Способ организации водно-химического режима теплоносителя атомной энергетической установки

 

Изобретение относится к технологии атомных энергетических установок (АЭУ), прежде всего судовых ядерных энергетических установок ЯЭУ и установок малой энергетики, не использующих борную кислоту для регулирования мощности реактора за счет организации ВХР, обеспечивающего создание условий поддержания постоянного высокотемпературного значения рН выше величины 6,9 за счет поддержания постоянного соотношении низких концентраций борной кислоты и щелочного металла. Технический результат - повышение надежности и экономичности работы АЭУ - достигается введением корректирующих добавок, в частности борной кислоты, щелочных металлов и водородообразующих добавок, при этом вводят борную кислоту в концентрации, не влияющей на регулирование мощности реактора, и поддерживают концентрации борной кислоты и щелочных металлов постоянными на протяжении кампании АЭУ. При этом поддерживают концентрации борной кислоты 10-500 мг/кг, щелочного металла (калия 0,2-10,0 мг/кг или лития 0,036-1,8 мг/кг), водорода 1,8-9,0 мг/кг. Кроме того, в качестве корректирующей добавки вводят алюминий при соотношении молярных концентраций щелочной металл/алюминий >1. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к технологии атомных энергетических установок (АЭУ), прежде всего судовых ядерных энергетических установок ЯЭУ и установок малой энергетики, не использующих борную кислоту для регулирования мощности реактора, а именно к организации водно-химического режима теплоносителя за счет введения в него различных добавок.

Известен способ организации водно-химического режима в случае борного регулирования реактивности реактора (Чабак А.Ф., Романов В.И., Ситкин И.В. Временные нормы на ведение водно-химического режима первого контура атомных электростанций с реакторами типа ВВЭР-1000, Москва, 1991г.).

В этом случае в течение кампании, например, на реакторах ВВЭР-1000 происходит снижение концентрации борной кислоты с 10 г/л до 0 г/л. Изменение концентрации борной кислоты сопровождается изменением концентрации калия, вводимого в теплоноситель, и лития, образуемого в значительных количествах при больших концентрациях борной кислоты из бора по реакции ¹⁰B(n, α)⁷Li. Подавление процессов радиолиза воды осуществляется водородом, который образуется из аммиака, дозируемого в теплоноситель, концентрация водорода поддерживается на уровне 30-60 мл/кг. Основной целью этого режима является поддержание водно-химического режима в условиях маневрирования мощности реактора изменением концентрации борной кислоты в течение кампании реактора. Величина высокотемпературного значения рН не является постоянной, особенно в начале кампании реактора, когда концентрация борной кислоты меняется, а концентрация щелочных металлов ограничена предельно допустимой величиной.

Известен способ поддержания водно-химического режима теплоносителя на судовых АЭУ, заключающийся во введении в теплоноситель аммиака с концентрацией до 40 мг/кг, выбранный в качестве прототипа (Герасимов В.В., Касперович А.И., Мартынова О.И. Водный режим атомных электростанций. М.: Атомиздат, 1976 г., с.67).

В этом случае при разложении аммиака образуется водород, который подавляет образование продуктов радиолиза воды. Недостатком этого ВХР является то, что даже максимальная концентрация аммиака 100 мг/кг не обеспечивает оптимального высокотемпературного значения рН и при температуре 300^oС равно 6,743, что ниже величины 6,9. Концентрации аммиака 40 мг/кг соответствует pH_t=300 6,635, 60 мг/кг - pH_t=300 6,743. Это соответствует работе в левой ветви зависимости растворимости окислов железа (магнетита) от рН при температуре 300^oС. При таких условиях работы продукты коррозии растворяются на поверхностях контура, а в активной зоне, где более высокая температура, они осаждаются, ухудшая теплообмен, и активируются в нейтронном потоке, после чего поступают в контур и увеличивают мощность дозы гамма-излучения от оборудования. Кроме этого на этих установках используются компенсаторы давления с газообразным азотом. Это создает дополнительные проблемы: 1 - это необходимость обеспечения высокой чистоты азота и контроль на содержание в азоте примесей кислорода. При наличии кислорода в контуре начинают протекать процессы коррозии конструкционных материалов активной зоны и контура, 2 - в случае неподавленного радиолиза в активной зоне начинается синтез аммиака и азотной кислоты, 3 - наличие азотного компенсатора давления приводит к большому газосодержанию в теплоносителе, растворимость азота в воде при температуре 300^oС составляет ≈2000 мл/кг, что при наличии развитого поверхностного кипения может ухудшить теплообмен.

Настоящее изобретение направлено на повышение надежности и экономичности работы АЭУ, не использующих борную кислоту для маневрирования мощности реактора, за счет организации ВХР, обеспечивающего решение следующих задач: - создание условий поддержания постоянного высокотемпературного значения рН выше величины 6,9 за счет поддержания постоянного соотношения низких концентраций борной кислоты и щелочного металла, - снижение вероятности достижения концентрации щелочных металлов в теплоносителе выше уровня, рекомендованного для обеспечения стойкости циркониевых сплавов, - повышение растворимости продуктов коррозии конструкционных материалов и снижение их осаждения в активной зоне за счет введения в теплоноситель ионов алюминия, - снижение интенсивности коррозионных процессов, в том числе локальных видов коррозии, - уменьшение скорости образования отложений на греющих поверхностях, - улучшение радиационной обстановки при обслуживании и ремонте,
- повышение эффективности очистки,
- уменьшение шламовой составляющей в теплоносителе.

Прежде всего этот водно-химический режим является альтернативой аммиачному режиму.

Для этого предложен способ организации водно-химического режима теплоносителя АЭУ, включающий введение корректирующих добавок, в частности борной кислоты, щелочных металлов и водородообразующих добавок, при этом вводят борную кислоту в концентрации, не влияющей на регулирование мощности реактора, и поддерживают концентрации борной кислоты и щелочных металлов постоянными на протяжении кампании АЭУ.

При этом поддерживают концентрации борной кислоты 10-500 мг/кг, щелочного металла (калия 0,2-10,0 мг/кг или лития 0,036-1,8 мг/кг), водорода 1,8-9,0 мг/кг.

Кроме того, в качестве корректирующей добавки вводят алюминий при соотношении молярных концентраций щелочной металл/алюминий >1.

Комплексное решение поставленных задач обеспечивается за счет создания водно-химического режима теплоносителя, обеспечиваемого стабильным поддержанием величины высокотемпературного значения рН при низком уровне концентрации борной кислоты 10-500 мг/кг, калия 0,2-10,0 мг/кг или лития 0,036-1,8 мг/кг, а также водорода 1,8-9,0 мг/кг и алюминия 5-50 мкг/кг. Концентрация водорода обеспечивается введением водорода, получаемого с помощью электролизеров, либо дозированием аммиака или гидразина, либо других водородообразующих добавок.

Область работы аммиачного режима находится в диапазоне рН≤6,874, что приводит к осаждению продуктов коррозии на тепловыделяющих элементах (левая ветвь кривой растворимости, см. чертеж). В случае ведения предлагаемого водно-химического режима область работы находится в правой части, так как указанное соотношение концентраций борной кислоты и калия отвечает диапазону высокотемпературного значения рН≥6,9. В этом случае создаются условия растворения продуктов коррозии при прохождении их в активной зоне. Для снижения загрязнения контура активированными продуктами коррозии необходимо поддерживать концентрации борной кислоты и щелочного металла постоянными в течение всей компании реактора. В случае изменения этих концентраций в течение компании происходит изменение растворимости продуктов коррозии на различных участках контура их миграция, активация и увеличение мощности доз гамма-излучения от оборудования и трубопроводов. Для улучшения растворимости продуктов коррозии как в активной зоне, так и во всем контуре энергетической установки в теплоноситель вводятся ионы алюминия с ионами щелочного металла. При этом, для того чтобы весь дозируемый алюминий был в активной форме, соотношение молярных концентраций ионов щелочных металлов алюминия должно быть >1, а соотношение всех вводимых в теплоноситель корректирующих добавок должно быть таким, чтобы значение высокотемпературного рН было >6,8 при Т= 300^oС. Такой водно-химический режим создает условия работы тепловыделяющих элементов активной зоны реактора в устойчивой химически (буферной) системе, в которой максимальная концентрация щелочных металлов в 5-10 раз ниже, чем, например, в реакторах с водой под давлением, что гарантирует надежную эксплуатацию ТВЭЛов. Малые концентрации борной кислоты обеспечивают образование незначительного количества лития.

Определенные соотношения борной кислоты, калия (лития), аммиака и, при необходимости, алюминия обеспечиваются (в указанном диапазоне концентраций) в начале кампании и поддерживаются постоянными на всем периоде ее реализации. Этот водно-химический режим препятствует осаждению продуктов коррозии в активной зоне, что обеспечивает нормальный теплообмен и снижает активацию их, а также подавляет процессы радиолиза теплоносителя при малом газосодержании.

На чертеже приведены зависимости растворимости магнетита от величины рН в диапазоне температур 25-300^oС.

ПРИМЕР 1. Испытания транспортных (ледокольного типа) ТВС в аммиачном (А) и заявляемом - аммиачно-борно-калиевом (АБК) режиме с низкой и постоянной в течение кампании концентрацией борной кислоты и калия. В табл.1 даны показатели качества вышеуказанных теплоносителей.

В табл. 2 приведены результаты сравнительных испытаний уран-циркониевых ТВЭЛов квадратного профиля в аммиачном (ТВС 13) и аммиачно-борно-калиевом (ТВС 14) ВХР теплоносителя.

Послереакторные исследования показали, что большая часть ТВЭЛов, испытанных в аммиачном теплоносителе, имела в основании ребер участки типичного локального окисления с максимальной толщиной 200 мкм. ТВЭЛы, испытанные в аммиачно-борно-калиевом режиме с низкими концентрациями борной кислоты и калия, имели лишь ровную оксидную пленку толщиной не более 3 мкм.

ПРИМЕР 2. Испытание ТВС реакторов ВВЭР-1000 в АБК ВХР.

Режимы испытаний ТВС представлены в табл.3.

Содержание борной кислоты в теплоносителе и режимы испытаний рассматриваемых ТВС разбиты на три типа:
- режим 1, при котором среднемесячная концентрация борной кислоты не превышала 200 мг/кг,
- режим 2, когда среднемесячное содержание борной кислоты в теплоносителе составляло более 200 мг/кг, но менее 1000 мг/кг,
- режим 3 со среднемесячной концентрацией борной кислоты более 1000 мг/кг.

Все ТВС не были подвержены коррозии, равномерная окисная пленка не превышала 5 мкм и не было отмечено ее роста с увеличением времени испытаний.

ПРИМЕР 3. Испытание ТВС реакторов РБМК в режиме дозирования ионов алюминия в теплоноситель, подавление процессов радиолиза теплоносителя осуществлялось дозированием водорода, а не аммиаком.

Проведены ресурсные испытания ТВС реакторов РБМК в течение 7 лет (более 50 000 часов) и достигнуты рекордные выгорания топлива 54,4 МВт сут/кгU. Послереакторные исследования этих ТВС показали, что они не подвержены локальным видам коррозии и модулярной коррозии, имеют равномерную окисную пленку, толщина которой находится в диапазоне 3-5 мкм, поверхность циркониевой оболочки чистая, нет отложений продуктов коррозии конструкционных материалов циркуляционного контура (Чабак А.Ф., Полевой А.С. Кн. "Изотопы: свойства, получение, применение". Под ред. Баранова В.Ю, Москва. ИздАТ. 2000 г., с. 535).

ТВС, работавшие в режиме РБМК в течение 29000 часов и с выгоранием 19,5 МВт сут/кгU имеют модулярную коррозию с глубиной до 180 мкм. Вся поверхность циркониевых оболочек покрыта слоем окислов железа, толщина которого достигает 100 мкм.

Таким образом, предлагаемый способ ведения водно-химического режима позволит улучшить надежность и экономичность работы АЭУ, не использующих борную кислоту для регулирования мощности, за счет поддержания постоянного высокотемпературного значения рН выше величины 6,9 при низких концентрациях корректирующих добавок, за счет создания химических форм продуктов коррозии, повышающих их растворимость, что в свою очередь повысит коррозионную стойкость оболочек ТВЭЛов, снизит процессы отложения продуктов коррозии в активной зоне, снизит мощность доз гамма-излучения от оборудования и трубопроводов контуров АЭУ.

Формула изобретения

1. Способ организации водно-химического режима теплоносителя атомной энергетической установки, включающий введение коррекционных добавок, в частности, борной кислоты, щелочных металлов и водородообразующих добавок, отличающийся тем, что вводят борную кислоту в концентрации, не влияющей на регулирование мощности реактора, и поддерживают концентрации борной кислоты и щелочных металлов постоянными на протяжении кампании атомной энергетической установки.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что поддерживают концентрации борной кислоты 10-500 мг/кг, калия 0,2-10,0 мг/кг или лития 0,036-1,8 мг/кг, водорода 1,8-9,0 мг/кг.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве корректирующей добавки вводят алюминий при соотношении молярных концентраций щелочной металл/алюминий >1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4