Физико-химические процессы в парогенераторах АЭС

Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт экономики отраслей, бизнеса и администрирования

Доклад

На тему: «Физико-химические процессы в парогенераторах АЭС»

Выполнил: студентка гр. 21П-502

Промашков Егор

Челябинск 2015

Содержание

1. Физико-химические процессы протекающие в парогенераторах АЭС

2. Химические процессы в контуре

3. Водный режим реакторов

1. Физико-химические процессы протекающие в парогенераторах АЭС

Работа атомной энергетической установки сопровождается весьма существенными физико-химическими процессами, протекающими в ее контурах. Это связано прежде всего с тем, что ядерный реактор является мощным источником ионизирующего излучения, а также с коррозионным воздействием теплоносителя на конструкционные материалы. Физико-химические процессы протекают в тесной связи с тепловыми процессами, оказывая взаимное влияние друг на друга. Это требует дополнительного специфического оборудования. Рассмотрение основных физико-химических процессов целесообразно провести на основе тех же схем, что и для теплового оборудования АЭС (смотри упрощенную тепловую схему). На АЭС с водным теплоносителем необходимо обеспечить весьма высокую чистоту воды первого контура. Примеси, содержащиеся в воде, могут вызвать отложения на элементах первого контура -- в реакторе, насосе и арматуре. Особенно 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 ТВЭЛов всегда выше температуры теплоносителя. Превышение это тем больше, чем больше толщина отложений и тепловая нагрузка. Для реакторных ТВЭЛов, тепловая нагрузка неравномерна и достигает 1,2-10⁶--1,5-10⁶ Вт/м², составляя в среднем 0,3- 10⁶ -- 0,5-10⁶ Вт/м². Поэтому отложения в реакторе могут вызвать ухудшение теплопередачи, сильный нагрев и как следствие разрушение оболочек ТВЭЛов. При разрушении оболочек происходит значительная активация теплоносителя за счет выхода в него продуктов деления. При превышении активности в контуре выше определенного предела необходим останов реактора.

2. Химические процессы в контуре

Основные химические процессы в контуре связаны главным образом с коррозией конструкционных материалов и появлением отложений на теплопередающих поверхностях. Из наиболее важных видов коррозии реакторных материалов следует упомянуть межкристаллитную коррозию аустенитных нержавеющих сталей, связанную с уменьшением содержания хрома по границам зерен по сравнению с их центрами, а также коррозионное растрескивание под напряжением. С повышением содержания в водном теплоносителе кислорода и хлорид-иона значительно увеличиваются скорости протекания этих коррозионных процессов.

В ряде случаев повышенное содержание кислорода может вызвать ускоренную коррозию и циркониевых сплавов, особенно в щелочной среде. Очень важной характеристикой теплоносителя, от которой зависят скорость и вид коррозии, характер коррозионного процесса, количество переходящих в воду продуктов коррозии, их дисперсный состав, является значение рН, характеризующее активность водородных ионов. Наиболее заметно проявляется влияние рН теплоносителя на коррозию сталей перлитного класса и алюминия: с повышением рН до 9--10 можно снизить в несколько раз и скорость коррозии и скорость перехода продуктов коррозии в воду. Однако превышение этих значений может привести в некоторых случаях к щелочному растрескиванию сталей.

Осаждения на теплопередающих поверхностях вызываются также солями жесткости, что особенно важно для кипящих реакторов. Наиболее опасны разного рода отложения на поверхностях твэлов, поскольку приводят к ускорению коррозии их оболочки. Чтобы снизить вредное влияние описанных процессов, необходимо при эксплуатации ЯЭУ поддерживать концентрации различных примесей в теплоносителе на определенном уровне, что требует значительных усилий, затрачиваемых на очистку теплоносителя.

Все физико-химические процессы, имеющие место в контурах с теплоносителем, должны быть строго учтены при эксплуатации АЭС. Чтобы избежать попадания в теплоноситель послемонтажных загрязнений, а также чтобы убедиться в высоком качестве монтажных работ, перед началом эксплуатации АЭС производят подготовку и очистку контуров. На первом этапе проводятся гидравлические испытания контура, которые заключаются в проверке герметичности контура, заполненного водным теплоносителем, при повышенном давлении.

После гидравлической проверки герметичности контура и прочностных испытаний проводится его циркуляционная промывка, которая наряду с очисткой и отмывкой контура от послемонтажных загрязнений обеспечивает создание на внутренних поверхностях контура защитной окисной пленки. Циркуляционную промывку производят последовательно холодным (до 100°С) и горячим (до 260 °С) теплоносителем. Во время промывки обеспечивается предварительное снятие гидравлических характеристик реактора.

3. Причины загрязнения теплоносителя

Перечисленные выше явления заставляют предъявлять весьма высокие требования к чистоте теплоносителя. 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 стоянке протекают коррозионные процессы, в результате которых в теплоноситель переходят окислы конструкционных материалов. Поэтому для водного теплоносителя двухконтурной АЭС наиболее характерно присутствие именно окислов конструкционных материалов с превышением их содержания над естественными примесями.

С течением времени естественные примеси остаются на том же уровне, а содержание продуктов коррозии непрерывно нарастает. Если не будет организовано удаление их из контура, то это может привести к недопустимо высокому их содержанию и осаждению на поверхностях контура. Поэтому в систему КМПЦ должна быть включена установка для очистки воды реактора от продуктов коррозии, позволяющая поддерживать их концентрацию на допустимом уровне. В такую установку направляется часть воды реактора с последующим ее возвратом в первый контур (смотри рисунок 1).

Рисунок 1. Байпасная очистка воды реактора на ионообменных фильтрах: 1 --реактор; 2 --циркуляционный насос; 3 --регенеративный теплообменник, 4 --охлаждение конденсатом, 5 --катионитовый фильтр; 6 --анионитовый фильтр.

Вода реактора непрерывно очищается. Так как для очистки этой воды от продуктов коррозии необходимо удалять переходящие в воду катионы, то, казалось бы, для этого достаточно катионирования (подробнее об очистке смотри ниже). Однако при этом вода, возвращаемая в реактор, будет иметь кислую (Н-катионирование) или щелочную реакцию (NН4-катионирование). Что же касается Na-катионирования, то в связи с активацией натрия оно вообще недопустимо. Поэтому вся вода пропускается также и через анионитовый фильтр. Для преодоления сопротивления очистной установки используют перепад давлений, создаваемый главным циркуляционным насосом. Чем больше концентрация продуктов коррозии, тем большее количество воды приходится направлять на очистную установку, увеличивая размеры всех ее элементов. Кроме того, быстро истощается обменная емкость ионитных фильтров, подлежащих захоронению. Поэтому в контуре МПЦ применяют коррозионностойкие материалы и в воде создаются условия для их минимальной коррозии.

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 0,2 МПа).

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 обработке 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, для охлаждения бассейна выдержки отработавших ТВЭЛов, водяного бака биологической защиты реактора и др.

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. Полное удаление газов из конденсатора только за счет работы эжекторов невозможно, 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 воздухом. Целесообразно подавать ее в конденсатор для прохождения в нем дегазации. В результате коррозионных процессов, протекающих в конденсаторе, 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 ПНД частично разлагаются. При этом высвобождается свободная углекислота. Трубопроводы греющего пара ПНД и его конденсата также находятся под разрежением и поэтому могут служить источником дополнительного поступления воздуха в конденсат.

Таким образом, конденсатный тракт неизбежно содержит коррозионно-агрессивные газы. Чтобы уменьшить коррозию ПНД, для них выбирают коррозионностойкие материалы, уменьшающие поступление продуктов коррозии в воду. Весь питательный тракт, включая барабан сепаратор, находится под давлением, и поступление в него воздуха 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. Организация деаэрации осуществляется за счет подачи в деаэратор отборного пара турбины с отводом 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.

Турбинный конденсат, 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 добавочной водой, с присосом охлаждающей воды, а также в связи с коррозией питательного и особенно конденсатного тракта. Пар, выходящий из барабана сепаратора и поступающий в турбину, должен содержать возможно меньшее количество примесей для предотвращения их отложений на лопатках турбины, чтобы не вызвать снижения ее мощности и изменения осевого давления на подшипники. 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 реактор одноконтурной станции непрерывно поступает питательная вода, а из него уходит насыщенный пар, т. е. в нем, как и в любой паро-производящей установке или парогенераторе двухконтурной схемы, создаются условия для накопления примесей, приходящих с питательной водой. 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. Непрерывный отвод пара препятствует рекомбинации продуктов радиолиза, вынося их в тракт станции, поэтому радиолиз идет непрерывно с 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 слабо омываемых паром зонах. Кроме того, применяют специальные системы сжигания гремучей смеси. Из конденсатора продукты радиолиза интенсивно удаляются эжекторами 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 ничтожных нарушениях герметичности оболочек ТВЭЛов. 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 Вт/м2 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 нагрузка. Для поддержания допустимой концентрации соответствующих соединений в воде реактора пришлось бы сооружать огромную очистную установку для реакторной воды. Поэтому для реактора одноконтурной станции не допускают поступления в питательную воду примесей, проникающих в конденсат с присосом охлаждающей воды; этого достигают установкой ионообменной очистки всего конденсата. 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 в воде резко уменьшается с повышением температуры (смотри рисунок. 2).

При движении конденсата по 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. 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 также 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. При пропуске конденсата через конденсатоочистку для реакторов одноконтурных, так же, как и для реакторов двухконтурных АЭС, становится характерным преимущественное содержание в нем продуктов коррозии, а не естественных примесей воды.

Важное различие обоих типов АЭС -- 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.

Рисунок 2. Растворимость магнетита в кипящей воде в зависимости от ее температуры: 1 --рН=5,0; 2 --рН=5,5; 3 --2рН=6,0; 4 --рН=7,0.

3. Водный режим реакторов