Зорин В.М. Атомные электростанции

Рис. 24.4. Бак-барботер:

1 — разрывная мембрана; 2 — защитный колпак; 3 — крышка; 4 — корпус; 5 —

поверхность охлаждения; 6 — уравнительный сосуд; 7 — паровой коллектор; 8 —

подвижная опора; 9 — неподвижная опора; 10 — патрубок сброса от ГПК КД; 11 —

патрубок подачи воды промконтура; 12 — патрубок подвода дистиллята

•давление в нормальных эксплуатационных условиях — 0,12 МПа (несколько выше атмосферного за счет подачи азота над уровнем воды);

•температура в режиме ожидания — 20—60 °С.

Режим ожидания поступления парогазой смеси является по своей продолжительности основным в нормальных условиях эксплуатации. Свое предназначение ББ выполняет главным образом при их нарушении и в аварийных режимах.

При включении ББ в работу парогазовая смесь поступает в перфорированный коллектор, расположенный под трубами, а из него — в водяной объем. Барботируя через слой охлажденного дистиллята, пар частично конденсируется, а вода охлаждается и поступает в дренаж. Из вентилируемого пространства над уровнем воды парогазовая смесь направляется в систему спецгазоочистки.

Как видно, специфическими условиями функционирования ББ являются длительное ожидание («бездействие») и неободимость быстрого включения в работу. Это привело к достаточно сложной схеме передачи теплоты: от парогазовой смеси охлажденному дистилляту (теплообменное устройство смешивающего типа обеспечивает быструю конденсацию пара) и от дистиллята воде промежуточного контура охлаждения (см. § 24.4).

471

Бак-барбатер не предназначен для приема больших массовых расходов парогазовой смеси, возможных, например, в такой аварийной ситуации, как непосадка клапана ИПУ системы компенсации давления (именно непосадка основного предохранительного клапана явилась непосредственной причиной тяжелых последствий аварии на АЭС ТМI).

Сравнительно «скромные» технические характеристики ББ обеспечивают следущие режимы его работы, выявленные при анализе нормальных условий эксплуатации системы компенсации давления:

3

•прием парогазовой смеси из КД с расходом до 60 м /ч в течение не более 2 ч в режиме разогрева первого контура;

•длительный прием протечек через импульсно-предохранитель- ные устройства до 250 кг/ч;

•опробование (проверка работоспособности) ИПУ открытием его на 2—3 с расходом через клапан 50 кг/с.

В аварийных ситауциах (например, при вводе в реакторе положительной реактивности), когда срабатывают ИПУ и значительные расходы парогазовой смеси поступают в ББ, давление в нем может быстро возрастать. Для защиты ББ в таких ситуациях предусмотрели предохранительные устройства с разрывными мембранами. При достижении давления 0,7—0,85 МПа мембраны разрываются и парогазовая смесь поступает в пространство под герметичной оболочкой реакторного отделения, то есть под оболочкой возникает ситуация, аналогичная аварии с течью из первого контура. Для поддержания параметров в пространстве под оболочкой в безопасных пределах в работу вступают локализующие системы безопасности (см. § 25.2).

24.2.Системы, поддерживающие требуемое качество теплоносителя и его материальный баланс

Надежность работы теплотехнического оборудования, его долговечность в решающей мере зависят от процессов, в которых участвует теплоноситель. Для снижения интенсивности коррозионных процессов необходимо прежде всего обеспечить возможно меньшее содержание в теплоносителе коррозионно-активных примесей.

Специфические условия, в которых находится вода-теплоноси- тель первого контура АЭС с ВВЭР, заключаются в следующем.

Первое — это мощное ионизирующее излучение, под воздействием которого происходит радиолиз воды — достаточно сложные ее физические и химические превращения и разложение. Установлено, что продуктами радиолиза воды являются свободные радикалы (атомы или атомные группы, обладающие неспаренными электро-

472

нами) H, OH, HO , молекулы H , H O , O , а также вторичные гидра-

тированные электроны. Пероксид водорода H O и кислород O кор-

розионно-активны; высокой активностью к химическим реакциям обладают свободные радикалы.

Второе специфическое условие — применение в реакторах типа ВВЭР борного регулирования. Этот способ управления реактивностью реактора, называемый «жидкостным регулированием», регламентирован и применяется с 1963 г. Растворенный в воде поглотитель нейтронов позволяет уменьшить число стержней с твердым поглотителем. Избыточная реактивность в реакторе компенсируется с меньшей неравномерностью потока нейтронов и тепловыделения в активной зоне. При этом медленные во времени эффекты реактивности компенсируются жидким поглотителем и только быстрые эффекты — стержнями системы управления и защиты. Используемая

в ВВЭР борная кислота (наиболее распространенная форма H BO )

3 3

обладает рядом положительных свойств: химически устойчива в радиационных условиях; хорошо растворима в воде (растворимость увеличивается с ростом температуры) и дает хорошо растворимые соединения с катионами, содержащимися в воде реактора; практически не влияет на коррозию конструкционных материалов (при определенных pH воды); сравнительно доступна. И, пожалуй, главное положительное свойство — хорошая способность бора поглощать нейтроны.

Наличие в воде реактора борной кислоты обусловливает следующие особенности водно-химического режима (ВХР). Его основная задача — создать наиболее благоприятные условия для металла.

Для того чтобы введение борной кислоты не стимулировало коррозионные процессы в первом контуре, значение pH должно быть не менее 5,7 (нормами [34] установлено 5,8—10,3), что достигается введением в воду сильной щелочи. В отечественных реакторах применяется KОН ввиду меньшей активации по сравнению с более доступной и дешевой щелочью NaOH. На зарубежных АЭС применяют LiOH.

Радиолиз воды в замкнутом контуре, интенсивный в начальный период времени после пуска реактора, в дальнейшем замедляется, но устанавливается на уровне, при котором интенсивно протекают процессы коррозии. Задачей ВХР является подавление радиолиза в целях снижения концентрации радиолитического кислорода. Для этого оказывается достаточным поддержать в воде концентрацию

3

растворенного водорода в интервале 2,25—4,5 мг/дм [34]. На оте-

чественных АЭС с этой целью в воду дозируют аммиак NH . В воде

3

473

аммиак образует слабую щелочь (NH OH), в результате разложения

4

которой выделяется водород:

2NH OH → N + 3H +2H O.

На зарубежных АЭС в воду дозируется газообразный водород. Вместе с подаваемыми в первый контур растворами борной кис-

лоты, щелочи, аммиака, гидразин-гидрата (для дополнительного связывания кислорода) в воду попадают и другие примеси, в частности хлорид-ионы. Чтобы не происходило их накапливание, организуется продувка с выводом примесей на ионообменных фильтрах. Особое внимание уделяется продуктам коррозии — основному материалу для отложений на поверхности нагрева (твэлах) — с ухудшением теплоотдачи.

Необходимость ввода в первый контур растворов реагентов, корректирующих ВХР, вывода продувочной воды, снижения с течением времени концентрации борной кислоты в воде ставит задачу поддержания материального баланса теплоносителя или, иначе, требуемого его объема. Водный баланс первого контура может также нарушаться в результате хотя и незначительных, но неизбежных протечек теплоносителя, отборов проб воды и др.

Далее рассматриваются вспомогательные технологические системы, обеспечивающие решение перечисленных задач (см. также [35]).

Система продувки-подпитки

Система продувки-подпитки первого контура предназначена:

•для плавного изменения концентрации в теплоносителе поглотителя нейтронов (борной кислоты) в целях регулирования реактивности по мере выгорания топлива;

•для обеспечения требуемого качества теплоносителя, включая поддержание на возможно более низком уровне концентрации нежелательных примесей;

•для очистки и возврата в контур организованных протечек (до

3

2 м /ч);

• для компенсации неорганизованных протечек теплоносителя

3

(до 2 м /ч).

Первые две функции системы обеспечиваются продувкой первого контура, расход продувочной воды может изменяться в пределах 20—60 т/ч (5,5—17 кг/с). Расход воды, поступающей в первый контур (подпитка), регулируется в зависимости от положения уровня в компенсаторе давления. Концентрация химических реагентов в подпиточной воде устанавливается в зависимости от текущих показателей ВХР первого контура. Концентрация борной кислоты в теплоносителе зависит, помимо выгорания топлива в реакторе, от режима работы

474

блока: пуск, останов, сброс нагрузки и др. Концентрация аммиака в подпиточной воде зависит от концентрации водорода в теплоносителе, а гидразин-гидрата — от концентрации кислорода (табл. 24.1). Суммарная концентрация щелочных металлов устанавливается в зависимости от концентрации борной кислоты.

При достижении первого или второго уровня отклонений от допустимых значений одного или нескольких нормируемых показателей ограничивается продолжительность работы блока в создавшихся условиях (7 сут и 24 ч соответственно), после чего при неустранении возникших отклонений мощность блока должна быть снижена (до 50 % и на минимальный контролируемый уровень соответственно). Выход хотя бы одного нормируемого показателя за эксплуатационные пределы означает нарушение нормальных условий эксплуатации, и энергоблок должен быть переведен в «холодное» состояние.

На рис. 24.5 представлена тепловая схема системы продувки-под- питки. Система подсоединена к «холодным» ниткам всех четырех петель контура охлаждения реактора: отвод продувочной воды предусмотрен из ГЦТ с напора ГЦН, подпиточная вода подается на всас ГЦН. Штуцер каждой врезки в ГЦТ снабжен специальным сужающим устройством с целью ограничить течь из первого контура в случае разрыва трубопровода системы. Продувка осуществляется из четырех или из двух петель. Затем продувочная вода собирается в общем коллекторе и охлаждается в регенеративном теплобменнике (РТО) за счет теплообмена с подпиточной водой. После РТО установлена дроссельная шайба, при нормальной работе системы снижающая давление воды. Доохладитель продувки, охлаждаемый водой

Таблица 24.1

Нормы качества теплоносителя первого контура двухконтурной АЭС при работе реактора на энергетических уровнях мощности [34]

475

Рис. 24.5. Тепловая схема системы продувки-подпитки первого контура:

РТО — регенеративный теплообменник; ДО — доохладитель продувочной воды; БЛЗ — быстродействующая локализующая запорная задвижка с пневмоприводом; СВО-2 — система очистки продувочной воды первого контура; ДП — деаэратор подпитки; СГО — система спецгазоочистки; НПА — насосные подпиточные агрегаты; ДБР — деаэратор борного регулирования; ОВ — охладитель выпара ДБР; САОЗ — система аварийного охлаждения активной зоны

промежуточного контура, необходим для снижения температуры до

40—50 °С, что диктуется условиями работы ионообменных смол,

применяемых на СВО-2.* Регулирующие клапаны обеспечивают тре-

буемый расход продувочной воды. На трубопроводах вблизи про-

хода их через перекрытия герметичной оболочки устанавливаются

быстродействующие локализующие задвижки с пневмоприводами —

одна внутри гермозоны и две снаружи. Цель установки этой арма-

туры — не допустить утечку радиоактивности в окружающую среду

при авариях с разрывом трубопровода первого контура. Использу-

ется поршневой пневматический привод одностороннего действия,

работающий от системы сжатого воздуха: поршень в сторону откры-

тия приводится в действие сжатым воздухом и при этом сжимает

пружину закрытия, а в сторону закрытия — пружиной. После лока-

лизующих задвижек установлено импульсно-предохранительное

устройство, защищающее фильтры и трубопроводы СВО-2 от недо-

пустимого превышения давления. В случае срабатывания главного

предохранительного клапана вода сливается в деаэратор подпитки

(ДП), минуя СВО-2.

После очистки на ионообменных фильтрах системы СВО-2 про-

дувочная вода направляется в ДП. Перед этим она подогревается в

охладителе подпиточной воды в целях уменьшения недогрева до

температуры насыщения при давлении в деаэраторе.

* СВО — спецводоочистка, общее название установок для очистки вод, в которых содер-

жатся или могут содержаться радиоактивные вещества. На АЭС с ВВЭР-1000 предусмот-

рено семь спецводоочисток:

СВО-1 — высокотемпературная байпасная очистка воды первого контура (см. с. 491);

СВО-2 — очистка продувочной воды и воды оргпротечек первого контура (см. с. 480);

СВО-3 — переработка трапных вод (вод системы спецканализации) на выпарных аппа-

ратах (может производиться и на СВО-7);

СВО-4 — периодическая химическая очистка воды бассейна выдержки отработавших в

реакторе тепловыделяющих сборок и воды контура охлаждения системы управления и

защиты реактора;

СВО-5 — очистка продувочной воды парогенератора (см. § 24.3, рис. 24.12);

СВО-6 — очистка борсодержащих вод с концентрированием борной кислоты;

СВО-7 — очистка вод спецпрачечной.

477

Деаэратор подпиточной воды — атмосферного давления, пленоч-

ного типа. Его производительность составляет до 70 т/ч, температура

деаэрируемой воды — 104 °С. Конструктивная схема ДП показана на

рис. 24.6. Греющей средой является пар от коллектора собственных

2

нужд ПТУ, подаваемый в деаэратор от РОУ 14/3 кгс/см . Требование

полной автономности рабочих сред первого и второго контуров и

недопустимости их смешения обусловило применение поверхности

теплообмена. Образующийся на ней вторичный пар, поднимаясь в

деаэрационной колонке, контактирует с пленками деаэрируемой воды

на насадках, а затем — со струями в струйных отсеках, конденсиру-

ется, прогревая и дегазируя подаваемую сверху в колонку воду.

Рис. 24.6. Конструктивная схема деаэратора подпитки:

3

1 — вертикальный бак (рабочий объем — 19 м ); 2 — деаэрационная колонка; 3 и 4 —

центральная и периферийная распределительные камеры; 5 и 6 — центральная и периферийная струйные камеры; 7, 8 — насадочные колонны; 9 — трубы теплооб-

2

менной поверхности ( 18×2,5 мм; площадь 53,5 м ); 10 — перелив в баки борсодержащей воды; 11 — щит; 12 — дренаж

478

В связи с возможностью изменения нагрузки деаэратора в широком диапазоне внутри деаэрационной колонки организованы два

3

потока воды — большой и малый. Режим с расходом до 9 м /ч обес-

печивается работой малой насадочной колонки, а с большим′ расходом — работой обеих насадочных колонок.

В результате деаэрации вода практически полностью освобождается от содержавшихся в ней на входе водорода, кислорода и радиоактивных благородных газов (РБГ). Выпар деаэратора направляется в систему дожигания водорода и далее в систему спецгазоочистки (СГО).

Давление в деаэраторе поддерживается регулирущим клапаном расхода греющего пара.

Подпиточная вода после ДП охлаждается в регенеративном охладителе и в доохладителе подпиточной воды, охлаждаемом технической водой системы ответственных потребителей, включающей в себя автономный контур с циркуляционными насосами и устройством охлаждения — брызгальным бассейном. Температура подпиточной воды после охладителей устанавливается в соответствии с требуемым кавитационным запасом на входе в подпиточный насос.

Подача воды в первый контур осуществляется включенными последовательно бустерным насосом (одноступенчатый, центробежный,

3

частота вращения 1450 об/мин, давление 0,45 МПа, подача 90 м /ч, кавитационный запас — 4 м вод. ст.) и основным подпиточным насосом (четырехступенчатый, цетробежный, номинальная частота вра-

3

щения 8900 об/мин, давление 1,8 МПа, подача 60 м /ч). Гидромуфта, установленная между электродвигателем и основным насосом, позволяет изменять его частоту вращения и подачу.

Необходимый химический состав подпиточной воды обеспечивается подачей на всас подпиточных насосных агрегатов борного концентрата и растворов аммиака, щелочи и гидразин-гидрата.

Система продувки-подпитки должна надежно функционировать в течение всего периода нормальной эксплуатации энергоблока. Исходя из этого устанавливаются три однотипных насосных агрегата, из которых один обеспечивает работу системы, второй находится в резерве и третий может находиться на техническом обслуживании или ремонте. Арматура (запорные задвижки, обратные клапаны) у насосов устанавливается с учетом возможной одновременной работы нескольких агрегатов.

После подпиточного насосного агрегата поток воды разделяется: часть воды идет на подпитку первого контура, а другая часть — на уплотнения ГЦН. Клапаны, регулирующие расходы воды, установлены непосредственно у каждого из четырех ГЦН и на потоке воды в первый контур (два параллельно установленных регулирующих клапана). После подогрева в регенеративном теплообменнике подпиточ-

479

ная вода поступает в первый контур на всас ГЦН во все четыре петли. По мере необходимости часть подпиточной воды направляется на заполнение гидроемкостей САОЗ (см. § 25.1, с. 522).

Расход продувочной воды зависит от текущего химического состава воды первого контура, а расход подпиточной воды — от уровня воды в КД. Материальный баланс в контуре поддерживается следующим образом. Если расход продувочной воды оказывается больше расхода подпиточной, то часть воды после ДП и охладителя сливается в баки подсистемы борсодержащей воды. В случае меньшего расхода продувочной воды по сравнению с подпиточной недостаток восполняется дистиллятом. Также при необходимости уменьшить концентрацию борной кислоты в первом контуре осуществляется операция водообмена: вода после ДП направляется в баки борсодержащей воды, а требуемый расход подпиточной воды обеспечивается дистиллятом.

Дистиллят из системы дистиллята проходит охладитель выпара, охладитель дистиллята, деаэратор борного регулирования (ДБР) и затем поступает на всас подпиточных насосных агрегатов. Конструктивная схема и характеристики ДБР такие же, что и у ДП. Выпар из ДБР после охладителя выпара направляется в вентиляционную трубу (радиоактивных веществ в выпаре нет). Когда подача дистиллята в первый контур не требуется, он циркулирует по замкнутому контуру для поддержания ДБР в горячем состоянии: после регенеративного охладителя дистиллят дополнительно охлаждается технической водой ответственных потребителей в специальном теплообменнике, после которого возвращается в баки системы дистиллята.

Система продувки-подпитки относится к системам нормальной эксплуатации, являясь в то же время важной для безопасности РУ. Нарушение в работе оборудования системы или повреждение трубопровода может привести к выходу радиоактивного теплоносителя первого контура за предусмотренные границы.

Система должна функционировать во всех режимах нормальной эксплуатации, включая переходные режимы блока. Критерием выполнения ею своих функций является обеспечение требуемых расходов, температуры и химического состава подпиточной воды. В аварийных ситуациях, связанных с разуплотнением первого или второго контура, работа системы продувки-подпитки не требуется.

Система очистки продувочной воды первого контура

Система СВО-2 предназначена для очистки продувочной воды первого контура и воды организованных протечек от примесей, поступающих в этот контур с подпиточной водой вместе с дозируемыми

внее реагентами, от продуктов коррозии и осколков деления топлива —

вслучае повреждения твэлов. С помощью фильтров СВО-2 осущест-

480