Dezvoltarea procesului de separare a tritiului prin distilare criogenica aplicabil la instalatiile de detritiere aferente reactorului CANDU si reactorului de fuziune ITER

Contract de finantare nr 05-D10-33/05.10.2005

   Proiectul a propus un domeniu de interes in promovarea cercetarilor legate de realizarea unei instalatii de detritiere si anume dezvoltarea procesului cel mai eficient back-end - distilarea criogenica.
   Proiectul este structurat pe 6 etape, in cadrul fiecarei etape existand mai multe activitati care s-au derulat intr-o ordine cronologica necesara realizarii obiectivelor propuse.
   Primele etape au fost realizate cu scopul de a defini o baza de date care sa contribuie la elaborarea unui model de calcul complex pentru separarea tritiului prin distilare criogenica.
   Acest model poate fi considerat o perfectionare a modelului clasic bicomponent utilizat foarte frecvent pana in prezent, care neglija prezenta celui de-al treilea izotop, considerandu-l in concentratie foarte mica. Acesta poate fi folosit atat in proiectarea, realizarea si optimizarea instalatiilor de distilare criogenica a amestecurilor de izotopi ai hidrogenului, cat si in simularea functionarii acestora. Finalitatea practica consta in realizarea unui program de calcul pentru furnizarea datelor teoretice necesare realizarii studiilor propuse. Programul de calcul este realizat in limbaj Pascal.    Un punct foarte sensibil in abordarea cercetarii distilarii criogenice a hidrogenului o constituie proiectarea si realizarea unui sistem de prelevare probe si extractie insotit de o automatizare eficienta a sistemului de reglare si monitorizare a acestuia. Sistemul este realizat astfel incat prin functionarea lui sa nu se introduca perturbatii in procesul de distilare criogenica care sa conduca la regimuri nestationare greu de controlat.
   In procesul de distilare criogenica a izotopilor hidrogenului, fractia grea formata din molecule complexe de izotopi ai hidrogenului (HD, D₂, DT, T₂) se acumuleaza la partea inferioara a coloanei de distilare, iar extractia se realizeaza in faza gazoasa.
   Pentru pomparea si transportarea amestecurilor radioactive si explosive ale izotopilor hidrogenului este necesara considerarea anumitor masuri si cerinte speciale. Astfel, trebuie sa fie evitata formarea de deseuri tritiate si de asemenea sa fie prevenita pierderea de inventar atat deuteriu, care are un cost foarte ridicat, cat si de tritiu (sau compusi ai acestuia) care in plus este si radioactiv.
   Luand in considerare toate aceste elemente, se considera ca o solutie care sa indeplineasca cerintele de siguranta deosebite necesare in caqzul vehicularii produselor cu caracter radioactiv si explosiv, este utilizarea unor pompe care au ca principiu de functionare adsorbtia gazului respectiv pe zeoliti. Proiectarea sistemului de adsorbtie are la baza date referitoare la capacitatea de adsorbtie si timpul de rupere al adsorbantului utilizat.
   S-au continuat cercetarile cu privire la dezvoltarea sistemelor de prelevare si extractie probe prin extidere la o casacada de distilare criogenica formata din doua coloane.
   Dupa cum s-a mentionat si in etapele precedente, aceste sisteme prezinta un grad ridicat de complexitate datorat faptului ca sunt utilizate la temperaturi criogenice si in mediu tritiat. De asemenea, s-au dezvoltat sistemele de monitorizare a acestor sisteme in scopul verificarii experimentale a functionalitatii modulului de prelevare si extractie probe.
   Astfel, s-a proiectat un sistem de extractie bazat pe principiul de functionare a unei criopompe. Criopompa, care este de fapt stocatorul intermediar de tritiu, este prevazuta cu sisteme care sa asigure racirea avansata (temperatura azotului lichid) pentru secventa de adsorbtie si sisteme de incalzire pentru secventa de desorbtie. Conditiile de realizare ale acestui sistem de extractie satisfac si cerintele deosebite de operare, temperaturi criogenice (pana la temperatura hidrogenului lichid), variatii relativ frecvente de temperatura, asigurarea unei etanseitati deosebite, fiabilitate ridicata si posibilitatea integrarii cu un sistem de prelevare probe. Conditiile de operare, cat si tipul fluidului procesat (tritiul) impun de asemenea ca sistemul de extractie sa fie complet automatizat, secventa de operare fiind adaptata procesului tehnologic respectiv. O alta conditie care s-a luat in considerare la proiectarea acestui sistem este conectarea acestuia la modulul de stocare a tritiului, care se realizeaza pe structuri metalice de tipul titanului spongios sau a compusilor intermetalici.
   Din punct de vedere al automatizarii sistemului de extractie a tritiului, s-a realizat o configurare a acestuia bazat pe introducerea unui automat programabil care are rolul de a comanda robinetii aferenti sistemului. Printr-un software specific, s-a realizat o logica de inchidere si deschidere a robinetilor in vederea trecerii adsorberului din faza de adsorbtie in faza de desorbtie in functie de conditiile specifice experimentarilor. Intrarile digitale ale automatului programabil achizitioneaza semnale de la limitatorii de pozitie (inchis-deschis) aferenti robinetilor. Intrarile analogice achizitioneaza parametrii de proces ai sistemului.
   In continuare s-a acordat atentie elementului cel mai important care asigura separarea izotopica in distilarea criogenica, si anume umplutura. S-a determinat experimental performantele de separare pentru doua tipuri de umpluturi utilizate in distilarea criogenica a hidrogenului, de tip ordonat, B5 si B7 din inox. Testele de performanta s-au realizat pe o instalatie experimentala la ICSI Rm.Valcea.
   Ceea ce aduce nou proiectul in domeniul umpluturii sunt testele de performanta pentru determinarea eficientei la separarea a izotopilor hidrogenului, in vederea obtinerii unei baze de date pentru proiectarea coloanelor de distilare criogenica care vor face parte din sistemul de detritiere a apei tritiate furnizate de un reactor CANDU, sau de fuziune ITER.
   De asemenea, umpluturile sunt realizate de ICSI Rm.Valcea, care are deja brevet de autor, aceste umpluturi ordonate fiind utilizate la distilarea apei, iar rezultatele obtinute pot fi utilizate in promovarea acestor umpluturi pentru instalatiile de detritiere a apei.
   In ultima etapa ne-am propus sa realizam un proiect de cascada de distilare criogenica, pentru o instalatie de detritiere care necesita factori mari de decontaminare.
   Cascada de distilare criogenica a hidrogenului este proiectata pentru a realiza o concentrare a tritiului cu cel putin trei ordine de marime.
   Calculul de proiectare cuprinde transferul de masa caracteristic separarii tritiului prin distilare criogenica intr-o casacada de distilare formata din doua coloane de distilare cat si un calcul de transfer de caldura pentru dimensionarea ciclurilor criogenice necesare pentru functionarea condensatoarelor celor doua coloane de distilare criogenice.
   Proiectarea a luat in considerare conditiile existente in laboratorul de criogenie. Pentru proiectare s-a utilizat softul dezvoltat in proiect. Datele obtinute din calculul izotopic al cascadei de distilare criogenica sunt prezentate sub forma de tabele.
   Pentru proiectarea sistemelor frigorifice necesare functionarii condensatoarelor coloanelor de distilare criogenice ale cascadei s-au analizat doua posibile variante: cu heliu subracit si cu hidrogen lichefiat.
   Din analiza termodinamica a celor doua cicluri se observa ca in cazul ciclului cu hidrogen se obtine un grad de reversibilitate mai mare, precum si o eficienta frigorifica a ciclului superioara, acest lucru gasindu-si explicatia in utilizarea intr-un grad mai ridicat a frigului din baia de azot lichid furnizata de un ciclu auxiliar de lichefiere azot.
   Din punct de vedere economic ciclul cu hidrogen prezinta costuri economice de realizare inferioare celui cu heliu. Tehnologic si din punct de vedere al mentenantei un avantaj prezinta ciclul cu hidrogen intrucat are costuri de intretinere si exploatare inferioare celui cu heliu.
   Sunt prezentate de asemenea si schemele de legatura ale instalatiilor frigorifice la coloanele de distilare criogenice.
    Dupa cum s-a mentionat si in etapele precedente, aceste sisteme prezinta un grad ridicat de complexitate datorat faptului ca sunt utilizate la temperaturi criogenice si in mediu tritiat. De asemenea, s-au dezvoltat sistemele de monitorizare a acestor sisteme in scopul verificarii experimentale a functionalitatii modulului de prelevare si extractie probe.
   Punctele de extractie ale probelor in vederea analizarii au fost pozitionate astfel incat sa descrie in totalitate transformarile izotopice pe intreg circuitul de la alimentare pana la stocare.
   Circuitele de prelevare a probelor se conecteaza la un sistem de analiza de tip gaz-cromatograf si camera de ionizare.
   Automatizarea sistemului de prelevare probe si extractie tritiu se compune dintr-un sistem de comanda si automatizare care sa realizeze logica secventiala de inchidere si deschidere a robinetilor in vederea trecerii adsorberului din faza de adsorbtie in faza de desorbtie, precum si a secventei pentru prelevare de probe din punctele de interes. De asemenea, automatizarea asigura monitorizarea parametrilor tehnologici ai cascadei de distilare, in vederea stabilirii pragurilor si momentelor de actionare a electroventilelor aferente sistemului de prelevare probe si extractie tritiu.
   Pentru extragerea probelor in vederea analizei, pe traseele de prelevare sunt prevazute electroventile.
   Monitorizarea functionarii sistemului de prelevare si extragere probe in vederea analizei acestora la un gaz cromatograf, precum si monitorizarea principalilor parametri tehnologici ce caracterizeaza functionarea instalatiei, se face prin configurarea unor ecrane virtuale.
   Pentru realizarea sistemului de prelevare si extractie probe, s-au utilizat Automate Programabile din familia Twido, furnizate de Schneider Electric-Franta.
   Pentru realizarea sistemului de monitorizare a parametrilor tehnologici, s-a utilizat sistemul oferit de National Instrument-USA: module distribuite din gama FieldPoint configurabile cu programul propriu FieldPoint Explorer, mediul de programare grafica LabView; la nivelul superior s-a prevazut o statie de monitorizare, calculator de tip portabil-notebook cu pentru cuplarea cu modulele de achizitie date FieldPoint prin legatura Ethernet.
   Module de achizitie semnale - tip Field Point - au fost configurate utilizand programul propriu FieldPoint Explorer.
   De asemenea, pentru monitorizarea desfasurarii experimentului s-au realizat sub platforma LabVIEW "ecrane" de vizualizare a parametrilor.
   Documentatia rezolva la nivel de Proiect Tehnic cerintele tehnice specifice aferente realizarii sistemului de automatizare pentru reglarea si monitorizarea modulului de prelevare si extractie probe, pentru o cascada de distilare criogenica. Documentele de prezentare a rezultatelor obtinute in cadrul activitatilor definite in desfasurarea intregului proiect, facuta prin: analiza de proces, caiete de sarcini pentru realizarea si monitorizarea instalatiei de separare a tritiului prin distilare criogenica, configurarea sistemului de automatizare si monitorizarea modulului de extractie si prelevare probe (Proiect tehnic), specificatii tehnice de realizare, documentatie si detalii de executie pentru sistemul de automatizare, conexiunea sistemului integrat cu o coloana de distilare criogenica, testarea functionalitatii sistemului integrat realizat, arata ca Obiectivele Proiectului stabilite la lansarea acestei lucrari, au fost realizate.
   Pe parcursul derularii proiectului atat coordonatorul cat si partenerii au realizat diseminari de rezultate prin comunicari stiintifice si publicari de articole.
   Proiectul prin rezultatele obtinute contribuie la dezvoltarea tehnologiei de separare a tritiului.