Очистка водного теплоносителя.
Процесс очистки водного теплоносителя на АЭС разделяется на два этапа: первый - приготовление химически обессоленной воды высокой чистоты для первичного заполнения контуров и для последующей их подпитки; второй - постоянная очистка теплоносителя, циркулирующего в контуре, а также вод бассейнов выдержки и перегрузки ядерного топлива от различных примесей. Первый этап очистки проводят в установках химводоочистки (ХВО), а второй - на установках спецводоочистки (СВО) или конденсатоочистки.
В ХВО (рис. 20.1) предусматриваются очистка исходной воды от механических примесей в механических фильтрах, удаление свободной углекислоты в декарбонизаторах, а также ионная очистка в анионитовых и катионитовых фильтрах. В механическом фильтре, который заполняется, например дробленым антрацитом, отделяются грубодисперсные загрязнения. Далее вода очищается в несколько приемов на ионообменных фильтрах.
Следует подчеркнуть, что ионообменная фильтрация в настоящее время - наиболее распространенный метод очистки водного теплоносителя. Он основан на способности некоторых материалов - ионитов, которые сами в воде практически не растворяются, изменять в нужном направлении ионный состав воды. В результате обмена ионами между водой и твердым веществом с ионной связью (ионитом) в воде содержится эквивалентное количество ионов того же знака.
Для очистки водного теплоносителя применяются также ионообменные материалы - сополимеры стирола и дивинил-бензола, которые обладают сетчатой структурой (матрицей, содержащей фиксированные ионы). Подвижные противоионы уравновешивают заряд фиксированных ионов и способны к обмену. Различают иониты, способные обмениваться катионами, - катиониты и анионами - аниониты.
Для катионирования водного теплоносителя обменными ионами, как правило, служат катионы водорода. Н -катионит поглощает из воды содержащиеся в ней катионы Са2+ , Na+ и др., а в воду переходит эквивалентное количество ионов Н+.
Рис. 20.1. Принципиальная схема химводоочистки теплоносителя:
1 - механический фильтр; 2 - бак осветленной воды; 3 - катионитовый фильтр I ступени; 4 - декарбонизатор; 5 - бак декарбинизированной воды; - катионитовый фильтр II ступени; 7 - анионитовый фильтр I ступени; 8 - анионитовый фильтр II ступени; 9 - катионитовый фильтр III ступени
При анионировании из воды удаляют анионы С1- и др., а в воду переходят ионы ОН- , СО- и т.п. 6 зависимости от свойств ионита фильтры называются катионитовыми и анионитовыми. Фильтры могут загружаться не отдельно катионитом или анионитом, а их смесью - такие фильтры называют фильтрами смешанного действия (ФСД). Они обеспечивают очистку водного теплоносителя как от катионов, так и от анионов.
Между ионообменными фильтрами I и II ступеней системы ХВО устанавливается декарбонизатор, предназначенный для удаления из воды свободной углекислоты. Удаление углекислоты производится с помощью аэрации воды воздухом в аппаратах башенного типа - декарбонизаторах.
В результате работы системы ХВО получается химически очищенная вода, которая используется для заполнения контуров ЯЭУ, а также для их подпитки.
Система СВО включает в себя ряд установок, на которых производится очистка продувочной воды первого контура, воды протечки первого контура, вод бассейнов выдержки и перегрузки, а также баков запаса борированной воды и удаление радиоактивных и нерадиоактивных продуктов коррозии и накипеобразующих примесей из продувочной воды ПГ. Как правило, установки СВО включают в себя механический фильтр, а также анионитовый и катионитовый фильтры (иногда используется ФСД). Кроме того, в системе СВО возможно использование выпарных установок.
Вариант схемы очистки продувочной воды первого контура АЭС с ВВЭР-1000 представлен на рис. 20.2. Для преодоления сопротивления в установках очистки продувочной воды, как правило, используется напор ГЦН.
Для очистки теплоносителя одноконтурных АЭС с кипящими ЯР применяется система конденсатоочистки.
Рис. 20.2. Схема очистки реакторной воды для ВВЭР-1000 при смешанном аммиачно-калиевом режиме и борном регулировании:
1 - ЯР; 2 - ПГ; 3 - ГЦН; 4 - система уплотнения вала ГЦН; 5 - регенеративный теплообменник; 6 - дроссельное устройство; 7 - доохладитель; 8 - катионитовый фильтр; 9 - NH4 — К - катионитовый фильтр; 10 - анионитовый фильтр; 11 — механический фильтр; 12 - подпиточные насосы; 13 — бак подпиточных насосов
Она состоит из механических фильтров и ионитовых ФСД и предназначена для глубокой очистки всего турбинного конденсата как от взвешенных частиц, так и от растворимых примесей. В механических фильтрах осаждаются продукты коррозии и другие механические загрязнения, а ФСД обеспечивает ионную очистку. Очищенный конденсат через систему регенеративных подогревателей направляется в деаэратор. Конденсатоочистка обеспечивает степень очистки, соответствующую нормам качества питательной воды.
Кроме системы конденсатоочистки на одноконтурных АЭС с кипящим ЯР используется также байпасная продувка реакторной воды. Система очистки продувочной воды очищает воду от примесей, которые поступают в тракт от конденсатоочистки до ЯР. Ее основная роль сводится к предотвращению образования и накопления отложений на поверхности активной зоны.
Следует отметить, что использование ионообменной фильтрации для очистки радиоактивных вод целесообразно лишь при не слишком высоком солесодержании (менее 1 г/л), иначе смолы в фильтрах быстро истощаются, а их регенерация и дорога, и приводит к появлению значительного количества жидких радиоактивных отходов. Поэтому, если необходима очистка высокоминерализованных радиоактивных вод, то следует предварительно обессолить их, например методом дистилляции.
Очистка жидкометаллического теплоносителяя.
Примеси в жидкометаллическом теплоносителе принято делить на металлические и неметаллические. В реальных условиях в теплоносителе присутствуют и те и другие. Наиболее распространенными металлическими примесями являются Са, Mg, Ва (которые могут находиться в теплоносителе в исходном состоянии, если он не подвергался специальной очистке), Fe, Ni, Сг (продукты коррозии, если основной конструкционный материал контура - сталь). Магний появляется и в результате в-распада радиоактивного нуклида 24Na в теплоносителе:
(20.16)
Металлические примеси поступают в теплоноситель также при нарушении герметичности твэлов. Как правило, при нормальных условиях эксплуатации ядерного реактора металлических примесей в теплоносителе содержится немного. Однако активация этих примесей в активной зоне приведет к дополнительному загрязнению оборудования контура и потребуется его дезактивация. Превышение допустимых уровней концентрации некоторых примесей может вызвать закупорку узких проходных сечений в активной зоне, а также заклинивание подвижных соединений в узлах оборудования контура.
Среди основных неметаллических примесей следует указать на О2 , Н2 , С2 , N2 , загрязнение которыми происходит, главным образом, во время монтажных работ. Примеси могут попадать в контур также вместе с теплоносителем, причем в этом случае количество примесей зависит как от технологии, так и от условий хранения и упаковки жидкометаллического теплоносителя. В случае нарушения герметичности контура теплоноситель может загрязняться компонентами атмосферного воздуха. Дополнительными источниками неметаллических примесей могут быть:
инертный газ, используемый в качестве защитного покрытия; окисные пленки и газы, адсорбированные на внутренних поверхностях оборудования и трубопроводов;
газы, выделяющиеся из конструкционных материалов; газы, диффундирующие через стенки трубопроводов и оборудования;
вода, попадающая в жидкий металл через микротрещины и другие негерметичности в теплообменных аппаратах.
Как правило, примеси в жидкометаллических теплоносителях находятся в виде оксидов, гидрооксидов, нитридов, гидридов и т.д. До настоящего времени еще окончательно не выяснено влияние примесей, присутствующих в жидкометаллическом теплоносителе, на конструкционные материалы и их предельно допустимые концентрации. Чаще всего вопрос о предельно допустимых концентрациях примесей в жидкометаллическом теплоносителе решается полуэмпирическим путем применительно к конкретной сооружаемой ЯЭУ.
Для очистки жидкометаллических теплоносителей применяются следующие методы: отстаивание, фильтрация, центробежная сепарация, вакуумная дистилляция, очистка с помощью холодных и горячих ловушек.
