Совершенствование регламента проведения продувки в режимах останова блока с РБМК на основе динамики распределения примесей

Совершенствование технологических процессов на электрических станциях посредством внесения необходимых изменений в регламент работы оборудования, в технологические и конструктивные схемы элементов оборудования является важной задачей, требующей постоянного внимания эксплуатирующих и проектирующих организаций. Это позволяет обеспечивать более эффективное и долговременное функционирование оборудования, основываясь на понимании протекающих физических в нем процессов и не прибегая к дорогостоящей замене элементов оборудования. В настоящее время эта задача приобретает особое значение.

Изношенность технологического оборудования становится серьезной проблемой электроэнергетики страны. Одной из основных причин отказов является разрушение поверхностей теплообмена, вследствие коррозии и образования отложений.

Особенностью АЭС с РБМК является радиоактивность оборудования, обусловленная образованием отложений радионуклидов на внутренних поверхностях. Это приводит к повышенной численности обслуживаемого персонала и увеличению его дозовых нагрузок. Проблема дозовых нагрузок персонала АЭС в настоящее время рассматривается не только с медицинской точки зрения, но и с технической, экономической и социальной. Снижение дозовых нагрузок персонала АЭС прямо приводит к снижению эксплуатационных затрат и повышению коэффициента использования установленной мощности АЭС.

Большую часть дозовых нагрузок персонал получает в период ремонтных работ на остановленном оборудовании. Мощность экспозиционной дозы излучения от оборудования этой части контура при остановленном реакторе на 80−95% обусловлена у-распадом радионуклидов продуктов коррозии конструкционных материалов контура. Анализ данных по облучению персонала при проведении ремонтных работ показывает, что к его основным источникам относятся 60Со, 5ICr, 59Fe, 58Со и другие продукты коррозии [27]. Продукты коррозии железа являются носителями соединений радиоактивных изотопов, образовавшихся из легирующих компонентов сталей. При появлении отложений в активной зоне продукты коррозии могут сорбироваться из объема теплоносителя на поверхности твэлов и длительное время удерживать даже растворимые примеси, в частности соединения натрия, хлориды, а также продукты деления, попавшие в теплоноситель из негерметичных твэлов. Образовавшиеся отложения могут подвергаться смыву и выносу в другие части контура. Откладываясь на элементах контура вне активной зоны, отложения создают наведенную радиоактивность и приводят к радиационному заражению всего контура.

Радикальный путь устранения перечисленных нежелательных явлений — создание такого водного режима, при котором в воде не появлялось бы продуктов коррозии. Если же это условие не обеспечивается в полной мере, то задача состоит в разработке новых технологий, направленных на повышение уровня эксплуатации и надежности парогенерирующих установок. К этим разработкам относятся и совершенствование регламента ведения продувки в переходных режимах работы парогенерирующего оборудования, опирающееся в своем теоретическом плане на закономерности распределения примесей.

Для удаления примесей из парогенерирующего объема применяются непрерывная и периодическая продувка. Непрерывная продувка применяется для поддержания на допустимом уровне концентрации растворенных примесей. Ее целесообразно осуществлять из зоны с максимальной концентрацией примесей. Необходимость проведения непрерывной продувки заключается не только в удалении растворенных примесей. Практика показывает, что наиболее опасно для работоспособности тепловыделяющих элементов образование отложений из примесей. Большая часть нерастворенных примесей ведет себя подобно растворенным и их эффективное удаление с непрерывной продувкой способствует уменьшению образования отложений. Периодическая продувка, как правило, применяется для удаления скопления нерастворенного шлама с нижних образующих парогенерирующего оборудования. Периодическая продувка может применяться также для восстановления и поддержания концентрации растворенных примесей в случаях нарушений ВХР. В этом случае она проводится по тем же линиям, что и непрерывная.

Следует отметить, что среди специалистов в настоящее время нет единой координации объединяющей процессы тепло-массообмена и гидродинамики в объеме кипящего рабочего тела, распределения по объему и в районе тепловыделяющих элементов растворимых и нерастворимых примесей. Если в режиме нормальной эксплуатации представление об этих процессах еще достаточно адекватны, то при пусках, остановах и в режимах с переменной нагрузкой происходят процессы, которые практически не изучены.

При эксплуатации парогенерирующих устройств (реакторы и парогенераторы АЭС, котлы ТЭС и т. д.) в переменных режимах часто наблюдается значительное изменение концентрации и радиоактивности примесей в рабочей среде при неизменном качестве питательной воды, получившее название выброса и прятания или хайдаута (от английских терминов hideout и hideout return — прятание и возврат).

Процесс хайдаута протекает следующим образом: в работавшем длительное время на постоянных параметрах парогенерирующем устройстве устанавливается постоянная концентрация примесей в теплоносителе, причем концентрация примесей в пристенном слое парогенерирующей поверхности и ядре потока различна. Величина концентрирования примеси зависит от ее свойств: растворимости, летучести, дисперсности и др. При снижении нагрузки или останове происходит значительное увеличение концентрации и радиоактивности примесей в объеме рабочего тела. При этом количество выбрасываемых примесей из пристенного слоя растет с увеличением его толщины, которая, в свою очередь, определяется величиной слоя отложений на поверхности теплообмена и его пористостью.

Именно в этот момент следует проводить режим включения периодической продувки или увеличения постоянной. Такой режим позволяет достичь следующих преимуществ:

• продувка в таком режиме имеет максимальную эффективность, то есть, при равном расходе из парогенерирующего объема выводится максимальное количество примесей, в том числе и радиоактивных. При этом снижается дозовая нагрузка на персонал.

• увеличение количества выводимых примесей в период снижения мощности, в свою очередь, снижает концентрацию примесей в объеме рабочего тела при последующей нагрузке, что снижает образование отложений и коррозию и положительно сказывается на надежности тепловыделяющих элементов.

Также необходимо учитывать время осаждения частиц примеси после останова и гидродинамику в объеме рабочего тела.

Итак, целью данной диссертационной работы является разработка и внедрение на основе динамики распределения примесей новых технологий, направленных на эффективный вывод примесей и продуктов коррозии из объема рабочей среды, а, следовательно, и повышение уровня эксплуатации и надежности блоков с РБМК. Особое внимание уделяется теории распределения примесей с различными свойствами в кипящем объеме рабочего тела и разработке математической модели, описывающей процессы выброса и прятания примесей (глава 2), а также анализу гидравлических связей между элементами КМПЦ, оказывающих влияние на интегральное распределение примесей в КМПЦ. На основании этих данных строятся рекомендации по увеличению эффективности вывода примесей из КМПЦ путем совершенствования регламента ведения технологических операций с системами и элементами систем АЭС с учетом их режимов работы. Обзор сведений о вводно-химическом режиме АЭС с РБМК и его особенностях, работ по исследованию состава естественных примесей рабочей среды и продуктов коррозии конструкционных материалов и их свойствах представлен в главе 1. Описание гидравлических связей между элементами КМПЦ РБМК, возможные схемы включения элементов КМПЦ и технологическе параметры работы КМПЦ для нормальной работы по этим схемам, описание технических возможностей систем и оборудования АЭС для поддержания ВХР, для выведения примесей из КМПЦ приводятся в главе 3. Результаты экспериментов проведенных на блоках №№ 1,2,3 Смоленской АЭС по замеру концентрации и активности примесей в период останова блока представлены в главе 4.

выводы.

В работе исследованы закономерности распределения примесей и продуктов коррозии в переходных режимах. На основе данных закономерностей поведения примесей предложены пути совершенствования регламента ведения продувки после снижения мощности с учетом гидродинамических связей между элементами КМПЦ. Основные результаты работы заключаются в следующем:

• Распределение примесей в парогенерирующих установках, рассчитанное по диффузионно-гидравлической модели, описанной в работе, качественно хорошо описывает реально происходящие процессы после снижения мощности. Математическая модель процессов выброса и прятания примесей основана на общем уравнении конвекции-диффузии в движущейся среде, и применима к любым примесям, к любым условиям течения.

• Из представленной модели выброса и прятания примесей следует, что концентрация примесей в пристенном слое парогенерирующих поверхностей может на 2−4 порядка превышать концентрацию примесей в ядре потока (например, для соединений натрия). Однако для определения степени влияния столь значительного превышения концентрации примесей на коррозионные процессы и образование отложений необходимо более детальное изучение химических процессов, происходящих в пристенном слое.

• Количество примесей, сконцентрировавшихся у теплопередающей поверхности, пропорционально толщине вязкого пристенного слоя, которая пропорциональна шероховатости стенки. А степень шероховатости стенки во многом определяет величину загрязненности поверхности нагрева. Таким образом, по величине выброса примесей в объем можно судить о загрязненности теплопередающей поверхности. В качестве «индикатора» загрязненности поверхности могут быть выбраны соли натрия, т.к. они практически нерастворимы в паре, в воде присутствуют только в растворенном виде и практически не отлагаются на поверхности.

• На динамику распределения примесей в объеме рабочей среды парогенерирующего устройства влияют ряд факторов несвязанных с процессами выброса и прятания. Это и изменение истинного объемного паросодержания, и включение и выключение дополнительной арматуры, и наличие сложных гидравлических связей между элементами КМПЦ. Все эти факторы необходимо учитывать при разработке регламента ведения продувки для эксплуатируемых и при проектировании новых парогенерирующих устройств.

• Поскольку основной вклад в дозовую нагрузку на персонал во время ремонтных работ дает у-излучение от активированных продуктов коррозии на основе железооксидных соединений, а они, в свою очередь, в КМПЦ присутствуют в растворенном и мелкодисперсном виде и практически полностью отлагаются на поверхности или уносятся с паром, то, помимо эффективного использования процессов выброса примесей при снижении мощности, необходимо большое внимание уделить методам срыва рыхлого слоя отложений путем гидромеханического воздействия на него или другими методами.

• Особое внимание стоит уделить одному из таких методов — методу срыва рыхлого слоя отложений путем воздействия резкого вскипания теплоносителя после открытия БРУ-К, и, как следствие, резкого увеличения давления в порах отложений. Этот метод не связан с установкой дополнительного оборудования и применением реагентов, а открытие клапанов БРУ-К является плановой операцией по проверке их работоспособности.

В работе проведены расчетные и экспериментальные обоснования увеличения эффективности продувки. Однако для обеспечения большего эффекта необходимо проведение дополнительных исследований по определению фракционного состава и спектра крупности частиц примеси в КМПЦ РБМК на действующем оборудовании, т.к. этот параметр является определяющим как по возможности проникновения и отложения на теплопередающей поверхности, так и скорости осаждения после останова блока, а также проведение электронно-микроскопических исследований поверхностей с отложениями для получения наиболее полной информации о частицах, формирующих слой отложений.

Результаты исследований, проведенных в данной работе, показали, что для решения проблемы уменьшения дозовой нагрузки на персонал во время ремонтных работ недостаточно использования знания только эффектов прятания примесей в пристенном слое при работе на мощности и выброса примесей из пристенного слоя при снижении мощности, необходимо применение комплексного подхода.

В данной работе рассматривались пути совершенствования регламента продувки в КМПЦ РБМК, но теория распределения примесей в объеме кипящего рабочего тела может быть использована для разработки регламента продувки парогенерирующих установок блоков другого типа, с учетом их особенностей:

• типа водно-химического режима,.

• параметров работы ПГУ (давление, температура, и т. п.),.

• качественного (фракционного) и дисперсного состава естественных примесей рабочей среды и продуктов коррозии конструкционных материалов и их свойств,.

• гидравлических связей между элементами ПГУ, наличия внутрикорпусных устройств и др.