ES2351718B2 - Método de protección de reactores bwr frente a la corrosión durante la prueba de presión hidrostática. - Google Patents

Método de protección de reactores bwr frente a la corrosión durante la prueba de presión hidrostática. Download PDF

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Abstract

Método de protección de reactores BWR frente a la corrosión durante la prueba de presión hidrostática.
El entorno de química oxidante del agua del reactor BWR es un factor clave que promueve el agrietamiento intergranular por corrosión bajo tensión de aleaciones a base de níquel y acero inoxidable usadas en las partes internas del recipiente y las tuberías del sistema de refrigerante del reactor. Esto se mitiga normalmente durante el funcionamiento a potencia con inyección de hidrógeno. Sin embargo, este método sólo es eficaz cuando los reactores están encendidos. Por consiguiente, esta invención propone un método de reducción del potencial de corrosión electroquímica durante la fase de la prueba de la presión hidrostática de reactores BWR. El método incluye las etapas de proporcionar un aditivo de mitigación adaptado para reducir la corrosión electroquímica de un reactor BWR; e inyectar el aditivo de mitigación en el reactor BWR en una ubicación predeterminada antes de que se produzca una inyección de hidrógeno.

Description

Método de protección de reactores BWR frente a la corrosión durante la prueba de presión hidrostática.
Campo técnico y Antecedentes de la invención
Esta solicitud reivindica el beneficio de la solicitud provisional número 61/085.260 presentada el 31 de julio de 2008.
La presente invención se refiere a la corrosión en reactores BWR. En particular, la invención se refiere a un método de reducción del potencial de corrosión electroquímica durante la fase de puesta en marcha de reactores BWR.
El entorno de química oxidante del agua del reactor BWR es un factor clave que promueve el agrietamiento intergranular por corrosión bajo tensión (IGSCC, "intergranular stress corrosion cracking") de aleaciones a base de níquel y acero inoxidable usadas para construir las partes internas del recipiente y las tuberías del sistema de refrigerante del reactor. El agrietamiento intergranular por corrosión bajo tensión (IGSCC) en los BWR se mitiga normalmente durante el funcionamiento a potencia con la química del agua con hidrógeno (HWC, "hydrogen water chemistry") o la adición química de metales nobles con química del agua con hidrógeno (NMCA+HWC, "noble metal chemical addition with hydrogen water chemistry").
Sin embargo, estos métodos sólo son completamente eficaces cuando el reactor está encendido. La inyección de hidrógeno no se pone en servicio hasta que el reactor está a la temperatura de funcionamiento y a una potencia superior a aproximadamente del 5% al 30%, dependiendo del diseño del sistema de HWC. En consecuencia, el agua del reactor, que inicialmente contiene niveles altos de oxígeno disuelto procedente de la exposición al aire atmosférico durante la parada fría, es oxidante durante el calentamiento y el funcionamiento a baja potencia. Como resultado, las mayores tasas de crecimiento de grietas se producen actualmente durante la puesta en marcha, tras las interrupciones de reabastecimiento, antes de que la HWC pase a ser eficaz. Además, el potencial de corrosión electroquímica (ECP) es muy alto.
Los datos indican que las tasas de IGSCC son mayores a temperaturas intermedias durante los procesos de puesta en marcha y de parada de la planta que a la temperatura de funcionamiento. Como resultado, puede iniciarse un agrietamiento y puede producirse un crecimiento de grietas durante el proceso de parada de la planta y la puesta en marcha tras las interrupciones de reabastecimiento o a mitad de ciclo, cuando la inyección de hidrógeno no está en servicio. Para las unidades con NMCA+HWC, el crecimiento de grietas durante los procesos de puesta en marcha y parada puede dar como resultado el flanqueo de las grietas, en el que las grietas existentes pueden continuar creciendo incluso después de que la inyección de hidrógeno esté conectada.
Por consiguiente, se necesita un método de reducción del potencial de corrosión electroquímica durante la fase de puesta en marcha de reactores BWR.
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Sumario de la invención
Éstas y otras deficiencias de la técnica anterior se tratan en la presente invención, que proporciona un método de reducción del potencial de corrosión electroquímica durante la fase de puesta en marcha de reactores BWR inyectando aminas en los reactores BWR durante la fase de puesta en marcha.
Según un aspecto de la presente invención, un método de protección de reactores BWR incluye las etapas de proporcionar un aditivo de mitigación adaptado para reducir la corrosión electroquímica de un reactor BWR; e inyectar el aditivo de mitigación en el reactor BWR en una ubicación predeterminada antes de que se produzca una inyección de hidrógeno.
Según otro aspecto de la presente invención, un método de protección de reactores BWR frente a la corrosión durante la puesta en marcha incluye las etapas de proporcionar un aditivo de mitigación adaptado para reducir la corrosión electroquímica de un reactor BWR; e inyectar el aditivo de mitigación en el reactor BWR durante una prueba de presión hidrostática.
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Breve descripción de los dibujos
La invención puede entenderse de la mejor manera haciendo referencia a la siguiente descripción junto con las figuras del dibujo adjunto en las que:
la figura 1 muestra el ECP frente a la temperatura;
la figura 2 muestra el ECP frente a la temperatura;
la figura 3 muestra puntos de inyección de RWCU;
la figura 4 muestra puntos de inyección de RWCU adicionales;
la figura 5 es un esquema de una prueba de presión hidrostática del RPV;
la figura 6 muestra datos de temperatura del refrigerante del reactor;
la figura 7 es un esquema de un proceso de puesta en marcha de un BWR;
la figura 8 es un esquema del flujo de proceso durante la puesta en marcha; y
la figura 9 muestra concentraciones del oxígeno disuelto del condensado y del refrigerante del reactor.
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Descripción de la realización preferente de la invención
Según la química del agua normal (NWC, normal water chemistry), el ECP de los materiales del sistema primario está normalmente en el intervalo de 0 a +250 mV (SHE). Sin embargo, pruebas han mostrado que el agrietamiento intergranular por corrosión bajo tensión (IGSCC) de las tuberías de BWR se mitiga cuando el ECP del acero inoxidable sensibilizado se reduce hasta menos de -230 mV (SHE) y la conductividad del refrigerante del reactor es inferior a 0,3 S/cm a 25ºC (77ºF). Actualmente, el IGSCC se mitiga durante las condiciones de funcionamiento a potencia normal proporcionando una inyección de hidrógeno al agua del reactor. Esto reduce el potencial de corrosión electroquímica (ECP) de aleaciones a base de níquel y acero inoxidable, mitigando de ese modo el IGSCC.
La química del agua con hidrógeno (HWC) está destinada a proteger las partes internas del reactor así como las tuberías. La adición de hidrógeno suprime la descomposición radiolítica del agua en la región del núcleo, lo que reduce la formación de especies oxidantes tales como el peróxido de hidrógeno y oxígeno. También proporciona un exceso de hidrógeno disuelto en la región del tubo vertical de bajada, lo que promueve la recombinación radiolítica de oxidantes residuales en el agua en recirculación. En regiones en las que la concentración de oxidantes en el agua del reactor se reduce hasta menos de 3 ppb (O_{2} equivalente) se elimina la fuerza motriz del ECP para el IGSCC. Un inconveniente para la HWC es que provoca que los niveles de radiación del conducto de vapor principal aumenten varias veces el nivel sin inyección de hidrógeno debido a la producción de N-16 y el arrastre con el vapor.
La inyección de hidrógeno con adición química de metales nobles (NMCA+HWC) proporciona un medio para lograr la protección frente al IGSCC de la HWC sin un aumento grande en los niveles de radiación del conducto de vapor principal. La NMCA implica la deposición de pequeñas cantidades de metal noble (es decir, platino, rodio) sobre las superficies humedecidas en contacto con el refrigerante del reactor. Estas catalizan las reacciones de recombinación del hidrógeno con el peróxido de hidrógeno y oxígeno en esas superficies. La respuesta de ECP de las superficies tratadas es similar a la del platino. Se consiguen ECP protectores cuando la razón molar de hidrógeno con respecto al oxidante total en el agua del reactor alcanza un valor igual a o superior a dos, que se alcanza a concentraciones de hidrógeno del agua de alimentación muy bajas (habitualmente entre 0,1 ppm y 0,3 ppm), aproximadamente un orden de magnitud inferior al requerido por la HWC.
Una ventaja importante de la NMCA es que no hay aumento o sólo un poco en la radiación del conducto de vapor principal por la actividad de N-16 a los bajos niveles de adición de hidrógeno. Sin embargo, el agrietamiento que puede iniciarse o propagarse durante periodos en los que no hay hidrógeno disponible, puede no mitigarse cuando se restablece el hidrógeno. Cuando las grietas crecen más allá de una longitud crítica, los oxidantes en la masa de agua pueden aumentar el ECP de las superficies de grietas recientes por encima de -230 mV (SHE). Este fenómeno se denomina "flanqueo de las grietas".
Los efectos de la temperatura sobre los materiales también pueden ser significativos en el IGSCC. Basándose en datos disponibles, en entornos de BWR de relativamente alta pureza/no transitorios/por debajo del nivel de acción 1, la tasa de crecimiento de grietas de los materiales estructurales de BWR tales como acero inoxidable de tipo 304 y aleación 600 alcanza un máximo a aproximadamente de 150ºC a 200ºC (de 302ºF a 392ºF). Se espera que en entornos de menor pureza/de tipo transitorio (por ejemplo, >1 S/cm), las tasas de crecimiento de grietas aumentarán con una temperatura creciente.
En la presente invención, los aditivos de mitigación por adición tales como aminas, incluyendo hidrazina y carbohidrazida, se usan para reducir el ECP de las partes internas del reactor y las tuberías de recirculación durante el proceso de puesta en marcha inicial, desde aproximadamente menos de 38ºC (100ºF), a través del intervalo de temperatura de 150ºC a 200ºC (de 302ºF a 392ºF) hasta la temperatura de funcionamiento normal de aproximadamente 288ºC (550ºF).
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La hidrazina reacciona con oxígeno tal como sigue:
N_{2}H_{4} + O_{2} \rightarrow N_{2} + 2H_{2}O
Los productos de reacción, nitrógeno y agua, no suponen una preocupación con respecto a la corrosión en el BWR. La carbohidrazida reacciona directamente con oxígeno produciendo nitrógeno, dióxido de carbono y agua.
2O_{2} + (N_{2}H_{3})2CO \ding{212} 2N_{2} + 3H_{2}O + CO_{2}
Tal como con hidrazina, la tasa de reacción de carbohidrazida con oxígeno aumenta a medida que aumenta la temperatura y a un mayor pH. A medida que aumenta la temperatura, la descomposición de carbohidrazida para dar hidrazina y dióxido de carbono pasa a ser significativa, de modo que la reacción con oxígeno puede tener lugar o bien directamente (tal como se mostró anteriormente) o bien indirectamente con la hidrazina producida.
H_{2}O + (N_{2}H_{4})_{2}CO \ding{212} 2N_{2}H_{4} + CO_{2}
2O_{2} + 2N_{2}H_{4} \ding{212} 2N_{2} + 4H_{2}O
La carbohidrazida empieza a descomponerse en hidrazina cuando las temperaturas superan los 121ºC (250ºF) y se descompone casi completamente en hidrazina a 176ºC (350ºF).
El tratamiento con hidrazina puede usarse para eliminar el oxígeno disuelto mientras la planta está en calentamiento desde 65ºC hasta 121ºC (de 150ºF a 250ºF). El tratamiento con hidrazina es lo más eficaz cuando el oxígeno disuelto se ha reducido hasta unas pocas ppm mediante métodos mecánicos. La hidrazina debe añadirse pronto en el proceso de calentamiento antes de que la temperatura alcance los 65ºC (150ºF) para dejar tiempo para que la reacción avance a la velocidad reducida a menor temperatura. La cinética de la reacción mejora sustancialmente a medida que la temperatura aumenta hasta de 93ºC a 121ºC (de 200ºF a 250ºF).
Los resultados de la prueba de circuito cerrado muestran que la inyección de hidrazina reduce el ECP medido de una muestra tratada con NMCA hasta una magnitud significativamente mayor que la de una muestra recubierta con película sin tratar en el intervalo de temperatura de 93ºC a 204ºC (de 200ºF a 400ºF). Esto indica que el tratamiento con NMCA potencia el efecto catalítico de la reacción de oxígeno/hidrazina en la superficie. Los resultados también muestran que el ECP disminuye a medida que aumenta la razón de concentración de hidrazina con respecto a oxígeno y a medida que aumenta la temperatura. Con la muestra tratada con NMCA se consigue una reducción significativa del ECP con hidrazina en exceso con respecto al oxígeno a de 93ºC a 149ºC (de 200ºF a 300ºF) en comparación con el ECP medido a menos de 2 ppb de oxígeno sin inyección de hidrazina, mientras que a 204ºC (400ºF) el ECP con inyección de hidrazina en el intervalo sometido a prueba es similar al de con menos de 2 ppb de oxígeno. La reducción del ECP de la muestra sin tratar recubierta previamente con película con inyección de hidrazina a 93ºC y 149ºC (200ºF y 300ºF) en comparación con el ECP a menos de 2 ppb de oxígeno es significativamente menor que para la muestra tratada con NMCA, incluso a razones elevadas de hidrazina con respecto a oxígeno.
Con un ECP (SHE) que se aproxima al de a baja temperatura a una concentración de oxígeno inferior a o igual a 2 ppb, los resultados de la prueba mostraron que la mitigación puede conseguirse mediante inyección de hidrazina si se establece una razón de hidrazina con respecto a oxígeno superior a de 5 a 10. Los valores de ECP medidos a una concentración de oxígeno inferior a o igual a 2 ppb de las pruebas de circuito cerrado tratadas anteriormente se muestran en la figura 2. La extrapolación de estos resultados a 260ºC (500ºF) muestra valores de ECP de -231 mV (SHE) para la muestra sin tratar y de -532 mV (SHE) para la muestra con NMCA.
La respuesta débil de la muestra recubierta previamente con película sin tratar era inesperada, dado que la experiencia en laboratorio y en funcionamiento indica que pueden conseguirse potenciales de corrosión a o por debajo de -500 mV (SHE) a la temperatura de funcionamiento en ausencia de recubrimientos de metales nobles si se reduce el oxígeno hasta menos de 5 ppb. Junto con los datos de 250 ppb de O_{2} de la figura 1, la curva para la muestra tratada con NMCA puede usarse para establecer la supresión del ECP que está asociada con la mitigación del IGSCC a las diversas temperaturas. Por ejemplo, a 93ºC (200ºF) el ECP debe reducirse en más de 80 mV, a 149ºC (300ºF) en más de 290 mV, y a 204ºC (400ºF) en \sim500 mV.
Durante una evolución de puesta en marcha de una planta típica desde la parada hasta la potencia completa, hay un periodo de tiempo significativo cuando la temperatura del refrigerante del reactor es mayor que 93ºC (200ºF) y el IGSCC no se mitiga, dado que la inyección de hidrógeno no se inicia hasta que la potencia está entre el 30% y el 50%. Este periodo de tiempo se debe a las pruebas de fuga de presión y el reensamblaje del recipiente del reactor. Mientras las temperaturas del refrigerante del reactor se mantienen a menos de 49ºC (120ºF) durante las condiciones de reabastecimiento, las temperaturas se aumentan hasta por encima de los 100ºC (212ºF) durante la prueba de fuga de presión del recipiente (prueba de presión hidrostática). Las temperaturas del refrigerante se aumentan inicialmente por encima de las temperaturas de parada normales para ayudar en la fijación y la aplicación de tensión a la cabeza del reactor. Una vez que se ha aplicado tensión a la cabeza puede prepararse una planta para la prueba de fuga de presión.
Los procedimientos de planta proporcionan límites para las velocidades de calentamiento y refrigeración durante la prueba de fuga de presión. El tiempo por encima de los 100ºC (212ºF) durante la prueba es específico de la planta y puede variar dependiendo del alcance de la prueba. Por ejemplo, puede oscilar desde tan sólo de 4 a 8 horas hasta tanto como de 12 a 24 horas. Tras completar la prueba de fuga se reduce la temperatura del refrigerante hasta menos de 93ºC (200ºF) usando la refrigeración de parada. La temperatura se mantiene normalmente entre 54ºC y 65ºC (130ºF y 150ºF) mientras la estación completa el reensamblaje final del reactor. Normalmente se requieren de uno a dos turnos (12-24 horas) tras las pruebas de fuga satisfactorias para completar el reensamblaje final del reactor.
En la preparación para la puesta en marcha, los sistemas de accionamiento de las barras de control (CRD, control rod drive), de limpieza del agua del reactor (RWCU, reactor water clean-up) y de condensado están en servicio y se completa el lavado con agua de alimentación de recorrido largo. El orificio de ventilación de la cabeza del reactor está abierto. El sistema de condensado se hace funcionar inicialmente con una recirculación de recorrido corto con uno o más desmineralizadores en servicio.
Tras la puesta en marcha, se consigue la refrigeración de parada y se activan las bombas de recirculación del reactor. El reactor se lleva hasta una condición crítica mediante la retirada de las barras de control inicial y comienza el calentamiento por encima de los 93ºC (200ºF). Inicialmente, el orificio de ventilación de la cabeza del reactor puede abrirse hasta que se establece una presión de unas pocas libras en el recipiente del reactor. Los drenajes del conducto de vapor principal se abren también para dirigir cualquier líquido condensado al condensador principal. Inicialmente se establece vacío en el condensador con bombas de vacío mecánicas y posteriormente con un sistema eyector de aire con chorro de vapor cuando la presión del reactor aumenta hasta entre 200 psig y 300 psig y está disponible un flujo de vapor suficiente.
A una presión del reactor de 100 psig, el eyector de aire con chorro de vapor (SJAE, steam jet air ejector) y el precalentador de gases de descarga se conmutan al vapor principal. La purga de RWCU hacia el pozo de condensado se fija cuando ya no puede mantenerse el nivel del recipiente de presión del reactor (RPV, reactor pressure vessel) mediante el flujo de CRD. La primera válvula de derivación de la turbina está abierta aproximadamente un 10%-20% a una presión del reactor de aproximadamente 150 psig.
El flujo de vapor principal se envía al condensador principal a través de las válvulas de derivación de la turbina. A medida que el flujo de condensado/agua de alimentación aumenta, se ponen en servicio bombas adicionales según se requiere. El reactor se pone en el modo de ejecución cuando la presión del reactor aumenta hasta aproximadamente 1000 psig, tras lo cual la turbina principal se pone en funcionamiento y el generador se sincroniza con la red de distribución. Entonces continúa al aumento de potencia a una velocidad dentro de los límites de especificación técnica de la planta hasta que se establece una potencia del 100%.
La prueba de fuga del recipiente de presión del reactor es importante porque las temperaturas durante la prueba aumentan hasta más de 93ºC (200ºF) y el tiempo que pasa por encima de los 93ºC (200ºF) se cuenta como tiempo en el que no se mitiga el IGSCC.
La retirada de las barras de control continúa hasta que la temperatura del refrigerante es de 100ºC (212ºF), momento en el que pueden abrirse las válvulas de aislamiento de vapor principales (MSIV, main steam isolation valves). El requisito para abrir las MSIV es que la presión del RPV debe ser positiva. La retirada de las barras continúa mientras se mantiene la velocidad de calentamiento a menos de 100ºF/h. Se establece un punto de parada de oxígeno disuelto del refrigerante del reactor antes de superar los 50 psig (\sim296ºF).
El tiempo de retirada de las barras de control inicial hasta el momento en que la temperatura del refrigerante del reactor alcanza los 93ºC (200ºF) es normalmente de aproximadamente cuatro horas. Sería necesario que la inyección de hidrazina comenzara poco después de haber fijado la refrigeración de parada y se activa la segunda bomba de recirculación del reactor para garantizar que no se perderá disponibilidad cuando la temperatura alcanza por primera vez los 93ºC (200ºF). No puede iniciarse la inyección de hidrógeno hasta que la segunda bomba de agua de alimentación de reactor está en servicio. Esto se produce a una potencia de aproximadamente el 33%, tras haberse sincronizado el generador principal con la red de distribución. El tiempo entre el momento en el que la temperatura del refrigerante alcanza por primera vez los 93ºC (200ºF) y el momento en el que se pone en servicio la segunda bomba de alimentación puede variar significativamente, dependiendo de los problemas encontrados y el número de pruebas de supervisión, tales como las pruebas de capacidad de funcionamiento de refrigeración del núcleo del reactor aislado (RCIC, reactor core isolation cooling) e inyección de refrigerante a alta presión (HPCI, high pressure injection cooling), requeridas durante la puesta en marcha específica. Durante las pruebas se mantiene la presión del reactor constante. La temperatura del refrigerante durante este periodo está en un intervalo intermedio en el que pueden producirse tasas de crecimiento de grietas superiores.
Es concebible que la temperatura del refrigerante del reactor pueda superar los 93ºC (200ºF) durante 72 horas o más antes de iniciar el sistema de inyección de hidrógeno normal durante una puesta en marcha de planta tras una interrupción de reabastecimiento.
La hidrazina o carbohidrazida se inyecta en una corriente de agua que fluye de la planta como disolución líquida. Sería preferible que pueda usarse el mismo sistema de inyección en todas las fases de puesta en marcha en las que se realice la inyección de productos químicos.
Se usará un patín de inyección de productos químicos e incluirá tanques de disolución, bombas dosificadoras, válvulas, tubos, instrumentación y controles. Los productos químicos se dosifican desde el patín de inyección de productos químicos hasta un patín de agua de accionamiento que también incluye bombas, instrumentación de flujo y controles, y proporciona agua de dilución para la introducción de productos químicos en el conducto de proceso de la planta.
Para minimizar las complicaciones se prefiere limitar el número de ubicaciones de inyección seleccionadas. Una única ubicación evitaría la necesidad de considerar la logística de transportar el producto químico hasta múltiples ubicaciones en cantidades suficientes y la posible necesidad de más de un sistema de inyección. El desplazamiento de productos químicos de una ubicación a otra puede aumentar el riesgo de derrame, lo que podría afectar al acceso del personal a la planta, HVAC y drenajes.
En el presente documento se tratarán tres ubicaciones de inyección. La primera es la inyección en el sistema de efluente de RWCU. El flujo está circulando normalmente por el sistema de RWCU durante las pruebas de fuga de presión del recipiente del reactor (evitando los recipientes de desmineralización de limpieza) y durante todo el proceso de calentamiento y puesta en marcha. La entrada del sistema de RWCU es desde un circuito cerrado de recirculación del reactor y el drenaje inferior del recipiente, y la mayoría de las plantas extraen la muestra de agua del reactor normal que se envía al panel de muestras del reactor desde esta corriente. El flujo de retorno de RWCU en la mayoría de las plantas es al sistema de agua de alimentación aguas abajo de todos los calentadores de agua de alimentación y justo aguas arriba de la conexión del recipiente del reactor. La trayectoria de flujo de retorno de RWCU es a través del lado de carcasa del intercambiador de calor regenerativo. Las posibles ubicaciones de conexión de la inyección pueden ser aguas arriba o aguas abajo del intercambiador de calor regenerativo, aunque se preferirá aguas abajo para minimizar el área superficial de contacto para las reacciones con hidrazina antes de la entrada en el recipiente del reactor. Si los materiales de construcción de RWCU son principalmente acero al carbono, el punto de inyección debe estar tan próximo como sea posible al punto en el que el retorno de RWCU conecta con el sistema de agua de alimentación para tratar las cuestiones de corrosión acelerada por el flujo.
Un ejemplo de posibles ubicaciones de conexión para la inyección de productos químicos al sistema de RWCU en un diseño de BWR-4 se muestra en la figura 3. La figura 3 es una configuración típica de sistema de RWCU en la que se proporcionan tuberías con varias tomas de conexión para garantizar que el sistema pueda ventilarse apropiadamente durante la puesta en marcha y drenarse durante el mantenimiento.
Durante la prueba hidrostática del recipiente y durante el calentamiento inicial, esencialmente no hay flujo de agua de alimentación. Las tuberías de agua de alimentación en el punto de conexión pueden estar llenas o no, dependiendo del límite para la prueba hidrostática, que puede ser específico de la interrupción y de la planta. Sólo con el flujo de retorno de RWCU, la velocidad en las tuberías de agua de alimentación será baja, lo que aumenta el tiempo de residencia y contacto con la superficie de la tubería de agua de alimentación de acero al carbono para la descomposición de la hidrazina.
Una segunda ubicación de inyección en la que puede añadirse hidrazina directamente al sistema de recirculación de agua del reactor es en el sistema de recirculación del reactor. Este enfoque es similar a un enfoque de inyección usado para las aplicaciones de metales nobles clásicas. Las tomas usadas normalmente para la inyección de metales nobles clásica en el sistema de recirculación de agua del reactor son o bien tomas de instrumentos de presión diferencial de la bomba de recirculación o bien tomas de instrumentos de flujo de la bomba de recirculación. Estas tomas, a las que puede accederse desde fuera del recinto de contención primario, son de diámetro pequeño y normalmente contienen válvulas de retención de flujo en exceso para evitar una fuga grande de refrigerante del reactor fuera del recinto de contención primario.
Otra ubicación de inyección posible es en el circuito cerrado de recirculación de agua del reactor, tal como en la conexión de desviación del punto de muestra del sistema de recirculación. Esto se muestra en la figura 4. En la mayoría de los BWR, este punto de muestra es de las tuberías de descarga de una de las bombas de recirculación de agua del reactor (para el ejemplo mostrado en la figura 4, la conexión del punto de muestra está en la descarga de la bomba de recirculación del reactor "B"). El sistema de muestra contiene habitualmente válvulas de aislamiento del recinto de contención interiores y exteriores. Las tuberías contienen normalmente conexiones de drenaje que se usan para realizar pruebas de la tasa de fuga local (LLRT, local leak rate testing) de las válvulas de aislamiento del recinto de contención durante las interrupciones de reabastecimiento. Un conjunto de conexiones de drenaje de LLRT está ubicado normalmente fuera del recinto de contención, justo aguas arriba de la válvula de aislamiento exterior. No es inconcebible que la válvula de aislamiento del recinto de contención exterior esté cerrada, la válvula interior abierta y que pueda inyectarse la hidrazina en la conexión de drenaje de LLRT entre las válvulas de aislamiento del recinto de contención. A diferencia de la inyección en el conducto de instrumentos de flujo o presión diferencial de la bomba de recirculación, la instrumentación de detección hidráulica no se ve afectada. En la mayoría de las plantas, el punto de muestra del refrigerante del reactor primario está en la entrada al sistema de RWCU, y esta muestra no se verá afectada por el uso del punto de muestra del sistema de recirculación del reactor. Sin embargo, el punto de muestra del sistema de recirculación del reactor usado para la inyección no estará disponible como punto de muestra alternativo o de apoyo cuando esté inyectándose el producto químico. El conducto de muestra del sistema de recirculación del reactor tendrá que aclararse adecuadamente antes de su uso tras la inyección de producto químico.
Si no está disponible una conexión de LLRT fuera del recinto de contención, aguas arriba de la válvula de aislamiento exterior, puede ser posible conectar el conducto de inyección de producto químico con el conducto de muestra de recirculación del reactor aguas abajo de la válvula de aislamiento del recinto de contención exterior. Esto puede ser o bien a través de otra conexión del conducto de drenaje o bien justo antes de la conexión del conducto de muestra en la estación de muestra de química. Los puntos de inyección del sistema de recirculación ofrecen la ventaja con respecto al punto de inyección del sistema de RWCU de que no dependen de la capacidad de funcionamiento de la bomba de RWCU.
Para la configuración de la planta mostrada en la figura 4, la toma de muestra del sistema de recirculación "B" también suministra un flujo al monitor de durabilidad. Sin embargo, en la mayoría de las plantas el flujo de muestra de refrigerante del reactor normal y el flujo al monitor de durabilidad se toman desde la entrada del sistema de RWCU, de modo que es factible la inyección en el sistema de recirculación tal como se trató anteriormente.
Si se desea la mitigación del IGSCC en el circuito cerrado de recirculación y en el tubo vertical de bajada, ambos circuitos cerrados deben estar en funcionamiento con hidrazina inyectada en ambos circuitos cerrados. Si se requiere la inyección de producto químico en ambos circuitos cerrados de recirculación (plantas de dos circuitos cerrados) para garantizar la eficacia, probablemente tendrán que usarse una toma de instrumento para un circuito cerrado mientras que la conexión muestra/LLRT podría usarse para el otro circuito cerrado. La selección real de puntos de inyección sería específica del emplazamiento.
La inyección de hidrazina al agua de alimentación a través de los conductos de retorno de RWCU tiene la ventaja de evitar la región de flujo del núcleo y suministrar hidrazina a la parte superior del tubo vertical de bajada, lo que es beneficioso para garantizar que la razón de hidrazina con respecto a oxidante sea suficientemente alta para mitigar el IGSCC del diámetro externo de la cubierta y los componentes del tubo vertical de bajada tales como los haces de bomba de chorro y las soldaduras del tubo de subida de recirculación. Éste puede ser un buen punto de inyección durante la inundación para el ensayo a presión hidráulica, si se usa condensado para la inundación. Sin embargo, durante el funcionamiento de RWCU sin flujo de condensado, la velocidad de flujo a través de los conductos de agua de alimentación será lenta (\sim1% de la potencia completa con un sistema de RWCU al 1%) y el volumen puede ser grande, dependiendo de la geometría de la planta. Puede haber pérdidas significativas de hidrazina por reacciones catalizadas en superficie con las tuberías de acero al carbono. Con este modo de inyección ambos circuitos cerrados de recirculación deben estar en funcionamiento para proporcionar una distribución uniforme de hidrazina por todo el sistema de recirculación y el recipiente.
Para las plantas que se inundan para el ensayo a presión hidráulica a partir del rociado del núcleo, puede ser posible inyectar un producto químico en el sistema de rociado del núcleo si está disponible una conexión accesible. El sistema de rociado de núcleo a baja presión incluye normalmente conexiones de prueba en la succión de la bomba que podrían usarse para la inyección.
La tercera ubicación de inyección es en el sistema de CRD. El sistema de CRD está en servicio desde la parada fría durante el funcionamiento a potencia y por lo tanto ofrece una posible ubicación conveniente de inyección de producto químico. Durante el periodo de calentamiento y puesta en marcha de interés de la planta, la succión de CRD se alimenta del efluente del desmineralizador de condensado, de modo que la inyección a la succión de CRD será a la temperatura y presión del efluente del sistema del desmineralizador de condensado. El punto de inyección será en una conexión de drenaje asociada con las tuberías de la bomba de CRD.
Hay tres fases en las que puede producirse la inyección. En la fase 1, la inyección de hidrazina se producirá durante la prueba de fuga de presión hidrostática del reactor y el calentamiento inicial durante la puesta en marcha cuando sólo hay una ventilación minoritaria del recipiente del reactor. En la fase 2, la inyección de hidrógeno se producirá cuando la potencia del reactor sea muy baja (<1%) y sólo haya un flujo de vapor minoritario. En la fase 3, la inyección de hidrógeno se producirá cuando la potencia se aumente hasta el 5% y el flujo de vapor pase a ser significativo.
La prueba de presión hidrostática del RPV representa la fase inicial (fase 1) de preparación para la puesta en marcha en la que la temperatura del refrigerante del reactor se calienta por encima de los 93ºC (200ºF). Un esquema simplificado del proceso de los sistemas clave de la planta durante la prueba de presión hidrostática del RPV se muestra en la figura 5. El esquema muestra el sistema de RWCU funcionando evitando el equipo de purificación de agua de RWCU. El CRD suministra agua de condensado al recipiente y hay una trayectoria de flujo descendente desde la RWCU que se envía normalmente al condensador principal. La trayectoria de flujo mostrada en la figura 5 muestra la succión de CRD alineada con el tanque de almacenamiento de condensado (CST, condensate storage tank), pero el flujo de succión de CRD puede proporcionarse desde el efluente del sistema de desmineralizador de condensado si está funcionando una bomba de condensado y está disponible el sistema de desmineralizador de condensado. La temperatura se eleva por encima de los 93ºC (200ºF) usando el calor de la bomba de recirculación del reactor. Los posibles puntos de inyección de hidrazina tratados anteriormente se muestran en la figura 5.
Datos de temperatura del refrigerante del reactor a modo de ejemplo antes de, durante y tras una prueba de presión hidrostática del RPV en un BWR-4 se muestran en la figura 6. Para esta evolución, la temperatura del refrigerante del reactor mostró un pico a aproximadamente 129ºC (265ºF) y era superior a los 93ºC (200ºF) durante un periodo total de aproximadamente 18 horas. La duración temporal de 18 horas por encima de los 93ºC (200ºF) en este ejemplo podía ser más larga si la prueba tenía que repetirse debido a un escape inaceptable.
En el ejemplo mostrado en la figura 6, la temperatura del refrigerante se aumentó en etapas, desde un nivel inicial de aproximadamente 56ºC (133ºF) hasta aproximadamente 67ºC (153ºF), a la que la temperatura se mantuvo constante durante aproximadamente cinco horas antes del inicio del calentamiento. Llevó aproximadamente seis horas aumentar la temperatura desde 67ºC (153ºF) hasta más de 93ºC (200ºF). Se indicó por primera vez una presión creciente del reactor cuando la temperatura alcanzó aproximadamente los 88ºC (190ºF), y la presión pico de aproximadamente 1067 psig se alcanzó en aproximadamente 9 horas. La presión pico se mantuvo durante un periodo de aproximadamente cinco horas. Entonces se redujo la presión hasta aproximadamente 28 psig. Tras la finalización de la prueba de presión, la temperatura disminuyó desde el valor pico de 129ºC (265ºF) hasta más de 93ºC (200ºF) en aproximadamente 3 horas.
Para garantizar que está presente suficiente hidrazina en el momento en el que la temperatura del refrigerante es mayor que 93ºC (200ºF), sería necesario iniciar antes la inyección. Por tanto, sería ventajoso iniciar la adición de hidrazina durante el llenado inicial del recipiente antes del inicio de la prueba hidrostática. El tiempo que se tarda en llenar el recipiente depende de los procedimientos específicos de la planta. Si al inicio del llenado el nivel de agua está a un nivel de funcionamiento normal, tendrá que haberse añadido una gran masa de agua para alcanzar el nivel necesario para la prueba de presión hidrostática.
Además, la hidrazina también podría inyectarse durante el periodo de seis horas de aumento de temperatura del refrigerante desde 65ºC hasta 93ºC (de 150ºF a 200ºF). Durante este periodo, se transporta oxígeno al interior del recipiente del reactor con el flujo de CRD y continuará la producción de peróxido de hidrógeno debido al flujo gamma del núcleo. El flujo descendente desde la RWCU también se produce en ese momento.
Puede haber sido necesario añadir hidrazina adicional después de que la temperatura alcanzara más de 93ºC (200ºF). El agua añadida por medio del CRD durante la prueba de presión hidrostática puede aproximarse a los niveles de saturación del aire ya que la mayoría de las plantas no tienen establecido en ese momento vacío en el condensador. Los datos de ECP, si están disponibles, pueden usarse para determinar si se requiere hidrazina adicional.
Durante la prueba de presión hidrostática se preferirá la inyección a través del conducto de muestra del sistema de recirculación o una presión diferencial en la bomba de recirculación o una toma de flujo con respecto a la inyección en la RWCU. Dado que no hay flujo de agua de alimentación, la velocidad en la tubería de agua de alimentación grande debida al flujo de RWCU será muy baja. La inyección en el sistema de recirculación proporcionará un mejor mezclado dentro de las tuberías y en el recipiente del reactor.
Durante la prueba hidrostática, la fuente de oxígeno en el agua procede de la saturación del aire y no de la radiólisis. Al menos se requerirá una cantidad equivalente de hidrazina para consumir las existencias de oxígeno suponiendo que no hay ningún otro término de fuente. Dado que se indica que la velocidad de la reacción de hidrazina con oxígeno es lenta a baja temperatura (\sim49ºC o 120ºF) antes del calentamiento, puede ser prudente retrasar la inyección de hidrazina hasta que la temperatura del agua del reactor es mayor, aproximándose a 93ºC (200ºF), a la que la reacción avanza más rápidamente. La hidrazina residual y sus productos de descomposición se eliminarán con el flujo descendente.
El oxígeno debe eliminarse del agua del reactor mediante medios mecánicos, en la medida práctica, para minimizar la cantidad de hidrazina requerida. Los medios mecánicos disponibles consistirán en establecer vacío en el condensador con las bombas de vacío mecánicas y abrir los drenajes del conducto de vapor principal para permitir que se haga vacío en el recipiente del reactor (el orificio de ventilación de la cabeza también tiene que estar abierto).
Tras la prueba de presión hidrostática, la siguiente oportunidad para la inyección de hidrazina es durante el calentamiento inicial y la puesta en marcha inicial. Si se añadiera hidrazina durante la prueba hidrostática, los niveles de oxígeno disuelto en el refrigerante aumentarían tras finalizar la prueba hidrostática debido al aporte continuo desde el CRD. Normalmente, la puesta en marcha comienza en el plazo de 24 horas tras finalizar la prueba hidrostática. Este periodo de tiempo puede ser más largo debido a cuestiones o trabajo incipientes, lo que podría aumentar adicionalmente el contenido en oxígeno disuelto en la puesta en marcha.
En la fase de puesta en marcha inicial, el aporte de oxígeno al refrigerante del reactor procede del condensado/agua de alimentación y una pequeña contribución de la radiólisis al establecer la criticidad del reactor. Inicialmente, el agua que entra en el recipiente del reactor desde el sistema de condensado/agua de alimentación es elevada debido a la disolución de oxígeno del aire, pero el contenido en oxígeno disminuye tras establecer vacío en el condensador. Durante el calentamiento, cuando se establece el vacío inicial en el condensador usando la bomba de vacío mecánica, el oxígeno disuelto en el refrigerante del reactor normalmente es de aproximadamente 250 ppb. Los niveles de oxígeno disuelto en el refrigerante comenzarán a disminuir a medida que aumenta la temperatura debido a una disminución de la solubilidad. Habitualmente requiere el funcionamiento del sistema eyector de aire con chorro de vapor para reducir el contenido en oxígeno del agua del condensado hasta menos de 100 ppb. El hecho de establecer vacío en el condensador con los drenajes del conducto de vapor principal y las MSIV abiertos extrae el oxígeno liberado debido al calentamiento del recipiente del reactor.
Antes del movimiento de las barras de control inicial, el procedimiento de la planta requiere iniciar el sistema de recirculación del reactor y conseguir la refrigeración de parada. Éste será el momento apropiado para iniciar la inyección de hidrazina ya que la activación de la bomba de recirculación proporcionará el mezclado en el recipiente del reactor.
En la fase 2, una vez que comienza el calentamiento, la temperatura del reactor no tarda mucho (entre 6 y 10 horas) en alcanzar aproximadamente 177ºC (350ºF). La correspondiente presión del reactor a esta temperatura es de aproximadamente 134 psia. En este momento se produce una ventilación significativa de vapor. Hay suficiente flujo de vapor para abrir una válvula de derivación de la turbina, para realizar pruebas de capacidad de funcionamiento con las bombas accionadas por turbinas de HPCI y RCIC (el diseño en la mayoría de las plantas), y en algunas estaciones, para poner en servicio los eyectores de aire con chorro de vapor. A medida que la temperatura aumenta por encima de los 260ºC (500ºF) el contenido en oxígeno sigue disminuyendo, lo que indica que el aporte debido a la radiólisis es bajo. A medida que continúa el aumento de potencia, la fuente de oxígeno disuelto es principalmente de la
radiólisis.
Un diagrama de flujo esquemático simplificado durante un proceso de puesta en marcha se muestra en la figura 7. También se muestran los posibles puntos de inyección tratados anteriormente. La inyección en el sistema de recirculación durante el calentamiento es viable. Para el punto de inyección de RWCU, las plantas pueden estar inicialmente en alineación descendente para el control del nivel del reactor. A medida que aumenta el flujo de vapor, se consigue el descenso.
El enfoque de inyección es iniciar la inyección de hidrazina tras la activación de la primera bomba de recirculación del reactor y conseguir la refrigeración de parada. Debe añadirse suficiente hidrazina para acumular existencias de modo que puede lograrse la mitigación cuando la temperatura del refrigerante alcanza los 93ºC (200ºF). Si no hay datos de ECP disponibles durante la puesta en marcha inicial, puede ser posible evaluar la eficacia de la hidrazina usando mediciones del gas (oxígeno e hidrógeno) disuelto de la muestra de refrigerante del reactor. Estas mediciones también pueden usarse como base para los cambios en la tasa de inyección de hidrazina.
Tal como se trató anteriormente, cuando la temperatura del refrigerante del reactor aumenta hasta aproximadamente 177ºC (350ºF), hay suficiente flujo de vapor disponible como para requerir la apertura de la primera válvula de derivación de la turbina y para realizar pruebas de la capacidad de funcionamiento de las bombas accionadas por vapor del sistema de emergencia (fase 3). Las plantas con una fuente de vapor auxiliar pueden tener el sistema SJAE en servicio a esta temperatura. Si no, poner el sistema SJAE en servicio es normalmente una de las primeras actividades realizadas cuando la presión aumenta más allá de los 150 psig.
Se muestra un esquema de flujo del proceso durante la puesta en marcha en la figura 8, que muestra el flujo de vapor al condensador desde la derivación de la turbina. En ese punto, hay algo de flujo a través del sistema de condensado/agua de alimentación, pero no hay flujo de vapor hacia los calentadores de agua de alimentación de modo que la temperatura del agua de alimentación es fría en comparación con las condiciones de funcionamiento de la planta normales.
Si una planta se diseña con bombas de refuerzo del condensado, la primera bomba de refuerzo se pone normalmente en servicio cuando la presión del reactor está entre 150 psig y 200 psig. La primera bomba de agua de alimentación del reactor se pone normalmente en servicio cuando la presión del reactor está entre 400 psig y 500 psig. Una vez que la primera bomba de agua de alimentación se pone en servicio, se lleva a cabo un movimiento adicional de las barras de control para llevar la temperatura del reactor hasta más de 260ºC (500ºF) y la presión del reactor hasta entre 950 psig - 1000 psig. Los datos de puesta en marcha del BWR-4 típicos muestran que la duración temporal para aumentar la temperatura del reactor desde 177ºC (350ºF) hasta aproximadamente 271ºC (520ºF) es de aproximadamente 12 horas (velocidad de aumento de la temperatura promedio de aproximadamente 14ºF por hora).
Las concentraciones de oxígeno disuelto del condensado y del refrigerante del reactor a modo de ejemplo para un BWR-4 con NMCA durante la puesta en marcha y el aumento de la potencia, antes del inicio de la inyección de hidrógeno, se representan en la figura 9. También se muestran las tendencias de la potencia del reactor y la temperatura del refrigerante del reactor. Se muestra claramente el efecto de establecer vacío en el condensador sobre los niveles de oxígeno. La rápida disminución del oxígeno del condensado desde más de 700 ppb hasta muy por debajo de 100 ppb se corresponde con el funcionamiento de SJAE de partida. Generalmente, se requiere que las plantas consigan las bombas de vacío mecánicas antes de superar una potencia del 5% debido a las preocupaciones relativas a las mezclas de gases explosivos y las liberaciones radiológicas. El oxígeno disuelto del refrigerante del reactor disminuyó desde aproximadamente 400 ppb a una temperatura de 106ºC (223ºF) hasta aproximadamente 100 ppb a una temperatura de aproximadamente 184ºC (363ºF). Cuando el oxígeno del condensado disminuyó hasta menos de 100 ppb, el oxígeno disuelto del refrigerante era de aproximadamente 16 ppb.
Los puntos de los datos de potencia de la planta en la figura 9 muestran que cuando la temperatura del refrigerante aumentó por primera vez por encima de los 260ºC (500ºF), la potencia era de entre el 8 y el 9%.
La demanda de hidrazina para reducir el ECP desde el punto de flujo de vapor significativo (presión del reactor a aproximadamente 150 psig) con una potencia del 5% es relativamente baja, basándose en la tendencia del oxígeno disuelto mostrada en la figura 9, que es antes del inicio de la inyección de hidrógeno. No hay ningún problema en inyectar en la RWCU durante este periodo dado que se consigue el descenso desde la RWCU durante esta fase y el tiempo de residencia en las tuberías de agua de alimentación será menor debido al flujo creciente de agua de alimentación. La inyección en el conducto de muestra del sistema de recirculación también sería aceptable. La monitorización de la eficacia puede lograrse usando mediciones de gas disuelto con RWCU y ECP, si están disponibles.
Tras alcanzar una potencia del 5%, una planta se centrará en aumentar la temperatura y la presión del reactor para proporcionar suficiente vapor para comenzar el calentamiento de la turbina principal en preparación para ponerse en funcionamiento y sincronizarse con la red de distribución. Las plantas normalmente se sincronizan con la red de distribución a una potencia de aproximadamente el 20%. Los niveles de oxígeno disuelto del refrigerante del reactor aumentarán debido a los oxidantes de las reacciones de radiólisis y posiblemente por aumentos en el aporte de oxígeno desde el sistema de condensado/agua de alimentación debido a los aumentos en la entrada indeseada de aire ya que los subsistemas y componentes en comunicación directa con el condensador se ponen en servicio en primer lugar.
Un método de protección de reactores BWR frente a la corrosión durante la puesta en marcha se describe anteriormente. Diversos detalles de la invención pueden cambiarse sin apartarse de su alcance. Además, la descripción anterior de las realizaciones preferidas de la invención y el mejor modo para poner en práctica la invención se proporcionan sólo con el fin de ilustración y no con el fin de limitación.

Claims (6)

1. Método de protección de reactores BWR frente a la corrosión durante la preparación para la puesta en marcha, con anterioridad al movimiento inicial de la barra de control, que comprende las etapas de:
a.
Proporcionar un aditivo de mitigación adaptado para reducir la corrosión electroquímica de un reactor BWR y
b.
Inyectar el aditivo de mitigación durante una prueba de presión hidrostática.
\vskip1.000000\baselineskip
2. Método según la reivindicación 1, en el que el aditivo de mitigación se inyecta en el reactor BWR durante la prueba de presión hidrostática en una ubicación seleccionada del grupo que consiste en un conducto de muestra del sistema de recirculación y una toma de presión diferencial de la bomba de recirculación.
3. Método según la reivindicación 1, que incluye además la etapa de inyectar el aditivo de mitigación en el reactor BWR durante el calentamiento inicial.
4. Método según la reivindicación 1, que incluye además la etapa de inyectar el aditivo de mitigación en el reactor BWR durante el llenado inicial del recipiente antes de la prueba hidrostática.
5. Método según la reivindicación 1, que incluye además la etapa de inyectar el aditivo de mitigación en el reactor BWR tras el inicio de una primera bomba de recirculación del reactor.
6. Método según la reivindicación 1, en el que el aditivo de mitigación es una amina seleccionada del grupo que consiste en hidrazina y carbohidrazida.
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