Характеристика и задачи введения ВХР II контура

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

условные обозначения и сокращения 7

1. Общая характеристика водно-химического режима I контура и его систем. 8

1.1 Особенность водно-химического режима I контура 8

1.2 Контролируемые показатели качества состояния ВХР первого контура 9

2. Характеристика и задачи введения ВХР II контура. 19

2.1 Назначение ВХР II контура 19

2.2    Контролируемые показатели качества  рабочей среды II контура 21

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 30

Список используемой литературы 32

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в  большинстве промышленно развитых стран выработка электроэнергии в основном производится на электрических  станциях с паротурбинными установками, работающими на органическом топливе. Рабочей средой на установках тепловых электростанций является вода.

Вода на электростанциях  используется для заполнения контура  паротурбинной установки и компенсации  потерь пара и конденсата во время  работы, подпитки тепловых сетей, а  также для отвода теплоты в  конденсаторах турбин и вспомогательных  теплообменниках. Во всех случаях применяемая  сырая вода проходит соответствующую  обработку, однако наиболее высокие  требования предъявляются к качеству воды, служащей для заполнения контура  паротурбинной установки и подпитки его в процессе эксплуатации.

Оборудование современных  электростанций эксплуатируется при  высоких тепловых нагрузках, что  требует жесткого ограничения толщины  отложений на поверхностях нагрева  по условиям температурного режима их металла в течение рабочей  компании. Такие отложения образуются из примесей, поступающих в циклы  электростанций, в том числе и  с добавочной водой, поэтому обеспечение  высокого качества водных теплоносителей электростанции является важнейшей  задачей. Использование водного  теплоносителя высокого качества упрощает также решение задач получения  чистого пара, минимизации скоростей  коррозии конструктивных материалов котлов, турбин и оборудования конденсатно-питательного тракта.

Для удовлетворения разнообразных  требований к качеству воды, потребляемой при выработке электрической  и тепловой энергии, возникает необходимость  специальной физико-химической обработки  ее. Подготовка воды осуществляется в  специальном цехе, который называется цех ХВО. За этим цехом закреплена задача организации и контроля за водно-химическим режимом всех групп оборудования.

Химически подготовленная вода является, по существу, исходным сырьем, которое после надлежащей обработки (отчистки) используется для следующих  целей: а) в качестве исходного вещества для получения пара в котлах, парогенераторах, испарителях, паропреобразователях; б) для конденсации отработавшего  в паровых турбинах пара; в) для  охлаждения различных аппаратов  и агрегатов станции; г) в качестве теплоносителя в тепловых сетях  и системах горячего водоснабжения.

Одновременно с отчисткой  природной воды на электростанциях  необходимо решать комплексно вопросы, связанные с утилизацией различными методами образующихся при этом сточных  вод. Такое решение является мерой  защиты от загрязнения природных  источников питьевого и промышленного водоснабжения.

Выбор метода обработки воды, составление общей схемы технологического процесса при применении различных  методов, определение требований, предъявляемых  к качеству ее, существенно зависят  от состава исходных вод, типа электростанции, параметров ее, применяемого основного  оборудования.

Воду для заполнения и  подпитки контуров АЭС готовят из природных вод, забираемых из рек и водохранилищ, расположенных вблизи АЭС. Примеси в этих природных водах зависят от времени года, почвы с которых поступают стоки и находится сам водоем, от загрязнения вод промышленными и сельскохозяйственными стоками и т.д.

С самого начала развития атомной  энергетики достаточно большое внимание уделялось водному режиму 1 контура, для которого характерна работа не только реактора, но и всего остального тепломеханического оборудования в радиационно-активных условиях. Эти условия вне активной зоны в основном определяются концентрацией примесей в воде, которая проходя через активную зону реактора активируется и далее переносит активность по всему остальному контуру. Эти примеси могут попадать в контур извне с добавочной водой, с корректирующими добавками, а также образовываться в самом контуре при неизбежном процессе коррозии конструкционных материалов, образовываться в активной зоне реактора в результате радиационно-химических процессов, и, наконец, проникать в активную зону через неплотности оболочек ТВЭЛ. Отложения загрязнений на отдельных элементах оборудования снижает их надежность и экономичность, повышает радиационную активность оборудования, а следовательно, определяют меньшую его доступность при эксплуатации и ремонте.

Особенно опасны отложения  на ТВЭЛах, которые в отличие от отложений вне активной зоны, вызывающих лишь снижение экономичности, могут привести к термическому разрушению ТВЭЛа, и в конечном счете, к аварийной ситуации.

В отличие от водного режима 1 контура водному режиму 2 контура  АЭС до последнего времени уделялось меньше внимания. Основной причиной, по- видимому, являлось то, что 2 контур, неработающий теоретически в радиационно-активных условиях, просто рассматривался, как обычный ПГ среднего давления. При этом не было принято во внимание наличие на АЭС парогенерирующих труб из аустенитной нержавеющей стали, склонной к хлоридному растрескиванию под напряжением. Это вынудило резко ограничить допустимую концентрацию хлорид-ионов в воде не только 1 контура, но и 2 контура.

Требования, предъявляемые  к чистоте теплоносителя, очень высокие. Высокое качество теплоносителя может быть обеспечено лишь в том случае, если примеси будут систематически удаляться из контуров путем очистки. Поддержание концентраций всех примесей на максимально допустимом уровне наиболее надежными, экономичными и эффективными технологическими методами - первая основная задача рациональной организации водного режима контуров АЭС.

Второй важнейшей  задачей правильной организации  водного режима является ограничение скорости коррозии всех конструкционных материалов контуров путем создания оптимальных условий взаимодействия между средой и металлом. Допустимая при этом скорость равномерной коррозии ограничивается не столько сроком работоспособности оборудования, сколько допустимой интенсивностью загрязнения среды продуктами коррозии, только для язвенной коррозии и, в особенности, для коррозионного растрескивания металла под напряжением допустимая интенсивность процесса определяется условиями обеспечения требуемой длительности работы оборудования.

условные  обозначения и сокращения

1. Общая характеристика водно-химического режима I контура и его систем.

1. Особенность водно-химического режима I контура

Особенности ведения ВХР первого контура предусматривают:

– поддержание качества теплоносителя первого контура  в соответствии с требованиями отраслевого  нормативного документа СОУ-Н ЯЭК 1.013:2008;

– своевременное выявление  и устранение причин, вызывающих отклонение качества теплоносителя от установленных  диапазонов допустимых значений;

– организацию и проведение химического контроля за качеством  теплоносителя первого контура, подпиточной воды, боросодержащих растворов  систем РО, обессоленной воды и чистого  конденсата,  вспомогательных систем;

– снижение попадания  загрязнений в активную зону реактора и их распространение по контуру;

– ликвидацию отклонений и нарушений ВХР.

Качество рабочей среды (теплоноситель первого контура, подпиточная вода, борсодержащие растворы РО, чистый конденсат, обессоленная вода) это совокупность характеристик (показателей качества) рабочей среды, обеспечивающая оптимальные условия эксплуатации топлива и оборудования РУ.

Особенностью водно-химического  режима первого контура АЭС с реактором ВВЭР является регулирование реактивности реактора изменением в теплоносителе первого контура концентрации борной кислоты. В ее присутствии возрастает переход продуктов коррозии в воду, а также снижение рН теплоносителя, что может увеличивать скорость коррозии сталей. Для нейтрализации борной кислоты в теплоноситель вводится гидроокись калия. Поддержание требуемой концентрации водорода, необходимого для подавления процессов радиолиза, производится добавлением аммиака. Такой водно-химический режим называют слабощелочным восстановительным коррекционным аммиачно-калиевым с борным регулированием.

ВХР первого контура должен обеспечивать оптимальные условия эксплуатации ядерного топлива и оборудования РУ, а именно:

– подавление образования  окислительных продуктов радиолиза  теплоносителя при работе энергоблока на мощности;

– проектную коррозионную стойкость оболочек ТВС;

– проектную коррозионную стойкость конструкционных материалов оборудования и трубопроводов первого  контура в течение всего срока эксплуатации;

– минимизацию отложений  на поверхностях ТВС и теплообменной  поверхности парогенераторов со стороны первого контура;

– минимизацию накопления активированных продуктов коррозии на поверхностях оборудования первого  контура  энергоблока.

– минимально возможное  количество радиоактивных отходов.

2. Контролируемые показатели качества состояния ВХР первого контура

Хлорид-ионы, фторид-ионы. Хлорид-ионы и фторид-ионы снижают защитные свойства оксидных пленок поверхностей оборудования и трубопроводов, что приводит к коррозионному  растрескиванию под напряжением сталей аустенитного класса. Хлорид-ионы и фторид-ионы способны адсорбироваться окисными пленками, вытесняя из них кислород, и в точках адсорбции образуется растворимое хлористое железо, оголяя при этом металл. В процессе работы ядерного реактора в воде первого контура могут накапливаться газы – продукты ядерных реакций (изотоп фтора - F¹⁸), оказывающие влияние на радиационную безопасность при разгерметизации контура или ремонтных работах после останова реактора.

Основным источником поступления  хлорид-ионов в теплоноситель  первого контура являются подпиточная  вода и химреагенты, вводимые в контурную  воду для поддержания и корректировки  ВХР, а также протечки техводы  в подпиточную воду через теплообменники.

Источником появления  концентрации фторид-ионов могут  служить свежезагруженные кассеты, технология изготовления которых предусматривает  обработку их поверхности смесью азотной (HNO₃) и фтористой (НF) кислот с последующей отмывкой ХОВ. Поступление фторид-ионов в теплоноситель возможно и при разрушении фторопластовых уплотнений ГЦН.

Снижение содержания хлорид и фторид-ионов в технологической  среде достигается использованием высокой степени чистоты химреагентов, обессоленной воды, а также очисткой теплоносителя первого контура  в АФ установки СВО-2.

Кислород. Кислород, растворенный в теплоносителе вызывает коррозию металлов. На поверхности металла в присутствии кислорода идет процесс кислородной деполяризации, при котором в роли катода выступает шлам (потенциал шлама выше потенциала чистого железа). Вследствие окислительно-восстановительных процессов происходит разрушение металла с образованием язв.

Накопление кислорода  происходит в процессе радиолиза  теплоносителя и при подпитке первого контура недеаэрированными  растворами борной кислоты, химреагентов и «чистым» конденсатом (ХОВ).

Совместное присутствие  растворенного кислорода и щелочей  в теплоносителе первого контура  оказывает разрушающее воздействие  на оболочки ТВЭЛ из циркониевых сплавов.

Снижение концентрации кислорода  в теплоносителе первого контура  достигается вводом раствора гидразин-гидрата  в подпиточную воду при t _{первого контура} до 90 ⁰С и аммиака при работе РУ при t _{первого контура} > 90 ⁰С.

В результате химического  взаимодействия гидразина с растворенным в воде кислородом образуется вода и газообразный азот

O₂ + N₂H₄ = N₂ + 2H₂O

При радиационном разложении аммиака в теплоносителе первого  контура образуется водород, необходимый  для связывания кислорода.

Водород. При эксплуатации ядерного реактора процесс разложения молекулы воды теплоносителя протекает по реакции

2H₂O → 2H₂ + O₂.

Поддержание концентрации водорода в теплоносителе первого контура  в заданных пределах необходимо для  связывания кислорода, который образуется при радиолизе. Реакция радиолиза  обратима. Для смещения равновесия в сторону образования воды необходимо создавать избыточную концентрацию растворенного водорода в теплоносителе путем дозирования в первый контур водных растворов аммиака и гидразин-гидрата.

Процесс химических превращений  протекает по следующим реакциям:

2NH₃ = N₂ + 3H₂

2N₂H₄  = 2NH₃ + N₂ + H₂.

Подавление радиолиза  происходит по реакции 

2H₂ + O₂  → 2H₂O

Концентрация растворенного  в теплоносителе водорода зависит  от уровня мощности РУ, содержания аммиака  и расхода продувки первого контура. При работе РУ менее 10 % низкая нейтронная мощность реактора не может обеспечить накопление водорода в теплоносителе  первого контура, соответствующего нижнему значению нормируемого предела. Низкие концентрации растворенного  водорода способствуют накоплению растворенного  кислорода в теплоносителе первого  контура, и, как следствие, могут  привести к коррозии металла. Ограничение  верхнего предела концентрации водорода в теплоносителе первого контура связано со склонностью циркониевых сплавов, из которых изготовлены оболочки тепловыделяющих элементов, к охрупчиванию при насыщении их водородом.

Необходимая концентрация водорода при стационарном режиме регулируется равновесным содержанием аммиака  в теплоносителе первого контура.

Суммарная концентрация ионов щелочных металлов (å К, Na, Li). Для нейтрализации действия борной кислоты и поддержания значения рН в щелочной области при рабочей температуре среды, в теплоноситель первого контура дозируется раствор гидроокиси калия (КОН).

Количество вводимого  раствора гидроокиси калия рассчитывается с учетом поступающих с подпиточной  водой ионов натрия и накапливающихся  в теплоносителе ионов лития, которые образуются в контурной  воде при облучении бора нейтронами

В¹⁰+ n = Li⁷ + a

Суммарная молярная концентрация щелочных металлов в теплоносителе  первого контура, ммоль/дм³, должна поддерживаться в зависимости от текущей концентрации борной кислоты и рассчитывается по формуле

S Щ = Na/ Э_Na+ Li/ Э_Li + K/ Э_K

 где  Na – массовая  концентрация ионов натрия в  теплоносителе, мг/дм³;

        Э_Na = 22,99 – эквивалентная масса иона натрия, экв;

         Li – массовая концентрация ионов  лития в теплоносителе, мг/дм³;

        Э_Li = 6,94 – эквивалентная масса иона лития, экв;  

         K – массовая концентрация ионов калия в теплоносителе, мг/дм³;

        Э_K = 39,1 – эквивалентная масса калия, экв.

Значение рН. Значение рН характеризует состав среды и определяется соотношением констант диссоциации воды, борной кислоты, гидроокиси калия, лития, натрия и аммиака, находящихся в теплоносителе первого контура.

Поддержание рН в пределах контрольных уровней позволяет  снизить скорость коррозионных процессов.

Содержание борной кислоты в теплоносителе первого  контура снижает рН. Повышение рН, введением щелочей, позволяет снизить скорость коррозии нержавеющей и углеродистой стали и поступление продуктов коррозии в теплоноситель первого контура. При увеличении рН более 10,3 единиц ускоряется коррозия циркониевых сплавов и повышается растворимость продуктов коррозии.

Для поддержания необходимого рН при работе РУ на мощности и уменьшения скорости коррозии конструкционных  материалов в теплоноситель первого  контура дозируют гидроокись калия. Применение гидроокиси натрия для подщелачивания теплоносителя первого контура  не рекомендуется, так как ионы натрия активируются с образованием изотопа Na ²⁴. Гидроокись калия вводится в зависимости от текущей концентрации борной кислоты в теплоносителе. Для стабилизации концентрации ионов калия на постоянном уровне в теплоноситель дозируется аммиак.

Вводимый в теплоноситель  первого контура аммиак под воздействием температуры и активности разлагается. При высокой температуре основные свойства аммиака ослабевают.

Аммиак. Продуктами разложения аммиака являются азот и водород. Дозирование в контур раствора аммиака производится с целью образования и накопления избытка водорода и поддержания его концентрации в диапазоне допустимых значений.

Водород используется в химических превращениях для подавления процесса радиолиза теплоносителя.

Равновесная концентрация аммиака  в теплоносителе определяется верхним  и нижним пределами концентрации водорода в контурной воде.

Продукты коррозии (железо, медь, хром, никель). Наличие (появление) продуктов коррозии в теплоносителе первого контура характеризуют состояние поверхностей конструкционного материала по отношению к протеканию процессов коррозии, массопереноса и смыва отложений в переходные периоды эксплуатации оборудования. При циркуляции теплоносителя продукты коррозии активируются и отлагаются на внутренних поверхностях оборудования по всему контуру, осложняя в дальнейшем проведение ППР.

Поддержание оптимального ВХР  теплоносителя первого контура  способствует снижению скорости коррозии конструкционных материалов и переходу продуктов коррозии в растворенное состояние, что повышает безопасность эксплуатации оборудования, уменьшает  количество радиоактивных отходов, улучшая в целом радиационную обстановку на АЭС.

Наличие ионов меди в теплоносителе  способствует протеканию локальной  электрохимической коррозии стальных и циркониевых материалов и косвенно характеризует состояние медьсодержащих элементов оборудования первого  контура (лабиринтовое уплотнение ГЦН).

Очистка продувочной воды первого контура продуктов коррозии конструкционных материалов и продуктов  деления топлива осуществляется на установках СВО-1 и СВО-2.

Нитрат-ионы. Источником появления нитрат-ионов в контурной воде могут быть продукты распада различных сложных органических веществ животного и растительного происхождения, поступающих с подпиточной водой, и вымывание остаточной концентрации нитрат-ионов из фильтрующего материала после восстановления ионообменной емкости катионитового фильтра установки очистки теплоносителя первого контура и организованных протечек.

Продуктом разложения аммиака  и гидразина кроме водорода является также азот. Азот может попадать в теплоноситель и с подпиточной  водой или с остаточным воздухом при заполнении первого контура. Присутствие азота в теплоносителе ведет к образованию аммиака в случае отсутствия кислорода. При наличии в воде кислорода процесс взаимодействия азота с радиолитическими газами под действием ионизирующего излучения приводит к образованию азотной кислоты, которая увеличивает скорость коррозии и ускоряет образование отложений на поверхности ТВЭЛ

2N₂ + 5O₂ + 2H₂O → 4HNO₃.

Продукты коррозии частично взаимодействуют с азотной кислотой с образованием нитратов

Fe₂O₃ + 6HNO₃ → 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

которые гидролизуются в  гидроокись железа по реакции

Fe(NO₃)₃ + 3H₂O → Fe(OН)₃ + 3HNO₃

В момент выделения  гидроокись железа является накипеобразователем.

Борная кислота. Растворы борной кислоты используются в качестве жидкого поглотителя нейтронов с целью плавного регулирования мощности реактора. Нейтрализацию борной кислоты позволяет осуществлять аммиачно-калиевый водный режим.

Концентрация борной кислоты  в теплоносителе определяется физикой  активной зоны и зависит от запаса реактивности активной зоны реактора.

Сульфат-ионы. Коррозионно-активные сульфат-ионы усиливают протекание процессов коррозии хромникелевых нержавеющих сталей, углеродистых сталей и медьсодержащих сплавов. Разрушение защитной пассивной пленки на поверхности металла оборудования под воздействием сульфат-ионов происходит по границам кристаллов, что приводит к коррозионному растрескиванию. Вследствие массопереноса продуктов коррозии  с теплоносителем первого контура, на поверхности ТВЭЛ образуются отложения, увеличивающие их термическое сопротивление с последующим пережогом оболочек. В результате повреждения оболочек ТВЭЛ возрастает активация теплоносителя за счет выхода продуктов деления ядерного топлива.

Возможным источником поступления  сульфат-ионов в теплоноситель  первого контура и в боросодержащий раствор бассейна выдержки топлива  могут быть «чистый» конденсат при  водообмене или боросодержащие растворы при заполнении оборудования, дозируемые реагенты для корректировки состояния  ВХР.

Появлению сульфат-ионов  в теплоносителе первого контура, в воде бассейна выдержки, в борсодержащих растворах способствует деструкция ионообменной смолы.

Соединения кремния. Кремнекислые соединения присутствуют в воде в виде соединений различной степени дисперсности (коллоидных частиц, молекул и ионов). Основной источник поступления кремния в воду – гидролиз соединений кремния (бетон, стекло, цемент, керамика, песок, глина, гранит). Растворимость кремниевой кислоты зависит от ионного состава воды и величины рН. С понижением величины рН контурных вод и концентрации ионов натрия, снижается растворимость кремниевой кислоты. При уровне водородного показателя более 8 кремневая кислота начинает диссоциировать в анион силиката (SiO₃^2-), при дальнейшем увеличении рН силикаты могут выпадать в осадок в виде солей кальция, магния, железа или алюминия. Присутствие в воде жесткостных катионов кальция и магния способствует образованию с кремниевой кислотой малорастворимых силикатов, что приводит к появлению отложений на внутренних поверхностях оборудования.

Присутствие кремния в воде осложняет процесс удаления железа. Гидратированный оксид кремния (кремниевая кислота) может взаимодействовать с катионами железа со степенью окисления +3 при полном отсутствии взаимодействия с Fe²⁺. В результате такого взаимодействия появляются устойчивые коллоидные образования, которые не удаляются фильтрованием или другими традиционными методами очистки воды. Дополнительным источником появления соединений кремния в воде является разложение биомассы наземных и водных растительных организмов.

При низких рН соединения кремния способны полимеризоваться. Подобным образом могут взаимодействовать срединные группы ОН, образуя разветвленные и трехмерные макромолекулы. Переход ортокремниевой кислоты в поликислоты сопровождается превращением молекулярного раствора Н₄SiО₄ в коллоидные растворы, состоящие из мелких твердых частиц, размером от 1 нм до 100 нм, находящихся в седиментационно-диффузном равновесии – золи (SiO2*nH2O), либо выпадают в виде объемистых осадков, включающих большое количество воды. Частицы золей настолько малы, что не видны под микроскопом и проходят через поры лабораторных фильтров. Для золей характерен эффект Тиндаля, т.е. рассеяние света коллоидными частицами.

Общий органический углерод. Органический углерод способен появляться в контурных водах вследствие его присутствия в результате биохимических превращений в природной воде (продукты гниения растений, роста бактерий, метаболизма, пестициды, химикаты, фармацевтические субстанции и др.), используемой для приготовления обессоленной воды. Косвенным показателем для определения массовой концентрации органического углерода в воде может служить показатель массовой концентрации масел и нефтепродуктов. Масла и нефтепродукты используются в качестве охлаждающей среды вращающихся механизмов, малорастворимые в воде и находятся в ней в виде капелек различной степени дисперсности. Загрязнение контурных вод нефтепродуктами приводит к образованию трудно смываемых пленок на внутренних поверхностях трубопроводов и оборудования. При высоких температурах теплоносителя масляные пленки превращаются в отложения на поверхностях металла оборудования, затрудняя процессы теплообмена. Присутствие органических веществ в теплоносителе первого контура способствует образованию отложений на поверхности ТВЭЛ, увеличивающих их термическое сопротивление с последующим пережогом оболочек. В результате повреждения оболочек ТВЭЛ возрастает активация теплоносителя за счет выхода продуктов деления ядерного топлива.

2. Характеристика и задачи введения ВХР II контура.