Способ удаления радиоактивных загрязнений из первого контура ядерных энергетических установок малой мощности Российский патент 2022 года по МПК G21F9/28 

Изобретение относится к области атомной энергетики, а именно к способам поддержания водно-химического режима (ВХР) теплоносителя и удаления радиоактивных загрязнений с внутренних поверхностей оборудования первого контура ядерных энергетических установок (ЯЭУ) малой мощности.

Известны способы удаления радиоактивных загрязнений с внутренних поверхностей оборудования первого контура ядерных реакторов, основанные на обработке поверхностей различными дезактивирующими растворами [Н.И. Ампелогова, Ю.М. Симановский, А.Л. Трапезников. Дезактивация в ядерной энергетике. М: Энергоатомиздат, 1982, стр. 182]. Однако, их применение приводит к образованию больших количеств жидких радиоактивных отходов (ЖРО), разрушению защитных оксидных пленок, в ряде случаев - коррозии конструкционных материалов.

Известен способ удаления с внутренних поверхностей оборудования первого контура реакторов типа ВВЭР радиоактивных загрязнений в виде нестехиометрического магнетита с ассоциированными радионуклидами на штатных фильтрах первого контура. Этот способ основан на эффекте всплеска в теплоносителе первого контура концентрации продуктов коррозии (ПК) (на 1-2 порядка) и удельной активности радионуклидов активированных продуктов коррозии (АПК) (на 2-3 порядка), который возникает вследствие гидравлических, термических и химических возмущений в теплоносителе при отключении и включении циркуляционных насосов, при расхолаживании реакторной установки, повышении концентрации борной кислоты (по сравнению со стационарными уровнями при работе реактора на постоянной мощности) [Юрманов В.А., Амосов М.М., Мамет В.А. Водно-химический режим реакторов ВВЭР в периоды остановов энергоблоков. - Теплоэнергетика, 1996, №8, с. 7-16].

Данный способ включает следующие этапы: подготовку фильтров - перевод из NH4⁺ в Н⁺-форму; повышение концентрации водорода для восстановительного разрушения отложений; дозирование в теплоноситель концентрата борной кислоты для растворения перешедших в теплоноситель загрязнений и предотвращения их вторичного осаждения на поверхностях первого контура; ввод штатных фильтров в работу; ступенчатое охлаждение первого контура с выдержкой порядка 6-10 часов при температурах 200-220°С и 120-150°С [Технологический регламент проведения предремонтных "мягких" дезактиваций оборудования первых контуров энергоблоков АЭС с реакторами ВВЭР-1000. ВНИИАЭС.1994].

К недостаткам данного способа можно отнести:

- длительную подготовку к проведению очистки: например, перевод смолы фильтров в нужную солевую форму и увеличение концентрации водорода в теплоносителе проводят за 1-2 сутки до начала работ,

- необходимость поддержания специального режима расхолаживания первого контура, что в большинстве случаев невозможно для ЯЭУ малой мощности,

- загрязнение шламом ПК и снижение ресурсных характеристик штатных фильтров первого контура в ходе очистки.

Кроме этого реализация данного способа применительно к ядерным энергетическим установкам малой мощности невозможна, поскольку в способе применяют борную кислоту, использование которой в первом контуре не предусмотрено в соответствии с принятым ВХР [ОСТ 95 10002-95 Нормы качества воды первого и третьего контуров реакторной установки судов департамента морского транспорта Российской Федерации с водо-водяным реактором типа КЛТ-40. Технические требования к качеству воды, его контроль и способы обеспечения].

Для перевода ПК в теплоноситель первого контура и снижения скорости их вторичного осаждения на поверхностях при гидравлических возмущениях на расхоложенной ЯЭУ малой мощности можно использовать аммиак [Орленков И.С, Красноперое В.М., Гусев Б.А., Москвин Л.Н. Повышение эффективности вывода продуктов коррозии штатными фильтрами очистки теплоносителя из первых контуров водо-водяных реакторов (ВВР). Теплоэнергетика, 1998, №11, с. 17-19]. Снижение скорости осаждения перешедших в теплоноситель загрязнений на поверхностях прямо пропорционально концентрации корректирующей добавки в контуре. Повышение концентрации аммиака с 100 до 500 мг/кг позволяет снизить скорость осаждения в 5 раз. Основным недостатком предложенного метода является его несоответствие существующим требованиям норм ВХР теплоносителя первого контура ЯЭУ малой мощности: максимальная допустимая концентрация аммиака в теплоносителе остановленного реактора при негерметичном контуре составляет 250 мг/кг. После герметизации контура содержание аммиака в теплоносителе должно быть снижено до 10-100 мг/кг, что не может быть обеспечено работой фильтров первого контура, катионит в которых находится в аммиачной форме [ОСТ 95 10002-95 Нормы качества воды первого и третьего контуров реакторной установки судов департамента морского транспорта Российской Федерации с водо-водяным реактором типа КЛТ-40. Технические требования к качеству воды, его контроль и способы обеспечения].

Известен способ удаления загрязнений с поверхностей первого контура ЯЭУ малой мощности с применением гидразина [Орлов С.Н. Разработка способа удаления отложений продуктов коррозии из первого контура ЯЭУ. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, 2021. 151 с.]. При гидравлическом возмущении с предварительным дозированием гидразина концентрация ПК в теплоносителе возрастает на 1-2 порядка, удельная активность АПК - на 3-4 по сравнению с исходными значениями в теплоносителе. При этом предварительный ввод гидразина приводит к росту уровня поступления загрязнений в теплоноситель в 2-3 раза и снижению скорости их вторичного осаждения в 2,5-6 раз по сравнению со случаем аналогичной очистки без дозирования реагента.

Гидразин вводят в контур двумя равными порциями за час до первого и второго гидравлического возмущения. Количество вводимого в контур гидразина выбирают так, чтобы после его разложения до аммиака (в соотношении 1:1) суммарная концентрация последнего в теплоносителе не превышала 100 мг/кг - предельное допустимое согласно нормам ВХР [ОСТ 95 10002-95] значение при герметичном контуре.

Очистка проводится циклами, состоящими из подключения циркуляционных насосов первого контура (ЦНПК), создающих гидравлическое возмущение, подключения штатных ионообменных фильтров и очистки на них теплоносителя, отключения фильтров и насосов. Продолжительность одного цикла очистки составляет порядка 9 часов. Штатные ионообменные фильтры первого контура ЯЭУ малой мощности загружены смешанной загрузкой анионита и катионита и установлены на байпасной линии. Подключение фильтров согласно способу, возможно только после полного разложения реагента - через 1-2 часа после его ввода в соответствии с регламентом.

Данный способ является наиболее близким к заявляемому способу и принят авторами за прототип. К недостаткам прототипа можно отнести следующее:

1. Удаление загрязнений проводится на штатных ионообменных фильтрах, что снижает их ресурс;

2. Загрязнения переходят в теплоноситель в форме нерастворимых частиц ПК широкого спектра дисперсности, что снижает эффективность их удаления на ионообменных фильтрах;

3. Штатные фильтры подключают только после полного разложения гидразина. При этом за время от ввода реагента до подключения фильтров часть загрязнений, перешедших в теплоноситель, вторично осаждается на поверхностях оборудования;

4. Количество вводимого в контур гидразина ограничено исходной концентрацией аммиака в теплоносителе. Содержание аммиака в теплоносителе к началу очистки может превышать нормируемое значение в результате коррозии циркониевых сплавов и достигать 300 мг/кг [Кабакчи СВ., Лузаков А.В., Уртенов Д.С, Катанова Е.А., Гасай И.А., Верховский А.Е. Оценка коррозионного состояния оборудования I контура транспортных энергетических установок с использованием показателей водно-химического режима. Теплоэнергетика, 2019, №3, с. 42-48]. Штатные ионообменные фильтры, катионит в которые загружен в аммиачной форме, не обеспечивают выведение аммиака из теплоносителя и данный способ очистки в этом случае не может быть реализован;

5. Реализация способа в свою очередь приводит к росту содержания аммиака в теплоносителе, что является проблемой для ЯЭУ, на которых наблюдается рост содержания данной корректирующей добавки за счет коррозии циркониевых сплавов в первом контуре.

Задачей изобретения является создание способа удаления радиоактивных загрязнений из первого контура ЯЭУ малой мощности, обеспечивающего сохранение ресурса штатных ионообменных фильтров первого контура, повышающего эффективность выведения радиоактивных отложений и поддерживающего содержание аммиака в теплоносителе ниже нормируемого уровня.

Сущность изобретения заключается в том, что способ удаления радиоактивных загрязнений из первого контура ядерного реактора малой мощности, имеющего в составе оборудования первого контура фильтры очистки, включает несколько циклов очистки, которые проводят через определенные промежутки времени. В каждом цикле выполняют ввод в теплоноситель регламентированной корректирующей добавки, подключение циркуляционных насосов первого контура и очистку теплоносителя от радионуклидов на фильтре с последующим возвратом очищенного теплоносителя в контур. Согласно заявляемому решению, на весь период очистки теплоносителя штатные ионообменные фильтры отключают от оборудования первого контура, а корректирующую добавку вводят в теплоноситель до максимально допустимого значения концентрации. Очистку теплоносителя осуществляют на подключенном на байпасе нештатном фильтре, загруженном композиционным магнитным фильтрующим материалом, находящемся в магнитном поле, причем промежуток времени от ввода корректирующей добавки до подключения нештатного фильтра составляет не более 0,5 ч. Фильтр подключают на время прокачивания через него от одного до трех объемов теплоносителя, а объем загрузки фильтра рассчитывают, исходя из условия получения по окончании циклов очистки качества теплоносителя, соответствующего норме качества водных сред первого контура ядерного реактора.

Целесообразно, чтобы в качестве регламентированной корректирующей добавки использовали гидразин или аммиак.

Кроме того, целесообразно, чтобы в качестве загрузки вынесенного нештатного фильтра применяли композиционный фильтрующий материал, состоящий из смеси катионита ядерного класса в Н+-форме и магнетита, нанесенного на поверхность частиц материала заданного удельного объема, в качестве которого использовали, например, анионообменные синтетические смолы, или пористый фторопласт, или силикагель.

Кроме того, целесообразно, чтобы объем загрузки нештатного фильтра рассчитывали по формуле

где V_Kt - объем катионита, м³; - динамическая обменная емкость катионита, моль/м³; V_{I кон} ^_ масса воды в первом контуре, кг; - концентрация аммиака в теплоносителе первого контура к началу очистки, г/кг; - концентрация аммиака или гидразина, вводимого в теплоноситель первого контура в цикле очистки, г/кг, n - число циклов очистки, - целевое значение концентрации аммиака в теплоносителе первого контура после очистки, г/кг; M_NH3 - молярная масса аммиака, г/моль.

Для решения поставленной задачи и достижения указанных технических результатов согласно предлагаемому способу удаление радиоактивных загрязнений из первого контура ЯЭУ малой мощности производится следующим образом.

После останова и расхолаживания ядерного реактора к первому контуру на байпас подключают вынесенный нештатный фильтр. Исходное состояние перед очисткой - ЦНПК отключены, байпасная линия со штатными фильтрами отсечена, байпасная линия с вынесенным нештатным фильтром отсечена. В первый контур вводится корректирующая добавка до максимально допустимого значения концентраций для аммиака - 250 мг/л, для гидразина - 200 мг/л [ОСТ 95 10002-95].

После ввода корректирующей добавки включают ЦНПК на максимальную скорость, что вызывает сброс отложений с внутренних поверхностей оборудования первого контура. Концентрация ПК в теплоносителе возрастает на 1-2 порядка, удельная активность АПК -на 3-4 по сравнению с исходными значениями в теплоносителе. Постоянная осаждения радионуклидов составляет 0,1-0,2 ч^-1. Через 0,5 ч после ввода корректирующей добавки подключают вынесенный фильтр. Таким образом, в представленном способе промежуток времени от ввода корректирующей добавки до начала очистки за счет использования вынесенного фильтра снижен на 0,5-1,5 часа по сравнению с прототипом. С учетом значения постоянной осаждения радионуклидов на поверхности подобное уменьшение временного интервала снижает уровень вторичного осаждения до начала очистки на 10-25%.

Временной промежуток работы фильтра выбирают так, чтобы за него через нештатный фильтр проходило от одного до трех объемов теплоносителя первого контура. Затем ЦНПК и фильтр отключают на 0,5-2,0 часа. После этого операции очистки повторяют: ввод корректирующей добавки, подключение ЦНПК, подключение нештатного фильтра на вышеуказанное время. Перечисленные операции повторяют до достижения необходимого качества теплоносителя.

Экспериментально установлено, что в качестве загрузки вынесенного нештатного фильтра наиболее эффективно использовать композиционный фильтрующий материал (КФМ), состоящий из смеси катионита ядерного класса в Н+-форме и магнетита, нанесенного на поверхность частиц материала заданного удельного объема (анионообменные синтетические смолы, пористый фторопласт или силикагель). Доля магнетита составляет 0,10-0,20 г на 1 см³ указанного материала, а количество материала составляет 3-15% от массы загрузки катионита. Фильтр помещают в магнитном поле постоянных магнитов или электромагнитов.

Подобная загрузка позволяет эффективнее очищать теплоноситель от радиоактивных загрязнений, перешедших в теплоноситель в форме нерастворимых частиц с магнитными свойствами, по сравнению с ионообменной смолой в штатных фильтрах первого контур, что иллюстрируют данные таблицы 1, (К_оч=А_{до фильтра}/А_{после фильтра}.

Применение в вынесенном фильтре катионита в Н⁺- форме позволяет в ходе очистки не только удалять аммиак, введенный в контур для удаления отложений (за счет дозирования самого реагента или разложения гидразина), но и корректировать его исходную концентрацию, что важно в случае интенсивной коррозии циркониевых сплавов. Расчет объема смолы, загружаемой в вынесенный фильтр, проводят исходя из ее емкости по аммиаку по формуле:

где

V_Kt - объем катионита, м³; - динамическая обменная емкость катионита, моль/м³; V_{I кон} - масса воды в первом контуре, кг; - концентрация аммиака в теплоносителе первого контура к началу очистки, г/кг; - концентрация аммиака или гидразина вводимого в теплоноситель первого контура в цикле очистки, г/кг, n - число циклов очистки, - целевое значение концентрации аммиака в теплоносителе первого контура после очистки, г/кг; М_NH3 - молярная масса аммиака, г/моль.

Предлагаемый способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение эффективности удаления загрязнений из первого контура за счет увеличения концентрации вводимой корректирующей добавки, снижения временного интервала между вводом добавки и подключением фильтра, роста коэффициента очистки. Также при осуществлении предложенного способа в отличие от прототипа не происходит уменьшения ресурса штатных ионообменных фильтров. Дополнительный технический результат заключается в возможности корректировки содержания в теплоносителе аммиака, нормируемого согласно ВХР.

Изобретение относится к области атомной энергетики и может быть использовано для удаления радиоактивных загрязнений с внутренних поверхностей оборудования первого контура водо-водяных ядерных реакторов малой мощности. Способ включает несколько циклов очистки. На весь период очистки теплоносителя штатные ионообменные фильтры отключают от оборудования первого контура, а корректирующую добавку вводят в теплоноситель до максимально допустимого значения концентрации. Очистку теплоносителя осуществляют на подключенном на байпасе нештатном фильтре, загруженном композиционным магнитным фильтрующим материалом, находящемся в магнитном поле, причем промежуток времени от ввода корректирующей добавки до подключения нештатного фильтра составляет не более 0,5 ч. Фильтр подключают на время прокачивания через него от одного до трех объемов теплоносителя, а объем загрузки фильтра рассчитывают исходя из условия получения по окончании циклов очистки качества теплоносителя, соответствующего норме качества водных сред первого контура ядерного реактора. Изобретение позволяет повысить эффективность удаления загрязнений из первого контура с одновременным сохранение ресурса штатных ионообменных фильтров. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ удаления радиоактивных загрязнений из первого контура ядерного реактора малой мощности, имеющего в составе оборудования первого контура фильтры очистки, включающий несколько циклов очистки, которые проводят через определенные промежутки времени, при этом в каждом цикле выполняют ввод в теплоноситель регламентированной корректирующей добавки, подключение циркуляционных насосов первого контура и очистку теплоносителя от радионуклидов на фильтре с последующим возвратом очищенного теплоносителя в контур, отличающийся тем, что на весь период очистки теплоносителя штатные ионообменные фильтры отключают от оборудования первого контура, корректирующую добавку вводят в теплоноситель до максимально допустимого значения концентрации, а очистку осуществляют на подключенном на байпасе нештатном фильтре, загруженном композиционным магнитным фильтрующим материалом, находящемся в магнитном поле, причем промежуток времени от ввода корректирующей добавки до подключения нештатного фильтра составляет не более 0,5 ч, фильтр подключают на время прокачивания через него от одного до трех объемов теплоносителя, а объем загрузки фильтра рассчитывают исходя из условия получения по окончании циклов очистки качества теплоносителя, соответствующего норме качества водных сред первого контура ядерного реактора.

2. Способ удаления радиоактивных загрязнений по п. 1, отличающийся тем, что в качестве регламентированной корректирующей добавки может быть использован, например, гидразин или аммиак.

3. Способ удаления радиоактивных загрязнений по п. 1, отличающийся тем, что в качестве загрузки вынесенного нештатного фильтра применяют композиционный фильтрующий материал, состоящий из смеси катеонита ядерного класса в Н⁺-форме и магнетита, нанесенного на поверхность частиц материала заданного удельного объема, в качестве которого могут быть использованы, например, анионообменные синтетические смолы, или пористый фторопласт, или силикагель.

4. Способ удаления радиоактивных загрязнений по п. 1 или 3, отличающийся тем, что объем загрузки нештатного фильтра рассчитывают по формуле

где V_Kt - объем катеонита, м³; - динамическая обменная емкость катеонита, моль/м³; V_{I кон} ^_ масса воды в первом контуре, кг; - концентрация аммиака в теплоносителе первого контура к началу очистки, г/кг; - концентрация аммиака или гидразина, вводимого в теплоноситель первого контура в цикле очистки, г/кг, n - число циклов очистки, - целевое значение концентрации аммиака в теплоносителе первого контура после очистки, г/кг; M_NH3 - молярная масса аммиака, г/моль.