Характеристика и задачи введения ВХР II контура

В результате химического  взаимодействия гидразина с растворенным в воде кислородом образуется вода и газообразный азот

O₂ + N₂H₄ = N₂ + 2H₂O

При радиационном разложении аммиака в теплоносителе первого  контура образуется водород, необходимый  для связывания кислорода.

Водород. При эксплуатации ядерного реактора процесс разложения молекулы воды теплоносителя протекает по реакции

2H₂O → 2H₂ + O₂.

Поддержание концентрации водорода в теплоносителе первого контура  в заданных пределах необходимо для  связывания кислорода, который образуется при радиолизе. Реакция радиолиза  обратима. Для смещения равновесия в сторону образования воды необходимо создавать избыточную концентрацию растворенного водорода в теплоносителе путем дозирования в первый контур водных растворов аммиака и гидразин-гидрата.

Процесс химических превращений  протекает по следующим реакциям:

2NH₃ = N₂ + 3H₂

2N₂H₄  = 2NH₃ + N₂ + H₂.

Подавление радиолиза  происходит по реакции 

2H₂ + O₂  → 2H₂O

Концентрация растворенного  в теплоносителе водорода зависит  от уровня мощности РУ, содержания аммиака  и расхода продувки первого контура. При работе РУ менее 10 % низкая нейтронная мощность реактора не может обеспечить накопление водорода в теплоносителе  первого контура, соответствующего нижнему значению нормируемого предела. Низкие концентрации растворенного  водорода способствуют накоплению растворенного  кислорода в теплоносителе первого  контура, и, как следствие, могут  привести к коррозии металла. Ограничение  верхнего предела концентрации водорода в теплоносителе первого контура связано со склонностью циркониевых сплавов, из которых изготовлены оболочки тепловыделяющих элементов, к охрупчиванию при насыщении их водородом.

Необходимая концентрация водорода при стационарном режиме регулируется равновесным содержанием аммиака  в теплоносителе первого контура.

Суммарная концентрация ионов щелочных металлов (å К, Na, Li). Для нейтрализации действия борной кислоты и поддержания значения рН в щелочной области при рабочей температуре среды, в теплоноситель первого контура дозируется раствор гидроокиси калия (КОН).

Количество вводимого  раствора гидроокиси калия рассчитывается с учетом поступающих с подпиточной  водой ионов натрия и накапливающихся  в теплоносителе ионов лития, которые образуются в контурной  воде при облучении бора нейтронами

В¹⁰+ n = Li⁷ + a

Суммарная молярная концентрация щелочных металлов в теплоносителе  первого контура, ммоль/дм³, должна поддерживаться в зависимости от текущей концентрации борной кислоты и рассчитывается по формуле

S Щ = Na/ Э_Na+ Li/ Э_Li + K/ Э_K

 где  Na – массовая  концентрация ионов натрия в  теплоносителе, мг/дм³;

        Э_Na = 22,99 – эквивалентная масса иона натрия, экв;

         Li – массовая концентрация ионов  лития в теплоносителе, мг/дм³;

        Э_Li = 6,94 – эквивалентная масса иона лития, экв;  

         K – массовая концентрация ионов калия в теплоносителе, мг/дм³;

        Э_K = 39,1 – эквивалентная масса калия, экв.

Значение рН. Значение рН характеризует состав среды и определяется соотношением констант диссоциации воды, борной кислоты, гидроокиси калия, лития, натрия и аммиака, находящихся в теплоносителе первого контура.

Поддержание рН в пределах контрольных уровней позволяет  снизить скорость коррозионных процессов.

Содержание борной кислоты в теплоносителе первого  контура снижает рН. Повышение рН, введением щелочей, позволяет снизить скорость коррозии нержавеющей и углеродистой стали и поступление продуктов коррозии в теплоноситель первого контура. При увеличении рН более 10,3 единиц ускоряется коррозия циркониевых сплавов и повышается растворимость продуктов коррозии.

Для поддержания необходимого рН при работе РУ на мощности и уменьшения скорости коррозии конструкционных  материалов в теплоноситель первого  контура дозируют гидроокись калия. Применение гидроокиси натрия для подщелачивания теплоносителя первого контура  не рекомендуется, так как ионы натрия активируются с образованием изотопа Na ²⁴. Гидроокись калия вводится в зависимости от текущей концентрации борной кислоты в теплоносителе. Для стабилизации концентрации ионов калия на постоянном уровне в теплоноситель дозируется аммиак.

Вводимый в теплоноситель  первого контура аммиак под воздействием температуры и активности разлагается. При высокой температуре основные свойства аммиака ослабевают.

Аммиак. Продуктами разложения аммиака являются азот и водород. Дозирование в контур раствора аммиака производится с целью образования и накопления избытка водорода и поддержания его концентрации в диапазоне допустимых значений.

Водород используется в химических превращениях для подавления процесса радиолиза теплоносителя.

Равновесная концентрация аммиака  в теплоносителе определяется верхним  и нижним пределами концентрации водорода в контурной воде.

Продукты коррозии (железо, медь, хром, никель). Наличие (появление) продуктов коррозии в теплоносителе первого контура характеризуют состояние поверхностей конструкционного материала по отношению к протеканию процессов коррозии, массопереноса и смыва отложений в переходные периоды эксплуатации оборудования. При циркуляции теплоносителя продукты коррозии активируются и отлагаются на внутренних поверхностях оборудования по всему контуру, осложняя в дальнейшем проведение ППР.

Поддержание оптимального ВХР  теплоносителя первого контура  способствует снижению скорости коррозии конструкционных материалов и переходу продуктов коррозии в растворенное состояние, что повышает безопасность эксплуатации оборудования, уменьшает  количество радиоактивных отходов, улучшая в целом радиационную обстановку на АЭС.

Наличие ионов меди в теплоносителе  способствует протеканию локальной  электрохимической коррозии стальных и циркониевых материалов и косвенно характеризует состояние медьсодержащих элементов оборудования первого  контура (лабиринтовое уплотнение ГЦН).

Очистка продувочной воды первого контура продуктов коррозии конструкционных материалов и продуктов  деления топлива осуществляется на установках СВО-1 и СВО-2.

Нитрат-ионы. Источником появления нитрат-ионов в контурной воде могут быть продукты распада различных сложных органических веществ животного и растительного происхождения, поступающих с подпиточной водой, и вымывание остаточной концентрации нитрат-ионов из фильтрующего материала после восстановления ионообменной емкости катионитового фильтра установки очистки теплоносителя первого контура и организованных протечек.

Продуктом разложения аммиака  и гидразина кроме водорода является также азот. Азот может попадать в теплоноситель и с подпиточной  водой или с остаточным воздухом при заполнении первого контура. Присутствие азота в теплоносителе ведет к образованию аммиака в случае отсутствия кислорода. При наличии в воде кислорода процесс взаимодействия азота с радиолитическими газами под действием ионизирующего излучения приводит к образованию азотной кислоты, которая увеличивает скорость коррозии и ускоряет образование отложений на поверхности ТВЭЛ

2N₂ + 5O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

Продукты коррозии частично взаимодействуют с азотной кислотой с образованием нитратов

Fe₂O₃ + 6HNO₃ → 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

которые гидролизуются в  гидроокись железа по реакции

Fe(NO₃)₃ + 3H₂O → Fe(OН)₃ + 3HNO₃

В момент выделения  гидроокись железа является накипеобразователем.

Борная кислота. Растворы борной кислоты используются в качестве жидкого поглотителя нейтронов с целью плавного регулирования мощности реактора. Нейтрализацию борной кислоты позволяет осуществлять аммиачно-калиевый водный режим.

Концентрация борной кислоты  в теплоносителе определяется физикой  активной зоны и зависит от запаса реактивности активной зоны реактора.

Сульфат-ионы. Коррозионно-активные сульфат-ионы усиливают протекание процессов коррозии хромникелевых нержавеющих сталей, углеродистых сталей и медьсодержащих сплавов. Разрушение защитной пассивной пленки на поверхности металла оборудования под воздействием сульфат-ионов происходит по границам кристаллов, что приводит к коррозионному растрескиванию. Вследствие массопереноса продуктов коррозии  с теплоносителем первого контура, на поверхности ТВЭЛ образуются отложения, увеличивающие их термическое сопротивление с последующим пережогом оболочек. В результате повреждения оболочек ТВЭЛ возрастает активация теплоносителя за счет выхода продуктов деления ядерного топлива.

Возможным источником поступления  сульфат-ионов в теплоноситель  первого контура и в боросодержащий раствор бассейна выдержки топлива  могут быть «чистый» конденсат при  водообмене или боросодержащие растворы при заполнении оборудования, дозируемые реагенты для корректировки состояния  ВХР.

Появлению сульфат-ионов  в теплоносителе первого контура, в воде бассейна выдержки, в борсодержащих растворах способствует деструкция ионообменной смолы.

Соединения кремния. Кремнекислые соединения присутствуют в воде в виде соединений различной степени дисперсности (коллоидных частиц, молекул и ионов). Основной источник поступления кремния в воду – гидролиз соединений кремния (бетон, стекло, цемент, керамика, песок, глина, гранит). Растворимость кремниевой кислоты зависит от ионного состава воды и величины рН. С понижением величины рН контурных вод и концентрации ионов натрия, снижается растворимость кремниевой кислоты. При уровне водородного показателя более 8 кремневая кислота начинает диссоциировать в анион силиката (SiO₃^2-), при дальнейшем увеличении рН силикаты могут выпадать в осадок в виде солей кальция, магния, железа или алюминия. Присутствие в воде жесткостных катионов кальция и магния способствует образованию с кремниевой кислотой малорастворимых силикатов, что приводит к появлению отложений на внутренних поверхностях оборудования.

Присутствие кремния в воде осложняет процесс удаления железа. Гидратированный оксид кремния (кремниевая кислота) может взаимодействовать с катионами железа со степенью окисления +3 при полном отсутствии взаимодействия с Fe²⁺. В результате такого взаимодействия появляются устойчивые коллоидные образования, которые не удаляются фильтрованием или другими традиционными методами очистки воды. Дополнительным источником появления соединений кремния в воде является разложение биомассы наземных и водных растительных организмов.

При низких рН соединения кремния способны полимеризоваться. Подобным образом могут взаимодействовать срединные группы ОН, образуя разветвленные и трехмерные макромолекулы. Переход ортокремниевой кислоты в поликислоты сопровождается превращением молекулярного раствора Н₄SiО₄ в коллоидные растворы, состоящие из мелких твердых частиц, размером от 1 нм до 100 нм, находящихся в седиментационно-диффузном равновесии – золи (SiO2*nH2O), либо выпадают в виде объемистых осадков, включающих большое количество воды. Частицы золей настолько малы, что не видны под микроскопом и проходят через поры лабораторных фильтров. Для золей характерен эффект Тиндаля, т.е. рассеяние света коллоидными частицами.

Общий органический углерод. Органический углерод способен появляться в контурных водах вследствие его присутствия в результате биохимических превращений в природной воде (продукты гниения растений, роста бактерий, метаболизма, пестициды, химикаты, фармацевтические субстанции и др.), используемой для приготовления обессоленной воды. Косвенным показателем для определения массовой концентрации органического углерода в воде может служить показатель массовой концентрации масел и нефтепродуктов. Масла и нефтепродукты используются в качестве охлаждающей среды вращающихся механизмов, малорастворимые в воде и находятся в ней в виде капелек различной степени дисперсности. Загрязнение контурных вод нефтепродуктами приводит к образованию трудно смываемых пленок на внутренних поверхностях трубопроводов и оборудования. При высоких температурах теплоносителя масляные пленки превращаются в отложения на поверхностях металла оборудования, затрудняя процессы теплообмена. Присутствие органических веществ в теплоносителе первого контура способствует образованию отложений на поверхности ТВЭЛ, увеличивающих их термическое сопротивление с последующим пережогом оболочек. В результате повреждения оболочек ТВЭЛ возрастает активация теплоносителя за счет выхода продуктов деления ядерного топлива.

 

 

 

2. Характеристика и задачи введения ВХР II контура.