Водно-химический режим АЭС с реакторами ВВЭР-1000 и РБМК-1000 Рощектаев Б.М

Нормы качества теплоносителя в «горячем» состоянии энергоблока ВВЭР-1000 или в состоянии реактор на минимально контролируемом уровне мощности приведены в табл. 1.1.

а) Допустимая продолжительность работы энергоблока в «горячем» состоянии при отклонении одного или нескольких нормируемых показателей в пределах 1 уровня не должна превышать 24 часов с момента обнаружения отклонений. Если в течение 24 часов отклонения не устранены, то энергоблок плавно переводится в «холодное» состояние.

б) При достижении нормируемыми показателями второго уровня отклонений энергоблок плавно переводится в «холодное» состояние.

1.3. ВХР второго контура

Одна из важнейших задач водного режима второго контура АЭС с ВВЭР борьба с отложениями в парогенераторах.

11

Другой важной задачей водного режима является снижение скорости коррозии всех конструкционных материалов. При этом допустимая скорость коррозии определяет ресурс работы оборудования, который зависит, в том числе, и от концентрации продуктов коррозии, являющимися основными примесями питательной воды.

Особенности водного режима определяет одновременное использование во втором контуре оборудования из перлитных сталей, аустенитной нержавеющей стали и медьсодержащих сплавов, обладающих различной коррозионной стойкостью в рабочих средах.

Наиболее уязвимым оборудованием второго контура является парогенератор, в котором, вследствие упаривания котловой воды, происходит концентрирование ионогенных примесей, поступающих с питательной водой.

Для выполнения поставленных задач ВХР второго контура должен обеспечивать:

минимальное количество отложений на теплообменной поверхности ПГ, в проточной части турбин и в конденсатнопитательном тракте;

предотвращение коррозионных и коррозионно-эрозионных повреждений конструкционных материалов ПГ, оборудования и трубопроводов;

минимально достижимый объем сбросов c концентрацией содержащихся в них примесей, не превышающей предельно допустимой концентрации для водоемов;

снижение общего солесодержания котловой воды в ПГ и особенно содержания хлоридов и сульфатов;

низкое содержание кислорода в конденсате и питательной воде;

стабильное поддержание величины рН питательной воды. Основными возможными источниками загрязнения среды

второго контура являются:

добавочная вода после химводоочистки;

присосы воздуха через неплотности в вакуумной части конденсатного тракта;

присосы охлаждающей воды через неплотности в конденсаторах турбины;

12

протечки сетевой воды в бойлерах теплосети;

конденсат дренажных баков;

продукты коррозии конструкционных материалов оборудования и трубопроводов второго контура.

Именно коррозионные проблемы второго контура, невозможность поддержания оптимальных значений рН продувочной воды ПГ и двухфазных сред послужили причиной поиска альтернативных добавок для коррекции величины рН во втором контуре как средства продления срока службы парогенераторов.

Коррозионное состояние теплообменных трубок ПГ зависит от количественного и качественного состава отложений на них. Наиболее радикальным из существующих в настоящее время методов предотвращения коррозионного износа теплообменных трубок ПГ является проведение периодических химических промывок ПГ со стороны второго контура.

Однако химические промывки ПГ влияют на коррозионное состояние конструкционных материалов ПГ, а также приводят к образованию значительных объемов трудноперерабатываемых жидких радиоактивных отходов, поэтому принятие решения об их проведении должно быть основано на всестороннем анализе состояния поверхностей теплообменных трубок ПГ, их удельной загрязненности и составе отложений.

Разработанные и реализуемые в последние годы мероприятия по совершенствованию ВХР второго контура, такие как коррекционная обработка рабочей среды второго контура гидроокисью лития, морфолином, этаноламином, наряду с повышением плотности конденсаторов турбин и вакуумной части конденсатного тракта, внедрением автоматического химического контроля, могут существенно повлиять на процесс образования отложений на теплообменных поверхностях ПГ.

Сложность поддержания ВХР второго контура связана с применением для оборудования и трубопроводов второго контура различных конструкционных материалов: аустенитные

хромникелевые стали (08Х18Н10Т), углеродистые стали (ст. 20,16 ГС, 10ГН2МФА), медные сплавы (МНЖ5-1).

Основными условиями обеспечения необходимого воднохимического режима парогенератора являются:

13

нормированная чистота воды, соответствующая минимальному содержанию коррозионноагрессивных примесей;

корректировка химическими добавками качества питательной воды и поддержания в оптимальных пределах значения рН;

возможность предотвращения образования значительных

1.4. Применение гидразинно-аммиачного водно-химического режима второго контура

Для второго контура АЭС с ВВЭР предусмотрен стандартный ВХР с коррекционной обработкой рабочей среды аммиаком и/или гидразингидратом.

Сущность данного режима заключается в подаче в питательную воду гидразина и/или аммиака для достижения нормируемого значения рН с целью снижения коррозии сталей в конденсатнопитательном тракте.

Принятый гидразинно-аммиачный водно-химический режим второго контура ВВЭР-1000 сегодня не удовлетворяет требованиям безопасности АЭС ввиду значительной скорости коррозионного износа конструкционного оборудования и выносов продуктов коррозии в парогенератор.

Повысить рН с помощью аммиака до значений 9,6−9,8, при которых отмечается заметное уменьшение процесса коррозии различных сталей, в том числе и углеродистой, не представляется возможным по нескольким причинам.

Во-первых, во втором контуре широко используется медьсодержащий сплав МНЖ-5-1 (конденсаторы турбин, регенеративные подогреватели). Увеличение концентрации аммиака будет создавать условия интенсивной коррозии этого сплава и высокого выноса окислов меди в ПГ. Кроме того, необходимо учитывать и другие физико-химические характеристики аммиака, негативно влияющие на ВХР, такие как:

уменьшение диссоциации аммиака при повышенной температуре;

высокий межфазный коэффициент распределения;

ухудшение степени очистки конденсата.

14

Аммиак, образующийся во втором контуре в результате термического разложения гидразина, накапливается во втором контуре, а так как аммиак обладает неравномерным коэффициентом распределения в системе вода-пар, то при равном давлении и температуре его концентрация в паре в восемь раз выше, чем в конденсате. Неравномерность распределения аммиака приводит к неоднородности рН в потоках второго контура и ускорению коррозии конструкционных материалов, особенно в области двухфазных сред.

Во-вторых, присутствие значительных концентраций аммиака вызывает необходимость постоянной эксплуатации ФСД БОУ даже при отсутствии протечек в конденсаторах ТГ и вспомогательных теплообменниках второго контура.

Ограниченность использования аммиака связана также с резким сокращением фильтроцикла конденсатоочистки при увеличении его концентрации в трубном конденсате.

При существующем гидразинно-аммачном ВХР в парогенераторах АЭС с ВВЭР наблюдается заметное образование железно-окисных отложений. При достижении отложений величины до 150 г/м2 необходимо проведение специальных химических промывок, требующих больших затрат.

Ограниченность применения аммиака во втором контуре усилила поиск альтернативного водно-химического режима, который привел к замене аммиака на морфолин. До недавнего времени большинство АЭС мира с реакторами типа PWR работали с коррекционной обработкой питательной воды морфолином. В России морфолиновый режим был внедрен на Волгодонской АЭС в 2001 году. Он показал ряд преимуществ по сравнению с гидразинно-аммиачным ВХР.

1.5. Морфолиновый режим

Морфолин (тетрогидро-1,4-оксазин, диэтиленмидоксид) C4H9NO. Молекула морфолина имеет конфигурацию кресла.

Физико-химические свойства морфолина:

органическая бесцветная жидкость, со слабо аммиачным запахом и свойствами слабой щелочи;

плотность 1,002 г/см3(20°);

15

давление паров 11,1 мм рт. ст. (20°);

насыщающая концентрация 53 мг/л (20°);

смешивается с водой с повышением pH;

растворяется в спирте.

Химически устойчив, не реагирует с водой при температуре 280 °С, с 10 % NaOH или концентрированной HCl – до 160 °С, но вступает почти во все реакции, характерные для вторичных аминов.

Морфолин – легковоспламеняющаяся жидкость. Для 100 % продукта:

температура воспламенения 310 °С;

температура вспышки 37 °С;

пределы воспламенения – нижний 1,8 %, верхний 10,8 %;

температура кипения 129 °С.

Общий характер действия: морфолин обладает общетоксическим действием, вызывает дегенеративные и некротические изменения в печени и почках. Концентрация 43 мг/л вызывает сильное раздражение слизистой оболочки дыхательных путей. При попадании на кожу морфолин вызывает ее раздражение, легкое жжение, при длительном контакте может вызвать ожог.

Предельно допустимая концентрация для питьевых водоемов

0,04 мг/л.

В промышленности морфолин получают:

по реакции диэтиленгликоля с аммиаком;

дегидратацией диэтаноламина в присутствии серной кислоты или олеума при 180 °C

по реакции бис-(2-хлорэтилового) эфира с избытком аммиака при 150 °C и 12 МПа:

16

регулятор pH водных растворов (удобен тем, что практически в равных соотношениях содержится как в жидкой, так и в паровой фазе);

компонент полировочных паст;

компонент составов, наносимых на фрукты для консервации

ипредотвращения гниения;

абсорбент при очистке газов от сероуглерода;

эмульгатор.

1.6. ВХР второго контура при коррекционной обработке питательной воды морфолином

Для поддержания ВХР второго контура ВВЭР-1000 с коррекционной обработкой рабочей среды учитываются следующие параметры:

гидразин-гидрат с концентрацией 1-3 %;

гидроокись лития с концентрацией 30-50,0 мг/кг;

морфолин с концентрацией 1,5 %.

Химически обессоленная вода, подаваемая во 2-й контур для заполнения парогенераторов и другого оборудования перед пуском и для подпитки второго контура, соответствует следующим качествам:

удельная электропроводимость (при 25 ºС ) не более 1,2 мкСм/см;

величина рН25 = 5,5-8,0 ед.;

концентрация хлорид-ионов не более 50 мкг/кг;

концентрация кремниевой кислоты не более 20 мкг/кг. Качество ХОВ баков аварийного запаса соответствует

следующим требованиям:

удельная электропроводимость (при 25°С) не более 1,2 мкСм/см;

величина рН25 = 5,5-8,0 ед.;

концентрация хлорид-ионов не более 50 мкг/кг;

концентрация кремниевой кислоты не более 20 мкг/кг. Концентрация кислорода в питательной воде после деаэратора

не должна превышать 10 мкг/кг.

17

Нормы качества питательной воды парогенератора при эксплуатации энергоблока на энергетических уровнях мощности более 50 % номинальной мощности (Nном) представлены в табл. 1.2.

Контроль кислорода – после деаэратора. В период перехода на морфолиновый режим допускается повышение концентрации железа до 15 мкг/кг. Контроль меди − за последним по ходу конденсата ПНД

Начало отчета первого уровня начинается с момента обнаружения отклонений и длится в течение 7 дней. За это время необходимо довести значения показателей до требуемых. Если действия персонала не привели к желаемому результату, то следующие 24 ч длится минимально контролируемый уровень, т.е. второй уровень. За это время также необходимо предпринимать

18

меры, которые приведут к стабилизации показателей. Меры, которые должен выполнять персонал, зависят от того, какой показатель не соответствует допустимым значениям. Третий уровень – «холодное состояние», при котором энергоблок останавливают и работники станции принимают меры по установлению причин и устранению неисправностей, которые привели к изменению показателей.

При морфолиновом водно-химическом режиме дозировка гидразина производится из расчета поддержания его концентрации в питательной воде не менее 10 мкг/дм3.

Концентрация гидразина-гидрата в питательной воде парогенераторов поддерживается более 20 мкг/дм3. рН продувочной воды парогенераторов поддерживается в пределах

8,8-9,4.

После насыщения контура морфолином до содержания 2,5-4,5 мг/кг дозировка сокращается из условий поддержания в питательной воде величины рН равной 8,9-9,3.

Нормы качества продувочной воды парогенераторов из «солевого» отсека при эксплуатации энергоблока на энергетических уровнях мощности более 50 % от Nном представлены в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Нормы качества продувочной воды парогенератора

НОРМИРУЕМЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ

19

Продолжение табл. 1.3

1.7. Влияние морфолинового режима на массоперенос продуктов коррозии во втором контуре

Протекание коррозии теплообменных труб обусловлено поступлением продуктов коррозии конструкционных материалов второго контура и коррозионно-агрессивных примесей в парогенератор, и, как следствие этого процесса, возникает проблема целостности теплообменных трубок парогенераторов. Поступление продуктов коррозии в питательную воду происходит вследствие коррозии оборудования и трубопроводов конденсатнопитательного и парового трактов второго контура, выполненных, в основном, из углеродистой стали и медьсодержащих сплавов.

Морфолин обладает низкой коррозионной агрессивностью по отношению к медьсодержащим сплавам. В отличие от гидразина, морфолин не разлагается при рабочих параметрах второго контура, и после достижения необходимой концентрации морфолина в питательной воде его дозировка прекращается и производится периодически для восполнения потерь реагента с протечками. В условиях герметичного второго контура концентрация морфолина удерживается на стабильном уровне значительное время и не требует дополнительного дозирования реагента, в то время как гидразин выводится из тракта безвозвратно.

Морфолиновый водно-химический режим второго контура энергоблока Ростовской АЭС позволил обеспечить:

− выравнивание величины рН в потоках второго контура и, как

20