Вода в ядерных энергетических циклах

В ядерных энергетических циклах чистота воды имеет важное значение по разным причинам. Хотя под действием нейтронного потока происходит лишь небольшое повышение уровня радиоактивного загрязнения воды с образованием лишь короткоживущих изотопов, содержащиеся в воде вещества могут отреагировать на действие нейтронного потока нежелательным образом. В ядерных циклах с использованием кипящих ядерных реакторов или ядерных реакторов с водой под давлением появление в воде, являющейся теплоносителем первого контура ядерного реактора и проходящей через реактивную зону, например, такого химического элемента, как кобальт, было бы крайне нежелательно. Это - радиоактивный продукт, при последующем распаде которого имеет место гамма-излучение большой мощности. Поэтому следует избегать появления кобальта в таких системах, Поскольку многие другие металлы под действием нейтронного потока также образуют радиоактивные изотопы, то в целях безопасности при работе и техническом обслуживании допустимые нормы образования продуктов водной корро­зии и ядерных энергетических циклах являются более жесткими.

Но всех современных энергетических циклах требуется вода относительно высокой степени чистоты, хотя требования к чистоте воды в разных циклах неодинаковы.

Тем не менее подпиточная вода требуемой чистоты может быть получена гаранти­рованно и при разумных затратах путем ионообмена, испарения и прочих способов предварительной обработки. Но, поскольку в обычных энергетических циклах расход подпиточной воды, как правило, составляет не более 1% от общего расхода питательной воды, основная проблема заключается в том, чтобы сохранить исходную степень чистой воды после подачи ее в цикл.

Два основных источника загрязнений воды высокой степени чистоты - это коррозия и подсос. В результате коррозии происходит не только разрушение металла, но и загрязнение воды в системе продуктами коррозии. Вода с определенной степенью загряз­нения поступает в цикл в местах высокого вакуума (например, поверхностный конден­сатор), такой подсос является вторым основным источником загрязнения. Точные рас­четы и тщательный выбор конструкционных материалов могут свести эти проблемы к минимуму.

Так как подпиточная вода деионизирована и по результатам анализа не является жесткой и не содержит твердых веществ, разрушение труб в котлах электростанций вследствие образования накипи и отложений менее вероятно, чем в промышленных кот­лах низкого давления. В барабанных котлах электростанций причиной разрушения ме­талла труб чаще является водная коррозия, приводящая к образованию локальных корро­зионных язв или кратеров, а также водородная коррозия, в результате которой происхо­дит охрупчивание углеродистой стали.

Важным фактором для максимально возможного предупреждения коррозии метал­ла предварительного подогревателя является pH питательной воды. Для железа и его сплавов оптимальные значения pH питательной воды находятся в пределах 9,2-9,6, хо­тя приемлемо и минимальное значение 8,5. Для меди и медных сплавов значение pH пи­тательной воды в основном составляет от 8,5 до 9,2. Если для изготовления предвари­тельного подогревателя используются оба металла, то обычно устанавливаются преде­лы регулирования pH питательной воды 8,8-9,2. Для регулирования pH в этой части цикла, как правило, применяются летучие щелочи, например, аммиак и амины, так как они не способствуют увеличению содержания растворенных твердых веществ.

Ядерный реактор с водой под давлением (PWR) имеет две основные системы водо­снабжения:

1. Первый контур или система теплоносителя ядерного реактора.
2. Второй контур или система циркуляции «парогенератор - турбина».

К первому контуру относятся корпус ядерного реактора, компенсатор давления, па­рогенераторы (теплообменники) и циркуляционный насос. В первом контуре темпера­тура воды, проходящей через реактор, не должна превышать 28 °С, следовательно, ско­рость рециркуляции должна быть довольно высокой, чтобы обеспечивать поглощение образовавшегося тепла. Во избежание вскипания воды поддерживается достаточно вы­сокое давление рециркулирующей воды. Давление поддерживается при помощи ком­пенсатора давления, который компенсирует изменение объема в результате изменения температуры. В первом контуре для обеспечения максимальной коррозионной стойкости все поверхности, контактирующие с водой, как правило, выполняются из нержаве­ющей стали или сплавов на основе никеля.

Вода, используемая для водоснабжения первого контура реактора, должна иметь высокую степень чистоты для сведения к минимуму возможности загрязнении реактора и теплопередающих поверхностей теплообменников, а также во избежание попадания загрязнений, которые под действием нейтронного потока могут образовать нежела­тельные радиоактивные изотопы. Регулируемое добавление в воду первого контура борной кислоты и ее удаление по мере необходимости обеспечивает требуемую концентрацию поглощающего нейтроны бора, что необходимо для регулирования потока нейтронов и передачи энергии. Для регулирования pH в первом контуре используются такие химикаты, как гидроокись лития, образующая под действием нейтронного потока сравнительно безопасные радиоизотопы.

Под действием ядерного излучения часть воды первого контура при прохождении через реактор разлагается на водород и кислород.

Для уменьшения образования кислорода и удаления кислорода, попадающего в систему, обычно добавляют газообразный водород. Чистоту воды первого контура обычно поддерживают, непрерывно пропуская часть циркулирующей воды через обессоливающую установку со смешанным слоем. Во избежание удаления бора из воды в таких установках, как правило, используются анионообменные смолы в виде солей борной кислоты. При высокой концентрации примесей эти смолы становятся радиоактивными их регенерация - практически неосуществимой. Следовательно, такие радиоактивные смолы обычно направляются на захоронение как твердые радиоактивные отходы.

В качестве парогенераторов второго контура в системах PWR в основном устанавливаются теплообменники двух типов. Рециркуляционный парогенератор с U-образными трубами аналогичен барабанному котлу электростанции, работающей на ископаемом топливе. Ввиду того, что скорость рециркуляции через внутренние устройства теплообменника в 3-4 раза превышает скорость потока пара, в теплообменнике происходит механическое разделение паровой и водной фазы и непрерывный частичный сброс оборотной воды. Однако такой парогенератор отличается от котлов электростанций, работающих на ископаемом топливе, тем, что в нем не предусмотрен перегрев пара.

Другой тип теплообменника, применяемого в системах PWR, представляет собой прямоточный паровой котел. Такой теплообменник имеет перегородки, направляют поток входящей питательной воды сначала вниз через наружный кольцевой канал, в котором она нагревается до температуры насыщения, полностью превращаясь в пар слегка перегревается в единственном направленном вверх через трубный пучок проходном канале межтрубного пространства. В зависимости от нагрузки можно обеспечить перегрев примерно до 34 °С.

Добавки для регулирования pH и удаления кислорода, например, добавки аминов и гидразина, в циклах с кипящими ядерными реакторами не применяются, так как эти добавки подвержены разложению под действием ядерного излучения. Следовательно, для предупреждения коррозии оборудование, используемое в цикле, должно быть изготовлено из коррозионностойких материалов.

Во избежание образования опасных изотопов и отложений на теплопередающих поверхностях активной зоны установлены жесткие нормы содержания примесей металлов, попадающих в используемую в цикле воду либо в результате утечек из конденсаторов, либо вследствие коррозии металлических элементов системы. Наиболее жесткие требования предъявляются к содержанию меди, так как она приводит к забивке водовыпускных отверстий устройств для распределения воды в активной зоне.