5. Водно‑химический режим

Водно-химический режим контуров ЯЭУ должен обеспечивать целостность элементов установки за счёт снижения коррозионного воздействия на них теплоносителя и рабочих сред. В контурах ядерных установок водно-химический режим в первую очередь должен обеспечивать:

- сохранение целостности и герметичности защитных барьеров, предотвращающих выход РВ в окружающую среду (оболочек твэлов, корпусов реакторов, оборудования и трубопроводов первого контура, поверхности нагрева парогенераторов и т. п.);

- сокращение скоростей образования и накопления в контурах радиоактивных продуктов, уменьшение их отложений на внутренних поверхностях и переноса в обслуживающие системы с целью снижения уровней излучений от оборудования и трубопроводов;

- организацию постоянной и эффективной очистки рабочих сред всех контуров от продуктов коррозии и вредных примесей любых типов, а теплоносителя первого контура также от продуктов деления ядерного топлива (в случае разгерметизации твэлов);

- осуществление постоянного контроля за концентрацией примесей и качеством воды во всех контурах, соответствием показателей качества воды техническим нормам;

- снижение количества и активности отходов, возникающих при работе ЯЭУ и подлежащих переработке и захоронению.

Скорость коррозии существенно возрастает при наличии примесей в контурах. Различные примеси в первый, второй и третий контуры ЯЭУ могут попасть в результате:

- наличия построечных или послеремонтных загрязнений контуров;

- коррозии материалов контуров;

- содержания примесей в воде первичного заполнения, подпиточной воде и в технологических присадках, вводимых в контуры для корректировки водного режима или регулирования реактивности;

- радиолиза воды;

- растворения газов из воздуха для открытых контуров и из газовых компенсаторов объёма для первого контура;

- деления урана, остающегося на поверхности оболочек твэлов после их изготовления;

- выхода продуктов деления топлива при нарушении герметичности оболочек твэлов;

- подсоса воды во второй и третий контуры через неплотности теплообменных аппаратов и трубопроводов.

В связи с этим при проектировании и эксплуатации ЯЭУ принимаются все меры для полного исключения или максимально возможного сокращения поступления примесей в контуры. Подготовка водно-химического режима начинается с промывок контуров и подготовки промывочных и подпиточных вод, для чего судовые ЯЭУ оснащаются специальными системами.

Состав и количество допустимых в воде примесей нормируются для каждого контура ЯЭУ соответствующими техническими требованиями и инструкциями не только на период работы в навигации при расчётных параметрах каждого контура, но также для первичного заполнения, промывок и подпитки контуров, на период бездействия, перезарядки реактора, хранения в нерабочем состоянии. При этом для каждого контура в том или ином сочетании обычно нормируются следующие показатели качества воды: значение pH; плотный (сухой) остаток; содержание кислорода, хлоридов, фторидов, железа, меди; общее солесодержание или удельная электропроводность воды; удельная активность воды, а также концентрация технологических присадок и присадок, вводимых для поддержания заданного водно-химического режима (водорода, аммиака, борной кислоты, щелочей и т. п.).

В настоящее время число водно-химических режимов, которые используются в различных контурах ЯЭУ с разными типами реакторов, достаточно велико, однако все они могут быть разделены на два типа: бескоррекционные режимы, при которых в воду не вводятся никакие присадки, и коррекционные режимы, характеризуемые вводом в воду различных присадок, необходимых для поддержания желательных значений pH, концентрации кислорода, изменения химического состава продуктов коррозии, скорости их выноса в воду и т.д.

В первом контуре реакторов ВВР используется обычно смешанный аммиачно-борно-калиевый водно-химический режим. Для компенсации реактивности в начале кампании в первый контур реакторов ВВР в качестве жидкого поглотителя вводится борная кислота H₃BO₃. Введение борной кислоты резко снижает значение pH в контуре, что может привести к увеличению скорости коррозии, поскольку наиболее благоприятной для материалов контуров является слабощелочная среда.

Для снижения содержания ионов кислорода, образующегося в теплоносителе при радиолизе воды, в контур вводят водный раствор аммиака или гидразин-гидрат N₂H₄ ∙ H₂O. Их введение увеличивает значение pH в контуре, но при избытке ионов водорода, образующегося при разложении аммиака, может происходить наводораживание материалов контура. Поэтому для окончательной корректировки значения pH в первый контур вводят вводят щёлочи, например, KOH.

Строгие требования выдвигаются к содержанию в первом контуре кислорода и хлорид-иона, поскольку при их наличии возрастает скорость коррозии контурных материалов. Содержание кислорода не должно превышать значений 0,01 мг/кг, хлорид-иона – 0,1 мг/кг. Для поддержания требуемого содержания кислорода необходимо, чтобы в контуре содержалось не менее 5 мг/кг аммиака.

На практических занятиях производится расчёт параметров водно-химического режима первого контура. Рассмотрим примеры таких расчётов.

Пример 1. Концентрация аммиака в пробе теплоносителя первого контура . Определить, сколько литров водного раствора аммиака нужно ввести в контур для повышения его концентрации до, если в первом контуре содержитсяводы? При этом используется водный раствор аммиакаNH₄OH концентрацией , имеющий при 20ºС плотность.

Необходимое количество аммиака составит:

В одном литре x-процентного раствора аммиака, имеющего плотность ρ, г/л, содержится x·ρ, г, аммиака. Это означает, что для корректировки водно-химического режима в первый контур потребуется ввести следующий объём водного раствора аммиака:

.

Таким образом, для увеличения содержания аммиака в первом контуре от 5 мг/л до 40 мг/л требуется 28,4 литра 2,5% водного раствора аммиака.

Пример 2. Содержание кислорода в пробе теплоносителя первого контура составляет . Определить количество концентрированного гидразин-гидрата, которое нужно ввести в контур, содержащийтеплоносителя для связывания всего кислорода, содержащегося в контуре.

При расчёте стоит иметь ввиду, что гидразин, при добавлении в первый контур, будет взаимодействовать не только с кислородом. Некоторое его количество будет расходоваться, например, на восстановление оксидов металлов. Поэтому гидразин-гидрат вводится в контур в избыточном количестве. Обычно на 1 г кислорода, имеющегося в контуре, вводится 1 л 0,5%-го водного раствора гидразин-гидрата (). Поэтому в данном случае потребуется ввести в первый контур следующее количество 0,5%-го раствора гидразин-гидрата:

.

В концентрированных растворах содержание гидразин-гидрата составляет . Тогда для приготовления 600 л 0,5%-го раствора гидразин-гидрата потребуется следующий объём концентрированного гидразин-гидрата:

.

Таким образом для связывания всего кислорода в контуре потребуется примерно 3 литра концентрированного гидразин-гидрата.