Водно-химический режим АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000 Рощектаев Б.М

Очищенная на фильтрах вода должна отвечать показателям качества:

после механического фильтра рН = 7÷10; прозрачность 85 %;

после катионитового фильтра

рН < 7; Жо ≤ 3 мкг-экв/кг; NH3 отсутствует;

после анионитового фильтра

рН > 6,5; Сl- ≤ 50 мкг/кг; SiO2 ≤ 5000 мкг/кг; ∑А ≤ 3∙10-10 Ки/л.

Катионит регенерируют 5 % раствором азотной кислоты, анионит регенерируют 5 % раствором едкого натра. Отрегенерированные смолы отмывают «чистым» конденсатом до получения результатов анализа:

после катионитового фильтра рН = 4,0÷4,5; Жо ≤ 3 мкг-экв/кг;

после анионитового фильтра рН = 8,0÷9,0; Сl- ≤ 50 мкг/кг.

3.РЕАКТОР РБМК-1000

3.1.Источники загрязнения питательной воды

Впроцессе эксплуатации ядерных энергетических установок в пароводяной тракт непрерывно поступают различные примеси, загрязняющие теплоноситель. Работа АЭС основана на применении ядерного топлива, процесс деления которого сопровождается образованием новых радионуклидов. Таковыми являются продукты деления урана, а также активизированные продукты коррозии конструкционных материалов основных контуров АЭС. Изменение температуры и давления водного теплоносителя при эксплуатации АЭС определяют поведение примесей в пароводяном тракте. Так как контур циркуляции замкнут, то рассмотрим поступление примесей в питательную воду. Питательная вода включает в себя следующие потоки:

конденсат турбин – 88,0 %;

конденсат отборного пара (ТК, СПП, ПНД) – 10,8 %;

подпиточная вода – 1,0 %;

добавочная вода – 0,2 %.

41

Причиной загрязнения конденсата турбин являются следующие процессы:

поступление примесей с паром из КМПЦ в конденсат турбин;

присосы охлаждающей воды в конденсаторах, присос воздуха в вакуумную систему турбин;

коррозия конструкционных материалов;

радиолиз воды;

выход продуктов деления ядерного топлива в реакторную воду в результате разгерметизации оболочек ТВЭЛов;

поступление примесей с добавочной и подпиточной водой. Недостатком тепловой схемы одноконтурной АЭС с РБМК

является загрязненность вырабатываемого реактором пара радиоактивными примесями, переходящими в пар из реакторной воды. Загрязнение насыщенного пара является практически единственной причиной поступления в конденсат радионуклидов.

При многократной циркуляции разделение пароводяной смеси, поступающей в БС, никогда не бывает полным. Насыщенный пар, выходя из барабана, увлекает с собой некоторое количество капелек реакторной воды вместе с содержащимися в ней растворенными солями. При внезапном снижении давления в реакторе может наблюдаться значительное кратковременное ухудшение качества пара вследствие бросков реакторной воды, вызванных набуханием и бурным вскипанием ее. Такое же явление наблюдается при значительном повышении уровня в БС. Примеси кипящей в реакторе воды переносятся в пар с каплями испаряемой воды, уносимой насыщенным паром (механический или капельный унос). Поэтому контроль качества пара ведется по его влажности.

Кроме того, примеси кипящей воды переносятся в пар за счет их растворимости (избирательный унос). Количественной характеристикой растворимости различных соединений в насыщенном паре является коэффициент распределения Кр, представляющий собой отношение концентраций растворенных в паре и воде веществ. Также молекулы растворенного газа легко переходят в водяной пар. Например, при давлении 10 МПА в насыщенном паре кислорода будет содержаться в 100 раз больше, чем в кипящей воде (Кр ≈ 100).

42

Основным источником загрязнения питательной воды в КПТ являются присосы охлаждающей воды при негерметичности трубок в конденсаторах.

Присосы охлаждающей воды в конденсаторах являются основным источником загрязнения конденсата водорастворимыми солями. Загрязнение теплоносителя может значительно колебаться в результате присосов охлаждающей воды. Присос воздуха через неплотности вакуумной системы – основной источник загрязнения конденсата растворенным кислородом.

При нормальной гидравлической плотности конденсаторов величина присосов охлаждающей воды составляет 0,003-0,005 % от расхода пара в КНД (12-20 кг/ч). Удельная электропроводимость при этом составляет не более 0,3 мкСм/см. При обрыве одной из почти 13000 трубок поступление присосов в конденсат может увеличиться до 3000 кг/ч, а при разрыве 5 трубок в течение 2-3 суток произойдет «захлебывание» конденсатоочистки и вынужденный останов турбины. В условиях эксплуатации проводится постоянный контроль величины присосов после КНД по солесодержанию или удельной электропроводимости, чтобы своевременно принимать меры для ликвидации опасных присосов. С присосами в основной конденсат в КНД поступает большое количество солей жесткости.

Коррозионные процессы конструкционных материалов являются основным источником загрязнения конденсата тяжелыми металлами: железом, медью, цинком, хромом, никелем, кобальтом

идр. Основной причиной коррозии является наличие в конденсате кислорода. Его влияние особенно сказывается при нейтральном водном режиме на коррозии трубок конденсаторов, выполненных из медных сплавов. В результате воздействия среды, содержащей агрессивные агенты (кислород, угольная и другие кислоты, щелочи

ипр.), происходит коррозионное разрешение металла или сплава вследствие электрохимических и химических процессов. Электрохимическая коррозия приводит к выделению из воды твердых веществ (отложений). Химическая коррозия приводит к выделению взвешенных частиц (шлама).

Вблизи теплопередающей поверхности концентрация примесей возрастает на несколько порядков, и поэтому создаются условия для образования отложения и развития коррозионных процессов.

43

При этом часть примесей может выделяться в твердую фазу на внутренних поверхностях нагрева (на ТВЭЛах, КНД, СПП, ПНД), образуя накипи. Химический состав отложений определяется конструкционным материалом КМПЦ и (в большей степени) КПТ. Основную массу отложений (более 70%) составляют окислы железа в виде γ-Fe2O3, далее следуют окислы никеля, хрома, меди. Наиболее интенсивный рост отложений происходит в первые 2000 часов работы реактора после пуска. В этот период работы поступает большое количество продуктов коррозии, так как высокотемпературная окисная защитная пленка на поверхности оборудования отсутствует. Проведенные исследования показали сходство по составу циркулирующих в теплоносителе и находящихся в отложениях на поверхности ТВЭЛов продуктов коррозии. Отсюда следует, что происходит непрерывный массообмен и массоперенос активных продуктов коррозии с ТВЭЛов и осаждение их на поверхности оборудования. Примеси, находящиеся в воде при различных физико-химических процессах, ведут себя по-разному. Одни вещества, выделяясь из раствора в виде твердой фазы, кристаллизуются на поверхностях нагрева или охлаждения и при этом образуют прочную плотную накипь; треть оставшихся частиц выпадают в толще воды в виде взвешенных шламовых частиц.

Частицы, образующие шлам, откладываются в застойных зонах. При резких температурных колебаниях в стенках парообразующих труб накипи отслаиваются потоком циркулирующей воды и переходят в шлам. В свою очередь, шлам, находящийся в циркуляционной воде, образует вторичные накипи на теплопередающих поверхностях. Отложения на поверхностях ТВЭЛ повышают температуру оболочки ТВЭЛ выше допустимой, что снижает надежность их работы и повышает опасность их расплавления. Перегрев оболочек ТВЭЛов приводит к их растрескиванию и образованию микротрещин.

Интенсивность образования отложений зависит от ряда факторов:

концентрации и ионного состава примесей в теплоносителе;

растворимости веществ в воде и паре при рабочих параметрах ядерной энергетической установки;

массообмена на греющей поверхности;

44

теплового и гидродинамического режимов работы оборудования;

физико-химических превращений веществ в условиях радиации. Вода и пар при взаимодействии с элементами конструкций

могут частично растворять их (коррозионное повреждение), а затем осаждать продукты коррозии. В результате коррозионного повреждения образуются свищи, трещины. Распространенными химическим агентами являются кислород, хлориды натрия и калия, карбонаты кальция и магния и др.

Наиболее трудно предотвратить загрязнение вод продуктами коррозии, откладывающимися в реакторном контуре на поверхностях активной зоны. Ежесуточно в КМПЦ образуется 60÷90 г продуктов коррозии. С питательной водой в КМПЦ поступает 300÷500 г/сутки продуктов коррозии в виде шлама. В переходные периоды работы реактора вынос отложений из активной зоны в КПТ увеличивается в 3-4 раза. Для КМПЦ наиболее характерными являются отложения:

сложные силикатные, содержащие 40-50 % H2SiO3, 5-10 % Na2∙[Na2O∙FeO3∙SiO2] и продукты коррозии конструкционных материалов;

окислы железа и шпинелей сложного состава [FeNi]∙O, [Fe2∙Cr]∙O3 и др.;

медные, образующиеся в зоне электрохимической коррозии CuO. Ограничения поступления продуктов коррозии достигают

выбором коррозионно-стойких конструкционных материалов, оптимальным водно-химическим режимом и глубокой очисткой воды контуров.

В мощных радиационных полях, создаваемых в активной зоне реакторов, небольшое количество воды подвергается радиолитическому разложению (радиолизу) – возбуждению молекул воды и их ионизации с образованием промежуточных незаряженных радикалов Н∙ и ОН∙. В результате радиолиза образуются Н2, О2, Н2О2 (перекись водорода). Образуемые в РБМК газы – радиолитический кислород и водород – энергично переходят в пар. Повышение концентрации О2 в воде КМПЦ за счет радиолиза приводит к коррозии аустенитной стали и циркониевых сплавов, перекись водорода способствует образованию защитной окисной пленки Fe3O4.

45

Кислород 16О, образовавшийся в результате радиолиза воды в активной зоне, является одним из источников образования радионуклидов 16N, активность которого достаточно высока. Загрязнение вод другими радионуклидами происходит вследствие активации продуктов коррозии конструкционных материалов и разгерметизации и разрушения ТВЭЛов. Причинами разгерметизации и разрушения ТВЭЛов являются следующие процессы:

коррозия под напряжением, вызванная воздействием продуктов деления йода и цезия, концентрация которых возрастает по мере выгорания;

эрозионные, кавитационные и вибрационные воздействия со стороны теплоносителя, связанные с технологическими режимами работы блока;

образование отложений и накипи на оболочках ТВЭЛов;

коррозия циркониевых сплавов под действием агрессивных агентов (примесей теплоносителя).

Источником поступления продуктов деления в циркуляционную воду может также быть загрязнение оболочек ТВЭЛов окислами урана при изготовлении.

В РБМК разгерметизация оболочек ТВЭЛов приводит к поступлению радионуклидов в циркуляционную воду, активность которой значительно возрастает. В результате этого активируется оборудование, что представляет большую опасность для обслуживающего персонала. С повышением активности теплоносителя растет активность пара, а это неизбежно приводит к созданию опасной радиационной обстановки в машинном зале.

Продукты коррозии, отложившиеся в активной зоне реактора, активируются в нейтронном поле. При последующем выносе продуктов коррозии и распространении их по контуру циркуляции появляются источники радиоактивного излучения за пределами активной зоны, действие которых не прекращается и после останова реактора. Радиационная обстановка на оборудовании

основного контура циркуляции после останова реактора на 90 % обусловлена наличием 60Со.

Во время работы реактора основным источником активности вне активной зоны являются короткоживущие радионуклиды,

46

которые образуются за счет активации воды и примесей, циркулирующих вместе с водой через активную зону.

Современные технологии и схемы водоподготовки позволяют получить воду высокой степени чистоты с весьма малыми концентрациями примесей. Несмотря на это, часть примесей попадает в реактор и активируется в нейтронном поле. В результате реакции активации примесей образуются радионуклиды, не являющиеся продуктами коррозии, обладающие периодом полураспада от нескольких секунд до нескольких лет. Характерно образование радионуклидов 24Na, 31Si и др.

Спустя несколько суток после останова реактора активность КМПЦ определяется содержанием радионуклидов коррозионного происхождения, так как при эксплуатации идет непрерывное накопление в контуре продуктов коррозии.

Продукты деления урана в большинстве своем находятся в газообразном состоянии или образуют аэрозоли. При разрушении или разгерметизации ТВЭЛов газообразные продукты деления (Xe, Kr) поступают в кладку реактора или циркуляционную воду. То же самое, только в большей степени, происходит при извлечении разрушенных ТВС. Газообразные и аэрозольные продукты деления разносятся азотно-гелиевой смесью по всему газовому контуру и через неплотности проникают в производственные помещения. При поступлении продуктов деления газообразные радионуклиды разносятся паром по системам машинного зала и через неплотности в оборудовании проникают вместе с паром в производственные помещения. Криптон и ксенон при испускании β-частицы переходят в радионуклиды рубидия и цезия. Газообразный йод при снижении температуры переходит в твердое состояние. Радиоактивные частицы оседают на наружной поверхности технологических трубопроводов и оборудования, на стенах, полах, увеличивая радиоактивный фон в помещениях АЭС. Радиоактивные аэрозоли, рассеянные в воздухе производственных помещений, оказывают вредное воздействие на обслуживающий персонал.

Вода первичного заполнения, а также подпиточная вода содержит газы и растворенные соли в небольших концентрациях. Подпитка блока осуществляется в конденсаторы турбин, поэтому все примеси, содержащиеся в подпиточной или добавочной воде,

47

поступают в конденсат. Наиболее распространенными из них являются хлориды натрия и калия, сульфаты и карбонаты кальция и магния, кремниевая кислота, ионы железа, кислород, двуокись углерода, масла.

Конденсат турбин является основной составляющей питательной воды, поэтому качество питательной воды зависит от качества конденсата. Примеси с питательной водой попадают в КМПЦ, где происходит многократное упаривание воды, что приводит к увеличению концентрации растворенных в ней солей примерно в 10 раз.

К реакторной и питательной воде предъявляются высокие требования, чтобы предотвратить образование отложений на ТВЭЛах, обеспечить минимальную скорость коррозии оборудования и снижение дозы облучения персонала.

3.2. Водно-химический режим АЭС с реактором РБМК-1000

Водно-химический режим станции (ВХР) – это система организационно-технических мероприятий, направленных на обеспечение и поддержание норм качества водного теплоносителя и допустимого состояния внутренних поверхностей оборудования основного контура в целях достижения безаварийной и экономичной работы оборудования в течение проектного срока эксплуатации.

ВХР – комплекс мероприятий и систем, направленных на обеспечение оптимальных водных режимов основного и вспомогательных контуров АЭС, чтобы обеспечить:

безопасный уровень отложений на теплопередающих поверхностях (СПП, ПНД, оболочки ТВЭЛ) – не более 100 мкм за 20000 часов работы;

коррозионную стойкость конструкционных материалов основного пароводяного тракта;

качество насыщенного пара, не вызывающего отложений в проточной части турбины.

На АЭС с РБМК-1000 принят нейтральный бескоррекционный ВХР без подавления радиолиза воды.

Особенностями данного ВХР являются:

отсутствие корректирующих добавок в теплоноситель;

48

отсутствие систем подавления радиолиза воды специальными методами;

высокая чистота питательной воды (электрическая проводимость не более 0,1 мкСм/см).

В понятие «водный теплоноситель» для АЭС с РБМК включаются:

вода КМПЦ;

конденсат турбин;

насыщенный пар;

питательная вода и ее составляющие;

вода контура СУЗ.

Основным потоком, определяющим ВХР КМПЦ, является питательная вода. К составляющим питательной воды относятся:

конденсат турбин – 88 %;

конденсат технологических конденсаторов – 0,3 %;

конденсат СПП – 10,5 %;

подпиточная вода – 1 %;

добавочная вода – 0,2 %.

ВХР одноконтурной АЭС с кипящим реактором отличается тем, что в питательную воду не вводится никаких корректирующих рН добавок. Водный режим поддерживается нейтральным, т.е. рН = 7 измеренный при Т = 25 ºС за счет очистки воды методом ионного обмена.

Радиолиз воды в кипящих реакторах не подавляется. Водород и кислород, образовавшиеся в процессе радиолиза воды, уносятся с насыщенным паром и способствуют обескислороживанию реакторной воды. Содержание кислорода в реакторной воде не превышает 0,1 мг/кг. При такой концентрации в воде высокой чистоты кислород тормозит коррозионные процессы. Кроме того, при радиолизе воды образуется перекись водорода, которая в результате термического и радиационного разложения вызывает равномерное образование на поверхности стали магнетита или магемита, что снижает скорость коррозии.

Особенностью ВХР является наличие в циркуляционной воде и остром паре большого количества радиолитического кислорода и небольшого количества перекиси водорода, т.е. имеет

49

окислительный характер. Это условие накладывает требования на выбор конструкционных материалов.

Правильная организация ВХР для одноконтурных АЭС обязательно включает очистку всего потока турбинного конденсата и продувочной воды контура циркуляции.

Конденсат греющего пара теплообменников системы регенерации каскадно сливается в конденсаторы для очистки от продуктов коррозии совместно с основным конденсатом.

Основным потоком, определяющим ВХР КМПЦ, является питательная вода. Для снижения коррозии углеродистой стали и, следовательно, загрязнения питательной воды железом при нейтральном ВХР должна быть обеспечена высокая чистота питательной воды (электропроводность не более 0,1 мкСм/см) путем очистки на фильтрах КО. Кислород из питательной воды удаляется в конденсаторах и деаэраторах.

Большое поступление продуктов коррозии в питательную воду наблюдается в первые сутки после пуска блока. Для снижения загрязнения питательной воды окислами железа перед пуском проводится отмывка КПТ водой с очисткой ее на фильтрах КО.

Большое внимание уделяют плотности конденсаторов турбин. Загрязнения из воды КМПЦ удаляются на установке очистки

продувочной воды КМПЦ. Преимущественно задерживаются растворимые примеси, в период пуска – продукты коррозии, выносимые с контура.

ВХР АЭС характеризуется нормируемыми и диагностическими

показателями.

Нормируемые характеристики ВХР выбирают их оптимальные и реально достижимые показатели водообработки. Каждый нормируемый показатель качества теплоносителя отвечает имеющимся технологическим средствам его поддержания и контроля. Совокупность всех показателей ВХР обеспечивает установленный срок работы активной зоны реактора и остального оборудования АЭС.

Нормируемые показатели качества – это те показатели,

которые непосредственно влияют на возможное коррозионное разрушение оборудования и трубопроводов. Эти показатели обеспечивают проектный ресурс безопасной эксплуатации оборудования блока без снижения его экономичности.

50