1 Eigemann Gábor: RADIOAEROSZOLOK SZŰRÉSE A PAKSI ATOMERŐMŰBEN 1 Bevezetés 1986. április 26-án következett be Ukrajnában az atomenergetika legsúlyosabb szerencsétlensége. A baleset egy grafitmoderátoros, vízhűtésű reaktorban történt. A baleset közvetlen kiváltó oka egy kísérlet volt, amelyet az engedélyezett üzemállapottól eltérően, igen kis teljesítményen hajtottak végre. Az előírások megsértése előbb a teljesítmény ugrásszerű megnövekedéséhez, hőrobbanáshoz, majd kémiai robbanáshoz vezetett. A robbanás a reaktor épületet teljesen lerombolta, a reaktorfedél felnyílt, a grafitmoderátor kigyulladt. Nagymennyiségű radioaktív anyag került a környezetbe, a kibocsátás csak 10 nap múlva szűnt meg, amikorra a reaktort helikopterről leszórt, homokot, bórvegyületeket és ólmot tartalmazó szilárd anyaggal lefedték. A baleset során kiszabaduló legnagyobb aktivitások a következőek voltak: 6.500 PBq 133 Xe, 1.760 PBq 131 I, 1.150 PBq 132 Te, 85 PBq 137 Cs, ezeknek döntő része radioaktív aeroszolként jutott ki a környezetbe, radioaktív felhőt képezve. A tűz miatt a radioaktív felhő igen nagy magasságig emelkedett, és előbb Európában terjedt szét, majd az egész északi féltekén kimutatható volt. A 137 Cs szennyeződés terjedését mutatja be az 1.sz. ábra [1] Európában. 1 Dr. Horváth Győző: A sugársérülések biológiai alapjai és jellemzői, Budapest, 2003.
2 1.sz. ábra: Európa radioaktív szennyezettség térképe a csernobili baleset után [1] alapján. A baleset következményeinek súlyosságát nagymértékben befolyásolta, hogy a reaktor nem rendelkezett biológiai védelemmel (containment), azaz a reaktort körülvevő nyomásálló (6 bar) szerkezettel, amely baleset esetén hermetikusan elválasztja a reaktort a környezettől, megakadályozva a környezet radioaktív elszennyezését. A containment el van látva különböző szűrőberendezésekkel, amelyek lehetővé teszik, hogy a containmentben létrejövő túlnyomás elengedésekor a levegőben levő radioaktív szennyeződést megkötve elkerülhető legyen a szennyeződés környezetbe jutása. A csernobili baleset során is bebizonyosodott, hogy a nukleáris létesítményekben keletkező radioaktív aeroszolok igen nagy területekre eljuthatnak. Dózisterhelés szempontjából a veszélyességük nagyobb, ha közvetlen inhaláció történik, ugyanis a tüdő egyes részein kiülepedve a dózisterhelés nagyobb lehet, mint külső expozíció esetében. Az aeroszolként tüdőbe jutott veszélyes anyagok káros hatása ismert [2], azonban az aeroszolok tüdőben történő kiülepedése még nem teljesen tisztázott, ezért a mechanizmus megértése érdekében még mindig sokan vizsgálják a problémát és számos tüdőmodell látott napvilágot. [3,4,5]. 2 Pope,C.A.,Dockery,D.W.,&Schwartz,J.(1995).Review of epidemiological evidence of health e ects of particulate air pollution.inhalation Toxicology,7,1 18. 3 Hofmann,W.,&Koblinger,L.(1990).Monte Carlo modelling of aerosol deposition in human lungs.part II:Deposition fractions and their sensitivity to parameter variations.journal of Aerosol Science,21,675 688.
3 Nemrégiben megvizsgálták városi aeroszolok kiülepedésének az aeroszol részecske mérettől történő függését különböző humán aktivitásokra [6], az eredmény a 2.sz- ábrán látható. 2.sz. ábra. A kiülepedés függése a részecske mérettől [6] alapján. Az ábra alapján látható, hogy a kiülepedés a 0,1-1 µm tartományban a legkisebb, ez alatt és felett azonban jelentős mértékű. Az atomerőműben keletkező radioaktív aeroszolokkal szembeni műszaki gátnak tehát olyannak kell lennie, hogy a leválasztás hatásfoka erre a 0,1-1 µm mérettartományra is megfelelően nagy legyen. A továbbiakban áttekintjük az aeroszol fajtáit, az aeroszol szűrés mechanizmusát, az aeroszol szűrő berendezéseket, valamint a paksi atomerőműben alkalmazott aeroszol szűrési gyakorlatot. 4 Koblinger,L.,&Hofmann,W.(1985).Analysis of human lung morphometric data for stochastic aerosol deposition calculations.physics of Medical Biology,30,541 556. 5 Salma,I.,Balashazy,I.,Winkler-Heil,R.,Hofmann,W.,&Z aray,gy.(2002a).effect of particle mass size distribution on the deposition of aerosols in the human respiratory system.journal of Aerosol Science,33,119 132. 6 Salma,I.,Balashazy,I., Hofmann,W.,& Zaray,Gy.(2002). Effect of physical exertion on the deposition of urban aerosols in the human respiratory system.journal of Aerosol Science,33,983 997.
4 2 Aeroszolok 2.1 Aeroszolok fajtái Aeroszoloknak olyan diszperz rendszereket nevezzük, melyekben szilárd vagy cseppfolyós anyagok gáz halmazállapotú közegben vannak eloszlatva, és az egész rendszer gáz halmazállapotú. Ez gyakorlatilag azt jelenti, hogy az aeroszolokban a részecskék ülepedési sebessége már alig állapítható meg. Az aeroszolok fajtái: 1. Szállóporok (por aeroszolok). Tágabb értelemben füstnek nevezzük. A részecskék nagysága alapján beszélhetünk durva porokról (d> 10 µm), finom porokról (d=0,5-10 µm), illetve kolloid porokról (d < 0,5 µm). 2. Folyadék aeroszolok. Beszélhetünk - a cseppek méretétől függően - felületi aeroszolokról (d=50-100µm), tér aeroszolokról (d=1-50 µm) és valódi aeroroszolokról (d < 1µm). 3. Keverék aeroszolok. (Itt a helyzet bonyolultabb, a részecskék lehetnek szilárdak és folyadékcseppek is.) A radioaktív légszennyező részecskék, a radioaktív gázoktól eltekintve, általában a kolloid por aeroszol tartományba esnek [7,8]. 2.2 Az aeroszolszűrés mechanizmusa Az atomerőműben a radioaktív légszennyezők egy része szubmikron részecskeméretű aeroszolok formájában keletkezik. Ezek leválasztására az atomerőmű szellőzőrendszereibe nagy hatásfokú aeroszolszűrő berendezések vannak beépítve. 7 S.K.Frielander; Smoke, Dust and Haze. Fundamentals of Aerosol Behaviour, A Wiley-Interscience Publication, 1977, USA. 8 Hirling J.: "Szubmikron radioaktív aeroszolok centrifugális szemcseméret elemzése és nagyhatásfokú szűrése". Kandidátusi értekezés, Budapest, 1976.
5 A gázokban jelenlévő lebegő szilárd anyagok (aeroszolok) elválasztására különböző légszűrők használatosak. A légszűrőkön történő szilárd szemcse leválasztás alapvetően négy mechanizmus szerint mehet végbe: 1. Kiülepedés 2. Tehetetlenségi erő hatására történő ütközés 3. A szűrőelem-keresztezés hatására történő visszatartás 4. Diffúziós hatás 2.2.1 Kiülepedés A kiülepedés csak a nagy részecskék (2 mm átmérő és nagyobb) esetén jelentős, elsősorban alacsony áramlási sebességek esetén. A részecske a ráható gravitációs erő hatására kilép az áramlás irányából, azt keresztezve ütközik a szűrő részecskéjével. A mechanizmust az alábbi ábra szemlélteti: 2.1. Ábra. Kiülepedéses szűrési mechanizmus Az ülepedésre a Stokes szám (St) állapít meg összefüggést: ahol St = t v d (1) t ülepedési idő [s] v az ülepedő részecske sebessége [cms -1 ] d a szűrőelem jellemző mérete [cm]
6 Az ülepedéssel történő részecske leválasztás csak megfelelően nagy St szám (St > 0.5) esetén jelentős. Mivel az ülepedési idő a részecskeméret négyzetével arányos, ez a mechanizmus csak megfelelő részecskeméret felett jöhet szóba. 2.2.2 Tehetetlenségi erő hatására történő ütközés Ha megfelelő impulzussal rendelkező részecske áramlási iránya a szűrő részecske hatására hirtelen változik, akkor az kiléphet az áramlás irányából és a szűrő részecskével ütközve megfogódik. A tehetetlenségi erő hatására a szűrő részecskéjére történő ütközés mechanizmusát a következő ábra szemlélteti: 2.2. Ábra. Ütközéses szűrési mechanizmus 2.2.3 A szűrőelem-keresztezés hatására történő visszatartás A keresztezés hatására történő visszatartás az egyetlen olyan mechanizmus, amikor az áramló részecske eredeti áramlási profilját nem hagyja el, csak a szűrő részecskéhez olyan közel kerül, hogy annak vonzó hatására megfogódik. A mechanizmust a következő ábra szemlélteti: 2.3. Ábra. Keresztezéses szűrési mechanizmus
7 A szűrőn történő visszatartás a szűrő porozitásának (c), valamint a részecskeméret (a) és a szűrő pórusméret (R), az a/r arányának függvénye. A visszatartás hatékonysági függvény, E R a következőképpen fejezhető ki: E R = f (c, a/r) (2) E R értéke a/r növekvő értékével nő. 2.2.4 Diffúziós hatás Kismértékű részecskék Brown mozgása diffúziót hoz létre a koncentráció gradiens irányában. A diffúziós tényezőt az Einstein egyenlet definiálja: D k T C 6 η a = (3) ahol k a Boltzmann tényező [JK -1 ] T az abszolut hőmérséklet [K] C a Cunningham-Knudsen-Weber-Millikan tényező a a részecskeméret [cm] η a közeg viszkozitása [kgm -1 s -1 ] D értéke erőteljesen nő C/a növekedésével, vagyis a részecskeméret csökkenésével a diffúziós hatásra bekövetkező részecske-elválasztás hatékonysága növekszik. A mechanizmus a következő:
8 2.4. Ábra. Diffúziós szűrési mechanizmus Az aeroszolokban bekövetkező részecske-elválasztás mechanizmusait áttekintve összefoglalóan kimondható, hogy az első három mechanizmussal végbemenő leválasztás hatékonyságának a részecskeméret növekedése kedvez, a diffúziós mechanizmus viszont a kisebb részecskeméreteknél hatékonyabb. Az elmondottakat szemlélteti a következő ábra: 2.5. Ábra. A szűrési hatásfok függése a részecske átmérőtől. Kimutatható tehát, hogy 0.05-0.3 µm részecskesugár intervallumban a szűrés hatásfoka minimális értékű.
9 2.3 Aeroszolszűrő berendezések Az atomerőművekben alkalmazott szűrőrendszerek egyik legfontosabb része az un. nagy hatásfokú részecske levegőszűrő (angolul High Efficiency Particulate Air filter = HEPA), közismert néven az un. HEPA szűrő [9] 2.3.1 A HEPA szűrő Aeroszolok tisztítására, szilárd anyagok gázokból, levegőből való eltávolítására olyan szűrőket kell alkalmazni, amelyek a kis méretű aeroszol részecskéket is nagy hatékonysággal kötik meg minél nagyobb légáram és minél alacsonyabb szűrési ellenállás mellett. Ez egyrészt úgy érhető el, hogy a szűrőanyag részecskéi nagyon kis (< 1 µm) átmérővel rendelkeznek. Másrészt, miután a nukleáris létesítményekben használatos szűrőrendszerek gyakran nagyon nagy légforgalommal működnek (akár 100 000 m 3 /h), a szűrőbetétek nagy felületére van szükség. Egy tipikus megoldást szemléltet a 6.sz. ábra, ahol a szűrőpapírt harmonika szerűen hajtogatják össze, megfelelő rácsba teszik, és szigeteléssel látják el. 2.6. Ábra. HEPA szűrő tipikus felépítése. Négyzetes, un. "mély" szűrőbetét 9 S.K.Frielander; Smoke, Dust and Haze. Fundamentals of Aerosol Behaviour, A Wiley-Interscience Publication, 1977, USA.
10 2.3.2 Szűrőanyagok A szűrők egyik csoportját az úgynevezett szálas anyagok képezik. Ilyenek a varrott nemez, a különböző textíliák. Ezeket a szűrőket részint természetes anyagokból (gyapjú, pamut), másrészt szintetikus szálakból (üveg, poliészter, poliakrilnitril, alifás, aromás poliamid, polipropilén, poli-tetrafluor-etilén) állítják elő. A szűrés részben felületi, másrészt mélységi: vagyis a levegőből leválasztott szilárd anyag szemcséi részben a felületen, részben a pórusokban maradnak vissza. A porvisszatartást esetenként kiegészítő műveletekkel javítják, így zsugorítással, lágyítással, hőkezeléssel, impregnálással, vagy rétegeléssel. Üvegszálas papír Az üvegszálas technika kifejlődésével ez a szűrőanyag típus nagyon elterjedtté vált. A szálak átlagos átmérője kisebb, mint 1 µm és a speciális papírgyártási technológiával a szűrési feltételeknek ideális papír készíthető, ugyanakkor a hajtogatást óvatosan kell végezni az esetleges törések elkerülése érdekében, amely gyakran a nem megfelelő szűrési hatékonyság legfőbb oka. Az üvegszálas szűrőket jó hőtűrés jellemzi, így 350 o C-t is kibírnak, nem gyúlékonyak. Jó vízállóságuk miatt nagy páratartalom mellett is kielégítően működnek, jól ellenállnak a kémiai és korrozív hatásoknak is. Perklórvinil és cellulóz-acetát papír A szűrők egy másik csoportját megfelelő pórusszerkezettel rendelkező polimerek alkotják. Ezek közül az egyik legfontosabb a szuper finomságú perklórvinil polimer (fibrous polymeric perchlorvinyl = FPP) szálakból álló szűrőanyag, amelyben a szálak átlagos átmérője 1.5-2.5 µm tartományba esik. Ez egy hidrofóbos (víztaszító) anyag, olyan helyeken alkalmazható, ahol az átlagos hőmérséklet nem haladja meg a 60 o C-t. Magasabb hőmérsékletű rendszerekben (150 o C-ig), cellulóz-acetát polimer alapú (fibrous polymeric acetate= FPA) szűrőanyag használatos, de az ilyen szűrők a cellulóz-acetát vizesedése miatt maximum 80% relatív páratartalomig jók.
11 Hőlágyuló műanyagok Ezek a szűrőanyagok, polietilen, nylon és polisztirén alapú műanyagszálakból készülnek. A szálak nagysága 0.5-1.5 µm tartományba esik. Előnyük, hogy a tartóvázat hasonló anyagból készítve tökéletesen hermetikus szűrő készíthető. Másrészt használat után az egész szűrőegység megfelelő oldószerben feloldható és bepárlással a hulladék térfogata minimálisra csökkenthető. További előnye, hogy jól ellenáll a kémiai és korróziós hatásoknak, de gyúlékony és magasabb hőmérsékleten nem használható (max. 80-120 o C). Kerámia A magas hőmérsékletet (500 o C felett) hosszabb távon is kibíró szűrőanyagokkal szembeni igény vezetett a kerámia szűrők kifejlesztéséhez, amelyek leggyakrabban alumíniumszilikátok. Vékony rétegben és szemcsésen is előállíthatók, de nagyon drágák. Jól ellenállnak a kémiai hatásoknak és akár 1000 o C-ig is használhatók. Miután acélváz már nem használható ilyen magas hőmérsékleten, az egész szűrőegység kerámiából készül. 2.3.3 Szűrőegységek jellemzői Nyomásesés, szűrési ellenállás A levegő áramlása az egyedi szűrő részecskék körül lamináris, a szálak egymásra gyakorolt hatását is figyelembe vevő, un. cella modell alapján a következő üsszefüggés érvényes a nyomásesésre [10]: ahol 4α µv L P = F (5) 2 R HSε F P α F nyomásesés (Pa) szál térfogat tört 10 S.K.Frielander; Smoke, Dust and Haze. Fundamentals of Aerosol Behaviour, A Wiley-Interscience Publication, 1977, USA.
12 µ viszkozitás (Pa/s) V áramlási sebesség (cm/s) R F szálsugár (cm) L szűrő vastagság (cm) ε H S csúszási korrekciós tényező hidrodinamikai tényező csúszással Az un. csúszási tényező a szűrőszálak véletlenszerű elhelyezkedéséből adódó, nem azonos átlagos távolság hatását veszi figyelembe, az elméleti (5-ös egyenlet, ε =1 esetén) és a mért nyomásesések hányadosa. A hidrodinamikai tényező olyan nagyon finom szűrőbetétek esetén válik jelentőssé, amelyek esetében a szálak átmérője összemérhető a levegő részecskék átlagos szabad úthosszával. Ilyenkor a szűrő ellenállása lecsökken. A hidrodinamikai tényezőt a következő egyenlettel számíthatjuk: ahol λ HS = H + 2 ( H + 1/2) (6) R F H λ H = 1 lnα 2 F + αf 1 α 4 2 F átlagos szabad úthossz (cm) 3 4 Hatásfok, penetráció A penetrációt (P) az alábbi módon definiáljuk: C P = Ki (7) C Be ahol C Be a szűrőegység előtti, C Ki a szűrőegység utáni aeroszol koncentráció db szám/m 3 vagy tömeg/m 3 egységekben kifejezve, amely az alkalmazott detektálási módszertől függ. A szűrőegység hatásfokát (Efficiency = E) az alábbi módon definiáljuk:
13 E = 1 P (8) A szabványos HEPA szűrők általában minimálisan 99.97% -os hatásfokkal, illetve 0.03 %-os penetrációval rendelkeznek a 0.1-0.3 mm átmérőjű aeroszol részecskékre vonatkozóan. 3 A paksi atomerőműben alkalmazott aeroszolszűrő típusok 3.1 Fartosz aeroszolszűrő A Fartosz típusú szűrők regenerálható aeroszol finomszűrők, melyek 1.5 µm átmérőjű, ultrafinom üvegszálakból készült paplanokkal vannak bélelve. Két változatuk van a C-200 és a C-500 típusok. A szűrendő levegő (gáz) mennyisége max. 200, illetve 500 m 3 /h. Az üzemi hőmérséklet 0-100 C. A szűrő rozsdamentes, hengeres házba helyezett hengeres kazettára erősített paplanokból áll. A szűrőréteg merevítése KT-11 típusú szilícium-dioxid szövettel történik. Tisztítási tényező a Műszaki Terv szerint: 99.95 % (0,3 µm). A szűrő csőcsonkkal van ellátva a regeneráláshoz, az ellenállás méréséhez és a mintavételezéshez. A kezdeti ellenállás üzemi terhelésen: 400 Pa. A Fartosz aeroszolszűrő vázlatosan a 3.1.sz. ábrán látható.
14 3.1. Ábra. A Fartosz C-500-as szűrő felépítése. 1 bementi mintavételi csonk; 2 bemeneti levegőztető; 3 - mosószerkezet; 4 fedél; 5 kimeneti mintavételi csonk; 6 kimeneti levegőztető; 7 ház; 8 szűrő; 9 perforált henger; 10 folyadék leeresztő. 3.2 ABSOLUTE 1DT típusú finomszűrő és AIROPAC 90 típusú előszűrő Az előszűrő alacsonyabb szűrési hatásfokú, viszont az anyagok 80 %-át így is megköti, ezáltal az aeroszolszűrőt védi, élettartamát meghosszabbítja. A gyakori cseréje így csak az előszűrőnek szükséges, ami költség-megtakarítást és kevesebb radioaktív hulladékot eredményez.
15 AIROPAC 90 előszűrő Műszaki adatok: Méret 558 x 523 x 200 mm Anyaga üvegszál Hatásfok EU7 Kezdeti nyomáskülönbség 140 Pa (3400 m 3 /h-nál) Végső nyomáskülönbség 600 Pa Javasolt csere 400 Pa-nál Üzemi teljesítmény 3400 m 3 /h Max. üzemi hőmérséklet 90 C Relatív páratartalom 100 % Keret anyaga rétegelt falemez Aromás oldószerrel szemben ellenálló. ABSOLUTE 1 DT főszűrő Műszaki adatok: Méret 636 x 600 x 570 mm Anyaga üvegszál Hatásfok EU13 99.997 % (0.3 µm) Kezdeti nyomáskülönbség 370 Pa (3400 m 3 /h-nál) Végső nyomáskülönbség 2000 Pa Javasolt csere 1500 Pa-nál Üzemi teljesítmény 3400 m 3 /h Max. üzemi hőmérséklet 90 C Relatív páratartalom 100 % Keret anyaga rétegelt falemez Aromás oldószerrel szemben ellenálló. A szűrő stabil felépítésű, könnyen kezelhető konstrukció, illeszkedik a meglevő szorító és fogadó szerkezethez.
16 4 Összefoglalás A tanulmányban igyekeztem rávilágítani a csernobili balesettel kapcsolatos adatok felhasználásával a radioaktív aeroszolok környezetbe jutásának megakadályozása érdekében a nukleáris energetikában tett intézkedések fontosságára. Irodalmi adatok alapján vázoltam az aeroszolok fajtáit, az aeroszolszűrés mechanizmusát, a lejátszódó folyamatokat. Ismertetem az aeroszolszűrők felépítését, a felhasználható anyagokat. Végezetül áttekintést adtam a Paksi Atomerőműben alkalmazott aeroszolszűrőkről. Az ismertetett szűrők hivatottak arra, hogy az atomerőmű normál üzeme alatt, valamint üzemzavari helyzetekben a keletkező radioaktív aeroszolokat magas hatásfokkal megkössék, megakadályozva ezzel a környezet, a lakosság terhelését. Munkámhoz nyújtott értékes segítségükért külön köszönetemet szeretném kifejezni Dr. Fűrész József és Dr. Vincze Árpád uraknak.