Особенностью водно-химического режима первого контура АЭС с реактором ВВЭР является регулирование реактивности реактора добавлением в циркуляционную воду раствора борной кислоты до концентрации 13 г/л. Борная кислота обладает рядом преимуществ: она растворима в воде и ее растворимость растет с повышением температуры; практически не реагирует с материалами первого контура; не создает отложений на внутренней поверхности реактора. Вместе с тем борная кислота снижает pH воды первого контура (см. § 3.3). Для увеличения pH воды в контур дозируется щелочь. При выборе щелочи исходят из следующих соображений: по своей агрессивности к циркониевым сплавам щелочи располагаются в следующий ряд:
(5.11)
поэтому аммиачный водный режим наиболее безопасен в отношении оболочек твэлов из сплавов циркония. Однако аммиак при высокой температуре (около 300 °C) мало диссоциирован, поэтому его свойства как щелочи ослабевают. Для поддержания необходимого pH требуется высокая концентрация аммиака (до 100 мг/л), что приводит к увеличению содержания водорода за счет радиолиза и к возможному водородному охрупчиванию стали (см. § 2.1).
Применение NaOH недопустимо в связи с сильным увеличением активности воды за счет появления радионуклида Na-24 с периодом полураспада 15 ч и энергией γ-квантов 2,75 МэВ.
При использовании LiOH образуется радиоактивный тритий по реакции
(5.12)
Тритий входит в состав воды (Т2О) и поэтому не может быть удален из первого контура реактора. Тем самым создается радиационная опасность для персонала АЭС при разгерметизации контура, например при перегрузках твэлов.
Выбор был остановлен на КОН; хотя калий также активируется собразованием радиоактивного атома по реакции
однако активность радионуклида К-42
невелика.
На зарубежных АЭС используется LiOH без нуклида 6Li. Преимуществом LiOH является большая химическая активность, поэтому его содержание в воде контура может быть снижено по сравнению с КОН в несколько раз. В то же время LiOH накапливается в контуре при облучении бора нейтронами:
(5.13)
За одну кампанию в первом контуре ВВЭР-440 накапливается до 800 г лития, таким образом, фактически нейтрализация борной кислоты производится смесью LiOH и КОН.
При регулировании pH воды едкими щелочами необходимо учитывать, что высокие концентрации щелочи могут привести к коррозии циркониевых сплавов (см. § 2.3). Поэтому для стабилизации концентрации КОН на небольшом постоянном уровне в воду добавляется аммиак.
Аммиачно-калиевый водный режим позволяет очень удобно нейтрализовать борную кислоту. При работе реактора и высокой температуре воды, когда степень диссоциации борной кислоты незначительна, мала диссоциация и NH4OH, и его основные свойства выражены слабо. Нейтрализация борной кислоты в этих условиях в основном производится КОН. При низкой температуре во время остановки реактора основные свойства аммиака позволяют поддерживать необходимое значение pH без дополнительного увеличения концентрации КОН.
Для связывания свободного кислорода в воду первого контура вводится гидразин, который взаимодействует с кислородом по реакции
(5.14)
Введение гидразина в воду особенно целесообразно при ремонтных работах на открытых реакторах, когда кислород попадает в воду в больших количествах. _
Основными загрязнениями воды первого контура являются продукты коррозии конструкционных материалов, в первую очередь Fe3O4 и хлориды. Последние попадают в контур вместе с подпиточной водой и корректирующими добавками — борной кислотой, щелочью, аммиаком, гидразином.
Таким образом, нормальный водно-химический режим первого контура ВВЭР может быть обеспечен при выполнении следующих условий: а) поддержание pH воды в заданных пределах; б) ограничение содержания хлоридов и фторидов; в) эффективное удаление продуктов коррозии и других примесей из воды. Очистка проводится на иоиит- ных фильтрах без снижения давления или со снижением его до 2 МПа, что практически исключает выделение из воды растворенного водорода. Катионит в фильтрах работает в смешанной аммонийно-калиевой (К—МН4)-форме (см. § 13.9). Оптимальное соотношение ионов К+ и NH4+ в катионите и воде создается в процессе работы фильтра. Вначале катионит переводится в NН4-форму за счет поглощения избытка аммиака из воды. Затем, после выхода на мощность, в воду дозируется КОН. Между фильтром и водой устанавливается равновесие по содержанию калия. По достижении определенной концентрации КОН в воде подача его прекращается, и в дальнейшем дозируется только аммиак. Для увеличения концентрации КОН его вытесняют из катионита добавлением в воду аммиака. Для снижения содержания КОН подключается резервный фильтр в Н-форме, при этом часть ионов К+ и ΝΗ4+ сорбируется катионитом.
В начале кампании большое содержание бора в контуре создается подпиткой реактора раствором борной кислоты высокой концентрации. Снижение содержания борной кислоты в течение кампании осуществляется подпиткой контура чистой водой, при этом борная кислота медленно выводится из контура с организованными проточками и специально сливаемой из контура водой, так называемым сливом первого контура.
В конце кампании для быстрого увеличения реактивности реактора подключается резервная цепочка фильтров на установке очистки организованных протечек и слива контура (см. § 13.9), при этом борная кислота выводится посредством поглощения очищенным от борной кислоты анионитом в ОН-форме.
Нормы качества воды (см. табл. 5.1) [10, 34] устанавливают максимально допустимое содержание продуктов коррозии, кислорода, хлоридов и некоторых других веществ, а также оптимальное значение pH и необходимую концентрацию калия, лития, натрия, аммиака и водорода.
Таблица 5.1. Качество воды первого контура
