Особенности водно-химического режима в контурах ЯЭУ

Задачи водно-химического режима
Водно-химический режим (ВХР) - это целесообразное для каждого конкретного случая сочетание конструкционных и эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих необходимые физико-химические характеристики воды в контурах ЯЭУ.
Поддержание оптимального ВХР необходимо
- для уменьшения интенсивности коррозионных процессов и
- для предотвращения отложений и накипи на поверхностях оборудования.

Физико-химические процессы
Реактор является мощным источником ионизирующего излучения. Под воздействием этого излучения теплоноситель и находящиеся в нем примеси активируются.
Примеси в теплоносителе могут быть как естественные, находящиеся в растворенном состоянии, так и образовываться в результате коррозионного взаимодействия воды с конструкционными материалами контура.
В процессе эксплуатации естественные примеси остаются практически неизменными, а содержание продуктов коррозии непрерывно возрастает.
В теплоноситель могут попадать продукты деления ядерного топлива при работе реактора с поврежденными твэлами.
Обычно различают два вида неплотностей оболочек твэлов:
1- газовая неплотность, когда в теплоноситель попадают нуклиды благородных газов (криптон, ксенон) и осколки деления, летучие при рабочей температуре (цезий, йод);
2 – неплотности, при которых возможен прямой контакт теплоносителя с топливом, в результате чего в теплоноситель могут попадать нелетучие осколки деления и частицы топлива.
Все вместе это загрязняет контур теплоносителя.

Физико-химические процессы
Радиолиз воды – разложение воды на водород и кислород под действием реакторного излучения. Реакция имеет вид:
2Н2О 2Н2 + О2
Обычно на практике радиолиз воды не вызывает заметных изменений её физико-химических свойств. Однако следует учитывать тот факт, что продукты радиолиза могут привести к интенсификации коррозии конструкционных материалов, может образоваться взрывоопасная смесь кислорода и водорода (гремучая смесь)
Примеси, содержащиеся в воде могут осаждаться в реакторе, парогенераторе, насосах, трубопроводах, арматуре. Наиболее опасны отложения на поверхностях твэлов.
Такие отложения ускоряют процессы коррозии оболочки, приводят к ухудшению теплообмена между твэлом и теплоносителем, в результате чего температура топлива и оболочки возрастает, и это может привести к разрушению твэла.

Физико-химические процессы
Особенно важно учитывать эти процессы в одноконтурных ЯЭУ с кипящей водой в качестве теплоносителя, т.к. в процессе кипения концентрация примесей в воде увеличивается, а следовательно, увеличивается вероятность их осаждения на поверхности твэлов.
Отложения на поверхности парогенератора менее опасны. Они приводят к ухудшению теплопередачи, а температура металла остается ниже температуры теплоносителя. Конечно, с учетом возможного загрязнения поверхность теплообмена парогенератора приходится выбирать с определенным запасом.
Отложения на элементах циркуляционных насосов и арматуры могут ухудшить их работу, вызвать повышенную активность, затруднить ремонт.

Мероприятия ВХР (теплоноситель)
Чтобы снизить негативное влияние физико-химических процессов, необходимо при эксплуатации АЭС поддерживать концентрацию примесей на определенном уровне.
Это достигается организационными и конструкционными мероприятиями. Ведение вводно-химического режима в значительной степени зависит от типа реактора.
Для реакторов типа ВВЭР широко применяется борная кислота для регулирования реактивности. Она хорошо растворяется в воде, довольно устойчива в радиационных условиях.
Однако ее присутствие изменяет рН теплоносителя, увеличивает переход продуктов коррозии в воду, что может интенсифицировать процесс коррозии сталей.
Для нейтрализации борной кислоты в теплоноситель добавляют щелочь: в российской практике – это КОН, в зарубежной практике – это LiOH.

Мероприятия ВХР (теплоноситель)
Для подавления процесса радиолиза воды в первый контур добавляется избыточный водород в форме аммиака, который разлагается по реакции
и создает необходимую концентрацию водорода в теплоносителе. Таким образом, ВХР первого контура ВВЭР можно охарактеризовать как коррекционный аммиачно-калиевый.
Для уменьшения содержания естественных примесей и продуктов коррозии в теплоносителе осуществляется постоянная продувка теплоносителя, т.е. очистка теплоносителя на механических и ионообменных фильтрах. Так, например, для реактора ВВЭР-1000 расход продувки составляет ≈ 30-35 т/час.
Кроме этого, поверхности первого контура, контактирующие с теплоносителем, изготавливаются из коррозионностойких материалов.
2NH3 3Н2 + N2

Мероприятия ВХР (теплоноситель)
Для уменьшения вероятности осаждения примесей на поверхностях оборудования при проектировании контура необходимо избегать застойных зон, а режим течения теплоносителя должен быть турбулентным.
Чтобы не допускать образования взрывоопасной смеси кислорода и водорода, необходимо предусмотреть возможность периодического удаления такой смеси из мест возможного ее скопления.
Для одноконтурных ЯЭУ с реакторами, охлаждаемыми кипящей водой, борное регулирование не применяется. Это связано с тем, что в таких системах сложно поддерживать заданную концентрацию борной кислоты: борная кислота довольно хорошо растворяется в паре и может уноситься в турбину, где возможно ее высаждение в проточной части; в конденсатоочистке также возможно ее удаление из конденсата.

Мероприятия ВХР (теплоноситель)
Процесс радиолиза в реакторах, охлаждаемых кипящей водой, протекает в условиях, благоприятствующих интенсивному разложению водного теплоносителя, так как водород и кислород удаляются вместе в паром, и концентрация продуктов радиолиза в водной фазе стремится к нулю. Соответственно никаких корректирующих добавок, влияющих на процесс радиолиза, в теплоноситель не вводится.
Таким образом, вводно-химический режим РБМК является бескоррекционным.
Поскольку содержание примесей в теплоносителе контролируется очень строго, то для подержания необходимого качества воды контура многократной принудительной циркуляции (КМПЦ) используется продувка с расходом ≈ 200 т/час.
Дополнительно осуществляется очистка конденсата после конденсатора. В отличие от ЯЭУ с реактором ВВЭР для блоков с реакторами типа РБМК осуществляется глубокая очистка всего турбинного конденсата на механических и ионообменных фильтрах. Очистка конденсата от растворенных газообразных примесей осуществляется в деаэраторе.

Мероприятия ВХР (рабочее тело)
Во втором контуре двухконтурной ЯЭУ и в турбинной части одноконтурной ЯЭУ кроме коррозии конструкционных материалов имеют место также следующие процессы.
Т.к. давление в конденсаторе турбины поддерживается довольно низким (0,004-0,006 МПа), то возможны присосы воздуха через неплотности соединения корпуса конденсатора с выхлопным патрубком турбины.
Для одноконтурных ЯЭУ следует учитывать также поступление в конденсатор радиолитических водорода и кислорода, а также газовых осколков деления.
Кроме этого, возможно поступление охлаждающей воды через неплотности в местах заделки трубок в трубные доски.
В результате присоса газов в конденсаторе ухудшается вакуум, ухудшается теплоотдача при конденсации пара, интенсифицируются процессы коррозии.
Для удаления неконденсирующихся газов из конденсатора используются эжекторы.
Дополнительная дегазация конденсата и питательной воды осуществляется в деаэраторах