Тема 6.ВХР 1-го контура блоков АЭС

Лекция 15

В лекции рассматривается водно-химический режим 1-го контура блоков АЭС с ВВЭР.

6.1. Исходные предпосылки организация ВР первого контура

В этом контуре используются материалы: аустенитная хромо-никелевая нержавеющая сталь (корпус реактора – наплавка из этой стали, трубопроводы также имеют наплавку из нё, из нё изготовлены также трубки парогенератора, например сталь 08Х18Н12Т, возможны также двухслойные наплавки), циркониевые сплавы: оболочки ТВЭЛов, кассеты ТВЭЛов. Имеется также небольшое кличество устройств из стали 20.

Контур замкнут и закрыт, причем на всех участках сохраняется однофазная среда под давлением. Качество воды в контуре можно поддерживать на очень высоком уровне, но по физическим условиям организации и коррекции нейтронного поля в воде постоянно должен присутствовать бор (борная кислота). Все сказанное предопределяет сложность организации и цель ВР – минимизация интенсивности коррозионных процессов и процессов перехода продуктов коррозии в воду 1-го контура, а также перехода в воду продуктов ядерных превращений.

6.2. Возможные варианты ВР первого контура

При разработке ВР первого контура прежде всего учитывают: наличие в воде борной кислоты, вследствие чего низкое рН теплоносителя (менее чем 4); достаточно коррозионно стойкий металл; наличие процесса радиолиза, который необходимо подавить.

Для повышения рН необходимо нейтрализовать кислоту, для чего в воду следует добавить щелочь. Выбор щелочей не очень большой это: NH₄OH, KOH, NaOH, LiOH. Щёлочи размещены в последовательности, которая соответствует росту их коррозионной агрессивности по отношению к циркониевым сплавам.

Гидроксид аммония найменее агрессивный, но неэффективный при температурах воды первого контура при его роботе на мощности. При этих температурах он почти не диссоциирует и разлагается на водород, азот и воду.

КОН активируется в нейтронном поле реактора за счёт радионуклида К⁴¹, который имеется в природном калие(его приблизительно 6,4 %). К⁴¹ захватывает нейтрон и превращается в радиоактивный К⁴², период полураспада которого

составляет 12,4 ч. Это весомый недостаток. Однако содержание этого изотопа небольшое, кроме того нет особенных проблем с его удалением, например, с помощью ионного обмена. Решение об использование гидроксида калия принято на отечественных АЭС и на практике доказана возможность поддержания радиционного уровня первого контура в допустимых пределах.

NaOH очень сильно активируется в нейтронном поле с образованием радиоактивного Na²⁴, который имеет период полураспада 15 ч. За его счёт активация первого контура будет настолько большой, что невозможно обеспечить безопасность обслуживания первого контура. Поэтому он для коррекции ВР на АЭС не используется.

Гидроксида лития (LiOH) как сильной щёлочи необходимо меньше всего, кроме того опыт эксплуатации таких реакторов засвидетельствовал о том, что в реакторе имеет место нейтронная реакция, которая ведет к появлению лития в воде первого контура. Эта реакция состоит в поглощении (захвате) одного нейтрона атомом бора с последующим разложением с выделением α - частицы: B¹⁰ + n → Li⁷ + α. В конце кампании в первых реакторах Ново-Воронежской АЭС накапливалось до 800 г лития.

Недостатком использования гидроксида лития является то, что природный литий содержит изотоп Li⁶ (его около 6 %), который при поглощении нейтрона разлагается на гелий и тритий: Li⁶ + n → He⁴ + Tp³.

Как известно, тритий является очень активированным образованием, он излучает радиоактивность, период его полураспада очень большой, а удалить его из воды очень тяжело, поскольку свойства тяжёлой воды мало отличаются от свойств основной массы воды. Поэтому в случая использование гидроксида лития необходимо изотопное разделение природного лития с удалением из него Li⁶, что делает реагент очень дорогим, поскольку процесс изотопного разделения сложный, требует огромных расходов электроэнергии, технология такого разделения и их реализация под силу только высокоразвитым в техническом плане и экономически богатым странам. Кроме того, наличие лития повышает вероятность коррозии циркониевых сплавов.

Поэтому в СРСР и реакторах Украины было дано преимущество КОН, который требует меньше расходов при успешном обеспечении допустимого уровня радиоактивности первого контура. В США и других зарубежных странах используют LiОН.

Для того, чтобы предотвратить радиолиз воды, также имеются различные подходы. На отечественных реакторах для этого используют аммиак, который при высоких температурах разлагается с образованием водорода

2 NH₃ ↔ N₂ + 3 H₂.

Появление водорода обеспечивает его избыток в воде и это смещает реакцию радиолиза воды

2Н₂О ↔ 2Н₂ + О₂,

согласно с законом действующих масс влево. Т.е. образование кислорода подавляется. Возможно также использовать гидразин, который непосредственно связывает кислород, а в случая его разложения его действие аналогично действию аммиака. Гидразин используют в обязательном порядке для обработки всех подпиточных потоков первого контура.

Заграничная практика иная. Там в воду первого контура для подавления радиолиза подают непосредственно водород. Результативность и одного, и другого вариантов связана с смещением реакции радиолиза влево и поэтому одинакова. В то же время использование аммиака более просто и давно освоено практикой.

Таким образом, на отечественных АЭС используется борно-калий-аммиачный водный режим, а за рубежом (США) борно-литий-водородный водный режим.

Важной задачей водного режима первого контура является также вывод из воды радиоактивных изотопов, выделяющихся в воду вместе с продуктами коррозии. Это Cr⁵¹, Mn⁵⁴, Fe⁵⁹, Co⁶⁰, O¹⁹, N¹⁶, Na²⁴, K⁴², C¹¹, Cz¹³⁷.

6.3. Нормы качества воды первого контура

На Украине с 1997 року действуют отечественные государственные стандарты на качество воды первого контура АЭС с ВВЭР, которые были пересмотрены в 2001 р. [21, 22]. Особенность этих стандартов состоит в очень подробном характере норм с учётом наиболее полного объема возможных технологических ситуаций, в том числе и в процессах переменных режимов работы блоков и при пусках или остановах. Нет смысла излагать их полностью, поэтому рассмотрим только наиболее важные нормы. Это нормы качественного состава воды первого контура при роботе реактора на мощности. Все параметры ВХР поделены на нормируемые и диагностические (ранее такого деления не было).

Нормируемые параметры приводятся в табл.6.1. К ним относятся концентрации хлор-иона, фтор-иона, кислорода, водорода, а также суммы щелочных металлов.

Показатели, по которым возможно судить о потенциальных направлениях процессов и прогнозировать развитие коррозионных процессов и отложений, названные в нормативном документе диагностическими, приводятся в табл. 6.2. Понятно, что приведенные значения этих параметров также являются обязательными для поддержания, т.е. нормами.

В таблицах указаны значения показателей приведенные к стандартным условиям: давлению 0,1 МПа, температуре 25 ^оС. Анализ содержания фторид–ионов особенно внимательно ведётся в течение первых 1000 часов работы реактора после перегрузки активной зоны. Концентрация борной кислоты выбирается в зависимости от запаса реактивности активной зоны, приведенные данные относятся к ВВЭР–1000, для ВВЭР-440 величины чуть другие. Суммарное содержание щелочных металлов поддерживается в пределах допустимых зон согласно с графиком (рис.6.1.), который является неотемлемой частью норм [21, рис.5.1] в зависимости от концентрации борной кислоты. Концентрация аммиака должна обеспечивать содержание водорода, что соответствует верхнему уровню согласно с табл.6.1.

Таблица 6.1.

Нормы качества теплоносителя 1-го контура при работе реактора на мощности(нормируемые показатели)

Наименование показателя	Числовые значения
Суммарная концентрация ионов щелочных металлов (калию, натрия, лития) в зависимости от концентрации Н3ВО3 согласно [ 21, рис.5.1], ммоль/л	От 0,02 к 0,5 (Зона А – графика)
Концентрация кислорода не более, мкг/л
Хлор – ион Cl^-, не более, мкг/л
Фтор – ион F^-, не более, мкг/л
H2, мг/л	От 2,2 к 4,5

Таблица 6.2.

Нормы качества теплоносителя 1-го контура при работе реактора на мощности(диагностические показатели)

Наименование показателя	Числовые значения
Величина рН	От 5,9 к 10,3
NH3, мг/л	Не менее 3,0
Fe, мг/л	Не более 0,05
Cu, мг/л	Не более 0,02
Нитрат – ион, мг/л	Не более 0,2
Нефтепродукты, мг/л	Не более 0,1

В примечании к табл 6.1. и 6.2. оговаривается, что аммиак дозируется, что бы обеспечить Н₂ в допустимом интервале, а появление Fe более 0,05 мг/л требует анализов на Cr и Ni.

Во все растворы, которые вводяться в контур без предшествующей деаэрации и которые содержат кислорода более чем 0,02 мг/л, дозируется гидразин, концентрация которого должна в два три раза превышать концентрацию кислорода.

Система очистки теплоносителя и воды для подпитки должна работать непрерывно при наличии циркуляции теплоносителя.

При концентрации железа в теплоносителе не более чем 0,05 мг/л контроль за содержанием хрома и никеля возможно не вести. Если же содержание железа больше, то такой контроль ведётся.

Рис. 6.1. Нормируемые допустимые значения концентраций суммы ионов щелочных металлов в зависимости от концентрации борной кислоты (заштрихованная область)

Кроме приведенных требований, которые отображают состояние водного режима, его поддержка осуществляется благодаря работе спецводоочисток: СВО-1, СВО-2, СВО-6, а также по газовым примесям – компенсатором объема.

Если мощность реактора меньше ежели 50 % от номинальной величины, допускается снижение концентрации водорода в теплоносителе менее чем 2,7 мг/л, но не меньше чем 1,2 мг/л. Концентрация кислорода должна соответствовать нормам. При переводе реактора в состояние “горячий останов” содержание водорода не нормируется, а все другие показатели должны соответствовать нормам.

Наряду с нормами воды первого контура при работе на мощности нормируются также показатели при останове для перегрузки топлива, показатели при остановке на ремонт, показатели в период физического пуска реактора и перед его выходом на мощность, показатели теплоносителя в период циркуляционных промывок и при заполнении контура. Т.е. регламентируются все наиболее важные операции, которые проводятся на первом контуре. Главные отличия относятся при этом только к некоторым показателям. Прежде всего к концентрации борной кислоты: она увеличивается до16 г/л, ослабляются требования к содержанию хлора (до 0,15 мг/л), к минимальному рН (до 4,3), к содержанию аммиака, калия и вводится такой показатель, как прозрачность воды.

Регламентируется, что при физическом пуске реактора и начале циркуляции при температуре 80 ^оС вводится гидразин (20...30 мг/л) для связывания кислорода и нитратов. После уплотнения контура вводится аммиак для насыщения фильтров СВО-2 и накопления водорода. Поэтому концентрация аммиака не менее чем 20 мг/л. Так же поступают с гидратом калия. Его дозируют до тех пор, пока не достигнут стабильного и равновесного состояния суммы ионов щелочных металлов в зависимости от концентрации борной кислоты по графику рис.6.1 (на протяжении до 10 суток).

При каждой операции имеются свои приоритеты. Так при заполнении контура обессоленной водой даже при относительно невисокой удельной электропроводности 1,5 мкСм/см, концентрация хлор-ионов не должна превышать 50 мкг/л. При циркуляционной отмывке основное внимание уделяется кислороду, чтобы не допустить превышения его концентрации более чем 20 мкг/л. При отмывке и ее окончании усиливается внимание к прозрачности воды (не менее чем 95 %).

Нормы содержат также показатели воды, что заполняет другие технологические объекты, которые находятся в помещениях повышенной радиционной безопасности, однако непосредственно к первому контуру не относятся: вода бассейна выдержки ТВЭЛов, охлаждения ГЦН, охлаждения систем управления и защиты (СУЗ), охлаждения кольцевого бака, воды запаса в аварийных емкостях и. др..Задача ВХР охлаждения ГЦН и СУЗ - образовать пассивирующую пленку на поверхности металла. Поскольку здесь встречаются разные металлы, то пассиваторами виступают хроматы и бихроматы калия: K₂CrO₄, K₂Сr₂O₇ с концентрациями более ежели 0,5 г/л.

Для кольцевого бака, который вполняется из ст.3 используют как коррегирующий агент борат калия (1...3 г/л Н₃ВО₃ и 0,5 г/л КОН), или хромат калия. В каждом случае пытаются достичь щелочной среды среды, выдерживая рН не ниже 2, а лучше рН= 9, чтобы предотвратить коррозию вследствие образования Н₂О₂ в воде под действием радиоактивного излучения и потока нейтронов.

Нормы также предусматривают объем и требования к контролю качества среды первого контура как автоматического так и лабораторного. Данные этого контроля образуют информационную модель ВХР первого контура и включают сбор, обработку и архивацию данных с непрерывным заполнением базы данных, которые сохраняются на протяжении 10 лет.

Для ручного лабораторного анализа вода отбирается с первого контура: 1- после доохладителя продувки, 1а - с реактора, 2 – за насосами подпитки, а также из вспомогательных систем: за фильтрами механической очистки СВО-1 и СВО-2; за ионитными фильтрами СВО-2; водного и парового среды компенсатора объема.

В нормах имеются также требования к качеству химических реагентов и фильтрующих материалов.

Вопросы для самоконтроля:

1. Объясните особенности организации ВХР первого контура АЭС с ВВЭР.

2. Какие реагенты используются для коррекции рН первого контура?

3. Как подавляется радиолиз воды первого контура?

Дата добавления: 2014-10-15