Файл: Герасимов В.В. Материалы ядерной техники учеб. пособие.pdf

100 Гл . 4. Теплоносители

Следует заметить, что кроме радиолиза в воде при прохожде­ нии активной зоны под действием медленных нейтронов обра­

называемая кислородная активность и определяет уровень излу­ чения теплоносителя в трубопроводах контура работающего ре­ актора и определяет в значительной степени требования к био­ логической защите. Период полураспада |90 29,4 сек. В связи с этим после остановки реактора кислородная активность бы­ стро спадает и активность контура в этом случае определяется осколками деления и радиоактивными продуктами коррозии. Доля изотопа 180 в естественной воде 0,002%. Под действием быстрых нейтронов протекают также реакции 1бО (/г, p )l6N, І70(/г, ,o)17N. Период полураспада 16N 7,4 сек, 17N 4,1 сек. Эти изотопы могут вступать в реакцию с кислородом, давая нитра­ ты и нитриты, и с водородом с образованием аммиака. В кипя­ щих одноконтурных реакторах эти соединения могут попадать в пар и вместе с ним на турбину, влияя на радиационную об­ становку.

При нарушении сплошности оболочек твэлов продукты деле­ ния и само топливо могут попадать в воду, создавая так назы­ ваемую осколочную активность. Часть осколков деления скапли­ вается под оболочкой твэла. Количество их зависит от коэффи­ циента диффузии в топливе, периода полураспада, летучести. В процессе деления и последующего распада образуется более 250 радиоактивных изотопов, из них 33 являются инертными га­ зами или летучими. Это в основном изотопы Br, CI, I, Хе. В силу ряда причин, например вследствие технологических дефектов в металле и сварных швах, возможно возникновение неплотности оболочки твэла. Наиболее часто образуется газовая неплотность, которая может предшествовать более серьезным разрушениям оболочки. Осколочная газовая активность в воде первого кон­ тура опасна в случае течей и попадания газов в рабочие поме­ щения. При значительных повреждениях оболочки и контакте топлива с теплоносителем в воде первого контура обнаружива­ ются изотопы Mo, Sr, Ва, La, Zr, Nb и U. Наибольший вклад в активность теплоносителя при 'повреждении оболочки вносит 133Хе с периодом полураспада 5,3 суток.

Следует также заметить, что при заполнении твэлов горючее в том или ином количестве попадает на наружную поверхность оболочек. При эксплуатации осколки деления, образовавшиеся из горючего, загрязнявшего наружную оболочку, переходят в воду первого контура. Естественно, технологический процесс за­ полнения твэлов горючим и отмывку наружной поверхности обо­ лочек нужно вести таким образом, чтобы свести их загрязнение к минимуму.

Загрязнение воды первого контура может происходить и ак­ тивированными продуктами коррозии. Образование активных продуктов коррозии происходит либо при переходе в воду про­ дуктов коррозии облученных материалов активной зоны, либо при активации продуктов коррозии, образовавшихся вне актив­ ной зоны. Наибольшее количество активных продуктов корро­ зии образуется первым способом. Радиоактивность продуктов коррозии определяется в основном изотопами 51Сг, 54Мп, 56Мп, 58Со, 60Со, 59Fe, 95Zr и др. Продукты коррозии, в том числе и ак­ тивные, разносятся водой по контуру и отлагаются на поверх­ ностях металла, в том числе и на поверхностях твэлов, скапли­ ваются в застойных зонах.

Процессы эти приводят к активации оборудования первого контура, затруднению его обслуживания и ремонта. Уровень у-излучения у внешней поверхности труб американского реакто­ ра СМ-1 составлял через сутки после остановки 60—70 мріч [(5,5—6,5) • ІО-2 а/кг]. На отдельных участках зафиксирована активность до 2,5 р!ч (2,3 а/кг), что связано, видимо, с ло­ кальным накоплением продуктов коррозии. После двух лет ра­ боты примерно 80% долгоживущей активности (через несколько месяцев после остановки реактора) были обусловлены изотопа­ ми 60Со и 58Со. Сразу после остановки реактора 50% активности обусловлены изотопами железа и марганца. В качестве мер борьбы с активацией оборудования первого контура за счет отложений продуктов коррозии следует считать правильный подбор конструкционных материалов и водного режима. Про­ дувка первого контура и очистка воды на байпасе малоэффек­ тивны, так как скорость отложений продуктов коррозии на внутренних поверхностях контура весьма значительна.

При использовании газового компенсатора объема вода пер­ вого контура растворяет газ, находящийся в компенсаторе. Вода в газовом компенсаторе объема растворяет газ в количестве, пропорциональном парциальному давлению по закону Генри. Из компенсатора объема газ переносится в первый контур диффу­ зией. Кроме того, при уменьшении объема воды в первом кон­ туре в него поступает вода из компенсатора, насыщенная газом. С учетом находящегося в первом контуре водорода суммарное содержание газов в воде может достигать несколько сот нор­ мальных кубических сантиметров на литр. Присутствие такого количества растворенного газа в воде может затруднить работу циркуляционных насосов. Положение осложняется в том случае, когда газовый компенсатор объема по компоновочным сообра­ жениям находится при высокой температуре. Растворимость га­ зов в воде с ростом температуры проходит через минимум при 100° и при дальнейшем увеличении температуры до 300—350° возрастает. Соответственно велика и растворимость газов в воде

первого контура на выходе из активной зоны. Ыа циркуляцион­ ные насосы вода попадает при температуре более низкой, чем на выходе из реактора, и растворимость газа в ней соответст­ венно ниже. Выделившийся из воды газ может привести к сры­ ву насосов.

Давление газа в компенсаторах объема достигает 150 ат. Даже при малом содержании кислорода в газе ( —0,1 об. %) парциальное давление кислорода в газе составляет 0,15 ат, это приводит к высокой концентрации кислорода в воде 1-го кон­ тура. Последнее обстоятельство существенно влияет на коррози­ онную стойкость конструкционных материалов.

Свойства, в частности агрессивность, воды могут существен­ но изменяться в тех участках контура, где существуют условия для концентрирования примесей, содержащихся в теплоносителе. Такое явление может быть, например, в щелях сварных соеди­ нений технологического канала кипящего реактора. Внутри ка­ нала движется вода или пароводяная смесь в состоянии насы­ щения при температуре 330°. Снаружи канал омывается азотом, нагретым до 380°. За счет теплового потока от наружной стенки канала к внутренней вода, находящаяся в щели, будет испа­ ряться. Давление пара в щели превысит давление в трубе. Пар будет выходить из щели до тех пор, пока давление в щели и трубе не уравняется. Оставшийся в щели пар будет перегре­ ваться. Поскольку канал испарительный, давление в нем не остается строго постоянным, а колеблется около среднего зна­ чения, временами превышая давление в щели. В щель посту­ пают новые порции воды, и процесс испарения в ней будет про­ исходить постоянно.

В соответствии с коэффициентом распределения при рас­ сматриваемых параметрах равновесия концентрация хлоридов в воде будет в ІО4 раз выше, чем в насыщенном паре. С парами будет уходить ничтожное количество хлоридов. Практически весь хлорид-ион останется в воде, находящейся в щели. В щели бѵчет происходить концентрирование хлоридов и, несмотря на низкое содержание хлоридов в пароводяной смеси (2,5- 10-®%), образование все более концентрированного раствора. В соответ­ ствии с законом Рауля температура кипения раствора растет с увеличением его концентрации. Максимальная температура сре­ ды в щели 380°. При давлении 130 ат такую температуру ки­ пения имеет раствор, содержащий-42% хлоридов.

Концентрирование хлоридов происходит и в зоне испарения прямоточного парогенератора с давлением 40—50 ат. При этих параметрах растворимость хлоридов в паре мала. Практически все хлориды, приносимые водой, остаются в зоне испарения. Аналогичное явление наблюдается на первой ступени прямоточ­ ного подогревателя турбины в кипящих реакторах. Концентриро­