Поддержание необходимых норм качества воды. 1-го контура требует организации ее очистки. Водоочистка на АЭС с ВВЭР имеет некоторые особенности, определяющиеся спецификой воднохимического режима.
В ВВЭР водные очистные установки (рис. 9.3) наряду с удалением примесей выполняют функции регулятора значения pH, концентрации Н3В03, ингибиторов коррозии и т. п. В ВВЭР применяются фильтрационные водоочистные установки, включающие в себя ионообменные и механические фильтры. В ранних проектах энергетических блоков (I блок НВАЭС, АЭС «Райнсберг» в ГДР и др.) очистка осуществлялась выпарными аппаратами. Применение на большинстве АЭС с ВВЭР борного регулирования реактивности влечет за собой усиление коррозионной агрессивности теплоносителя и требует искусственной корректировки водного режима с автоматическим поддержанием в воде необходимой концентрации таких добавок, как борная кислота, щелочи, аммиак, водород. Основная масса примесей, загрязняющих теплоноситель, образуется в контуре в результате коррозии конструкционных материалов и нарушения герметичности оболочек твэлов. Поступление примесей извне с подпиточной водой может быть сведено к минимуму.
Примеси в теплоносителе могут содержаться в растворенном состоянии, в форме коллоидов или псевдоколлоидов и более или менее грубых взвесей. Продукты коррозии присутствуют в теплоносителе в основном в нерастворенном состоянии. Исследования на АЭС «Райнсберг» [127] показали, что железо более чем на 99 % содержится именно в такой форме. Несколько меньше этот процент для марганца и хрома. Основная часть агрегированной фазы приходится на долю частиц размером 0,6 — 8 мкм, но имеется и заметное количество частиц размером до 15 мкм, в основном продуктов истирания подшипников.
Очистка теплоносителя 1-го контура от нерастворимых загрязнений достигается применением механических фильтров, предусмотренных системой очистки. В ионообменных фильтрах используются ионообменные смолы «ядерного» класса высокой чистоты.
На ВВЭР-440 НВАЭС установки водоочистки имеют два ионообменных фильтра, рассчитанных на работу без сброса давления (рис. 9.4). По проекту один из фильтров должен загружаться катионитом (смола КУ-2-8 чс), другой — анионитом (смола АВ-18-8 чс).
В процессе эксплуатации выяснилось, что для поддержания водного режима в переходных процессах двух фильтров недостаточно. В переходных процессах вследствие изменения запаса реактивности, связанного с влиянием температурных эффектов и «отравления», возникает необходимость оперативного изменения концентрации борной кислоты. Наиболее удобно регулировать концентрацию борной кислоты специально выделенным для этой цели анионитовым фильтром. Этот фильтр при стационарной работе реактора отключается от 1-го контура и подключается к нему только при необходимости уменьшения концентрации жидкого поглотителя нейтронов. Такая схема регулирования концентрации борной кислоты применяется, например, на АЭС «Индиан Пойнт» № 1 (рис. 9.5), на которой очистка теплоносителя производится после снижения его давления [127].
В ВВЭР-440 оказалось возможным один из двух фильтров загрузить смесью катионита и анионита (в соотношении 1:1). При стационарном режиме работы очистка теплоносителя производится только на этом фильтре смешанного действия (ФСД). Второй фильтр загружается анионитом и служит для регулирования концентрации борной кислоты.
Рис. 9.3. Принципиальная схема спецводоочистки (СВО) ВВЭР-440:
1 — реактор; 2 — парогенератор; 3 — главный циркуляционный насос; 4 — регенеративный теплообменник продувки 1-го контура; 5 — доохладитель продувки 1-го контура; 6 — фильтр механический; 7 — фильтр катионитовый; 8 — фильтр анионитовый; 9 — фильтр смешанного действия; 10 — фильтр-ловушка зернистых материалов; 11 — бак «грязного» конденсата; 12 — насосы баков «грязного» конденсата; 13 — эжектор; 14 — приямок трапных вод; 15 — насосы приямка трапных вод; 16 — бак-отстойник; 17 — бак осветленной воды; 18 — насосы осветленной воды; 19 — бак трапных вод; 20 — насосы баков трапных вод; 21 — греющая камера выпарного аппарата; 22 — сепаратор выпарного аппарата; 23 — греющая камера доупаривателя; 24 — сепаратор доупаривателя: 25 — монжюс; 26 — конденсатор-дегазатор;
27 — охладитель сдувок выпарной установки; 28 — насосы деаэрированной воды; 29 — конденсатоотводчики; 30 — охладитель конденсата греющего пара выпарной установки; 31 — охладитель конденсата выпарной установки; 32 — контрольные баки «чистого» конденсата; 33 — насосы «чистого» конденсата; 34 — расширитель продувки парогенераторов; 35 — регенеративный охладитель продувки парогенераторов; 36 — доохладитель продувки парогенераторов; 37 — охладитель дренажа парогенераторов;. 38 — бак дренажа парогенераторов; 39 — насосы дренажа парогенераторов; 40 — контрольные баки «чистой» воды; 41 — насосы контрольных баков «чистой» воды; 42 — охладитель борного конденсата; 43 — приямок борного конденсата; 44 — насосы приямка борного конденсата; 45 — бак борного концентрата; 46 — насосы подачи борного концентрата .
Рис. 9.4. Схема очистки продувочной воды на АЭС с ВВЭР-440:
1 — трубопровод 1-го контура; 2 — главный циркуляционный насос; 3 — регенеративный теплообменник; 4 — доохладитель продувки; 5 — катионитовый фильтр в К+ — NH- форме; б — анионитовый фильтр в ОН -форме
При рабочей концентрации борной кислоты 3 — 4 г/кг скорость снижения концентрации составляет 0,2 г/(кг-ч). Общее количество борат-ионов, поглощаемых в 1 м3 анионита, достигает в пересчете на борную кислоту 100 — 120 кг. После исчерпания обменной емкости анионита по борной кислоте фильтр регенерируется раствором едкого кали.
Фильтры со смешанным слоем недостаточно эффективны к частицам нерастворимых загрязнений. Средний коэффициент очистки от нерастворимых загрязнений на ионообменных фильтрах составляет 3 — 5 [127]. В отдельных случаях накопившиеся нерастворимые загрязнения можно выделить из фильтров в виде высококонцентрированных взвесей. Н-катионитовым фильтрам этот недостаток свойствен в меньшей степени. В связи с этим целесообразно выполнять ФСД со стратифицированными слоями ионитов и располагать внизу смешанный слой или анионит, а поверх него — Н-катионит (при подаче очищаемого теплоносителя сверху). Эффективно также применение катионитовых предфильтров, увеличивающих коэффициент очистки по цезию.
Установки фильтрации высокого давления имеют ряд технологических преимуществ, которые окупают необходимые дополнительные затраты: отпадает необходимость в тракте продувочной воды со сборниками, питательными насосами высокого напора и т. п.; циркуляция воды в системе 1-й контур — водоочистная установка производится за счет перепада давления, создаваемого ГЦН; теплоноситель не обезгаживается, и поэтому отпадает необходимость в интенсивной компенсации потерь водорода, небольшие его потери с утечками легко компенсируются вводом в контур некоторого количества раствора гидразина; отсутствие дегазации воды позволяет отказаться от громоздких установок переработки технологических газовых сбросов, содержащих водород и радиоактивные благородные газы (РБГ). К недостаткам установок высокого давления можно отнести неизбежное накопление в теплоносителе РБГ. Радиоактивные газы могут выделяться из воды 1-го контура при останове реактора и разуплотнении 1-го контура, что требует принятия специальных мер предосторожности.
Производительность установок очистки продувочной воды 1-го контура от истинно растворенных веществ, не выпадающих в отложения и шламы, может быть определена на основании уравнения материального баланса
(9.11)
где W — расход продувочной воды, т/ч; G — количество примесей, поступающих в контур, кг/ч; с — концентрация примесей, кг/т; η сво — КПД водоочистной установки.
Рис. 9.5. Схема очистки продувочной воды АЭС «Индиан Пойнт»:
1 — трубопроводы к 1-му контуру; 2 — регенеративный теплообменник; 3 — емкость для выдержки воды; 4 — волокнистые фильтры (5 мкм ); 5 — линия отвода газовых сдувок; 6 — дегазатор; 7 — холодильник; 8 — Н+ катионитовый фильтр; 9 — фильтр со смешанным слоем; 10 — фильтр с анионитом в ОН- или Н2ВО-форме; 11 — металлокерамический фильтр (10 мкм); 12 — бак для очищенной воды (сатуратор); 13 — спринклеры; 14 — линия подачи водорода с давлением 2 кгс/см2; 15 — питательный насос
Таблица 9.2. Коэффициенты очистки теплоносителя по радиоактивным изотопам на ФСД III блока НВАЭС
Для оценки эффективности установки по очистке воды от нерастворенных веществ (продуктов коррозии) более удобно сопоставлять константы скоростей отложения с константой выведения примесей с продувочной водой:
(9.12)
где W — расход продувочной воды, т/ч; Q — количество теплоносителя в контуре, т.
Для блоков ВВЭР НВАЭС λβ4=0,14-0,2 ч-1, что соответствует периодам полувыведения 7 — 14 ч.
КПД ионообменных фильтров по истинно растворенным веществам, в том числе радиоактивным (изотопы иода и т. п.), обычно высокий. Фильтр смешанного действия позволяет поддерживать высокие коэффициенты очистки по изотопам иода, однако коэффициент очистки по цезию недостаточен (табл. 9.2) [128]. Здесь коэффициент очистки равен отношению концентраций изотопа до и после фильтра.
Большое практическое значение имеет вопрос о радиационной стойкости ионитов, особенно менее стойких анионитов [128]. Экспериментальным исследованием образцов катионита и анионита из ФСД IV блока НВАЭС, находившегося в эксплуатации в течение кампании, установлено [128], что полная обменная емкость анионита уменьшилась почти на 40%. Некоторое уменьшение полной обменной емкости отмечено также и у катионита. Повышение радиационной стойкости ионитов поэтому является актуальной задачей. Важно уменьшить радиационное воздействие на иониты соответствующим подбором водно-химического режима и конструкции водоочистительных фильтров. В этом случае для предохранения анионитов перед фильтром смешанного действия полезно устанавливать Н-катионитовый предфильтр, снижающий активность теплоносителя на один-два порядка.
