük az eredet mérés módszer szernt a dnamkus adszorpcós tényezı meghatározását Kr-ra. Az zotópszelektív aktvtáskoncentrácók változását az eltelt dı függvényében az alább ábra mutatja. 3. ábra 01TS70N002 ág kmenete (folyamatos mntavételezés, óránként mérés). Az ábrán nylak jelzk az egyes frontokhoz tartozó retencós dıket (6 ll. 22 óra). 1,00E+02 Aktvtás [MBq/h] 1,00E+01 1,00E+00 6 22 A(Ar-41) A(Kr-85m) 1,00E-01 1,00E-02 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Indulástól eltelt dı [h] Mvel a Kr-85m front felfutása az aktvtás vszonyok matt nem volt kmérhetı, így az elsı ponthoz tartozó dıt vettük a retencós dınek (t = 22 h), amelybıl a dnamkus adszorpcós tényezı (k) a (3) öszszefüggés alapján számítható. Az adszorber széntöltetének tömege 11 t, az adszorber terhelése 21,6±1,2 m 3 /h volt. Így k-t m 3 /t egységben kapjuk meg, am megfelel a cm 3 /g egységnek. A Kr-85m zotópra számított dnamkus adszorpcós tényezı értéke: k = 43±3 cm 3 /g. A tényezı hbáját ebben az esetben F és t hbájából számítjuk. Az Ar-41 zotóp aktvtása s mérhetı volt az adszorberen és így szerepel a 3. ábrán. Az Ar-41 zotópra nncs hatóság krtérum elıírva, lévén aktvtásának nagysága csak a Kr és Xe zotópok aktvtásának alacsony értéke mellett jelent számottevı tényezıt. Elıbbek matt a mérés eredmények értékelésénél az Ar- 41 zotópra vonatkozó dnamkus adszorpcós tényezı értékelésére nem került sor. V. A 01TS70N002-ES ÁG MÉRÉSE AZ ÚJ MÓDSZER SZERINT A Kr-85m zotóp retencós dejének fentebb smertetett módon történı megmérését követıen, az egyes adszorbereken kalakított mntavétel csonkokon keresztül vettünk mntát az Ar-41, Kr-85m, Kr-88 és a Xe-135 zotópok méréséhez. A mérés eredményeket a 4. ábra mutatja be. Az ábrán jelölt mérés pontokra, amelyek az egyes mntavétel helyekhez tartozó adszorber töltet tömegének felelnek meg, a (4) egyenlet logartmzálásával, lneárs regresszó alkalmazásával egyenes lleszthetı, melynek a meredekségébıl k számítható. Szaggatott vonallal berajzoltuk az llesztett egyeneseket, az llesztés jóságára jellemzı regresszós paraméter négyzetét és az llesztés eredményeként kapott k értékeket s. http://www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem 5
1.E+06 4. ábra 01TS70N002 mérés eredménye 1.E+05 y = -0.2323x + 12.851 R 2 = 0.9658 Aktvtás [Bq] 1.E+04 1.E+03 1.E+02 1.E+01 1.E+00 1.E-01 VI. ÉRTÉKELÉS y = -2.8216x + 11.4 R 2 = 0.9998 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 úthossz [t szén] y = -0.5833x + 9.9203 R 2 = 0.9977 y = -0.3262x + 9.037 R 2 = 0.9899 Ar-41 Ar-41 k=12 Kr-85m Kr-85m k=46 Kr-88 Kr-88 k=46 Xe-135 Xe-135 k=718 A retencós szőrık hatásfokának mérésére kfejlesztett eredet módszer a Xe mérésére nem volt alkalmas. Ezen kívül a módszer hátránya, hogy ha az aktvtásvszonyok kedvezıtlenek, akkor a krpton front felfutása nem mérhetı k pontosan, mely növel a retencós dı mérésének bzonytalanságát. Ez az új módszer esetében nem jelentkezk. Az új mérés módszer mérés eredményenek kértékelésénél alkalmazott egyenlet (4) helyességét jól bzonyítja, hogy a mért értékek logartmusára llesztett egyenesek valamenny esetben ktőnı lleszkedést mutattak (R 2 >0,95). Az új módszer elv alapja tehát helyes. A Kr-85m-re kapott k érték (45,6±3,6 cm 3 /g) hbahatáron belül megegyezk az áttörés front kmérésével kapott értékkel (43±3 cm 3 /g), amely bzonyítja, hogy az új módszer megfelelıen alkalmazható. Az új módszer alkalmazásával lehetıség van lehetıség van arra, hogy a rövdebb felezés dejő Kr-88 zotópra s meghatározzuk k értékét, amely ha eltekntünk az zotópeffektustól, meg kell hogy egyezzen a Kr-85m-re kapott értékkel. Ez jelen esetben ktőnı egyezést mutat (46,1±3,7 cm 3 /g). Ez lehetıséget ad az új módszerrel krptonra meghatározott k érték ellenırzésére s, amely megnövel az új módszer megbízhatóságát a réghez képest. Az új módszerrel a xenonra meghatározott k érték 718±79 cm 3 /g. A rég módszer a szőrıág egészének retencós képességét jellemezte, míg az új módszer segítségével annak egészét s, valamnt részet s külön-külön mérn tudjuk. IRODALOM [1] Paks Atomerımő Végleges Bztonság Jelentés (VBJ) 2004. [2] Á.Vncze, G.Volent, J.Solymos: A procedure for the contnuous control of the retenton propertes of gas adsorber systems. J.Radoanal.Nucl.Chem. Vol.218, No.1. (1997) pp:81-85. [3] Solymos József, Vncze Árpád, Zríny Mklós: Gáztsztító rendszerek retencós tulajdonságanak folyamatos ellenırzésére szolgáló eljárás kfejlesztése és megvalósítása. Kutatás-fejlesztés jelentés 1994., Budapest Mőszak Egyetem Fzka Kéma Tanszék. [4] Bacskó Gábor: A hdrogén égetı és a gáztsztító rendszerek. Technológa leírás. PA Rt. 1984. [5] Solymos József, Vncze Árpád, Nagy Lajos György: Gáztsztító rendszerek retencós tulajdonságanak vzsgálata. Kutatás-fejlesztés jelentés 1993., Budapest Mőszak Egyetem Fzka Kéma Tanszék [6] Floyd F Momyer: The radochemstry of rare gases. Natoanal Academy of Scences-Natonal Research Councl - US Atom Energy Agency, 1960. http://www.sugarvedelem.hu/sugarvedelem 6