ТЭС и АЭС_1 / Лекция 6

Лекция 6

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИСТЕМЕ АЭС

В цикле атомной станции происходят важные физико-химические про- цессы, во многом определяющие экономичность и надежность работы. Они протекают в тесной связи с тепловыми процессами, оказывая взаимное влия­ние друг на друга. Это не только сказывается на выборе конструктивного оформления теплоэнергетического оборудования и режимов его работы, но и требует дополнительного специфического оборудования.

Рассмотрение основных физико-химических процессов целесообразно провести на основе тех же схем, что и для теплового оборудования АЭС (см. рис2). В двухконтурной АЭС с водным теплоносителем

необходимо обеспечить весьма высокую чистоту воды первого контура. Если содержание примесей в ней будет значительным, то это мо­жет вызвать отложения на элементах первого контура — в реакторе, паро­генераторе, насосе и арматуре. Отложения в парогенераторе, как бы зна­чительны они не были, не опасны, так как температура металла всегда меньше температуры теплоносителя. Однако эти отложения уменьшают коэффициент теплопередачи, в результате чего снижается паропроизво- дительность парогенератора и мощность, развиваемая турбиной.

Более опасны отложения на тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ) ре­актора, так как это не только приводит к снижению коэффициента тепло­передачи, но может вызвать и аварийную ситуацию. Температура оболочки ТВЭЛ всегда выше температуры теплоносителя. Превышение это тем боль­ше, чем больше толщина отложений и тепловая нагрузка. Если для паро­генератора тепловая нагрузка довольно равномерна и составляет для вод­ного теплоносителя порядка 100∙ 10³ ккал/(м²∙ч), то для реакторных ТВЭЛ она неравномерна и достигает 1,2 ∙ 10⁶ -г- 1,5 • 10^е ккал/(м² • ч), состав­ляя в среднем 0,3 • 10^е ч- 0,5 • 10⁶ ккал/(м² • ч). Поэтому отложения в ре­акторе могут привести к пережогу оболочки ТВЭЛ, значительной актива­ции теплоносителя за счет выхода в него продуктов деления и необходимос­ти останова реактора.

Отложения на элементах циркуляционного насоса и арматуры могут ухудшить их работу, вызвать повышенную радиоактивность, затруднить доступность для ремонта. Еще большие осложнения в эксплуатации могут возникать при отложениях на элементах системы управления и защиты реактора.

Указанные обстоятельства заставляют предъявлять весьма высокие требования к чистоте теплоносителя, которым заполняется первый контур. Так как контур замкнут, то казалось бы можно ожидать, что высокая чис­тота теплоносителя будет неизменной. Однако это справедливо лишь в отношении естественных примесей воды. Между тем в любом контуре и в любых условиях как при эксплуатации оборудования, так и при его стоянч

в воде контура в связи с содержанием в нем атомарного водорода. Поэтому возникают определенные требования к организации водного режима реак­тора. Наиболее благоприятно применение паровых компенсаторов, в ко­торых за счет работы электронагревателей создается паровая подушка над уровнем жидкости. В этом случае заполнитель компенсатора объема не влияет на физико-химические процессы в реакторе. В первом контуре сле­дует считаться также и с проникновением в воду газов, образующихся в процессе деления, что усложняет работу и конструкцию очистной установки.

Для реакторного контура двухконтурной АЭС уже в начале эксплуата­ции радиолиз подавляется и сохраняется на весьма невысоком уровне. Иначе обстоит дело с реакторной водой одноконтурной АЭС, как это будет рассмотрено далее.

Физико-химические процессы в первых контурах двухконтурных АЭС происходят и при других теплоносителях. Для газового теплоносителя приходится считаться с возможностью попадания в него влаги из второго контура, что требует его очистки. При взаимодействии теплоносителя с за­медлителем, например углекислоты с графитом, при высоких температурах может происходить восстановление углекислоты до окиси углерода, ухуд­шающее теплофизические свойства теплоносителя.

В систему жидкометаллического теплоносителя через систему газового (обычно азотного) компенсатора объема проникает кислород воздуха, все­гда содержащийся в небольшом количестве в техническом азоте. В резуль­тате происходит окисление теплоносителя, что вызывает необходимость со­оружения специальных очистных установок. Требуется также вывод из теплоносителя продуктов коррозии сталей, примененных в контуре.

Физико-химические процессы протекают и в системе вторых контуров двухконтурных АЭС, причем их характер лишь косвенно и в малой степени зависит от вида теплоносителя первого контура. Эти процессы происходят практически во всех элементах оборудования второго контура.

Для создания вакуума в конденсаторе необходимо обеспечить конденса­цию пара при низких температурах (26—30° С, в зависимости от давления в конденсаторе). Для этого через трубки конденсаторов прокачивают с опре­деленными скоростями охлаждающую воду с нагревом ее на 5—10° С, что требует подачи очень больших количеств воды и создания системы техничес­кого водоснабжения, находящейся под давлением, необходимым для пре­одоления сопротивления всей системы (обычно около 2 кгс/см²).

Системы водоснабжения могут быть различными, но во всех случаях следует считаться с возможностью отложений внутри конден­саторных трубок из-за уменьшения растворимости примесей при нагрева­нии. Эти отложения снижают коэффициент теплопередачи в конденсаторе и могут привести к ухудшению вакуума, а следовательно, к снижению эко­номичности и мощности турбинной установки. Предотвращение таких отложений требует изучения физико-химических процессов, зависящих от качества воды технического водоснабжения, соответствующей ее обработки и принятия наиболее правильного технического решения. Условия, близ­кие к этим, имеют место в сетевом подогревателе, однако температуры в нем выше, а расходы воды относительно невелики. В связи с этим вода теплосети проходит упрощенную химическую обработку.

Вода технического водоснабжения используется не только для конден­саторов, но и для всех холодильников в системе станции, например для про­боотборников и некоторых вспомогательных теплообменников. Она может использоваться также и для системы расхолаживания реактора при его остановке, бассейна выдержки отработавших ТВЭЛ, водяного бака биоло­гической защиты реактора и др. При большой минерализации технической воды, например морской, теплообменники предпочтительнее охлаждать во­дой, циркулирующей по замкнутой системе контура, называемого третьим контуром, или промежуточным контуром технической воды. Такой промежуточныи контур иногда применяется и при невысокой минерализации охлаждающей воды во избежание попадания радиоактивных веществ в сис­тему технического водоснабжения и его воздействия на окружающую среду.

По паровой стороне конденсатор находится под разрежением, т. е. име­ется перепад давлений между окружающей средой и конденсирующимся паром, а также между ним и охлаждающей водой. Вместе с тем всегда возмож­ны неплотности в соединениях конденсаторного корпуса с выхлопным па­трубком турбины и в местах завальцовки труб в трубные доски, а также кор­розионные трещины в конденсаторных трубках. В результате неплотно­стей первого типа в конденсатор поступают определенные порции воздуха, нарушая вакуум и вызывая коррозию оборудования. Поэтому необходим постоянный отсос газов эжекторами с выбросом неконденсирующихся газов в атмосферу. В случае проникновения во второй контур газов из системы первого контура они также удаляются эжекторами.

Полное удаление кислорода из конденсата только за счет работы эжек­торов невозможно. Сохранение в конденсате остаточного кислорода может вызвать коррозию оборудования последующего тракта, например коррозию под напряжением аустенитных нержавеющих сталей. Поэтому в конденса­торе должен быть организован физико-химический процесс дегазации кон­денсата — удаления из него растворенных газов.

Потери пара и конденсата, связанные с работой эжекторов, утечками через неплотности, отбором проб и потерями с продувкой, требуют воспол­нения этой убыли за счет дополнительной, обычно обессоленной, воды. Эта вода в значительной степени также насыщена кислородом воздуха. Целе­сообразно подавать ее в конденсатор для прохождения в нем дегазации. В конденсате все-таки остается некоторое количество кислорода, так как условия для деаэрации в конденсаторе недостаточно благоприятны в связи с тем, что этот процесс является лишь попутным с основным — конденса­цией пара.

В результате коррозионных процессов, неизбежных при наличии в кон­денсирующемся паре кислорода, а иногда и углекислоты, через трещины в конденсаторных трубках и неплотности в вальцовочных соединениях в конденсат поступает некоторое количество охлаждающей воды. Величина этого присоса за единицу времени весьма незначительна по сравнению с ко­личеством конденсата, проходящего через конденсатор за то же время. Однако вместе с этим присосом в конденсат попадают естественные примеси воды и продукты коррозии системы технического водоснабжения. Корро­зия же собственно конденсаторных трубок с паровой стороны вызывает по­ступление в конденсат окислов меди и цинка (обесцинкивание латуни).

Бикарбонаты, поступившие с присосом охлаждающей воды, в связи с ростом температуры при проходе конденсата через регенеративные подо­греватели низкого давления частично разлагаются. При этом высвобождает­ся свободная углекислота. Трубопроводы греющего пара подогревателей низкого давления и его конденсата также находятся под разрежением и поэтому могут служить источником дополнительного поступления воздуха (кислорода) в конденсат. Таким образом, конденсатный тракт неизбежно содержит коррозионно-агрессивные газы. Для уменьшения коррозии по­догревателей низкого давления для них должны выбираться коррозионностойкие материалы, чтобы сохранить оборудование и уменьшить поступле­ние продуктов коррозии в воду.

Весь питательный тракт, включая питательный бак, находится под дав­лением, и поступление в него кислорода исключается. Температура воды дос­таточно высока (более 100° С), и разложение бикарбонатов в значительной степени уже произошло. Поэтому в месте соединения конденсатного и пи­тательного тракта целесообразно организовать основную, более глубокую, чем это возможно в конденсаторе, дегазацию. Она осуществляется в деаэраторной колонке, непосредственно связанной с питательным баком.

Рис. 3. Коэффициенты распределения для различных веществ в зависимости от отношения плотностей воды и насыщенно­го пара

Организация деаэрации осуществляется за счет подачи в деаэратор отборного пара турбины с отдувкой части его, обогащенной газами. При смешении греющего пара с конденсатом прежде всего происходит догрев последнего до температуры насыщения греющего пара, т. е. деаэратор является регенеративным подогревателем смешивающего типа . В питательном тракте вода практически освобождена от газов. Это позволяет выполнять подогре­ватели высокого давления из коррозионно-нестойких, но более дешевых материалов.

Турбинный конденсат, являющийся питательной водой парогенератора в двухконтурной АЭС, обогащается естественными при­месями воды за счет присоса охлаждающей воды в конденсаторе. Естест­венные примеси могут поступать в цикл с добавочной водой в количествах, зависящих от способа ее обработки (умягчение или обессоливание). В кон­денсат поступают и продукты коррозии как в результате коррозии самого конденсатора, так и с водой из водоочистки, присосом охлаждающей воды, а также в связи с коррозией питательного и особенно конденсатного тракта.

Пар, выходящий из парогенератора и поступающий в турбину, должен содержать возможно меньшее количество примесей для предотвращения их отложений на лопатках турбины, чтобы не вызывать снижения ее мощности и изменения осевого давления на подшипники. Организацией глубокой осушки пара удается достичь необходимой его чистоты. При этом с паром уносится лишь малая часть всех примесей, поступающих в парогенератор, в воде которого будет происхо­дить их непрерывное накопле­ние, что может привести к от­ложениям в парогенераторе по стороне второго контура, сни­жению коэффициента теплопе­редачи и уменьшению паропроизводительности установки.

Для того чтобы ограничить содержание примесей в воде парогенератора, необходимо обеспечить их непрерывное вы­ведение из цикла. Так как возможно проникновение воды первого контура в воду пароге­нератора, то парогенераторная вода очищается или по схеме, аналогичной ре­акторной, но с пропуском через анионит всего расхода очищаемой воды, или по разомкнутой схеме.

Образующийся в парогенераторе пар уносит с собой примеси как вслед­ствие своей влажности, так и за счет непосредственного растворения при­месей в насыщенном паре. Влажность насыщенного пара обычно незначи­тельна и поддерживается в зависимости от наличия или отсутствия после­дующего перегрева на уровне 0,05—0,2%. За счет растворимости в сухой насыщенный пар может перейти существенно большее количество примесей. Значения коэффициентов распределения для различных примесей воды па­рогенератора приведены на рис. 3

Коэффициент распределения представляет собой отношение содержания примесей в насыщенном паре и в котловой воде, причем и в том и в другом случае имеется в виду лишь растворенная их форма, но не коллоидная и тем более шламовая. Из рис. следует, что насыщенный пар способен вы носить с собой значительное количество окислов железа во всем диапазоне давлений в парогенераторах, характерных для энергетических установок.

Унос примесей с паром является тоже своего рода продувкой парогене­ратора, но нежелательной, так как примеси остаются в цикле. Однако с этим необходимо считаться, особенно для растворенных окислов железа, по которым, в отличие от всех остальных примесей, «продувка» парогене­ратора по пару существенно превышает продувку по воде, с которой уходят главным образом шламовые формы продуктов коррозии. Например, при давлении 50 кгс/см² коэффициент выноса растворенных окислов железа с паром составляет 10%, в то время как продувка по воде — обычно ме­нее 1%.

В ступенях турбин, работающих на влажном паре, практически все примеси переходят в образующуюся влагу. При наличии турбинного се­паратора большая часть примесей уходит с сепаратом, оставаясь, однако, в цикле. Таким образом, пар, поступающий в конденсатор, приносит с собой в наибольшей степени растворенные окислы железа, а в меньшей — остальные примеси.

В одноконтурных АЭС происходят те же физико-хи­мические процессы, что и в двухконтурных, однако с некоторыми отличия­ми, а главное — с гораздо большим влиянием на надежность и экономич­ность работы установки. В реактор одноконтурной станции непрерывно по­ступает питательная вода, а из него уходит насыщенный пар, т. е. в нем, как в любой паропроизводящей установке или парогенераторе двухкон­турной схемы создаются условия для накопления примесей, приходящих с питательной водой. Поэтому реактор одноконтурной станции имеет очист­ную установку, принципиально аналогичную установке двухконтурной станции, но гораздо большую по производительности. Дейст­вительно, в воду поступают продукты коррозии не только самого реактора, но всего конденсатно-питательного тракта. Кроме того, так как с питатель­ной водой непрерывно поступают в реактор также и естественные примеси воды, то для одноконтурного реактора необходим пропуск через анионит всего расхода продувки, а не его части.

Для одноконтурной схемы не нужно специального компенсатора объема, так как его роль выполняет паровой объем реактора. Непрерывный отвод пара препятствует рекомбинации продуктов радиолиза, вынося их в тракт станции. Поэтому радиолиз идет с высокой интенсивностью, зависящей от мощности реактора.

Продукты радиолиза могут образовать в тракте станции взрывоопасную гремучую смесь. При проектировании тракта от реактора до конденсатора должны быть предусмотрены устройства, предотвращающие скопления гре­мучей смеси в застойных или слабоомываемых паром зонах. Кроме того, при­меняются специальные системы сжигания гремучей смеси. Далее продукты радиолиза доходят до конденсатора, интенсивно удаляются эжекторами тур­бин и через специальную вентиляцию выбрасываются в атмосферу. Вместе с паром проходят в конденсатор и газы, образующиеся в процессе деления и проникающие в теплоноситель даже при практически герметичных обо­лочках ТВЭЛ. К их числу относятся в первую очередь изотопы ксенона и криптона. В связи с этим вентиляционные системы на одноконтурных стан­циях обычно более мощные, чем на двухконтурных.

В числе продуктов коррозии, поступающих в питательную воду, на­ходятся окислы меди. Так как медистые накипи образуются только при теп­ловых нагрузках 400 ∙ 10³ ккал/(м²∙ч) и выше, то в парогенераторах двух­контурных станций они не возникают. В реакторах одноконтурных станций опасность их образования вполне реальна в связи с весьма высокими мест­ными тепловыми нагрузками. Это требует удаления окислов меди из пи­тательной воды реактора одноконтурной станции.

Вероятность и опасность образования кальциевых и магниевых накипей в любой паропроизводящей установке тем больше, чем больше тепловая на грузка. Для поддержания допустимой концентрации соответствующих сое­динений в воде реактора пришлось бы сооружать большую очистную уста­новку для реакторной воды. Поэтому для реактора одноконтурной стан­ции предпочтительнее не допускать поступления в питательную воду примесей, проникающих в конденсат с присосом охлаждающей воды.

В конденсатор турбины вместе с паром в наибольшем количестве посту­пают окислы железа, находящиеся в растворенном состоянии сначала в паре, а затем в конденсате. Растворимость окислов железа резко уменьшается с повышением температуры. При движении конденсата па конденсатно-питательному тракту в воде все в большей мере образуется железоокисный шлам как за счет уменьшения растворимости окислов железа, так и в результате коррозии самого тракта. Поэтому в реакторе может воз­никнуть опасность железоокисных отложений.

Рис. 4. Раствори­мость магнетита в кипя­щей воде в зависимости от ее температуры:

1-pH=5.0, 2-pH=5.5, 3-pH=5.0, 4-pH=7.0

Необходимо учитывать, что приносимые в конденсатор окислы железа, кобальта, никеля, циркония и других конструкционных материалов реак­тора радиоактивны и разнесение их по всей системе станции нежелательно.. Эти причины приводят к необходимости очистки, всего конденсата, посту­пающего в реактор, на ионообменных фильтрах. Попутно удаляется и хлор-ион, проникающий в конденсат с присосом охлаждающей воды. Осо­бое значение приобретает ионообменная конденсатоочистка, как защита ре­актора от поступления большого количества примесей при аварийном раз­рыве трубок конденсатора.

Парогенератор не предъявляет таких жестких требований к питательной воде и часто не нуждается в ионообменной конденсатоочистке. Поэтому для реактора и парогенератора дол­жен быть различным не только питательный, но и конденсатный тракт (рис. III.4). Применение парогенератора в системе одноконтурной станции усложняет и удорожает установку не только за счет самого парогенератора, но и из-за создания двух раздельных конденсатно-питательных трактов, включая и деаэратор. Поэтому все современные одноконтурные АЭС не имеют парогенератора. При пропуске конденсата через конденсатоочистку для реакторов как одноконтурных, так и двухконтурных АЭС становится характерным пре­имущественное содержание в нем продуктов коррозии, а не естественных примесей воды. Очень важным различием обоих типов АЭС является боль­шая радиационная активность оборудования при одноконтурной схеме, определяющая его меньшую доступность в эксплуатации и требующая орга­низации биологической защиты не только реактора, но и некоторых других элементов оборудования.