В данной статье авторами проанализирован процесс протекания слабощелочного восстановительного аммиачно-калиевого водно-химического режима и его влияние на основное оборудование на примере реактора ВВЭР-1000.
Ключевые слова: реактор, ВВЭР-1000, коррозия, водно-химический режим, реакция, регулирование, изотоп, ТВС, интенсивность.
Население земли на сегодняшний день составляет 7 миллиардов, по подсчетам ООН это число может достигнуть 10 миллиардов к 2040 году. Большое количество населения увеличивает потребность в ресурсах. Одним из таких ресурсов является электрическая энергия. Исследование данной проблемы заставляет задуматься о таких вопросах, как экономичность, эффективность и экология. Решением этой проблемы может послужить ядерная энергетика, так как данная отрасль соответствует вышеуказанным требованиям. Основой ядерной энергетики является реактор. В данной статье исследуется реактор серии ВВЭР-1000. В настоящий момент в мире эксплуатируется 57 реакторов ВВЭР (почти 13 % от общего количества действующих энергетических реакторов в мире) на 20-ти атомных станциях в 11 странах. Водо-водяной реактор, гетерогенный корпус с тепловыми нейтронами, с водой в качестве теплоносителя, замедлителем и отражателем нейтронов [1, c. 604]. Распространенность данного типа реактора объясняется хорошей изученностью, отсутствием опасных аварий, безопасностью технологии и большим опытом эксплуатации. А самой главной характеристикой является окупаемость и экономическая эффективность. Растущий спрос на электроэнергию вынуждает к строительству новых энергетических мощностей на базе этого реактора. Данный аспект увеличивает интерес к изучению режимов эксплуатации реактора. Одним из таких является водно-химический режим, в котором контролируется качество воды в реакторе. Эти убеждения увеличивают консервативность и актуальность данной работы.
Приоритетной задачей организации водно-химического режима первого контура является обеспечение длительной эксплуатации оборудования реакторной установки и топлива без коррозионных повреждений и снижения экономичности, вызванных образованием отложений на поверхности твэлов, коррозионным износом основного оборудования и т. д.
Рис. 1. Общая компоновка ЯЭУ ВВЭР-1000
К задачам водно-химического регулирования относятся следующие:
– мягкое регулирование реактивности в течении циклов работы установки;
– подавление образования окислительных продуктов радиолиза теплоносителя при работе энергоблока на установленной мощности;
– проектную коррозионную стойкость конструкционных материалов оборудования и трубопроводов в течение всего срока эксплуатации энергоблока;
– минимальное количество отложений на поверхностях твэлов активной зоны и теплообменной поверхности парогенератора;
– минимизацию накопления активированных продуктов коррозии [2, c.176–187].
Мягкое регулирование реактивности активной зоны реактора осуществляется за счет изменений в теплоносителе концентрации борной кислоты, в зависимости от запаса реактивности активной зоны реактора.
Оптимальное ведение водно-химического режима первого контура и функционирование средств его поддержания являются одним из условий минимизации накопления активированных продуктов коррозии, а также радиоактивных отходов и сброса этих отходов в окружающую среду. Также при ведении ВХР не следует забывать о накоплении лития, являясь щелочным он очень быстро входит в реакцию с металлом корпуса и негативно влияет. Это сказывается на сроке службы оборудования. Литий образуется из-за борного регулирования реактора, то есть по следующей реакции:
10В + nα > 7Li + 4Не + Еy
где α — α-частицы; Еy — энергия y-излучения.
Присутствие в теплоносителе борной кислоты приводит к снижению водородного показателя рН теплоносителя, поэтому для нейтрализации кислотных свойств раствора в теплоноситель вводится гидроксид калия:
Н3ВО3 + КОН → КН2ВО3 + Н2О
Подавление образования окислительных продуктов радиолиза обеспечивается поддержанием в теплоносителе концентрации водорода в пределах допустимого диапазона посредством непрерывного или периодического дозирования аммиака или гидразингидрата, которые радиолитически разлагаются с образованием водорода и азота:
2NH3 → ЗН2 + N2
N2H4 → 2NH3 + N2 + Н2
Накопление продуктов коррозии в первом контуре определяется скоростью коррозионных процессов. Основным конструкционным материалом оборудования и трубопроводов первого контура, находящегося в контакте с теплоносителем, является аустенитная хромоникелевая стабилизированная титаном сталь марки 08Х18Н10Т. Корпус реактора ВВЭР-1000 изготовлен из углеродистой стали марки 15Г10НМФА, на внутренней поверхности которой выполнена антикоррозионная наплавка из аустенитной стали [3, c. 253].
С участием кислорода могут протекать окислительные реакции с металлом типа
2хМе + уО2 → 2Меx0y
или реакции с продуктами коррозии типа
2Сr2 O3 + 3O2 + 4Н2О → 4Н2СrO4
Продукты коррозии при циркуляции теплоносителя по первому контуру активируются в реакторе и образуют радиоактивные отложения на внутренних поверхностях оборудования и трубопроводов, а также на поверхностях тепловыделяющей сборки (ТВС), включая оболочки тепловыделяющих элементов. Накопление в отложениях на оборудовании и трубопроводах первого контура радиоактивных долгоживущих изотопов коррозионного происхождения, главным образом радионуклидов — 51Cr, 54Mn, 59Fe, 60Со, 58Со, приводит к ухудшению радиационной обстановки, усложнению проведения ремонтных работ, а также вызывает необходимость проведения дезактивации оборудования.
Для обеспечения минимальной скорости коррозии аустенитной стали и циркониевого сплава ТВС необходимо ограничение в теплоносителе содержания коррозионно-агрессивных примесей, включая растворенный кислород, хлорид-ион, фторид-ион.
Снижение интенсивности процессов роста отложений на теплопередающих поверхностях и накопления активированных продуктов коррозии на поверхности обслуживаемого оборудования при работе на установленной мощности обеспечивается поддержанием суммарной молярной концентрации ионов щелочных металлов (калия, лития и натрия) в соответствии с оптимизированной зависимостью их от текущей концентрации борной кислоты.
Заключение
Необходимым условием долгой эксплуатации является контроль показателей качества теплоносителя и поддержание в диапазонах допустимых значений. В результате этого обеспечивается целостность топливных кассет активной зоны реактора, проектный ресурс оборудования первого контура и удовлетворительная радиационная обстановка при ремонте оборудования. Важным условием этого служит правильное регламентирование уровней отклонения для показателей качества. Также для каждого уровня отклонений должны быть соблюдены как максимальные отклонения показателей качества теплоносителя, так и максимально допустимое время работы энергоблока на мощности при этих отклонениях. В итоге этих мероприятий можно обеспечить надежную эксплуатацию основного оборудования за установленный срок службы и предотвратить возникновения чрезвычайных ситуаций.
Литература:
- С. А. Андрушечко, А. М. Афронов, Б. Ю. Васильев, В. Н. Генералов, К. Б. Косоуров, Ю. М. Семченков, В. Ф. Украинцев. АЭС с реактором типа ВВЭР-1000. От физических основ эксплуататции до эволюции проекта — М.: Логос, 2010.
- Локтева Д. В., Попов А. М., Ганиев Р. И., Новоселов И. В. Методы борьбы с коррозией трубопроводов // Аллея науки. 2017. № 7.
- Маргулова Т. Х. и Мартынов О. И. Водные режимы тепловых и атомных электростанций: учеб. Пособие для ВТУЗов — М.: Высшая школа 1987.
