ES2393522T3 - Sistema de inyección química y proceso/procedimiento de distribución química de inyección en un reactor de potencia en funcionamiento - Google Patents

Sistema de inyección química y proceso/procedimiento de distribución química de inyección en un reactor de potencia en funcionamiento Download PDF

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Abstract

Un sistema (10) de inyección para inyectar una solución química concentrada en un reactor nuclear de potencia mientras el reactor está en funcionamiento para tratar las superficies internas del reactor con una o más especies químicas, y mitigar con ello el agrietamiento por corrosión intragranular bajo tensión, caracterizado porque el sistema de inyección comprende: una cuba (16, 18) para almacenar la solución química concentrada, una primera bomba (14) de inyección para bombear la solución química concentrada procedente de la cuba (16, 18) al interior de un tubo (15) de tránsito común conectado a la toma (22) de inyección del reactor, un aparato para determinar la tasa a la que la primera bomba de inyección está bombeando la solución química concentrada desde el tanque de disolución, una segunda bomba (12) de inyección para bombear agua desionizada desde un origen (20) de dicha agua al tubo (15) de tránsito común para diluir autónomamente la solución química concentrada usando el tubo (15) de tránsito común, válvulas primera (30) y segunda (28) para conectar las bombas de inyección primera (14) y segunda (12), respectivamente, al tubo (15) de tránsito común, con lo que la solución química diluida es suministrada al interior del reactor de potencia durante el funcionamiento del reactor de potencia, y un controlador lógico (40) para controlar las bombas de inyección primera (14) y segunda (12) y la pluralidad de válvulas (28, 30) que conectan las bombas de inyección primera (14) y segunda (12) al tubo (15) de tránsito común, para controlar con ello la tasa de inyección de la solución química diluida en el 20 sistema del reactor de potencia.

Description

Sistema de inyección química y proceso/procedimiento de distribución química de inyección en un reactor de potencia en funcionamiento
La presente invención versa acerca de reactores nucleares de potencia y, más en particular, acerca de un sistema de inyección en línea que proporciona la capacidad de inyectar una solución química en reactores nucleares de potencia después del arranque para tratar las partes internas del reactor para mitigar con ello el agrietamiento por corrosión intragranular bajo tensión (IGSCC).
Antecedentes de la invención
Se conoce el uso de productos químicos de metales nobles en conjunción con una inyección de gas hidrógeno para mitigar el agrietamiento por corrosión intragranular bajo tensión (IGSCC) en reactores nucleares de potencia. Se inyecta la solución de metal noble como catalizador en un reactor para contribuir a la recombinación del oxígeno y el hidrógeno. El suministro de metales nobles para los reactores de potencia se lleva a cabo normalmente durante una espera en caliente de modo 3. No se genera potencia alguna durante este modo cuando se está inyectando el metal noble, lo que da como resultado una pérdida sustancial del valioso tiempo de camino crítico.
Además, durante el periodo de arranque de un reactor de potencia, no puede inyectarse hidrógeno con la configuración actual del sistema. En las condiciones normales de química del agua, hay disponible una concentración insuficiente de hidrógeno para recombinarse con el oxígeno radiolítico. En consecuencia, cualquier fisura existente se propagará, llevando a una porción de la fisura que no está tratada con metal noble y, por ello, no tiene mitigación contra el IGSCC. El sistema de inyección en línea de la presente invención resuelve este problema, proporcionando la capacidad de inyectar una solución química después del arranque del reactor para tratar el interior del reactor.
Se realizaron varias tentativas del procedimiento de distribución de productos químicos a un reactor nuclear durante su operación normal. Aunque cada tentativa tuvo un éxito relativo en su resultado, hubo importantes contratiempos y mejoras con cada tentativa.
Dado que el aumento de la radiación en la conducción principal de vapor es una inquietud en la inyección de disoluciones químicas en el reactor, la cantidad de inyección usada fue monitorizada estrechamente con el controlador del procedimiento. La solución inicial de la inyección tenía que estar muy diluida para minimizar su efecto en el vapor principal. Con una solución diluida, el tanque de almacenamiento se agotaba frecuentemente, requiriendo múltiples procedimientos de mezcla que requerían mucha mano de obra para rellenar el tanque de almacenamiento. También se requería el proceso de disolución cada vez que se necesitaba un cambio en la concentración.
Para evitar realizar un procedimiento torpe de la mezcla de solución, se usó una concentración mayor de la solución. Sin embargo, una mayor concentración equivale a un aumento en la característica agresiva de la solución, lo que puede afectar adversamente a los componentes mojados del interior de la bomba. Junto con la rigurosa temperatura ambiente de 38+°C en el edificio de la turbina del reactor, las bombas convencionales de inyección de serie fallaron en pocas horas de operación.
Otra inquietud con el procedimiento de distribución es la pérdida de compuestos químicos debida al conducto de tránsito. Un tiempo de residencia menor en el conducto daría como resultado una menor pérdida de compuestos químicos. Con un control limitado sobre el volumen, el aumento del caudal volumétrico de descarga con una corriente de agua desionizada disminuyó el tiempo de residencia de la solución en el conducto de tránsito. Este enfoque también permitió la autodisolución del compuesto químico, una nueva característica añadida al patín de inyección.
El sistema de inyección en línea de la presente invención supera las adversidades descritas en lo que antecede, proporcionando una distribución ininterrumpida de la solución química en un reactor de potencia en funcionamiento.
Breve descripción de la invención
La presente invención proporciona un sistema de inyección según la reivindicación 1.
El sistema de inyección de la presente invención está diseñado para distribuir una solución química en un reactor de potencia a través de diversas tomas de un sistema primario o auxiliar (agua de alimentación, recirculación, RWCU, etc.) durante una condición operativa normal del reactor de potencia. El procedimiento de distribución es mediante bombas volumétricas. La inyección de productos químicos es en forma de solución concentrada, que es diluida internamente por el sistema antes de la descarga desde el patín. Este procedimiento de distribución de productos químicos usando el sistema de inyección consigue varios logros importantes. En primer lugar, minimiza la pérdida de productos químicos debida a la deposición en el conducto de tránsito. En segundo lugar, permite que se usa una solución de mayor concentración como inyectante. En tercer lugar, elimina el procedimiento laborioso y dedicado de la disolución química. En cuarto lugar, eleva la solución química hasta la presión requerida para la inyección. En
quinto lugar, evita las precipitaciones de sólidos que se salen de la solución en la cabeza de la bomba de inyección mediante el uso de una solución de lavado única especialmente preparada. Y, por último, la inyección en línea deposita nuevo producto químico en las superficies de nuevas fisuras que pueden desarrollarse durante el arranque, la parada y la operación de un reactor de potencia.
5 Breve descripción de los dibujos
Sigue una descripción detallada de realizaciones de la invención, a título de ejemplo únicamente, con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:
la Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático del sistema de inyección en línea de la presente invención; la Figura 2 es un diagrama esquemático que muestra las señales de enclavamiento de un controlador
10 lógico para el sistema de inyección en línea de la Figura 1; y la Figura 3 es un dibujo de un sistema para la inyección de una solución de lavado que permite el debido funcionamiento de la bomba de inyección usada para inyectar una solución química en un reactor en funcionamiento.
Descripción detallada de la invención
15 La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático de un sistema 10 de inyección en línea usado para inyectar una solución química en un reactor en funcionamiento (no mostrado) para mitigar el agrietamiento por corrosión intragranular bajo tensión. El sistema 10 incluye dos bombas 12 y 14 de inyección que operan de forma conjunta. Una bomba 14 bombea una solución química concentrada desde tanques alternativos de dos tanques 16 o 18 de aporte, mientras que la otra bomba 12 contribuye a acortar el tiempo de distribución de la solución química diluyendo
20 la solución con agua desionizada con origen 20 en la planta. Las descargas de ambas bombas 12 y 14 se combinan y se mezclan en la conexión 19 de conductos antes de salir del patín y de ser inyectadas en el reactor, es decir, a través del conducto 17 de agua de alimentación. Esta disolución de la solución química logra la tarea de reducir el tiempo de residencia del producto química dentro del tubo 15 de tránsito a la vez que facilita la disolución de la solución.
25 El sistema 10 inyecta la solución química en un sistema primario o auxiliar a través de la toma 22. Las bombas 12 y 14 son bombas volumétricas que se utilizan para regular la capacidad de inyección, proporcionando así control sobre la tasa de inyección de la solución química en el reactor. La cantidad de solución química inyectada en el reactor desde una de los tanques 16 o 18 de disolución es seguida por un procedimiento gravimétrico que usa una célula dinamométrica 24 o 26, respectivamente. El sistema 25 de entrada de datos usa una señal analógica o digital
30 27 o 29 de la pérdida de peso de la solución química para calcular la tasa a la que el producto químico está siendo bombeado desde los tanques 16 y 18 de disolución. Así, el sistema 10 logra el control de la inyección de la solución química en el reactor 17 mediante el uso de básculas electrónicas interconectadas con células dinamométricas 24 y 26 y la transmisión de los datos de la pérdida de peso de la solución química mediante señales 27 o 29 con el sistema 25 de entrada de datos.
35 Tal como se muestra en la Figura 2, las bombas 12 y 14 de inyección y las válvulas 28 y 30 de aislamiento están enclavadas mediante el uso de un controlador lógico 40 para cortar la inyección química tras una condición de parada. El controlador lógico 40 se comunica con las bombas 12 y 14 mediante líneas de señales 21 y 23, respectivamente, y controla válvulas 28 y 30 de aislamiento mediante líneas de alimentación de CA 31 y 33, respectivamente. Se usan señales de alarma para notificar a los operarios, local o remotamente, mediante el puerto
40 42 de Ethernet, de que el sistema 10 está en una condición no deseable y que tiene el potencial de quedar automáticamente aislado. Normalmente se sitúan válvulas cerradas 28 y 30 de aislamiento automático corriente debajo de las bombas 12 y 14 de inyección. Allí, las válvulas 28 y 30 se cierran con una señal de disparo, una pérdida de señal o una pérdida de suministro eléctrico. Existe la capacidad de ver las condiciones del sistema mediante una conexión en ubicaciones remotas con una línea de Ethernet conectada al puerto 42 de Ethernet.
45 Todas las alarmas son visualizables a través de esta conexión remota. El controlador lógico 40 proporciona las siguientes señales de alarma:
a.
Presión alta: aviso de que la presión se aproximada a la condición de parada;
b.
Solución baja: notifica al operario de que la solución química en el tanque está baja;
c. Caudal elevado: condición en la que la tasa de inyección química difiere de la tasa establecida; 50 d. Caudal reducido: condición en la que la tasa de inyección química difiere de la tasa establecida.
El controlador lógico 40 también proporciona las siguientes señales de parada:
a.
Presión alta: protección de equipos y personal;
b.
Presión baja: indicador de una ruptura de conducción; el sistema se aísla;
c. Fallo de la bomba: el sistema se aísla con un fallo de la bomba; 55 d. Solución bajo-bajo: tanque de la solución química vacío, las bombas se paran, las válvulas aíslan.
La característica novedosa del sistema 10 es su capacidad de inyectar una solución química con un amplio intervalo de pH mientras un reactor está funcionando a plena potencia y temperatura. El procedimiento de inyección en línea proporciona la capacidad de monitorizar y controlar la inyección química para una aplicación óptima. La tasa seleccionada de inyección depende de los incrementos en la radiación de la conducción principal de vapor (“MSLR”), de la concentración de la solución química en el agua del reactor y depositada en las superficies internas del reactor, y del potencial de corrosión según se lee con sondas del potencial de corrosión electroquímica (“ECP”) dentro del reactor.
La tasa de inyección química del sistema 10 de inyección puede expresarse como sigue:
f (MSLRM C ,C ,ECP),
Tasa de inyección = , WS
siendo MSLRM = monitor de radiación de la línea principal de vapor; CW = concentración química disuelta en el agua del reactor; CS = concentración química depositada en las superficies; y ECP = potencial de corrosión electroquímica.
La inyección de la solución química en el reactor de potencia se mantiene a una concentración baja, pero estacionaria. Una inyección directa de la concentración seleccionada requeriría múltiples etapas laboriosas de mezcla o un recipiente de almacenamiento de la solución sumamente grande. La capacidad de disolución interna del sistema 10 de inyección llevada a cabo usando las bombas 12 y 14 permite que se calibre el uso de una solución concentrada en una corriente de agua desionizada de mayor flujo. La corriente de descarga diluida tiene un tiempo de residencia acortado, lo que da como resultado una pérdida menor del producto químico inyectado en el conducto, mientras suministra al reactor suficientemente la cantidad requerida.
Para mantener la inyección continua de la solución química, tal como requiere el procedimiento de inyección en línea del sistema 10, resulta esencial evitar la deposición y la precipitación de sólidos sobre los componentes de la bomba 14 de inyección. Con este fin, se proporciona una solución tampón 50 novedosa para lavar las partes móviles mojadas de la bomba 14 de inyección. En la Figura 3 se muestra un sistema 54 de recirculación y almacenamiento para almacenar y hacer circular la solución tampón 50 mediante la bomba 14. El sistema 54 incluye un recipiente 53 para almacenar la solución tampón 50 y conducciones 51 y 55, respectivamente, para distribuir la solución 50 a un alojamiento 56 de lavado que rodea el pistón 52 de la bomba 14 y devolver la solución 50 al recipiente 53. El alojamiento 56 de lavado contiene una porción de la solución 50 y un sello 58 de lavado para evitar que la solución 50 gotee del alojamiento 56. La solución 50 de lavado consiste en carbonato sódico y bicarbonato sódico en polvo en una proporción de 1:1 (0,025 molar igual de cada uno), lo que da como resultado una solución con un pH ~ 10. Sin la solución tampón 50 de lavado, se precipitan sólidos que salen de la solución, ensuciando el pistón de la bomba 14 de inyección y los sellos. Esto provoca un mayor rozamiento en las partes móviles que lleva al atoramiento del pistón 52 de vaivén, lo que deteriora el sello y acaba dando como resultado el fallo total de la bomba
14. Es vital que se use la solución tampón 50 de lavado verificada para evitar una parada por fallo del sistema. El uso de soluciones de lavado convencionales, tales como agua, metanol, etanol, isopropanol, glicerina o hidróxido sódico ha dado como resultado fallos de la bomba debidos a la deposición del inyectante químico sobre el pistón y los sellos de la bomba 14. Por lo tanto, se usa la solución de lavado especialmente formulada, según se describe en lo que antecede, para la inyección de metales nobles con éxito en un reactor sin interrupción.
El sistema 10 de inyección distribuirá una solución química, por ejemplo alcohol, hidracina, titanio, circonio, tungsteno, tantalio, vanadio y, en particular, un compuesto de platino [Na2Pt(OH)6] en la cuba del reactor durante la operación de potencia del reactor. La mayor temperatura y las tasas más altas del fluido durante la operación de potencia mejoran la penetración del catalizador en las fisuras y las grietas del reactor. Así, las condiciones de transporte del Pt, que mejoran la difusión del compuesto de Pt en las fisuras y las grietas del rector, coinciden preferentemente con las condiciones de penetración de oxidantes del reactor.
Preferentemente, un periodo típico para una inyección en línea de una solución química en un reactor en funcionamiento es de aproximadamente 1 a 3 semanas. Este periodo mayor está también mejor adaptado para mejorar el transporte del inyectante químico por convección, por turbulencia y por difusión en las fisuras y las grietas del reactor. Las tasas de inyección química son preferentemente bajas, para que la concentración química del agua del reactor durante la aplicación se mantenga en partes por billón (ppt) hasta niveles bajos de partes por millar de millones (“ppb”) y el aumento en conductividad es marginal.
Preferentemente, dado que puede haber aumentos de MSLRM asociados con el procedimiento en línea, se llevan a cabo algunos ensayos preliminares de etapas de inyección química de corto plazo (de aproximadamente 4 horas de duración) con tasas de adición incremental antes de cualesquiera periodos de inyección de estado estacionario a largo plazo. Las tasas de inyección preliminar permiten la selección de la tasa de inyección continua que esté dentro de las directrices de la tasa de dosis operativa de planta (N16).
En lo que sigue se exponen los requisitos para el sistema de inyección química y el proceso/procedimiento de distribución química de inyección en un reactor de potencia en funcionamiento según la presente invención.
Requisitos operativos de la planta
Las condiciones operativas requeridas para una aplicación en línea son como sigue:
El modo operativo del reactor es, preferentemente, > 70% de potencia. El caudal por el núcleo es, preferentemente, > 85%.
5 Duración de la aplicación
La duración de la inyección química de platino es, preferentemente, de 7 a 21 días.
Conductividad del agua del reactor
La conductividad del agua del reactor durante el periodo de inyección es, preferentemente, < 0,3 !S/cm, con un límite superior < 1,0 !S/cm.
10 Control del procedimiento
El control del procedimiento se realiza por medio de la masa de las especies químicas inyectadas para cada aplicación en el transcurso de 7 a 21 días. La tasa de inyección depende de la respuesta de N16 de una planta específica según se determina por medio de los ensayos iniciales por etapas de N16. La tasa puede ser controlada en parte, además, por la concentración de inyectante en el agua del reactor (por ejemplo, 100 ppt deseadas de
15 platino en el agua del reactor) y limitaciones en el aumento de la conductividad.
Introducción de productos químicos para nuevas aplicaciones posteriores
Preferentemente, se realizan nuevas aplicaciones en intervalos entre seis y doce meses. Si una planta experimenta un periodo prolongado de carencia de hidrógeno, debería volver a aplicarse el procedimiento en línea tan pronto como resulte práctico después de tal evento. La masa inyectada en ese momento debería ser la misma que en la
20 aplicación inicial.
Aunque se ha descrito la invención en conexión con lo que en la actualidad se considera que es la realización más práctica y preferente, debe entenderse que la invención no está limitada a la realización dada a conocer, sino que, por el contrario, se pretende que cubra diversas modificaciones y disposiciones equivalentes incluidas dentro del alcance de las reivindicaciones adjuntas

Claims (12)

  1. REIVINDICACIONES
    1. Un sistema (10) de inyección para inyectar una solución química concentrada en un reactor nuclear de potencia mientras el reactor está en funcionamiento para tratar las superficies internas del reactor con una o más especies químicas, y mitigar con ello el agrietamiento por corrosión intragranular bajo tensión,
    5 caracterizado porque el sistema de inyección comprende:
    una cuba (16, 18) para almacenar la solución química concentrada, una primera bomba (14) de inyección para bombear la solución química concentrada procedente de la cuba (16, 18) al interior de un tubo (15) de tránsito común conectado a la toma (22) de inyección del reactor, un aparato para determinar la tasa a la que la primera bomba de inyección está bombeando la solución
    10 química concentrada desde el tanque de disolución, una segunda bomba (12) de inyección para bombear agua desionizada desde un origen (20) de dicha agua al tubo (15) de tránsito común para diluir autónomamente la solución química concentrada usando el tubo
    (15) de tránsito común, válvulas primera (30) y segunda (28) para conectar las bombas de inyección primera (14) y segunda (12),
    15 respectivamente, al tubo (15) de tránsito común, con lo que la solución química diluida es suministrada al interior del reactor de potencia durante el funcionamiento del reactor de potencia, y un controlador lógico (40) para controlar las bombas de inyección primera (14) y segunda (12) y la pluralidad de válvulas (28, 30) que conectan las bombas de inyección primera (14) y segunda (12) al tubo
    (15) de tránsito común, para controlar con ello la tasa de inyección de la solución química diluida en el 20 sistema del reactor de potencia.
  2. 2.
    El sistema de inyección de la reivindicación 1 en el que las especies químicas son seleccionadas del grupo que consiste en platino, alcohol, hidracina, titanio, circonio, tungsteno, vanadio y tantalio.
  3. 3.
    El sistema de inyección de las reivindicaciones 1 o 2 que, además, comprende un sistema (54) de recirculación
    y de almacenamiento para almacenar y hacer circular, mediante la primera bomba (14) de inyección, agua 25 desionizada para lavar las partes móviles mojadas de la primera bomba de inyección.
  4. 4.
    El sistema de inyección de la reivindicación 3 en el que se disuelven carbonato sódico y bicarbonato sódico en polvo en el agua desionizada en una proporción de 1:1, lo que da como resultado una solución de lavado con una molaridad igual de cada uno de 0,025 y con un pH ~ 10.
  5. 5.
    El sistema de inyección de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que las bombas de inyección
    30 primera (14) y segunda (12) son bombas volumétricas que regulan la capacidad de inyección, proporcionando con ello control sobre la tasa de inyección de la solución química diluida al reactor.
  6. 6. El sistema de inyección de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el aparato para determinar la tasa a la que se bombea la solución química concentrada desde la cuba de la solución incluye al menos una célula dinamométrica (24, 26) que usa un procedimiento gravimétrico para medir una reducción en peso de la
    35 cantidad de solución química almacenada en la cuba (16, 18).
  7. 7. El sistema de inyección de la reivindicación 5 en el que el aparato para determinar la tasa a la que se bombea la solución química concentrada desde la cuba de la solución comprende, además, un sistema (25) de entrada de datos usando una señal procedente de al menos una célula dinamométrica (24, 26) para calcular la reducción en peso de la solución química.
    40 8. El sistema de inyección de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la tasa de inyección es una función de los aumentos en la radiación del conducto principal de vapor del reactor, en la concentración de la solución química en el agua del reactor y en las especies químicas depositadas en las superficies internas del reactor, y en el potencial de corrosión medido por al menos una sonda del potencial de corrosión electroquímica (“ECP”).
    45 9. El sistema de inyección de cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la solución química inyectada en el reactor comprende un metal noble, alcohol, hidracina, titanio, circonio, tungsteno, tantalio, vanadio o cualquier combinación de los mismos.
  8. 10. El sistema de inyección de la reivindicación 9 en el que se inyecta la solución química diluida en el reactor a una tasa en la que la concentración en el agua del reactor durante la aplicación se mantiene en partes por
    50 billón (ppt) hasta niveles bajos de partes por millar de millones (“ppb”) y el aumento en conductividad es marginal, mejorando con ello el transporte del metal noble por convección, por turbulencia y por difusión en las fisuras y las grietas del reactor.
  9. 11.
    El sistema de inyección de la reivindicación 10 en el que la tasa de inyección del compuesto de platino en la cuba del reactor a través del sistema de agua de alimentación es menor de 10 g/h.
  10. 12.
    El sistema de inyección de la reivindicación 10 en el que la tasa de inyección del compuesto de platino en la cuba del reactor a través del sistema de agua de alimentación es menor de 4 g/h.
  11. 13.
    El sistema de inyección de la reivindicación 10 en el que la tasa de inyección del compuesto de platino en la
    cuba del reactor es controlada por la concentración del compuesto de platino en el agua del reactor y por la 5 conductividad de esta.
  12. 14. El sistema de inyección de la reivindicación 13 en el que el compuesto de platino es Na2Pt(OH)6 y su concentración en el agua del reactor es 500 ppt, y en el que la conductividad del agua del reactor durante la inyección de la solución química en la cuba del reactor se mantiene a un nivel menor de 0,3 !S/cm y no supera 1,0 !S/cm.
    10 15. El sistema de inyección de la reivindicación 13 en el que el compuesto de platino es Na2Pt(OH)6 y su concentración en el agua del reactor es 100 ppt, y en el que la conductividad del agua del reactor durante la inyección de la solución química en la cuba del reactor se mantiene a un nivel menor de 0,3 !S/cm y no supera 1,0 !S/cm.
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