Очистка теплоносителя на АЭС

Содержание:

• Физико-химические процессы протекающие в контуре охлаждения АЭС.
• Радиационные процессы в контуре многократной принудительной циркуляции.
• Химические процессы в контуре.
• Причины загрязнения теплоносителя.
• Водный режим реакторов.
• Очистка водного теплоносителя.
• Дезактивация.
• Обезвреживание радиоактивных отходов.
• Рисунки:
  • Рисунок 1. Байпасная очистка воды реактора на ионообменных фильтрах
  • Рисунок 2. Растворимость магнетита в кипящей воде в зависимости от ее температуры
  • Рисунок 3. Принципиальная схема химводоочистки
  • Рисунок 4. Модели катионита (а) и анионита (б)
  • Рисунок 5. Дезактивация выемной части ГЦН
• Таблицы:
  • Нормы качества питательной и реакторной воды АЭС с реактором РБМК-1000
  • Растворы для дезактивации оборудования первого контура ЯЭУ.

Физико-химические процессы протекающие в контуре охлаждения 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 так-же 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. (обратно к содержанию)

Радиационные процессы в контуре многократной принудительной циркуляции.
    1. Образование новых изотопов. При взаимодействии ионизирующего излучения с теплоносителем и находящимися в нем примесями образуются радиоактивные нуклиды, служащие дополнительным источником активности, что приводит к повышенной радиоактивности самого теплоносителя. Условно различают газовую, осколочную активность теплоносителя, а также активность примесей в теплоносителе.
    Газовая активность водного теплоносителя вызывается образованием радиоактивных нуклидов, например, по следующим реакциям:

    Наибольшую опасность из новообразованных нуклидов представляет изотоп азота 16N. Накопление трития T может происходить также в результате реакций:

первая из которых может иметь место при регулировании реактивности реактора с помощью раствора борной кислоты, а вторая — при использовании гидроокиси лития для поддержания щелочной реакции теплоносителя и нейтрализации борной кислоты.
    Активация примесей вносит существенный вклад в радиоактивность теплоносителя. Речь идет прежде всего о естественных примесях: растворенных в теплоносителе солях натрия, кальция, магния и др. Одним из нуклидов, вносящих существенный вклад в радиоактивность примесей, является ²⁴Na с периодом полураспада 15 ч, который излучает жесткие гамма кванты. Образуется этот нуклид по реакциям:

    В связи с такого рода активацией примесей водный теплоноситель первого заполнения, так же как и подпиточная вода, должен быть не только умягчен, но и деионизирован.
    Введенные для разных целей в первый контур вещества также могут активироваться.
    Так, на АЭС бывшего СССР получило распространение добавление в теплоноситель едкого кали при регулировании реактивности реактора, при этом образуется радиоактивный нуклид ⁴²К с периодом полураспада 12,4 ч по реакции:

    Однако содержание ⁴¹К в природной смеси не превышает 6,9 %, поэтому вклад активности ⁴²К в общую активность теплоносителя мал.
    Активность теплоносителя вызывается также коррозией активированных материалов активной зоны и активацией продуктов коррозии конструкционных материалов контура в процессе их миграции через активную зону. Ниже приведены основные реакции, по которым происходит активация продуктов коррозии, в скобках приведен период полураспада:

    Радиоактивные примеси могут осаждаться в различных местах контура и тем самым сильно затруднять обслуживание оборудования.
    Осколочная активность теплоносителя является результатом попадания продуктов деления ядерного топлива при работе с поврежденными твэлами. Обычно различают две стадии повреждения твэлов:
    1) газовые неплотности, когда в теплоноситель попадают нуклиды благородных газов (криптона и ксенона) и осколки деления, летучие при рабочей температуре твэлов (йод, бром, цезий);
    2) повреждения, сопровождающиеся контактом топлива с теплоносителем, что может привести к попаданию в контур нелетучих нуклидов (молибдена, церия и др.), не говоря уже о возможном выносе в контур частиц топлива. Последние, как и примеси в теплоносителе, загрязняют первый контур.
    2. Радиолиз водного теплоносителя. Это процесс разложения воды под действием ионизирующего излучения. Вследствие специфических условий реакторной установки (высоких температур, дополнительных химических добавок в теплоноситель первого контура) процесс радиолиза может изменяться. Если для радиолиза чистой воды при низкой температуре реакция имеет вид:
2H₂0 <=> H₂O₂ + O₂
то, например, для первого контура реакторов с водой под давлением:
2Н₂О <=> 2H₂ + O₂
а в кипящих реакторах радиолиз протекает в условиях, особо благоприятствующих разложению водного теплоносителя, так как водород и кислород удаляются вместе с паром и концентрация продуктов радиолиза в водной фазе стремится к нулю.
    Кроме водорода Н₂, кислорода O₂ и перекиси водорода Н₂O₂, при радиолизе воды могут образовываться также Н, ОН, Н0₂ и др. Обычно на практике радиолиз водного теплоносителя не вызывает заметных изменений его физико-химических свойств. Однако следует иметь в виду возможность вторичных неблагоприятных явлений в результате радиолиза:
    отрицательное влияние некоторых продуктов разложения воды на коррозионную стойкость конструкционных материалов;
    возможность образования взрывоопасной смеси кислорода и водорода;
    отрицательное влияние газообразных продуктов разложения на условия теплопередачи и на реактивность реактора.
    Бороться с этими неблагоприятными факторами можно, вводя в теплоноситель водород, который при концентрации больше 30 н. мл/кг практически полностью подавляет процессы радиолиза воды. Для поддержания необходимой концентрации водорода, обеспечивающей подавление процессов радиолиза в контур, как правило, вводят аммиак, в результате разложения которого по реакции:
2NH₃ <=> 3H₂ + N₂
создается необходимая концентрация водорода в водном теплоносителе.
(обратно к содержанию)

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.
(обратно к содержанию)

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. (обратно к содержанию)

    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 коррозионно-стойкие 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.

(обратно к содержанию)

Водный режим реакторов
    Водный режим реакторов стремятся вести таким образом, чтобы приостановить или свести к приемлемой интенсивность тех физико-химических процессов в контурах, которые неблагоприятно влияют на ход эксплуатации ядерной энергитической установки. Прежде всего это — разнообразные коррозионные процессы, а также возрастание радиоактивности теплоносителя и оборудования контура вследствие активации различных примесей.
    Ведение водного режима в значительной степени зависит от типа реактора. Для реакторов ВВЭР в настоящее время широко используется для регулирования реактивности борная кислота, которая вводится в теплоноситель. Она химически устойчива в радиационных условиях, хорошо растворима в воде, слабо влияет на коррозионные процессы. Однако в ее присутствии возрастает переход продуктов коррозии в воду, а также рН теплоносителя, что может увеличивать скорость коррозии сталей. Поэтому для нейтрализации борной кислоты в контур вводится щелочь: либо едкое кали (в странах бывшего СССР), либо гидроокись лития (за рубежом). Для поддержания требуемой концентрации водорода, который необходим для подавления процессов радиолиза, в состав теплоносителя добавляют аммиак. Такой водный режим называют смешанным аммиачно-калиевым режимом при борном регулировании» Он получил весьма широкое распространение.
    Если для реакторов ВВЭР широко применяются скорректированные водные режимы, где на показатель рН и процесс радиолиза воздействуют введением специальных добавок и, кроме того, применяется регулирование реактивности с помощью борной кислоты, то для современных одноконтурных АЭС с кипящими реакторами почти повсеместно принят бескоррекционный водный режим, при котором ни в конденсат турбин, ни в реакторную или питательную воду корректирующие добавки для регулирования рН не вводятся, радиолиз не подавляется, борное регулирование не применяется. Приведем нормы качества питательной и реакторной воды АЭС с реактором РБМК:

Нормы качества питательной и реакторной воды АЭС с реактором РБМК-1000
Контролируемый параметр	Питательная вода	Реакторная вода
Удельная электропроводность, мкOм/см	-	менее 1
рН при 25 °С	7,0 ± 0,2	6,5—7,2
Концентрация, мкг/кг:
хлорид-иона (Сl-)	менее 4,0	менее 100
кислорода (O2)	менее50	-
окислов железа (Fe)	менее 10	менее 200
окислов меди (Сu)	менее 2,0	менее 50

    Опыт эксплуатации АЭС с кипящими реакторами показал, что выработанный для них бескоррекционный водный режим обеспечивает устойчивую работу основных конструкционных материалов конденсатно-питательного тракта, главным образом углеродистых сталей.
(обратно к содержанию)

Очистка водного теплоносителя
    Процесс очистки водного теплоносителя на АЭС можно разделить 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 от различных примесей. Первый этап очистки проводят на так называемых установках химводоочистки (ХВО), а второй — на установках спецводоочистки (СВО) или конденсатоочистки (КО).     В ХВО (смотри рисунок 3) предусматриваются очистка исходной воды от механических примесей в механических фильтрах, удаление свободной кислоты 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.
Рисунок 3. Принципиальная схема химводоочистки

1—механический фильтр, 2—бак осветленной воды;
3—катионитовый фильтр I сту-пени;
4—декарбонизатор, 5—бак декарбонизированной воды,
6—катионитовый фильтр II ступени;
7—анионитовый фильтр I ступени,
8—катионитовый фильтр III ступени, 9—анионитовый фильтр II ступени
(обратно к содержанию)
    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) содержащиеся в воде ионы удерживаются ионитом, который отдает в воду эквивалентное количество ионов того же знака. Для очистки водного теплоносителя ядерных энергетических установок применяют ионообменные материалы, являющиеся сополимерами стирола и дивинилбензола, 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 (Смотри рисунок 4).
    При катионировании 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+. При анионировании из воды удаляют анионы С1- и др., а в воду переходят ионы ОН-, СO- и т. п. В зависимости от свойств ионита фильтры называются катионитовыми или 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.
Рисунок 4. Модели катионита (а) и анионита (б)

(обратно к содержанию)
    Между ионообменными фильтрами I и II ступеней системы ХВО установлен декарбонизатор, предназначенный для удаления из воды свободной углекислоты, содержание которой несколько возрастает после Н-катионирования I ступени. Удалять углекислоту необходимо для того, чтобы создать оптимальные условия для использования сильноосновного анионита. Удаляют ее с помощью аэрации воды воздухом в аппаратах башенного типа — декарбонизаторах.
    Установка дополнительных ионитовых фильтров для очистки воды, подпитывающей первый контур, предусмотрена для того, чтобы исключить случайное попадание туда катионов натрия Na+ и анионов сильных кислот в результате либо плохой отмывки фильтров после их регенерации — восстановления работоспособности, либо истощения Н-катионитовых фильтров.
    В результате работы системы ХВО получается химически очищенная вода, которая используется для заполнения контуров ядерной энергетической установки, а также для их подпитки.
    Система СВО включает в себя ряд установок, на которых производятся:
очистка продувочной воды первого контура, воды протечек первого контура, вод бассейнов выдержки и перегрузки. Как правило, установки СВО включают в себя механический фильтр, а также анионитовый и катионитовый фильтры (иногда используют ФСД). Кроме того, система СВО может включать в себя выпарные установки.
    Для очистки теплоносителя одноконтурных АЭС с кипящими реакторами применяется система конденсатоочистки (КО). 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 обеспечивают ионную очистку. Очищенный конденсат через систему регенеративных подогревателей направляется в деаэратор. Конденсатоочистка обеспечивает степень очистки, соответствующую нормам качества питательной воды.     Кроме системы КО, на одноконтурных АЭС с кипящим реактором используется также байпасная продувка реакторной воды, которая имеет нагрузку, отличающуюся от той, которую несет КО, поскольку система очистки продувочной воды очищает воду от примесей, которые поступают в тракт от конденсатоочистки до реактора. Ее основная роль сводится к предотвращению образования и накопления отложений на поверхности активной зоны.
(обратно к содержанию)

Дезактивация
    Работа реакторной установки АЭС сопровождается радиоактивными загрязнениями внутренних и наружных поверхностей оборудования первого контура, а также поверхностей тех помещений, где оно расположено. Основными источниками радиоактивного загрязнения контура могут служить дефектные твэлы и продукты коррозии, а также продукты износа движущихся частей оборудования. Продукты коррозии и износа переносятся теплоносителем по контуру и активируются нейтронами в активной зоне ядерного реактора. При этом могут происходить следующие реакции, в результате которых образуются радиоактивные нуклиды:

    Различают следующие виды загрязнений: нефиксированное, слабофиксированное и прочно фиксированное. Первое вызвано адгезионным процессом и характеризуется наличием границы раздела между радиоактивным веществом и поверхностью. Второе вызывается в основном адсорбцией нуклидов и ионным обменом и характеризуется загрязнением поверхностного слоя. Третье же связано с коррозионными процессами, образованием окисной пленки и диффузией и характеризуется загрязнением глубинных слоев. На практике возможно сочетание различных видов загрязнений. Например, при попадании радиоактивных капель на поверхность первоначально имеет место адгезия и дезактивация может быть осуществлена простым удалением капель; если капли остаются на поверхности более длительное время, то радиоактивные нуклиды могут адсорбироваться на поверхности; в дальнейшем может начаться их диффузия, сопровождаемая в ряде случаев коррозией материала поверхности. Результатом описанного процесса может стать глубинное загрязнение, которое и будет определять процесс дезактивации. Под дезактивацией обычно понимают удаление с поверхностей радиоактивных загрязнений. В более широком смысле в это понятие включают также обезвреживание радиоактивных отходов. В качестве основной характеристики эффективности дезактивации принят коэффициент дезактивации:
К_д = А_н/А_к
где, А_н — начальная активность дезактивируемого объекта;
А_к — конечная активность.
    Коэффициент дезактивации — это относительная характеристика. Поэтому эффективность различных методов дезактивации можно сравнивать лишь в одинаковых условиях: для одной и той же системы и для одинакового начального загрязнения.
    Активация внутренних поверхностей контура связана прежде всего с тем, что радиоактивные нуклиды, входящие в состав продуктов коррозии, разносятся теплоносителем по контуру: часть из них (~ 40—50 %) внедряется в окисную пленку, которой покрыты внутренние поверхности оборудования и трубопроводов; часть (~ 40 %) в виде осадков и грубых взвесей скапливается в застойных зонах (щелях, тупиковых полостях и т. п.) в виде шлама, образуя на оборудовании места с высокой активностью, так называемые «горячие пятна»; и небольшая часть (~10—20 %) выводится из контура системой очистки теплоносителя, с организованными и неорганизованными протечками.
    Активация наружных поверхностей контура может вызываться либо попаданием на поверхность радиоактивной пыли или аэрозолей, либо непосредственным контактом поверхности с радиоактивным веществом.
    Как правило, основная доля поверхностной активности оборудования обусловливается активированными продуктами коррозии, причем эти продукты могут быть как прочно внедренными в тонкую окисную пленку, так и более свободно связанными с поверхностью. Таким же образом оказываются связанными и радиоактивные вещества, попавшие в теплоноситель из дефектных твэлов. Следовательно, имеют место слабо фиксированные и прочно фиксированные загрязнения. Практика показывает, что до тех пор, пока не удалена полностью окисная пленка, коэффициенты дезактивации остаются весьма низкими, т. е. надежная дезактивация оборудования и трубопроводов может быть обеспечена только после растворения и удаления окисной поверхностной пленки.
    1) При дезактивации оборудования АЭС можно выделить три группы мероприятий: дезактивация первого контура без разборки путем циркуляции специальных растворов;
    2) дезактивация съемного оборудования, связанная с демонтажем (например, дезактивация выемной части ГЦН или приводов СУЗ);
    3) дезактивация поверхностей помещений, наружных поверхностей трубопроводов, инструмента и т. п.
    Основными методами дезактивации оборудования и помещений являются:
химический, химико-механический, электрохимический, пароэмульсионный, гидродинамический.
    Выбор того или иного метода определяется характером загрязнений габаритами и конфигурацией объектов дезактивации, применяемыми конструкционными материалами и т. д.
    Химический метод дезактивации основан на том, что окисную пленку вместе с сорбированными на ней радиоактивными веществами можно удалить при помощи окислительно-восстановительных реакций. Он заключается в последовательной обработке загрязненных объектов щелочным и кислотным растворами. Такие растворы иногда сами могут вызывать коррозию дезактивируемых поверхностей. В этих случаях обрабатывают дезактивируемые поверхности гидразином (если материалом служат перлитные стали), добавляют в дезактивирующие растворы тиомочевину (для углеродистых сталей) и т. д. Однако есть данные о том, что применение некоторых ингибиторов коррозии может в несколько раз снизить эффективность дезактивирующих растворов.
    Некоторые наиболее употребительные рецептуры водных дезактивирующих растворов, применяемых для дезактивации оборудования и трубопроводов первого контура АЭС, приведены в таблице 2.
    Иногда к щавелевой кислоте вместо лимонной добавляют азотную кислоту или перекись водорода.
    Дезактивацию химическим методом обычно проводят в несколько циклов (2—3). Один цикл дезактивации включает в себя четыре последовательные обработки поверхностей:
    1) щелочная обработка;
    2) водная промывка;
    3) кислотная обработка;
    4) водная промывка.
    После каждого цикла замеряется гамма-фон. Циклы повторяются до получения желаемого эффекта.
    Рассмотренный химический метод применяют для дезактивации петель реактора, установок спецводоочистки (СВО), выемной части ГЦН и его деталей, приводов СУЗ, арматуры, инструментов и приспособлений.
    Для примера рассмотрим, как осуществляется дезактивация выемной части ГЦН. Выемная часть ГЦН устанавливается в специальную ванну, конструкция которой обычно позволяет обрабатывать только нижнюю, наиболее загрязненную часть ГЦН (смотри рисунок 5). В ванне имеются: паровой подогреватель (для подогрева дезактивирующих растворов до требуемой температуры) и барботажное устройство, через которое подается сжатый воздух для лучшего перемешивания растворов. Ванна заполняется растворами после установки в нее выемной части ГЦН. Дезактивация осуществляется попеременной подачей в ванну щелочного и кислотного растворов с промежуточной водной промывкой.

Рисунок 5. Дезактивация выемной части ГЦН: 1 —дезактивирующий раствор; 2 —греющий пар; 3 —сжатый воздух; 4 —слив. (обратно к содержанию)

Таблица 2. Растворы для дезактивации оборудования первого контура ЯЭУ.

N	Состав раствора	Время обработки, ч	Температура, К
1.1	2% едкого кали (КОН) +0,3% перманганата калия (КМnО4)	1—1,5	360 — 365
1.2	0,5% щавелевой кислоты (Н2С2О4)	1—2	360 — 365
2.1	4% едкого кали (КОН) + 0,4% перманганата калия (КМnО4)	1—1,5	370 — 375
2.2	1% щавелевой кислоты (Н2С2О4) +1% лимонной кислоты (H8C6O7)	1—2	370 — 375
3.1	2% едкого кали (КОН) +0,2% перманганата калия (КМnО4)	2—6	375 — 380
3.2	0,25% щавелевой кислоты (Н2С2О4) +0,25% лимонной кислоты (H8C6O7)	3—9	375 — 380

(обратно к содержанию)
    Химико-механический метод дезактивации является разновидностью рассмотренного химического метода. При использовании этого метода в дополнение к обработке десорбирующими щелочными и кислотными растворами осуществляют механическое воздействие на загрязнения с помощью скребков, швабр, щеток и пр. Этот метод применяют для дезактивации крупногабаритного оборудования, полов и стен производственных помещений.
    Особо отметим то обстоятельство, что при применении химических методов дезактивации недопустимо использование в дезактивирующих растворах соляной кислоты, поскольку хлорид-ион крайне неблагоприятно воздействует на коррозионную стойкость нержавеющих сталей. Применение соляной кислоты допускается лишь в случае загрязнения поверхности радиоактивными изотопами рутения, но с соблюдением специальных мер предосторожности и по особой программе.
    Электрохимический метод дезактивации используется для удаления прочно фиксированных радиоактивных загрязнений, когда применение химического метода неэффективно или технически затруднительно. При использовании этого метода дезактивируемую поверхность подвергают электрохимическому травлению под действием постоянного тока плотностью 10—20 А/дм², после чего производится водная промывка. Дезактивируемая поверхность служит анодом, и с нее удаляется поверхностный слой вместе с радиоактивными загрязнениями. В качестве электролита применяются водные растворы щавелевой (Н₃С₂О₄) или ортофосфорной (Н₃РО₄) кислот концентрацией 1,5—2 %.
    Рассматриваемый метод используют для дезактивации деталей и узлов насосов, приводов СУЗ, наружных и внутренних поверхностей трубопроводов, стаканов главных запорных задвижек (ГЗЗ) и т. п. Различают «мокрый» и «полусухой» способы электрохимической дезактивации. «Мокрый» способ можно применять лишь для небольших по габаритам узлов и деталей, ибо он связан с необходимостью их полного погружения в электролит. При «полусухом» способе используется выносной катод, форма которого для полного прилегания должна соответствовать форме дезактивируемой поверхности: для плоской поверхности требуется плоский катод, для выпуклой поверхности — вогнутый кагод, и т. д. Для устранения короткого замыкания между выносным катодом и дезактивируемой поверхностью прокладывают изоляцию из шерстяной или хлопчатобумажной ткани, которая непрерывно смачивается электролитом.
    Пароэмульсионный метод дезактивации основан на действии на загрязненную поверхность струи, состоящей из смеси пара и десорбирующего раствора. Это один из наиболее экономичных методов дезактивации. Струя направляется на загрязненную поверхность с помощью пароэжекционного устройства. Дезактивация поверхности обеспечивается гидродинамические воздействием пароэмульсчонной струи совместно с химическим воздействием десорбирующего раствора, имеющего температуру более 325 К. В качестве десорбирующих растворов могут быть использованы растворы минеральных кислот и щелочей (при дезактивации поверхностей из нержавеющих сталей), а также растворы органических кислот, щавелевой или лимонной (при дезактивации поверхностей из углеродистых сталей). Пароэжекционное устройство может быть использовано в любых помещениях, где имеется магистраль насыщенного пара необходимого давления (~0,5 МПа). Десорбирующие растворы могут подаваться в устройство из любых переносных открытых емкостей, поскольку струя пара, создавая разрежение при истечении из специального насадка со сверхкритической скоростью, обеспечивает подсос раствора за счет эжекционного эффекта. Этот метод находит применение для дезактивации различных помещений, например боксов ГЦН, внутренних поверхностей различных емкостей, стен бассейнов перегрузки и выдержки кассет, полов, загрязненных маслом, станков, и т. п.
    Гидродинамический метод дезактивации заключается в воздействии на загрязненную поверхность компактной высоконапорной струи воды или десорбирующего раствора. Для этого используется гидромонитор — подвесная машинка с вращающимися по сфере соплами. Вращение сопл осуществляется за счет реактивного действия струй. В качестве десорбентов могут использоваться различные моющие средства, а также слабые растворы кислот и щелочей. Гидродинамический метод целесообразно использовать для механизированной очистки емкостей от различных осаждений, а также для дезактивации производственных помещений.
    Кроме рассмотренных, существует и ряд других методов дезактивации оборудования и помещений. Среди них заслуживают упоминания следующие:
    пенный метод дезактивации — для обработки поверхностей в загроможденных помещениях: поверхности обрабатываются пеной, содержащей химические реагенты;
    метод дезактивации сухими сорбентами — для обработки больших поверхностей полов: поверхность обрабатывается небольшим количеством химического раствора с последующим покрытием слоем порошкообразного сорбента;
    метод дезактивации с использованием легкосъемных полимерных покрытий — для локализации радиоактивных загрязнений и упрощения последующей дезактивации: поверхности покрывают легкосъемными полимерными покрытиями, которые при дезактивации удаляют.
(обратно к содержанию)

Обезвреживание радиоактивных отходов.
    Эксплуатация ЯЭУ неизбежно сопровождается накоплением твердых, жидких и газообразных радиоактивных отходов.
    Газообразные отходы являются результатом работы системы спецвентиляции, особенно в периоды ухудшенной радиационной обстановки (например, в периоды перегрузки). Они могут появляться также в результате работы системы технологических сдувок, которая обеспечивает удаление газов, выделяющихся с надводных пространств «грязных» технологических баков, а также газов, которые вытесняются из баков водой при опорожнении первого контура.
    Для дезактивации таких отходов используется либо обычная выдержка в газгольдерах в течение времени, необходимого для распада радиоактивных нуклидов (прежде всего ¹³⁸Хе), либо очистка в адсорбционных установках. Газгольдеры могут монтироваться непосредственно в нижней части вентиляционной трубы.
    Жидкие отходы появляются вследствие очистки воды первого контура, других вод АЭС и т. п. При их дезактивации придерживаются двух основных принципов:
    раздельная дезактивация вод, различающихся по радиоактивности я физико-химическим показателям;
    наиболее полный возврат очищенных вод в цикл.     Из многообразия способов дезактивации жидких радиоактивных отходов наибольшее практическое применение находят метод ионного обмена и метод ynapивания. Наиболее универсален метод многоступенчатого упаривания в выпарных аппаратах, обеспечивающий высокую степень очистки воды от радиоактивных примесей. Этот метод позволяет существенно снизить объем, занимаемый жидкими отходами.
    Твердые отходы образуются при отверждении жидких радиоактивных отходов. Отверждение жидких отходов производится потому, что захоронение их не может быть надежным, пока они находятся в жидкой фазе. Для отверждения используют методы цементирования или битумирования, заключающиеся в том, что в концентраты жидких отходов добавляют связывающие вещества - цемент или битум.
    Весьма перспективен способ отверждения жидких отходов путем добавления к ним в горячем виде веществ, образующих кристаллогидраты. При остывании раствора образуется кристаллогидрат и концентрат отвердевает.
    К твердым радиоактивным отходам относят вышедшие из строя загрязненные инструменты и детали реакторной установки, а также сильно загрязненную спецодежду и обувь, дезактивация которой нецелесообразна.
    Твердые радиоактивные отходы обезвреживают путем их захоронения. Перед захоронением твердых отходов стремятся максимально уменьшить их объем. При окончательном захоронении предусматриваются отказ от контроля за состоянием отходов и невозможность их извлечения из мест захоронения. При захоронении должно гарантироваться нераспространение радиоактивности в течение сколь угодно долгого времени.
    Твердые радиоактивные отходы захоранивают в специальных сооружаемых хранилищах. Перспективным является использование для этой цели заброшенных соляных и известковых шахт, вечной мерзлоты и глубинных геологических формаций.
    Следует подчеркнуть, что проблема надежного захоронения радиоактивных отходов — одна из наиболее острых для современной атомной энергетики.
(обратно к содержанию)