УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой Эксплуатации и ФЗ ЯЭУ А.В.Кирияченко

«__»____________2012 г.

Лекция №9

Заключительная лекция по дисциплине «Водный режимы контуров АЭС »

План лекции

Введение. 5 мин.

1. Краткое обобщение курса. 50 мин.

2. Особенности организации ВХР контуров ЯЭУ 30 мин.

на зарубежных АЭС с ВВР.

Заключение. 5 мин.

В результате изучения материала лекции студенты должны:

а) знать:

- основные задачи в организации ВХР контуров ЯЭУ АЭС;

- основы организации ведения ВХР 1 и 2 контуров;

- назначение средств обеспечения ВХР контуров ЯЭУ;

- основы восстановления работоспособности фильтров.

в) быть ознакомленными:

- с особенностями организации ВХР контуров ЯЭУ на зарубежных АЭС с ВВР.

Литература:

1. Острейковский В.А. Эксплуатация атомных станций. М. Энергоатомиздат, 1999г. с.178-234

2. Хоршева М.И. Водоподготовка, спецхимочистка и химический контроль на атомных станциях. Севастополь СИЯЭ и П 2000г.

3. Маргулова Т. Х.,Мартынова О. И. Водные режимы тепловых и атомных элктростанций. М. Высшая школа 1987.

4.СОУ НК 1.013.2008 Теплоноситель первого контура ядерных энергетических реакторов типа ВВЭР – 1000. Технические требования к качеству. Способы обеспечения качества. Киев 2009г.

5.СОУ Н-ЯЭК 1.028:2010 Водно-химический режим 2 контура АЭС с реакторами типа ВВЭР. Технические требования к качеству рабочей среды 2 контура. Киев 2010г.

1. Краткое обобщение курса.

Такие основные вопросы, как эффективность, надежность, безопасность и экономичность работы ЯЭУ во многом зависят от рационального решения химико-технологических задач кон­туров, от правильной организации ВХР контуров, физико-хи­мического контроля качества воды и пара.

Физико-химия внутриконтурных процессов ЯЭУ характери­зуется рядом принципиальных специфических особенностей, обусловленных одновременным воздействием на вещества высо­ких давлений и температур, мощных радиационных полей и сильнодействующих гидродинамических факторов. Все эти фак­торы в совокупности не имеют места ни в одной другой сис­теме и полностью не могут быть воспроизведены в лаборатор­ных или стендовых условиях, и часто практические решения в ядерной энергетике принимаются на основе систематизации, обобщения и анализа эксплуатационных данных действующих ЯЭУ.

К физико-химическим процессам в водном и водно-паровом трактах относятся:

- коррозия конструкционных материалов,

- преобразование естественных примесей, приносимых в цикл извне,

- распределение примесей и продуктов коррозии между водой и образующими из нее паром,

- выпадение твердых соединений на поверхностях трактов,

- взаимодействие естест­венных примесей и продуктов коррозии с различными добавка­ми, корректирующими водный режим и др.

Требования, предъявляемые к чистоте теплоносителя, очень высокие. Высокое качество теплоносителя может быть обеспечено лишь в том случае, если примеси будут система­тически удаляться из контуров путем очистки. Поддержание концентраций всех примесей на максимально допустимом уров­не наиболее надежными, экономичными и эффективными техно­логическими методами - первая основная задача рациональной организации водного режима контуров АЭС.

Второй важнейшей задачей правильной организации водного режима является ограничение скорости коррозии всех конс­трукционных материалов контуров путем создания оптимальных условий взаимодействия между средой и металлом. Допустимая при этом скорость равномерной коррозии ограничивается не столько сроком работоспособности оборудования, сколько до­пустимой интенсивностью загрязнения среды продуктами кор­розии, только для язвенной коррозии и, в особенности, для коррозионного растрескивания металла под напряжением до­пустимая интенсивность процесса определяется условиями обеспечения требуемой длительности работы оборудования.

На АЭС воды, в основном, подразделяются по назначению или источнику получения на следующие виды:

- исходная при­родная вода используемая в качестве исходного сырья на водоподготовительной установке;

- добавочная (или подпиточная) вода, направляемая в контур для восполнения утечек после обработки с применением физико - химических методов до определенного уровня;

- турбинный конденсат - получает­ся в конденсаторах ПТУ и является основной частью пита­тельной воды;

- питательная вода - вода, подаваемая в ПГ для замещения испаряющейся воды;

- вода ПГ ПГ и реакторов - вода, находящаяся в элементах указанных агрегатов;

- продувочная вода - выводимая из ПГ или первого контура во­да на очистку или в дренаж для поддержания в воде контуров заданной концентрации примесей;

- вода контуров - вода, находящаяся в контуре;

- охлаждающая или циркуляционная вода используется в конденсаторах для конденсации отрабо­тавшего пара и в других охладителях;

- вода опорожнения основных и вспомогательных контуров;

- вода бассейнов вы­держки отработанных ТВС и перегрузки активной зоны;

- дезактивационные и обмывочные воды;

- воды спец. прачечных и душевых;

- регенерационные и промывочные воды;

- фильтрат и деконтат из хранилищ жидких отходов.

Совокупность свойств воды, определяющих ее пригодность для конкретных целей, обусловлена концентрацией содержащихся в ней примесей и называется качеством воды. К основным показателям качества воды относят: общее солесодержание, удельную электропроводность, содержание грубодисперстных веществ, водородный показатель, окислительно-востановительный потенциал среды, объемную актив­ность, содержание раствореных газов и др. веществ, окисляе­мость, жесткость, щелочность, прозрачность и др.

Воду для заполнения и подпитки контуров АЭС готовят из природных вод забираемых из рек и водохранилищ расположенных вблизи АЭС. Примеси в этих природных водах зависят от времени года, почвы с которых поступают стоки и находится сам водоем, от загрязнения вод промышленными и сельскохозяйственными стоками и т.д.

Как правило, при очистке вод применяется последовательное использование методов очистки: сначала удаляются грубодисперсные примеси, затем коллоидно-дисперсные примеси и на последней стадии удаляются истинно растворенные вещества. На водоподготовительных установках АЭС предварительную очистку осуществляют при совмещении процесса коагуляции, извест­кования, магнезиального обескремливания и осветления воды. Окон­чательную очистку производят на ионнообменных фильтрах. Метод ионного обмена основан на явлении обмена ионов при контакте неко­торых твердых веществ с растворами, в результате чего извлекаемые ноны удерживаются твердым ионнообменным веществом, отдающим в раствор эквивалентное количество обменных ионов одинакового зна­ка. При ионном обессоливании воды продуктами обмена ионов на катионите и анионите в исходных Н- и ОН- формах являйся ионы водо­рода и гидраксила, которые, взаимодействуя, образуют в качестве конечного продукта молекулы воды.

Для подпитки 1 контура в период водообмена, приготовления рабо­чих растворов химреагентов вводимых в 1 контур предназначена система, «чис­того» конденсата (дистилята ),

Подпитка и заполнение 2 контура производится из баков запаса ХОВ, Ядерный реактор является мощным источником ионизирующего излучения, а теплоноситель оказывает сильное коррозионное воздействие на конструкционные материалы ЯЭУ. С этими явлениями связаны физи­ко-химические процессы, протекающие в контурах ЯЭУ. К основным из них относятся;- радиационные процессы (образование новых нукли­дов, активация примесей, газовая и осколочная активность теплоно­сителя, радиолиз волы и др.)- химические процессы (коррозия конс­трукционных материалов, отложения на теплопередаюших поверхностях и т.д.

Одним из основных требований к водному режиму является предотвращение отложений на ТВЭЛ активной зоны. Накопление отложений на оболочках ТВЭЛ может привести к ухудшению теплообмена и недопустимому перегреву ядерного топлива. Оптимальный водный режим реакторов ВВЭР должен обеспечить предотвращение заметной коррозии всех конструкционных материалов, и прежде всего, циркониевых сплавов используемых для оболочек ТВЭЛ, а также аустенитных нержавеюших сталей, используемых для всего остального контура. Для чего к водному режиму предъявляются также следующие требования: -поддержание рН в коррозионно безопасных пределах; - ограничение в воде первого контура концентраций хлоридов и фторидов; - обеспече­ние эффективного удаления продуктов коррозии конструкционных ма­териалов.

Поддержание необходимого значения рН в условиях борного регу­лирования требует дозирования щелочей в воду реактора. По своей агрес­сивности щелочи располагаются следующим образом:

LiOH > NaOH > КОН > NH₃.

Поэтому наиболее безопасным по отношению к циркониевым сплавам был бы ввод аммиака. Однако с ростом температуры и особенно при температуре 300⁰С, т.е. в условиях реактора, основные свойства ам­миака ослабевают. Поэтому для поддержания требуемого значения pН пришлось бы использовать очень высокие, практически недостижимые концентрации аммиака (1 г/дм³ и даже выше).

Кроме того, в условиях таких значительных концентраций аммиака вследствие его радиолиза в реакторной воде наблюдались бы кон­центрации водорода, повышающие опасность водородного охрупчивания сталей. В связи с этим предпочтительнее использование КОН (в зару­бежных реакторах используют LiOH, это дороже, так как требует очистки лития от изотопа ⁶Li, из которого образуется тритий ⁶Li + '_оп ⁴Не + ³Н ) Более дешевый NaOH не используется в связи с 100%-ной активацией натрия.

Калий тоже активирует­ся в активной зоне, но это относится только к изотопу ⁴¹К, которого в при­родном калии всего 6,4 %.

Стабилизация значений рН на необходимом уровне разрешается до­бавлением в воду реактора не только КОН, но и NH₃, т.е. организуется так называемый калий-аммиачный водный режим, нейтрализующий хими­ческое воздействие борной кислоты. При работе реактора на мощности при высоких температурах, когда степень диссоциации борной кислоты незначительна, мала и диссоциация гидроксида аммиака и его основные свойства выражены слабо. Главным нейтрализующим реагентом является при этом КОН. При снижении температуры усиливаются основные свой­ства NH₃, что позволяет поддерживать необходимое значение рН без увеличения ввода КОН.

Для ограничения концентрации кислорода в воде реактора требуется заполнение его хорошо продеаэрированной водой. Кроме того, для удаления остаточного кислорода, содержащегося в воде, в нее вводят гидразин с таким расчетом, чтобы создать в воде реактора избыточную концентрацию гидразина> не менее 20 мкг/дм³. Что же касается ограничения концентрации радиолитического кислорода в процессе работы реактора, то оно может быть достигнуто за счет введения в воду реактора газообразного во­дорода или какого-либо реагента, разлагающегося в радиационных усло­виях с выделением газообразного водорода. Первое решение используется в зарубежных реакторах, второе реализуется в отечественных реакторах - в воду реактора вводят аммиак, в результате радиационного разложения ко­торого выделяется водород, соединяющийся с радиолитическим кислородом. Нормируемое количество вводимого аммиака должно обеспечивать подавление радиолиза, но не должно превышать значений, при которых создается опасность охрупчивания циркониевый сплавов в результате наводороживания.

Для ограничения концентраций хлоридов в воде реактора требуется прежде всего высокая чистота борной кислоты; для получения нормируе­мых концентраций хлоридов и фторидов - высокая чистота подпиточной воды и обеспечение эффективной работы очистных установок реакторного цеха, которая предназначена также для возможно боле полного вывода из контура продуктов коррозии конструкционных материалов.

К системам ведения ВХР первого контура относятся: - система "чистого" конденсата, предназначенная для приема, хранения и по­дачи "чистого" конденсата потребителям реакторного цеха, для под­питки первого контура, приготовление рабочих растворов химреаген­тов, используемых для корректировки ВХР и подготовки сорбентов установок СВО; - система продувки - подпитки первого контура, предназначенная для заполнения и подпитки первого контура, ком­пенсации организованных протечек первого контура, подачи воды в систему уплотнения вала ГЦН, проведения водообмена в первом кон­туре с целью беспечения заданного водно - химического режима, ввода борной кислоты и химреагентов в первый контур, подержания нормального уровня в компенсаторе давления в переходных режимах, проведения гидроиспытаний оборудования и трубопроводах первого контура; - система реагентного хозяйства, предназначенная для приготовления рабочих растворов химреагентов и подачи их в подпиточную воду с целью корректировки и поддержания качества теплоно­сителя первого контура; - система отбора проб первого контура предназначена для отбора проб; - система очистки теплоносителя первого контура (СВО - 1) предназначеная для очистки теплоносителя первого контура, от коллоидных продуктов коррозии конструкционных материалов и других взвешенных частиц; - система очистки проду­вочной воды первого контура, организованных протечек и дренажных вод от продуктов коррозии, осколков деления топлива, химических примесей в ионной форме, а также для выведения избыточной щелоч­ности из теплоносителя, для плавного регулирования ВХР первого контура, и для удаления борной кислоты из теплоносителя в конце компании.

Основной особенностью II контура ЯЭУ с ВВЭР является наличие фазового перехода рабочего тела из воды в пар в ПГ и обратно из пара в воду в конденсаторе. Исходя из этого, можно условно разде­лить II контур на два тракта: конденсатно-питательный, где рабочее тело находится в виде воды и паровой тракт, где рабочее тело находится в виде пара. Растворимость различных веществ в паре и в воде различна. Поэтому в ПГ при упаривании воды образуется насы­щенный или перенасыщенный раствор, из которого выпадает осадок в виде шлама, который осаждается на поверхностях и интенсифицирует скорость коррозии. Интенсификация скорости коррозии ПГ вызвана т.н. подшламовой коррозией. При подшламовой коррозии возможно глубокое упаривание воды в толще шлама с концентрированием в ней примесей, интенсифицирующих коррозию, при этом рН под шламом мо­жет снижаться до 3, что может привести к повреждениям металла на глубину стенки. Водный режим также существенно зависит от конс­трукции и конструкционных материалов элементов II контура. В нас­тоящее время наиболее распространенным материалом для трубок ПГ ЯЭУ с ВВЭР является пустотелая нержавеющая сталь, которая склонна к коррозии под напряжением, усугубляемой присутствием хлоридов. Поэтому вода II контура и добавочная вода должны иметь минимально возможную концентрацию CI^-.

В главных конденсаторах, а также в некоторых подогревателях низкого давления трубная система выполняется из медных сплавов. При эксплуатации медесодержащей трубной системы конденсаторов турбин в процессе контакта с конденсирующимся паром латуни склонны к специфическому разрушению, получившему название коррозионного растрескивания под напряжением. Растрескивание наблюдается преи­мущественно при одновременном наличии в паре кислорода, неизбеж­ного в вакуумных системах, и аммиака. Поэтому для воды II контура содержание кислорода и аммиака должно строго контролироваться. Из вышеизложенного следует, что основными задачами в организации ВХР II контура являются: - обеспечение регламентированной чистоты во­ды ПГ, соответствующей возможному минимальному содержанию коррозионно-агрессивных примесей; - поддержание в оптимальных пределах корректирующих химических добавок и требуемых по условиям приме­нения конструкционных материалов рН; - поддержание минимальной скорости коррозии поверхностей оборудования контура; - предотвра­щение концентрирования отложений различных типов на трубках ПГ и других элементах; - поддержание нулевого или минимального уровня активности воды и оборудования II контура.

Для решения этих задач на отечественных АЭС был предусмотрен гидразино - аммиачный водный режим. При этом режиме достигается минимальное содержание кислорода в контуре и приемлимое значение рН воды.

Опыт применения гндразинно - аммиачного водно-химического режима второго " контура на энергоблоках ВВЭР-1000 и PWR свидетельствует, что его основным недостатком является низкая коррозионно-эрозионная защищенность оборудования в области двухфазных сред, связанная с неравномерностью коэффициента распределения аммиака в системе "пар-вода" и невозможностью поддержания более высоких значений рН (близких к 9,6), необходимых для понижения скорости протекания коррозионных процессов, из-за присутствия во втором контуре медьсодержащих сплавов. Анализ более, чем тридцатилетнего зарубежного опыта понижения скорости коррозионно-эррозионных процессов на энергоблоках PWR с медьсодержащими сплавами, свидетельствует что понижение концентрации' продуктов коррозии в питательной воде ПГ пропорционально увеличению высокотемпературного рН во втором контуре.

С целью повышения и выравнивания величины рН по контуру на Западных АЭС имеющим медьсодержащие сплавы во втором контуре применяется коррекционная обработка питательной воды парогенераторов морфолином, имеющим коэффициент распре­деления в системе пар-вода близкий к 1.

В настоящее время на всех блоках ЮУ АЭС и ЗАЭС ведется опытно - промышленная эксплуатация морфолинового ВХР вто­рого контура. Результаты показывают, что морфолин является хоро­шей буферной добавкой для поддержания рН во всем оборудовании второго контура.

Морфолин представляет собой бесцетветную прозрачную жидкость, имеющую слабоаммиачный запах со свойствами слабой щелочи, растворимую в диэтиловом эфире и смешивающуюся с водой и этиловым спиртом.

Массовая концентрация рабочего раствора морфолина, дозируемого в КПТ для поддержания ВХР во время эксплуатации энергоблоков на энергетическом уровне мощности, должна быть в пределах от 1 до 3 %.

Морфолин используется в качестве нейтрализующей и пассивирующей добавки для ведения водно-химического режима второго контура.

В переходные периоды работы во время останова энергоблоков сроком более чем на трое суток с целью предотвращения протекания процессов коррозии металла массовую концентрацию раствора морфолина для обработки внутренних поверхностей основного оборудования следует повышать до 5 %.

Применяемый морфолин по качеству должен соответствовать требованиям ТУ 6-09-649-85 "Морфолин. Технические условия" квалификации "чистый" с содержанием основного вещества не менее 99 %.

В настоящее время на 3 блоке РАЭС начата опытно - промышленная эксплуатация ВХР вто­рого контура с этаноламином.

Ожидаемый эффект от применения в качестве корректирующей добавки этаноламина: - снижение скорости коррозии конструкционных материалов второго контура, уменьшение поступления продуктов коррозии в ПГ; - обеспечение поддержания нейтральной величины pH_t (7,0-8,0) во втором контуре и в объеме ПГ; - снижение ионной нагрузки на фильтрующие материалы ФСД БОУ и фильтры очистки продувочной воды СВО-5, -снижение катионной электропроводимости питательной и продувочной воды ПГ; - снижение потребления реагентов на ведение коррекционной обработки второго контура и затрат на ведение водно-химического режима второго контура; - обеспечение качества сбросных вод; - увеличение срока службы основного оборудования.

Этаноламин (ТУ 6-02-915-84 с изменениями, введенными с 1.01.1990г. Ффрмула C₂H₇ON (H₂NCH₂CH₂OH) , t плавления 10,5°С, t кипения 172,2°С, t вспышки - 85 °С. Этаноламин - горючая жидкость с резким аммиачным запахом. С водой и спиртом смешивается во всех отношениях. Хорошо растворим во многих органических растворителях ЭТА обладает щелочными свойствами и при попадании на кожу вызывает раздражение. При попадании на кожу необходимо промыть пораженный участок обильной струей воды. При попадании в глаза - немедленно промыть струей воды в течение от 10 до 15 минут и направить пострадавшего к врачу. При попадании внутрь ЭТА вызывает расстройство органов дыхания, кровообращения, центральной нервной системы, печени. Получают взаимодействием окиси этилена с аммиаком. Применяется для синтеза ПАВ, ингибиторов коррозии, как поглотитель кислых газов. ПДК в воздухе рабочей зоны - 0,5 мг/м³. ПДК в воде водоемов -0.5 мг/дм³, для рыбохозяйственных водоемов 0,01 мг/дм³.

Для решения основных задач химико - технологического контроля на АЭС создается принципиальная схема химического контроля основ­ных и вспомогательных контуров, содержащая сведения о точках от­бора проб, графике (периодичность) отбора, объеме контроля и методах анализа отбираемых проб. Для организации правильного химичес­кого контроля основным условием является отбор представительной пробы, т.е. наиболее близкой по своему составу по всем компонен­там и составу контролируемой среды. Пробы воды и пара, отбираются пробоотборными зондами, при этом зонды располагаются в трубопро­водах таким обрезом, чтобы скорости ядра потока в месте отбора и в устье зонда должны быть равны друг другу при расходе отбираемой среды 50…10 кг/час. Для получения представленных проб насыщенного пара их отбирают пробоотборными трубами, установленными, как пра­вило, во входных сечениях средней и крайней пароотводящих труб ПГ. Отобранная проба воды и пара проходит через устройство подго­товки пробы, состоящих в общем случае из холодильника и дросселя предназначенных для снижения температуры до 35…50С и давления до 0,12 - 0,14 Мпа. При подаче пробы в приборы автоматического хими­ческого контроля в устройство подготовки пробы входит также меха­нический фильтр для удаления взвешенных примесей. Перед кондуктомером вода дополнительно проходит Н - катионитный фильтр для удаления ионов аммиака и гидразин - гидрата при аммиачно-гидразинном водном режиме. Кроме того, чтобы проба была представительной, она должна отбираться непрерывно.

Восстановление работоспособности механических фильтров заклю­чается в последовательном проведении взрыхления сжатым воздухом и отмывка их чистым конденсатом обратного тока. Для этого фильтр выводится из работы. В течение 2-Змин производится дренирование фильтра в спец. канализацию для создания воздушной подушки над слоем загрузки. Затем через нижнее дренажное устройство подается сжатый воздух с расходом 8-10 м³/час в течение 2…3 мин. После прекращения подачи воздуха подается на фильтр чистый конденсат обратным током с расходом соответствующим для конкретного филь­тра. Интенсивный поток промывочной воды, поднимаясь, разрыхляет и взвешивает весь фильтрующий слой, увеличивающийся при этом на 40-50%. Это дает возможность зернам загруженного фильтрующего ма­териала свободно двигаться в потоке воды и при столкновении очищать приставшие к ним частицы шлама и окислы железа. Промывка фильтра должна производиться с такой интенсивностью, которая обеспечивает вымывание осадков, однако не приведет к выносу филь­трующего материала. Контроль за интенсивностью промывки осуществляется по расходу воды, измеряемому расходомером. Продолжитель­ность промывки составляет 6-10 мин. Для более эффектной отмывки слоя загрузки необходимо повторить цикл "сжатый воздух - вода" 2-3 раза, до тех пор, пока отмывочная вода на выходе из фильтра, сразу после взрыхления воздухом, не будет прозрачной (прозрач­ность 90-95%) на вид. По окончании взрыхляющей промывки первый мутный объем исходной воды необходимо спускать в спецканализацию, в течении 5-10 мин. Для уплотнения фильтрующего слоя. В случае невозможности восстановить фильтр путем взрыхляющей промывки фильтрующий материал должен быть перегружен.

Восстановление работоспособности ИОФ сводится к последова­тельному проведению следующих операций: - взрыхление; - регенера­ция; - отмывка после регенерации. Для фильтров смешанного дейс­твия перед регенерацией необходимо проводить операцию по разделе­нию ионитов на катиониты и аниониты, а после регенерации произво­дить перемешивание шихты. Перед проведением данных операций необ­ходимо вывести фильтр из работы и перейти на резервную нитку фильтров. Операция взрыхляющей промывки имеет целью устранить уп­лотнение слежавшейся массы ионита и тем самым обеспечить более свободный доступ регенерационного раствора к зернам ионита. Кроме того, при этом удаляются из фильтра мелкие частицы примесей. Взрыхление ионита проводится "чистым" конденсатом от насосов про­мывочной волы. Интенсивность взрыхления, обеспечивающая приведе­ние во взвешенное состояние всей массы ионитного материала, зави­сит от вида ионита и диаметра его зерен и указана в описании конк­ретного фильтра. По окончании операции взрыхления в ионитный фильтр подается ре генерационный раствор, который проходит сверху вниз сквозь слой ионита, при этом продукты регенерации направля­ются в отстойник трапных вод. Регенерация - это процесс извлече­ния из ионита задерженных в нем катионов или анионов, замена их обменными катионами или анионами. Регенерация истощенного катионитового фильтра производится раствором азотной кислоты. Вследс­твие относительно большой концентрации ионов водорода в регенерационном растворе происходит замена поглощенных ранее катионов. Регенерация истощенного анионитового фильтра достигается фильтро­ванием раствора NaOH через его слой (СВ0-3...7) и раствором -КОН через слой анионита установки СВО-2. Аналогично происходит замена анионами ОН- поглощенных анионов. Затем фильтр выводится на от­мывку "чистым" конденсатом прямым током и отмывается до получения удовлетворительных результатов анализов, как правило, по рН и С1-.