Требования к воде первого контура. Водный режим ЯЭУ и требования к качеству воды зависят от установки (одноконтурная или двухконтурная), от типа ПГ (прямоточный, с естественной или многократно принудительной циркуляцией), от типа конструкционных материалов, от применяемого газа в компенсаторах объема и других факторов. Водный режим ЯЭУ должен обеспечить предотвращение различных видов местной коррозии, опасной скорости общей коррозии и отложений на поверхностях твэлов, трубной системы ПГ и проточных частей турбин. Выбирая тот или иной водно-химический режим, необходимо, кроме того, учитывать удобство и безопасность обслуживания, а также влияние на окружающую среду.
В первом контуре двухконтурных ЯЭУ с ВВР наблюдается лишь поверхностное кипение, которое не приводит к глубокому упариванию и, следовательно, концентрированию примесей воды. В районе интенсивного обогрева не могут образовываться какие- либо значительные мертвые застойные зоны, поэтому растворенные в воде примеси находятся в практически постоянных условиях по всему контуру, так что колебания их концентрации в объеме контура оказываются небольшими.
В двухконтурных ЯЭУ возможность отложений взвешенных веществ на твэлах и других поверхностях, омываемых теплоносителем, значительно меньше, чем в системах с развитым кипением, что снижает вероятность опасного повышения температуры поверхности твэлов и заметных сужений отдельных сечений каналов.
Оптимизация водного режима первого контура связана с рядом специфических факторов, к числу которых относится широко применяемое в реакторах с водой под давлением борное регулирование запаса реактивности. Введение непосредственно в теплоноситель борной кислоты приводит к резкому снижению pH среды и как следствие — к необходимости некоторой коррекции водного режима путем подщелачивания. Содержание борной кислоты в теплоносителе по мере выгорания ядерного топлива снижается от 8—13 г/кг практически до нуля [34]. Так как концентрация корректирующих добавок едкой щелочи находится в тесной взаимосвязи с содержанием бора в контурной воде при лимитированном пределе изменения pH, то естественно, что должно быть обеспечено планомерное снижение суммарной концентрации щелочных ионов.
Если в качестве конструкционных материалов реакторов и ПГ применяются аустенитные нержавеющие стали типа 1Х18Н9Т, то основной задачей водного режима является предотвращение коррозионного растрескивания под напряжением. Поэтому для обеспечения необходимой долговечности и надежности оборудования первого контура в этом случае основное внимание должно быть обращено на снижение содержания хлор-иона, а также, особенно в условиях щелочного водного режима, на глубокое обескислороживание воды.
При применении углеродистых сталей, не подверженных коррозионному растрескиванию, но имеющих значительно большую скорость общей коррозии, основной задачей водного режима является уменьшение содержания в воде кислорода, поддержание щелочного режима и уменьшение содержания хлор-ионов. Общим
требованием к воде первого контура независимо от применяемых конструкционных материалов является глубокое обессоливание воды.
Установленные как за рубежом, так и в СССР нормы качества воды первого контура регламентируют такие параметры, как общая жесткость, водородный показатель pH, содержание растворенного кислорода, хлоридов, сухой остаток, общее солесодержание. Особенно жестко должны соблюдаться предельно допустимые концентрации хлоридов из-за чувствительности нержавеющей стали к коррозионному растрескиванию в их присутствии, а также предельно допустимые концентрации растворенного кислорода. Последнее требование особенно важно при применении азота в компенсаторах объема. В случае же использования гелия и1 других инертных газов радиационный синтез азотной кислоты незначителен из-за малого количества азота в воде первого контура.
Важной характеристикой воды первого контура является ее удельная активность, которая в нормальных условиях эксплуатации должна быть не более 10-4 К и/кг. Радиоактивные продукты коррозии, образовавшиеся в результате перехода их в теплоноситель при разрушении оксидных пленок конструкционных материалов активной зоны и активировании при многократном, облучении в активной зоне продуктов коррозии, смытых с остальных участков контура, затрудняют доступ к оборудованию и трубопроводам во время ремонта, что снижает безопасность эксплуатации ЯЭУ.
Особенностью радиоактивных отложений является проникновение нуклидов в толщу оксидной пленки, поэтому ликвидация активности возможна только при полном удалении прочно связанной с поверхностью металла защитной пленки. Этим обусловлена основная трудность при проведении дезактивации поверхностей конструкционных материалов.
Состав отложений на различных поверхностях контура более чем на 70% сформирован из оксидов железа, однако основной вклад в активность обусловлен образованием радионуклидов из входящих в состав конструкционных материалов примесей. Установлено, что через несколько суток после остановки реактора активность оборудования первого контура в основном определяется активностью следующих нуклидов коррозионного происхождения: 60Со (Т|/2=5,3 года), 58Со (71 сут), 65Zn (245 сут), 51Сг (28 сут), 59Fe (45 сут), 54Мп (310 сут). При этом главным источником активности является 60Со, активность которого не менее чем на три порядка превосходит активность остальных радиоактивных нуклидов.
Среди радиоактивных нуклидов особое место занимает тритий. Значимость этого нуклида определяется его большим периодом полураспада (12,26 года) и тем, что он, являясь элементом самой воды, не удаляется из нее в процессе концентрирования или сепарации. Основным источником появления трития является образование его непосредственно в теплоносителе из растворенного бора, а также в результате диффузии через оболочки твэлов трития, образующегося как продукт деления в урановом сердечнике.
Рис. 6.3. Изменение во времени активности главных циркуляционных трубопроводов
Количество радиоактивных отложений в начале эксплуатации монотонно возрастает до некоторого предела, определяемого выравниванием темпов осаждения и смытия продуктов коррозии (рис. 6.3). В случае выхода в теплоноситель топливной композиции активность узлов первого контура возрастает на несколько^ порядков по сравнению с нормальным равновесным уровнем. Продукты деления ядерного топлива могут присутствовать в теплоносителе в результате разгерметизации оболочек твэлов или незначительного загрязнения поверхности оболочек ураном в процессе изготовления твэлов. Эта радиоактивность большей частью не связана с поверхностями системы, а находится в теплоносителе в растворенном состоянии и поэтому легко удаляется в процессе ионного обмена.
Качество воды для первичного заполнения первого контура, а также для подпиточной воды должно удовлетворять следующие требованиям [1, 35]:
Значение pH........................................................................... От 6,5 до 8,5
Содержание кислорода................................................... Не более 0,01—0,015 мг/л
Содержание хлоридов........................................................... Не более 0,02 мг/л
Содержание солей.................................................................. 0,5—I мг/л
Сухой остаток......................................................................... 1,0—1,5 мг/л
В судовых установках жесткость воды и содержание в ней кремниевой кислоты незначительны, поэтому нормирование их не обязательно. Нормирование по сухому остатку делает не обязательным нормирование по количеству продуктов коррозии. Нормирование же числа pH делает излишним нормирование содержания диоксида углерода.
В зависимости от применяемых материалов требования к воде первого контура могут изменяться, причем в наибольшей степени это относится к показателю pH. Так, в случае применения аустенитных нержавеющих сталей и циркония рН=6-^8, а для углеродистых сталей рН=8,5~9,5. Высокое значение pH достигается введением в воду первого контура или в воду заполнения контуров щелочей NH4OH, КОН, LiOH, аммиака, а также применением в фильтрах очистки воды катионитов в аммонийной форме RK(NH4). Применение для этих целей NaOH недопустимо из-за высокого уровня наведенной радиоактивности натрия.
Требования к воде второго контура.
На начальной стадии создания и эксплуатации двухконтурных ЯЭУ с ВВР второй (парогенерирующий) контур как достаточно удаленный от ядерного реактора рассматривался как контур обычной паросиловой установки среднего давления на органическом топливе. Соответственно невысокими были и требования к качеству питательной воды, не предусматривалась очистка турбинного конденсата, ликвидирующая загрязнения, обусловленные (присосами охлаждающей воды. Однако опыт эксплуатации показал, что имевшие место коррозионные повреждения трубной системы ПГ в значительной степени оказались следствием неправильного водного режима второго, т. е. кипящего, контура. Это потребовало пересмотра взглядов на организацию водного режима второго контура и совместного рассмотрения вопросов водного режима, выбора материалов и разработки конструкции ПГ.
Парогенераторы двухконтурных ЯЭУ принадлежат в равной мере как к первому, так и ко второму контуру, и перетечки par диоактивного теплоносителя через неплотности и коррозионные повреждения могут происходить именно в этой части ЯЭУ. Кроме того, образование отложений на трубках ПГ со стороны второго контура, включающих примеси охлаждающей воды и продукты коррозии, интенсифицирует процессы коррозии поверхностей ПГ и снижает коэффициент теплопередачи.
Основные задачи организации водно-химического режима второго контура состоят в поддержании минимальной скорости коррозии поверхностей оборудования контура, предотвращении концентрирования отложений различных типов на трубной системе и других элементах ПГ, а также обеспечении минимального уровня активности воды, оборудования и трубопроводов второго контура. Это достигается поддержанием регламентированной чистоты воды ПГ, соответствующей возможному минимальному содержанию коррозионно агрессивных примесей, и поддержанием в оптимальных пределах корректирующих химических добавок и требуемых по условиям применяемых конструкционных материалов значений pH.
Вода второго контура нормируется в основном по тем же показателям, что и вода первого контура.
Ниже приведены принятые в СССР показатели качества воды второго контура для двухконтурных ЯЭУ с во до-водяными реакторами [34]. Эти рекомендации примерно одинаковы во всех странах и мало зависят от конструкции ПГ:
Значение pH................................................................................ 9—10
Содержание кислорода............................................................... <0,02 мг/л
Содержание хлоридов ............................................................... <1 мг/л
Удельная электрическая проводимость . . . . . . . <25 мкСм/см
Содержание кремния ................................................................ <5 мг/л
При принятом гидразинно-аммиачном режиме второго контура концентрация кислорода в конденсатно-питательном тракте должна быть снижена до минимально возможных значений, что находит свое отражение в нормах по содержанию кислорода в питательной воде. Нормирование концентрации кислорода в питательной воде за деаэратором до ввода обескислороживающего реагента (гидразингидрата) на уровне 10 мкг/кг отвечает глубине деаэрации, достижимой в современных термических деаэраторах, а норма содержания кислорода перед деаэратором 30 мкг/кг требует принятия мер, ограничивающих подсос воздуха в вакуумной части конденсатного тракта.
Определяющее влияние на требования к воде второго контура оказывают конструкционные материалы парогенерирующих труб. В начальный период развития ЯЭУ во всех странах применяли аустенитную нержавеющую сталь. Зарубежные фирмы, не желая переходить на очистку конденсата турбин, в дальнейшем заменили аустенитную сталь высоконикелевым сплавом инконель-600, подверженным в меньшей степени хлоридному коррозионному растрескиванию под напряжением. Однако эксплуатация ЯЭУ показала, что этот сплав подвержен коррозионному растрескиванию под напряжением при достижении некоторой (критической) концентрации щелочи, что при определенных условиях становится возможным в ПГ с многократной циркуляцией и вертикальной компоновкой парогенерирующих труб. В этих ПГ трудно обеспечить равномерное омывание всех участков поверхности нагрева потоком кипящей жидкости и отсутствие рыхлых отложений продуктов коррозии на обогреваемых поверхностях (особенно у стыка труб с трубной доской). В результате становится возможным глубокое упаривание различных нелетучих примесей вблизи отдельных участков обогреваемой поверхности.
Чтобы сохранить конструкционный материал и вертикальную конструкцию ПГ, американские фирмы вынуждены были отказаться от коррекционного фосфатного режима и перейти на гидразинно-аммиачный режим.
В настоящее время общей тенденцией развития двухконтурных ЯЭУ является постепенный переход на очистку турбинного конденсата.
Поскольку при использовании прямоточных ПГ продувка ПГ невозможна требования к качеству питательной воды в этом случае особенно высоки, что обусловливает необходимость очистки: всего потока турбинного конденсата.
