Очистка теплоносителя на АЭС

Физико-химические процессы протекающие в контуре охлаждения АЭС
    Работа атомной энергетической установки сопровождается весьма существенными физико-химическими процессами, протекающими в ее контурах. Это связано прежде всего с тем, что ядерный реактор является мощным источником ионизирующего излучения, а так-же с коррозионным воздействием теплоносителя на конструкционные материалы. Физико-химические процессы протекают в тесной связи с тепловыми процессами, оказывая взаимное влияние друг на друга. Это требует дополнительного специфического оборудования. Рассмотрение основных физико-химических процессов целесообразно провести на основе тех же схем, что и для теплового оборудования АЭС (смотри упрощенную тепловую схему).
    На АЭС с водным теплоносителем необходимо обеспечить весьма высокую чистоту воды первого контура. Примеси, содержащиеся в воде, могут вызвать отложения на элементах первого контура — в реакторе, насосе и арматуре.
    Особенно опасны отложения на тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) реактора, так как это не только приводит к снижению коэффициента теплопередачи, но может вызвать и аварийную ситуацию. Температура оболочки ТВЭЛов всегда выше температуры теплоносителя. Превышение это тем больше, чем больше толщина отложений и тепловая нагрузка. По данным казахстанских специалистов в Республике за время деятельности предприятий ядерно-топливного цикла (урановых рудников, заводов по обогащению урана и изготовления реакторного топлива и др.) накоплено более 200 млн. тонн радиоактивных отходов суммарной активностью 15,5 млн. кюри.
Для реакторных ТВЭЛов, тепловая нагрузка неравномерна и достигает 1,2-10⁶—1,5-10⁶ Вт/м², составляя в среднем 0,3- 10⁶ — 0,5-10⁶ Вт/м². Поэтому отложения в реакторе могут вызвать ухудшение теплопередачи, сильный нагрев и как следствие разрушение оболочек ТВЭЛов. При разрушении оболочек происходит значительная активация теплоносителя за счет выхода в него продуктов деления. При превышении активности в контуре выше определенного предела необходим останов реактора.

Радиационные процессы в контуре многократной принудительной циркуляции.
    1. Образование новых изотопов. При взаимодействии ионизирующего излучения с теплоносителем и находящимися в нем примесями образуются радиоактивные нуклиды, служащие дополнительным источником активности, что приводит к повышенной радиоактивности самого теплоносителя. Условно различают газовую, осколочную активность теплоносителя, а также активность примесей в теплоносителе.
    Газовая активность водного теплоносителя вызывается образованием радиоактивных нуклидов, например, по следующим реакциям: Физика атомного ядра Справочник по основным разделам физики

    Наибольшую опасность из новообразованных нуклидов представляет изотоп азота 16N. Накопление трития T может происходить также в результате реакций:

первая из которых может иметь место при регулировании реактивности реактора с помощью раствора борной кислоты, а вторая — при использовании гидроокиси лития для поддержания щелочной реакции теплоносителя и нейтрализации борной кислоты.
    Активация примесей вносит существенный вклад в радиоактивность теплоносителя. Речь идет прежде всего о естественных примесях: растворенных в теплоносителе солях натрия, кальция, магния и др. Одним из нуклидов, вносящих существенный вклад в радиоактивность примесей, является ²⁴Na с периодом полураспада 15 ч, который излучает жесткие гамма кванты. Образуется этот нуклид по реакциям:

    В связи с такого рода активацией примесей водный теплоноситель первого заполнения, так же как и подпиточная вода, должен быть не только умягчен, но и деионизирован.
    Введенные для разных целей в первый контур вещества также могут активироваться.
    Так, на АЭС бывшего СССР получило распространение добавление в теплоноситель едкого кали при регулировании реактивности реактора, при этом образуется радиоактивный нуклид ⁴²К с периодом полураспада 12,4 ч по реакции:

    Однако содержание ⁴¹К в природной смеси не превышает 6,9 %, поэтому вклад активности ⁴²К в общую активность теплоносителя мал.
    Активность теплоносителя вызывается также коррозией активированных материалов активной зоны и активацией продуктов коррозии конструкционных материалов контура в процессе их миграции через активную зону. Ниже приведены основные реакции, по которым происходит активация продуктов коррозии, в скобках приведен период полураспада:

    Радиоактивные примеси могут осаждаться в различных местах контура и тем самым сильно затруднять обслуживание оборудования.
    Осколочная активность теплоносителя является результатом попадания продуктов деления ядерного топлива при работе с поврежденными твэлами. Обычно различают две стадии повреждения твэлов:
    1) газовые неплотности, когда в теплоноситель попадают нуклиды благородных газов (криптона и ксенона) и осколки деления, летучие при рабочей температуре твэлов (йод, бром, цезий);
    2) повреждения, сопровождающиеся контактом топлива с теплоносителем, что может привести к попаданию в контур нелетучих нуклидов (молибдена, церия и др.), не говоря уже о возможном выносе в контур частиц топлива. Последние, как и примеси в теплоносителе, загрязняют первый контур.
    2. Радиолиз водного теплоносителя. Это процесс разложения воды под действием ионизирующего излучения. Вследствие специфических условий реакторной установки (высоких температур, дополнительных химических добавок в теплоноситель первого контура) процесс радиолиза может изменяться. Если для радиолиза чистой воды при низкой температуре реакция имеет вид:
2H₂0 <=> H₂O₂ + O₂
то, например, для первого контура реакторов с водой под давлением:
2Н₂О <=> 2H₂ + O₂
а в кипящих реакторах радиолиз протекает в условиях, особо благоприятствующих разложению водного теплоносителя, так как водород и кислород удаляются вместе с паром и концентрация продуктов радиолиза в водной фазе стремится к нулю.
    Кроме водорода Н₂, кислорода O₂ и перекиси водорода Н₂O₂, при радиолизе воды могут образовываться также Н, ОН, Н0₂ и др. Обычно на практике радиолиз водного теплоносителя не вызывает заметных изменений его физико-химических свойств. Однако следует иметь в виду возможность вторичных неблагоприятных явлений в результате радиолиза:
    отрицательное влияние некоторых продуктов разложения воды на коррозионную стойкость конструкционных материалов;
    возможность образования взрывоопасной смеси кислорода и водорода;
    отрицательное влияние газообразных продуктов разложения на условия теплопередачи и на реактивность реактора.
    Бороться с этими неблагоприятными факторами можно, вводя в теплоноситель водород, который при концентрации больше 30 н. мл/кг практически полностью подавляет процессы радиолиза воды. Для поддержания необходимой концентрации водорода, обеспечивающей подавление процессов радиолиза в контур, как правило, вводят аммиак, в результате разложения которого по реакции:
2NH₃<=> 3H₂ + N₂
создается необходимая концентрация водорода в водном теплоносителе.

Химические процессы в контуре.
    Основные химические процессы в контуре связаны главным образом с коррозией конструкционных материалов и появлением отложений на теплопередающих поверхностях. Из наиболее важных видов коррозии реакторных материалов следует упомянуть межкристаллитную коррозию аустенитных нержавеющих сталей, связанную с уменьшением содержания хрома по границам зерен по сравнению с их центрами, а также коррозионное растрескивание под напряжением. С повышением содержания в водном теплоносителе кислорода и хлорид-иона значительно увеличиваются скорости протекания этих коррозионных процессов. В ряде случаев повышенное содержание кислорода может вызвать ускоренную коррозию и циркониевых сплавов, особенно в щелочной среде.
    Очень важной характеристикой теплоносителя, от которой зависят скорость и вид коррозии, характер коррозионного процесса, количество переходящих в воду продуктов коррозии, их дисперсный состав, является значение рН, характеризующее активность водородных ионов. Наиболее заметно проявляется влияние рН теплоносителя на коррозию сталей перлитного класса и алюминия: с повышением рН до 9—10 можно снизить в несколько раз и скорость коррозии и скорость перехода продуктов коррозии в воду. Однако превышение этих значений может привести в некоторых случаях к щелочному растрескиванию сталей.
    Осаждения на теплопередающих поверхностях вызываются также солями жесткости, что особенно важно для кипящих реакторов. Наиболее опасны разного рода отложения на поверхностях твэлов, поскольку приводят к ускорению коррозии их оболочки.
    Чтобы снизить вредное влияние описанных процессов, необходимо при эксплуатации ЯЭУ поддерживать концентрации различных примесей в теплоносителе на определенном уровне, что требует значительных усилий, затрачиваемых на очистку теплоносителя.
    Все физико-химические процессы, имеющие место в контурах с теплоносителем, должны быть строго учтены при эксплуатации АЭС.
    Чтобы избежать попадания в теплоноситель послемонтажных загрязнений, а также чтобы убедиться в высоком качестве монтажных работ, перед началом эксплуатации АЭС производят подготовку и очистку контуров.
    На первом этапе проводятся гидравлические испытания контура, которые заключаются в проверке герметичности контура, заполненного водным теплоносителем, при повышенном давлении.
    После гидравлической проверки герметичности контура и прочностных испытаний проводится его циркуляционная промывка, которая наряду с очисткой и отмывкой контура от послемонтажных загрязнений обеспечивает создание на внутренних поверхностях контура защитной окисной пленки. Циркуляционную промывку производят последовательно холодным (до 100°С) и горячим (до 260 °С) теплоносителем. Во время промывки обеспечивается предварительное снятие гидравлических характеристик реактора.