Судовые паропроизводящие установки

Особенности водно-химических режимов ЯЭУ

Основными показателями качества воды ЯППУ, контролируемыми в процессе эксплуатации установки, являются;

- общее солесодержание, [мг/л] NaCl;

- удельная электрическая проводимость;

- содержание ионов хлора, [мг/л];

- содержание растворенного кислорода, [мг/л];

- содержание продуктов коррозии, [мг/л] ионов Cu2+, Fe3+;

- водородный показатель pH;

- плотный остаток, [мг/л];

- прокаленный остаток, [мг/л];

- содержание нефтепродуктов, [мг/л];

- содержание аммиака, [мг/л];

- содержание гидразина, [мг/л];

- содержание форфат-ионов, [мг/л] ионов PO34 при аммиачно­фосфатном режиме;

- соленость, °Бр;

- объемная активность, Ки/л - определяется как активность плотного остатка пробы воды.

ЯЭУ имеет специфические особенности, которые необходимо учитывать при осуществлении водно-химических режимов;

- физико-химические свойства применяемых материалов (ядерное топливо, цирконий, сплавы титана, алюминий, аустенитные стали и т. д.);

- конструкция и условия работы некоторых элементов (таких, как ТВЭЛы, работающие длительное время в условиях коррозионного воздействия теплоносителя, мощного ионизирующего излучения, высоких механических и тепловых нагрузок);

- содержание в воде первого и третьего контуров радиоактивных веществ, образующихся при активации продуктов коррозии и химических соединений, находящихся в воде контуров;

- радиолиз воды под воздействием ионизирующих излучений;

- наличие в воде контуров примесей, которые вводятся для обеспечения работы реактора (например, раствора борной кислоты для изменения реактивности, наличие азота, поступающего из системы компенсации объема теплоносителя и поддержания давления первого контура, и т. д.).

С учетом изложенного, водно-химические режимы, проводимые в контурах ЯЭУ, должны обеспечивать;

- сохранение целостности и герметичности защитных барьеров ППУ, предотвращающих выход радиоактивных веществ в окружающую среду (оболочек ТВЭЛ, корпусов реактора, парогенераторов, трубопроводов контуров, трубных систем ПГ и т. д.);

- сокращение скорости образования и накопления радиоактивных продуктов, уменьшение их отложений на поверхностях контуров;

- организацию постоянной и эффективной очистки рабочих сред от продуктов коррозии и вредных примесей, а также теплоносителя от радиоактивных веществ;

- постоянный контроль за концентрацией примесей и качеством воды во всех контурах и приведение их к установленным нормам.

В качестве основных конструкционных материалов, используемых в судовых ЯППУ, применяются;

- нержавеющие стали аустенитного класса (все трубопроводы и корпуса оборудования первого и третьего контуров, питательные трубопроводы и часть вспомогательных трубопроводов второго контура); Эти стали имеют скорость общей коррозии в 10-100 раз меньшую, по сравнению с углеродистыми сталями, и на скорость коррозии практически не влияют содержание 02, С02, сульфатов, нитратов, фосфатов и карбонатов в широком диапазоне pH. Однако скорость коррозии возрастает в присутствии хлоридов и фторидов;

- циркониевые и ниобиевые сплавы, используемые при изготовлении оболочек ТВЭЛ. Циркониевые сплавы в чистой воде при температурах 300-330 0С легко пассивируются с образованием плотной оксидной пленки. Однако при более высоких температурах и возрастании концентрации кислорода более 0,1 мг/кг защитная пленка разрушается. Повышенные содержания хлоридов вызывают язвенную коррозию и коррозионное растрескивание;

- углеродистые низколегированные стали перлитного класса, используемые для изготовления паропроводов. Существенно увеличивают скорость коррозии повышение концентрации кислорода до значения > 0,02 мг/кг, снижения значения pH < 3, наличие в воде различных солей, С02 и хлоридов;

- медь и ее сплавы МН-70-30 (мельхиор) и МНЖ используются для изготовления трубопроводов конденсатной системы и поверхности теплообмена в главных конденсаторах. Скорость коррозии меди и ее сплавов в деаэрированной и обессоленной воде мала. Повышение содержания кислорода, углекислоты, сульфатов, хлоридов ускоряет процессы коррозии, но при низких температурах, при которых работает конденсатная система, это ускорение несущественно.

Таким образом, для снижения скорости коррозии и выноса продуктов коррозии в теплоноситель необходимо во всех контурах ятремиться к низкому содержанию в воде кислорода, хлоридов, фторидов, растворенных солей и газов и поддерживать оптимальное значение pH, которое для циркония составляет 6,5-8; для перлитных и аустенитных сталей 9-12.

Тип водно-химического режима для ЯЭУ выбирается в зависимости от состава материалов и условий работы контуров (давления, температуры, наличия и интенсивности ионизирующих излучений), типа системы очистки теплоносителя, использования технологических присадок, таких как борная кислота, азот и т. д.).

Число водно-химических режимов, используемых в ЯЭУ, достаточно велико, но все они могут быть разделены на две группы; бескоррекционные режимы, при которых в воду не вводятся никакие присадки; и коррекционные режимы, требующие введения в воду различного рода присадок для поддержания желательных значений pH, концентрации кислорода, изменения химического состава продуктов коррозии, скорости их выноса в воду и т. д.

Бескоррекционные режимы наиболее просты и широко используются в контурах с обескислороженной и обессоленной водой, имеющих достаточно эффективные системы очистки воды от продуктов коррозии и примесей. Для судовых ЯППУ такие режимы обычно применяются в третьем и втором контурах.

В третьем контуре, не имеющем практически никаких утечек воды (контур герметичен), оборудование и трубопроводы которого изготовлены преимущественно из нержавеющей стали, осуществляется; постоянная очистка воды от продуктов коррозии, для чего часть воды (~ 1 % от общего расхода) пропускается через ионообменный фильтр; и постоянное удаление из контура кислорода и водорода, образовавшихся при радиолизе воды.

Во втором контуре, конденсатные трубопроводы которого изготавливаются из меди а питательные из нержавеющей стали, применение бескоррекционного режима осуществляется с помощью очистки всего потока конденсата в ионообменных фильтрах и удаления растворенных газов из конденсата в главном конденсаторе, деаэраторах и ионообменных фильтрах. При этом периодически, при выведенной из действия установке, осуществляется промывка трубных систем парогенераторов с целью удаления солевых отложений с внутренней поверхности труб ПГ.

Наиболее важным и ответственным направлением является выбор и поддержание водно-химического режима работы первого контура ЯППУ. Обычно при этом используются коррекционные водно-химические режимы, основными из которых являются аммиачный и аммиачно­фосфатный режимы.

Аммиачный режим создается и поддерживается за счет использования азота в системе компенсации объема теплоносителя, первоначального заполнения контура водой, содержащей раствор аммиака. При аммиачном режиме в контур вводится водный раствор аммиака (гидроокись аммиака NH40H) так, чтобы его концентрация обеспечивала слабощелочной режим в контуре при pH = 9 ^ 10,5. Для предотвращения постоянной корректировки водного режима работы контура в ионообменном фильтре первого контура используется катионит в аммонийной форме и анионита в гидроксильной форме. Снижение концентрации растворенного кислорода достигается первоначальным введением в контур гидразин-гидрата, и в последующем при работе установки, как правило, не контролируется.

Аммиачно-фосфатный режим создается и поддерживается за счет использования азота в системе компенсации объема теплоносителя, первоначального заполнения контура водой, содержащей раствор аммиака и двузамещенного фосфата аммония.

При ухудшении показателей качества воды осуществляется промывка контура через ионообменные фильтры. Если при этом показатели качества не восстанавливаются, производится замена загрузки фильтра и промывка повторяется.

В некоторых типах установок с большим запасом реактивности в активной зоне для компенсации реактивности используется введение в первый контур раствора борной кислоты. При этом снижение pH не может быть полностью скомпенсировано аммиаком, поэтому дополнительно для поддержания слабощелочной среды приходится вводить в контур щелочи Li0H или КОН. Основным недостатком лития является образование тритиевой воды, являющейся одним из наиболее опасных радиоактивных отходов;

6Li + п ^ 3T + а

Поэтому наиболее предпочтительным является применение в таких установках раствора КОН, а водно-химический режим называют аммиачно-борно-калиевым режимом.