CZ282706B6

CZ282706B6 - Způsob úpravy chladiva okruhů primárního tlakovod ního reaktoru

Info

Publication number: CZ282706B6
Application number: CS922456A
Authority: CZ
Inventors: Vladimir Ivanovič Paševič; Dmitrii Vladimirovič Paševič
Original assignee: Vladimir Ivanovič Paševič
Priority date: 1991-08-09
Filing date: 1992-08-07
Publication date: 1997-09-17
Also published as: FI923563A0; EP0527357A1; DE4126468A1; US5307391A; BG60490B1; SK278633B6; JPH0720281A; CZ245692A3; DE4126468C2; BG96718A; SK245692A3; FI923563A

Abstract

Předmětem vynálezu je způsob úpravy chladiva primárního tlakového vodního reaktoru za řízení jeho výkonu obsahem kyseliny borité v chladivu, při němž se do oběhu chladiva jaderného reaktoru vysoce rozjetého až k výrobě energie přidává plynule hydrazinhydrát N.sub.2.n.H.sub.4.n..H.sub.2.n.O v takových množstvích, při nichž jeho obsah ve vzorku odebraném z reaktoru činí 5.10.sup.-6 .n.až 5.10.sup.-2 .n.g/kg chladiva a přebytečný vodík se ze soustavy chladiva odstraňuje o sobě známým způsobem až do obsahu nanejvýše 100 n.ml/kg.ŕ

Description

(57) Anotace:

Výkon reaktoru se řídí obsahem kyseliny borité v chladivu. Do oběhu chladivá jaderného reaktoru, vysoce rozjetého až k výrobě energie, se plynule přidává hydrazinhydrát N2H4H2O v množstvích 5.10’⁶ až 5.10'² g/kg chladivá a přebytečný vodík se z chladivá odstraňuje až do obsahu nejvýše 100 n.ml/kg.

CZ 282 706 B6

Způsob úpravy chladivá primárního okruhu tlakovodního reaktoru

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu úpravy chladivá primárního okruhu tlakovodního reaktoru za řízení jeho výkonu obsahem kyseliny borité v chladivu.

Dosavadní stav techniky

Je známo, že kyselina boritá, přidávaná do chladivá jaderného reaktoru, používaná k jemnému řízení reaktivity paliva, způsobuje zvýšenou korozi materiálu. Kromě toho vznikají při rozpadu jaderného paliva silné proudy neutronů, γ-záření a α-částic, popř. β-částic, které působí na vodu a rozkládají jiná kyslík, vodík a množství oxidových radikálů, jež ještě více zesilují korozi materiálu (Report of IAEA Coolant technology of water reactors, Doc. 0846j, 11.03.91, str. 27 -29).

Korozní zplodiny se dostávají ve formě nerozpustných oxidů do pásma ozařování proudem neutronů (palivové články), stávají se radioaktivními, usazují se při transportu vlivem oběhu chladivá na vnitřní ploše reaktoru a vytvářejí radioaktivní znečištění, které způsobuje značné technické těžkosti při obsluze, opravě a inspekci reaktoru (Report of IAEA Coolant technology of water reactors, Doc. 0846j, 11. 03. 91, str. 54-55)

Ke zmenšení korozivnosti kyseliny borité se přidávají do chladivá v případě tlakových vodních reaktorů 1 až 2 ppm hydroxidu lithného (Report of LAEA Coolant technology of water reactors, Doc. 0846j, 11. 03. 91, str. 2729), nebo se zřetelem k přítomnosti iontů Li⁺ aNa⁺ 0,05 až 0,45 mM/kg hydroxidu draselného.

Ke zmenšení radiolýzy vody se přidává u tlakových vodních reaktorů vodík a u reaktorů vodavoda amoniak, z něhož se uvolňuje vodík (Report of IAEA Coolant technology of water reactors, Doc. 0846j, 11. 03. 91, str. 27).

Tyto způsoby umožňují provoz jaderných reaktorů, nezajišťují však žádné podstatnější snížení kontaminace reaktoru, tj. výkon γ-dávek jednotlivých částí parního generátoru se pohybuje v rozsahu mezi 3 a 30 R/h (viz Report of LAEA Coolant technology of water reactors, Doc. 0846j, 11.03. 91, str. 27-29).

Běžně používaný primární okruh tlakovodního reaktoru je znázorněn na přiloženém výkrese.

Primární okruh zahrnuje reaktor 1, hlavní oběhové čerpadlo 2, iontovýměnný filtr 3 k čištění chladivá, parní generátor 4, parní vedení 5 sekundárního okruhu, čerpadlo 6 k odvádění chladivá, přikrmovací odvzdušňovač 7, okruhové potrubní vedení 8 o velkém průměru, přidávací čerpadlo 9, udržovač tlaku J_0, zařízení ke snížení tlaku 11 pro odvzdušňovač, palivové články 12 a chladivo A.

Do primárního okruhu reaktoru 1, naplněného čerstvým palivem, se přidá 12 až 15 g/1 roztoku kyseliny borité. Iontovýměnné filtry 3 k čištění chladivá A se nasytí kyselinou boritou a hydroxidem draselným ve směsi s amoniakem až do rovnovážné koncentrace. Před najížděním reaktoru 1 při teplotě nanejvýše 80 °C se přidá do chladivá A za účelem chemického vázání kyslíku roztok hydrazinhydrátu o koncentraci, jež je větší než trojnásobný přebytek naměřeného obsahu kyslíku.

- 1 CZ 282706 B6

Po uskutečnění uvedených pracovních postupů se potom reaktor fyzikálně rozjede na vysoký stupeň, až se dosáhne nejmenšího řízeného výkonu (W = 10^-6 %).

Po nezbytném změření fyzikálních parametrů reaktorového zařízení se potom výkon reaktoru dále stupňuje, načež se najíždí až do stupně, při němž se vyrábí energie. V tomto okamžiku se do chladivá přidá hydroxid draselný v množství, odpovídajícím naměřenému množství kyseliny borité, avšak nanejvýše 0,45 mMol/kg, a 5 až 10 mg/kg amoniaku, vztaženo vždy na chladivo. Z amoniaku se potom vlivem radiolýzy uvolní 30 až 60 n.ml/kg vodíku, vztaženo na chladivo. Při těchto chemických parametrech probíhá potom komerční provoz reaktorů typu voda-voda. Jelikož radiolýza vody probíhá působením záření vysokou rychlostí a opětné spojování oxidových radikálů při jejich reakci s vodíkem nenastává okamžitě, způsobují oxidové radikály vody korozi materiálu, přičemž vznikají nerozpustné oxidační sloučeniny, obsahující Co, Mn, Ni, Cr, Fe a jiné prvky.

Po oběhu chladivá dostávají se korozní zplodiny do účinného rozsahu jaderného paliva a jsou přitahované působením uvolňujících se termoelektrických sil stěnami palivových článků, kde jsou vystavené mohutnému toku neutronů a přeměňují se na izotopy ⁵⁸Co, ⁶⁰Co, ⁵⁴Mn, ⁵¹Cr, ⁵⁹Fe atd.

Při konstantním zatížení reaktoru přecházejí potom aktivované korozní zplodiny poznenáhlu do chladicí vody. Naproti tomu při silných výkyvech zatížení se tyto zplodiny ze stěn palivových článků silně smývají. V obou případech se však částice kovových oxidů rozptylují v chladicím okruhu a vlivem izotopové výměny nebo jednoduše sorpcí se usazují na vnitřních plochách reaktoru (sorpční koeficient K⁺ 1.10^-4 sek.^-1) a na stěnách reaktoru, čímž způsobují kontaminaci. V zařízeních na čištění chladivá se potom zmenšuje obsah aktivovaných zplodin v chladivu s koeficientem K⁺ 1.10^-5 sek.^-1 tím, že se odstraní jistý díl chladivá. Úplného vyčištění chladivá se však takto nedosáhne. Nakonec dochází k postupnému nahromadění radioaktivních izotopů na vnitřní ploše reaktoru a k její kontaminaci. Známé techniky, vedoucí ke zmenšení kontaminace, umožňují sice provoz jaderných reaktorů, nezajišťují však žádný podstatnější pokles kontaminace reaktoru, tj. výkon γ-dávek jednotlivých částí parního generátoru je v rozsahu mezi 3 a 30 R/h. Nejmenší dávky γ-paprsků se dosáhne přidáváním hydroxidu draselného a amoniaku do primárního okruhu u reaktorů voda-voda. Avšak i v tomto případě je dávka γ-paprsků ještě velmi vysoká (průměrně 3 až 7 R/h), jak je tomu např. u elektrárny v Lovise (Finsko). Rozsah výkonu γ-dávek činí u tlakovodních reaktorů typu Westinghouse a Siemens (KWU) doposud 3 až 40 R/h, popř. 3 až 45 R/h (viz Report of IAEA Coolant technology of water reactors, Doc. 0846j, 11. 03. 91, str. 54-55).

Jaderné elektrárny, jež jsou dnes v provozu, mají tudíž následující nedostatky, pokud se jedná o způsob vodně chemického postupu: -nedostatečnou rychlost opětovného spojování oxidových radikálů působením vodíku, čímž dochází ke korozi reaktorového materiálu; -značné hromadění korozních zplodin na stěnách palivových článků, což má za následek aktivaci korozních zplodin a jejich následné rozptýlení v chladicím okruhu a; -sorpční koeficient aktivovaných korozních zplodin přesahuje, pokud se jedná o rychlost usazování, koeficient čištění, takže nelze zabránit kontaminaci reaktoru, i když se zvýší výkon čisticího zařízení.

Vynález si klade za úkol zmenšit rychlost koroze materiálu, jakož i aktivaci korozních zplodin a omezit jejich usazování na stěnách reaktoru a takto snížit kontaminaci reaktoru na méně než 3 R/h za příslušného omezení výkonu γ-dávek.

-2CZ 282706 B6

-χ.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob úpravy chladivá primárního okruhu tlakovodního reaktoru za řízení jeho výkonu obsahem kyseliny borité v chladivu.

Podstata vynálezu je v tom, že se do oběhu chladivá jaderného reaktoru, rozjetého až k výrobě energie, přidává plynule hydrazinhydrát N2H4.H2O v množstvích, při nichž jeho obsah ve vzorku, odebraném z reaktoru, činí 5.10^-6 až 5.10^-2 g/kg chladivá, a přebytečný vodík se z chladivá odstraňuje až do obsahu nanejvýše 100 n.ml/kg.

S výhodou se hydrazinhydrát přidává v množství, při němž jeho obsah ve vzorku, odebraném z reaktoru, činí 2.10'⁵ až 1.10^-4 g/kg chladivá, a přebytečný vodík se odstraňuje z chladivá až do obsahu 50 až 60 n.ml/kg.

Doposud se nikdy nepracovalo s plynulým přidáváním hydrazinhydrátu do chladicího média reaktoru, který je v provozu, protože se hydrazinhydrát rozkládá během 10 až 20 vteřin na dusík a vodík, který při stálém zvyšování koncentrace nad 60 n.ml/kg chladivá způsobuje rozrušování obalů palivových článků ze zirkonových slitin. Bylo nyní s překvapením zjištěno, že působením silných toků neutronů ay-paprsků reaktoru, který je v provozu, nastávají v soustavě, složené z hydrazinhydrátu, amoniaku a vodíku, nové reakce, a sice dochází k zářením indukované syntéze mezi hydrazinhydrátem z amoniaku a produkty jeho rozkladu. Obrácená syntéza hydrazinhydrátu z amoniaku a vodíku probíhá však pomaleji, než rozklad hydrazinhydrátu. Reakce probíhá podle následující rovnice:

η,γ

N₂H₄ . H₂O NH₄OH + 1/2 N₂ + 1/ 2 H₂ kde n značí neutrony a γ záření gama.

Aby se udržovala reakční rovnováha, je nutné přidávat plynule do chladivá hydrazinhydrát v uvedených množstvích, jakož i odstraňovat přebytečný vodík.

Hydrazinhydrát, který je silným redukčním prostředkem, způsobuje podstatné snížení elektrochemického potenciálu (Eh) soustavy kov-voda. U známých způsobů dosahuje potenciál hodnot nanejvýše -700 mV, vzhledem k vodíkové elektrodě, přičemž rychlost koroze nerezové oceli činí zhruba 0,5 mg/m² za hodinu. U reaktoru voda-voda typu WER-440 vzniká přitom během provozní doby reaktoru asi 7000 provozních hodin přibližně 30 až 50 kg korozních zplodin. Další snížení potenciálu Eh do záporného rozsahu není možné. Pouze plynulým přidáváním hydrazinhydrátu lze dosáhnout ještě dalšího poklesu hodnoty pH a tím značného snížení rychlosti koroze. Hydrazinhydrát reaguje velmi prudce s kyslíkem a oxidovými radikály za vzniku vodíku, dusíku a vody.

Při radiolýze hydrazinhydrátu vznikají atomární vodík, amoniak a dusík. Opětné spojování radikálů na vodu probíhá proto značně rychleji, než při radiolýze amoniaku.

Výzkumem pochodů sorpce-desorpce zplodin při přidávání hydrazinhydrátu se zjistilo, že na stěnách palivových článků nedochází k žádnému hromadění korozních zplodin. Sorpční koeficient K⁺ se sníží na zhruba 1.10’⁵ až 0,5.10^-5 sek.^-1, což souhlasí s koeficientem čištění. Toto vede k inaktivaci kontaminovaných povrchů a ktomu, že povrchy zůstávají čisté bez kontaminace.

-3 CZ 282706 B6

Tímto se umožňuje zmenšení kontaminace na výkon dávek gama nanejvýše asi 1 R/h, což je podstatně pod hodnotami kontaminace, existujícími u současných v provozu se nacházejících jaderných elektráren.

Způsob podle tohoto vynálezu lze realizovat jak u jaderných elektráren, jež jsou již v provozu, tak i u těch, které se mají uvádět do provozu.

U jaderných elektráren, jež jsou v provozu, se způsob podle vynálezu následovně:

1. Nejprve se odstraní vodík z chladivá odvzdušňovacími soustavami nebo jiným způsobem, což se děje plynule. V praxi odpovídá toto odplynění chladivá při objemu 5 až 15 t/h.

2. Aniž by se měnily ostatní parametry chladivá, zastaví se potom přidávání amoniaku.

3. Místo amoniaku se přidává k přídavné vodě plynule hydrazinhydrát v množstvích, kterými se ve vzorku, odebraném z reaktoru, zajistí obsah 5. 10'⁸ až 5. 10² g/kg chladivá.

4. Plynulým přidáváním hydrazinhydrátu a jeho radiolytickou syntézou z amoniaku, který je v tomto případě v počáteční fázi přítomný v nadbytku, se v soustavě hydrazinhydrátu ustaví následující rovnováha:

η,γ hydrazinhydrát^—amoniak + vodík + dusík

Při rovnovážném stavu soustavy posunuje se hodnota Eh potenciálu silně do záporného rozsahu, přičemž se dosahuje účinků, jež mají příznivý vliv na zmenšení kontaminace reaktoru.

Vynález je dále blíže objasňován na podkladě následujících příkladů.

Přehled obrázků na výkrese

Na přiloženém výkrese je běžně používaný primární okruh tlakovodního reaktoru.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Do přídavné vody reaktoru se po jeho vysokém rozjetí až na výrobu energie přidává hydrazinhydrát v takových množstvích, při nichž jeho obsah ve vzorku, odebraném z reaktoru, činí 2. 10’⁵ až 4. 10’⁵ g/kg chladivá. Plynulé odstraňování vodíku, vznikajícího radiolýzou hydrazinhydrátu, se děje odplyňováním chladivá v soustavě odvzdušňovač-přikrmování při prosazení 6 t/h. Přitom se množství hydroxidu draselného udržuje v rozsahu 0,45 až 0,05 mM/kg chladivá, podle koncentrace kyseliny borité. Po delším testu nepřesahuje výkon γ-dávek, měřený v osách studeného a teplého sběrače parního generátoru 1 R/h, a sice tento výkon je v rozsahu 0,3 až 1,0 R/h.

Příklad 2

Do přídavné vody reaktoru, který již pracoval 5 let s amoniakem, draslíkem a borem, se po zastavení přidávání amoniaku, jakož i za plynulého odvádění přebytečného vodíku, přidává hydrazinhydrát v množstvích podle příkladu 1. Po provedení testů poklesl výkon γ-dávek, měřený na osách kolektoru parního generátoru, ze 7,4 R/h na 1,25 R/h.

-4CZ 282706 B6

Plynulého přidávání hydrazinhydrátu se může dosahovat u reaktorů s kyselinou boritou korigováním chladivá jak s hydroxidem draselným, tak i s hydroxidem lithným.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Způsob úpravy chladivá primárního okruhu tlakovodního reaktoru za řízení jeho výkonu obsahem kyseliny borité v chladivu, vyznačující se tím, že se do oběhu chladivá jaderného reaktoru, vysoce rozjetého až k výrobě energie, přidává plynule hydrazinhydrát N2H4.H2O v takových množstvích, při nichž jeho obsah ve vzorku, odebraném z reaktoru, činí 5.10'⁶ až 5.10‘² g/kg chladivá, a přebytečný vodík se z chladivá odstraňuje až do obsahu nanejvýše 100 n.ml/kg.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se hydrazinhydrát přidává v množství, při němž jeho obsah ve vzorku, odebraném z reaktoru, činí 2. 10‘⁵ až 1. ÍO⁴ g/kg chladivá.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se přebytečný vodík odstraňuje z chladivá až do obsahu 50 až 60 n.ml/kg. ¹